Equilibrado hidráulico y regulación de la temperatura en las redes de distribución de ACS

En este artículo se exponen, diferentes esquemas de distribución y varias fórmulas para estimar las pérdidas de calor según la precisión deseada, el tipo de aislamiento de las tuberías y su diámetro, la temperatura del agua, etc. También, se indica un método para el cálculo de los caudales que deben circular por los distintos ramales de la distribución y así obtener la misma temperatura en todos los puntos de retorno. Se describen también las técnicas para conseguirlo con válvulas de equilibrado, y con válvulas termostáticas y se analiza la función de la válvula de control de tres vías convencional y como alternativa, su sustitución por una termostática mezcladora diseñada para esta función.

Por último, se comentan brevemente dos técnicas utilizadas en otros países para impedir la proliferación de bacterias en las redes de distribución de A.C.S.

La opinión de: Jesús de Lara - Director Gerente de Tour & Andersson

Situación de partida

Con objeto de mantener el agua a la temperatura de utilización debe generarse una circulación permanente en las tuberías cuya única finalidad es aportar las pérdidas caloríficas de la red mientras no haya consumo. La función de la bomba de circulación es garantizar este caudal mínimo q1. Sin embargo, al ser muy pequeña la pérdida de carga de las tuberías de la red para el caudal q1, éste se distribuirá de manera inversamente proporcional a las necesidades. Tomando como referencia el esquema de la figura 1, para que la temperatura del agua en los puntos A´, B´,...E´ de retorno sea la misma, los respectivos caudales de agua deberán ir incrementándose con la distancia a la zona de producción y compensar así las mayores pérdidas de calor.

Fig. 1. La bomba de circulación mantiene caudal un q1 en la red mientras no hay consumo

Sin embargo, si en los puntos de retorno no existe ningún dispositivo de ajuste correcto del caudal, por los más cercanos circulará un exceso de agua, en perjuicio de aquellos más alejados, a los que llegará fría, por insuficiente caudal, o incluso se estancará, con la consiguiente pérdida de temperatura en cualquiera de los dos casos.

Recuérdese que la proliferación de la bacteria Legionella es inversamente proporcional a la temperatura del agua, siendo 55ºC la crítica.

Evaluación de las pérdidas de calor

Las cuatro expresiones siguientes permiten calcular con precisión creciente las pérdidas de calor en tuberías según sus características: diámetro, temperatura del agua, espesor y calidad del aislamiento, etc.

    1. En una primera aproximación, para una diferencia de temperaturas de 40 K entre el agua y el ambiente, las pérdidas caloríficas en tuberías son del orden de 10 w/m, con independencia de su diámetro. Esta regla empírica es válida si el espesor del aislamiento (l=0.036), expresado en mm. corresponde aproximadamente a 0.7 veces el diámetro exterior de la tubería sin aislar.

    2. Una segunda fórmula, aún empírica pero más precisa es la siguiente:

Estando P expresado en W/m; de, diámetro exterior de la tubería en mm.
I= Expesor del aislamiento en mm.; l= en w/m-K.


Para  esta fórmula se transforma en 

3. Tuberías aisladas y agua a 60ºC:
Pm=0.65xde

    Siendo:

    Pm: pérdidas lineales de calor en w/m.
    de: Diámetro exterior de la tubería en mm.

4. Tuberías aisladas y distintas temperaturas del agua.

Para tuberías de cobre aisladas con material de conductividad térmica K=0.035 w/mºk, diferentes diámetros y distintos saltos térmicos entre el agua y el ambiente, la tabla 1, tomada de la normativa alemana Heiz An1 V, proporciona directamente las pérdidas lineales de calor Pm, en w/m.

Tabla 1. Determinación de las pérdidas de calor y espesor de aislamiento para tuberías de cobre.

La fórmula teórica para calcular las pérdidas unitarias de calor por conducción en un conducto circular aislado es la siguiente:

donde:

    P: pérdidas de calor
    L: longitud de tubería considerada
    Ti: temperatura del agua temperatura exterior de la tubería
    Te: temperatura ambiente
    r2: radio exterior de la tubería
    re: radio exterior del aislamiento
    h: coeficiente de película aproximadamente constante para el aire
    kais: conductividad térmica del aislamiento

El espesor del aislamiento será igual a re - r2. Su efectividad es función del radio crítico rC = kais /h, que debe menor que el de la tubería sin recubrir.

Cálculo de los caudales de circulación por los ramales

El cálculo de los caudales que deben circular por cada ramal para obtener la misma temperatura en todos los retornos, se realiza a partir de la fórmula que relaciona un caudal y su salto térmico, es decir: 

Si se acepta que en el circuito más desfavorable, (en una distribución homogénea será aquel más distante respecto al punto de producción) la temperatura del agua debe ser a lo sumo 5K inferior a la de producción "ts", podremos calcular el caudal de circulación necesario q1.

