Cómo reconvertir bombas de calor residenciales aire-aire para que funcionen con corriente continua

Investigadores de la Universidad de Purdue, en Estados Unidos, afirman haber demostrado que las bombas de calor residenciales aire-aire disponibles comercialmente y diseñadas para sistemas convencionales de corriente alterna (CA) pueden funcionar directamente con alimentación de corriente continua (CC) después de algunas modificaciones sencillas de hardware, con poca pérdida de rendimiento.

Los científicos explicaron que, a diferencia de los sistemas convencionales de CA, las nanorredes de CC minimizan las conversiones innecesarias de energía, lo que podría mejorar la eficiencia entre un 5% y un 15%, reducir las pérdidas de distribución y mejorar la regulación de tensión. También ofrecen mayor resiliencia al permitir que los edificios funcionen de manera independiente durante cortes de red. Sin embargo, su adopción generalizada sigue estando limitada por los altos costos de instalación, la falta de estándares unificados y los desafíos técnicos relacionados con la protección en CC y la disponibilidad de equipos.

Para abordar estas barreras, el equipo de investigación desarrolló la DC Nanogrid House, una vivienda unifamiliar renovada de 208 m² equipada con energía solar fotovoltaica, almacenamiento en baterías, cableado dual CA/CC y un sistema personalizado de gestión energética. La casa permitió comparar directamente el funcionamiento en CA y CC en condiciones reales. Un hito clave fue la reconversión de su bomba de calor de velocidad variable para que funcionara tanto en CA como en CC, ya que la bomba de calor representa más de dos tercios del consumo energético anual de la vivienda. Esta plataforma experimental respaldó la evaluación a largo plazo de edificios residenciales alimentados completamente con CC.

Configuración experimental

Los académicos reconvirtieron una bomba de calor residencial split de velocidad variable con una capacidad de refrigeración de 14 kW para que funcionara tanto con CA como con 350 V CC mediante el reemplazo de su entrada estándar de CA. La unidad se calibró con refrigerante R-410A antes de las pruebas en modos CA y CC. Los experimentos de laboratorio se realizaron en cámaras psicrométricas controladas, donde el rendimiento se midió en condiciones estandarizadas de estado estacionario con funcionamiento de velocidad variable, y los resultados se validaron mediante comprobaciones del balance energético aire-refrigerante con un margen de error del 6%.

Luego se realizaron experimentos de campo en la DC Nanogrid House, en Indiana, utilizando una bomba de calor similar, en la que solo la unidad exterior, responsable de más del 90% del consumo de energía, fue reconvertida a CC, mientras que la unidad interior permaneció en CA por razones de seguridad. El sistema se probó en condiciones reales de operación con monitoreo continuo de temperaturas, presiones y potencia eléctrica mediante sensores calibrados y sistemas de adquisición de datos.

Ambas configuraciones, CA y CC, se evaluaron con condiciones meteorológicas y de consigna comparables, aunque se observaron ligeras diferencias en las temperaturas exteriores entre los conjuntos de datos. Los resultados mostraron una estrecha concordancia entre las mediciones del lado del aire y del lado del refrigerante, con desviaciones dentro del 6%. Según el equipo de investigación, la configuración experimental permitió una comparación robusta del funcionamiento en CA y CC tanto en laboratorio como en entornos reales bajo condiciones de velocidad variable.

Resultados

Los experimentos de laboratorio mostraron que la capacidad de la bomba de calor es casi idéntica en CA y CC, con un coeficiente de rendimiento (COP) que varía ligeramente con el salto térmico. Los datos de campo, por su parte, mostraron que el consumo de energía escaló de forma predecible con las condiciones exteriores, sin diferencias estadísticamente significativas entre el funcionamiento en CA y en CC.

Además, las simulaciones de sistemas de CA, híbridos de CC y totalmente de CC mostraron que las mayores ganancias provienen de abandonar una arquitectura puramente de CA, mientras que el sistema completamente de CC añade solo un beneficio adicional reducido. En general, las configuraciones de CC reducen los costos eléctricos anuales en torno a un 12,5–16,7%, principalmente debido a menores pérdidas por conversión. Estos ahorros surgen sobre todo de la reducción de etapas de conversión de energía y de la mejora de la eficiencia de los convertidores.

Sin embargo, los científicos advirtieron que el estudio está limitado por una implementación simplificada de la reconversión a CC, desafíos de normalización meteorológica y una modelización simplificada de los convertidores, así como por la omisión de efectos reales de las redes de CC, como la estabilidad y la protección. Los trabajos futuros deberían incluir nanorredes de CC completas a escala de campo, pruebas mejoradas de convertidores y compresores, y análisis de costos más detallados para evaluar la viabilidad de despliegue en condiciones reales.

Rendimiento fotovoltaico

Los investigadores destacaron que los beneficios económicos de las nanorredes de CC dependen en gran medida de los niveles de penetración fotovoltaica, en particular en climas fríos como el de Indiana.

“Esperaría que nuestros ahorros fueran bastante sensibles, más que nada, a los niveles de penetración fotovoltaica en un clima frío como el que tenemos aquí en Indiana”, dijo a pv magazine Aaron Farha, autor correspondiente, al señalar que en estos sistemas la sobreproducción fotovoltaica diurna en invierno puede almacenarse y desplazarse para su uso posterior, especialmente dado que la demanda de calefacción de los edificios normalmente no coincide con el pico de generación solar. “La carga térmica pico de un edificio suele estar completamente fuera del pico de producción fotovoltaica en invierno, lo que puede aumentar el valor del almacenamiento e incrementar los ahorros generales en viviendas altamente electrificadas donde las bombas de calor dominan el consumo”.

Los resultados de la simulación mostraron además que el diseño del sistema afecta significativamente la utilización fotovoltaica. El sistema fotovoltaico produjo un total de 15,2 MWh durante todo el año, mientras que, bajo funcionamiento en CA, las exportaciones netas sumaron 6,8 MWh, frente a unos 7 MWh en las configuraciones de CC. “Esto significa que el autoconsumo de la bomba de calor en CA fue del 54,6%, y que el autoconsumo de la bomba de calor en CC fue del 53%, lo que significa que tuvimos más energía total para exportar”, dijo Farha.

En términos operativos, se observó que la variabilidad fotovoltaica tenía un impacto limitado sobre el comportamiento de la bomba de calor porque la estabilidad del sistema se mantuvo electrónicamente. Sin embargo, las restricciones de integración siguen siendo un desafío: “No pudimos hacer funcionar la fotovoltaica ni la batería en nuestra DC Nanogrid mientras la bomba de calor estaba funcionando, en gran medida debido a la ausencia de un controlador completo de estabilización del bus”, continuó.

Por último, los autores señalaron que la escala del sistema desempeña un papel clave en la viabilidad económica. Si bien la vivienda estudiada arrojó solo ahorros modestos, los ahorros anuales netos estimados en la factura por nuestra reconversión a CC fueron de solo unos 60 dólares; se espera que los sistemas más grandes se beneficien de forma más significativa. En particular, para sistemas comerciales o industriales de mayor tamaño, los ahorros del 12-16% que predecimos serían más significativos, lo que sugiere que las nanorredes de CC pueden volverse económicamente más atractivas a medida que aumentan el tamaño del sistema y la penetración fotovoltaica.

Sus hallazgos se presentaron en el estudio “Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid” (Pruebas de laboratorio y de campo de una bomba de calor residencial adaptada a una microrred solar de CC), publicado recientemente en Applied Energy.