Capítulo 1
Fundamentos para la instalación de aparatos de calefacción y climatización de uso doméstico
2. Energía, potencia, calor, temperatura
5. Producción, transporte, emisión
7. Elementos productores y emisores
10. Producción de agua caliente sanitaria
11. Fundamentos de electrotecnia
12. Interpretación de esquemas eléctricos e hidráulicos
13. Circuitos y elementos de los aparatos de producción de calor
14. Aprovechamiento energético
17. Normativa aplicable a la instalación de aparatos de calefacción y climatización
18. Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE)
Las Instalaciones de Calefacción y Climatización tienen como misión mantener la temperatura, humedad y calidad del aire dentro de los límites que se prescriban para cada caso concreto.
El término calefacción hace referencia al sistema o instalación utilizada para calentar el aire de un recinto cerrado y elevar así su temperatura ambiente. Sin embargo, la climatización es un término más amplio puesto que engloba o se refiere al proceso y a los equipos utilizados para dar a un espacio cerrado las condiciones, de temperatura, humedad del aire y a veces también de presión, necesarias para la salud o la comodidad de quienes lo ocupan y/o la conservación de las cosas. Aunque sería más lógico que se refiriese al acondicionamiento del aire en todas las épocas, verano e invierno. Por lo que se puede deducir que la climatización comprende tres factores fundamentales:
1. La ventilación.
2. La calefacción o climatización de invierno.
3. La refrigeración o climatización de verano.
A partir de esta definición se desprende que el concepto climatización equivale a lo que en inglés se llama Heating, Ventilating and Air Conditioning, o por sus siglas HVAC, expresión en la que aparecen tres conceptos separados: ventilación y calefacción por un lado y aire acondicionado por otro, luego se supone que, en inglés, esto último se entiende exclusivamente como refrigeración. Para evitar la confusión que puede producir tomar la traducción inglesa literalmente, la norma española, evita el concepto aire acondicionado.
Estas instalaciones, diseñadas para proporcionar un mayor bienestar a los ocupantes de los edificios, intentarán mantener, tanto en verano como en invierno, temperaturas que pueden oscilar entre los 20 y los 25 °C y niveles próximos al 50 % de humedad relativa.
En la norma española se abandona cualquier referencia al aire acondicionado, por ser una expresión que, aunque correcta, puede prestarse a equívoco, ya que la mayoria de la gente entiende que se refiere exclusivamente a la refrigeración (climatización de verano).
Aunque estos términos suenen a lo mismo, la verdad es que cada uno tiene una definición bien diferenciada, por lo que hay que saber las diferencias para poder construir instalaciones correctas.
Es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo. La energía se mide en julios (J), si se hace por el Sistema Internacional.
En el Sistema Técnico (muy utilizado en esta profesión), la energía se mide en calorías (cal).
Definición
Caloría
La caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado.
Se emplea mucho la kilocaloría (kcal), que es múltiplo de la caloría:
La potencia es la capacidad que posee un cuerpo para producir trabajo. La potencia eléctrica es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).
Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, por ejemplo calor, luz, movimiento, sonido, etc.
La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en kilovatios-hora (kWh).
La potencia en vatios (W) o kilovatios (kW) de todos los aparatos eléctricos debe figurar junto con la tensión de alimentación en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos.
Un vatio es la potencia que se obtiene cuando entre dos puntos de un conductor entre los que existe una diferencia de potencial de 1 V, circula una corriente eléctrica de 1 A.
La definición de calor sería la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo, que se encuentran a distinta temperatura.
Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos encuentren un equilibrio térmico.
El término calor, por tanto, se debe entender como transferencia de calor y solo ocurre cuando hay diferencia de temperatura y en dirección de mayor a menor. De ello se deduce que no hay transferencia de calor entre dos cuerpos que se encuentran a la misma temperatura.
Nota
El calor es una energía en tránsito. Siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura.
El calor es un tipo de energía, por lo que se mide en las mismas unidades que esta, es decir, en calorías (cal).
La temperatura viene dada por el nivel térmico que poseen los cuerpos. Los cuerpos que tienen más temperatura ceden más calor a los que tienen menos, hasta que estos alcancen el equilibrio térmico, es decir, que tengan la misma temperatura.
