Sobre el uso de la termoelectricidad para calefacción y refrigeración en edificios* por César Martín-Gómez y Amaia Zuazua-Ros

*Este post está basado en el artículo titulado “Investigation of the thermoelectric potential for heating, cooling and ventilation in buildings: Characterization options and applications”, publicado en Renewable Energy 131 (2019) 229-239 por Amaia Zuazua-Ros, César Martín-Gómez, Elia Ibañez-Puy, Marina Vidaurre-Arbizu y Yaniv Gelbstein. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.027

Los investigadores exploran desde hace tiempo estrategias para reducir el consumo de energía en edificios de todo el mundo, proponiendo soluciones pasivas y optimizando sistemas activos. Sin embargo, no se ha desarrollado ninguna tecnología realmente disruptiva. Y es aquí donde el uso de la termoelectricidad en edificios para calefacción y refrigeración se ha propuesto como una solución.

Este post expone una revisión sobre las posibilidades de integración de la tecnología termoeléctrica (TE) en edificios. Los resultados obtenidos de la búsqueda en la literatura científica se dividen en dos grupos principales: sistemas que están integrados en la envolvente del edificio y sistemas no integrados que operan de forma independiente.

Los resultados de la mayoría de los estudios muestran que aunque la tecnología puede proporcionar condiciones de bienestar, el rendimiento de estos sistemas no es competitivo en comparación con los sistemas convencionales de compresión de vapor. Sin embargo, las ventajas de la termoelectricidad, como la no utilización de refrigerantes o la alta durabilidad, hacen de esta tecnología una solución alternativa a considerar, cuyo interés está creciendo en línea con estudios recientes como ejemplifica la bibliografía final pues independientemente del bajo COP (Coefficient of Performance) en comparación con los sistemas de compresión de vapor, se puede demostrar el potencial de implantación de la termoelectricidad en edificios.

Al igual que cualquier otro sistema de acondicionamiento higrotérmico en edificios, el objetivo principal de un sistema TE en edificios es lograr las condiciones de bienestar térmico en interiores. La revisión de la literatura realizada muestra que aún se debe hacer un mayor desarrollo para alcanzar el ansiado bienestar térmico.

Con respecto a los sistemas TE integrados en la envolvente del edificio, la integración en la fachada es la opción más investigada y los estudios al respecto están aumentando en los últimos años. El caso de la integración de sistemas TE en ventanas difiere, ya que durante los últimos años no se pudieron encontrar estudios al respecto. Una de las razones podría ser la dificultad de comercializar el producto o el bajo interés del mercado, pero también puede atribuirse al hecho de que se han realizado varios estudios, pero pocos con experiencias de prototipos en edificios reales. Esta cuestión es en general traducible a todos los sistemas examinados. Una de las ventajas de la integración en fachada es la descentralización, ya que se trataría de un sistema sin servidumbres. Sin embargo, la debilidad del puente térmico que se produce cuando el sistema no funciona aún está por resolver.

Los estudios sobre sistemas no integrados son menos que los sistemas integrados, pero en general, muestran un COP más alto. El uso de ventilación mecánica es necesario en edificios de energía casi cero, por lo tanto, la introducción de la termoelectricidad en sistemas de ventilación se adapta a esta aplicación, ya que la energía consumida podría utilizarse para el precalentamiento del aire.

Por lo tanto, aunque la tecnología aún debe desarrollarse, las mejoras principales deben tener en cuenta los siguientes puntos:

• Con respecto a la construcción y la integración arquitectónica, algunos estudios consideran los parámetros que afectan la integración de un sistema TE en la envolvente de un edificio. Conceptos tales como las pérdidas de calor a través de la fachada, la durabilidad, el rendimiento acústico, la estética o el comportamiento de los elementos en caso de incendio deben analizarse más a fondo para implementar este tipo de tecnología en el mercado futuro.
• Refiriéndose al rendimiento de todo el sistema, el proceso de optimización del sistema TE consiste básicamente en encontrar el mejor punto de equilibrio entre la capacidad de refrigeración y el COP.
• La mayoría de los estudios también señalan que el comportamiento del sistema puede mejorarse seleccionando módulos TE de alto rendimiento.
• El sistema de control es uno de los factores clave para un rendimiento óptimo. En general, los estudios sobre el funcionamiento y el rendimiento de los módulos TE se basan en la temperatura de los lados frío y caliente, sin embargo, en una aplicación de edificio, la temperatura de referencia es la temperatura ambiente del espacio a climatizar.
• El uso de sistemas fotovoltaicos como fuentes de energía, junto con muchos otros dispositivos eléctricos que se utilizan comúnmente en edificios residenciales, que requieren convertidores, plantean la cuestión de si una instalación de línea de corriente continua (CC)  en un hogar será conveniente en el futuro, cuestión vital para la alimentación de los módulos TE.
• Las soluciones futuras deberán luchar contra la inercia del mercado, transformando una tecnología ampliamente optimizada en los sectores militar, aeroespacial o de salud a las correspondientes aplicaciones en el sector de la construcción, que ha adoptado el uso de sistemas de compresión de vapor durante años.

