Nuevo sistema de conductos de aire para HVAC doméstico

Cómo la investigación estratégica de Building America ayudó a crear una solución HVAC innovadora y lista para el mercado para conductos de calefacción y refrigeración dentro de espacios acondicionados

Durante casi un siglo, los plomeros instalaron tuberías de la misma manera antigua, laboriosamente cortando y soldando tuberías de metal en el campo. Luego, en la década de 1990, apareció un material revolucionario llamado polietileno reticulado, mejor conocido como PEX.

Como sabemos ahora, PEX es un tubo flexible que requiere muchos menos accesorios y no requiere pegamento ni soldadura para instalar... y no se corroe. Algunos plomeros se resistieron a PEX al principio, pero pronto se dieron cuenta de que la facilidad y la velocidad del sistema eran mejores para sus resultados, sin sacrificar la calidad. Hoy en día, PEX es el sistema de plomería predominante en la nueva construcción residencial.

Ahora, un nuevo sistema de conductos está listo para transformar la industria de calefacción y refrigeración del hogar de la misma manera, gracias a las primeras inversiones de la Oficina de Tecnologías de la Construcción del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

Rheia, una nueva compañía que surgió de una investigación financiada en parte por el programa Building America del DOE, se está asociando con algunos de los principales constructores de viviendas del país para demostrar un sistema de conductos de aire "plug-and-play" pendiente de patente diseñado para ser instalado dentro espacio acondicionado en las nuevas viviendas energéticamente eficientes de hoy.

El sistema consta de un colector, conductos de diámetro uniforme, conectores y componentes difusores que se acoplan para formar un sistema de suministro casi hermético sin el uso de cinta o masilla. Los conductos son lo suficientemente pequeños como para caber dentro de las cavidades de las paredes, lo que facilita mantener los conductos dentro del espacio acondicionado, lo que mejora el rendimiento y la eficiencia energética de todo el sistema.

Rheia es un ejemplo perfecto de las innovaciones del "laboratorio a la sala de estar" en las que el programa Building America ha estado trabajando durante los últimos 25 años, un proceso que tradicionalmente comienza con expertos en ciencias de la construcción que juegan en sus laboratorios para finalmente utilizar esa innovación. por algunas de las mayores constructoras del país.

Los sistemas de conductos de aire convencionales están plagados de problemas:

Piénselo de esta manera: si tiene un horno con una eficiencia nominal del 90 %, pero el 30 % del aire se escapa antes de que se entregue, esencialmente está funcionando solo con una eficiencia del 60 %. La eficiencia no se trata solo del equipo; se trata de todo el sistema".

Los constructores entienden estos problemas, pero la mayoría no quiere renunciar a un espacio interior valioso para conductos que al menos contendrían fugas dentro de la envoltura térmica acondicionada del edificio. También es difícil hacer que los falsos techos y los plafones se vean bien.

En 2015, IBACOS, con sede en Pittsburgh, un socio de Building America desde hace mucho tiempo con casi tres décadas de investigación sobre sistemas de suministro de aire, se asoció con Housing Innovation Alliance en un proyecto de Building America para resolver los problemas.

Teniendo en cuenta varias ideas, el equipo finalmente aterrizó en un sistema de conductos "plug-and-play" simple y fácil de usar para el constructor ubicado dentro de un espacio acondicionado. El sistema utiliza solo cinco componentes en comparación con los 18 de un sistema de conductos HVAC convencional de troncales y ramales, y la mayoría de los componentes que conectan los conductos están hechos con una tela de fibra de vidrio sobre un marco de alambre en espiral.

De hecho, IBACOS utilizó el "modelo PEX" al desarrollar el sistema. "Tuvimos la idea de que con casas de carga baja podemos usar conductos más pequeños", dice Andrew Poertschke, especialista en rendimiento de edificios de IBACOS. "Si los conecta a todos en un colector central, obtiene un flujo de aire mejor y más predecible. Además, puede colocarlos en un espacio acondicionado". El sistema también utiliza drásticamente menos componentes que un sistema HVAC convencional.

