Sistemas de climatización en Construcción sostenible

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Wikilibro: Construcción sostenible > Capítulo 4: Eficiencia energética en edificación

Sección 4

Sistemas de climatización
Se denomina sistema de climatización a aquel que es capaz de controlar la calidad del aire interior para que permanezca dentro de unos valores de confort razonables de los siguientes parámetros:
  • Temperatura
  • Humedad
  • Calidad del aire interior

En consecuencia, este sistema debe ser capaz de actuar sobre el aire interior para enfriarlo y calentarlo, filtrarlo y renovarlo introduciendo en el local interior aire procedente del exterior.
Los componentes de un sistema de climatización son: a) el Lazo primario, encargado de producir calor y/o frío para ser suministrado a los sistemas terminales del sistema de climatización. También se incluyen dentro del lazo primario los sistemas de distribución y acumulación de energía. b) Lazo secundario, donde se realiza el aprovechamiento del fluido caloportador para calentar o refrigerar el aire.
A continuación se desarrollan aquellos equipos y sistemas del lazo primario que son especialmente relevantes debido a su elevada eficiencia y/o utilización de fuentes de energía renovables.

La caldera
Una caldera es una estructura metálica en la que se distinguen dos partes que no permiten el paso de materia pero si de energía (“membrana diatermana”), por una de ellas circula el humo caliente producto de la combustión y por la otra circula el fluido caloportador que posteriormente distribuirá la energía al lugar de consumo.

La parte por la que circula el humo se subdivide a su vez en dos partes:

  • El hogar, donde se instala el quemador y se produce la combustión. Se realiza el primer intercambio térmico entre el fluido caloportador y los humos.
  • Los pasos de humos en donde se completa la transferencia de energía entre el fluido caloportador y los humos. La superficie de intercambio entre el fluido caloportador y los productos de la combustión (PDC en adelante), que es la forma técnica de llamar a los humos, es metálica (usualmente de fundición o de acero) por lo que el coeficiente de conducción es muy elevado.
A continuación, y debido a su interés por los elevados rendimientos que pueden alcanzar, se desarrollará el tema de las calderas de condensación:

Calderas de condensación

En este caso más que una evolución tecnológica del diseño de la caldera, se puede decir que ha sido una evolución de la calidad de los materiales. Consiste en fabricar la superficie de intercambio entre los PDC y el fluido caloportador con una material que resista el efecto corrosivo de los condensados.

La técnica de condensación constituye una eficaz forma de convertir, a través de la combustión, gas natural o gasóleo en calor útil. La técnica de condensación sigue el principio de funcionamiento de no superar en caldera la temperatura necesaria para cubrir las necesidades reales de calefacción.

El proceso de condensación fuerza que los gases de combustión condensen y de esta forma se aproveche la energía latente en el vapor de agua para convertirla así en calor sensible. Además, se reducen considerablemente las pérdidas por humos a través del sistema de salida de gases procedentes de la combustión, dado que se consigue una reducción de la temperatura de humos de más de 100ºC con respecto a las calderas de baja temperatura.

La combustión de gasóleo o gas natural, produce, debido a la reacción con el aire, oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Si las temperaturas en las paredes de las superficies de intercambio térmico del lado de humos descienden por debajo del punto de rocío del vapor de agua, se forman condensados.

Poder calorífico superior e inferior
El Poder Calorífico Inferior (P.C.I.) define la cantidad de calor liberado tras una combustión completa cuando el producto de la misma contiene vapor de agua. El Poder Calorífico Superior (P.C.S.) define la cantidad de calor liberado tras una combustión completa, incluyendo el calor de evaporación contenido en el vapor de agua de los gases de combustión.

La siguiente tabla resume las características del combustible más importantes para el aprovechamiento de la condensación.

