Bombas de calor para viviendas de baja demanda térmica

Cada vez se está extendiendo más el uso de las bombas de calor para la producción de climatización y agua caliente sanitaria (ACS) en las viviendas. Su elevado rendimiento energético y el hecho de que se alimenten con electricidad, las hace ideales para integrarse en viviendas, especialmente en las de baja demanda energética.

La bomba de calor basa su funcionamiento en el movimiento del calor des de un foco caliente a un foco frio. Así, durante el invierno extrae calor del aire exterior o del subsuelo y lo transporta al interior del inmueble, y durante el verano tiene el funcionamiento a la inversa. Para conseguir este transporte de calor utiliza un gas refrigerante que tiene la particularidad de tener una temperatura de ebullición muy baja. Sometiendo el gas a unas condiciones cambiantes de presión conseguimos que cuando evapora absorbe aire caliente y cuando condensa lo libera.

Antiguamente las bombas de calor tenían un funcionamiento todo nada, es decir, entregaban toda su potencia nominal o estaban paradas. Actualmente la mayoría de ellas disponen de compresores con variadores de frecuencia que permiten ajustar la potencia nominal en función de la demanda. A pesar de esta mejora en el funcionamiento, hay una serie de aspectos importantes a tener en cuenta para diseñar el sistema hidráulico de control:

  • Aunque dispongan de variador de frecuencia, el ciclo termodinámico del refrigerante necesita un tiempo mínimo de funcionamiento, que obliga a una histéresis en el funcionamiento del termóstato que conviene que tenga un período mínimo de 30 min.
  • Aunque los fabricantes indiquen, en muchos casos, la no necesidad de un depósito de inercia, cuando disponemos de sistemas terminales de poca inercia, y la demanda térmica en esos momentos es baja, conviene tener un cierto volumen de agua para permitir la histéresis que se indicaba en el apartado anterior.
  • La modulación de la potencia tiene un mínimo que suele estar alrededor del 30% de su potencia nominal. Es importante tenerlo en cuenta para dimensionar el depósito de inercia y los sistemas principales.
  • Por lo comentado en los apartados anteriores, es importante ajustar la potencia nominal de la bomba de calor a la carga térmica de la vivienda. Si se sobredimensiona nos encontramos que la demanda estará mayoritariamente per debajo del 30% de la potencia de la bomba de calor y provocaremos demasiadas arrancadas y paradas del compresor, reduciendo su vida útil, y obteniendo rendimientos térmicos muy bajos.
  • Tanto la potencia térmica de la bomba de calor como su rendimiento depende de dos temperaturas: la temperatura del aire exterior (bombas de calor aerotérmicas) y la temperatura del agua de climatización. Se tiene que verificar que en las condiciones máximas de temperatura en el invierno y verano, la potencia de la bomba de calor será suficiente para cubrir la carga térmica máxima de la vivienda.

Autores: Vicenç Fulcarà, Oliver Style – Progetic

Imagen: http://climatimadrid.es/

Eficiencia energética: climatización, iluminación y equipos

Los edificios son unos de los elementos que suponen mayor consumo de energía primaria a nivel mundial y concretamente en España y Europa. Suponen aproximadamente un tercio del consumo total, por lo que la eficiencia energética en es clave para garantizar una sostenibilidad en los edificios a corto y medio plazo.

Un edificio requiere energía fundamentalmente para tres aspectos:

  • Climatización y agua caliente: pudiendo ser sólo para calefacción o para calefacción y refrigeración
  • Iluminación
  • Equipos

Para proporcionar una solución integral de eficiencia energética se deben abordar todos los puntos de consumo. La eficiencia energética es la relación que mide cuánta energía se aprovecha en forma de energía útil frente a la energía utilizada. Se expresa en forma de rendimiento. Por ejemplo, un equipo con un rendimiento lumínico (bombilla) del 85% convertirá en energía luminosa el 85% de la energía eléctrica consumida. A medida que usamos equipos con mayor eficiencia energética logramos mantener el mismo nivel de servicio y confort (iluminación, temperatura…) disminuyendo el consumo de energía.

