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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. vol.33 no.2 Santiago ago. 2018

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732018000200115 

Articles

Refrigeración solar de edificaciones. Un estado del arte

D. Bravo*  1  

F. González** 

J. González* 

*Research Management Learning (RML), Quito, Ecuador

** Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia

Resumen:

Contexto: La utilización de la energía solar, más que una alternativa, es la solución viable a las exigencias energéticas de nuestro planeta de cara al desarrollo sostenible. Dado el incremento poblacional, y calidad de vida a escala global, es muy razonable pronosticar un aumento en la demanda energética mundial. En este contexto los sistemas de refrigeración o climatización solar se muestran como una viable y oportuna estrategia a seguir.

Métodos:

Este trabajo ofrece un estado del arte sobre los diferentes métodos de obtención de frío solar. La revisión se genera utilizando las herramientas que ofrece el directorio Scopus y empleando el software de análisis bibliométrica VOSviewer.

Resultados:

La refrigeración solar térmica de edificaciones se muestra como una tendencia dentro de estas prácticas energéticas, seguida por la refrigeración solar fotovoltaica. Estados unidos de América, Italia y China son las naciones que hoy lideran este campo. Las áreas de investigación más fértiles en esta temática son la ingeniería, la energética y la ciencia de materiales.

Conclusiones:

Los próximos años serán decisivos para el desarrollo de tecnologías de refrigeración solar, pues dependen del estímulo y planes de promoción ofrecido por los encargados de formular las políticas ambientales y de eficiencia energética para edificios.

Palabras claves Fuente de energía renovable; refrigeración solar fotovoltaicos; refrigeración solar termoeléctrica; refrigeración solar termo-mecánica; refrigeración solar térmica

Introducción.

El calentamiento global se produce cuando el dióxido de carbono, originado sobre todo por la quema de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón) y otros gases, como el metano, el óxido nitroso, se acumula en la atmósfera inferior (Gibon et al. 2017); (Sun et al. 2018); (Worsoe-Schmidt 1980).

Los clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), que son muy empleados en la refrigeración y la climatización, son gases que posee una fuerte incidencia negativa sobre la capa de ozono. Como resultado del rápido crecimiento de la población mundial, el consumo total de energía y climatización ha incrementado, se prevé que las emisiones contaminantes del medio ambiente aumenten en un 71% desde 2003 hasta 2030 (Antoci et al. 2018); (Hwang et al. 2008).

El principal consumo de energía eléctrica en las edificaciones de tipo no industrial está asociado a la refrigeración y la climatización de espacios. Este consumo puede ir de un 40% al 60%, dependiendo de la posición geográfica de la instalación, su estructura y su propósito (Ahmadzadehtalatapeh 2018); (Jing et al. 2018). Por lo que el uso de energía solar en instalaciones de refrigeración constituye una alternativa a las técnicas convencionales de generación de frío. Una alternativa que contribuye a aliviar los problemas de contaminación medioambiental y a disminuir la demanda de energía eléctrica asociadas a los beneficios de la climatización artificial. Además se cuenta con la ventaja de que los horarios de mayor operación de las edificaciones, por lo general coinciden con los horarios de disponibilidad de luz solar (Bravo Hidalgo 2015b); (Valladares-Rendón et al 2017).

Las condiciones del clima en la región de centro américa y el caribe con temperatura promedio de 26 0C y temperaturas sostenidas en periodos prolongados de tiempo durante el verano por encima de los 32 0C, exigen el uso de sistemas acondicionadores de aire para alcanzar las condiciones de confort térmico (Lara et al 2015).

La climatización solar se irgue como una solución oportuna y viable ante la situación ambiental y energética global, por las razones expuestas a continuación: representan un ahorro notable en el consumo de energía primaria y reducción de emisiones de CO2. La climatización solar no maneja refrigerantes peligros para el medio ambiente, como los clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC). La reducción de ruidos y vibraciones comparando con las tecnologías de compresión mecánica de vapor refrigerante (Díaz et al. 2015); (Nkwetta 2016).

