Nuevo aire

Jul 15, 2023

Las unidades de aire acondicionado estándar enfrían los edificios pero contribuyen al calentamiento global. La nueva tecnología pretende cambiar eso

El pasado mes de julio fue el mes más caluroso registrado en la historia de la humanidad. Las olas de calor rompieron récords de temperatura en todo el mundo e incluso trajeron temperaturas de verano a Chile y Argentina durante el invierno del hemisferio sur. Es más que una simple cuestión de incomodidad por el sudor. El calor intenso es el más mortífero de todos los fenómenos meteorológicos; Sólo en Estados Unidos, mata a más personas cada año que las inundaciones, los tornados y los huracanes juntos. A medida que el cambio climático empeora, el acceso a espacios refrigerados artificialmente se está convirtiendo rápidamente en una necesidad sanitaria y en una cuestión de derechos humanos básicos.

Sin embargo, los sistemas de aire acondicionado estándar nos han atrapado en un circuito de retroalimentación negativa: cuanto más calor hace, más gente enciende el aire acondicionado y, como resultado, se utiliza más energía (y se emiten gases de efecto invernadero). "Estamos en un círculo vicioso", dice Nicole Miranda, ingeniera que investiga la refrigeración sostenible en la Universidad de Oxford. Y "no es sólo un círculo vicioso, sino que se está acelerando". La refrigeración es la fuente de uso de energía de más rápido crecimiento en los edificios, según datos de 2018 de la Agencia Internacional de Energía (AIE). Siguiendo un escenario sin cambios, la AIE proyecta que la demanda mundial anual de energía procedente de refrigeración se triplicará para 2050. Eso es un aumento de más de 4.000 teravatios-hora, que es aproximadamente la cantidad de energía que utiliza todo Estados Unidos en un año. .

Cada vez está más claro que los humanos no podemos superar el cambio climático con la misma tecnología de aire acondicionado que hemos estado utilizando durante casi un siglo. Romper el ciclo requiere nuevas innovaciones que ayuden a llevar aire más fresco a más personas con menos impacto ambiental.

Un problema bien conocido de los sistemas de aire acondicionado actuales es su dependencia de productos químicos refrigerantes, muchos de los cuales son potentes gases de efecto invernadero. Algunos proyectos apuntan a reemplazar estas sustancias con refrigerantes menos dañinos, pero incluso si lo hicieran, los refrigerantes representan sólo una fracción del costo climático del aire acondicionado. Alrededor del 80 por ciento de las emisiones de calentamiento climático de una unidad de aire acondicionado estándar provienen actualmente de la energía utilizada para alimentarla, dice Nihar Shah, director del Programa de Eficiencia de Enfriamiento Global del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Se ha trabajado mucho recientemente para aumentar la eficiencia energética de los compresores e intercambiadores de calor, que forman parte de los diseños de aire acondicionado estándar, explica Shah. Sin embargo, proyectos más ambiciosos apuntan a reducir la cantidad de trabajo que esos componentes deben realizar en primer lugar.

Los sistemas de aire acondicionado estándar enfrían y deshumidifican simultáneamente a través de un mecanismo relativamente ineficiente: para condensar el agua del aire, dice Shah, enfrían demasiado ese aire más allá del punto de comodidad. Por lo tanto, muchos diseños nuevos separan los procesos de deshumidificación y enfriamiento, lo que evita la necesidad de enfriar demasiado.

Por ejemplo, algunos diseños de aire acondicionado más nuevos extraen la humedad del aire con materiales desecantes (similar al gel de sílice en los paquetes que puede encontrar en una bolsa de cecina o en un frasco de pastillas). Luego, el aire seco se puede enfriar a una temperatura más razonable. Este proceso puede requerir algo de energía adicional porque el desecante debe "recargarse" con calor. Pero algunas empresas, incluida la nueva empresa Transaera, con sede en Somerville, Massachusetts, reciclan el calor generado por el proceso de enfriamiento para recargar el desecante. Transaera afirma que el sistema que está desarrollando podría utilizar un 35 por ciento menos de energía que la unidad de aire acondicionado estándar promedio.

