Control energético mediante el diseño de las instalaciones
Ahorro energético en las instalaciones de calefacción y climatización
Calefacción por energía solar Diseño del aire acondicionado
Diseño de la calefacción Emisores
Sistemas de calefacción a partir de enegía solar

Texto de referencia

"L'energia solar té el seu gran camp d'actuació en el sector residencial, en especial en edificis nous o de rehabilitació. La introducció de l'energia solar és més viable en la producció d'aigua calenta sanitària. En la climatització dels edificis l'aportació solar s'ha de combinar amb criteris bioclimàtics en el disseny i la construcció dels edificis (...)."

"Plà Metropolità per a la implantació de les energies renovables"
Area metropolitana de Barcelona. Febrer de 1996

Comentario

Entre las energías renovables, la energía solar es la que puede tener una aplicación más directa en instalaciones de calefacción. Aunque hoy en día los sistemas solares resultan viables sobretodo para la producción de agua caliente sanitaria y el calentamiento de piscinas (tanto el agua del vaso como la climatización del ambiente en piscinas cubiertas, Fig. 3), también se puede considerar su utilización para calefactar espacios mediante emisores de agua o aire a bajas temperaturas (del orden de 30ºC). Conviene tener presente que la energía solar no produce dióxido de carbono, ni emisiones de otras substancias dañinas para el ambiente como el dióxido de azufre. A modo de ejemplo se puede considerar que cada metro cuadrado de panel solar haría disminuir el vertido diário de CO2 del orden de 1,3 kg diarios, que se produciría a partir de enegías convencionales.

Normalmente las instalaciones de calefacción se combinan con las de producción de agua caliente sanitaria. (Fig. 2)

Junto a las instalaciones activas de energía solar es necesario que el diseño del edificio introduzca los medios de control pasivos que permitan el aprovechamiento de las ganacias solares (aberturas vidriadas, invernaderos, inercia térmica, adaptación a las condiciones locales), así como el aislamiento frente a las condiciones climáticas adversas.

Los sistemas solares activos más habituales emplean el agua como fluido de captación, aunque también existen los sistemas de aire, que pueden suministrar aire caliente para la calefacción de espacios. Éstos últimos tienen el inconveniente de requerir una instalación muy voluminosa.

Una instalación solar está constituída por colectores o paneles, depósito o acumulador de calor, red de distribución y emisores de calor. Está equipada con un equipo convencional de apoyo y dispone de un sistema de control que regula la instalación y su funcionamiento.

Colectores o paneles solares
Los colectores o paneles recogen o colectan la energía solar; por su interior circula un fluido formado por una solución de agua con agentes anticorrosivos y anticongelantes. Como consecuencia de la radiación solar se eleva la temperatura del agua. Este fluido impulsado por una bomba controlada por un termostato diferencial, circula por un intercambiador que rodea al acumulador de agua caliente solar.

La energía que recoge un colector solar depende de la altura del sol que varía con las estaciones. Para que un panel determinado recogiese en cada estación el máximo de energía, se debería modificar su inclinación en cada estación (Fig.1). Esta variación puede hacerse en algunos montajes de forma manual, ya que automáticamente no resulta, en términos económicos, aconsejable.

El colector, obviamente, debería apuntar hacia el sol del mediodía (a Sur en el hemisferio Norte y a Norte en el hemisferio Sur). Su inclinación debe ser similar a la de la latitud geográfica, aunque existen tolerancias y, por lo tanto, la inclinación exacta se acaba de decidir en función de las condiciones de diseño y de la disponibilidad de materiales. Además se deben evitar las sombras y los apantallamientos. Un colector óptimamente inclinado recibirá aproximadamente 1,5 veces la radiación de uno horizontal.

Orientativamente se considera que el tamaño total del colector necesario para la instalación de calefacción resulta del orden de la mitad de la superfície construída de la zona a calefactar.

Depósito acumulador
Los sistemas solares disponen de depósitos, cuya finalidad es almacenar el calor durante las horas de insolación para su uso nocturno o para solventar periodos de nubosidad.

Los depósitos de calor generalmente utilizados se basan en la capacidad térmica de los materiales. Normalmente se utilizan depósitos de agua, aunque en los sistemas de aire se emplearían depósitos de piedra triturada, que tienen un volumen bastante mayor.

Como regla empírica se considera que a un área de captación de 1 m2, le corresponde un volumen de depósito de 50-100 l de agua (o capacidad térmica equivalente: 58-116 Wh/ºC, si se utiliza otro elemento como almacenador de calor). El volumen de reserva depende de las variaciones climáticas y, así, en climas templados cálidos bastaría con la reserva de 1 o 2 días, mientras que en climas templados fríos debería hacerse para 4 o 5 dias de demanda de calor.

El depósito o acumulador almacena el agua calentada durante las horas de sol y es conveniente situarlo en posición vertical para obtener una estratificación acentuada de las temperaturas en su interior.

Emisores de calor
Los emisores de calor por agua que se utilizan en instalaciones convencionales de calefacción son radiadores, convectores y suelo radiante. Los dos primeros no serían adecuados para una instalación de energía solar ya que están diseñados para funcionar con agua a temperaturas altas (65ºC-75ºC) y si funcionaran a temperaturas más bajas se debería aumentar mucho su superfície, lo que resultaría difícil y caro.

En cambio, el sistema de suelo radiante es el más apropiado, ya que al quedar limitada la temperatura del suelo a aproximadamente 25ºC, puede emplearse agua a temperaturas comprendidas entre 28ºC y 30ºC; además, se debe considerar la contribución de la capacidad térmica del suelo al almacenamiento de calor y al equilibrio de las variaciones en el tiempo.