Si se mezcla agua caliente y agua fría se obtiene agua templada, así pues el agua caliente cederá temperatura al agua fría hasta que la temperatura de la mezcla se iguale.
La unidad de temperatura varía según se mida en el Sistema Internacional, que sería el grado Kelvin (K) (temperatura absoluta), o en el Sistema Técnico, que sería el grado Celsius o grado centígrado (ºC).
La relación entre las dos unidades es:
Temperatura en grados Celsius (ºC) es igual a la temperatura en grados Kelvin (K) menos 273.
Nota
El termómetro es el aparato que mide la temperatura.
Las escalas de temperatura son de dos tipos: absolutas o relativas. Los valores que da cualquier escala de medición de temperatura no tienen un nivel máximo, pero sí parten de un nivel mínimo que es el cero absoluto para las absolutas, mientras las relativas se basan en otros referentes.
Los tipos de escala se detallan de la siguiente manera:
1. Escala de Celsius (ºC). Esta escala de temperatura se basa en los puntos de fusión y ebullición del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm está en el punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión se considera que está en el punto de ebullición. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre estos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados o Celsius (°C). Esta escala se aplica en el Sistema Técnico.
2. Escala Fahrenheit (ºF). Se basa en el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico a la que se asigna un valor cero y a la temperatura normal corporal humana a la que se asigna el valor 100. Este tipo de escala se utiliza sobre todo en Estados Unidos.
3. Escala Réaumur (ºR). Esta escala se utiliza para procesos industriales específicos como el del almidón.
Nota
Puede decirse que la escala de temperatura más utilizada a nivel mundial es la escala de Celsius.
Las equivalencias entre las escalas de temperatura se muestran en la siguiente tabla.
Ejemplo
Para pasar 20 °C a grados Fahrenheit, Kelvin y Réaumur se procederá de la siguiente manera:
La conversión de grados Celsius a grados Kelvin, según indica la tabla, se realizará con la siguiente fórmula:
Para pasar a grados Fahrenheit habrá que utilizar la fórmula siguiente:
Para convertir los grados Celsius o centígrados en grados Réaumur (°R), se utilizará la siguiente fórmula:
Como se ha podido comprobar, es muy fácil pasar de una escala de temperatura a otra, solo hay que basarse en las fórmulas de la tabla anterior.
Aplicación práctica
En el indicador de temperatura de nuestro termo acumulador de agua aparece la siguiente indicación: 122 °F. Si se quiere que la temperatura del agua se mantenga a 50 °C, ¿se debe modificar el regulador de temperatura?
SOLUCIÓN
Se ha de pasar los °F a °C, para ello:
Como se puede comprobar la temperatura es la deseada y no se necesita regular nuestro termo.
Estas tres acciones o fases son fundamentales en los distintos sistemas de calefacción y climatización existentes.
Ejemplo
Existen instalaciones de calefacción que se componen básicamente de un aparato que produce el calor y hace que aumente la temperatura de un líquido (fluido caloportador), que suele ser agua, que pasa a través de este aparato y que, utilizando una red de tuberías y una bomba hidráulica, es llevado hasta unos aparatos terminales, que emiten dicho calor al medio ambiente (emisores). En este ejemplo, puede diferenciar perfectamente esas tres fases que se han nombrado: producción, transporte y emisión.
En general, todas las instalaciones de calefacción tienen un funcionamiento similar y común, que consiste en la producción del calor o de la energía calorífica, el transporte de este calor hasta el lugar a aclimatar y la emisión de este calor para conseguir el efecto deseado.
Cuando se quiere dar calor a algún lugar determinado, primero hay que producir este calor. La producción de calor se realiza por medio de una fuente de calor. Existen fuentes de calor muy diferentes, como es el fuego de una hoguera por ejemplo, pero la mayor fuente de calor es el Sol.
En la actualidad, en la vida cotidiana, una fuente de calor para calentar la vivienda puede ser un aparato (la caldera, los termos, etc.) que utiliza un tipo de energía que se convierte en energía calorífica (normalmente necesita utilizar un combustible, ya sea gas, gasoil o incluso electricidad).