TablaPCI.jpg
(1) Kcal./Kg.
Tabla 1: PCS y PCI de diferentes combustibles - Fuente: El instalador

En la tabla se observa como la diferencia entre PCS y PCI es el contenido energético del vapor de agua producido en la combustión. Queda patente que cuanto mayor sea esta diferencia más capacidad de aprovechamiento puede obtenerse en el proceso de condensación. Por lo tanto, siempre que sea posible se deberá utilizar gas natural, dado que de entre los combustibles indicados, es el gas natural el que posea una mayor capacidad de aprovechamiento de calor de condensación.

Temperaturas de trabajo de la tecnología de condensación
Tal y como se ha visto en el apartado anterior, la técnica de condensación trata de reducir al máximo la temperatura de los humos de cara a enfriarlos por debajo de su punto de rocío. Esto se consigue reduciendo la temperatura media de la caldera de producción. La condensación se aprovecha íntegramente en los sistemas de calefacción cuya temperatura de retorno sea reducida. Esto permite extraer la mayor cantidad de calor de los productos de la combustión.

Las ventajas de la técnica de condensación son especialmente visibles justo en estas situaciones de baja carga: la caldera estándar genera pérdidas considerables a medida que disminuye la carga de trabajo, porque la temperatura de caldera tiene que mantenerse alta incluso cuando las temperaturas requeridas al sistema de calefacción sean bajas. El porcentaje de las pérdidas por radiación en relación con el volumen total de energía utilizada aumenta considerablemente y provoca una reducción del rendimiento estacional.

Comparativamente, las calderas de condensación muestran un rendimiento estacional especialmente positivo en situaciones de baja carga, puesto que el efecto de la condensación es más efectivo con bajas temperaturas del agua de caldera.
La siguiente figura recoge una comparación del rendimiento estacional de diferentes tipos de calderas.

RendimientoCaldera.jpg
Ilustración 11. Rendimiento estacional de distintas tecnologías de calderas - Fuente: www.viessman.es


La tecnología actual de las calderas de condensación es fruto de varias décadas de desarrollo, siendo hoy en día, soluciones fiables y contrastadas. No obstante el hecho de ser una tecnología relativamente reciente en comparación con las calderas tradicionales, el uso e instalación de estas calderas necesitará aun de algún tiempo para alcanzar el nivel de conocimiento de las convencionales.


Calderas de Biomasa

La biomasa es una fuente primaria de energía que tiene una gran diversidad de aplicaciones finales, aunque en la actualidad solamente algunas de éstas pueden considerarse en una fase de desarrollo avanzada para su utilización comercial. Mientras en la generación de energía eléctrica todavía no tiene una clara rentabilidad, el funcionamiento y economía de los sistemas para producción de calor y agua caliente sanitaria están totalmente demostrados desde hace algunos años.

Aunque existe una gran variedad de biomasa, los tipos de biomasa más empleados para sistemas de calefacción son: leña, astillas, pellets, briquetas y los residuos agroindustriales como los huesos de aceituna, cáscaras de frutos secos (almendra, piña, etc.), poda de vid, etc.

Los tipos de combustible más convenientes para los sistemas de calefacción de biomasa en grandes edificios son los pellets, las astillas de madera y los residuos agroindustriales como los orujillos, las pepitas de uva o las cáscaras de almendra.

TablaBiomasa.jpg
Tabla 1: Propiedades de diferentes tipos de biomasa - Fuente: www.idae.es


Tanto los pellets como las astillas o los residuos agroindustriales tienen ventajas y desventajas. Es importante considerarlas cuando hay que tomar una decisión sobre la elección del combustible.

  • Astillas de madera
  • Ventajas
  • Pueden estar disponibles localmente
  • La producción fomenta el empleo local
  • Económicamente más baratas que los pellets
  • Desventajas
  • Requieren un mayor espacio para el almacenamiento
  • Alta calidad y uniformidad son importantes, pero difíciles de asegurar
  • Mayor demanda de personal para la operación y mantenimiento de la planta Pellets
  • Pellets
  • Ventajas
  • Combustible estandarizado con alta fiabilidad de operación
  • Requieren menor espacio para el almacenamiento
  • Menor esfuerzo para la operación y mantenimiento de la planta
  • Desventajas
  • Menores beneficios para la economía local
  • Alto coste del combustible
  • Residuos Agroindustriales
  • Ventajas
  • Pueden estar disponibles localmente
  • Económicamente más baratos que los pellets y las astillas
  • Menor esfuerzo para la operación y mantenimiento de la planta que las astillas
  • Desventajas
  • Requieren un mayor espacio para el almacenamiento
  • Pueden dar problemas de emisiones o corrosión de la caldera
  • Mayor demanda de personal para la operación y mantenimiento de la planta que los pellets

