Métricas de rendimiento de equipos de calefacción y refrigeración

Se han desarrollado muchos indicadores numéricos para describir el rendimiento de los equipos de calefacción y refrigeración, y proporcionan una base fiable para comparar productos. Estas métricas también permiten una estimación rápida de los costos de funcionamiento de un equipo específico.

Al comparar equipos HVAC en función de sus métricas de rendimiento, hay dos pautas principales a considerar:

  • Las diferentes métricas no se pueden comparar entre sí.Por ejemplo, dos unidades de aire acondicionado con una calificación SEER se pueden comparar directamente, pero esto no es posible si una tiene una calificación SEER y la otra tiene un COP (Coeficiente de rendimiento). En este caso, se debe comparar uno de los valores antes de la comparación.
  • Cuando no es posible la conversión de una métrica a otra, el equipo se puede comparar basándose en una estimación de los costos de funcionamiento. Por ejemplo, los electrodomésticos de combustión a menudo tienen un valor AFUE (eficiencia de utilización anual de combustible). La AFUE no es válida para equipos de calefacción que funcionan con electricidad, por lo que la comparación debe basarse en los costos.

Con respecto a los costos operativos de los equipos de calefacción y refrigeración, tenga en cuenta que las métricas de rendimiento solo proporcionan estimaciones. Para un análisis preciso de la carga de calefacción y refrigeración es necesario realizar un modelo energético, que tiene en cuenta varios factores, como el perfil meteorológico anual, los horarios de funcionamiento y las condiciones de la envolvente del edificio.

Índice de eficiencia energética (EER) y índice de eficiencia energética estacional (SEER)

El EER y el SEER se utilizan para equipos de aire acondicionado y ambos representan una relación entre la salida de refrigeración en BTU y la entrada de calefacción en vatios-hora. Las métricas también se pueden utilizar para bombas de calor capaces de funcionar en modo de refrigeración.

Aunque tanto el EER como el SEER tienen unidades de BTU por vatio-hora, existen diferencias importantes en cómo se determina cada valor; diferentes piezas de equipo solo se pueden comparar si la eficiencia se informa con la misma métrica.

Ratio de eficiencia energética (EER)

El EER es una relación entre la salida de refrigeración en BTU y la entrada de energía eléctrica en vatios-hora, para un conjunto fijo de condiciones de funcionamiento:

  • Temperatura interior: 80 ° F
  • Temperatura exterior: 95 ° F
  • Humedad relativa: 50%

Aunque el EER permite una comparación directa entre diferentes sistemas de aire acondicionado, no puede proporcionar una estimación confiable de los costos de funcionamiento. El EER se determina para una diferencia de temperatura fija y un valor de humedad relativa, y estas son condiciones que muestran una variación significativa a lo largo del enfriamiento. El índice de eficiencia energética estacional (SEER) proporciona una mejor estimación del rendimiento real, teniendo en cuenta la variación de la temperatura exterior.

Índice de eficiencia energética estacional (SEER)

El SEER es como el EER, con la diferencia de que promedia el rendimiento en un rango de temperaturas exteriores típico de la temporada de frío. Cuando se calculan los costes de funcionamiento de los equipos de aire acondicionado con el SEER, se obtiene una estimación más realista, aunque todavía dista mucho de la precisión que ofrece la modelización energética.

Desde 2006, todos los sistemas de aire acondicionado fabricados en EE. UU. Deben tener un valor SEER mínimo de 13. Si un fabricante desea recibir la etiqueta ENERGY STAR para uno de sus productos, el valor de eficiencia debe estar dentro del 25% superior. Además, la etiqueta ENERGY STAR solo está disponible para tecnologías que cumplen con los siguientes requisitos:

  • Aire acondicionado central tipo split: SEER ≥ 15, EER ≥ 12,5
  • Aire acondicionado central de un solo paquete: SEER ≥ 15, EER ≥ 12

Las unidades de aire acondicionado tipo mini-split más eficientes que funcionan al 100% con electricidad ofrecen valores SEER por encima de 28. Algunas unidades despliegan energía solar para aumentar el SEER por encima de 35.

