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Cuando una ola de calor récord quemó el noroeste del Pacífico a principios de este verano y nuevamente esta semana , matando a cientos de personas en los Estados Unidos y Canadá, muchos residentes se dieron cuenta de los veranos predeciblemente suaves que sabían que ya no existían. Los científicos tienen claro que el cambio climático hará que estos eventos de calor extremo sean más comunes en los próximos años, lo que llevará a las personas en áreas como Seattle, Portland y el norte de California a agregar aire acondicionado (AC) a sus hogares.
En Seattle, donde el 46 por ciento de las casas unifamiliares no tienen aire acondicionado, las temperaturas alcanzaron los abrasadores 108 °F el 28 de junio, creando condiciones peligrosas dentro de las casas. Entonces, ¿cómo mantenemos a las personas seguras y cómodas durante las peligrosas olas de calor y gestionamos la creciente necesidad de aire acondicionado de una manera equitativa y respetuosa con el clima? Las bombas de calor son una solución atractiva tanto para los legisladores como para los residentes, ya que pueden mantener un hogar fresco y confortable de manera eficiente en el verano y al mismo tiempo calentar el hogar sin combustibles fósiles en el invierno.
RMI modeló el rendimiento de varias opciones de refrigeración para una casa de Seattle durante la ola de calor de tres días en junio de 2021: una bomba de calor de fuente de aire (en adelante, bomba de calor), una unidad de aire acondicionado típica y una unidad de aire acondicionado de mayor capacidad. Descubrimos que la bomba de calor no solo era capaz de mantener una temperatura del aire interior cómoda y segura durante el calor extremo, sino que también cuesta $228 menos por año para operar que un sistema de refrigeración y calefacción de combustible dual (unidad de aire acondicionado + horno de gas) . Además, las emisiones de CO 2 se reducen en alrededor de un 25 por ciento para toda la casa cuando funciona con la bomba de calor en comparación con la calefacción y el aire acondicionado de alta capacidad.
Las bombas de calor lo mantienen fresco y cómodo
Nuestros resultados muestran claramente que la bomba de calor es superior a la hora de mantener una temperatura del aire interior cómoda y constante y consume menos electricidad que la unidad de aire acondicionado de alta capacidad de 4 toneladas. Primero observamos una pequeña unidad de aire acondicionado de 2 toneladas, típica del clima históricamente templado de Seattle, pero no pudo mantener un ambiente interior seguro (punto de ajuste de enfriamiento de 75 °F) durante el evento de calor extremo. Esto implica que se necesita una unidad de aire acondicionado de alta capacidad para cumplir con la temperatura de consigna predefinida.
Pero incluso si bien esta unidad de aire acondicionado de alta capacidad genera una temperatura del aire interior más agradable en comparación con la unidad de aire acondicionado típica, todavía tiene dificultades para alcanzar la temperatura de referencia en el día más caluroso (es decir, el 28 de junio), como se muestra en la figura de temperatura a continuación. Esto contrasta con la bomba de calor, que pudo mantener una temperatura segura incluso en condiciones de calor extremo. La unidad de aire acondicionado de alta capacidad también consume más electricidad que la bomba de calor, lo que agrega tensión adicional a la red.
Usando la herramienta BEopt del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, modelamos los siguientes escenarios usando una casa unifamiliar existente típica en Seattle sin aire acondicionado, un horno de gas estándar y unas características envolventes relativamente eficientes como referencia. Las características de construcción de la casa se basan en el modelo prototipo del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico y los datos de la Encuesta de consumo de energía residencial de 2015. Este modelo de energía de construcción basado en la física utiliza datos meteorológicos reales del año meteorológico de la ola de calor de junio de 2021. Nuestro objetivo era ver qué sistema podía cumplir con una temperatura de punto de ajuste de 75 °F y examinar los impactos en las facturas de servicios públicos de la casa.
Sin aire acondicionado : usamos una casa con un horno de gas con una eficiencia de utilización de combustible anual del 78 por ciento para calefacción y sin aire acondicionado. Exploramos el aumento de la temperatura del aire interior en relación con la temperatura del aire exterior. En este escenario, la temperatura del aire interior tiene un retraso en comparación con la temperatura del aire exterior, pero sigue una curva similar y es muy incómodo e inseguro para los ocupantes. La temperatura del aire interior alcanzó un máximo de 100.4°F el 28 de junio .
