Sistemas de Calefacción, confort contra el frío

Los expertos en calefacción afirman que la energía eléctrica es ideal para calefacción de espacio. Es relativamente sencilla de controlar y distribuir. En muchas aplicaciones, la limpieza y compacidad de los calefactores eléctricos representan una alternativa muy atractiva. No requiere almacenamiento de combustibles, no producen humos ni emisiones y, según disposiciones específicas, ofrecen una alternativa más segura frente a calefactores de combustibles.
El costo y la conservación energética son los factores dominantes en el diseño de calefacción eléctrica. En general, y en comparación con otros métodos de calefacción, la calefacción eléctrica tiene un costo de instalación inferior, requiere menos mantenimiento, tiene tasas de seguros inferiores y es más fácil de zonificar. En muchos casos se adopta la calefacción eléctrica de espacios cuando el costo inicial mínimo es un factor dominante. Sin embargo, la electricidad es una fuente de energía relativamente costoso. El aumento de costos de energía en los últimos años ha hecho que la electricidad sea prohibitiva económicamente en algunos casos. Los costos de operación de los sistemas eléctricos son normalmente superiores a los de calefacción con gas o combustibles fósiles.

Selección del Sistema

Para la selección del Sistema se requiere de un análisis detallado a la hora de seleccionar para un  edificio con calefacción que satisfaga tanto el rendimiento como la efectividad económica. El rendimiento se define como la capacidad del sistema para cumplir las necesidades del edificio, determinado en función del consumo energético requerido para mantener una temperatura interior por encima de las temperaturas exteriores. Esta necesidad energética se denomina carga del sistema y es útil cuando se presenta en la forma de una curva de perfil de carga o de duración de carga. Una curva de perfil de carga muestra la energía requerida para mantener una temperatura interior en función de la hora del día. La curva de duración de carga muestra la misma información de un modo distinto, a base del número de hora durante el que el sistema está a cada nivel de carga. La energía total requerida puede ser determinada calculándose las áreas debajo de estas curvas.
Los costos asociados al sistema se estimarán para todo el ciclo vital de los equipos. Si bien los costos iniciales y de instalación de los equipos son obtenibles (conocidos), los costos diarios de manteni-miento a largo plazo y de repuestos tendrán que ser estimados. Un análisis de rendimiento, si a de ser completo, necesitará incluir todos estos costos.
Los costos de operación son particularmente difíciles de determinar. Se utiliza la demanda anual de calefacción junto con estimaciones de precios de electricidad para determinar las costos anuales de operación. Es importante tener en cuenta la estructura de precios de electricidad especialmente si se aplican fluctuaciones en la demanda o tarifas según horas del día. Compañías eléctricas locales pueden suministrar previsiones de futuros precios de electricidad. También hay que tener en cuenta los precios de otra fuentes de energía, tales como fuel-oil y gas. Las comparaciones de costos de energía que se muestran a continuación Figura 1 y figura 2 pueden ser útiles para una estimación inicial de costos relativos de la calefacción eléctrica frente a la de gas o de fuel-oil.

I. Sistemas descentralizados

A. Equipos de convención natural
Equipos empotrados en el suelo.
Equipos empotrados y montados en la pared.
Convectores de zócalo.
Convectores de zócalo de agua, con elementos de inmersión.

B. Equipos de Aire Forzado
Ventiladores.
Calefactores.
Calefactores empotrados en la pared.
Calefactores de Zócalo.
Calefactores empotrados en el suelo.

C. Equipos radiantes (de alta intensidad)
Pared radiante, insertada y montada en las superficies.
Elemento forrado de metal con reflector.
Elemento de tubo de cuarzo con reflectores.
Lamparas de cuarzo con reflector.
Lamparas calefactores.
Equipos de cenefa (bóveda).

D. Sistemas de tipo panel radiante (baja intensidad)
Radiadores montados en el techo con conductores empotrados.
Paneles prefabricados.
Tipo radiante montado en el suelo con conductores empotrados.
Paneles convectores radiantes.

II. Sistemas centralizados

A. Sistemas de agua calentada
Caldera eléctrica.
Caldera eléctrica con acumulación en horas.
Bombas de calor.
Sistemas integrados de recuperación de calor.

B. Sistemas de Vapor: Caldera eléctrica, por inmersión

C. Sistemas de aire calentado
Calentador de conducto.
Hornos eléctricos.
Bombas de calor.
Sistema integrado de recuperación de calor.
Sistemas de ventilación.
Equipo integrado de calefacción y refrigeración.
Equipo de almacenamiento (cerámica y agua).

