• Optimización de sistemas de agua caliente mediante calderas de condensación.

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Objetivos de aprendizaje

  1. 1. Descubre en qué se diferencian las calderas de condensación de las de no condensación
  2. 2. Comprende las implicaciones económicas del coste inicial de la caldera en diferentes configuraciones
  3. 3. Recibe las mejores recomendaciones para diseñar un sistema de agua caliente con calderas de condensación

Los sistemas hidráulicos de agua caliente hacen circular agua caliente por todo el edificio para calentar el aire y están disponibles con formas, tamaños y configuraciones muy diferentes. La elección de calderas y sistemas de agua caliente tradicionales tenía como fin mantener una temperatura del agua elevada, pero las nuevas tecnologías de calderas permiten obtener ganancias al emplear temperaturas más bajas y calderas de condensación. El diseño de los sistemas de caldera convencionales consiste en un modo de calentar el agua hasta una temperatura adecuada para acondicionar el aire del edificio. En estos sistemas, el diseño estándar tenía como fin mantener la temperatura del agua por encima de los 82-93 °C, con un retorno de agua caliente siempre superior a los 60 °C para evitar la condensación en los intercambiadores de calor. Del mismo modo, las calderas sin condensación convencionales fueron diseñadas de manera que no permitieran un flujo variable a través del intercambiador de calor. En consecuencia, se utilizaron configuraciones de bombeo primaria-secundaria para mantener el flujo deseado en el intercambiador de calor de la caldera al tiempo que se variaba el caudal en el circuito secundario en función de la demanda del edificio. Hoy en día el diseño de los sistemas de calderas es completamente diferente. La temperatura de suministro del agua caliente es menor y las calderas de condensación son una excelente elección para sistemas que utilizan temperaturas más bajas, ya que resultan más eficientes. Los sistemas de caldera con condensación son adecuados para sistemas de calefacción mediante suelo radiante, calentadores de agua y sistemas de agua caliente estándar diseñados específicamente para utilizar agua caliente a una temperatura más baja.

Mayor eficiencia a través de la combustión

La mayoría de las calderas utilizan gas natural como principal combustible para calentar el agua, aunque existen otras opciones. Cuando se utiliza gas natural se produce un proceso de combustión, que es una reacción química que nace de la combinación del gas y el aire de combustión y genera calor destinado a incrementar la temperatura del agua: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O. Este proceso también produce agua y dióxido de carbono como subproductos, así como NO, NO2 y NO3 (óxido nitroso, NOx) cuando el nitrógeno del aire se combina con el exceso de aire. Se trata de un proceso común a todas las calderas. El agua obtenida como subproducto es el principal ingrediente de la eficiencia de la caldera y recibe distintos tratamientos en función del tipo de caldera. En una caldera sin condensación, el agua permanece en estado gaseoso (vapor) y se expulsa de la caldera junto con los gases de escape que salen del edificio. En una caldera de condensación, se permite que el vapor se condense y regrese al estado líquido al enfriarse bajo el punto de rocío, recuperando el calor latente de la evaporación y expulsando aproximadamente 2.326 kilojulios por kilogramo de agua. Esta forma sutil de recuperación de energía permite convertir el calor latente en una ganancia en eficiencia en lugar de desperdiciar esa misma energía expulsándola del edificio. El punto de rocío del vapor de agua presente en los gases de escape depende del porcentaje de hidrógeno en el gas natural y el exceso de aire en esos mismos gases, pero comienza a condensarse cuando la temperatura de retorno del agua caliente se encuentra entre los 54 °C y los 60 °C, tal y como se indica en el Manual de sistemas y equipos HVAC (Handbook of HVAC Systems and Equipment) de ASHRAE. Aunque este artículo versa principalmente sobre el gas natural, es importante señalar que algunos códigos pueden exigir combustible dual para las calderas. A fecha de hoy, solo existe un fabricante de calderas que suministre una caldera de condensación capaz de funcionar con combustible dual, lo que puede restringir el uso de esta clase de calderas en algunas aplicaciones.

Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor para calderas sin condensación suelen estar construidos en cobre, hierro forjado o acero y no están diseñados para soportar el condensado corrosivo producido por la mezcla de vapor de agua y el CO2, que crea ácido carbónico. Con el paso del tiempo, el ácido del condensado termina por destruir el metal del intercambiador de calor. Por este motivo las calderas de condensación requieren intercambiadores de calor más resistentes al condensado ácido y al choque térmico resultante de la menor temperatura del retorno de agua caliente. Los intercambiadores de calor se fabrican en diferentes metales y configuraciones dependiendo del grado de condensación permitido en la caldera.