Actualizar a una unidad de aire acondicionado con un SEER superior

Existe una fórmula simple y conveniente que se puede utilizar para estimar el ahorro de energía al actualizar una unidad de aire acondicionado:

Porcentaje de ahorro = (1- (SEER actual) / (SEER nuevo)) x100%

Por ejemplo, actualizar un sistema mini-split SEER 10 de primera generación a una unidad SEER 25 moderna produciría los siguientes ahorros:

Porcentaje de ahorro = (1-10 / 25) x100% = 60%

Tenga en cuenta que esta fórmula rápida solo se aplica si la salida de enfriamiento nominal y los programas de operación seguirán siendo los mismos después de la actualización. De lo contrario, el consumo de energía en kilovatios-hora debe calcularse por separado para las condiciones de funcionamiento existentes y proyectadas.

Índice de eficiencia energética integrado (IEER)

Los sistemas de aire acondicionado refrigerados por agua y por evaporación utilizados en entornos comerciales e industriales operan de manera muy diferente a las unidades más pequeñas que se encuentran en hogares y pequeñas empresas, y el SEER no proporciona una métrica confiable para describir su desempeño.

Estos sistemas de CA están sujetos a condiciones de carga variables y rara vez operan a la capacidad máxima, por lo que la eficiencia energética al 100% de carga no representa la eficiencia operativa real. Para abordar esto, el Instituto de Refrigeración y Calefacción de Aire Acondicionado (AHRI) desarrolló el IEER y proporcionó un procedimiento para calcularlo. El IEER se conocía anteriormente como IPLV o Integrated Part-Load Performance.

Paso 01: Valores de eficiencia de carga parcial

El EER normal se calcula al 100%, 75%, 50% y 25% de carga. La temperatura del aire exterior se reduce proporcionalmente para cada porcentaje de carga, para reflejar el hecho de que se requiere menos refrigeración.

  • A = 100% de carga EER a temperatura exterior estándar (95 ° F)
  • B = 75% de carga EER a temperatura reducida
  • C = 50% de carga EER a temperatura reducida
  • D = 25% de carga EER a temperatura reducida

La norma ANSI / AHRI 210/240 proporciona el valor de temperatura para cada una de las condiciones de carga parcial, según las características del sistema de CA.

Paso 02: Calcular el EER

Una vez que se han calculado los cuatro valores de EER, el IEER se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula proporcionada por AHRI:

IEER = 0.02A + 0.617B + 0.238C + 0.125D

Observe cómo el coeficiente es solo 0.02 para la eficiencia de carga completa (A) y más alto para condiciones de carga parcial (B, C y D). Esto explica el hecho de que los sistemas de CA comerciales e industriales operan a carga parcial durante períodos prolongados.

Factor de rendimiento estacional de calefacción (HSPF)

El HSPF puede considerarse análogo al SEER, con la diferencia de que se aplica a las bombas de calor en modo calefacción únicamente; Durante la temporada de enfriamiento, el SEER describe el desempeño de las bombas de calor, al igual que los equipos de aire acondicionado. Es importante tener en cuenta que las bombas de calor reversibles requieren una métrica diferente en cada modo de funcionamiento, y no se pueden intercambiar aunque describan el mismo equipo:

  • El HSPF es exclusivo para el modo de calefacción.
  • El SEER es exclusivo para el modo de enfriamiento.

Al comprar una bomba de calor reversible, compare sus cargas de calefacción y refrigeración durante todo el año. Si usa más la calefacción, concéntrese en el HSPF; para enfriar, céntrese en el SEER.

Las bombas de calor de fuente de aire son el tipo más común en entornos residenciales y deben cumplir con los siguientes criterios para recibir la etiqueta ENERGY STAR:

  • Bomba de calor tipo split: HSPF ≥ 8.5
  • Bomba de calor de un solo paquete: HSPF ≥ 8.2

Es importante tener en cuenta que las bombas de calor también deben cumplir con los requisitos EER / SEER en modo de enfriamiento para ser elegibles para la etiqueta ENERGY STAR. Dado que la eficiencia de las bombas de calor tiende a disminuir a medida que las temperaturas exteriores se vuelven más frías, los requisitos mínimos de HSPF son menos estrictos que los de SEER y EER.

Eficiencia anual de utilización de combustible (AFUE)

El AFUE se utiliza exclusivamente para aparatos de combustión como calderas y hornos, y es la relación entre la potencia calorífica efectiva y la energía total contenida en el combustible consumido. Según el Departamento de Energía, las unidades antiguas tienden a tener un AFUE por debajo del 70%, mientras que las calderas y hornos eficientes alcanzan hasta el 98,5%. Los hornos y calderas también son elegibles para la calificación ENERGY STAR si cumplen con los siguientes criterios:

  • El AFUE mínimo de los hornos de gas es del 95% para los estados del norte y del 90% para los estados del sur, donde ENERGY STAR determina los estados en cada categoría. El AFUE mínimo de los hornos de aceite es del 85%. En todos los casos, el consumo de energía del ventilador debe mantenerse por debajo del 2% del consumo total de energía del horno, y las fugas de aire deben permanecer por debajo del 2% del flujo de aire total.
  • El AFUE mínimo para calderas si es del 87% si funciona con gas, y el 90% si funciona con aceite.