Sistemas Centrales de Agua Caliente

Un sistema central de agua caliente se compone de una caldera eléctrica y una serie de radiadores, convectores, calefactores, calefactores de consola, o equipos de calefacción y ventilación. El agua es calentada en la caldera mediante elementos o resistencias y es distribuida por toda la estructura. Se cobinan elementos múltiples para obtener la capacidad total requerida. Los sistemas de elementos múltiples están dispuestos de tal manera, que cada unidad puede ser activa o desactivada en secuencia, evitándose así grandes fluctuaciones en voltaje. También es importante que los elementos no sean activados cuando la bomba de circulación no esté en marcha.
Algunas calderas se diseñan para la eficacia respecto al espacio y pueden ser montadas en la pared. Una caldera de 20 kW tiene un volumen aproximadamente de 0,04 m3. Aplicaciones más grandes, con capacidades de hasta 5000 kW, se pueden lograr con caldera de electrodos de 5 kV y superiores en potencia nominal. Las calderas eléctricas son eficaces respecto a la cobertura de espacio, además de ser limpias, no necesitando tubos de humos, chimeneas ni almacenamiento de combustibles.
Los sistemas de aire caliente pueden ser diseñados a medida para especificaciones concretas. Algunas calderas se adaptan especialmente bien a la calefacción de zonas múltiples. Un sistema de control activa el número de elementos necesarios para satisfacer la necesidad de cada zona. Asimismo es posible la acumulación de agua (hidrónica) en los sistemas de agua caliente. Durante la operación normal del sistema, el agua se almacena a alta temperatura, pudiendo (para) ser empleada durante la operación en horas de poco consumo. Un tanque de almacenamiento de gran capacidad puede mantener el agua con temperatura de 93,3 a 135,0°C a presiones de hasta 5,2 bar. Una valvúla automática pueden suministrar agua a baja temperaturas  mezclándola con agua más fría procedente de una tubería principal de alimentación. El vapor se puede obtener mediante toma de agua caliente en una cámara de separación a baja presión.

Sistemas Aire Caliente

Un ventilador (central)  y sistema de conductos constitu-yen un sistema simple de aire caliente. Equipos de calefacción eléctrica se instalan en los conductos próximos al ventilador para regular la temperatura de la estructura en conjunto. El control  de habitación individual se consigue calentando el aire a la salida. Los sistemas de aire caliente proporcionan un medio adecuado para la toma de aire fresco, asegurándose así una buena ventilación. Otras funciones importantes de este tipo de sistemas incluyen la circulación y filtración.
Los elementos calefactores para conductos se fabrican en diseños enmanguitados o embridados. En general, los códigos especifican que se instale un mínimo de 122 cm de conducto entre el elemento y salidas de ventilador, codos, deflectores u obstrucciones similares. Esta medida minimiza el recalenta-miento de secciones del elemento calefactor que recibe flujo de aire no uniforme.
Los elementos calefactores pueden ser dimensionados mediante el cálculo de transferencia de calor. Para un diseño más sencillo se han desarrollado nomogramas que relacionan el flujo de aire, aumento de temperaturas y kilovatios del elemento calefactor.
Los hornos eléctricos consisten en baterías de calefacción y un ventilador (so plante) dentro de una carcasa aislada. El aire es introducido (por tiro) por el fondo del horno y filtrado. Entonces el ventilador sopla el aire sobre las baterías originando que el calor de las baterías sea transferido al aire. Los hornos eléctricos son compactos y no requieren conductos de humos ni almacenamiento de combustible.

Convector con Elemento Calefactor Metálico

Algunos equipos de calefacción por convención utilizan  elementos calefactores metálicos. La calefacción se proporciona mediante  alambre desnudo, alambre desnudo de baja temperatura o elementos forrados.
El aire se calienta mediante transferencia de calor de los elementos. Un panel reflector radia el  calor desde el equipo, minimizando la subida de temperatura de la carcasa y maximizando la transferencia térmica al espacio. El espacio entre los elementos y el reflector sirven como paso de aire que favorece la convención. Es importante que los convectores sean posicionados de tal forma que no se impida el movimiento del aire a través de los elementos. Los convectores con elementos calefactores metálicos pueden montarse en los muros, empotrarse o montarse en superficie. Los tipos montados en pared o superficie pueden equiparse con un ventilador para forzar la convención. Las versiones empotradas no utilizan ventiladores.