 Figura 1: Tres calderas de condensación de 3.000 MBH tienen entradas de chapa galvanizada y respiraderos de doble pared de acero inoxidable. Fuente: Ring & DuChateau LLP

Una caldera de condensación completa utiliza un intercambiador de calor fabricado en acero inoxidable o aluminio fundido. Los intercambiadores de calor de aluminio son generalmente más baratos y utilizan metales más gruesos, pero son más sensibles a las condiciones del agua, tales como el pH, la alcalinidad y los productos químicos, mientras que los intercambiadores de calor de acero inoxidable son muy resistentes a la corrosión y mucho más tolerantes a diversas condiciones del agua. Ambos materiales están diseñados específicamente para resistir los efectos de condensación y para años de funcionamiento. Debe tenerse en cuenta que el pH del agua en el sistema de bucle cerrado seguirá siendo el mismo que en una caldera que no sea de condensación. El pH óptimo del condensado es de entre 3 y 4 en calderas de condensación. Una segunda alternativa es la caldera de condensación parcial, que utiliza superficies de un intercambiador principal y otro secundario, donde el intercambiador de calor principal nunca alcanza temperaturas de condensación y siempre funciona en un intervalo de temperaturas que no producen condensación. Los intercambiadores de calor duales permiten que la construcción del intercambiador de calor principal sea la estándar, normalmente de cobre, mientras que el intercambiador de calor secundario se fabrica en un material más robusto, como el aluminio o el acero inoxidable. Los gases de combustión que salen del intercambiador de calor principal se conducen al intercambiador de calor secundario, donde se permite que se produzca la condensación de los gases de combustión. Este tipo de configuración de intercambiador de calor de la caldera requiere normalmente una bomba interna y / o válvulas mezcladoras para proteger el intercambiador de calor principal y hacer que opere dentro de un intervalo de temperatura de seguridad, como se muestra en la Figura 1. Otra alternativa es un sistema que combina calderas de condensación y de no condensación en un sistema mixto. En estos sistemas, el diseñador debe tener en cuenta qué caldera está en funcionamiento para proteger los intercambiadores de calor, como se ha explicado anteriormente. Por regla general, las calderas de condensación se arrancan como las primeras e intervendrán en el bucle para tratar de maximizar la eficiencia. Sin embargo, hay momentos del año en que el uso de calderas de condensación puede suponer una mínima ganancia de eficiencia en comparación con el uso de calderas sin condensación, dependiendo de cómo se haya diseñado el sistema y de las temperaturas del agua utilizadas en el proyecto. Al utilizar las calderas de condensación y de no condensación en una secuencia de adelanto-retraso en función de la temperatura del aire en el exterior y la temperatura del agua caliente, un sistema mixto proporciona la doble ventaja de operar al máximo nivel de eficiencia del sistema usando las calderas de condensación y de reducir significativamente la inversión inicial de una planta de calderas exclusivamente de condensación.

Conductos de humo de las calderas
Figura 2: El fabricante de la caldera proporciona un sifón de condensado para una caldera de condensación con la tubería de drenaje a un desagüe central sanitario. Fuente: Ring & DuChateau LLP

Los gases de escape de una caldera de condensación estarán siempre a una temperatura más baja que los de una caldera que no sea de condensación puesto que el vapor de agua de los gases de combustión se ha condensado, suponiendo que la caldera de condensación esté funcionando en una aplicación de condensación. Las temperaturas del humo de las calderas de condensación son, por lo general, de alrededor de 100 ºF, frente a temperaturas de entre 250 y 300 ºF de las calderas que no son de condensación. Aunque se ha de cumplir con los requisitos de cada fabricante, con las calderas de condensación se pueden utilizar conductos de humos de escape adecuados para temperaturas bajas, tales como los de cloruro de polivinilo (PVC), cloruro de polivinilo-clorado (CPVC) y polipropileno. En aplicaciones donde no se utilizan plásticos, está permitido el uso de tubos resistentes a la corrosión, como los de acero inoxidable o aluminio, pero en ningún caso se deben utilizar otros conductos metálicos debido a la corrosividad de los gases de combustión. También en este caso, si una caldera de condensación no está en modo de condensación, los gases de combustión serán similares a los de una caldera que no sea de condensación y debe tener un cañón de chimenea apropiado para altas temperaturas de funcionamiento como las que se alcanzarán. Los materiales como el PVC y el CPVC liberan gases tóxicos si se calientan en exceso, por lo que es preferible utilizar polipropileno o rejillas metálicas resistentes a la corrosión. Además de los materiales del cañón de la chimenea de combustión, los fabricantes tienen requisitos específicos sobre la longitud equivalente de ventilación permitida. En cualquier caso, toda la ventilación deberá volver a la caldera para drenar adecuadamente todo el condensado del sistema. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de tres calderas de condensación de combustión selladas con tomas de agua de un pozo adyacente y las chimeneas de combustión colocadas hasta el tejado.