Parte del proyecto consistía en desarrollar una metodología de diseño para determinar la longitud y el número de tramos de conductos. Debido a que todos los conductos son del mismo tamaño, algunas habitaciones requieren más de un tramo de conducto; aun así, la facilidad de instalación ahorra tiempo.

De 2015 a 2017, IBACOS realizó pruebas de laboratorio y modelos para validar la tecnología. Construyó una maqueta de una casa adosada de dos pisos en el Centro de innovación de IBACOS y la usó para comparar los costos de materiales y mano de obra para un sistema HVAC de troncal y ramal y dos sistemas plug-and-play. Los resultados de este estudio de tiempo y movimiento mostraron una caída significativa en los costos de mano de obra para el sistema plug-and-play.

"A medida que trabajábamos más con el sistema, comenzamos a darnos cuenta de que esta idea puede tener una propuesta de valor laboral muy fuerte y podría revolucionar potencialmente la industria", dice Poertschke.

Era fundamental que los conductos fueran lo suficientemente pequeños para caber en las cavidades de las paredes. Las pruebas de laboratorio y los modelos confirmaron que la mayoría de las casas de hasta 4200 pies cuadrados en las zonas climáticas 3 a 5 podrían acondicionarse adecuadamente con conductos lisos de 3 pulgadas de diámetro. Las casas más pequeñas se pueden acondicionar usando conductos de 2,5 o 2 pulgadas.

Para validar el modelo, los investigadores de IBACOS instalaron el sistema en una casa de prueba desocupada en Pittsburgh, monitoreando el flujo de aire y los datos de comodidad. También usaron esta instalación de conductos HVAC para estudiar si las socavaduras de las puertas eran adecuadas como medio principal para la transferencia de aire de retorno (pista: lo eran).

En ese momento, el equipo de IBACOS comenzó a reflexionar sobre cómo llevar la solución al mercado y lo discutió con sus asesores de confianza, incluido Alan Laing.

Laing, que ha dirigido varias grandes empresas de construcción, incluido un período como vicepresidente de operaciones en Pulte Homes, estaba tan enamorado del potencial del proyecto que se incorporó para ayudar a formar una nueva empresa llamada Rheia. (El nombre se deriva del griego "madre de los dioses", a quien Laing llama la "Diosa de la comodidad").

Rheia se lanzó oficialmente a principios de 2019, con el objetivo de llevar el sistema de conductos plug-and-play al mercado a mediados de 2020.

"Había un interés estratégico en lograr que los constructores se convirtieran en inversores porque también son los clientes", dice Poertschke. "Sabíamos que podíamos impulsar las ventas más rápidamente de esta manera". Hasta la fecha, Rheia ha obtenido capital de ocho de los constructores de viviendas más grandes del país, junto con más de 30 inversionistas individuales.

"Gran parte de la singularidad de la tecnología se reduce a las partes y piezas", dice Nigel Watts, vicepresidente de productos de Rheia, que tiene más de tres décadas de experiencia en desarrollo de productos, incluido un período en IBACOS. “Para lograr ahorros en mano de obra con un sistema hermético, hemos hecho mucha ingeniería”, agrega.

A pesar del notable progreso del sistema hasta la fecha, "no se puede ir a The Home Depot y comprar un sistema Rheia listo para usar", dice Poertschke. En cambio, la empresa vende directamente a contratistas y constructores. Los fabricantes por contrato fabrican los componentes, y la empresa de software de cadena de suministro IndustryStar Solutions, que tiene una amplia experiencia en la industria automotriz, ayuda a administrar la cadena de suministro y garantiza que las piezas se entreguen en los lugares de trabajo.

Después de validar su desempeño, el siguiente paso fue probar Rheia en nuevos hogares en todo el país. "Sabíamos que el sistema funcionaría", dice Poertschke. "Así que comenzamos a entrar en cada mercado y ver cómo respondían las transacciones".

A lo largo de 2020, Rheia trabajó con varios constructores de viviendas para instalar el sistema en 13 viviendas en diferentes zonas climáticas, incluidas Baltimore, Indianápolis, Orlando, Florida, Pittsburgh y San Diego. La compañía también aprovechó este tiempo para obtener las certificaciones requeridas de Underwriters Laboratories (UL) y la fuente de capacidad de producción y moldeo por inyección.