El presente artículo muestra un análisis de las tecnologías de refrigeración activadas con energía solar más investigadas, y las tendencias futuras. Por ello se sustenta en una revisión bibliográfica de los documentos más citados en esta área del conocimiento.

Materiales y métodos.

El presente artículo se basa en la investigación bibliográfica sobre las tecnologías de refrigeración activadas con energía solar; se desarrolla utilizando las herramientas que ofrece el directorio Scopus. Puesto que este directorio representa muchas de las revistas de mayor impacto y visibilidad que proyectan los resultados en investigación y avances en este tipo de práctica energética. Además, se emplea la herramienta de análisis y mapeo bibliométrica VOSviewer. Este software se utilizó para:

Crear mapas basados en datos de red.

Visualizar y explorar mapas.

Los datos extraídos del directorio académico Scopus fueron exportados como archivos CSV, para ser procesados en la mencionada herramienta de análisis bibliométrica.

La exploración analiza trabajos desde el año 2013 al 16 de febrero de 2018, bajo el criterio de búsqueda, solar cooling in buildings, el cual se aplicó a el título, el resumen y las palabras claves de las contribuciones. La búsqueda mostró un total de 1 873 artículos relacionados y 18 069 patentes registradas, en el periodo anteriormente declarado. De estas se seleccionaron las contribuciones con mayor índice Hirsch (Índice H), y que se referían específicamente a las tecnologías de refrigeración solar como: Sistemas de refrigeración solares fotovoltaicos, Refrigeración solar termoeléctrica, Refrigeración solar termo-mecánica, Técnicas de refrigeración solar térmica.

Resultados

Las investigaciones relacionadas con la refrigeración solar de edificaciones presentan un marcado crecimiento en las últimas décadas. Como se puede apreciar en la Figura 1. La curva de tendencia mostrada en dicha figura presenta un crecimiento, puesto que los ingenieros e investigadores ven en la tecnología de refrigeración solar un camino fértil para alcanzar las condiciones de confort térmico en espacios interiores, mediante el empleo de energía limpia y abundante. Es prudente destacar que para la obtención de este gráfico se consideró un periodo que abarca desde 1995 al 2017. Utilizando el criterio de búsqueda mencionado y demás condiciones destacadas en la sección de métodos de la presente contribución.

Figura 1 Comportamiento del número de investigaciones relacionadas en refrigeración solar de edificios en las últimas décadas. 

Hasta el momento las áreas de investigación que más resultados muestran en esta temática son la ingeniería y la energética. Como se puede observar en la Figura 2. Esto se debe a la marcada presencia de las tecnologías de climatización activadas con energía solar en las edificaciones de tipo industrial, comercial y residencial. Las áreas de investigación mostradas en este gráfico fueron detectadas dentro del directorio Scopus y bajo los criterios de búsqueda y condiciones establecidas en la sección de métodos.

Figura 2 Numero de contribuciones por áreas de investigación en la refrigeración solar de edificaciones. 

El autor que más contribuciones posee en esta temática es Anna Laura Pisello, profesora en la Universidad de Perugia, Italia. Con un total de 25 trabajos en revistas registradas en el directorio científico analizado.

El último trabajo de estado del arte que se escribió referente a este tema fue (Kim 2008) el cual tiene como objetivo, una revisión del estado de la técnica de las diferentes tecnologías disponibles en ese momento para suministrar refrigeración a partir de la energía solar. Los principales resultados de esta investigación destacan que los sistemas fotovoltaicos y termo-mecánicos son más caros que los sistemas de absorción y adsorción. Estos dos últimos, a su vez, son comparables en términos de rendimiento, pero las enfriadoras de adsorción son más caros y más voluminosos que las enfriadoras de absorción.

