Comunicación presentada al VI Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autor
- Manuel Herrero, Adjunto a Dirección, Asociación de Fabricantes de Equipos de Climatización (AFEC)
Resumen
Las Bombas de Calor (BdC) ocupan un papel protagonista dentro de los planes de descarbonización y de utilización de energías limpias establecidos por la UE, y son diversas las referencias que se hacen a estos equipos en las Directivas relativas a la Eficiencia Energética y a las Energías Renovables, así como en diversos documentos publicados por la Comisión Europea, como es el de la Comunicación sobre la Estrategia de la UE relativa a la calefacción y la refrigeración.
Asimismo, su uso contribuye a la consecución de los objetivos establecidos en el Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 recientemente publicado por IDAE que, entre otras acciones, establece que los parques inmobiliarios deben transformarse en parques de alta eficiencia energética y descarbonizados antes de 2050, debiéndose facilitar la renovación de los edificios existentes en Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo (EECN) de una manera económicamente rentable. Dentro de este marco, se incluye un escenario objetivo en el que la aportación de Energía Renovable por las Bombas de Calor aumenta de los 650 ktep en el año 2018 a los 4.076 ktep en el 2030.
Partiendo de la base de que las prestaciones de las Bombas de Calor, su elevada eficiencia y el uso que hacen de energía procedente de fuentes renovables les sitúa entre las mejores alternativas para la climatización de los EECN, es necesario tener en cuenta algunos de los aspectos a la hora de acometer la implementación de los citados equipos en las instalaciones térmicas, tanto en la obra nueva como en la rehabilitación, con vistas a los EECN.
Palabras clave
Bomba de Calor, EECN, PNIEC, Rehabilitación
Referencias legislativas a las bombas de calor en los planes de descarbonización y de uso de energías limpias
Comunicación de la comisión relativa a la calefacción y la refrigeración
En este documento, publicado en febrero de 2016, se hace una visión de la situación energética de la calefacción y la refrigeración en Europa, que consumen la mitad de la energía de la UE, y de la que gran parte de esta energía se pierde. Por otro lado, establece unos objetivos de actuación para que las instalaciones térmicas sean más eficientes y sostenibles, con vistas a conseguir la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de la UE, según los compromisos alcanzados en la Conferencia de París sobre el clima (COP21).
El mismo señala que la Comisión Europea estudiará el apoyo a las autoridades locales a elaborar estrategias para pasar a sistemas de energía eficientes e hipocarbónicos basados en fuentes de energía renovables y el uso del calor residual, y que el análisis que se realice incluirá, entre otros sistemas, la electrificación de la calefacción mediante Bombas de Calor.
En uno de sus apartados, en el citado documento se fomenta la sustitución de los sistemas de calefacción tradicionales por Bombas de Calor cuando se acometa la reforma de un edificio.
Todos estos aspectos corroboran la idoneidad los equipos BdC a la hora de alcanzar los requisitos de consumo energético establecidos para los EECN.
Directivas relativas a la eficiencia energética y al uso de energía procedente de fuentes renovables
La Directiva 2018/844, por la que se modifican la Directiva 2010/31 relativa a la eficiencia energética de los edificios y la Directiva 2012/27 relativa a la eficiencia energética, así como la Directiva 2018/2002, por la que también se modifica la citada Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética, han supuesto un importante avance en lo que respecta a los requisitos de eficiencia energética, y de su desarrollo han derivado en diversos documentos en los que se contempla específicamente a las Bombas de Calor como elementos fundamentales para conseguir los objetivos de ahorro de energía establecidos.
Por otro lado, la Directiva 2018/2001 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables, que sustituye a la Directiva 2009/28, igualmente incluye en su ámbito a las Bombas de Calor pero, entre otras novedades, establece una nueva definición del término energía procedente de fuentes renovables» o «energía renovable».
Esta energía renovable, definida como energía procedente de fuentes renovables no fósiles, incluye la energía geotérmica (la energía almacenada en forma de calor bajo la superficie de la tierra sólida;) y la energía ambiente (energía térmica presente de manera natural y la energía acumulada en un ambiente confinado, que puede almacenarse en el aire ambiente -excluido el aire de salida- o en las aguas superficiales o residuales). Este término establece una nueva dimensión en lo que al uso de las Bombas de Calor se refiere, y da píe a la consideración de la refrigeración de los espacios ocupados dentro del ámbito de las energías renovables.