 

 

 

 

L= Longitud total de la red

Siendo el caudal total q1 conocido, sólo nos queda determinar el de cada ramal. Partiendo del punto S (fig.2) donde está situada la sonda de medida, la temperatura del agua a la entrada al ramal A puede calcularse como sigue:

siendo, PSA = Pérdidas caloríficas en el tramo SA

Para el primer ramal las pérdidas de calor son ZAC = PAC+Pdb+ Pdc, pudiendo de esta manera calcularse las sucesivas temperaturas en las acometidas, así como los caudales requeridos.

El caudal qAD=q1-qAB, permite calcular tA y el segundo ramal como se muestra en la tabla anterior.
Este procedimiento tan simple y sistemático puede aplicarse a distribuciones mucho más complejas.
Una vez conocidos los caudales, la instalación puede equilibrarse normalmente mediante el Método de Compensación, o el TA Balance.

Fig2: Una bomba de circulación mantiene la temperatura del agua de distribución.

Cálculo de la altura manométrica de la bomba

 Para tener una primera estimación de la altura manométrica de la bomba de circulación, las pérdidas de carga en las tuberías de alimentación pueden despreciarse. Considerando únicamente las tuberías de retorno se sugiere la expresión:

Siendo el último término la pérdida de carga por cada válvula de equilibrado en serie (3 kPa en este ejemplo). Si LSE+de =100 metros por ejemplo,

En esta fórmula consideramos 10kPa de pérdida de carga en el intercambiador de calor y sus accesorios, así como una pérdida de carga media de 0.15kPa/m en las tuberías de retorno. 

Método Simplificado

Consideremos ahora el ramal AC de la figura 1.1a, pero con cuatro circuitos de distribución (Fig. 3). Evidentemente se puede utilizar el procedimiento arriba descrito para el cálculo de los caudales. Sin embargo, puede realizarse más sistemáticamente utilizando el procedimiento que a continuación se describe: 

Fig. 3: Ramal de distribución con cuatro circuitos

 
Las longitudes consideradas para las tuberías son las siguientes:

Longitudes de tuberías en metros

La temperatura tA a la entrada del ramal es de 59ºC (estimando que entre S y A se pierde 1ºC, ver esquema de la figura 1.1a), siendo la temperatura prevista de retorno de 55ºC.

Para un , y unas pérdidas medias de 10 w/m. el caudal total q1 será igual a:

Para simplificar las fórmulas pueden utilizarse las siguientes transformaciones:

Finalmente . En este ejemplo l=0.465.

El uso de estas fórmulas puede extenderse de la misma manera a más circuitos para calcular los caudales. El cálculo de las temperaturas no es necesario y se ha realizado a título informativo:

Comprobamos que el último circuito q requiere un qd=67% del caudal total de circulación, mientras que el primero sólo requiere un qa=8%. Si la distribución no está equilibrada ocurrirá justamente lo contrario: por el primer circuito circulará la mayor parte del caudal total.
Una estimación aproximada aunque suficiente de la altura manométrica de la bomba sería la siguiente:

En ciertos países se requiere que la temperatura del agua de circulación se eleve hasta 80ºC durante un cierto periodo de tiempo (20 minutos cada mañana en Alemania). Esta pasteurización de la instalación constituye una protección adicional contra la proliferación de la Legionella. El equilibrado mediante válvulas manuales en los retornos se adapta perfectamente a este imperativo, ya que gracias al ajuste de caudales se obtiene una temperatura uniforme en los retornos.

Equilibrado de la válvula mezcladora de tres vías

Volviendo al esquema de la figura 1, la válvula mezcladora de tres vías controla la temperatura de suministro del agua, por ejemplo 60ºC. Su grado de apertura depende de los valores relativos de las temperaturas tg, ts y to (temperatura de abastecimiento del agua). Si estas, son constantes, la válvula de control permanecerá en el mismo grado de apertura sin tener en cuenta el caudal total. De hecho, siempre se necesita la misma proporción de agua a la temperatura, tg para mezclar con agua a to y obtener agua a la temperatura ts. En condiciones normales de operación, la válvula de control sólo compensa las oscilaciones en las temperaturas tg y to. Normalmente se dimensiona en base a una pérdida de carga entre 50 y 100 kPa para el caudal máximo.

Cuando el consumo es nulo, el agua de circulación llega al by-pass de la válvula de tres vías a la temperatura tr en vez de la temperatura to; tr es del orden de 50ºC, mientras que to es de 10ºC. Esto obliga a la válvula a adoptar una posición próxima al cierre, comprometiendo la estabilidad del bucle de control.