Aire acondicionado típico : este escenario representa una unidad de aire acondicionado de capacidad típica que esperaríamos para un hogar en Seattle con las características establecidas anteriormente. Históricamente, AC no era una necesidad en el clima de Seattle; sin embargo, ahora es una necesidad hacer frente a las recientes olas de calor y al aumento de las temperaturas. Agregamos una unidad de aire acondicionado típica de 2 toneladas con un compresor de 2 etapas y una relación de eficiencia energética estacional (SEER) de 18, manteniendo todas las demás suposiciones iguales en el modelo. La unidad de aire acondicionado típica reduce la temperatura del aire interior a niveles que están más cerca de la temperatura del punto de ajuste de enfriamiento de 75 °F; sin embargo, no es capaz de alcanzar la temperatura de referencia. Por lo tanto, este escenario es solo marginalmente seguro e incómodo para los ocupantes.
Aire acondicionado de alta capacidad : reemplazamos la unidad de aire acondicionado típica con una unidad de aire acondicionado SEER 18 de 4 toneladas de alta capacidad con un compresor de 2 etapas, manteniendo todas las demás suposiciones iguales. Este escenario genera una temperatura del aire interior más agradable en comparación con la unidad de aire acondicionado típica, pero aún tiene dificultades para alcanzar la temperatura de referencia en el día más caluroso (28 de junio) y consume una gran cantidad de electricidad en comparación con la unidad de aire acondicionado típica.
Bomba de calor : En este escenario, analizamos una bomba de calor SEER 22 de velocidad variable sin el horno de gas. La bomba de calor generó la temperatura del aire interior más agradable y pudo alcanzar constantemente la temperatura del punto de ajuste y utiliza un 18,6 %, un 15,5 % y un 3,7 % menos de energía que la unidad de aire acondicionado de alta capacidad del 26 al 28 de junio, respectivamente. También se desempeñó mejor en comparación con la unidad de aire acondicionado y el horno de alta capacidad en términos de consumo de energía, emisiones de carbono y costos operativos cuando se usa tanto para calefacción como para refrigeración.
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Una bomba de calor proporciona tanto refrigeración como calefacción, por lo que exploramos su capacidad para calentar la casa durante los meses de invierno y la comparamos con una caldera de gas estándar. La bomba de calor fue más eficiente en términos de consumo de energía, emisiones de carbono y costos operativos para calentar el hogar en comparación con el horno de gas. Al quitar el calefactor e instalar una bomba de calor, las emisiones de carbono de toda la casa se reducen en más de 10 000 libras de CO 2
Las bombas de calor son una solución eficaz y respetuosa con el clima para abordar las crecientes necesidades de refrigeración en regiones como el noroeste del Pacífico. La instalación de una bomba de calor que utiliza menos energía para calentar y enfriar que una unidad de aire acondicionado de alta capacidad es una inversión a largo plazo que puede reducir las facturas de servicios públicos, pero tiene un costo inicial más alto que puede ser una barrera para la adopción en el mercado.
El aire acondicionado debe ser sobredimensionado para proporcionar temperaturas aceptables del aire interior en caso de olas de calor extremas. Sin embargo, en climas templados con una gran necesidad de calefacción en comparación con la refrigeración, una bomba de calor tiene el tamaño adecuado para manejar las condiciones de la ola de calor.
Aunque no se analizan en este blog, los estudios han demostrado que los servicios de climatización brindan mejoras que reducen el consumo de energía y aumentan la eficiencia energética general y son un buen punto de partida para las malas condiciones de vivienda. La combinación de la climatización debido a las ganancias de eficiencia podría conducir a la reducción del tamaño del equipo, lo que resultaría en mayores ahorros. También brindan beneficios no energéticos, como la salud y la seguridad, que son muy necesarios para los hogares de ingresos bajos y medianos.