Un metro cúbico de pellets tiene cuatro veces la energía del contenido de un metro cúbico de astillas secas, por ello, el almacenamiento necesario es menor. Algunas calderas en el mercado tienen dos sistemas incorporados, uno para pellets y otro para astillas, con un sistema electrónico de control que adapta los parámetros de combustión según la selección del combustible. Esta flexibilidad en el combustible puede ser útil y económica. En este caso, el almacenamiento y el sistema de recuperación del combustible deben diseñarse para la operación con ambos combustibles.

Tipos de calderas de biomasa
Las calderas de biomasa son equipos compactos diseñados específicamente para su uso, ya sea doméstico en viviendas unifamiliares, edificios de viviendas o comerciales, existiendo también modelos para instalaciones industriales. Todas ellas presentan sistemas automáticos de encendido y regulación e, incluso algunas, de retirada de cenizas, que facilitan el manejo al usuario. Para aplicaciones de calefacción doméstica o comercial, estos equipos son de potencia baja a media, hasta 150-200 kW. Este tipo de sistemas alcanzan rendimientos entre el 85 y 92%, valores similares a los de las calderas de gasóleo o de gas.

Actualmente se están extendiendo cada vez más las calderas de pellets. Debido a las características de este combustible: poder calorífico, compactación, etc., las calderas diseñadas para pellets son muy eficientes y más compactas que el resto de calderas de biomasa.

Para la elección de una caldera de este tipo se debe tener en cuenta una serie de características:

  • Fiabilidad del sistema.
  • Rendimiento de la combustión de la caldera. Cuanto más alto sea éste, el consumo será menor y mejorará la eficiencia.
  • Bajas emisiones de CO (por debajo de 200 mg/m3) y bajas emisiones de polvo (por debajo de 150 mg/m3).
  • Cumplimiento de la normativa de emisiones de gases y partículas
  • Sistema de regulación y control sencillo para el usuario.
  • Automatización del sistema de limpieza o mínima necesidad de limpieza.
  • Posibilidad de telecontrol de la operación de la caldera por el suministrador de la misma o por el usuario.
  • Fácil mantenimiento y operatividad de la caldera.
  • Buenos servicios técnicos.
  • Garantía de suministro de combustible.

Un sistema de climatización con biomasa consta además de una de equipos o sistemas principales:

  • Almacén de combustible: silo, tolva.
  • Sistema de alimentación: tornillo sinfín, neumático o gravedad.
  • Caldera: cámara de combustión, zona de intercambio, cenicero y caja de humos.
  • Chimenea: similar a la de un sistema convencional, aunque de un diámetro ligeramente mayor, debido a que el volumen de humos es mayor porque la humedad de la biomasa al arder se convierte en vapor de agua.
  • Sistema de distribución de calor: igual que un sistema convencional.
  • Sistema de regulación y control: igual que un sistema convencional en cuanto a la interfaz del usuario.
  • De forma complementaria, la caldera se puede conectar a un sistema de producción de frío por absorción, que alimente al sistema de refrigeración.

Se han hecho grandes avances respecto al aumento del rendimiento y en la reducción de las emisiones de partículas y monóxido de carbono CO. Los avances se han alcanzado particularmente en el diseño de la cámara de combustión, en el suministro del aire de combustión y en los sistemas de control automático del proceso de la combustión. El estado actual de la tecnología de las calderas automáticas parece haber aumentado su rendimiento de un 60 % a un 85 – 92 % durante la década pasada y se ha logrado una disminución de las emisiones del CO desde valores del rango de 5.000 mg/m3 hasta valores de 50 mg/m3. El rendimiento anual, la relación entre el contenido en energía del combustible utilizado y la energía suministrada realmente al edificio, fue medido en un estudio danés, resultando como valor medio el 78 % para las instalaciones de calefacción de biomasa en grandes edificios.

