Aproximadamente el 40 por ciento de toda la energía consumida por los edificios en todo el mundo se utiliza para calefacción y refrigeración de espacios. Con el clima más cálido, así como con poblaciones en crecimiento y niveles de vida en aumento, especialmente en climas cálidos, regiones húmedas del mundo en desarrollo:se prevé que el nivel de enfriamiento y deshumidificación necesarios para garantizar la comodidad y proteger la salud humana aumente vertiginosamente, impulsando la demanda mundial de energía.

Gran parte de la discusión se centra ahora en reemplazar los gases de efecto invernadero que se utilizan con frecuencia como refrigerantes en los acondicionadores de aire de hoy. Pero otra preocupación apremiante es que la mayoría de los sistemas existentes son extremadamente ineficientes desde el punto de vista energético.

"La principal razón por la que son ineficientes es que tienen dos tareas que realizar, "dice Leslie Norford, el profesor George Macomber (1948) de Gestión de la Construcción en el Departamento de Arquitectura. "Necesitan bajar la temperatura y eliminar la humedad, y hacer ambas cosas juntas requiere mucha energía extra ".

El enfoque estándar para la deshumidificación es hacer correr agua fría a través de tuberías dentro del espacio de un edificio. Si esa agua está más fría que la temperatura del punto de rocío, El vapor de agua del aire se condensará en las superficies exteriores de las tuberías. (Piense en las gotas de agua que se forman en una lata de refresco día húmedo.) En un sistema de aire acondicionado, que el agua pueda caer afuera o, en un sistema a gran escala al servicio de un edificio, reunirse en una bandeja colectora.

El problema es que hacer funcionar un enfriador para obtener agua tan fría requiere mucha electricidad, y el agua está mucho más fría de lo necesario para bajar la temperatura de la habitación. La separación de las dos funciones genera ahorros de energía en dos frentes. Eliminar la humedad del aire exterior que ingresa al edificio requiere agua fría, pero mucha menos de la necesaria para eliminar el calor de las áreas ocupadas. Con ese trabajo hecho hacer correr agua fría (no fría) a través de las tuberías en el techo o el piso mantendrá una temperatura agradable.

Una década atrás, Norford y sus colegas del Instituto Masdar en Abu Dhabi confirmaron los beneficios energéticos de mantener temperaturas agradables utilizando tuberías de agua fría en la habitación, especialmente cuando los espacios interiores se enfrían previamente por la noche. cuando la electricidad es barata y el aire exterior es fresco. Pero el proceso de deshumidificación siguió siendo ineficaz. El vapor de agua de condensación es inherentemente intensivo en energía, por lo que los investigadores necesitaban encontrar otra forma de eliminar la humedad.

Préstamos de sistemas de desalinización

Hace dos años, John Lienhard señaló una alternativa prometedora a la atención de Norford, Abdul Latif Jameel, profesor del MIT de Ingeniería Mecánica y del Agua. Lienhard es colega de Norford en el Center for Environmental Sensing and Modeling, un grupo de investigación de la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología. Lienhard estaba trabajando en tecnologías energéticamente eficientes para la desalinización. Hervir agua de mar para precipitar la sal requiere mucha energía, por lo que el grupo de Lienhard estaba buscando en su lugar el uso de membranas semipermeables que dejaran pasar las moléculas de agua pero detienen los iones de sal. Norford pensó que se podría diseñar una membrana similar que permita el paso de las moléculas de vapor de agua para que puedan separarse de otras. moléculas más grandes que componen el aire interior.

Ese concepto se convirtió en el tema de un proyecto realizado por dos estudiantes graduados de ingeniería mecánica:Tianyi Chen, que trabajaba con Norford sobre los impactos de los flujos de aire exteriores en el rendimiento energético de los edificios, y Omar Labban, que colaboraba con Lienhard en el uso de membranas en sistemas de desalinización. Los estudiantes se conocieron en una clase avanzada de conversión de energía impartida por Ahmed Ghoniem, el profesor Ronald C. Crane ('72) de Ingeniería Mecánica. Emparejados para un proyecto de clase, identificaron el aire acondicionado como un tema que se basaría en sus respectivas áreas de interés de investigación y utilizarían su experiencia recién adquirida en modelos y análisis termodinámicos.