Un aspecto previo y fundamental es la concepción y diseño de edificios que tengan la menor demanda de energía, de este modo necesitaremos menos energía útil en los mismos. Esto, combinado con equipos de alta eficiencia, permite reducir notablemente el consumo de energía. Por ejemplo, a nivel de climatización esto se consigue diseñando edificios con un alto nivel de aislamiento, que requieren poca energía para ser calentados o enfriados. En este caso requerimos menos energía útil (calor para el edificio), y si además usamos equipos eficientes, reducimos aún más el consumo de energía primaria.

En los edificios, para aportar una solución global de eficiencia energética se deben combinar varias estrategias y equipos, para lograr que actúen de forma integral y mejoren el comportamiento. Analizamos las soluciones más importantes para cada tipo de consumo de energía.

Climatización

El uso de equipos de calefacción de alta eficiencia, como por ejemplo las calderas de gas natural de condensación, reduce el consumo de combustible para producir el mismo calor, suponiendo un importante ahorro energético. Además, estos equipos se pueden combinar con energías renovables, como biomasa o energía solar.

Es importante utilizar además sistemas de control y regulación para adecuar las temperaturas a la ocupación real del edificio y además mantener un nivel de temperatura confortable, pero sin que suponga un derroche de energía. La ventilación del edificio es importante ya que supone la entrada de aire del exterior que debe de calentarse o enfriarse hasta alcanzar la temperatura deseada. En equipos de climatización la etiqueta energética (A, A+, A++…) sirve para clasificar su nivel de eficiencia energética y aunque supongan una inversión inicial mayor ahorraremos mucha energía en el medio plazo.

Iluminación

Se debe primar el uso de la iluminación natural, para disminuir la necesidad de uso de equipos de iluminación artificial y además es muy importante usar equipos de alta eficiencia energética. Las soluciones actuales de iluminación LED y los sistemas fluorescentes son muy eficientes y permiten obtener niveles muy buenos de iluminación con un bajo consumo de energía. El etiquetado energético de las lámparas permite también conocer su nivel de eficiencia energética, facilitando la elección al consumidor.

Equipos

Los equipos utilizados en los edificios, tanto a nivel laboral como doméstico, suponen un consumo energético elevado. Existe también un etiquetado energético que permite comparar niveles de eficiencia energética entre electrodomésticos, ordenadores y otros dispositivos corrientes. A medida que optemos por equipos con mejor etiquetado energético garantizamos que tenemos un buen servicio sin que exista un consumo elevado de energía, por lo que es importante fijarnos en estos detalles a la hora de comprar cualquier equipo.

Integrando todas las soluciones que hemos mencionado anteriormente podemos conseguir mantener nuestro nivel de calidad de vida y confort en los edificios y viviendas reduciendo notablemente el consumo de energía. Esto redunda en un importante ahorro económico, pero también en una disminución del consumo de energía y de las emisiones de gases de efecto invernadero, mejorando a nivel global la situación ambiental, evitando el calentamiento global y haciendo las ciudades y edificios más sostenibles. Medidas de eficiencia energética similares deben adoptarse en el resto de sectores, como el transporte, la industria o la agricultura, lo que da lugar a un importante descenso en el consumo de energía.


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Muro radiante

El sistema de muro radiante funciona de forma que los propios muros de cerramiento y compartimentación actúan como paneles radiadores que calefactan las estancias. Como se puede observar en las fotografías, el agua caliente proveniente de la caldera, llega hasta los colectores generales desde los que se distribuyen a los conductos que discurren por las paredes de la estancia a calentar, formando un muro-radiador. Cada uno de estos muros-radiadores es un circuito único y cerrado que cuenta en el colector general con una salida de agua caliente hacia el panel y una llegada de retorno del agua  que ya ha desprendido parte de su calor.