Sifones de condensado y la neutralización del ácido

Dos nuevas cuestiones que deben abordarse con las calderas de condensación son la gestión del condensado y la neutralización. Para separar el condensado y el vapor, el fabricante de la caldera proporciona un sifón de condensado que separa los gases de combustión de escape para evitar que se liberen de nuevo en el edificio (Figura 2). Como el agua se condensa y se mezcla con el CO2, el pH cae aproximadamente hasta entre 3 y 4, por lo que es necesario eliminar correctamente el condensado. El condensado también se canaliza a través de un sifón de neutralización de ácidos hecho de mármol, piedra caliza, o trocitos de piedra alcalina, que neutralizan el condensado hasta alcanzar límites más aceptables. Además, es importante coordinar las tuberías de desagüe para el drenaje del condensado con el ingeniero de fontanería en el proyecto, porque la tubería de drenaje debe ser de PVC o de hierro fundido para proteger el sistema de alcantarillado sanitario del edificio, y no tuberías de cobre o de acero, que se deterioran rápidamente con el tiempo. Las calderas que no son de condensación no tienen condensado y, por tanto, no requieren ningún drenaje.

La eficiencia del sistema de agua caliente
Al diseñar un sistema de agua caliente, es importante asegurar que el sistema está diseñado para aplicaciones de condensación. Si el sistema no está diseñado para aplicaciones de condensación y la temperatura de retorno del agua caliente nunca cae por debajo de los 140 ºF, se habrá comprado una caldera más cara y sin beneficiarse de las ventajas de una caldera de condensación porque el vapor de agua en los gases de combustión no se condensa. Esto limitará la eficiencia térmica máxima a la de una caldera estándar de no condensación al 88 %. Por el contrario, si la temperatura de retorno de agua caliente cae por debajo de los 140 ºF y la caldera es de no condensación, el intercambiador de calor no podrá resistir los efectos del vapor de agua ácida y comenzará a fallar antes de terminar su vida útil. En las calderas de condensación, la eficiencia de la caldera viene determinada por la carga de la caldera y la temperatura de retorno del agua caliente. Diseñando el suministro de agua caliente y las temperaturas del agua de retorno por debajo de los valores convencionales, se puede aumentar la eficiencia de la caldera porque se condensa más vapor de agua a partir de temperaturas más bajas de retorno de agua caliente y se recupera más energía que, de otro modo, se liberaría por la chimenea, con lo que se consigue un aumento de eficiencia de aproximadamente un 10 % o un 12 % frente a las calderas de no condensación. Tan importante como la temperatura del agua de retorno a la caldera es el número de calderas en funcionamiento. A diferencia de las calderas de no condensación, la eficiencia de las calderas de condensación también aumenta a medida que disminuye la carga de la caldera. La mayoría de las calderas de condensación se proporcionan con un quemador de gas de alta modulación capaz de bajar a una ratio de 20:1, que son mucho más eficientes que las calderas de no condensación con control por etapas o pasos. Los quemadores de la caldera deben estar controlados por un sistema de gestión de la caldera para controlar la potencia del quemador según los requisitos de la carga del edificio y para maximizar la eficiencia del sistema mediante el accionamiento del número apropiado de calderas. La capacidad del quemador para dispararse a cargas bajas permite que los gases de combustión permanezcan más tiempo en contacto con el intercambiador de calor y, a cambio, proporciona una mayor transferencia de energía y una respuesta más proporcional a la carga. Por esta razón, es habitual que las calderas de condensación pongan en funcionamiento varias calderas a bajas cargas para aumentar la eficiencia. Del mismo modo, las calderas de condensación pueden modular a la baja la temperatura de salida cuando la demanda de calefacción disminuye, mientras que las calderas de no condensación siempre tendrán la restricción de la limitación de la temperatura para evitar la condensación. Todo esto se traduce en la capacidad de la caldera para permanecer encendida con cargas bajas y evitar los ciclos y todas las pérdidas anteriores y posteriores a la purga y las pérdidas asociadas a calentar el intercambiador de calor hasta la temperatura para maximizar la eficiencia del sistema.