Este aspecto supondrá el establecimiento de unos objetivos europeos de uso de energía renovable en modo refrigeración, lo que derivará en un impulso adicional para las Bombas de Calor reversibles, especialmente en los países de clima cálido o medio como es el nuestro. Esta configuración de BdC, por la que estos equipos pueden proporcionar refrigeración alternativamente a la calefacción, la tienen la gran mayoría de los equipos existentes en nuestro país.
Estas Directivas tienen su correspondiente reflejo en el Código Técnico de la Edificación, y en la consecución de uno de los objetivos primordiales del mismo, que es que los edificios sean EECN. Consecuentemente, cada vez será más estrecha la correlación entre los Edificios de Consumo de Energía Casi Nulo y las Bombas de Calor.
Borrador del plan nacional integrado de energía y clima 2021-2030
En el Borrador del Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 recientemente publicado por IDAE, se establecen unos objetivos muy ambiciosos de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, de penetración de energías renovables y de eficiencia energética para el año 2030, en línea con las Directivas europeas.
Entre los objetivos del citado Plan en materia de rehabilitación energética, figura la mejora de la eficiencia energética (renovación de instalaciones térmicas) de 300.000 viviendas/año. Asimismo, marca un escenario objetivo en el que la aportación de EERR por las Bombas de Calor va a aumentar de los 650 ktep del año 2018 a los 4.076 ktep en el 2030.
Dentro de este Plan, la rehabilitación energética de los edificios ocupa un protagonismo especial, y va a suponer uno de los principales retos para alcanzar los objetivos establecidos. En el documento se menciona específicamente la necesidad de facilitar la transformación económicamente rentable de los edificios existentes en edificios de Consumo de Energía Casi Nulo (EECN), y se destaca la relevancia del avance del uso de energías procedentes de fuentes renovables.
En relación al desarrollo de las energías renovables para usos térmicos, el citado Plan prevé duplicar la contribución de las energías renovables dentro del consumo de calor y frío, para lo que prevé que será necesario revisar y elevar las exigencias en eficiencia energética y energías renovables del Código Técnico de la Edificación (CTE), así como los requisitos mínimos que deben cumplir las instalaciones térmicas, a través del Reglamento de las Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), para todos los edificios nuevos y rehabilitaciones.
Entre otras muchas acciones, plantea acometer programas de ayudas (préstamos y subvenciones), mediante líneas de apoyo a instalaciones en edificios o redes de calor, entre las que figuran las destinadas a la implementación de equipos de energía ambiente de alta eficiencia en sustitución de sistemas obsoletos, en función de las características, potencial y costes de las tecnologías, así como del potencial de mejora de la huella de carbono.
Todos estos argumentos confluyen en que, para la climatización de los edificios, que han de ser EECN, será indispensable recurrir a sistemas de climatización que hagan uso de las energías procedentes de fuentes renovables, como es el caso de las Bombas de Calor, y que desde la Administración se acometerán las acciones de diversa índole para fomentar la instalación de sistemas que hagan uso de estas energías.
Aspectos a tener en cuenta a la hora en la implementación de bombas de calor en las instalaciones térmicas de los EECN
Condiciones operacionales de las bombas de calor
Ante la perspectiva de que es necesario evolucionar de los sistemas tradicionales de calefacción a los sistemas basados en Bomba de Calor, en imprescindible tener claro que las bases para su implementación son diferentes.
La propia naturaleza de las Bombas de Calor hace que las mismas no puedan funcionar igual que un generador térmico basado en la combustión de consumibles fósiles. Incluso, el campo óptimo de operación de estos equipos difiere entre diferentes tipos de Bombas de Calor. Por ello, para beneficiarse de su gran potencial de ahorro energético y de sus avanzadas prestaciones en general, es necesario conocer bien cuales son las condiciones de funcionamiento más adecuadas de estos equipos
Esta consideración es de mayor trascendencia aún en la rehabilitación, en la que se parte de unas instalaciones existentes y, según sea el alcance de la actuación que se va a acometer, se pretenderá hacer un mayor o menor “aprovechamiento” de los componentes existentes en la instalación.
En primer lugar, un adecuado análisis del entorno y de las condiciones de funcionamiento serán claves para que el nuevo equipo instalado funcione correctamente y responda a las expectativas planteadas.
Entre estos aspectos clave, cabe destacar:
Dimensionamiento de los equipos
Para alcanzar los mayores valores de eficiencia en los sistemas basados en Bomba de Calor, es necesario hacer un estudio meticuloso y preciso de las cargas térmicas máximas de calefacción y de refrigeración, tanto en cada uno de los locales ocupados como del conjunto, así como de las necesidades de ACS, para que tanto la inversión económica como las condiciones de trabajo sean las mejores posibles.