Sistemas de apoyo
Las horas de Sol son variables a lo largo del año, pero además hay horas e incluso días en los que no luce. Por ello se necesita de un sistema de apoyo o reserva que funcione con energías convencionales, gas natural, electricidad o gasóleo, es decir, se debe diseñar una instalación mixta. El suministro auxiliar de calor puede considerarse en climas cálidos y soleados sólo como una reserva; sin embargo, en climas más fríos y nublados resulta básico ya que la instalación solar sirve para el precalentamiento intervieniendo siempre la energía convencional. Esto implica un aumento de coste de la inversión y, por lo tanto, un periodo de amortización mayor; no obstante, teniendo en cuenta el aumento progresivo de precio de los combustible y la necesaria reducción de precio de los elementos en instalaciones solares, cabe esperar un aumento de su viabilidad económica.

Control y regulación
En las instalaciones de energía solar activa es fundamental el control integrado de la instalación que permita, en cualquier momento, adecuar las condiciones exteriores a las necesidades interiores con el fin de proporcionar el máximo aprovechamiento energético del sistema, así como intervenir en el funcionamiento de las unidades de apoyo y otros elementos que se hallen interrelacionados. La gestión en instalaciones solares complejas se hace a partir de sistemas informatizados de control a distancia, o telecontrol, que permite conocer su funcionamiento en cada momento así como poder controlar la instalación y la consulta de posibles averías. Se considera que estos sistemas pueden reducir los costes de explotación del orden de un 10%, en relación a sistemas de regulación convencional.

Durabilidad
Se estima que las instalaciones alcanzan los quince años de duración, siendo muy importante la calidad y el mantenimiento del colector ya que los paneles o colectores pueden representar el 40 % del coste de la instalación.

Principio

Los sistemas de calefacción a partir de energía solar funcionan con emisores de calor a baja temperatura, necesitando un suministro auxiliar de calor a través de equipos convencionales y su eficiencia está muy vinculada al diseño energético del edificio

Aplicabilidad del principio

- Las instalaciones de calefacción con energía solar térmica se aplican a usos domésticos, combinada con la producción de agua caliente sanitaria y al calentamiento de piscinas.

- La ubicación de los componentes de una instalación solar se debe estudiar conjuntamente con la configuración del edificio. La ubicación de los paneles solares en cubierta o fachada es especialmente importante si se proyecta una instalación de calefacción a partir de energía solar ya que prácticamente ocuparán la mitad de la superfície de la zona a calefactar. También se debe pensar en el local para situar el depósito acumulador de calor y el equipo auxiliar de suministro de calor (caldera a gas, por ejemplo).

- El tipo de emisor de calor más adecuado para la calefacción por energía solar es el suelo radiante. Constructivamente condiciona la solución del pavimento, ya que precisa de aislamiento térmico entre la red de tuberías del suelo radiante y el forjado así como un pavimento de cierto grosor que aporte la inercia térmica suficiente.

- Es conveniente que la instalación disponga de mecanismos de control y regulación para garantizar el máximo aprovechamiento de la energía.

Diseño de la instalación de calefacción

Texto de referencia

"Generalmente se considera que el objeto de la calefacción es (...) regular la pérdida de calor del cuerpo humano durante las épocas frías del año, calentando el ambiente con el fin de establecer un equilibrio térmico entre el cuerpo y el ambiente que le rodea para así obtener el máximo bienestar fisiológico-térmico."

"Control térmico de las viviendas: la calefacción". Josep Mª Miliàn i Rovira
Publicacions del Col.legi d'Aparelladors i Arquitectes Tècnics de Barcelona. Diciembre de 1976

Comentario

Las instalaciones de calefacción, y también las de climatización en los países mediterráneos, son las que presentan un mayor porcentaje del consumo de energía en los sectores residencial (Fig.1) y terciario. En consecuencia, resulta imprescindible mejorar su eficiencia energética de manera que, consiguiéndose el confort interior, se minimice el gasto de energía y, paralelamente, se reduzcan las emisiones contaminantes a la atmósfera.

Conviene recordar que el diseño del edificio es el primer factor de ahorro en el consumo de calefacción. Por un lado, incorporará los sistemas pasivos adecuados para el aprovechamiento de las ganancias solares tales como aberturas vidriadas, invernaderos, inercia térmica, etc. Por el otro, se deben reducir las pérdidas térmicas disponiendo del aislamiento térmico suficiente según las condiciones climáticas (aislamiento térmico en cerramientos, vidrios dobles, carpinterias con rotura de puente térmico o control de las infiltraciones, mejorando la estanquidad de las ventanas y colocando cortavientos en las puertas).

Las instalaciones de calefacción se ajustarán a las características constructivas del edificio, así como a su uso y funcionamiento, mediante la selección de un sistema adecuado que introducirá equipos eficientes junto a sistemas de regulación y control. Además, para garantizar su correcto comportamiento en el tiempo se deberían definir las pautas de explotación y mantenimiento.

El diseño del sistema de calefacción se fundamenta en el estudio de los datos climáticos y las necesidades de confort teniendo en cuenta la orientación, tamaño, forma, inercia térmica, aire, humedad y cargas internas del edificio. Para conseguir el funcionamiento adecuado obteniendo un mayor rendimiento energético se deben considerar los siguientes factores:

- Zonificación
La zonificación de la instalación responderá a criterios de orientación solar, situación (interior o perimetral), usos del edificio y horarios de funcionamiento, principalmente. Cada zona dispondrá de circuitos o subsistemas de calefacción regulados con sistemas propios de control tanto de temperatura ambiente como de horario de funcionamiento.

- Rendimiento de los equipos de producción de calor
Los equipos de producción de calor (calderas, bombas de calor, etc.) deben presentar una buena eficiencia energética que, como mínimo, alcance los valores de rendimiento (COPe) que establece la normativa.

Las calderas convencionales presentan rendimientos del orden del 90%. Con la introducción de los sistemas de condensación (que aprovechan el calor latente del vapor de agua contenido en los gases de la combustión) se aumenta significativamente su rendimiento -hasta el 105%- a la vez que se reducen las emisiones de CO i NOx al disminuir la temperatura de los gases de combustión, que finalmente se evacuan a la atmósfera..