Las investigaciones en refrigeración solar de edificaciones dentro del directorio analizado están protagonizadas por un grupo de autores los cuales se relaciona del modo que se presentan en la Figura 3. Esta figura fue generada con el software VOSviewer. Se evidencia que existen dos núcleos centrales. A la izquierda del grafico existe un mayor número de autores, los cuales representan países asiáticos en su mayoría. Mientras que a la derecha del mencionado gráfico se puede observar la relación entre autores que representan mayormente a Europa y los Estados Unidos de América. Se puede observar que existen poca relación entre estos grupos de investigación; y el extendido interés entre los diversos autores asiáticos, por esta temática.

Figura 3 Red de correlación entre los autores de mayor impacto en la investigación de refrigeración activada con energía solar, para edificios. 

Utilizando el programa VOSviewer se generó la Figura 4. Dicha figura muestra la relación entre las naciones que más resultados exponen en investigaciones referentes a la temática tratada. Estados Unidos, Italia y China son las naciones a la cabeza. Evidentemente las potencias del eje económico mundial ven en la refrigeración solar de edificaciones una alternativa eficiente, segura y práctica.

Figura 4 Red de interacción de investigaciones en refrigeración solar de edificaciones a nivel de naciones. 

Mediante el software mencionado se obtuvo la Figura 5, Esta figura muestra un mapa de términos del campo de la refrigeración de edificios a través del empleo de la energía solar. Los colores indican la densidad de los términos que delimitan las investigaciones en el área de la refrigeración solar en edificios; que van del azul (densidad más baja) al rojo (densidad más alta). En la parte inferior derecha del gráfico se puede ver que los términos: envolvente del edifico, desempeño térmico y confort térmicos, representa un grupo de términos fuertemente relacionados dentro de las investigaciones en el campo de la refrigeración de edificaciones con energía solar.

Figura 5 Mapa de términos en el campo de la refrigeración solar activa de edificaciones. 

La Tabla 1 muestra un resumen de las investigaciones más citadas, por tecnologías de refrigeración activada con energía solar. Esta tabla presenta los objetivos generales de estas investigaciones y los principales resultados de las mismas; así como el número de citas de estas y su índice H.

Tabla 1 Resumen de las investigaciones, más citadas, por tecnologías de refrigeración 

Considerando la dependencia que presenta la producción de energía solar del horario y las condiciones meteorológicas, la utilización exitosa de todos estos sistemas de refrigeración es en gran medida dependiente de la capacidad del sistema de acumulación o almacenamiento de energía empleado (Bravo Hidalgo et al. 2017). Las distintas tecnologías de los sistemas de climatización solar con acumulación de energía se muestran en la Tabla 2 (Chidambaram et al 2011).

Tabla 2 Sistemas de refrigeración solar. 

*Nota: El empleo de energía Solar fotovoltaica en la climatización maneja tecnologías de acumulación de energía mediante distintos tipos de baterías de corriente alterna. Las cuales varían en forma, tamaño y material de composición en función de la capacidad de almacenamiento para las que son diseñadas.

En comparación con los sistemas convencionales de compresión mecánica de vapor refrigerante, un importante ahorro de energía eléctrica puede esperarse de los sistemas de enfriamiento solar, de este modo la demanda de energía para la climatización es menor, y por consiguiente se reduce la huella ecológica de estos procesos (Bravo Hidalgo 2015a).

La refrigeración solar se puede lograr a través de cuatro métodos básicos: refrigeración solar fotovoltaica, refrigeración solar termoeléctrica, refrigeración solar termo mecánica y refrigeración solar térmica. El primer método consiste en un sistema de captación de energía solar empleando paneles fotovoltaicos, donde la energía solar se convierte en energía eléctrica y se utiliza para accionar lo motores eléctricos de los sistemas de compresión mecánica de vapor refrigerante (Chen et al 2017); (Florides et al 2002). El segundo método consiste en la producción de frío mediante procesos termoeléctricos (Zhao & Tan 2014). El tercer método lo compone un sistema en el que, la energía térmica se convierte en energía mecánica. Y luego la energía mecánica se utiliza para producir el efecto de refrigeración (Papadopoulos et al. 2003). El cuarto método consiste en la activación de un sistema de compresión térmica, donde un colector solar calienta directamente un fluido de trabajo accionando el generador de una máquina de absorción, provocando esta última el efecto refrigerante (Díaz Torres et al. 2015); (Sun et al. 2017); (Thirugnanasambandam et al 2010). El rendimiento de los sistemas de refrigeración se determina sobre la base de indicadores de energía de estos sistemas. El COP (coeficiente de rendimiento) se puede calcular de la siguiente manera expresada por la Ecuación 1 (Arora 2010):