Es fácil caer en la tentación de sobredimensionar los equipos para establecer un “margen de seguridad”, basándose en el criterio de que prácticamente todas las Bombas de Calor incorporan sistemas de modulación de la potencia (inverter) que les permiten adaptar su consumo a la carga existente. Pero un sobredimensionamiento provocará un mayor coste de inversión, una mayor dimensión de las servidumbres que acompañan a todas las instalaciones y, probablemente, una mayor dificultad de regulación y del control de los sistemas
En el caso de rehabilitación, y dependiendo del tipo de edificio que se quiere rehabilitar y de su antigüedad, es fundamental acometer, en primer lugar, y antes de abordar el dimensionamiento de la instalación, las medidas pasivas necesarias para disminuir las cargas térmicas, medidas como son:
- Aumentar el aislamiento térmico de los cerramientos, especialmente en cubiertas y fachadas.
- Instalar ventanas con alto coeficiente de asilamiento y alta estanqueidad en las carpinterías, por supuesto con rotura de puente térmico, y vidrios con bajo coeficiente de transmisión, elementos de protección contra la radiación solar, etc.
- Instalar sistemas de ventilación mecánica controlada, que regule la cantidad de aire de renovación que se introduce en los locales en función de las necesidades de ventilación, y con recuperación de calor de aire de extracción (esto último de gran importancia en zonas con clima severo).
- Esta medida, además de potenciar el ahorro energético, aumentará el confort en los espacios ocupados y mejorará la calidad del aire interior.
Una vez realizados estos pasos, se seleccionará el equipo que satisfaga las necesidades de calefacción, refrigeración y ACS, y que sea capaz de aprovechar las energías renovables y residuales disponibles.
Los diversos tipos de Bombas de Calor ofrecen diferentes alternativas que deben analizarse.
A la hora de seleccionar el tipo de equipo y el sistema de distribución a él asociado (aire o agua), hay que tener en cuenta que la gran versatilidad de equipos existentes en el mercado permite que pueda recurrirse a sistemas combinados; por ejemplo, distribución por agua para mantener unas condiciones térmicas adecuadas permanentemente en todos los espacios habitados, y distribución por aire como apoyo a la climatización en zonas con mayores cargas o como soporte al sistema de ventilación.
Por último, hay que tener en cuenta que prácticamente siempre las BdC que producen ACS, lo hacen por acumulación, por lo que es muy importante seleccionar adecuadamente el tipo y volumen del acumulador, así como la red de distribución del agua caliente sanitaria.
Una vez definidas las diferentes alternativas que pueden satisfacer las demandas, se debe realizar una comparación entre ellas, estimando, además del coste de la instalación y de las prestaciones, el consumo energético anual asociado a cada una.
Redes de distribución y unidades terminales
Tan importante como la selección del equipo es el de las unidades terminales. En el caso de la rehabilitación, este es un aspecto clave que incidirá directamente en el coste de la instalación y en su tasa de retorno.
El rendimiento de las Bombas de Calor depende de las condiciones térmicas de la fuente exterior contra la que intercambian calor, siendo sus prestaciones tanto mejores cuanto más próximas están la temperatura de la fuente exterior de la temperatura de la fuente interior. Pero son aún más sensibles a la temperatura de producción y, consecuentemente, a la de distribución, especialmente en régimen de calefacción.
Aunque las BdC actuales tienen un rango de funcionamiento muy amplio, alejarse de los valores nominales de temperatura de funcionamiento repercute de modo muy importante en los coeficientes de rendimiento de los equipos.
Por esta razón, a fin de mejorar al máximo la eficiencia energética de los sistemas, deben diseñarse los componentes de distribución y de emisión para que cuando se trabaje a cargas parciales, que es la mayor parte del tiempo, la BdC funcione con temperaturas de emisión lo más suaves posibles y tengan por consiguiente, los más altos valores de eficiencia
Asimismo, en el caso de BdC aire-agua o agua-agua, éstas trabajan con saltos térmicos, en el agua producida, inferiores a los de los generadores tradicionales de calor. Mientras estos últimos suelen funcionar con saltos de 20ºC, casi siempre las bombas de calor deben trabajar con saltos menores a 10ºC, estando habitualmente su valor óptimo en el entorno de los 5ºC. Por esta razón, tanto las bombas de recirculación como las tuberías deben dimensionarse adecuadamente. De no hacerlo así, se estrangularía el paso de agua y provocaría el mal funcionamiento del equipo, con pérdida de prestaciones y de rendimiento, pudiendo llegar incluso a saltar las protecciones internas.