Es posible obtener ganancias de eficiencia aún mayores cuando la deshumidificación se combina con el enfriamiento por evaporación, lo que elimina por completo de la ecuación el proceso que consume mucha energía llamado compresión de vapor. La compresión de vapor, el sistema mediante el cual funciona el aire acondicionado estándar, mueve un refrigerante a través de un ciclo en el que se condensa y expande de forma variable, lo que le permite absorber calor del interior y liberarlo al exterior. Por el contrario, el enfriamiento evaporativo es un proceso más simple. Es el mismo mediante el cual el sudor enfría nuestra piel: al pasar el agua de líquido a gas, absorbe calor. Los refrigeradores pantanosos, dispositivos de bricolaje en los que un ventilador sopla aire sobre hielo, funcionan de la misma manera. Y en climas secos, la gente ha utilizado el enfriamiento por evaporación durante miles de años. En el antiguo Irán, por ejemplo, la gente diseñó yakhchāls (grandes estructuras de arcilla con forma de cono con chimeneas solares) que aprovechaban la circulación del aire y la evaporación del agua adyacente para reducir las temperaturas hasta tal punto que podían producir hielo en invierno y almacenarlo durante el verano.

Pero esta estrategia también aumenta la humedad del aire, por lo que, como sistema de refrigeración, tiende a funcionar sólo cuando el clima es cálido y seco; si la humedad aumenta más allá de cierto punto, anula las ganancias de confort derivadas de la reducción de la temperatura. Para resolver esto, grupos de investigación, incluido el equipo cSNAP de la Universidad de Harvard, han diseñado dispositivos de aire acondicionado que utilizan una barrera hidrofóbica para realizar enfriamiento por evaporación mientras retienen la humedad. Como beneficio adicional, los refrigerantes (que a menudo son gases de efecto invernadero que son muchas veces más potentes que el dióxido de carbono) no están involucrados en absoluto. "Esperamos ofrecer un aire acondicionado con un 75 por ciento más de eficiencia energética", dice Jonathan Grinham, profesor asistente de arquitectura en Harvard y uno de los diseñadores principales de cSNAP.

Mientras tanto, la empresa Blue Frontier, con sede en Florida, está probando un sistema de aire acondicionado comercial basado tanto en un desecante (en este caso, una solución salina líquida) como en enfriamiento por evaporación. Este diseño seca el aire y luego lo divide en dos corrientes adyacentes, explica el director general de la empresa, Daniel Betts. El aire de una corriente se enfría directamente mediante la reintroducción de humedad y la evaporación. La otra corriente de aire se mantiene seca y se enfría al pasarla a través de una delgada pared de aluminio que atrae el frío (pero no la humedad) de la primera corriente. Luego, el desecante de sal líquida pasa por un sistema de bomba de calor para recargarse. Para maximizar la eficiencia, la bomba de calor puede funcionar por la noche, cuando la red eléctrica está menos estresada, y el desecante puede almacenarse para su uso en las horas más calurosas del día. Según las pruebas de campo de la empresa, "estamos viendo reducciones del 50 al 90 por ciento en el consumo de energía", afirma Betts.

Pero Blue Frontier, cSNAP y Transaera aún tienen que pasar de las pruebas al mercado. Los tres grupos predicen que faltan al menos un par de años para su lanzamiento comercial. E incluso entonces, habrá obstáculos que podrían impedir que los nuevos sistemas reemplacen a los aire acondicionado tradicionales. Estos incluyen costos de fabricación e instalación relativamente más altos, la inercia de la industria y políticas que incentivan los sistemas baratos en lugar de los eficientes.

Incluso con algunas de las mejores tecnologías disponibles, las ganancias en eficiencia por sí solas podrían no ser suficientes para compensar el esperado aumento en el uso del aire acondicionado. Según el mejor modelo, la AIE proyecta que la refrigeración en todo el mundo requerirá un 50 por ciento más de energía en los próximos 25 años que ahora debido a la creciente demanda, dice Shah. No funcionará simplemente reemplazar todos los acondicionadores de aire existentes por un modelo mejor y dar por terminado el proceso. En cambio, un futuro verdaderamente más fresco tendrá que emplear otras estrategias pasivas que se basen en la planificación urbana y el diseño de edificios para minimizar la necesidad de refrigeración en primer lugar. Tanto Shah como Miranda dicen que es fundamental incorporar vegetación y cuerpos de agua a los paisajes urbanos, dar sombra a las ventanas, ubicar nuevos edificios para aprovechar el flujo de aire natural y modernizar los edificios con un mejor aislamiento y paneles reflectantes que puedan enviar calor al espacio.

“La refrigeración es un desafío multifacético”, afirma Sneha Sachar, experta en eficiencia energética de la organización sin fines de lucro ClimateWorks. "No hay una estrategia ni una respuesta". Necesitamos una combinación de mejores edificios y ciudades, mejor tecnología y una mejor comprensión de que el verdadero costo del aire acondicionado va más allá de las facturas de electricidad. "Lo que hacemos en una parte del mundo impacta a todo el medio ambiente global", dice Sachar.

Laura Leffer Es becario de informes tecnológicos en Scientific American. Anteriormente, ha cubierto temas ambientales, ciencia y salud. Síguela en Twitter @lauren_leffer

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