Los equipos de bomba de calor aire-agua, que toman calor del aire exterior y lo aportan a un circuito de agua interior calentándolo, producen agua caliente a temperaturas del orden de 50ºC, lo que permite su aplicación en instalaciones de calefacción por suelo radiante, fan-coils y convectores, calentamiento de agua de piscinas, etc. Pero, en cambio, no se utilizan con sistemas de radiadores por no ser suficiente su nivel de temperatura.

La bomba de calor resulta un equipo de alto rendimiento energético que puede estar alrededor del 200%; sin embargo, este rendimiento, que está en función de la temperatura del aire exterior, disminuye notablemente a medida que ésta baja ya que cada vez es más difícil captar el calor en él contenido. Por ello, en localidades en las que resulten habituales temperaturas exteriores en invierno inferiores a 0ºC, se deberá analizar detalladamente la rentabilidad de este tipo de equipos. Como ventaja, la utilización de bombas de calor para calefacción se justifica tanto más, cuando el mismo equipo, que sirve para producir la refrigeración en régimen de verano, sirve también para aportar la calefacción que el edificio necesita en régimen de invierno.

Conviene recordar que el mantenimiento de la instalación y, en particular de los equipos de producción de calor, resulta fundamental en el rendimiento energético. En las calderas, por ejemplo, éste podría quedar por debajo del 60% si, entre otras causas, no es adecuada la regulación de la cantidad de aire aportada por el quemador a la combustión, presenta problemas de adaptación entre caldera y quemador, falta aislamiento de la caldera, o la suciedad de la caldera.

- Selección de la fuente energética
Las calderas pueden utilizar distintos tipos de combustible: sólidos, líquidos y gaseosos. Su elección dependerá de la disponibilidad de suministro pero, sobre todo, de su rendimiento y de la influencia en la contaminación del medio ambiente. Son recomendables los combustibles gaseosos particularmente el gas natural que presenta, en su aplicación final, rendimientos del orden del 75-80%. El gasóleo tiene un rendimiento similar pero es más contaminante y su poder calorífico es inferior. Los combustibles sólidos (carbón) se emplean menos debido a la dificultad de control de la combustión y por problemas de contaminación.

La calefacción eléctrica tiene unas aplicaciones muy limitadas cuando se produce directamente por efecto Joule (por ejemplo en instalaciones diseñadas para utilizar algún tipo de tarifa especial, como la nocturna). Sin embargo, la electricidad se utiliza normalmente como fuente de energía para sistemas de alto rendimiento energético como es el caso de las bombas de calor.

- Regulación y control
Los equipos de regulación y control permiten que los elementos que constituyen la instalación de calefacción funcionen de forma sincronizada y automática con el objetivo de garantizar las condiciones de proyecto, de la forma más simple posible y con el mínimo gasto de energía. en los últimos años han evolucionado de forma considerable en la técnica de la calefacción.

Los equipos de regulación y control son muy diversos y discurren desde el simple termostato hasta los sistemas de control y gestión centralizados que controlan, supervisan y gestionan todo el conjunto de la instalación por ordenador. Como mínimo, cada zona y cada sistema de calefacción tiene que estar provisto de un sistema de regulación de la temperatura.

Los clásicos termostatos actúan de modo todo o nada sobre el funcionamiento o estado del elemento controlado (termostato de las calderas que actúa sobre el quemador en función de la temperatura del agua; termostato de ambiente sobre los climatizadores; termostato de fan-coil que pone en marcha o para el motor o abre-cierra la válvula de tres vías que alimenta la batería; etc.).

En los elementos terminales (radiadores, fancoils, etc.) se utilizan válvulas termostáticas que controlan la aportación calorífica del elemento, de acuerdo a la temperatura del ambiente en el que van ubicados.

Cuando se precisa una regulación proporcional se utilizan sistemas de regulación electrónicos, que permiten una aportación de calor proporcional a la variación de la magnitud controlada. Por ejemplo, mediante el control proporcional se puede que ajustar la temperatura del agua a la carga de calefacción; o, en sistemas de varias calderas en secuencia de funcionamiento, gracias al control por etapas se actúa exigiendo la potencia total de un escalón de potencia del quemador, antes de poner en marcha la siguiente unidad.

Los sistemas de control digital permiten una gran exactitud en la medición de las variables controladas, así como una gran precisión y rapidez de respuesta en la actuación.

Además se puede programar el nivel de carga del equipo de producción de calor de manera que se logren los menores picos de carga, ahorrando energía y establecer un control de humedad, cuya función es evitar la utilización de energía para tratar el aire cuando la humedad relativa del aire acondicionado está entre 30 y 60 %. Por último, mediante el equilibrado de caudales se hará el ajuste y compensación de los caudales de agua haciendo circular únicamente las cantidades necesarias y debidamente distribuídas, minimizando los sobrecalentamientos.

Los mecanismos de regulación y control deben ser visibles y manejables. En el caso de termostatos o sondas no se colocarán en zonas donde se produzcan variaciones importantes de la temperatura o turbulencias. Además el cableado que lleve señales de control no se instalará en conductos junto a otros conductores eléctricos (especialmente de fuerza), debido a que las señales inducidas distorsionan las señales de regulación.

- Red de distribución
En la gran mayoría de instalaciones de tipo centralizado, el medio utilizado para el calentamiento del aire ambiente es el agua caliente a media temperatura (70-90ºC), que cede su calor a éste a través de los elementos de calefacción terminales (radiadores, aerotermos, suelo radiante, etc.). Cada circuito de calefacción dispondrá de válvulas de regulación que permitirán variar el caudal en cada uno de ellos y ajustarlo a los caudales proyectados, para equilibrar el funcionamiento de la instalación.

- Aislamiento térmico
Las tuberías de distribución de agua, los conductos de aire caliente y los equipos deben estar aislados para evitar las pérdidas de calor en la instalación.

Principio

El diseño de las instalaciones de calefacción con criterios de zonificación, incorporando equipos de alta eficiencia energética y disponiendo de mecanismos de control y regulación integrados permite reducir el consumo de energía y las emisiones contaminantes. Además, su funcionamiento responderá a pautas de gestión energética incorporando un programa de mantenimiento adecuado.