Tenga en cuenta que no puede comparar el AFUE de un aparato de combustión con el HSPF de una bomba de calor. En este caso, tendría que estimar los costos de funcionamiento anuales, comparar el costo del combustible consumido por la caldera o calentador con el costo de la electricidad consumida por la bomba de calor.

Coeficiente de rendimiento (COP)

los POLICÍA es una relación entre la producción térmica (calefacción o refrigeración) y la entrada de energía y, por lo tanto, se puede utilizar para describir cualquier aparato de calefacción o refrigeración. Sin embargo, tenga en cuenta que las bombas de calor reversibles tienen un COP separado para cada modo de operación, que corresponde al HSPF y al SEER. Se pueden comparar diferentes equipos en función de su COP si funcionan con la misma fuente de energía.

  • Por ejemplo, puede concluir que una bomba de calor con un COP de 3.0 es menos costosa de operar que un calentador de resistencia con un COP de 1.0; la fuente de energía tiene el mismo costo en ambos casos.
  • Sin embargo, no se puede decir lo mismo si se compara la bomba de calor con un calentador de gas que tiene un COP de 0,80; la fuente de energía es diferente para cada equipo.

Los requisitos de ENERGY STAR generalmente se especifican en términos de HSPF, SEER y AFUE, pero también se proporcionan valores COP equivalentes. Cualquiera de estas métricas de desempeño se puede convertir en un COP promedio, pero es importante considerar las diferencias de fuentes de energía antes de proceder con cualquier comparación; el COP es un índice de conversión de energía que no tiene en cuenta el costo unitario del fuente de energía (electricidad, petróleo o gas).

Factor de energía (EF)

El factor de energía es una relación entre la producción de calefacción y la entrada de energía, y se utiliza normalmente en aplicaciones de calentamiento de agua. Aunque en teoría también podría usarse para describir la calefacción de espacios, la práctica no es común: se prefieren HSPF, AFUE y COP. Generalmente, el EF se usa para describir:

  • Calentadores de agua de almacenamiento
  • Calentadores de agua instantáneos o sin tanque
  • Calentadores de agua con bombas de calor

El EF de un sistema de calefacción describe el rendimiento general, teniendo en cuenta eficiencia de conversión de energía, pero también considerando las pérdidas en espera y las pérdidas por ciclos. La métrica también aplica para lavavajillas, lavadoras y secadoras de ropa, pero se define de manera diferente para cada caso.

Al igual que los acondicionadores de aire y los dispositivos de calefacción de espacios, los calentadores de agua son elegibles para recibir la etiqueta ENERGY STAR si cumplen con un EF mínimo, junto con otros requisitos específicos para cada tecnología. Los calentadores de agua residenciales deben ofrecer los siguientes EF para recibir la etiqueta:

Tipo de calentador de agua Factor de energía mínimo (EF)
Calentador de almacenamiento, eléctrico, ≤ 55 gal 2,00
Calentador de almacenamiento, eléctrico,> 55 gal 2,20
Calentador de almacenamiento, gas, ≤ 55 gal 0,67
Calentador de almacenamiento, gas,> 55 gal 0,77
Calentador sin tanque, gas 0,90
Calentador solar *, respaldo eléctrico 1,80
Calentador solar, respaldo de gas 1,20

* Para los calentadores solares, solo se considera la entrada de energía eléctrica o de gas al calcular el factor de energía. Se excluye el calor solar porque es esencialmente gratuito.

Observaciones finales

Los equipos de calefacción y refrigeración se pueden comparar fácilmente si se comprenden todas las métricas clave de rendimiento. Sin embargo, es importante señalar que solo el modelado energético proporciona una estimación precisa de los costos operativos. Para lograr los mejores resultados con cualquier proyecto de HVAC, asegúrese de contratar los servicios de una consultora o firma de ingeniería calificada. Cuando el equipo de HVAC se compra según las «reglas generales», el rendimiento resultante es generalmente deficiente.