Acumuladores de agua caliente: dimensionamiento y eficiencia en instalaciones de ACS

Si nos centramos propiamente en la instalación de ACS, su rendimiento estacional viene dado principalmente por cuanto de eficiente es el generador (sea una caldera o una bomba de calor), cuanto de eficiente es el sistema de intercambio utilizado (hablando exclusivamente en términos energéticos siempre será mejor utilizar un sistema interacumulador) y cuanto de eficiente es el sistema de acumulación utilizado (elemento al que muchas veces no se le da la importancia que tiene en este tipo de instalaciones).

Independientemente del aspecto energético, una instalación ha de ser suficiente y adecuada para satisfacer una demanda de confort. En ese sentido, los depósitos de acumulación ayudan a cubrir las puntas de consumo de ACS, almacenando energía en forma de agua caliente preparada para el uso. Este elemento es tradicional en las instalaciones de tipo colectivo (por los elevados consumos punta que pueden producirse), empezando a utilizarse masivamente también en instalaciones de tipo residencial privado resueltas con sistemas aerotérmicos (más inerciales que los sistemas de combustión a gas que permiten una generación instantánea del ACS).

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Tipos de depósitos de acumulación para ACS

Partiendo de la función del acumulador antes comentada, podemos plantear dos familias principales de depósitos de acumulación:

• Acumuladores puros: Son aquellos que únicamente almacenan agua para el circuito de ACS, existiendo un elemento externo a los mismos para hacer la transferencia de energía del circuito primario al circuito de consumo. Generalmente este elemento externo es un intercambiador de placas (ya sea de placas desmontables o electrosoldado).
• Interacumuladores: Este tipo de acumuladores, además de almacenar el agua de consumo, incorporan en su interior el elemento de intercambio. Este puede ser mediante un serpentín, mediante un haz tubular, o mediante un sistema de acumulación de doble tanque. Este último sistema de interacumulador doble envolvente permite trabajar con acumulaciones más reducidas en comparación de otros sistemas de acumulación, gracias a disponer de una elevada superficie de intercambio en comparación con la cantidad de agua almacenada. Con este tipo de tecnologías se manejan acumulaciones del orden del 50% en comparación con otros sistemas de acumulación tradicionales, resultando muy adecuados en términos de eficiencia energética.

Hoy en día es habitual utilizar interacumuladores con doble serpentín o bivalentes (que permiten el calentamiento mediante dos fuentes de energía diferentes aprovechando el principio de la estratificación por temperatura). Este tipo de depósitos son fundamentales para plantearse una instalación de generación hibrida, combinando sistemas de aerotermia con energía solar térmica, sistemas de generación apoyados con circuitos de recuperación, etc.… En estos interacumuladores el intercambiador inferior suele utilizarse para la fuente de origen renovable (típicamente solar térmica), que si es suficiente calienta el volumen completo del acumulador. El serpentín superior suele conectarse al generador principal actuando de apoyo si es necesario.

Hablando de los materiales empleados en la fabricación, los diferentes tipos de acumuladores antes comentados tienen que estar fabricados con materiales adecuados para el uso sanitario (ya que almacenan agua potable y el material no debe afectar a su composición). Básicamente se suelen utilizar dos tipos, los fabricados en acero inoxidable y los fabricados en acero con recubrimiento vitrificado. En el caso de estos últimos suelen utilizarse ánodos de sacrificio o de corriente continua para proteger el interior del tanque ante la corrosión.

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Criterios de diseño y dimensionamiento de acumuladores

Independientemente del tipo y tamaño de acumulador utilizado, en la actualidad se intentan reducir al máximo los volúmenes de acumulación utilizados en las instalaciones de producción de A.C.S de tipo colectivo y terciario (obviamente, partiendo de la premisa que sean suficientes para cubrir los momentos de consumo punta junto con el generador seleccionado).

Fundamentalmente, esta tendencia de diseño viene motivada por los problemas que han aparecido tradicionalmente en las instalaciones con acumulación y que se pueden resumir según los siguientes puntos:

• Gran espacio necesario en la sala técnica donde se instalan.
• Dificultad para realizar las acciones de reconversión en ciertas salas de calderas con acceso complicados. La sustitución de grandes acumuladores puede implicar costosas inversiones en cuanto obra civil, o bien la necesidad de fabricar los acumuladores in situ. Una alternativa a este problema, pueden ser los interacumuladores doble tanque, dadas sus reducidas dimensiones que permiten su acceso por puerta.
• Problemas de calcificación en los interacumuladores en zonas con durezas de agua elevadas. En estos casos, puede ser recomendable el uso de intercambiadores de placas externos (por su mayor facilidad de limpieza en caso de descalcificación), o interacumuladores de doble tanque por su menor sensibilidad en cuanto a incrustaciones calcáreas.
• Dificultad en cuanto el cumplimiento de la normativa sanitaria vigente en cuanto a prevención y control de la legionelosis (RD 865/2003). El hecho de trabajar con acumulaciones más compactas permite una mayor renovación de agua en los acumuladores, y por tanto, una menor posibilidad de estancamiento y los riesgos sanitarios asociados. En relación con la normativa sanitaria, comentar también que los acumuladores utilizados en instalaciones bajo el ámbito del RD 865/2003 deben tener los correspondientes accesos que permitan los preceptivos vaciados, tomas de muestra o inspección del interior de estos depósitos.