Coste inicial del sistema de agua caliente

No cabe duda de que las calderas de condensación son más caras que las calderas de no condensación tradicionales, pero la diferencia del coste inicial varía en función de la construcción, la configuraciones y los fabricantes del intercambiador de calor. Para ilustrar las diferencias de costes entre las calderas de no condensación, las calderas de condensación parcial y las calderas de condensación total, se ha obtenido una comparación de los costes de tres fabricantes de calderas modulares basados en los precios de contratista para Milwaukee. Se proporciona un resumen de las características de la caldera, en el que se muestra un resumen de los datos de los costes de cada caldera en cinco tamaños de entrada de calderas iguales. A partir de este análisis, se determinó que el coste de una caldera de condensación total y de una caldera de condensación parcial es relativamente igual, mientras que una caldera de condensación total es aproximadamente un 25 % o un 30 % más cara que las calderas de igual tamaño. Tabla 1: Aquí se muestra una comparación de varios fabricantes de calderas y distintas configuraciones de calderas. Fuente: Ring & DuChateau LLPEl aumento del coste inicial de un sistema de caldera de condensación de agua caliente no termina necesariamente con la caldera, puesto que el equipo seleccionado es diferente según se utilice una temperatura más baja para el suministro y para el retorno de agua caliente. El cambio más común es el tamaño físico y el coste asociado de las baterías de agua caliente empleadas en el sistema. Las baterías de agua caliente requieren baterías más profundas con más superficie de transferencia de calor para adaptarse a una temperatura del agua caliente más baja, lo que supone un aumento del coste inicial del equipo y, posiblemente, de los costes de operación, si el diseñador no toma las medidas oportunas. Los costes de operación aumentan cuando se seleccionan baterías de calefacción tradicionales con temperaturas de suministro de agua caliente más bajas, lo que da lugar a un mayor descenso de la presión del aire y del agua. Figura 3: Es recomendable analizar la comparación del coste inicial de las calderas de condensación completa, condensación parcial y de no condensación en distintas capacidades. Fuente: Ring & DuChateau LLPLas baterías de agua caliente en las unidades de tratamiento de aire no suelen ser un problema, ya que las baterías más profundas de las unidades de tratamiento de aire se pueden acomodar fácilmente a distintas selecciones de la batería, pero algunos fabricantes de cajas de volumen de aire variable (VAV) no pueden suministrar baterías de calefactado de baja temperatura montadas en cajas VAV para responder en la medida adecuada a este problema. Para resolver este problema, el ingeniero debe seleccionar baterías sueltas para asegurar que se puede suministrar la capacidad deseada, con poca caída de presión del aire y temperaturas suficientes del aire de suministro, en lugar de utilizar baterías estándar para cajas VAV montadas en fábrica. Esto ofrece la flexibilidad de poder adquirir baterías de cualquier tamaño y con una caída de presión de aire lo suficientemente baja como para no utilizar una energía excesiva de ventilador. El uso de baterías sueltas provocará un aumento en los costes de mano de obra y, posiblemente, de los conductos debido al requisito de cambiar de la salida de la caja VAV hasta el tamaño de la batería suelta y volver al tamaño del conducto que necesita el sistema. Sin embargo, si el objetivo es la eficiencia del sistema, el ingeniero debe prestar atención a las caídas de presión de equipos seleccionados.