La colocación de los conductos en los muros se realiza de la forma reflejada en los detalles, dependiendo de si se trata de muros en contacto con el ambiente exterior o muros interiores.

Como se puede ver en los detalles de la imágen superior se refleja el acabado exterior de fachada, la hoja exterior de ladrillo cerámico hueco, el aislamiento de 5 cm. de corcho negro natural en placas y el bloque de termoarcilla, mediante el que se confecciona el cerramiento estructural del edificio y que está colocado al interior con el fin de servir de masa de acumulación térmica. A partir de aquí ya se colocan los elementos del sistema de calefacción, utilizando un chapado de ladrillos cerámicos huecos, para la sujeción de las tuberias, las propias tuberías de polipropileno y por último, el acabado interior de cal o yeso. Otro sistema altenativo aunque menos recomendable es el patentado por algunas firmas comerciales en el que se utilizan guías metálicas para el anclaje de las tuberías en los muros.

Evidentemente este es el caso de un muro exterior que necesita de la colocación de un aislante que impida la fuga del calor generado hacia el exterior.
El sistema funciona sensiblemente mejor aplicado a muros interiores, donde ya no es necesario el aislamiento, pudiendo utilizarse como soporte ladrillo cerámico hueco de 9 o ladrillo panal que mejorará el funcionamiento debido a la mayor capacidad de almacenamiento térmico de este material.

De qué se compone

Los elementos utilizados para el muro radiante son, con carácter general, los explicados en estos dibujos, aunque pueden variar en función de las patentes de sistemas existentes. Así, por ejemplo, hay casas comerciales que en vez del corcho negro promueven la utilización de telas aluminizadas con fibras intermedias de poliéster que proporcionan el mismo aislamiento con mucho menos espesor, pero que, a mi modo de ver, no garantizan la transpirabilidad de los muros, concepto esencial para cualquier edificio y especialmente para uno de viviendas, mucho más importante que la pérdida de unos pocos centímetros. En otros casos no se utiliza el ladrillo como terminación sino que por delante de los tubos se dispone un mallazo de fibra de vidrio y el acabado de yeso o cal.

Con el fin de preservar la calidad de los tubos de polipropileno que conforman el sistema de radiación, la colocación de éstos se realiza en caliente, con una circulación permanente de agua a una temperatura aproximada de 80º que hace momentáneamente maleable el material permitiendo su adaptación a las guías con una nueva forma que permanecerá inalterable tras su enfriamiento, dado que no existirá ningún peligro de nuevas deformaciones del tubo, debido a que el sistema funciona a baja temperatura con grandes superficies y aprovechando la “memoria térmica” del propio muro.

El agua, hasta llegar al colector general de planta (16) y al panel radiante (17) pasa por una serie de vicisitudes.

Centrándonos en el circuito de calefacción, con el número (1) encontramos la sonda que, dispuesta antes de la llegada al colector, detecta la temperatura del agua antes de su entrada a los paneles. También vemos la existencia de una sonda exterior (2) que detecta la temperatura ambiente fuera de la casa. Ambos sensores envían sus datos al verdadero cerebro del sistema que es la centralita electrónica (3) encargada de procesar la información estableciendo y ordenando las maniobras de apertura y cierre de la válvula mezcladora motorizada de tres vías (5), necesarias para que el agua que entre en los paneles lleve la temperatura necesaria para la obtención de las condiciones ambientales preprogramadas.

Esta válvula mezcladora es otra parte importante del sistema, dado que es la encargada de mezclar el agua proveniente de la caldera (8) a 70º con el agua fría de retorno a fin de que el agua que finalmente discurra por el circuito, tenga la temperatura adecuada de 40º. Una vez que el agua tiene estas condiciones es impulsada por la bomba (4) hacia los colectores.