Aplicabilidad del principio

- Siempre que sea posible se diseñarán instalaciones de calefacción centralizadas que permitan cierta flexibilidad de funcionamiento por zonas o usuarios finales. Este tipo de instalaciones presentan, comparativamente con las de tipo individual, mejor eficacia energética. Las instalaciones centralizadas para edificios de vivienda también son convenientes, particularmente en climas fríos donde funcionan durante periodos largos.

- La zonificación de los sistemas de calefacción responderá a las orientaciones solares (Norte, Sur), situación (perímetral o interior), a la diversa utilización de las dependencias (zona de dormitorios, zona de día, etc.), horarios y usos definidos.

- Los mecanismos de regulación permitirán actuar globalemente, por zonas o usuarios finales de manera que el consumo de energía se adapte realmente a las necesidades.

- Los sistemas de cogeneración permiten aprovechar la energía contenida en los gases de combustión para hacer mover un motor electrógeno y producir electricidad. Estos sistemas se aplican sobre todo en grandes instalaciones para hospitales, hoteles o complejos deportivos.

- En piscinas cubiertas es conveniente proyectar sistemas de climatización con recuperación de calor que combinan el tratamiento del ambiente y el calentamiento del agua de la piscina.

- La aportación de aire exterior en estancias calefactadas debería hacerse de forma controlada para reducir el consumo de energía.

- En resumen, el diseño de las instalaciones de calefacción deberá considerar los siguientes aspectos encaminados a racionalizar su consumo energético:

- Diseño de equipos de alta eficiencia energética.

- Fraccionamiento de la potencia de los equipos de producción de calor (calderas, quemadores, etc.)

- Disposición de los equipos de producción de calor "en secuencia".

- Disposición de compuertas de corte automático de tiro en las calderas.

- Sistemas integrados de control y gestión de la energía.

- Diseño de sistemas de mantenimiento preventivo adecuados.

- En sistemas eléctricos se emplearán sistemas de acumulación de calor, en los casos en los que se pueda generar la energía calorífica en horas valle, en las que el coste de la energía eléctrica es menor, para posteriormente utilizar la energía almacenada en las horas de demanda de servicio, evitando los consumos de energía en horas punta.

Diseño de la instalación del aire acondicionado

Texto de referencia

"El mercado de la climatización en nuestro país presenta el ritmo de crecimiento más importante de toda la Unión Europea: sólo en los últimos diez años el número de hogares con aire acondicionado ha aumentado en un 50% y, por otra parte, la cantidad de equipos de refrigeración ambiental instalados en los edificios del sector terciario se incrementó a un ritmo del 10% anual. Este crecimiento del sector, junto con el previsto para los próximos años, hace que, ahora más que nunca, sea necesario llevar a cabo medidas de racionalización de la energía que contemplen, fundamentalmente, la introducción de nuevas tecnologías más eficientes desde el punto de vista energético."

"Eficiencia energética en la climatización de los edificios. Situación actual y perspectivas en Cataluña". Estudios monográficos. Institut Català d'Energia, Departament d'Industria i Energia, Generalitat de Catalunya. Diciembre de 1994. B.2656-1995

Comentario

Los factores que influyen sobre la sensación de bienestar son, en especial, la temperatura sensible (temperatura media de la temperatura del aire y de la temperatura media de las paredes), la humedad del aire, su movimiento y grado de pureza del mismo. La instalación de climatización permite regular estos cuatro factores, a diferencia de la calefacción que sólo influye sobre el primero.

En los países mediterraneos las cargas térmicas por sobrecalentamiento son tan importantes como las necesidades de calefacción en épocas frías. El diseño del edificio debería tener en cuenta este aspecto e incorporar sistemas de control del calor (ver ficha 3.4.3) que de forma natural permitan "refrigerar" el edificio de manera que se reduzca la carga de frío necesaria y, por lo tanto, el consumo de energía para producirla.

Los sistemas pasivos como los elementos que sombrean los paramentos soleados y permiten la circulación del aire, junto con una ventilación controlada de las estancias (entre fachadas opuestas, o durante la noche), la incorporación de masas de agua o de vegetación en climas cálidos secos, permiten bajar la temperatura del aire-ambiente, aumentando la sensación de bienestar. Del mismo modo, la masa térmica interior actúa como un regulador del sobrecalentamiento del aire ambiente. Es muy importante tener claro este primer factor de intervención ya que, en muchos casos, se han importado tecnologías de otras latitudes sin introducir las modificaciones que impone nuestra climatología, como es el caso de los muros cortina sin ventilar y que se orientan a Oeste, Sur, Este, o la colocación de grandes ventanales a orientaciones soleadas sin ningún tipo de protección solar.

 

Aunque el diseño del edificio haya incorporado sistemas de control del calor, en algunos casos continúa siendo necesario la colocación de la instalación de climatización para llegar a las condiciones de confort, porque además de las cargas externas intervienen las cargas de calor internas originadas por las personas y las instalaciones (iluminación, máquinas, etc.). Entonces, se deberá potenciar la implantación de tecnologías de climatización eficientes desde el punto de vista energético.

La instalaciones de climatización funcionan normalmente con energía eléctrica. Según algunos estudios realizados en el ámbito de Cataluña entre 1992 y 1993, el consumo global de energía eléctrica asociada a la instalación de climatización representó un 3% del consumo eléctrico total, que en el sector terciario fue del 12% y, en las viviendas del 0,5%. Los mismos estudios pusieron de manifiesto que la carga horaria de climatización estival llegó a representar un porcentaje máximo del 6%, sobre la demanda total de potencia eléctrica, con un promedio del 3%, aproximadamente. (Fig. 1 y 2).