Sin embargo, existen diferencias significativas en la calidad de los productos entre los distintos países que componen el mercado europeo. Es muy importante seleccionar, para la calefacción, las calderas cuya tecnología sea más avanzada y que se adapten a los requisitos del alto rendimiento. Las calderas de biomasa convencionales, diseñadas para el uso en la industria de madera o en usos agroindustriales, pueden generar emisiones significativas, tener un rendimiento más bajo, necesitar un mayor mantenimiento y su funcionamiento tiene menos fiabilidad de la necesaria en el sector doméstico o terciario.

CalderaBiomasa.jpg
Ilustración 12: Caldera comercial de biomasa - Fuente: www.KWB.at


Las calderas de biomasa convencionales alcanzan unos rendimientos nominales por encima del 90%, disminuyen unos puntos en condiciones de carga parcial. Estos valores son ligeramente inferiores a las calderas convencionales de gas.

En la técnica de condensación, los rendimientos alcanzan cifras del 103% sobre el PCI. Igualmente, valores ligeramente inferiores a sus homologas en condensación de gas.

El mantenimiento de los sistemas de producción con biomasa es mayor que los convencionales. A parte de la obligación de las normativas pertinentes, se debe realizar un mantenimiento en lo referente los residuos de la combustión de la biomasa, partes móviles, etc. La periodicidad del mantenimiento dependerá de las horas de funcionamiento de la caldera. Dependiendo de la tecnología de la caldera, todo este mantenimiento está automatizado.

Uno de los puntos débiles de la biomasa en comparación con sistemas de calefacción que también requieren de un almacenamiento de combustible, como gasóleo o propano, es que la biomasa requiere una cantidad mucho mayor de espacio para poder acumular la misma cantidad de energía que en los casos del gasóleo o propano.

En el caso de almacenar directamente la biomasa en una estancia del edificio, la figura siguiente muestra las dimensiones mínimas que deberían tener tanto la sala de máquinas como el silo de obra.

EsquemaBiomasa.jpg
Ilustración 13: Dimensiones de la sala de máquinas y el silo de obra - Fuente: www.kwb.at


Bombas de Calor

El calor fluye de forma natural desde las altas temperaturas a las bajas temperaturas. Sin embargo, la bomba de calor es capaz de forzar el flujo de calor en la dirección contraria, utilizando una cantidad de trabajo relativamente pequeña. Las bombas de calor pueden transferir este calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío), tales como aire, agua o la propia tierra, hacia las dependencias interiores que se pretenden calefactar, o bien para emplearlo en procesos que precisan calor en la edificación o la industria. Es posible, así mismo, aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco frío, lo que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema.

Las bombas de calor también pueden ser utilizadas para refrigerar. En este caso la transferencia de calor se realiza en el sentido contrario, es decir desde la aplicación que requiere frío al entorno que se encuentra a temperatura superior. En algunas ocasiones, el calor extraído en el enfriamiento es utilizado para cubrir una demanda simultánea de calor.

Las bombas de calor se pueden clasificar según diferentes criterios. Según el medio de origen y destino de la energía, éstas pueden ser

  • Bombas de calor aire-aire: Son las más utilizadas, principalmente en climatización, aunque según la zona climática, no son recomendables.
  • Bombas de calor aire-agua: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.
  • Bombas de calor agua-aire: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. Producen unos rendimientos energéticos mejores que las que utilizan aire exterior, debido a la mayor uniformidad de la temperatura del agua a lo largo del año.
  • Bombas de calor agua-agua: Similares a las anteriores, excepto que los emisores son radiadores a baja temperatura, fan-coils o suelo radiante.
  • Bombas de calor tierra-aire y tierra-agua: Aprovechan el calor contenido en el terreno
TablaBombas.jpg
Tabla 1: Clasificación de las bombas de calor según origen y destino de los focos - Fuente: www.idae.es


