Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid

Resumen Técnico: Pruebas de Laboratorio y de Campo de una Adaptación de Bomba de Calor Residencial para una Nanorred Solar de Corriente Continua (DC)

Planteamiento del Problema
Los edificios residenciales se están integrando cada vez más con dispositivos de gran tamaño que operan nativamente en corriente continua (DC), incluyendo energía solar fotovoltaica (PV), vehículos eléctricos, baterías estacionarias y motores de corriente continua que accionan bombas de calor. Actualmente, estos dispositivos se conectan a los sistemas de distribución de los edificios mediante corriente alterna (AC), lo que requiere múltiples conversiones de AC a DC y de DC a AC. Estas conversiones incurren en pérdidas energéticas (típicamente del 5 al 15%), aumentan los costos de instalación y mantenimiento de inversores y rectificadores, y requieren materiales adicionales como cobre y aluminio. Si bien los estudios de modelado sugieren que la distribución de DC podría mejorar la eficiencia, existe una falta de validación experimental con respecto al rendimiento de los electrodomésticos residenciales principales, específicamente las bombas de calor de velocidad variable, cuando se adaptan para una operación directa en DC. Además, el trabajo experimental existente se ha limitado en gran medida a pruebas de solo enfriamiento o de electrodomésticos de pequeña escala, dejando un vacío de conocimiento respecto al rendimiento de calefacción y al despliegue en entornos reales.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque de tres vertientes: pruebas de laboratorio, pruebas de campo y modelado a nivel de sistema.

1. Pruebas de Laboratorio: Se adaptó una bomba de calor de aire exterior residencial de velocidad variable, de 14 kW (4 toneladas), disponible en el mercado, para aceptar una entrada de 350 V DC. La unidad se probó en cámaras psicrométricas siguiendo la norma AHRI 210/240. Las pruebas cubrieron los modos de calefacción y enfriamiento en diversas elevaciones de temperatura. La carga de refrigerante se calibró para asegurar un subenfriamiento de 5 K bajo condiciones A2 tanto en las pruebas de AC como de DC para garantizar la comparabilidad. El consumo de energía y la capacidad térmica se midieron utilizando transductores de potencia distintos (inductivos para AC, de efecto Hall para DC) y rejillas de termopares.
2. Pruebas de Campo: La misma marca y modelo de bomba de calor se instaló en la "Casa de la Nanorred DC", una casa de prueba ocupada de 208 m² en West Lafayette, Indiana. La casa cuenta con un arreglo solar fotovoltaico de 14.3 kW y una batería estacionaria de 20 kWh. La bomba de calor se adaptó para cambiar entre entradas de AC y DC mediante un sistema de bloqueo/etiquetado (lockout/tagout). Las pruebas de campo ocurrieron durante un mes en invierno (diciembre de 2024–enero de 2025) con temperaturas exteriores de hasta -8.6 °C. Se utilizaron datos históricos de AC del año anterior para la comparación, normalizados por las diferencias de temperatura interior-exterior para compensar las variaciones climáticas.
3. Modelado a Nivel de Sistema: Se calibró un modelo de nanorred DC utilizando los datos empíricos de las pruebas de la bomba de calor. El modelo simuló un año de operación para la casa de prueba, incorporando el arreglo solar fotovoltaico, la batería de 20 kWh y la bomba de calor. Se compararon tres configuraciones:
   • Una nanorred AC estándar (inversores de PV y batería, bus AC, bomba de calor AC).
   • Una nanorred DC adaptada (PV y batería en bus DC, bomba de calor alimentada directamente por DC, omitiendo su rectificador interno).
   • Una nanorred DC ideal (PV y batería en bus DC, bomba de calor con un motor nativo de DC).
     El modelo priorizó el uso directo de la energía solar por parte de la bomba de calor y utilizó curvas de eficiencia de carga parcial para los convertidores.

Contribuciones Clave
Este artículo realiza tres contribuciones principales a la literatura:

1. Primeros Resultados de Laboratorio en Modo de Calefacción: Presenta los primeros resultados de pruebas de laboratorio para una adaptación de bomba de calor de DC que incluyen ciclos de calefacción y enfriamiento, yendo más allá de los estudios previos de solo enfriamiento.
2. Primera Demostración de Campo: Reporta la primera prueba de campo de cualquier adaptación de bomba de calor de DC en un entorno residencial ocupado, validando la fiabilidad del dispositivo bajo condiciones dinámicas del mundo real.
3. Modelado Basado en Datos: Proporciona resultados de modelado a nivel de sistema calibrados con datos de carga del mundo real de un electrodoméstico importante, ofreciendo una cuantificación más confiable de los beneficios de la distribución de DC que los estudios previos que dependen de parámetros de rendimiento asumidos.

Resultos

• Rendimiento a Nivel de Dispositivo: Los experimentos de laboratorio y de campo demostraron que el rendimiento de la bomba de calor en DC es estadísticamente comparable a su rendimiento en AC.
  • En el laboratorio, las mediciones de capacidad térmica entre AC y DC coincidieron con un error de ±6% en todas las condiciones de prueba. El Coeficiente de Desempeño (COP) mostró variaciones menores: ligeramente inferior (3–4%) en DC con cargas bajas y ligeramente superior (1–3%) en DC con cargas altas, aunque estas diferencias estuvieron a menudo dentro del margen de incertidumbre de la medición.
  • En el campo, una prueba de hipótesis estadística sobre las potencias de entrada promedio diarias normalizadas por el clima arrojó un valor p de 0.18, lo que indica que no hay una diferencia estadísticamente significativa entre la operación en AC y DC al nivel de significancia α = 0.05.
• Ahorros a Nivel de Sistema: Aunque la eficiencia a nivel de dispositivo se mantuvo prácticamente sin cambios, el modelado a nivel de sistema reveló beneficios económicos significativos debido a la reducción de las pérdidas de conversión.
  • La configuración de adaptación DC (omitiendo el rectificador de la bomba de calor) resultó en una reducción del 12.5% en las facturas de electricidad anuales en comparación con la configuración AC estándar.
  • Una configuración DC ideal (usando un motor de DC nativo) resultó en una reducción del 16.7% en las facturas de electricidad anuales.
  • Para la casa de prueba específica, estos ahorros se tradujeron en una reducción de la factura anual de aproximadamente $61.20 para la configuración de DC ideal.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona evidencia experimental crítica de que los electrodomésticos residenciales principales, específicamente las bombas de calor de velocidad variable, pueden adaptarse para funcionar con DC sin una degradación significativa del rendimiento. Este hallazgo aborda una barrera clave para la adopción de la distribución de DC al demostrar la viabilidad técnica.

El artículo concluye modestamente que, si bien la adaptación a nivel de dispositivo no alteró significativamente la eficiencia intrínseca de la bomba de calor, los beneficios a nivel de sistema debido a la reducción de los pasos de conversión de AC a DC son sustancialos. Los autores enfatizan que estos resultados, derivados de datos de campo del mundo real y un modelado calibrado, representan un paso significativo hacia una cuantificación confiable de los beneficios de la distribución de DC. Señalan que, aunque los costos de adaptación actuales pueden exceder el retorno de inversión inmediato para una vivienda unifamiliar, la tecnología es prometedora para adaptaciones en edificios multifamiliares, nuevas construcciones y aplicaciones comerciales, o conforme los costos disminuyan en el futuro. El estudio reconoce explícitamente las limitaciones, como la falta de integración de un motor de DC nativo en la adaptación probada y la exclusión de efectos de interacción con la red como armónicos y estabilidad, identificándolas como direcciones necesarias para trabajos futuros.