El creciente desarrollo económico en el área mediterránea ha dado lugar a la implantación en masa de sistemas de climatización artificiales que aumentan el consumo económico y pueden incrementar los problemas mediambientales. Ilustrativamente, se puede comentar que las espectativas de crecimiento del consumo de energía eléctrica debido al servicio de climatización estiman un crecimiento del 88% respecto al consumo actual (con datos del año 1994), que se traduce para el sector doméstico en un 33% y para el terciario, en un 91%.

 

Para limitar el incremento de consumo de energía de las instalaciones de climatización, tanto en lo que respecta a la producción y distribución de frío como a la gestión de las instalaciones se proponen las siguientes tecnologías que pueden proporcionar ahorro de energía y diversificación de las fuentes energéticas utilizadas, como es el caso de los sistemas de cogeneración absorción o grupos de frío a gas.

1. Producción de frío y calor por absorción con grupos de cogeneración
Bajo esta denominación se agrupan los sistemas energéticos formados por un grupo de refrigeración por absorción y un grupo de cogeneración termoeléctrica, que suministran simultánemanete energía térmica -en forma de frío y/o calor- y energía eléctrica.

El grupo cogenerador (turbina a gas, turbina de vapor o motor alternativo) suministra energía mecánica en su eje y energía térmica producida por el circuito de refrigeración del mismo grupo o por los gases de escape. Por una parte la energía mecánica se aprovecha para producir energía eléctrica mediante un grupo alternador, y por otra, el calor de los humos de combustión y del agua caliente del circuito de refrigeración se puede utilizar para usos de calefacción o bien para la producción de frío mediante un grupo de refrigeración por absorción.

Por lo que se refiere a los grupos de refrigeración, se componen de cuatro partes fundamentales: generador, condensador, absorbedor y evaporador. A través de estos elementos, circula una solución formada por dos fluidos, uno de los cuales actúa como refrigerante y el otro como absorbente. Mediante la aportación al generador de una fuente de calor externa, que en este caso es el calor residual del grupo cogenerador, se separa el fluido refrigerante de la mezcla y se condensa mediante un circuito auxiliar de agua de refrigeración. A continuación se expande en el evaporador, donde enfría el agua del circuito de climatización del local.

En cuanto a la viabilidad económica de las instalaciones combinadas de cogeneración y absorción, hay que decir que su rentabilidad aumenta a medida que lo hace la potencia frigorífica instalada, el número de horas de funcionamiento anual y la diferencia de precio entre el precio de la energía eléctrica y el del combustible utilizado.

Se aplica, sobre todo a grandes superfícies como aeropuertos o el sector hospitalario, como la Central de producción de frío por absorción y cogeneración en la Ciudad Sanitaria del Valle de Hebrón situada en Barcelona (Fig. 3).

Como ventajas de esta técnica cabe destacar el aumento de eficiencia energética debido al sistema de cogeneración, costes de mantenimiento inferiores por tratarse de una instalación centralizada y disponer del sistema de absorción, ausencia de ruidos y vibraciones e incluso costes de mantenimeito inferiores que un sistema de compresión. En contrapartida, son instalaciones complejas y los líquidos refrigerantes pueden cristalizar en periodos largos de inactividad.

2. Sistemas de refrigeración y calefacción por redes de distribución
Los sistemas de refrigeración y calefacción por redes de distribución (district cooling and heating) suministran energía térmica (frío y/o calor) a diversos consumidores que pueden estar situados en edificios diferentes. Cada consumidor obtiene la energía que necesita de una red común sin tener que producirla en sus instalaciones.

Un sistema de distribución de energía térmica está formado por una central de producción, una red de distribución y los sistemas de aprovechamiento energético de cada consumidor. El hecho de que la central de producción de energía térmica esté centralizada permite plantear un posible aprovechamiento de los recursos energéticos locales, como la energía geotérmica, biomasa, residuos urbanos o industriales, etc.

Generalmente la instalación centralizada supone un sobrecosto de inversión que debe ser compensado con el ahorro que se puede obtener en la explotación, por ejemplo, si se aplican técnicas de cogeneración o absorción.

Se puede aplicar a grandes superfícies como aeropuertos, sector hospitalario o zonas urbanas. Algunas realizaciones son el Centro emisor de Televisión de Cataluña o la Red de distribución de calefacción en Sant Pere de Torelló.

Frente a las ventajas de una potencia a instalar inferior, debido a la simultaneïdad de cargas, menores costes de mantenimiento respecto a una instalación descentrralizada, y posible aprovechamiento de fuentes energéticas propias de la zona, se encuentra la problemática de necesitar una red de distribución de agua, con el coste añadido de mantenimiento y la necesidad de personal especializado para la implantación de la misma.

3. Grupos frigoríficos accionados por gas natural
Las tecnologías que permiten utilizar el gas natural para la producción de energía frigorífica son, básicamente, los grupos frigoríficos por absorción y los grupos frigoríficos por compresión accionados con motor de combustión alimentado con gas natural.

La primera tecnología ya se ha descrito y sorresponde a los grupos de cogeneración don producción de frío y calor por absorción. pero cabe señalar que la alimentación directa con gas natural permite obtener rendimientos del equipo de absorción mayores en comparación con un equipo alimentado con agua caliente o vapor generados a partir del calor residual de un grupo de cogeneración.

Por lo que respecta al segundo tipo de equipos, la particularidad más importante que hay que destacar respecto de los sitemas eléctricos convencionales es que el motor que acciona el compresor está alimentado con gas natural. Este hecho comporta dos ventajas: en primer lugar, se dispone de energía calorífica adicional procedente de los gases de escape y del circuito de refrigeración, con lo que se pueden alcanzar elevados rendimientos energéticos cundo el equipo funciona como una bomba de calor; en segundo lugar, la regulación de la velocidad según la demanda de energía frigorífica permite mantener un alto rendimiento cuando el grupo trabaja a carga parcial.

Las instalaciones con equipos frigoríficos accionados por motor de gas natural resultan más caros que los de compresión eléctrica, aunque su viabilidad será tanto mayor cuantas más horas al año funcione y cuando se puedan aprovechar simultáneamente la energía frigorífica y calorífica producidas.