Bomba de calor con aprovechamiento de aguas subterráneas
Se pueden utilizar como focos fríos las aguas de ríos, lagos, aguas subterráneas. La eficiencia obtenida con este foco es muy elevada. La temperatura del agua del pozo subterráneo suele ser aproximadamente constante, con lo cual el COP de la máquina, en principio, es constante y de mayor valor que una bomba de calor que utilice aire como foco frío. Uno de los problemas que tiene este tipo de instalación, es la petición por parte de la autoridad competente de la explotación del pozo. Estos sistemas son abiertos, es decir, la misma agua del pozo interviene directamente en el intercambiador de calor de la máquina de calor. Además es importante realizar un minucioso estudio para conocer el posible impacto térmico en el pozo y en el subsuelo. Conviene conocer previamente la energía que va a ser intercambiada con el pozo, tanto extraída como aportada por el sistema. Si las demandas de calefacción y refrigeración, son muy dispares, se acabaría por variar la temperatura del pozo y/o del terreno. Si la temperatura finalmente varía, el COP también lo hará.
También es imprescindible conocer el caudal del pozo, para saber si tendrá capacidad energética para la instalación.

Geotermia.jpg
Ilustración 14: Bomba de calor con aprovechamiento de aguas subterráneas y/o río - Fuente: www.fenercom.com


Bomba de calor con aprovechamiento geotérmico
La energía llamada geotérmica de muy baja entalpía es comúnmente utilizada para la climatización de espacios, bien sea de forma directa, bien sea mediante el uso de bombas de calor acopladas al terreno, denominadas por ello bombas de calor geotérmicas.

La gran inercia térmica del suelo y de las aguas subterráneas es el fundamento principal de este tipo de aplicaciones. La temperatura de la superficie terrestre está determinada por el equilibrio entre la energía radiante solar, la radiación térmica de la superficie hacia el espacio, el flujo de calor geotérmico y las variantes e interferencias de estos factores.

Comparando con el flujo solar incidente (1000 W/m2), el flujo de calor geotérmico (50 a 120 mW/m2) es casi insignificante y su contribución al balance casi nula. Sin embargo, la variación de la temperatura atmosférica afecta únicamente a los primeros metros del terreno. En la siguiente figura se puede observar que la amplitud de las variaciones de temperatura en el terreno se atenúa con un factor que decrece exponencialmente con la profundidad y que depende únicamente de la difusividad del terreno y el periodo de la onda de calor. A una distancia igual a la profundidad de penetración, la amplitud de temperaturas se reduce casi en tercio.

GraphGeotermia.jpg
Ilustración 15. Variación de la temperatura en función de la profundidad - Fuente: www.fenercom.com


Las variaciones diarias de la temperatura ambiente, no influyen más allá del primer metro de profundidad, sin embargo las variaciones estacionarias pueden influir en los primeros diez metros de terreno. Este efecto, ha sido aprovechado desde la antigüedad para la ubicación de procesos que requieren temperatura estable (bodegas, almacenamiento de hielo, etc.).

Mediante la inserción en el terreno de intercambiadores de calor, denominados geointercambiadores, se puede aprovechar la mayor inercia del subsuelo.

Los geointercambiadores están compuestos por una serie de tuberías que pueden ser insertados de manera horizontal a poca profundidad (colectores geotérmicos) o en disposición vertical (sondas geotérmicas) y por las cuales se hace circular un fluido caloportador (normalmente agua o agua con anticongelante) que intercambia calor con el medio pudiendo extraer o inyectar energía calórica en el terreno en la manera que más convenga.

La ventaja de los intercambiadores horizontales es que no es necesaria una excavación tan profunda que como en los intercambiadores verticales. La desventaja es que aproximadamente se necesita una superficie de captadores de alrededor de dos veces la superficie a climatizar. Por ello, dado el emplazamiento de los cubos, se descarta este tipo de intercambio en virtud de realizar un intercambio de calor con el terreno a través de intercambiadores verticales.

