Criterios de cálculo y optimización de instalaciones de ACS con sistemas semi-instantáneos de condensación

Históricamente se han utilizado grandes volúmenes de acumulación para asegurar las puntas de consumo (con el correspondiente consumo energético asociado para mantener esta acumulación preparada para los momentos de máximo demanda). Existen en el mercado sistemas de semi-acumulación doble tanque y sistemas semi-instantáneos de condensación total para resolver las instalaciones de A.C.S.

Estos sistemas se caracterizan por trabajar con acumulaciones y con pérdidas energéticas muy reducidas en comparación con los sistemas convencionales, que también permiten simplificar la instalación hidráulica así como conseguir una reducción significativa en el espacio ocupado en la sala de calderas.

Tras una breve resumen sobre los criterios de diseño que han de cumplir los fabricantes de calderas desde la entrada en Septiembre del 2015 de las Directivas ErP y ELD y una introducción teórica de cómo resolver una instalación de A.C.S., se presentan estas tecnologías comparando una instalación resuelta con sistemas de producción convencional y con sistemas semi-instantáneos de ACV.

Además de los ahorros energéticos asociados a estas tecnologías, se presentaron también las ventajas adicionales de instalación y las posibilidades de integración de estas tecnologías con sistemas de energía solar térmica de autovaciado, mostrando dos casos reales de éxito (uno para una cadena de gimnasios y otro para la reconversión de una instalación hotelera).

Cálculo del consumo energético

El principal objetivo a la hora de hacer el cálculo de los sistemas de agua caliente sanitaria es que la energía útil destinada al servicio de ACS sea el máximo de la energía primaria empleada, reduciendo las pérdidas que conforman el factor “f”, y mejorar el rendimiento útil del conjunto.

E = P (W) · T · f

Donde:

E = Energía necesaria para el sistema de A.C.S.

P = Potencia Útil obtenida del sistema (caldera + acumulador)

T = Horas del período considerado

f = factor que incluye las pérdidas por intercambio*, acumulación, circuito primario, circuito de distribución y recirculación.

*Depende del sistema de intercambio (int. placas, serpentín, …).

Factores que influyen la reducción de pérdidas

Rendimiento energético del generador:

- Instalación de equipos de condensación.

- Gestión del quemador modulante.

Rendimiento energético del intercambiador:

- Intercambiadores de placas aislados.

- Uso de sistemas de intercambio doble envolvente.

Pérdidas térmicas en acumulación:

- Uso de sistemas semi-instantáneos, reduciendo acumulación.

- Aislamiento adecuado para los acumuladores.

Pérdidas térmicas en distribución:

- Minimizar los metros de tuberías de distribución (uso de

acumuladores doble envolvente o generadores semi-instantáneos).

- Aislar adecuadamente conducciones y elementos singulares.

Método de cálculo y selección

Analizar el consumo: Usuarios, entorno, estacionalidad, etc...

Es importante prever el tipo de demanda de ACS:  Períodos punta consumo definido. La demanda máxima es sostenida en el tiempo y relativamente fácil de cuantificar.

Períodos punta aleatorios: Hoteles, viviendas, residencias, gimnasios, etc... A pesar de existir un programa funcional del edificio fiel a la realidad de su uso, las posibles variaciones derivadas de la individualidad hacen difícil cuantificar el período y consumo punta.

El problema fundamental es conocer el volumen de ACS en un periodo punta (Vacs), tanto en valor como en duración (para poder identificar puntas de consumo). Se requieren datos iníciales (nº de usuarios, distribución diaria, …)

Cuantificar períodos y caudales punta de consumo

Se necesita conocer los datos del Consumo total diario (Qd) , Consumo periodo punta 60/120 minutos (Qp) y el Consumo periodo crítico 10 minutos (Qc).

