En una primera etapa todos los esfuerzos fueron dirigidos a los equipos de producción, las calderas primero, las bombas de calor después y su evolución hasta la geotérmia y aerotérmia. En éste ámbito se revolucionó la eficiencia de forma muy considerable pero seguidamente se tuvo que trabajar en el resto de componentes de una instalación de calefacción, especialmente en los emisores.

El estudio en los equipos de producción evidenció que la eficiencia de los equipos mejoraba considerablemente cuanto más se reducía la temperatura de impulsión y el salto térmico entre la temperatura de impulsión y retorno y en aquel entonces, el suelo radiante era el único sistema que trabajaba con baja temperatura.

El reto fue conseguir que la caldera fuese capaz de producir el agua a baja temperatura directamente sin necesitar grupos de mezcla para reducirla. Esto sería definitivo para mejorar la eficiencia de forma muy considerable pero los obstáculos eran desafiantes. La caldera de baja temperatura primero y la de condensación después lo consiguieron, mejorando la eficiencia en porcentajes del 22% de media pues el límite estaba en el uso de combustible fósil para la combustión. Se trataba de reducir las pérdidas en el proceso de producción y eso tenía un límite cercano.

Posteriormente se focalizó el ahorro en 2 líneas, el uso de energía renovable y la mejora del aislamiento térmico de los edificios, y se implementó el precalentamiento del agua caliente sanitaria y de calefacción con energía solar térmica así como la mejora del aislamiento y por tanto la reducción de necesidades.

Pero todas las medidas llevaban asociadas un aumento elevado del coste de la instalación y una amortización no tan cercana como sería deseable.

Finalmente irrumpió la geotérmia, una bomba de calor clásica pero que conseguía la energía del intercambio con la tierra, considerada como energía renovable por la normativa europea por su COP elevado y su gran impacto en los países nórdicos mucho más dependientes de la climatología en invierno.

Pero en España disfrutamos de una climatología más benévola y las necesidades térmicas en invierno son mucho menores por lo que los fabricantes empezaron el desarrollo de lo que se conoce como aerotermia que no es más que una bomba de calor clásica que consigue la energía del aire exterior pero equipada con la posibilidad de producir ACS incorporada, todo para encajar en la normativa que definía las características que se debían cumplir para ser considerada legalmente energía renovable y finalmente se consiguió. Los fabricantes consiguieron equipos de aerotérmia suficientemente eficientes y así vencieron la obligación de instalar placas solares térmicas en las cubiertas para cumplir con los decretos de ecoeficiencia de los ayuntamientos. 

Inicialmente, en aquellos momentos el sistema de suelo radiante tomó la delantera ya que era el único sistema que trabajaba a baja temperatura, viéndose un boom en el mercado pero sus exigencias para su instalación y regulación provocaron que se trabajase también en el desarrollo de radiadores que pudiesen trabajar a baja temperatura con un buen rendimiento.

Definición de confort. Temperatura operativa

La UNE EN ISO 7730 define las condiciones para el confort térmico, objetivo primero de los sistemas de calefacción pero el incremento del coste de la energía ha situado al mismo nivel de importancia la eficiencia de los sistemas junto también con la sostenibilidad.

Se entiende como confort aquel estado en que el usuario tiene bienestar y comodidad pero el confort depende de diversos factores agrupados en factores personales y factores externos.

Entre los factores personales tenemos; el metabolismo de las personas y el factor CLo que determina el tipo de vestimenta. Tanto uno como el otro no tienen fácil control.

Entre los factores externos encontramos; la temperatura seca del aire (Ta), la Presión de vapor del agua (Pv), La velocidad relativa del aire (Vrel), la temperatura radiante (Tr) y la temperatura de contacto (Tc)

Todos estos parámetros van a influir en los mecanismos del ser humano para equilibrar su temperatura corporal. Estos mecanismos son; la respiración con su pérdida de calor latente y sensible, la sudoración, la radiación corporal, la transmisión por convección con el aire de la estancia, la transpiración y la conducción.

Por ello, la horquilla de las condiciones de confort contempla las múltiples combinaciones de los parámetros descritos y viene definida entre los 21ºC y los 26ºC de temperatura seca o ambiente y del 30% al 70% de Humedad relativa.

Si en un diagrama adiabático trazamos una línea horizontal coincidiendo con el punto medio de la horquilla (23,5ºC y 50%Hr) comprobamos que, a mayor Hr necesitamos menor temperatura y a menor Hr obtenemos el confort deseado a mayor temperatura lo que evidencia que el confort está directamente relacionado tanto con la temperatura como con la humedad relativa.

