Las calderas y la calificación energética de edificios (I) La teoría

Iniciamos una serie de artículos sobre el cálculo de la calificación energética de edificios existentes.

El primero es sobre teoría de calderas. Cálculo de su rendimiento estacional.

El siguiente tendrá un sentido eminentemente práctico, con ejemplos de introducción en ambos programas de cálculo de los resultados.

Autor: Ramón Martínez. Del quipo docente de la Asociación Nacional de Certificadores Energéticos

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Uno de los pilares fundamentales en los que se apoya una buena certificación es la correcta introducción de las características de la envolvente térmica del edificio y de sus instalaciones en las herramientas informáticas homologadas.

Dado el gran número de dudas que generan las instalaciones a la hora de realizar una certificación energética, vamos a detallar en diversos artículos sucesivos los conceptos fundamentales que llevan a su correcta introducción en los programas de certificación.

Para poder introducir estos datos adecuadamente en ambos programas de cálculo (CEX, CE3) hemos, por un lado, de ser cuidadosos y observadores en la toma de datos (son de gran ayuda las fichas de toma de datos facilitadas con dichos programas) y, por otro lado, tener una buena base de conocimientos, no solo de las instalaciones, sino también de la forma de trabajar e introducir los datos en los programas de certificación. Comenzaremos hablando de las calderas

Calderas. Rendimiento

El  rendimiento  se  define  como  la  relación  entre  la  potencia  útil  que  se obtiene al calentar agua y la generada por el combustible al quemarse.

Seguidamente, se describirán el rendimiento puntual o instantáneo (cuando la caldera está funcionando) y el rendimiento estacional (en una temporada o campaña).

Existen  dos  formas  de  efectuar  el  balance  energético para determinar este rendimiento:

- El método  directo que consiste en la medición, por un lado, del calor contenido  en  la  vena  de  agua  antes  y  después  de  su entrada en la caldera, y  por otro, la determinación de la  energía  del  combustible,  producto  de  la  cuantía empleada por su poder calorífico.

- El método indirecto que, como su nombre indica, se basa  en  razonar  que  aquel  calor  que  introducimos con el combustible y no escapa con los humos por el conducto  de  evacuación  o  la  chimenea, o se pierde por radiación, habrá sido captado por el agua.

Utilizaremos par nuestra descripción el método indirecto.

Rendimiento instantáneo.

Podemos, entonces, expresar el rendimiento instantáneo como:

Elrendimientopuntualoinstantáneo secalculadeterminandoelcaloraprovechadoduranteel funcionamiento continuo de la caldera en un periodo relativamente corto de tiempo (un instante) y en unas condiciones de referencia.

Podemos expresar: el rendimiento instantáneo nominal (a potencia nominal) como:

Como los generadores de calor deben adecuarse a las demandas instantáneas de los edificios, el rendimiento de generación instantáneo se analiza con diferentes cargas, habitualmente al 30% y al 100% de la potencia del equipo.

En la práctica, mediante un analizador de humos por ejemplo, se suele determinar el rendimiento de la combustión en lugar del rendimiento de la caldera. Se obvia en los cálculos las pérdidas por el cuerpo de la caldera (radiación y convección) dada la dificultad de su medición y la baja incidencia.

De esta forma, el rendimiento de combustión queda simplificado a la expresión:

Rendimiento estacional.

El rendimiento estacional ( μe ) se define a efectos  de  determinar  un  tipo  de  rendimiento  más  cercano  al comportamiento  real  de la instalación; mide la eficacia de la caldera durante un periodo de tiempo prolongado (una estación de calefacción o un ciclo anual de la misma) . El rendimiento estacional ( μe ) contempla pues las pérdidas debidas a los periodos de paro de la caldera.

Durante el período de tiempo en que la caldera esté en disposición de funcionar podemos distinguir tres situaciones distintas:

Funcionamiento — Parada — Arrancada

En estos periodos de paro por termostato, la caldera cederá calor al ambiente a través de su envolvente, hasta enfriarse, y a la vez cederá calor a través de su circuito de humos debido a la circulación de aire a su través.

Pérdidas envolvente (radiación y convección) + Pérdidas ventilación

En los períodos de arranque tendremos unas pérdidas análogas, en la envolvente y por ventilación (en este caso debido los ciclos de barrido del hogar, anteriores a la entrada en funcionamiento de los quemadores (no necesarios en calderas atmosféricas).

Teniendo en cuenta cada unas pérdidas podemos expresar el rendimiento estacional como:

Siendo :

Q_T el calor total aportado.  Será el producto de las horas de funcionamiento de los quemadores por la potencia nominal (en el caso de quemadores de dos o más marchas o modulantes, esta potencia será la media ponderada, correspondiente a cada porcentaje de carga, a lo largo del periodo analizado).

H_F horas de funcionamiento

H_p  horas de parada

H_A horas correspondientes a arrancadas

Q_v pérdidas de calor debido a la ventilación interna durante las paradas

Q_ba pérdidas de calor debido a la ventilación interna durante los arranques

Obsérvese que el rendimiento estacional es siempre menor al rendimiento de generación instantáneo.

Estimación del rendimiento estacional.

Dado que calcular el rendimiento estacional de manera exacta requeriría toma de datos y realización de mediciones, se han desarrollado procedimientos para poder estimar este rendimiento sin tener que recurrir a estas farragosas operaciones-.

Utilizaremos los  procedimientos descritos en el apartado N de la norma:

UNE 15378: Sistemas de calefacción en los edificios. Inspección de calderas y sistemas de calefacción.

1.- A partir de datos tabulados:

• A partir del dato del rendimiento a carga parcial del 30% o del rendimiento a carga total, según la tipología y características de la caldera utilizando tablas nacionales para la obtención del rendimiento estacional aproximado:

Ejemplo: Factor de multiplicación del rendimiento a plena carga para estimar el rendimiento estacional:

2.- Método de los ciclos de la caldera:

(Este método es el que utiliza el programa CEX para el cálculo del rendimiento estacional a partir de los datos introducidos por el usuario, y proporciona un resultado mucho más exacto que el obtenido a partir de tablas)

Siendo:

η_gen el rendimiento estacional

η_comb el rendimiento de la combustión

β_cmb el factor de carga media. Este factor indica la carga media con la que el sistema generador ha operado en el período de tiempo considerado.

α_ge factor de pérdidas a través de la envolvente del sistema de generación de calor.

α_ch,off factor de pérdidas por la chimenea con el quemador parado.

El rendimiento de la combustión lo podemos obtener mediante un analizador de humos.

En caso de no disponer de este dato se tomaría un valor por defecto de 0,85 (85%)

β_cmb se obtiene mediante el cociente de el consumo real de combustible multiplicado por el cpoder calorífico del mismo , entre el producto de la potencia nominal del sistema generador multiplicado por el tiempo de funcionamiento del sistema generador (tiempo de disposición de servicio).

En caso de no disponer de este dato se tomaría un valor por defecto de 0,2

Los factores de pérdidas α_ge,  α_ch,off  encuentran tabulados en la norma UNE.

α_ge este factor depende de la potencia del sistema generador y de dos parámetros que se encuentran tabulados en la norma UNE. Para seleccionar estos parámetros se deberá conocer el estado del aislamiento de la caldera, así como la antigüedad de la misma.

α_ch,off  se encuentra tabulados en la norma UNE. Se deberá conocer el sistema de

aporte del aire de combustión que posee el sistema generador de calor.

En el próximo artículo veremos todo esto de forma mucho más intuitiva. Se expondrán dos ejemplos de introducción de datos de sendas calderas en los programas CEX y CE3