Consejos de diseño de sistema

Los sistemas de caldera de condensación completa son más fáciles de diseñar que los sistemas parciales y convencionales de calderas de no condensación. Algunos sistemas de caldera de condensación se pueden configurar en un diseño de flujo principal variable (VPF) con una válvula de control de flujo mínimo de derivación para mantener el flujo mínimo de la caldera que permite una configuración de tuberías y bombas que minimiza las bombas y maximiza el incremento de la temperatura del sistema. En un sistema VPF, el flujo varía en todo el sistema, incluso a través de las calderas, un concepto que rompe con el supuesto anterior de que las calderas siempre requieren un flujo constante. Estos sistemas eliminan la necesidad de bombas de distribución secundarias y utilizan varias bombas en paralelo para servir a todo el sistema de agua caliente. Además, las calderas de condensación completa no son susceptibles de sufrir cambios bruscos de temperatura, por lo que no se necesitan válvulas de mezcla, sistemas de bombeo principal-secundario, ni altas temperaturas de retorno de agua. Los sistemas VPF siempre tendrán menos bombas que los sistemas de principal-secundario, lo que permitirá ahorrar costes iniciales por la reducción de las tuberías y las válvulas, por un menor número de conexiones eléctricas, por la reducción del trabajo de control y la eliminación del aislamiento de vibraciones en las bombas adicionales. Del mismo modo, un conjunto de bombas ahorrará en el espacio requerido en la sala mecánica. Un punto que se debe abordar es que los controles de fase son más complejos y también es más difícil garantizar un flujo mínimo en el sistema en todo momento, pero a pesar de ello todavía habrá un ahorro neto global en los costes iniciales. En cuanto a los costes de operación, los sistemas VPF siempre tendrán menores costes de operación ya que, al haber menos bombas y menos accesorios en las bombas, la caída de la presión es menor, pero también porque las bombas son más eficientes. Las bombas VPF permiten al diseñador seleccionar bombas de vapor más grandes y más eficientes, en lugar de las bombas de circulación más pequeñas, de volumen constante y de nivel bajo de eficiencia que se suelen utilizan en la parte principal del sistema principal-secundario. También, el uso de la velocidad variable en todo el sistema permitirá variar el caudal de todo el sistema, lo que supondrá un ahorro en los costes operativos, ya que la energía variará aproximadamente con la potencia al cubo del caudal. Una excepción a la utilización de sistemas de bombeo VPF es que los sistemas de calderas de condensación parcial que utilizan el intercambiador de calor secundario para condensar los gases de combustión requerirán que el caudal a través del intercambiador de calor sea constante. Para lograr esto, el sistema principal-secundario se utiliza con dos conjuntos de bombas, cada uno de ellos con una función exclusiva para el sistema de agua caliente. Las bombas principales sirven como bombas de producción y solo prestan servicio a las calderas del sistema. Estas bombas son, por lo general, bombas de caudal constante de caudal alto y altura de carga baja instaladas en una caldera para suministrar el agua caliente disponible a las bombas secundarias. Las bombas secundarias prestan servicio solamente a las baterías de agua caliente en el sistema, que están equipadas con válvulas de control de dos vías y que son bombas de velocidad variable de caudal alto y altura de carga alta que varían el caudal del sistema en función de la carga. Los bucles principales y secundarios se conectan a través de una tubería común o un desacoplador que es una porción compartida del circuito de tuberías en cada bucle y que separa hidráulicamente los dos bucles para que el caudal de un bucle no afecte al caudal del otro. Sin embargo, la desventaja de esta configuración es que el agua se mezcla, ya sea la mezcla del agua caliente principal excedente con el agua de retorno secundaria y el aumento del retorno de agua caliente a las calderas (con la consiguiente reducción de la eficiencia), o la mezcla del agua secundaria excedente con el agua caliente de suministro principal y la subsiguiente reducción del suministro de agua caliente al edificio. En cualquier caso, los sistemas de calderas de condensación parcial siguen siendo más eficientes que los sistemas de calderas sin condensación y no se debe utilizar como argumento para obviar las ventajas de la condensación de los gases de combustión. Los sistemas de agua caliente para calefacción son sistemas indulgentes cuando se diseñan respetando las limitaciones del equipo que se utiliza. Las calderas de condensación pueden ser más eficientes que las calderas de no condensación, pero si no se estudia cuidadosamente el tipo de caldera que se va a utilizar, la caldera puede empezar a fallar prematuramente y los costes de operación pueden aumentar. Conocer bien las diferencias entre las calderas de condensación completa, condensación parcial y de no condensación, así como los sistemas mixtos, será útil para maximizar la eficiencia global del sistema, junto con los requisitos específicos de cada fabricante que se han de incluir durante el diseño.

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