Un punto de inflexión clave
Si bien cada vez más personas en los Estados Unidos y en todo el mundo buscan agregar refrigeración a sus hogares, es importante asegurarse de que el equipo de refrigeración tenga un impacto climático mínimo. En las regiones cálidas con un acceso cada vez mayor a la CA (p. ej., India), las tecnologías avanzadas como las demostradas a través del Global Cooling Prize serán fundamentales. En regiones históricamente templadas que se enfrentan a nuevas olas de calor, como el noroeste del Pacífico de EE. UU., existe una oportunidad urgente de proporcionar calefacción limpia al mismo tiempo que una refrigeración eficiente.
Los eventos de calor extremo de este verano presentan una clara oportunidad y un punto de intervención para que los legisladores apoyen el despliegue de bombas de calor hoy, especialmente en climas más templados a fríos. La economía y el uso de energía entre los dos sistemas justifican el incentivo de las bombas de calor no solo para satisfacer la mayor demanda de aire acondicionado, sino también como una estrategia para reducir las emisiones de carbono y cumplir los objetivos de acción climática. Una vez que un dueño de casa instala su primera unidad central de aire acondicionado, es una oportunidad perdida de obtener combustible fósil contaminante o calefacción de resistencia eléctrica ineficiente fuera de la casa durante al menos 15 años.
Para facilitar esta transición para los hogares, los legisladores y las empresas de servicios públicos pueden impulsar la adopción de bombas de calor modernas con nuevos programas e incentivos que las hagan asequibles para más hogares y reduzcan la barrera del costo inicial. Una legislación federal reciente presentada por el Senador Martin Heinrich ayudaría a los consumidores a hacer la transición a hogares totalmente eléctricos al proporcionar hasta $10,000 en reembolsos, o $14,000 en el caso de hogares con ingresos bajos y moderados. Este proyecto de ley tiene un enfoque particular en el calentador de espacio, el calentador de agua y el sistema eléctrico.
Las medidas de eficiencia son una contraparte clave para la electrificación y también deben priorizarse, junto con las excepciones para garantizar que los hogares de ingresos bajos y medianos puedan ser los primeros en adoptar tecnologías limpias y eficientes.
Cumplir con nuestros objetivos climáticos esenciales requiere eliminar las emisiones de todos los sectores, incluidos los edificios. Eso significa que los legisladores de todo el país deben priorizar la transición a electrodomésticos modernos y eficientes, como las bombas de calor. A medida que el cambio climático genera condiciones climáticas cada vez más extremas y peligrosas, estos dispositivos también pueden desempeñar otro papel esencial: mantener a las personas cómodas y seguras en sus hogares, incluso en las peores condiciones.
El equipo elegido para este análisis representa escenarios típicos en Seattle: una casa sin aire acondicionado y una casa con un aire acondicionado modesto de 2 toneladas. El SEER 18 AC de alta capacidad de 4 toneladas representa lo que un cliente podría comprar si se sintiera frustrado por las altas temperaturas del aire interior y quisiera mantenerse fresco durante la ola de calor. La razón por la que un cliente elige una bomba de calor de velocidad variable SEER 22 de 4 toneladas es el beneficio adicional de un rendimiento mejorado en climas fríos si se usa como fuente de calefacción principal. Esta bomba de calor se usaría con más frecuencia que un aire acondicionado independiente, lo que resultaría en un período de recuperación más corto. Decidimos no analizar un acondicionador de aire de velocidad variable SEER 22 de alta capacidad en nuestro análisis original, ya que no esperamos que represente una elección común de los consumidores en este contexto, dado el mayor gasto y la baja utilización de su gran capacidad de enfriamiento.
La bomba de calor, tal y como se define en el blog, tiene un compresor de velocidad variable. Esperamos que un SEER 22 AC con un compresor de velocidad variable proporcione una comodidad y un rendimiento energético similares para la refrigeración. Sin embargo, una bomba de calor no solo proporciona refrigeración, sino también calefacción. Teniendo en cuenta que la mayoría de las unidades residenciales en la región de Seattle no tienen aire acondicionado, esta podría ser una oportunidad para abordar de manera eficiente tanto la calefacción como la refrigeración, ya que la calefacción proporcionada a través de la bomba de calor es aproximadamente tres veces más eficiente que la calefacción proporcionada a través de un horno.
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