Su primera tarea fue desarrollar un modelo termodinámico de los procesos fundamentales involucrados en el aire acondicionado. Usando ese modelo, calcularon el mínimo trabajo teórico necesario para lograr la deshumidificación y enfriamiento. Luego podrían calcular la llamada eficiencia de segunda ley de una tecnología dada, es decir, la relación entre el mínimo teórico y su consumo energético real. Usando esa métrica como punto de referencia, podrían realizar una sistemática, Comparación consistente de varios diseños en diferentes climas.

Como punto de referencia industrial para la comparación, utilizaron coeficiente de rendimiento (COP), métrica que muestra cuántas unidades de refrigeración se proporcionan para cada unidad de entrada de electricidad. El COP lo utilizan los fabricantes de hoy, por lo que podría mostrar cómo los diferentes diseños podrían funcionar en relación con los equipos actuales. Para referencia, Norford cita el COP de los sistemas disponibles comercialmente en un rango de 5 a 7. "Pero los fabricantes constantemente están creando mejores equipos, por lo que las metas de los competidores se mueven continuamente, " él dice.

La investigación anterior de Norford había demostrado que las tuberías de agua fría en el techo o el piso pueden manejar de manera eficiente las cargas de enfriamiento en interiores, es decir, el calor que viene de la gente, ordenadores, luz del sol, etcétera. Por lo tanto, los investigadores se centraron en eliminar el calor y la humedad del aire exterior que se traía para la ventilación.

Comenzaron examinando el rendimiento de un acondicionador de aire disponible comercialmente que utiliza el sistema de compresión de vapor estándar (VCS) que se ha utilizado durante el siglo pasado. Su análisis cuantificó la ineficiencia de no separar el control de temperatura y humedad. Más lejos, identificó una fuente importante de esa ineficiencia:el proceso de condensación. Sus resultados mostraron que el sistema era menos eficiente en frío, condiciones húmedas y mejoró a medida que las condiciones se volvieron más cálidas y secas. Pero en su mejor momento, utilizó de cinco a diez veces más energía que el mínimo teórico requerido. Por lo tanto, hubo una gran oportunidad de mejora.

Membranas y desecantes

Para explorar el uso de la tecnología de membranas, los investigadores comenzaron con un sistema simple que incorpora una sola unidad que contiene una membrana. El aire exterior entra en la unidad, y una bomba de vacío empuja el vapor de agua a través de la membrana. Luego, la bomba eleva la presión a niveles ambientales para que el vapor de agua se convierta en agua líquida antes de ser expulsado del sistema. El aire exterior que ya no es húmedo pasa desde la unidad de membrana a través de un serpentín de enfriamiento convencional y entra al espacio interior. proporcionando aire fresco para la ventilación y empujando un poco más caliente, aire de escape húmedo al aire libre.

Según su análisis, el sistema funciona mejor en condiciones relativamente secas, pero incluso entonces alcanza un COP de solo 1.3, no lo suficientemente alto para competir con el sistema actual. El problema es que hacer funcionar la bomba de vacío con relaciones de compresión altas consume mucha energía.

Para ayudar a enfriar la corriente de aire entrante, los investigadores intentaron agregar un intercambiador de calor para transferir calor del aire caliente entrante al aire frío de escape y un condensador para convertir el vapor de agua capturado por la unidad de membrana en agua fría para el serpentín de enfriamiento. Esos cambios elevaron el COP a 2,4, mejor pero no lo suficientemente alto.

A continuación, los investigadores consideraron opciones usando desecantes, materiales que tienen una fuerte tendencia a absorber agua y que a menudo se envasan con productos de consumo para mantenerlos secos. En sistemas de aire acondicionado, Por lo general, se monta un revestimiento desecante en una rueda que se coloca entre los flujos de aire de entrada y salida. Mientras la rueda gira, una parte del desecante pasa primero a través del aire entrante y adsorbe la humedad del mismo. Luego pasa a través del aire de escape calentado, que lo seca para que esté listo para absorber más humedad en su próximo paso a través del aire entrante.