Unidades con Ventiladores

La función de una unidad con ventilador es proporcionar calor, ventilación y refrigeración a una zona. La unidad de ventilador consta de una rejilla de entrada, filtro de aire, ventilador, elementos de calefacción, compuertas y difusor. La capacidad total del conjunto es el efecto total suma de los muchos pequeños elementos eléctricos de calefacción. La temperatura se controla mediante activación y desactivación de los elementos individuales. El equipo con ventilador utiliza un determinado porcentaje del aire exterior. Este tipo de equipo tiene muchas aplicaciones como aulas, moteles, oficinas, residencias de ancianos, etc.

Calefactores (Aerotermos)

Existen tres tipos: calefactores de consola, de proyección horizontal y de proyección vertical. El tipo consola puede se instalado en el suelo, pared o techo. También existen calefactores empotrados. Están provistos de un ventilador que circula el aire sobre los elementos de calefacción. No requieren ventilación o tuberías, lo cual los convierte en una fuente ideal de calefacción suplementaria. Pueden emplearse para calentar habitaciones ocupadas en un edificio sin calefacción, o recintos de equipos sin operarios que deben mantenerse a una determinada temperatura.

Calefactores de Zócalo

Los calefactores eléctricos de zócalo contienen uno o más elementos de calefacción horizontal dentro de una carcasa metálica. Los elementos están fabricados en diferentes materiales y están disponibles en muchos tamaños. Algunos de estos elementos incluyen tubos aleteados, forrados con metal o parrillas de fundición, superficies cerámicas o extendidas, y vidrio revestido. Los calefactores de zócalo se colocan sobre el suelo a lo largo de la parte inferior de las paredes. Su colocación correcta es importante a fin de conseguir una calefacción uniforme. Asimismo existen calefactores eléctricos de agua de zócalo que incluyen elementos calefactores de inmersión y anticongelantes.

Calefactores Infrarrojos

Los calefactores infrarrojos utilizan elementos de baja temperatura para producir la calefacción. Otros diseños, en su lugar, utilizan tubos o lámparas de cuarzo. Los calefactores o se cuelgan del techo o se montan en la pared. Los elementos están instalados dentro de una carcasa tipo concha (cuba, pesebre) rodeados de reflectores.
Este tipo de calefactores tienen muchas aplicaciones. En donde la calefacción por convención es impracticable debido a la alta tasa de ventilación, se pueden utilizar calefactores infrarrojos. Permiten enfocar el calor en un punto determinado de una habitación, y proporcionan confort local incluso con una baja temperatura ambiente. También pueden ser empleados para la calefacción zonal (local) en los exteriores. La industria utiliza diseños modificados para calefacción y secado industrial.

Calefactores de Cenefa, Cornisa o Bóveda

Estos calefactores son similares en su forma a los calefactores de zócalo. Se instalan habitualmente a varios centímetros por debajo del techo en una parte superior de pared exterior. Los elementos calefactores vienen en varias formas: forro metálico, vidrio revestido o paneles metálicos. Los equipos están disponibles con alturas de hasta 152 mm. y sobresalen de la pared menos de 76 mm. Con estos equipos la fuente principal de calefacción es el techo de habitación, que es calentado por el flujo convectivo del aire sobre el calefactor. Asimismo el panel calentado proporciona alguna radiación directa a la habitación.
Los calefactores hidrónicos de cenefa (toldo, dosel) pueden proporcionar, o bien calefacción o refrigeración mediante circulación de agua caliente o fría, según el caso. Los sistemas hidrónicos de tipo cenefa están provistos de un sumidero de drenaje donde se recoge y se elimina el condensado durante el modo de operación de refrigeración. El diseño de las aletas permite el flujo de condensado del sumidero.

Paneles Convectores Radiantes de Muro

Los paneles de pared de convención radiante tienen pane-les calefactores eléctricos de vidrio, apoyados sobre aisladores dentro de un armazón metálico, con un reflector que deja espacio para la circulación de aire. Están provistos de protectores de seguridad.
El calor se produce por el paso de corriente eléctrica a través de una fina capa de material conductor sobre vidrio.
El material conductor es normalmente aluminio rociado o rejillas de óxido metálico estampado. Algunos paneles radiantes utilizan elementos tubulares soldados a los paneles de aluminio extruido. Estos equipos tienen características de emisividad similares a las de paneles de vidrio.