Cuando se produce una demanda, la válvula debe volver a su estado normal de reglaje, lo que provoca la inyección instantánea de agua fría en la red, haciendo inoperante la circulación.


A demanda nula, la presión diferencial sobre la válvula STAD-2 condiciona el caudal de agua caliente de la producción que la válvula de control V1 puede inyectar a la distribución. Si ésta presión es baja, la cantidad de agua inyectada será pequeña y la válvula deberá abrir. Por tanto, la STAD-2 debe ser ajustada para que la apertura de la de tres vías sea prácticamente constante e independiente del grado de consumo en la instalación. Esta condición es válida si el caudal a través de la STAD-2 cumple la siguiente relación:

Para:
tg = 80ºC
ts = 60ºC
tr = 50ºC
to = 10ºC

El caudal q2 deberá ser igual a 0.53 q1

En la práctica, el grado de apertura de la válvula de tres vías sólo se conoce una vez se ha alcanzado el funcionamiento a máxima demanda de la instalación; en condiciones de demanda nula, la válvula de equilibrado STAD-2 se ajusta para que la de control permanezca en esta misma posición.
La pérdida de carga generada por la válvula STAD-2 debe ser muy baja y se dimensiona para un valor del orden de 1 kPa.

Se consigue una mejor continuidad en el funcionamiento de la válvula de control de tres vías a carga reducida y nula de la instalación, cuando se selecciona la válvula de retención C2 con una mínima pérdida de carga. Esta es la razón por la que deben evitarse válvulas de retención de muelle.

Válvulas termostáticas mezcladoras

La válvula termostática mezcladora TA-MATIC 3400 (Fig. 4) está diseñada exclusivamente para realizar, con tecnología mecánica, las funciones de las válvulas de control tres vías convencionales en las instalaciones de A.C.S. descritas en el párrafo anterior. El by-pass que es necesario realizar en éstas para el agua de circulación, lo posee internamente la válvula TA-MATIC. De este modo, el control de la temperatura del agua en el caso de no haber consumo, es muy estable. En las mismas condiciones, para un circuito de mezcla convencional, el control se vuelve más delicado e impreciso, requiriendo construir el by-pass de difícil ajuste en cualquier caso.

Fig. 4. Instalación de la válvula TA-Matic 3.400

La pérdida de carga de la válvula TA-MATIC es superior a la de la red cuya temperatura controla. En consecuencia, su autoridad es elevada, tanto a pequeños caudales (consumo nulo) como a máxima demanda de la instalación. Este concepto es, de gran importancia para la estabilidad del bucle de control.

Control de la temperatura de los retornos. Válvula termostática TA-Therm

Otra alternativa consiste en sustituir las válvulas de equilibrado convencionales por válvulas termostáticas de dos vías en cada uno de los retornos (Fig. 3) de la red de distribución. Si se taran todas a la misma temperatura por ej. 55ºC, se habrá conseguido un equilibrado en temperatura con el menor consumo energético posible: circulará el caudal de agua estrictamente necesario para compensar las pérdidas de calor de la tubería.

Fig. 5. Las válvulas termostáticas garantizan la misma temperatura en todos los retornos.

La válvula termostática TA-Therm está concebida para esta función. Abren proporcionalmente en función de la temperatura del agua, siendo su consigna regulable entre 35 y 65ºC. Un termómetro puede incorporarse a la válvula con el fin de poder verificar con precisión la temperatura del agua.
Los caudales de circulación se calculan ahora (ver figura 1.1b) sólo para poder dimensionar las tuberías de retorno y la bomba. Para los circuitos alejados la altura manométrica necesaria para la bomba puede estimarse (considerando un kv=0.3 en las válvulas Ta-Therm) de la siguiente manera:

Se toma el valor H (en kPa) superior estando el caudal expresado en l/h.
El kV de 0.3 corresponde a una desviación de ± 2ºC en la temperatura del agua con respecto a la de consigna en la válvula TA-Therm.
Si la instalación debe someterse a un "flushing" a alta temperatura, las TA-Therm se cerrarían al haber sido ajustadas a una temperatura de consigna inferior. Un bypass en cada TA-Therm, mediante una válvula electromagnética normalmente cerrada es una solución costosa. Por tanto, en estos casos es preferible adoptar la solución explicada en el punto anterior con válvulas de equilibrado.
Hay que señalar la inconveniencia de desconectar la bomba de ACS durante los períodos de no utilización (por la noche, por ejemplo) debido a las siguientes razones:

    - Se reduce la protección contra la legionella. No obstante, si la parada está programada, se aconseja realizar un "flushing" a alta temperatura en el arranque.
    - Cuando la bomba de circulación se detiene, el agua en las tuberías pierde temperatura haciéndose más ávida en sales minerales. Este aumento de la solubilidad de sales convierte al agua más agresiva con los riesgos de deterioro de las tuberías y accesorios caso de no haberse adoptado las protecciones necesarias.