donde:

Eu es el efecto refrigerante obtenido; Ec es la energía consumida por el sistema para lograr tal efecto.

Contribuciones en las diferentes tecnologías de refrigeración activadas con energía solar.

La Figura 6 muestra el comportamiento de las contribuciones por cada una de estas técnicas de refrigeración activada con energía solar, en el directorio Scopus. Se aprecia una notable tendencia al incremento en investigaciones relacionadas con la refrigeración solar térmica en la última década. Seguido por un modesto despegue en las investigaciones en la refrigeración solar fotovoltaica. Las temáticas más recurrentes tratadas en las diferentes tecnologías de refrigeración activadas con energía solar son modelado y optimización de eficiencia, investigaciones sobre fluidos de trabajo, y optimización de costos de operación (Fan et al. 2007); (Haller et al. 2012).

Figura 6 Número de publicaciones por las diferentes tecnologías de refrigeración activadas con energía solar. 

Discusión

Aunque estas tecnologías de refrigeración solar se consideran maduras, poseen una discreta representación a nivel global. Esto se debe a un conjunto de barreras o limitaciones que han frenado, y frenan el establecimiento de estas tecnologías en el mercado de la refrigeración de espacios. A continuación, se exponen las principales limitantes:

Los sistemas de refrigeración activados con energía solar, en la actualidad, son más costosos si los cotejamos con los precios de las enfriadoras convencionales. Esta condición tiene mayor acentuación en los casos de enfriadoras de baja potencia, comúnmente empleadas en viviendas y en pequeños centros comerciales.

El uso de las enfriadoras accionadas con energía solar térmica requiere generalmente de torres de enfriamiento. Estos elementos están sujetos a legislaciones específicas para evitar la posibilidad de surgimiento de la peligrosa bacteria legionela en sus conductos. Por otra parte, el mantenimiento de las torres de enfriamiento es relativamente caro.

En la actualidad es muy limitado el mercado existente para máquinas de potencias frigoríficas bajas (Ajib 2010).

La reducción de impuestos y otros incentivos financieros para el desarrollo de la refrigeración, solar son limitados e insuficientes para promover esta tecnología.

Es necesaria una guía para sistemas de refrigeración asistidos por energía solar a nivel gubernamental. Estas instalaciones a menudo son olvidadas en los esquemas de incentivos financieros tanto para productores como consumidores. Los incentivos financieros deben estar dirigido a mitigar los altos costos iniciales de este tipo de inversiones (Bravo Hidalgo 2015a) (Mokheimer et al. 2017).

A pesar del hecho de que la adopción de la tecnología solar está reconocida como una respuesta realista a los problemas de tipo energético y medioambiental que captan la atención de ingenieros y arquitectos; las evaluaciones económicas son a menudo no favorables. Los factores críticos que asegurarán la extensión de los sistemas de refrigeración solar son la madurez tecnológica y la mejora de la viabilidad económica de estos.

Los análisis económicos de los sistemas de refrigeración solar indican que estos sistemas no serán competitivos comparados con los sistemas de refrigeración convencionales teniendo en cuenta el precio actual de la energía eléctrica.