Los investigadores comenzaron analizando varios sistemas que incorporan una rueda desecante, pero las ganancias en COP fueron limitadas. A continuación, intentaron utilizar juntas las tecnologías de membranas y desecante. En este diseño, una rueda desecante, un intercambiador de humedad de membrana, y un intercambiador de calor transfieren la humedad y el calor del aire entrante al aire de escape. Un serpentín de enfriamiento enfría aún más el aire entrante antes de que se envíe al espacio interior. Una bomba de calor calienta el aire de escape, que luego pasa a través del desecante para secarlo y regenerarlo para su uso continuado.

Este complicado sistema "híbrido" produce un COP de 4 en una amplia gama de temperaturas y humedad. Pero eso todavía no es lo suficientemente alto para competir.

Sistema de dos membranas

Luego, los investigadores probaron un sistema novedoso que omite la rueda desecante pero incluye dos unidades de membrana, produciendo un diseño que es relativamente simple pero más especulativo que los demás. El nuevo concepto clave involucró el destino del vapor de agua en la corriente de aire entrante.

En este sistema, una bomba de vacío extrae el vapor de agua a través de una membrana, ahora llamada unidad de membrana 1. Pero el vapor de agua capturado se empuja a través de la membrana en la unidad 2 y se une a la corriente de aire de escape, sin convertirse nunca en agua líquida. En este arreglo, la bomba de vacío solo tiene que asegurarse de que la presión de vapor sea más alta en el lado aguas arriba de la membrana 2 que en el lado aguas abajo para que el vapor de agua sea empujado a través. No es necesario elevar la presión a niveles ambientales, que condensaría el vapor de agua, por lo que hacer funcionar la bomba de vacío requiere menos trabajo. Ese enfoque novedoso da como resultado un COP que puede alcanzar hasta 10 y logra un COP de 9 en muchas combinaciones de temperatura y humedad.

Diferentes opciones para diferentes ciudades.

Para la mayoría de los sistemas analizados, el rendimiento varía en diferentes combinaciones de temperatura ambiente y nivel de humedad. Para investigar el impacto práctico de esa variabilidad, los investigadores examinaron cómo funcionarían los sistemas seleccionados en cuatro ciudades con diferentes climas. En cada caso, el análisis asumió una temperatura exterior y una humedad relativa promedio durante el verano.

En general, los sistemas que consideraron superaron a los VCS convencionales que operan en las COP, de acuerdo con la práctica actual. Por ejemplo, en Dubai (que representa un clima desértico tropical), El uso del sistema híbrido de membrana-desecante podría reducir el consumo de energía hasta en un 30 por ciento en relación con el VCS estándar. En Las Vegas (un clima árido subtropical), donde la humedad es menor, un sistema a base de desecante (sin la membrana) es la opción más eficiente, potencialmente también trayendo una reducción del 30 por ciento.

En Nueva York (un clima húmedo subtropical), todos los diseños se ven bien, pero el sistema basado en desecante funciona mejor con una reducción del 70 por ciento en el consumo total de energía. Y en Singapur (un clima oceánico tropical), el sistema desecante y el sistema combinado de desecante de membrana funcionan igualmente bien, con un ahorro potencial de hasta un 40 por ciento, y dados los costos de las dos opciones, el sistema desecante solo surge como la mejor opción.

Tomados en conjunto, Los hallazgos de los investigadores brindan dos mensajes clave para lograr una refrigeración interior más eficiente en todo el mundo. Primero, el uso de membranas y desecantes puede aumentar la eficiencia del aire acondicionado, pero las ganancias reales en el desempeño se obtienen cuando estas tecnologías se incorporan en sistemas cuidadosamente diseñados e integrados. Y segundo, el clima local y la disponibilidad de recursos, tanto de energía como de agua, son factores críticos a considerar al decidir qué sistema de aire acondicionado ofrecerá el mejor rendimiento en un área determinada del mundo.