Ventajas de los sistemas híbridos para calefacción

Los sistemas híbridos para calefacción, aunque aún son una tecnología incipiente en España, están ganando posiciones debido a las innumerables ventajas que ofrecen:

• Limitan el uso y la dependencia de los combustibles fósiles.
• Hacen uso de las energías renovables, como la aerotermia, mediante la tecnología de la bomba de calor.
• Proporcionan al usuario un notable ahorro económico.
• Reducen las emisiones de CO2 a la atmósfera.
• Ofrecen un alto rendimiento y una elevada eficiencia energética.

La instalación de calefacción en España

La caldera de gas natural es, sin duda, el sistema de producción de agua caliente para ACS y calefacción más habitual en el sector residencial y terciario en España.

Existen también calderas que utilizan otros combustibles (gasoil, fueloil, propano, biomasa…) y radiadores eléctricos destinadas a calefacción, pero es evidente que se ha desarrollado una importante infraestructura nacional de distribución de gas natural durante los últimos 40 años.

El diseño clásico de estas calderas se basa en temperaturas de operación en torno a los 70ºC para alimentar a los radiadores repartidos por las distintas estancias del edificio.

Aunque son sistemas seguros, eficaces y limpios, las calderas de gas tienen su principal problema en que utilizan combustibles fósiles y emiten una importante cantidad de CO₂ a la atmósfera en su combustión. Según los coeficientes de paso del programa HULC (Herramienta Unificada LIDER-CALENER), programa oficial para la certificación energética de edificios, cada KWh de energía final obtenido con gas natural supone 252gr de CO2 a la atmósfera.

Coeficientes de paso según HULC

Aunque la evolución tecnológica ha hecho que en los últimos años se hayan desarrollado sistemas basados en calderas de combustión mucho más eficientes y menos contaminantes (como por ejemplo las calderas de condensación) es evidente que todavía se requiere avanzar más en sistemas que eliminen o minimicen el uso de combustibles fósiles.

Bomba de calor: Evolución histórica y actual en España

La bomba de calor aerotérmica es una tecnología implantada ya desde hace muchos años en varios países europeos como Francia o Alemania para calefacción.

Pero en estas zonas europeas de climatología de frío más extremo que en España, el rendimiento de estos equipos es peor ya que las bombas de calor optimizan su COP (rendimiento nominal de calefacción) en situaciones más templadas (con menor diferencia de temperatura interior/exterior). Este hecho, por tanto, implica la necesidad de sobredimensionar las máquinas y por tanto obliga a grandes inversiones y bajada de rendimiento en épocas con temperaturas más templadas. Algo que puede ser mejorado mediante la combinación de energías.

En España, el clima es, por tanto, altamente favorable para la introducción gradual de los sistemas de bomba de calor aire-agua. Sin embargo, el mercado aerotérmico español es relativamente joven. Aún así, las constantes subidas del precio de los combustibles fósiles en los últimos años, el aumento del coste de la energía en general y la prescripción normativa en favor de la minimización de consumos energéticos (Código Técnico de la Edificación y Reglamento de Instalaciones Térmicas fundamentalmente), están impulsando en los últimos tiempos la popularización de este tipo de tecnología.

La tecnología de bomba de calor aerotérmica se caracteriza por tener un altísimo rendimiento energético. En la actualidad, una bomba aerotérmica de gama alta y etiqueta energética A tiene un SCOP (rendimiento estacional de calefacción) de 4 y es, por tanto, capaz de generar 4kWh de calor útil por cada kWh de electricidad que consume. Esto significa que aproximadamente un 75% del calor generado es gratuito.

Reglamento Delegado 626/2011 - Clasificación energética para bombas de calor (SCOP para calefacción)

Los sistemas actuales basados en bombas de calor para calefacción trabajan de forma óptima con temperaturas operativas en torno a 35-45ºC, muy por debajo de los 65-75ºC citados anteriormente para las instalaciones convencionales basadas en combustión por caldera y emisores radiadores.

Y aquí radica el principal problema actual. La sustitución directa de un equipo productor (caldera) por otro (bomba de calor) es complicado en muchos casos ya que el resto de la instalación (emisores radiadores) están diseñados para trabajar a temperaturas más altas que las que la bomba de calor puede proporcionar en su rendimiento óptimo. Para alcanzar esas temperaturas (65-75ºC) su rendimiento descendería bastante.

Una solución a este problema puede ser la integración de las dos tecnologías en un sistema híbrido de calefacción o aerotermia híbrida, que permite aumentar el rendimiento y eficiencia energética de la instalación de calefacción manteniendo la infraestructura básica de la instalación de calefacción ya realizada.

