En sistemas de distribución como puede ser el circuito de emisores (suelo radiante, fancoils, radiadores) de una instalación de calefacción/refrigeración, el circuito de carga es necesario asegurar el caudal adecuado.
Una instalación hidráulica es un sistema de tuberías, valvulería y otros accesorios que tiene como objetivo la distribución de un fluido para un servicio. En particular, en las instalaciones térmicas, el objetivo de la instalación hidráulica en muchos casos no solo es la distribución del fluido, sino también la transferencia de energía en forma de calor entre dos puntos de la instalación.
En el mundo de las instalaciones térmicas disponemos de dos tipos de circuitos:
i) Circuitos cerrados: Donde todo el fluido circula cíclicamente por la instalación, es decir, sin consumo del fluido a excepción de la reposición de pérdidas de la instalación. Este tipo de circuitos incluirían los sistemas de calefacción y refrigeración o los primarios de producción de agua caliente sanitaria (ACS). Para la circulación del fluido en el circuito es necesario algún elemento mecánico, que generalmente es una bomba de circulación.
ii) Circuitos abiertos: Donde el fluido atraviesa la instalación para su consumo posterior. Por ejemplo, sistemas de distribución de agua fría o de ACS. En este caso la circulación del fluido puede ser por elementos mecánicos o por diferencias de presión entre la entrada y el consumo.
Sabemos que en una instalación hidráulica una mayor pérdida de presión (o pérdida de carga) en la línea implica una reducción en el caudal que circula por ella o, análogamente, que un aumento del caudal supone una mayor pérdida de presión.
Teniendo esto en cuenta, en una instalación hidráulica podemos entender el equilibrado hidráulico desde dos puntos de vista:
a) Equilibrado en la instalación de pérdidas de carga. Por ejemplo, para asegurar que el caudal de circulación se distribuye correctamente hacia los distintos puntos de consumo, generadores o emisores.
b) Equilibrado de caudales en acumuladores y separadores hidráulicos. Por ejemplo, cuando existen circuitos primarios de producción de calor y circuitos secundarios de distribución que trabajan con distintos caudales.
En sistemas de distribución como puede ser el circuito de emisores (suelo radiante, fancoils, radiadores) de una instalación de calefacción/refrigeración, el circuito de carga de los interacumuladores en una instalación de ACS o un circuito primario de captadores solares
térmicos, es necesario asegurar que cada circuito (emisor, intercambiador o colector en los ejemplos anteriores) cuente con el caudal de diseño adecuado.
Teniendo en cuenta que cada circuito puede demandar un caudal diferente y pequeñas variaciones en la instalación hidráulica (diferencias en la pérdida de carga) pueden favorecer el paso del fluido hacia un circuito u otro, la única forma de asegurar el correcto funcionamiento de la instalación es el equilibrado de las pérdidas de carga en cada circuito a través de buenas prácticas de diseño, como el correcto dimensionado de las secciones de tubería en función del caudal requerido o el uso de retornos invertidos, y el uso de válvulas de equilibrado.
Sin un correcto equilibrado de los circuitos el funcionamiento de alguno de ellos puede verse perjudicado o en muchos casos incrementar los costes de bombeo al ser necesarios equipos de mayor capacidad (y por tanto consumo) para asegurar el caudal necesario en el circuito más desfavorecido. Este es un problema habitual en instalaciones de calefacción por columnas donde no existe equilibrado de los circuitos y a los puntos de consumo más alejados en muchos casos no les llega el caudal suficiente, la línea se enfría y sienten disconfort térmico aunque la bomba sea capaz de mover el caudal de diseño de la instalación.
Por otro lado, en instalaciones hidráulicas de calefacción o refrigeración donde el circuito primario de los generadores y el circuito secundario de emisores trabajan con saltos térmicos diferentes (p.ej.: instalaciones de suelo radiante con caldera) o donde el caudal requerido por el circuito secundario es diferente al del primario (p.ej.: en instalaciones centralizadas donde la potencia de emisores es superior a la carga máxima simultánea de la instalación) es habitual dividir hidráulicamente la instalación con un separador hidráulico (aguja hidráulica o inercia) para asegurar que el primario de producción y el secundario de distribución trabajen independientemente en su punto de máxima eficiencia. Otro ejemplo puede ser el de aquellas instalaciones con almacenamiento de energía (p.ej.: instalaciones solares con acumulación en primario) que por su diseño requieran separar hidráulicamente el primario y el secundario.