En este sentido y como medida de ahorro energético, la UNE-EN ISO 7730 describe dicha horquilla de las condiciones básicas de confort. El RITE lo recoge en la tabla 1.4.1.1.

La temperatura operativa se define como aquella temperatura que deberían tener todos los cerramientos y el aire de la estancia en la que estamos para que intercambiásemos por convección y radiación la misma cantidad de energía que intercambiamos en una situación real. A efectos prácticos se trata de la media aritmética entre la temperatura seca del aire Ta y la temperatura radiante media ponderada Ts de las superficies de los cerramientos y ventanas del local,

En este punto cabe detenerse un momento. Si aplicamos esta fórmula a dos supuestos veremos claramente que a igual temperatura operativa no significa igual sensación de confort;

Queda perfectamente claro que el objetivo para conseguir el mayor confort es conseguir la máxima uniformidad en las temperaturas influyentes, aire paredes y suelo. No cabe duda que en función del metabolismo del momento podemos encontrar el confort con una temperatura del aire inferior que compense el exceso de metabolismo al igual que si el usuario es una persona enferma, necesitará mayor temperatura del aire. De ahí que el grado de confort se establezca según el voto medio predicho (PMV), es decir, la sensación térmica dependerá del desequilibrio energético de la persona con el ambiente que le rodea.

Visto esto queda patente que la uniformidad es el objetivo por lo que las temperaturas de trabajo sean las del fluido o las del emisor así como las de los elementos sólidos deben tender a asimilarse. Nos lleva directamente a lso sistemas de baja temperatura.

Sistemas de calefacción a baja temperatura

Los sistemas de calefacción de baja temperatura más comunes son, en la producción; las calderas de condensación, las aerotermias y las geotermias y en la distribución; suelo radiante, radiadores de baja temperatura dinámicos, estáticos y fancoils

Producción. Las calderas de condensación, aunque también existen de gasoil son mayoritariamente de gas natural. En los estudios de campo realizados con estos equipos se ha comprobado que si trabajan con emisores dimensionados para 55ºC de impulsión y 45ºC de retorno para el día más frio del año, la caldera estará a máximo rendimiento prácticamente toda la estación de calefacción. Este rendimiento máximo garantiza los mayores ahorros energéticos posibles.

Lo mismo ocurre con las bombas de calor. Si los emisores seleccionados se han dimensionado para una temperatura de impulsión inferior a 45ºC para el dia más frio del año, la bomba de calor aire-agua obtendrá el máximo rendimiento prácticamente toda la estación de calefacción.

Por tanto, los emisores deben seleccionarse a temperaturas inferiores a las citadas para permitir que los equipos de producción obtengan el mayor rendimiento.

Por otro lado, un sistema de regulación que varíe la temperatura de impulsión en función de las condiciones exteriores e interiores es primordial tanto para el confort como para el ahorro energético.

EMISión. Tradicionalmente las potencias de los radiadores descritas en los catálogos y fichas técnicas lo hacen bajo la norma Europea EN-442 que establece que dicha medición se ha de realizar en base a una diferencia entre la temperatura media del emisor y el aire ambiente de 50ºC y que cuenta con una temperatura de impulsión de 75ºC y 65ºC de retorno y 20ºC de temperatura ambiente.

En este punto, la irrupción de los nuevos equipos de producción de baja temperatura ha provocado que los fabricantes emitan las potencias de los emisores en base a un salto térmico de 40ºC con 65ºC de impulsión, 55ºC de retorno y 20ºC de temperatura ambiente.

Por ello es muy importante no extrapolar linealmente la potencia del emisor en función de una temperatura inferior a la expuesta. Debemos conocer los factores de corrección pues los emisores tradicionales reducen significativamente su emisión con temperaturas más bajas. El valor a considerar es el exponente “n” característico de cada emisor definido según la EN-442. Éste exponente establece la curva de la variación de potencia a distintas temperaturas de trabajo. 

Queda claro que a menor temperatura de trabajo menor potencia emitida por lo que, a menor potencia emitida, mayor deberá ser el emisor para alcanzar la potencia necesaria. Para corregir ésta desventaja, se has desarrollado los emisores de baja temperatura dinámicos los cuales incorporan unos ventiladores EC de muy bajo nivel sonoro y que permiten corregir el exponente hasta 1, es decir, compensan la emisión del radiador según las necesidades de cada momento. Estos radiadores incorporan la función de la convección aumentando el número de pasos del aire por el intercambiador, aumentando la potencia en los momentos críticos y desactivando la función dinámica cuando llegamos al régimen recuperando así su funcionamiento pasivo. Esta función puede llegar a alcanzar una potencia del 120% respecto a la potencia del mismo emisor en funcionamiento pasivo o estático.