Recuperación de Calor Integrado

Un sistema integrado de calefacción y refrigeración aprovecha todas las fuentes y sumideros de calor dentro de una estructura. El sistema está dispuesto en torno a estas fuentes y sumideros para máxima efectividad y rendimiento. Cada día es más habitual en entornos comerciales e industriales instalar un sistema diseñado a medida para sus necesidades energéticas en concreto. El sistema toma en consideración todo aprovechamiento térmico, incluyendo el calor de fuentes como iluminación, personas, maquinaria y sol.
Mediante la transferencia de calor desde las zonas calientes a las que requieran calefacción, se cumple el doble objetivo de calefacción y refrigeración. La mayoría de estos sistemas incorporan equipos de refrigeración para este fin (refrigeración).
El diseño de sistema integrado requiere un análisis cuidadoso de las necesidades energéticas del edificio. Muchas fuentes de calor están disponibles sólo durante horas de trabajo normales, requiriéndose así una calefacción suplementaria fuera de estas horas. Para este propósito, los calefactores eléctricos son ideales pudiéndose aprovechar para proporcionar el calor tanto el personal como a la maquinaria. En otras aplicaciones, el calor es acumulado durante períodos de exceso y almacenado para uso posterior.

Bombas de Calor

La bomba de calor es un mecanismo que opera en un cielo, requiere trabajo y realiza la tarea de transferir el calor desde una zona de baja temperatura a otra de alta temperatura. La bomba de calor utiliza el ciclo mecánico frigorífico para refrigerar e invierte las funciones del vaporizador y condensador para la calefacción. Las bombas de calor aprovechan mejor la electricidad que los calefactores de resistencia. Por cada kW de electricidad utilizada por una bomba de calor, se produce 1 kW de calor de compresión más un efecto frigorífico. El efecto frigorífico de la bomba de calor puede variar desde el 10 hasta 50% de la energía eléctrica de entrada, dependiendo de las temperaturas implicadas. Con elementos de resistencia se produce sólo 1kW de calor por cada kW de electricidad.

Rendimiento

El rendimiento de una bomba de calor se expresa en COP (coeficiente de funcionamiento). El COP se utiliza como indicador de cómo una bomba de calor opera en condiciones específicas de temperatura. La variable más importante en la ecuación para calcular el rendimiento de una bomba de calor es la temperatura del sumidero.

La ecuación para COP es:

COP= Calor de compresión + Efecto de Refrigeración  = 1+ Efecto de Refrigeración Calor de Compresión Calor de Compresión

Cargas de Bombas de Calor y de Edificio

Para una selección correcta de los equipos, se deberán determinar y analizar algunas relaciones cuantitativas, siendo una de ellas la capacidad calefactora en función de la temperatura exterior (OAT).
La figura 3-a muestra el rendimiento de un sistema operando a diferentes temperaturas exteriores, pudiéndose observar que la capacidad disminuye a medida que cae la temperatura exterior. Otra relación importante es la carga de calefacción en función de la temperatura exterior.
La figura 3-b indica la carga requerida para mantener una determinada temperatura interior con diferentes temperaturas exteriores. Con una caída de temperatura exterior, se aumenta la carga de calefacción.
Este tipo de análisis aplicado a una bomba de calor muestra que, en determinadas condiciones. La capacidad de una bomba de calor equivale a la carga de calefacción de un espacio. La temperatura en este punto es denominada temperatura equilibrada, determinada gráficamente por la intersección de la capacidad con la curva de temperatura exterior y de la carga con la curva de temperatura exterior (figura 3-c).
Cuando la temperatura exterior es inferior a la temperatura equilibrada, no se podrán satisfacer las necesidades de calefacción suplementaria y su capacidad minima deben compensar la carga de calefacción del espacio.
La bomba de calor ofrece el mayor rendimiento cuando no se requiere la calefacción suplementaria. Para una bomba de calor, es más importante satisfacer las necesidades de refrigeración de espacio, ya que la calefacción suplementaria es fácil de proveer.

Tipos de Bombas de Calor

Las Bombas de calor son de varios tipos, con denominaciones según lo que utilizan como fuente y sumidero de calor y podemos mencionar los siguientes:

El sistema de aire utiliza el aire atmosférico como sumidero. La bomba de calor maneja el aire, y, si es necesario se activa un calefactor eléctrico suplementario para calentar el aire de alimentación.

El sistema de aire-agua emplea un circuito de agua de condensador como sumidero. Se utilizan equipos auxiliares como torre de refrigeración y caldera para mantener la temperatura dentro de los limites, de modo, que la bomba de calor  opere eficazmente. La torre de refrigeración es utilizada cuando la refrigeración, y la caldera para la calefacción. A veces el calor es rechazado (conducido) a los pozos (en el suelo) en lugar de las torres de refrigeración. En otros casos muchas bombas de calor están conectadas a un mismo circuito de agua de condensador para que, cuando se requieran simultáneamente la calefacción y la refrigeración , se minimice el calor añadido o rechazado al circuito por los equipos auxiliares.

La bomba de calor agua-aire no es muy común, es un refrigerador enfriado por aire que puede invertir su ciclo para producir  agua templada. 

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