La eficiencia nominal de las bombas de calor es actualmente, una de las mayores que se pueden obtener. En condiciones óptimas, se pueden alcanzar valores de COP entre 5 y 6 dependiendo de los focos contra los cuales la maquina trabaje. Estos valores de COP se mantendrán en mayor o menor medida constante en función de dichos focos.


Sistemas de micro-cogeneración

La cogeneración consiste en la producción simultánea de energía eléctrica y mecánica y energía térmica útil a partir de una única fuente de energía, que normalmente es gas natural.

Según la potencia de los equipos de cogeneración, la tecnología recibe diferentes terminologías. Para equipos con una potencia inferior a 50 kWel, la cogeneración recibe el término de microcogeneración.
En las siguientes figuras se comparan el suministro convencional de energía y el suministro de energía mediante microcogeneración.

SuministroConv.jpg
Ilustración 16: Suministro convencional de energía - Fuente: www.besel.es

SuministroCo-G.jpg
Ilustración 17: Suministro de energía mediante microcogeneración - Fuente: www.besel.es


En términos energéticos, el rendimiento global es mayor para el caso de la cogeneración – microcogeneración que en la generación y distribución convencional.

La producción mediante sistemas de microcogeneración incluye la suma de la energía eléctrica y mecánica producida, y el calor útil de las unidades de cogeneración. Esto generalmente supone la sustitución de sistemas de calefacción convencionales por generadores de electricidad equipados con transformadores de calor para además usar y/o recuperar el calor producido. El calor es usado tanto para calefacción como para agua caliente, y existe la posibilidad de utilizarlo para refrigeración. La electricidad generada puede utilizarse bien para autoconsumo en el edificio o para conexión a red.

Los sistemas de microcogeneración son sistemas claramente destinados a su utilización en edificios con demandas de calor relativamente pequeñas.

La aplicación de sistemas de cogeneración en edificios se puede plantear desde diferentes perspectivas:

  • Satisfacer ambas demandas, térmica y eléctrica

En este caso es necesario sobredimensionar tanto la producción eléctrica como térmica. Si no se da el caso que la existencia de una demanda extra térmica o eléctrica externa al edificio acondicionado, el tiempo de funcionamiento disminuirá. Esta reducción de tiempo provocará un tiempo de amortización más elevado. Por ello, normalmente se diseñan los sistemas de cogeneración para cubrir parte de la demanda térmica y eléctrica.

  • Satisfacer la demanda eléctrica y parte de la térmica

En está segundo criterio de diseño se puede presentar la posibilidad de necesitar una demanda térmica inferior a la potencialmente aprovechable de la cogeneración. En esta situación se deberá o reducir las condiciones de funcionamiento del sistema para adecuar la producción térmica, o expulsar ese exceso de calor a la atmosfera o almacenar ese exceso de calor.
Si por el contrario, la demanda de calor es superior a la producción, se necesitará un sistema secundario auxiliar.

  • Satisfacer la demanda térmica y parte de la eléctrica

Esta situación es la inversa al punto anterior. Si la demanda eléctrica es inferior a la producción, igual que en el punto anterior, se deberá regular el funcionamiento del sistema de cogeneración, almacenar la energía sobrante en baterías u otros elementos de almacenamiento o inyectar directamente en la red eléctrica.

Si la demanda eléctrica es superior a la producción, se importará directamente de la red eléctrica.

  • Satisfacer parte de la demanda térmica y parte de la demanda eléctrica

Un estudio de viabilidad económica decidirá el diseño en este caso. El coste de la inversión, del mantenimiento y de su posible precio de venta a la red serán elementos decisorios.
La siguiente figura muestra un esquema de la instalación de microcogeneración.

EsquemaCo-G.jpg
Ilustración 18. Esquema de principio de una instalación de microcogeneración - Fuente: www.besel.es

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