Esta tendencia de diseño de reducir en lo posible el volumen de acumulación, es más compleja cuando nos planteamos la generación mediante bombas de calor. Como en ese caso el sistema de generación tiene una velocidad de calentamiento menor en comparación con las calderas de gas, se requiere de una acumulación mayor para almacenar suficiente energía en forma de agua a temperatura de consumo para satisfacer las puntas de la instalación.

Es algo que también ocurre en el caso de instalaciones alimentadas con energía solar térmica, que requieren de una acumulación elevada para poder almacenar la energía del sol, variable a lo largo del día y generalmente no coincidente entre el momento en que generamos la energía y la consumimos.

Siguiendo con las instalaciones mediante bomba de calor, se requerirán también superficies de intercambio mayores dadas las menores temperaturas de trabajo en relación con una caldera.

Directiva de ecodiseño de aplicación a depósitos acumuladores de ACS

Es conocida en el sector la importancia de la Directiva de Ecodiseño ErP 2009/125/CE, y la Directiva complementaria de Etiquetado ELD 2010/30/UE (sustituida por el Reglamento UE 2017/1369), en cuanto a los requisitos de eficiencia que tienen que cumplir los productos relacionados con la energía. El hecho más notable fue el cambio y evolución de tecnologías en los equipos generadores debido a los rendimientos mínimos solicitados, afectando notablemente al sector de las bombas de calor y calderas (recordando que, en gas, la única tecnología posible es la de condensación).

En relación con los depósitos de acumulación de agua caliente, desde septiembre de 2015 los fabricantes han de informar del valor de pérdidas de energía constantes en los mismos, para acumuladores de hasta 2.000 litros (según indica el Reglamento Delegado UE Nº 814/2013, de aplicación para los productos de uso exclusivo para agua caliente sanitaria dentro del Lote 2). Este valor de pérdidas energéticas se indica en la ficha del producto, y adicionalmente para el caso de acumuladores de tipo doméstico (por debajo de 500 litros), se refleja también en la etiqueta energética del producto según Reglamento Delegado UE Nº 812/2013 (ver imagen adjunta).

En la etiqueta, además del valor de pérdidas en W y el volumen en litros del acumulador, también aparece una escala gráfica en colores y letras que indica la clase de eficiencia energética del acumulador en base a los rangos admisibles según la tabla siguiente.

Desde septiembre de 2017 se tiene que cumplir un criterio de pérdidas estáticas máximas admisibles para el acumulador, expresadas en W y calculadas a partir de la fórmula 16,66 + 8,33·V ^0,4. Si no se cumple este requisito, el acumulador no puede conseguir el marcado CE y no puede comercializarse dentro de la Unión Europea.

Este cambio normativo fue muy transcendente dentro del mercado de los acumuladores de ACS de hasta 2.000 litros. El criterio de pérdidas estáticas máximas admisibles supuso un cambio substancial en cuanto el tipo de aislamientos utilizados en los acumuladores, produciéndose un salto cualitativo muy interesante en este aspecto. A nivel de diseño supone la utilización de aislamientos con baja conductividad térmica, principalmente poliuretano de alta densidad, y ser muy estricto en aislar adecuadamente las conexiones hidráulicas (para evitar puentes térmicos que provoquen una pérdida energética).

Dentro del rango de acumuladores de hasta 500 litros (donde también aplica la Directiva de Etiquetado ELD), supone que la clase de eficiencia energética mínima para estos tendrá que ser C.

Independientemente de que la Directiva ErP no aplica a acumuladores por encima de 2.000 litros, gran parte de los fabricantes han mantenido los mismos criterios de diseño y fabricación que para acumuladores por debajo de este valor (para de esa manera ofrecer al mercado depósitos con altos estándares de eficiencia).

Conclusiones

Es evidente que los generadores utilizados en una instalación de ACS tienen un peso importante en la eficiencia global de esta tipología de instalaciones. No hay que desmerecer en cualquier caso la importancia del sistema de acumulación escogido para mejorar la eficiencia estacional de la instalación. Es fundamental dimensionar correctamente las demandas durante el período de consumo punta (para reducir lo máximo posible el volumen de agua acumulada y de esta manera reducir la energía necesaria para mantener el agua a temperatura de trabajo), y utilizar acumuladores perfectamente aislados (la Directiva ErP puso orden en este sentido).

El peso relativo dentro de la factura energética global del consumo para ACS irá ganando importancia, más cuando la tendencia que marca el vigente CTE en su DB-HE (con la definición nZEB de edificios de consumo de energía casi cero), será reducir significativamente la demanda de energía necesaria para calefacción y refrigeración. En este sentido, mejorar la eficiencia en la producción de ACS en aquellas tipologías de obra grandes consumidoras de agua caliente será fundamental, más cuando los estándares de confort en este tipo de consumos van en aumento.

Una selección optima del tamaño y tipo de acumulador de ACS es fundamental para conseguir una instalación que satisfaga las necesidades de confort con el mínimo consumo energético. En ese sentido, el mercado ofrece acumuladores cada vez más eficientes en cuanto a aislamientos, así como una variedad de diseños y posibilidades de conexión que favorecen su uso en las futuras instalaciones que proyectemos (con una clara orientación hacia la hibridación de sistemas, alimentados con múltiples fuentes de energía de origen renovable).

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