Coste Energético

Suponiendo una planta de varios kilómetros de longitud total de tuberías, funcionando los 365 días del año y las 24 horas del día. La energía necesaria para mantenerla caliente no es nada despreciable. Máxime, si para cubrir las necesidades del punto de consumo más alejado debe elevarse la temperatura de suministro del agua y simultáneamente incrementar el caudal de circulación. Un cálculo sencillo nos da idea de esta energía mínima:

    - Longitud de tuberías de la red: 1000 m.
    - Temperatura del agua: 55ºC
    - Temperatura ambiente: 20ºC
    - Diámetro medio de la tubería de cobre: DN: 40
    - Conductividad térmica: 0.035 w/mK
    - Espesor de aislamiento requerido: 40 mm
    - Salto térmico entre el agua y el ambiente: 35ºC

Según la normativa alemana (HEIZ Anl V), ver tabla 1, las pérdidas de calor unitarias son 5.88 w/m.
Pérdidas totales: 5.88 w/m x 1000 m 5.9 Kw
Energía anual perdida:
5.9 Kw x 365 días/año x 24 (horas/día) ¡¡52000 Kw-h / año!!.

Instalación de válvulas termostáticas mezcladoras en los puntos de consumo

La válvula termostática mezcladora TA-MIX está diseñada para pequeños caudales y puede ser instalada directamente en el punto de consumo, garantizando la temperatura de mezcla seleccionada dentro de su rango, en un tiempo mínimo.

Mediante estas válvulas es posible:

    1. Almacenar a una temperatura elevada, lo que supone un incremento de la capacidad de acumulación.
    2. Distribuir a una temperatura inferior a la almacenada mediante la válvula (TA-MATIC), pero suficientemente alta como para evitar la proliferación de bacterias (Legionella) en la red.
    3. Adecuar la temperatura del agua justo en el punto de consumo, mezclando el agua caliente con la fría, para evitar accidentes (TA-MIX).

Eliminación de gérmenes

En ciertos casos la proliferación de bacterias en las tuberías de distribución puede combatirse haciendo circular agua a alta temperatura (60ºC) durante un tiempo determinado, por ej. De dos a cuatro horas en la madrugada. Existen válvulas todo-nada susceptibles de ser programadas para este fin (Fig. 6). En este caso el empleo de válvulas termostáticas en los retornos haría inviable esta técnica. Un desequilibrio en la red no garantizaría máxima temperatura en todos los puntos. Mediante válvulas de equilibrado se consigue igualar las pérdidas de carga de todos los ramales. La bomba de circulación mantiene, en uso normal de la planta, la red a la temperatura de consumo. Esta misma bomba hace circular periódicamente el agua a alta temperatura cuando la válvula de tres vías "puentea" a la mezcladora y toma agua directamente del depósito de acumulación.

Fig. 6. Una válvula de tres vías todo/nada permite circular agua a alta temperatura por la red.

Resumen

Por su sencillez de montaje, de ajuste de la temperatura, precisión y ausencia casi total de mantenimiento, la válvula termostática mezcladora TA-MATIC 3400 es una alternativa a los sistemas electrónicos con válvulas de control convencionales. No sólo en pequeñas o medianas instalaciones, sino en grandes, como hoteles, hospitales, instalaciones centralizadas, etc.

La función del caudal de agua de circulación queda desdibujada si no se ajustan correctamente los de cada retorno o grupo de retornos.

Una solución para equilibrar la red comúnmente extendida pero cuando menos imprecisa, podría parecer al menos en teoría, realizar un trazado de tuberías en retorno invertido: al no ser iguales los caudales de circulación por cada ramal, ésta técnica no es aconsejable. Una mayor longitud de tubería requerida por ésta técnica incrementa las pérdidas de calor.

En instalaciones de A.C.S. de edificios de uso público, aeropuertos, estaciones de ferrocarril, centros comerciales, etc, mediante válvulas TA-MATIC, cabe la posibilidad de diversificar la distribución de temperaturas en función de su uso: 40ºC para duchas y 30ºC para lavabos, por ejemplo. De esta manera se evita gastar enormes cantidades de agua y energía durante la "espera" y "mezcla" para un uso posterior de sólo algunos segundos.

Un aislamiento de las tuberías adecuado puede llegar a ahorrar muchísimo dinero y mejora el servicio de la instalación.

El equilibrado hidráulico de la red de distribución de A.C.S. garantiza la misma temperatura en todos los puntos de retorno. Asimismo, permite reducir la temperatura del agua de impulsión, con el consiguiente ahorro energético.

Por otra parte, el hecho de medir presiones y caudales permite descubrir obstrucciones y anomalías de ejecución que de otra manera son difícilmente detectables.