Esta tecnología se aplica al sector terciario con realizaciones concretas en las oficinas como las de Gas Natural en la Barceloneta (Fig.4) o las del Ayuntamiento de Terrassa, o la Estación de Francia de Barcelona.

4. Bombas de calor reversibles eléctricas con regulación de la velocidad del compresor
La ventaja principal de estos equipos en relación a equipos convencionales es que existe la posibilidad de variar la velocidad del motor eléctrico que mueve el compresor para ajustar la producción de energía térmica a la demanda de energía en las zonas que hay que climatizar (Fig.5). La variación de la velocidad del motor que acciona el compresor se realiza mediante un convertidor de frecuencia de la tensión de alimentación, hecho que permite obtener un rendimiento óptimo de la instalación a cargas parciales. Sin embargo, hay que indicar que no todos los tipos de compresores se pueden regular en contínuo, sólo a los rotativos y de tornillo.

Conviene señalar que, en edificios en los que se ha reemplazado una instalación convencional centralizada con circuito de agua por esta nueva tecnología, se ha constatado un ahorro energético del orden del 30%. Sin embargo, no es recomendable su instalación en climas con inviernos muy rigurosos, porque el rendimiento del equipo en ciclo de calefacción puede bajar considerablemente con el descenso de temperatura.

5. Red de bombas de calor conectadas a un anillo de agua
Consiste en una red de bombas de calor agua-aire situadas en cada una de las dependencias que hay que acondicionar y conectadas a un mismo anillo o circuito de agua cerrado (Fig.6). La ventaja de esta tecnología es el ahorro energético derivado de la recuperación de calor excedente en determinadas zonas del edificio (interiores o soleadas) para calefacción de otras zonas que son deficitarias.

Aún hay pocas experiencias de aplicación, pero parece ser que esta técnica de recuperación de calor es adecuada en edificios de forma cúbica porque presentan una relación adecuada entre zona interna y zona externa, lo que facilita la transmisión de energía de una zona a otra. Un ejemplo en Cataluña es la Torre Mafre.

6. Gestión informatizada del proceso de climatización
Por un lado, posibilita minimizar el consumo energético de la instalación manteniendo los parámetros de confort a unos niveles razonables y, por otro, asegura un funcionamiento correcto de los equipos, facilitando las tareas de mantenimiento.

En función de la complejidad de las instalaciones de climatización, se pueden establecer dos tipologías de control: el control local de cada uno de los equipos, que normalmente se utiliza en instalaciones poco complejas y el control centralizado para instalaciones con un grado de complejidad elevado. Este último se compone de un centro de control que recibe información de cada uno de los equipos y del estado de las variables del aire ambiente de las dependencias climatizadas; mediante una programación establecida o manualmente desde el centro de control, se puede comandar cada uno de los equipos de la instalación y hacer el seguimiento y/o control de las variables que intervienen en el proceso de climatización (consumos, rendimientos, temperatura y humedad, etc.).

A título orientativo, se puede decir que estos sistemas contribuyen al ahorro de energía entre el 7% y el 15%.

Principio

El diseño de las instalaciones de climatización debe introducir tecnologías más eficientes de manera que los niveles de confort se puedan alcanzar con los mínimos costos de energía posibles.

Aplicabilidad del principio

- Las instalaciones centralizadas suelen ser más convenientes que las formadas por un número de pequeñas unidades distribuidas por todo el edificio, permitiendo un buen rendimiento energético y minimizando los efectos medioambientales sobre los edificios y su entorno.

- Las distintas tecnologías de climatización pueden coexistir en el mercado ya que todas ellas presentan ventajas específicas y se seleccionaran las más adecuadas según los tipos de edificos y las aplicaciones.

- Las nuevas tecnologías presentan algunos problemas de implantación de tipo técnico (faltan herramientas de cálculo y datos referentes al funcionamiento de instalaciones construídas) y económico, ya que implican una sobreinversión sobre una instalación convencional.

- Aunque cualquier instalación de climatización es susceptible de ser gestionada informáticamente, es más conveniente en instalaciones de cierta envergadura para las que el ahorro a obtener justifique su aplicación.

- Una alternativa para el ahorro de energía es la utilización de agua freática en los sistemas de climatización. Esta técnica permite su aplicación en los edificios que necesitan frío en verano o invierno y que están situados cerca del mar, como pueden ser edificios de oficinas, hoteles, hospitales, centros comerciales y otros (Fig.7).

Ubicación de los emisores

Texto de referencia

"El aire caliente en contacto con el vidrio frío de una ventana, se transforma en una corriente de aire frío que cae hacia el pavimento junto a la ventana."

"El libro de la energía solar pasiva". Edward Mazria.
Editorial Gustavo Gili, S.A.. Barcelona 1983. ISBN 968-6085-76-9.

Comentario

En el diseño de las instalaciones de calefacción y climatización se pretende conseguir las condiciones de equilibrio térmico de las personas mediante el control de la temperatura y de las corrientes de aire. La ubicación de los emisores guarda una íntima relación con estos factores.

Se distinguen básicamente dos tipos de emisores: emisores estáticos y de distribución por aire.

1. EMISORES ESTÁTICOS

Los emisores estáticos se emplean en sistemas de calefacción por agua o electricidad y actuan por radiación y convección. Si se les incorpora ventiladores mecánicos pueden forzar el movimiento del aire.

Los elementos más habituales son radiadores, convectores, ventiloconvectores, aerotermos y suelo radiante.

De forma natural cuando un fluido se calienta, se expande, se vuelve menos denso y se desplaza hacia arriba. Así una fuente de calor provoca una convección natural al aumentar la temperatura de las moléculas de aire, que ascienden y son sustituidas por otras más frías. Esto favorece un intercambio dinámico de energía y reduce el tiempo necesario para conseguir la temperatura deseada. (Fig. 1)

Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el emisor y el aire que le envuelve, será más rápida la convección, pero también la estratificación del aire. Si se aumenta la superficie de radiación será más homogénea la convección. Los radiadores y estufas aisladas originan un fuerte gradiente de temperaturas desde el suelo al techo.