La cantidad total de ACS que habrá que suministrar en un dia:

Cu · N = Vacs

Cu = Consumo unitario uso/usuario

N = Usos/Usuarios previstos por el programa funcional del edificio

Para calcular el consumo de periodo punta (Qp)

- Hay que definir un tiempo de duración para la punta (60/120 minutos).

- Hay que considerar un porcentaje sobre el consumo total diario que se utiliza durante el período punta (Ej: En instalación hotelera es habitual considerar el 50% del total en 60 minutos).

Ejemplo: Hotel 4**** de 100 plazas

Consumo total diario por usuario 55 l/60⁰C

Consumo total diario: 5.500 l/60⁰C

Consumo en período punta (a escoger según datos iníciales y exigencia en seguridad de la instalación):

Para calcular el Consumo periodo crítico 10 minutos (Qc). Cálculo del caudal punta máximo instantáneo:

Los caudales instantáneos se obtienen con la suma de los caudales de todos los aparatos del edificio, aplicando un coeficiente de simultaneidad de uso, ya que no todos los aparatos de un mismo edificio se utilizan al mismo tiempo.

Aunque no hay una norma de cumplimiento obligatorio en la que se indiquen los coeficientes de simultaneidad, suelen utilizarse los datos obtenidos con la aplicación de la Norma UNE 149.201/08, en la que los caudales instantáneos se tienen con la siguiente expresión:

Qc = A · (QT)^B + C

Siendo:

Qc: Caudal simultáneo de cálculo (l/s).

QT: Caudal total, suma de todos los aparatos del edificio (l/s).

A, B y C:Coeficientes que dependen del tipo de edificio, de los caudales totales del edificio y de los caudales máximos por aparato.

Diseño del sistema de acumulación adecuado al período punta

Para dimensionar la instalación de producción de ACS debe considerarse que la energía aportada (producción más acumulación) debe igualar a la consumida en el período punta; por eso si los volúmenes de acumulación son menores las potencias deberán ser mayores (sistemas de semiacumulación, o semi-instantaneos) y si los volúmenes de acumulación son mayores las potencias

Tipos de sistemas de ACS

Instantáneo

Acumulación

Semi- Instantáneo

Semi- acumulación

acumulación, podrán ser inferiores (sistemas de acumulación).

Calculo potencia a partir de la acumulación seleccionada

Energía total necesaria = (Energía necesaria consumo en el período establecido – Energía almacenada en acumulación) / coeficiente pérdidas del sistema

Ecal = (Eacs - Eac)/f

Ejemplo Instalación de ACS en un hotel Hotel urbano de negocios de 4*** en Madrid

· 100 habitaciones (considerando 60 dobles y 40 individuales).

· No se considera consumo de caldera para calefacción.

· Necesidades en ACS: 1 lavamanos por habitación, 30% de usos como bañera, y 70% usos como duchas.

· No se consideran consumos adicionales de A.C.S. por lavandería, cocina, etc…

NOTA: No se considera el aporte de energía solar en los cálculos.

El detalle de los cálculos de consumo se especifican en la presentación de la ponencia. En resumen:

Qt = 8.800 litros (60 ºC)

Qp = 4.400 litros (60 ºC) (50% en 60 minutos)

Qc = 1.701 litros (60 ºC) (período critico 15 min.)

Potencia para asegurar consumo punta en 60 minutos (4.400 litros), considerando el volumen ya acumulado (2.000 litros)  Pu =139 kW.

f (factor de pérdidas del sistema):

· 0,88: pérdidas intercambio

· 0,95 : pérdidas distrib-acum

· 0,95 : rendimiento caldera

Según RD 238/2013 (modificación RITE 2007) se exigen los siguientes rendimientos en obra nueva para gas:

· Carga total: h ≥ 90 + 2 log Pu

· Carga parcial: h ≥ 97 + log Pu

Pc= 175 kW   Pc: 2 x 90 kW (con calderas de condensación)

Un sistema convencional constaría de 2 Calderas de condensación modulantes de 90 kW. 1 Intercambiador de placas de 180 kW. 2 Depósitos acumuladores de 1.000 litros

Sistema acumulación SMART propuesto por ACV

· 2 Calderas de condensación de 90 kW.