Por ejemplo, para la climatización de invierno se puede emplear un sistema de calentamiento por caldera de combustible que produce calor de modo económico y desde la que se lleva agua caliente a los climatizadores por tuberías. También se puede usar lo que se conoce como bomba de calor, que absorbe el calor del aire exterior y lo transporta hacia el espacio interior, haciendo que se trate de un sistema de bajo consumo y ecológico, gracias a que su fuente principal de energía proviene del calor existente en el aire.
Mencionar además que, actualmente, existen los sistemas híbridos que tienen una caldera y una bomba de calor y donde una central electrónica decide cuál de las dos máquinas entra en funcionamiento dependiendo de las condiciones exteriores y de los precios de la energía, de manera que resulte un sistema más económico.
Por otro lado, para la refrigeración, puede hacerse de dos formas; por compresión y por absorción. Ambos sistemas se basan en que transportan calor de un punto de menor temperatura a otro de temperatura mayor.
Ejemplo
Las máquinas refrigeradoras grandes, conocidas como enfriadoras de agua, plantas refrigeradoras, etc., enfrían agua que después se distribuye a los climatizadores por tuberías. Este tipo de máquinas tienen mejores rendimientos.
En el sistema conocido como split o multi-split, el caloportador es el propio líquido refrigerante, que se lleva a los evaporadores de los terminales situados en los locales a climatizar. En este caso, la máquina refrigeradora es por compresión.
Una vez que ya se dispone de la fuente de calor, que puede ser de varios tipos tal y como se ha visto, y se crea la energía calorífica, hay que transportarla a través de algún medio material.
En instalaciones de suelo radiante, por ejemplo, este medio de transmisión es normalmente el agua. Para transportar ese agua se crea una instalación por medio de tubos y una bomba que la impulsa. Esta instalación ha de ser de ida y vuelta, es decir, cíclica y cerrada, para ir calentando siempre la misma agua.
En otros tipos de instalaciones, es necesario llevar a cabo el transporte de aire, que se llevará a cabo a través de los conductos apropiados.
Una vez creada la instalación, esta terminará en unos aparatos, denominados emisores, que son los encargados de liberar al aire el calor y hacer más confortable el espacio que se quiera calefactar.
La emisión se hace por diversos tipos de bocas de impulsión (rejillas, difusores, etc.) desde los conductos del transporte de aire.
Cuando se trata de sistemas aire-agua, además del aire de ventilación tratado en el climatizador, se emplean como apoyo ventiloconvectores (fan-coils) o inductores.
Si se trata de sistemas de split o multi-split, los evaporadores emiten directamente con un ventilador.
Como misión general, el aire impulsado debe difundirse por el local, de modo que alcance todo el volumen habitable.
El tema de emisión y/o difusión de aire es bastante amplio y se estudiará de forma más explícita, más adelante, en este manual.
Como ya se ha visto, el calor es un tipo de energía que está fluyendo de una zona de temperatura más alta a otra más baja. La recepción de calor por parte del cuerpo o materia de temperatura más baja se llama absorción calorífica.
Esta absorción de calor se puede realizar de las siguientes formas: por conducción, por convección y por radiación. A continuación se detallan cada una de ellas.
En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción, la cual se da por contacto directo entre las sustancias. La conducción consiste en la transmisión de calor de un cuerpo a otro sin desplazamiento de sus moléculas.
Ejemplo
Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción.
No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura y el movimiento que los mismos átomos ejercen. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor, como lo son los metales de transición interna.
Absorción calorífica por combustión
En la convección se produce una transmisión de calor por desplazamiento de las moléculas.
Un típico ejemplo es la transmisión por convección producida al calentar la masa de aire de una habitación, produciéndose una circulación de dicho aire con el consiguiente transporte de calor.
Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, lo normal es que se produzca un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso que se llama convección.
El movimiento del fluido puede ser natural o forzado.
Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.
La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.
Ejemplo
Al calentar desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola.
Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello, el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación y una transmisión de calor por convección. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima.
Absorción calorífica por convección
La radiación presenta una diferencia respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.
Un ejemplo claro de la absorción de calor por radiación es una chimenea encendida. Cada vez que se acerca a la llama recibe más calor, sin estar en contacto con ella. El calor que recibe la tierra del sol es otro ejemplo de calor por radiación.