Funcionamiento

Cuando el circuito del panel cuenta con la temperatura adecuada, la electroválvula (5) se cierra, por lo que, toda vez que el agua caliente sigue siendo impulsada desde la caldera (8) se hace necesaria la existencia de un by-pass (6).
En cuanto al abastecimiento de agua caliente sanitaria, que en este caso se produce por medio de placas solares (11) y un intercambiador-acumulador (7) que cuenta con un serpentín por el que pasa el líquido intercambiador de las placas calentando el agua. Cuando baja el rendimiento de las placas, existe un segundo sistema electrónico de sensor (12) y centralita (13) que ordena la entrada en acción de la caldera como apoyo de las placas, a través, de nuevo, de una electroválvula mezcladora (14).
El agua caliente sale hacia los diferentes aparatos de la vivienda (9) retornando, una vez enfriada, a través de la entrada reflejada con el número 10.

Esquema del sistema muro radiante

 

Ventajas del muro radiante

  • En primer lugar, como ya se ha indicado anteriormente, es un sistema que funciona a baja temperatura (aproximadamente 40º) y se desarrolla sobre grandes superficies aprovechando la capacidad mural de almacenaje originando un óptimo ahorro energético.
  • La calefacción mural posibilita combinaciones ideales con todos los sistemas de energías alternativas como las placas solares para la producción de agua caliente sanitaria que ya he explicado.
  • Dentro de lo complejo que podría parecer el cálculo de las superficies de radiación necesarias, diversos estudios revelan la existencia de una regla práctica para el dimensionado de la calefacción mural, según la cual, la superficie de panel necesaria es la equivalente a un 30 % de la superficie del recinto a calefactar.
  • En la confección del sistema se suelen usar productos inocuos, permitiendo una total transpiración y resultando, por tanto, saludable para la casa y para los habitantes de la misma. Además, en ningún caso se dan problemas de punto de rocío o condensación.
  • Los elementos que calientan la vivienda son absolutamente invisibles y las tuberías son de material plástico, lo cual, unido a la baja velocidad de circulación, al bajo rozamiento del agua en las conducciones y al hermetismo del sistema, bajan notablemente la posibilidad de generación de aire en el interior de las conducciones.
  • Si se desea, en verano, el sistema es reversible, permitiendo la introducción de agua fría con el fin de absorber parte del calor del ambiente, por lo que estamos ante una concepción mixta que nos permite introducir en nuestras casas un calor radiante similar al del sol o un frío absorbente parecido al que se da en las bodegas.
  • No se produce en ningún caso circulación de aire por lo que no hay movimiento de polvo, ácaros,etc.
  • Por último, he de comentar una ventaja más comparándolo con el suelo radiante, desde el punto de vista de nuestro bienestar. Con el muro radiante, el calor se desprende a media altura y no desde nuestros pies, no existiendo corrientes de agua circulando por debajo de nosotros o de nuestras camas con la consiguiente alteración del descanso que ello representa.

Desventajas del muro radiante

  • Tras enumerar las ventajas, he de decir que los inconvenientes son absolutamente evitables mediante un poco de previsión. Así, los problemas más comunes pueden venir dados por la dificultad distributiva que representa para algunas personas el dejar una pared desnuda, sin amueblar. Este problema se puede solucionar sobre los planos, estableciendo de antemano la colocación de los muebles o bien, si es necesario poner estanterías ligeras.
  • Otros problemas son los que aparecen a la hora de colocar un cuadro, ya que podríamos perforar un conducto. De nuevo es un problema de fácil solución mediante diversos sistemas como la formación de plantillas que indiquen la posición de los tubos o el método más sofisticado del detector de tubos que algunas casas especializadas comercializan. Existe también un “remedio casero” para la detección de tubo, consistente en la colocación sobre la pared de un trozo de papel de fax. La emanación de calor de las conducciones provoca el oscurecimiento del papel en la zona de paso de las mismas, desvelando su recorrido y permitiéndonos evitar accidentes.
  • En mi opinión,  el ligero sobreprecio que representa la colocación del muro radiante con respecto a otros más convencionales no es un inconveniente capaz de empañar el cúmulo de ventajas que representa para los habitantes de la casa.

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