Un mal equilibrado de caudales en el separador hidráulico puede generar mezcla entre corrientes perjudicando el funcionamiento del primario (p.ej.: temperaturas de retorno demasiado elevadas en instalaciones solares) o la eficacia del secundario (p.ej.: temperaturas de impulsión menores a las requeridas).
En particular, con la llegada de nuevas tecnologías basadas en bomba de calor (aire-agua o agua-agua), cuando se reforman instalaciones existentes y se sustituyen los generadores antiguos (generalmente calderas) o se hibridan con la bomba de calor, manteniendo el sistema emisor antiguo es importante el uso de separadores hidráulicos para:
En estas circunstancias, un mal diseño del separador hidráulico puede perjudicar el funcionamiento de la instalación.
Instalación solar SIN retorno invertido. Sin válvulas de equilibrado, el panel solar más cercano se convierte en camino preferente.
Instalación solar CON retorno invertido. Al equilibrar las pérdidas primarias entre la impulsión y el retorno se equilibran pasivamente los distintos ramales y podría prescindirse de válvulas de equilibrado.
De manera general, en aplicaciones de calefacción, es deseable que la impulsión de los generadores y la aspiración de los circuitos secundarios se realice en la parte alta del separador mientras los retornos se conecten a las partes bajas. De esta manera de existir estratificación en el separador, se asegura que la parte alta tiene la temperatura más próxima a la impulsión de los generadores.
Cuando se separan hidráulicamente dos circuitos (primario y secundario) existen tres casos:
Cuando existen diferencias entre los caudales de primario y secundario se recomienda que la sección del separador se dimensione para que la velocidad en el separador no supere los 0,1 m/s, de esta manera se asegura la estratificación en el separador.
Asimismo, para evitar zonas de mezcla indeseadas y gran pérdida de carga en el separador, se recomienda que las tomas de este se dimensionen para una velocidad de entrada/salida inferior a 0,9 m/s.
Cuando sobre el mismo separador hidráulico trabajen diversos generadores que trabajen con el mismo salto térmico (p.ej.: dos generadores iguales en secuencia) se recomienda hacer un colector de impulsión y retorno sobre la misma toma o usar tomas a la misma altura.
Si los generadores trabajan con saltos térmicos diferentes y el separador o inercia cuenta con tomas a distintas alturas, pueden utilizarse las tomas intermedias para la impulsión del equipo de media temperatura.
En aplicaciones de reforma con bomba de calor con o sin hibridación de caldera debemos tener en cuenta que los caudales de trabajo del equipo son diferentes al de las calderas.
Teniendo en cuenta que la potencia térmica es directamente proporcional al caudal y el salto térmico, para una bomba de calor que suele tener un salto térmico de entre 3 y 4 veces menos que el de una caldera, el caudal debe ser entre 3 y 4 veces superior para desarrollar la misma potencia.
Por este motivo en sustituciones completas, es recomendable adaptar la instalación con un nuevo primario para la bomba de calor, separar hidráulicamente del secundario existente y permitir que cada circuito trabaje con el caudal y salto térmicos correspondientes.
En instalaciones híbridas existen diversos tipos de esquemas de principio como por ejemplo:
No es el cometido de este artículo analizar cada tipo de esquema de principio, ya que el tipo de circuito emisor complicaría aún más las casuísticas a considerar. No obstante, sí se quiere señalizar que debido a que los sistemas basados en bomba de calor trabajan con saltos térmicos y, por tanto, caudales diferentes a generadores tradicionales tipo caldera, es importante analizar en cada caso cómo afecta a la instalación propuesta la reconversión a bomba de calor.
Algunas preguntas que podemos hacernos son:
-¿Es capaz la bomba de calor de alcanzar la temperatura requerida por el sistema?
-¿Puede sustituirse directamente el generador actual por una bomba de calor? ¿Es necesario separar hidráulicamente?
-¿Cómo se comportaría la instalación a plena carga? ¿Y cuando la demanda sea inferior?
A lo largo del artículo hemos discutido la importancia del equilibrado tanto desde el punto de vista puramente hidráulico como del equilibrado de caudales en separadores hidráulicos y planteado las posibles problemáticas que podemos encontrarnos y las distintas opciones para el correcto dimensionado de las instalaciones.
Autor: Daniel Fernández
Miembro de La Comisión Técnica de FEGECA
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