En general, es más correcto disponer de amplias superficies radiantes y a menor temperatura. Si la puesta a régimen ha de ser rápida, entonces se pueden emplear ventiloconvectors, aerotermos, etc., y entonces es imprescindible que las paredes estén bien aisladas con aislamiento en la cara interior para que se produzcan las mínimas pérdidas posibles.

Los emisores estáticos se suelen situar en los paramentos verticales (preferentemente exteriores), zócalo y suelo.

Se deberían colocar próximos a las aberturas, o mejor por debajo de ellas, en toda su longitud y con la máxima superfície de intercambio.(radiadores, tubos de aletas convectores, etc.) (Fig.2). Si se colocan en paramentos interiores es conveniente que esén enfrentados a las aberturas.

2. DISTRIBUCIÓN POR AIRE

En este caso es especialmente importante el control de la velocidad del aire (verano < 0.25 m/s, invierno < 0.15 m/s), así como la ventilación y la circulación adecuada del aire tratado en el local.

Los elementos de impulsión de aire son los que tienen más incidencia en la circulación y movimiento del aire. La impulsión de aire se puede realizar principalmente desde las paredes, con difusores radiales en el techo, difusores lineales en el techo y con difusores de antepecho de ventana o suelo.

Las unidades terminales de extracción, UTE, resultan fundamentales para la renovación de aire del local, pero raramente provocan problemas de corrientes porque la velocidad junto a ellas es muy baja; por lo tanto tampoco ejercen un influjo importante en la circulación de aire en el recinto.

En cambio, las unidades terminales de impulsión, UTI, determinan la circulación del aire en el local según dos esquemas: ventilación por mezcla, que es el más aconsejable, y ventilación por desplazamiento.

En la ventilación por mezcla las venas de aire impulsadas desde las UTI se dispersan por las partes del recinto que corresponden a la zona no ocupada (p.e. a lo largo del techo o de una pared), La propia zona ocupada queda ventilada por torbellinos secundarios inducidos por el propio aire introducido en el local (véase fig.10). Resulta ventajoso que la vena de aire frío impulsado penetre profundamente en el recinto antes de dispersarse por la zona ocupada. De este modo, la vena de aire introducida en el local habrá inducido un volumen de aire del mismo recinto suficiente para que su velocidad se reduzca y su temperatura se haya uniformado. Para paliar el efecto de la carga externa de la fachada (especialmente las corrientes descendentes de aire frío en la estación invernal) es conveniente colocar un sistema periférico de climatización con la adopción de cerramientos de alto nivel de aislamiento térmico.

En la ventilación por desplazamiento el aire se aporta directamente a la zona ocupada a muy baja velocidad. Las condiciones de circulación vienen exclusivamente determinadas por las fuentes de convección del local. El aire impulsado desplaza el aire usado hacia arriba y hacia las unidades de extracción, favoreciendo la estratificación del aire. (véase fig.11).

Es muy importante que no se produzcan obstrucciones en la trayectoria del chorro de aire, lo que afecta a l tipo de cielo raso y paredes. Se debe evitar los resaltes en el techo como luminarias, vigas, etc, y en las paredes como cortinas repisas, etc.

Principio

El rendimiento de los emisores de calor aumenta considerablemente si se situan en la parte inferior de los paramentos más fríos (ventanas) y se aumenta su superfície de intercambio.

En la distribución por aire las unidades de impulsión deben situarse de manera que la vena de aire rasante sobre techo y paredes para mezclarse con el aire del ambiente y se disperse en la zona ocupada sin que se produzcan corrientes de aire.

Aplicabilidad del principio

1. EMISORES ESTÁTICOS

- Radiadores
Los radiadores se deben colocar en paramentos exteriores, junto a ellas. En caso de colocarse en paramentos interiores se colocarán enfrentados a las aberturas. Para permitir el paso del aire se situarán a 10 cm del suelo y a 4 cm de la pared. (Fig.5)

Se evitará emplazar radiadores delante de superfícies acristaladas con vidrio simple, porque una gran parte del calor cedido se perdería a través del acristalamiento. Si el radiador se coloca en un cerramiento exterior, la superfície directamente afectada por el calor deberá estar aislada térmicamente.

El rendimiento de los radiadores colocados en nichos o con repisa se reduce en un 5%, respecto a los que se colocan en superfície. Por ello se deberá dejar separaciones con el suelo, pared y en la parte superior, para que pueda circular el aire. (Fig. 7)

En caso de tapar los radiadores con un revestimiento su rendimiento puede bajar hasta un 15%. Por ello se deben dejar ranuras de entrada y salida de aire en toda la longitud del radiador, con una anchura mínima igual a la profundidad del radiador. La abertura de salida de aire debe colocarse preferentemente en la parte superior. (Fig. 6).

Es conveniente mantener baja la temperatura de calefacción, o dar gran longitud y poca altura a los radiadores, para tener una conveniente distribución vertical de las temperaturas en el local.

- Tubo con aletas
Se suele colocar en los zócalos de los locales a calefactar, recubriéndose de una envolvente decorativa donde se disponen las aberturas de entrada y salida para el aire, ya que funciona por convección, fundamentalmente.

Es un tubo de acero con aletas del mismo material, generalmente helicoidales, consiguiéndose una elevada superficie calefactora a media y alta temperatura, con muy poco volumen.

- Convectores y ventiloconvectores
Estan formados generalmente por una batería de tubos de cobre aleteada, a alta temperatura, en aluminio y encerrada en una caja o conducto generalmente metálico. La caja en que se encierra la batería favorece las corrientes de convección por efecto chimenea, produciendo una corriente de aire que homogeneiza rápidamente la temperatura del aire de los locales. En el caso de ventiloconvectores la distribución del aire puede ser más rápida debido a la impulsión del aire por el ventilador. (Fig.8)

Los convectores y ventiloconvectores se deben colocar preferiblememte en paramentos exteriores, junto a las aberturas. En caso de colocarse en paramentos interiores se colocarán enfrentados a las aberturas.