Y por último mencionar que casi la totalidad de las BdC en nuestro país son reversibles, y cada vez más de ellas incorporan producción de ACS, lo que les da un plus de valor por poder suministrar con un mismo equipo la calefacción, la refrigeración y el agua caliente sanitaria.
Pero en caso de que se produzca una sustitución de un sistema de calefacción convencional basado en agua, algunos tipos de estos, como los radiadores, no admiten el funcionamiento en modo refrigeración, ya que no se podría impulsar el agua por debajo de la temperatura de rocío del aire que suele haber en los ambientes interiores (alrededor de 14ºC), a causa de la producción de condensaciones en los propios radiadores. Por lo tanto, para poder disponer de refrigeración, habría que sustituir el tipo de unidades terminales, o bien desviar el agua fría hacia otro circuito que incorpore unidades tipo fan-coil o suelo refrescante.
Todo ello implica que, cuando se pretenda acometer una sustitución de un sistema tradicional por uno basado en Bomba de Calor, casi siempre va a ser necesario realizar la debida reforma en la red de distribución y, dependiendo del tipo de unidades terminales, los elementos emisores.
Ubicación de los equipos
Las bombas de calor intercambian energía térmica con el medio exterior. Si éste es el aire ambiente (aerotérmicas), su unidad externa ha de estar ubicada en el exterior, en un espacio suficiente para que la máquina tome los caudales de aire necesarios sin impedimentos, exenta de otras fuentes de frio o de calor, y con suficientes márgenes para realizar las tareas de mantenimiento.
Si el medio exterior es agua o la propia tierra, pueden ubicarse en locales interiores, pero hay que tener en cuenta los requisitos que deben cumplir las salas técnicas en las que estén ubicados en función principalmente de la naturaleza del gas refrigerante que incorporen.
De igual modo, debe preverse la ubicación de las unidades interiores, que dependerán de su disposición: vistas, en falso techo, etc. En el caso de depósitos acumuladores para ACS, los fabricantes suelen disponer de las medidas estándar del mobiliario de cocinas (60×60 cm de base).
Tanto para la disposición de las unidades exteriores como de las interiores, es necesario tener en cuenta los requisitos establecidas por los correspondientes reglamentos de seguridad, como es el caso del Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas.
Conclusión
La legislación está estableciendo unos objetivos cada vez más ambiciosos en materia de ahorro energético y de protección del medio ambiente y, en el caso de las edificaciones, responsables en buena parte del consumo energético, los requisitos impuestos confluyen en la necesidad que los edificios tengan la calificación de EECN.
Para ello, sus instalaciones térmicas han de ser muy eficientes y deben hacer uso de energías renovables y ser capaces de aprovechar al máximo las energías residuales, por lo que las Bombas de Calor van a tener un protagonismo cada vez más destacado en la climatización de estos edificios.
Dentro de las futuras actuaciones orientadas a la mejora del parque inmobiliario, en la nueva edificación la instalación de Bombas de Calor va a ser extensiva, pero el mayor reto va a estar en la rehabilitación de edificios existentes, grandes consumidores de energía, para que alcancen el grado de EECN, y consecuentemente, cada vez será mayor la utilización de Bombas de Calor en la sustitución de sistemas convencionales de calefacción. Pero para que esta sustitución sea efectiva, hay que tener en cuenta una serie de aspectos muy importantes.
Como se ha indicado, no se puede frivolizar pensando que se puede resolver esta sustitución con el mero remplazo de unos equipos por otros. Al contrario, es necesario realizar una serie de tareas de análisis de la instalación existente, de estudios de alternativas y de cálculos para su dimensionamiento, con el fin de disponer en cada situación la solución más favorable en cada caso, tanto desde el punto de vista de la inversión, como del de la explotación y de la utilización.
Y para ello los usuarios y las propiedades habrán de recurrir tanto a los fabricantes, quienes conocen las últimas tecnologías y disponen de amplios catálogos con diferentes soluciones, como a los profesionales de la prescripción, quienes podrán asesorar de manera adecuada en relación al resto de componentes de la instalación y a la implementación del conjunto de la misma.
Referencias
- Portal de la Comision Europea EUR-lex. Comunicación de la Comisión. Estrategia de la UE relativa a la Calefacción y la Refrigeración. Directivas de Eficiencia Energética y de Fomento del Uso de Energía Procedente de Fuentes Renovables.
- IDAE. Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC) 2021-2030
- La Bomba de Calor. Fundamentos, Tecnología y Casos Prácticos. AFEC