· 3 Depósitos SMART SL 420 (acumulación 1.074 litros)

f (factor de pérdidas del sistema):

· 0,97:  pérdidas intercambio

· 0,97: pérdidas distrib-acum

· 0,95: rendimiento caldera

Sistema semi-instantáneo HEAT MASTER TC propuesto por ACV

2 Generadores doble servicio HEAT MASTER TC 120 (Potencia total 223,2 Kw y acumulación 380 litros).

f (factor de pérdidas del sistema):

· 0,98 : pérdidas intercambio

· 0,98 : pérdidas distrib-acum

· 1,04 : rendimiento caldera (A.C.S.)

Este sistema combina dos tecnologías:

El concepto Tank in Tank : La pared exterior del tanque interno se usa como un intercambiador térmico, permitiendo calentar grandes cantidades de agua para uso sanitario en un tiempo muy corto.

El concepto Total Condensing (condensación en calefacción y en producción de ACS):

El agua fría entra por la parte inferior del generador y enfría los gases de la combustión, provocando condensación continua tanto en uso de calefacción como en producción de agua caliente sanitaria.

Máxima eficiencia gracias a su quemador premix modulantes.

El sistema HeatMaster TC puede suministrar potencia para calefacción y A.C.S. en un mismo equipo (menos espacio utilizado y mano de obra para su instalación).

Comparativa económica entre los distintos sistemas propuestos

*Calculo a partir de tarifas Abril 2016. En el cálculo de costes se ha considerado material adicional (valvulería, bombas, …) y mano de obra.

Comparación ahorros de consumo en una cadena de gimnasios

ACV presentó en su ponencia asimismo una comparación real entre dos soluciones de agua caliente sanitaria instaladas en dos gimnasios de similar tamaño.

Mientras la Instalación del gimnasio de Valencia fue resuelta con sistema convencional (dos calderas de 70kW y un acumulador de 2.000 litros) , el gimnasio de Madrid funciona con dos unidades del sistema HEAT MASTER TC con acumulación interna de 380 litros. Ambas instalaciones tienen aportación de energía solar. La instalación madrileña cuenta con un sistema de autovaciado Drain Back ACV.

La ponencia presenta al detalle los datos de consumo anual total cuantificados durante el año 2014.

Los resultados de la comparativa arrojan un ahorro del 22% por usuario.

Durante los meses fríos se maximizan los ahorros, por menor radiación solar y aumento en el número de horas de funcionamiento de las calderas. En los meses cálidos, los ratios son similares por aportación circuito solar.

La instalación de Madrid logró un ahorro de 2.270 € respecto a solución convencional de Valencia.

El uso de sistemas DRAIN BACK permite instalaciones más fiables y duraderas con menos problemas por mantenimiento.

Estos sistemas logran un ahorro energético adicional respecto a sistemas forzados al no haber necesidad de aerotermo de disipación.

Comparación ahorros de consumo en la reforma de un hotel

La ponencia se completa con otro caso real de comparativa antes y después de la reforma de un Hotel vacacional de 4 estrellas y 120 apartamentos en Mallorca.

Antes de la reforma, el hotel contaba con una instalación con 30 años de uso de 2 calderas de gasóleo de 349 kW 85%), 1 intercambiador de placas y 2 acumuladores de 4.000 litros.

Tras la reforma realizada en 2013, se instalaron 2 generadores semi-instantáneos a gas de 120 kW, eliminando intercambiador de placas y acumuladores existentes. Producción de agua caliente de 5.850 l/h a 45 ºC.

El hotel consiguió unos ahorros de nada menos que 21.035, un 48,6%. También consiguieron una importante reducción de un 80% del espacio ocupado en la sala de calderas.