- Aerotermos
Se colocan en la pared o debajo del techo a unos 3 o 4 m del nivel del suelo para la calefacción de grandes locales como naves industriales, gimnasios, etc. (Fig.9 ).

El aire a calentar es conducido por aspiración (mediante la acción de turboventiladores) hacia las superfícies de calefacción (de vapor o de agua) montadas sobre una carcasa de chapa, saliendo después al local a tavés de una celosía de placas.

Para alcanzar el calor que se necesita es mejor disponer varios aerotermos pequeños que menos aerotermos mayores.

- Suelo radiante
La calefacción por suelo radiante irradia calor de una forma natural, de abajo a arriba, razón por la que proporciona confort y bienestar. (Fig.4) Se dispone de una gran superfície radiante a baja temperatura ( 24 a 28ºC en sistema eléctrico y a 36ºC en agua caliente) que permite que el aire ambiente prácticamente no reciba radiación sino que se atempere por contacto con los paramentos y muebles ya caldeados, originándose una ligera corriente de convección que contribuye a mantener una confortable y cómoda temperatura en todos los niveles y zonas de la estancia.

La temperatura del suelo radiante no debe superar la del cuerpo humano para no producir molestias a los usuarios.

Implica unas condiciones específicas de construcción del suelo ya que necesita un aislamiento previo, red de tuberías o cableado y una capa de mortero de 4 cm de grueso como mínimo, antes de la colocación del pavimento. Además se deben prever juntas de dilatación perimetrales y el pavimento se debe seleccionar y ejecutar teniendo en cuenta las variaciones de temperatura.

El suelo radiante se coloca en toda el área de ocuación que interesa tratar. Es especialmente interesante en zonas sedentarias y de reposo (habitaciones, salas de estar, guarderias, cuartos de baño), en edificios de gran volumen como iglesias, grandes naves, etc, y también se utiliza en rampas y cubiertas para fundir la nieve depositada en invierno.

Interesa utilizarlo en edificios donde la calefacción funcione de manera más bien ininterrumpida y que dispongan de inercia térmica, así como en grandes espacios (como naves o iglesias ocupadas esporádicamente) donde se sentiría disconfort por la temperatura fría de los paramentos si se dispone de un sistema que sólo impulsara aire caliente.

2. DISTRIBUCIÓN DE AIRE

- Impulsión de aire desde paredes
Su ubicación más correcta está sobre las aberturas exteriores de manera que las corrientes de conveción procedentes de las ventanas y otras fuentes de calor contribuyan a mantener la vena de aire frío por la parte superior del local. (Fig.12)

En cambio, si se colocan enfrentadas a las aberturas exteriores las corrientes de convección chocan con las de aire impulsado y éste se verá obligado a descender prematuramente en la zona ocupada como aparece en la figura 13. Se ocasionan así corrientes de aire y, con ello, desuniformidad en la distribución de temperaturas de la zona ocupada.

El tipo de cielo raso también contribuye a determinar la forma de distribución del aire. El mejor efecto se obtiene con cielo raso de tipo liso, sin obstáculos, al que la vena de aire frío puede adherirse (efecto Coanda). Las obstrucciones en la trayectoria del chorro, como luminarias de superfície o vigas, inciden negativamente.

- Difusor circular en techo
La impulsión de aire frío desde difusor circular en techo proporciona un flujo radial capaz de satisfacer necesidades de refrigeración especialmente elevadas. Es importante contar con un cielo raso sin obstáculos al que pueda adherirse el chorro. (Fig.14).

Si la altura del techo fuera particularmente baja, puede resultar ventajoso cegar un sector de 90º en el difusor en dirección hacia la ventana o hacia posibles obstáculos en el techo.

Este sistema funciona bien para condiciones de verano, pero en condiciones de invierno la impulsión de aire caliente provocará problemas, porque se producirá una estratificación de temperaturas en el recinto con suelo frío y baja eficacia de la ventilación. (Fig.15) Se puede solucionar, combinándolo con una fuente de calor bajo la ventana o una cortina de aire caliente, con vena de aire ascendente o descendente que eliminará la corriente de aire frío que desciende a lo largo del cerramiento exterior.

-Difusor lineal en techo
Suele colocarse junto a la fachada, por encima de las aberturas dirigiendo con las aletas el aire en la dirección hacia el interior del local. (fig.16).La carga admitida de refrigeración máxima admisible por este difusor es menor de la que se admite por un difusor radial.

En zonas interiores o zonas exteriores con con carga térmica reducida pueden instalarse difusores ranurados de dos direcciones en medio del techo (Fig.17).

Debido a que la carga admitida de refrigeración es mayor cuando el flujo de aire se adhiere al techo, es necesario que los difusores de techo estén diseñados para producir venas horizontales.

- Difusores de antepecho de ventana o suelo
La impulsión de aire por ranuras bajo ventanas provoca corrientes de convección que se han de dimensionar adecuadamente para que la vena de aire se deslice a lo largo del techo de manera que se consiga una buena uniformización de las temperaturas antes de que alcance la zona ocupada. (Fig.18).

Proporcionan por lo general una ventilación de mezcla y una temperatura uniforme en la zona de influencia.

Este sistema se ve fuertemente afectado por elementos situados en la trayectoria del flujo de aire, como cortinas o luminarias (Fig. 19), o incluso cuando la salida se obstuye con libros, macetas, etc.

3. CONDICIONES DE LOS LOCALES

Para completar la eficacia de un sistema de calefacción o climatización, los cerramientos de los locales se han de construir con el suficiente grado de aislamiento térmico. En particular es imprescindible que en las aberturas se utilice vidrio doble con cámara de aire y carpinterías estancas (mejor con rotura de puente térmico). En locales que precisan una puesta a régimen rápida, el aislamiento térmico de los cerramientos deberá estar colocado en la cara interior.