Radiadores a baja temperatura

DISEÑO. Los criterios de diseño de un radiador de baja temperatura actual son básicamente:

• Máxima superficie de contacto tanto en el lado del agua como del aire.
• Mínima cantidad de masa.
• Mínimo contenido de agua.
• Máxima convección natural.

La gran diferencia de lo actuales emisores respecto a los emisores tradicionales la encontramos en su masa material y en su volumen de agua. 

El confort lo encontramos en la máxima estabilidad de la temperatura ambiente por lo que nos interesa trabajar con sistemas de rápida reacción a las necesidades del espacio y eso va directamente relacionado con la carga acumulada en los emisores. 

Cuando el sistema de regulación corta la circulación de agua hacia el emisor, toda la energía ya existente en éste, se acaba trasmitiendo al ambiente por lo que nos interesa que sea la menor posible. 

CÁLCULO. Para el cálculo de una instalación de calefacción con emisores de baja temperatura tendremos que tener en cuenta la sección de las tuberías. Al reducir la temperatura del fluido necesitaremos transportar más caudal de agua para vehicular la misma cantidad de energía.

Por tanto deberemos calcular el caudal que necesitamos vehicular en cada tramo de tubería y posteriormente consultar la gráfica del fabricante para determinar la sección que corresponda según la pérdida de carga del material seleccionado. 

Para conocer el caudal necesario aplicamos la siguiente formula simplificada: 

Por otro lado debemos garantizar los caudales adecuados a cada emisor por lo que lo haremos bien mediante válvulas de doble reglaje o mediante una distribución con colectores que incorporen caudalímetros, tal como se hace en un suelo radiante.

Tipos. Partiendo de la base que todos los emisores pueden trabajar a baja temperatura hay que tener en cuenta que los radiadores tradicionales verán aumentada su dimensión 2 o 3 veces si queremos que nos den la potencia a baja temperatura. Este factor ya demuestra que son emisores con más volumen de agua y más masa material.

En cambio los radiadores diseñados de origen para trabajar a baja temperatura reducen su tamaño asimilándose más a las dimensiones a los que estamos acostumbrados. Son los conocidos como emisores estáticos.

Pero aún hay una variante más, los conocidos como emisores dinámicos que incorporan unos ventiladores EC que permiten:

• Reducir el volumen del elemento.
• Adaptarse rápidamente a las puntas de trabajo.
• Trabajar con agua fría para verano.

Conclusiones

En definitiva y como resumen diremos que las principales ventajas de los sistemas de baja temperatura son:

• Menor consumo de los equipos de producción.
• Uso directo de los sistemas de producción vanguardistas.
• Menores pérdidas por transmisión y conducción en la instalación.
• Menores diferencias térmicas en los espacios a calefactar.
• Mayor nivel de confort.

En cuanto a la mayor desventaja de la calefacción a baja temperatura la encontramos en la dimensión de radiadores tradicionales.

Así podemos afirmar que las instalaciones son más eficientes cuanto menor sea su temperatura de trabajo, aumentando a la vez el nivel de confort.

Según el Reglamento de Instalaciones térmicas en la Edificación vigente se exigen temperaturas de diseño de agua de máximo 65ºC de impulsión y 55ºC de retorno con una temperatura ambiente de 20ºC, es decir con un salto térmico de 40ºC.

Las calderas de condensación obtendrán un mejor rendimiento que con las temperaturas tradicionales de 75ºC. Esta reducción de la temperatura de impulsión lleva consigo un aumento de al menos un 33% la dimensión del emisor tradicional.

Pero al mismo tiempo, si se reduce la temperatura de impulsión y se dimensionan correctamente los emisores el rendimiento de la caldera subirá.

El técnico competente es quien debe hacer entender a su cliente estas ventajas de forma que pueda comprender que un mayor coste de la instalación lleva implícito la amortización de ese coste, recuperándolo al ahorrar energía durante su funcionamiento. Si para una caldera de condensación se elige un sistema de trabajo con 55ºC de impulsión se obtendrá una mejor eficiencia energética.

En cambio para una bomba de calor, calcular los radiadores para temperaturas por ejemplo de 45ºC seria lo recomendable aunque los radiadores tradicionales verán aumentada su dimensión en 2 o 3 veces.

Por otro lado, usando emisores dinámicos mantendremos las dimensiones de los radiadores tradicionales existentes.

No solo hemos de elegir equipos eficaces sino que hemos de construir instalaciones eficientes y los elementos que componen una instalación pueden ser eficaces pero solo su correcta combinación, dimensionamiento, uso y control los transformarán en eficientes.