Relacionadas con la refrigeración convencional existen 156.325 patentes más que las relacionadas con la refrigeración solar. Se necesita de modo imperioso tanto incentivos para la inversión como el establecimiento de impuestos que reflejen el coste medioambiental total de los combustibles convencionales; para vencer las limitantes al desarrollo de la tecnología de refrigeración activada con energía solar. Los trabajos (Boopathi Raja & Shanmugam 2012); (Dickinson et al. 2010); (Testi et al. 2016) destacan los costos de la implementación y explotación de este tipo de tecnologías, llegando incluso a establecer comparaciones entre ella.

Respecto a la dirección futura del desarrollo de la refrigeración solar, será conveniente centrarse en sistemas de sorción a baja temperatura. Esto se debe a que, en primer lugar, el coste de un sistema colector solar tiende a aumentar con la temperatura de trabajo, más rápidamente que el Coeficiente de Operación (COP) de una máquina de sorción. Y, en segundo lugar, las enfriadoras de alta temperatura no serían compatibles con los sistemas de captación solar que fueron originalmente diseñados para producir agua caliente sanitaria y que son muy comunes en las viviendas, escuelas, centros comerciales, etc. En la figura número 8 de la publicación (Kim & Infante Ferreira 2008); (Linjawi et al. 2017) se establecen costos en función de potencias de trabajo y temperaturas de activación de estas máquinas térmicas que sustentan lo anteriormente expresado.

Los sistemas de refrigeración solar se pueden utilizar, ya sea como sistemas autónomos o con sistemas integrados a técnicas convencionales de obtención de frío, para mejorar la calidad del aire interior de diversos tipos de edificaciones. Junto con los sistemas fotovoltaicos, los sistemas de refrigeración activados con energía solar térmica se están utilizando en diversas regiones, con una tendencia al incremento de estas prácticas (Hashe 2017); (Van Straaten 1977); (Worsoe-Schmidt 1980).

Por último, es prudente destacar que los sistemas de refrigeración solar son más ecológicos tanto en el periodo de producción como en el de explotación, que los sistemas de refrigeración convencionales debido al empleo de fluidos de trabajo libre de contaminación como el bromuro de litio, el agua y el amoniaco en lugar de clorofluorocarbonos (Toppi et al.2016); (Weber et al. 2014).

Conclusiones

A continuación, se esgrime las consideraciones finales de la investigación a modo conclusivo:

Las investigaciones relacionadas con la refrigeración solar presentan una tendencia al crecimiento, puesto que los ingenieros e investigadores ven en la tecnología de refrigeración solar un camino fértil para alcanzar las condiciones de confort térmico en espacios interiores, mediante el empleo de energía limpia y abundante.

El grueso de las investigaciones en refrigeración solar, se centran en la ingeniería, la energética y la ciencia de materiales de estos procesos.

Las futuras prácticas energéticas apuntan a las tecnologías de refrigeración solar térmica. Esta condición está dada por el potencial de acumulación térmica de esta práctica.

El liderazgo en estas investigaciones lo presentan investigadores de Estados Unidos de América, Italia y China. Las investigaciones en Europa y América están concentradas en productivos pero pocos investigadores. En China la investigación en refrigeración solar de edificaciones es un tema abordado por un gran número de autores.

Envolvente del edifico, rendimiento térmico y confort térmicos; representa un grupo de términos fuertemente relacionados o de mayor coocurrencia, dentro de las investigaciones en el campo de la refrigeración de edificaciones con energía solar.

Los próximos años serán decisivos para el éxito y desarrollo de mejores tecnologías en sistemas de refrigeración solar, las cuales dependen del estímulo y planes de promoción ofrecido por los encargados de formular las políticas ambientales y de eficiencia energética.

Las investigaciones en refrigeración termo mecánica para la climatización de edificaciones son un área en la cual existen muy pocos trabajos. La ciencia de materiales, y el control de la eficiencia térmica del proceso son nichos investigativos en este tipo de refrigeración para edificios.

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Recibido: 20 de Febrero de 2018; Aprobado: 25 de Mayo de 2018

1Autor de correspondencia: Universidad San Francisco de Quito, Quito. ECUADOR. Email:dbrayanbh@gmail.com

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