Finalmente, nos gustaría presentar cuatro consideraciones adicionales sobre el futuro de esta tecnología en edificios:

1. El esfuerzo por unificar la nomenclatura parece necesario. Cada estudio utiliza sus propios términos. El papel de las sociedades profesionales, como la Sociedad Internacional de Termoeléctrica, puede ser decisivo.
2. Se espera que la solución final contenga un alto grado de prefabricación ¿podría estar relacionada con la impresión 3D en el futuro?
3. Las células Peltier, al trabajar en CC, junto los sistemas fotovoltaicos, parecen una solución potente y robusta, pero esta suma también requiere tener en cuenta la ubicación de las baterías de acumulación. Pero en estos momentos, y dados los COP y la potencia necesaria para el arranque del equipo, todavía son demasiado grandes para su inclusión directa en las fachadas.
4. La estética debe ser considerada por los usuarios finales y los prescriptores de la industria. Es un concepto difícil de medir, pero es decisivo para el usuario final, especialmente en el caso de la vivienda. La mayoría de los estudios descritos se basan en la mejora del factor de mérito de los materiales termoeléctricos. Este hecho plantea el requisito de optimizar nuevas composiciones termoeléctricas para las condiciones específicas de temperatura y transferencia de calor aplicadas en construcción.

Por último, debe recordarse que, ciertamente, hay soluciones más baratas, pero ninguna que proporcione una durabilidad tan alta, un mantenimiento casi inexistente, la posibilidad de combinación con sistemas fotovoltaicos y sin usar gases fluorados. Posiblemente este último punto sea el que mejor permita argumentar a favor del desarrollo de la tecnología termoeléctrica en un futuro próximo.

10 referencias bibliográficas sobre termoelectricidad en edificios

T. C. Cheng, C. H. Cheng, Z. Z. Huang, G.-C. Liao, Development of an energy-saving module via combination of solar cells and thermoelectric coolers for green building applications, Energy 36 (2011), https://doi.org/10.1016/ j.energy.2010.10.061. 

M. Gillott, L. Jiang, S. Riffat, An investigation of thermoelectric cooling devices for small-scale space conditioning applications in buildings, Int. J. Energy Res. 34 (2010), https://doi.org/10.1002/er.1591. 

M. Ibañez-Puy, J. Bermejo-Busto, C. Martín-Gómez, M. Vidaurre-Arbizu, J.A.Sacristán-Fernández, Thermoelectric cooling heating unit performance under real conditions, Appl. Energy 200 (2017) 303e314, https://doi.org/ 10.1016/j.apenergy.2017.05.020.

M. Ibañez-Puy, C. Martín-Gómez, J. Bermejo-Busto, J J.A.Sacristán-Fernández, E. Ibañez- Puy, Ventilated active thermoelectric envelope (VATE): analysis of its energy performance when integrated in a building, Energy Build. 158 (2018) 1586e1592, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.11.037.

K. Irshad, K. Habib, N. Thirumalaiswamy, B.B. Saha, Performance analysis of a thermoelectric air duct system for energy-efficient buildings, Energy 91 (2015), https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.08.102. 


Q. Luo, Z. Liu, G. Tang, Present and potential applications of thermoelectric air- conditioners, in: Proc. 5th Int. Symp. Heating, Vent. Air Cond, Vols I II, 2007, 
pp. 698e703. 


Z. Liu, L. Zhang, G. Gong, H. Li, G. Tang, Review of solar thermoelectric cooling technologies for use in zero energy buildings, Energy Build. 102 (2015), https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.05.029.

L. Shen, X. Pu, Y. Sun, J. Chen, A study on thermoelectric technology application in net zero energy buildings, Energy 113 (2016), https://doi.org/ 10.1016/j.energy.2016.07.038. 

J. Skovajsa, M. Zalesak, Thermoelectric cooling in combination with photo- voltaics and thermal energy storage, in: MATEC Web Conf, vol. 125, 2017, p. 2032, https://doi.org/10.1051/matecconf/201712502032.

X. Xu, S.V. Dessel, A. Messac, Study of the performance of thermoelectric modules for use in active building envelopes, Build. Environ. 42 (2007), https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.12.021.