¿Cómo funciona la calefacción híbrida?

En un sistema híbrido para calefacción se disponen dos sistemas de producción de agua caliente (habitualmente caldera y bomba de calor aerotérmica) que se encuentran en disposición de impulsar calor a los equipos emisores.

La unión de ambas tecnologías ofrece un alto rendimiento y una elevada eficiencia energética que se puede cuantificar entre un 30-40% más en comparación con una caldera de condensación de gas natural tradicional.

Se pueden establecer dos esquemas distintos de configuración para este tipo de instalación de bomba de calor híbrida.

• Sistema clásico: Funcionamiento de equipo único independiente
• Sistema híbrido combinado: Bomba de calor híbrida

Sistema clásico: Funcionamiento de equipo único independiente

En su esquema más clásico ambos sistemas de producción de agua caliente funcionan siempre de forma independiente, no complementaria.

Su modo de operación se basa en una conmutación entre ambos sistemas en función de una temperatura exterior prefijada.

En sistemas más evolucionados se pueden programar en base a la temperatura de impulsión demandada en cada momento o de las características particulares de las curvas de funcionamiento para los sistemas, por ejemplo:

• El punto donde la bomba de calor comienza a tener menor potencia que la demanda del edificio
• El punto donde, según la curva de regulación, el sistema reclama una temperatura de impulsión por encima de la capacidad de la bomba.
• El punto donde la rentabilidad (ambiental o económica) del sistema de combustible fósil comienza a ser superior al de la bomba de calor, debido a la caída del COP con la temperatura exterior.

El principal problema de este sistema radica en que la temperatura de cambio de equipo (también llamada temperatura bivalente) se alcance pero que la bomba de calor todavía esté en posición de proveer energía con un COP superior en rentabilidad a la caldera, lo que implica una pérdida de rendimiento energético.

Se trata, por tanto, de un esquema en desuso ya que con las posibilidades tecnológicas de control actuales, parece poco rentable económica y energéticamente no aprovechar las ventajas de la combinación completamente híbrida de ambos equipos.

Sistema híbrido combinado: Bomba de calor híbrida

En este esquema, se produce la integración combinada de los dos sistemas (caldera y bomba de calor) de forma que podrán trabajar ambos simultáneamente para conseguir una solución de calefacción completamente híbrida.

De esta forma, además, se evitará la duplicidad de componentes en los sistemas hidráulicos reduciendo el índice de fallo y simplificando la instalación (circuladores, válvulas de seguridad, vasos de expansión) y sus costes.

La curva de trabajo de esta instalación varía su comportamiento frente al clásico ya que aparece una zona intermedia donde gracias al control de la capacidad de la bomba de calor (sistema Inverter) y de la potencia de la caldera (modulación de potencia) se puede hacer trabajar a ambos equipos de manera coordinada.

En esta zona intermedia completamente híbrida la bomba de calor y la caldera de gas trabajan simultáneamente, dependiendo de distintos valores operacionales.

La lógica de control híbrido evaluará los valores operacionales del sistema de modo continuo, para hacer que la bomba de calor y la caldera funcionen en su zona más efectiva. De una manera activa regula el caudal de la bomba (común a los dos generadores) para mejorar el COP de la bomba de calor y minimizar los costes de operación o las emisiones de CO₂.

Gracias a esta lógica de control y a la integración de la gestión del caudal a través del circulador de regulación electrónica, la zona híbrida puede prolongarse incluso por debajo del punto de COP crítico asegurando, de esta manera, una mayor contribución de bomba de calor al total de energía para calefacción producido y, por tanto, un consumo más bajo.

Futuro de los sistemas híbridos de calefacción

Con la entrada en vigor de las nuevas normativas de eficiencia energética para instalaciones de calefacción y refrigeración como el Reglamento de Instalaciones Térmica en los Edificios (RITE) y el aumento paulatino del rendimiento de las bombas de calor es de esperar que este tipo de tecnología consiga un mayor impulso e implantación en el mercado español, puesto que representa una opción realmente razonable para alcanzar un alto rendimiento energético de los generadores, sin tener que complicar el diseño de las instalaciones, ni incrementar el precio de las mismas.

En consecuencia, aunque los sistemas híbridos son aún una tecnología incipiente en nuestro país, las importantes ventajas que presentan en cuanto a flexibilidad, ahorro de energía, costes y respeto por el medio ambiente lo posicionan como una solución altamente atractiva, que seguro, irá ganando posiciones en un gran número de proyectos.

Esperamos que este artículo te haya servido para orientarte. Desde Caloryfrio.com recomendamos siempre consultar a un instalador de calefacción acreditado para resolver tus dudas y realizar tu proyecto con el mejor resultado.