Los comentarios de los instaladores de HVAC han sido muy positivos, dice Watts. "Es más fácil para ellos. Es menos complicado, más seguro y más rápido".

Los programas piloto han brindado a los constructores la oportunidad de probar el sistema antes de usarlo a mayor escala. "Es la primera etapa en el proceso de ventas", dice Anthony Grisolia, director gerente de Innovación de IBACOS. "Los constructores quieren probarlo para validar las afirmaciones".

Una de las constructoras inversionistas participantes fue Pulte Homes, la tercera constructora de viviendas más grande del país, que se vio motivada a invertir en el sistema plug-and-play por su compromiso con la innovación, pero también por sus estrechos vínculos con IBACOS y su plataforma PERFORM. .

Después de visitar el sitio de prueba de Pittsburgh, el constructor de casas acordó simular el sistema para uno de sus planos de planta. "Poder visualizar el sistema fue muy impactante", dice Jeff Townsend, gerente nacional de adquisiciones de Pulte Homes.

Poco después, Pulte decidió probar el sistema en una de sus casas en Orlando, Florida. La instalación se completó en mayo de 2020. Después de la construcción, Pulte supervisó la casa para asegurarse de que brindara el nivel esperado de comodidad, simulando diferentes condiciones. como si la casa estuviera ocupada.

Hubo preguntas, admite Townsend. El sistema se ve un poco diferente. El aire sale de los registros en un patrón circular en lugar de en línea recta. Sin embargo, dice que satisfacer a los clientes requiere deconstruir cómo se hace HVAC: es decir, dejar de forzar el aire a través de los áticos calientes y eliminar el "diseño imperfecto" de la caja mezcladora. "Con los sistemas de conductos convencionales, a menudo terminas sobrecalentando o enfriando demasiado un lado de la casa", dice Townsend.

En promedio, los sistemas convencionales dan como resultado una diferencia de temperatura de siete grados de una parte de la casa a otra. Al colocar los conductos de Rheia en un espacio acondicionado, Pulte pudo reducir el diferencial de temperatura en varios grados y reducir el tamaño del equipo del sistema en media tonelada, un ahorro significativo de costos y energía. Un análisis de calificación de RESNET HERS también reveló que tener los ductos en un espacio acondicionado arrojó una mejora de cuatro a cinco puntos de calificación.

La casa de prueba de Pulte en Orlando se vendió a fines de 2020. La compañía planea hacer un seguimiento con los nuevos propietarios durante el próximo año. "Queremos entender qué hace este sistema por nuestros propietarios", dice Townsend. La compañía también ha iniciado una prueba piloto en Indianápolis para un sistema que proporciona refrigeración y calefacción y está analizando otras regiones para determinar dónde se utilizará mejor el sistema.

Los comentarios de las casas piloto se están utilizando para ajustar algunos de los componentes físicos para que sean más fáciles de instalar y para reconsiderar parte de la estética del sistema.

Mientras tanto, después de una segunda ronda de recaudación de fondos, el próximo paso de Rheia es la transición de la fase piloto a un modelo de producción para ver muchas más casas nuevas usando el sistema HVAC plug-and-play que finalmente le da al mercado una solución que los constructores usarán y sus clientes. le gustará

El programa Building America del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha impulsado innovaciones en la eficiencia, durabilidad y asequibilidad de los edificios durante más de 25 años. Elevando una economía de energía limpia y una fuerza laboral calificada, este programa de investigación de clase mundial se asocia con la industria para aprovechar la ciencia de vanguardia y las oportunidades de implementación para reducir el uso de energía en el hogar y ayudar a mitigar el cambio climático.

El Plan de Investigación al Mercado de Building America identificó tres hojas de ruta integradas:

Cada una de estas hojas de ruta está diseñada para abordar estratégicamente los desafíos integrados relacionados con lograr una amplia adopción de hogares saludables y de alto rendimiento energéticamente eficientes.

Eric Werling es director nacional del programa Building America del Departamento de Energía de EE. UU. Es un experto en eficiencia energética residencial, calidad del aire interior y ciencias de la construcción, y su objetivo es alcanzar cero emisiones de carbono en la próxima década.

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