Absorción calorífica por radiación
A continuación, se representa en una misma imagen los distintos tipos de absorción calorífica que puede encontrar a modo de ejemplo visual.
Se puede producir frío o calor, pero de nada serviría si no se tienen elementos emisores que hagan llegar a estos a la vivienda, habitación o ambiente en el que se sitúan.
Los elementos productores son los encargados de producir calor o frío, en función de las prestaciones del equipo y de las necesidades que se exijan. En el caso de equipos de producción de calor, por ejemplo, estos aparatos convierten un tipo de energía, como puede ser la eléctrica o la solar, o por medio de la quema de un combustible, en energía calorífica.
Los elementos productores de calor son muy variados, desde una chimenea, pasando por un calentador de gas o un termo eléctrico, hasta cualquier tipo de caldera e incluso paneles solares que recogen la energía que aporta el sol.
Chimenea
Los elementos productores de calor pueden estar destinados a un fin en concreto.
Los termos eléctricos y los calentadores de gas suelen utilizarse para la creación de agua caliente sanitaria que se utiliza en duchas, fregaderos u otras utilidades domésticas.
Termo eléctrico
Las calderas que, además de para calefacción, se utilizan también para la creación de agua caliente sanitaria (ACS), al igual que los elementos vistos anteriormente, se les llama calderas mixtas.
Caldera a gas
Los paneles solares se suelen utilizar para la creación de ACS, aunque en este tipo de instalaciones se debe instalar otro aparato como apoyo, ya que la fuente de calor solar no es constante.
Paneles solares de una instalación solar térmica doméstica
Los aparatos productores de calor pueden formar parte de una instalación centralizada, como una caldera para la calefacción de una casa o individuales, como un brasero eléctrico, una estufa de gas, el cual solo calienta una zona de esta casa.
En cuanto a los aparatos emisores son aquellos que recibiendo una energía son capaces de emitirla y calentar (en el caso de emisores de calefacción) el medio ambiente en el que se sitúan.
En calefacción unos de los aparatos emisores más empleados son los radiadores que permiten obtener calor de manera veloz y brindan un servicio silencioso y seguro. La emisión (o disipación) de calor de un radiador, depende de la diferencia de temperaturas entre su superficie y el ambiente que lo rodea y de la cantidad de superficie en contacto con ese ambiente. A mayor superficie de intercambio y mayor diferencia de temperatura, mayor es el intercambio o emisión (o disipación) de calor de un radiador. Por tanto, la emisión de calor de un radiador depende de la diferencia de temperatura entre su superficie y la del ambiente que lo rodea y de la cantidad de superficie en contacto con ese ambiente.
Radiador
Nota
Los radiadores son los elementos intercambiadores de calor entre el fluido calentado y el espacio que se quiere calentar. En la actualidad, suelen estar fabricados de chapa, aluminio o acero. Es conveniente no tapar ni obstruir los radiadores para aprovechar al máximo el calor que emiten.
Hay aparatos productores que también son emisores, como por ejemplo un brasero eléctrico, que calienta la resistencia y emite el calor alrededor suyo.
Brasero eléctrico
La diferencia entre un radiador y una estufa o un calefactor es que en el radiador no hay producción de energía, se limita a ser un disipador del calor que llega al radiador, generalmente por una red de tuberías por las que circula agua calentada en un dispositivo productor de calor (caldera, generalmente) situado en otro lugar.
La climatización consiste en crear unas condiciones de temperatura, humedad y limpieza del aire adecuadas para la comodidad dentro de los espacios habitados. La climatización puede ser referente tanto a la climatización de invierno (calefacción), como a la de verano (refrigeración).
La climatización se puede conseguir de una manera natural o artificial.
Para poder realizar un estudio de climatización hay que tener en cuenta el espacio que se va a climatizar, si es más o menos grande, así como la temperatura y humedad relativa de dicho entorno.
El aparato que se emplea en la climatización en sí es el climatizador que funciona emitiendo aire tanto frío como caliente, dependiendo de si realiza la refrigeración o la calefacción.
Este aparato emite un caudal de aire que se difunde por una canalización y dota al espacio a climatizar de la temperatura deseada por el usuario.
Climatizador
El climatizador consta básicamente de: una entrada de aire exterior, un filtro, un ventilador, uno o dos intercambiadores de frío/calor, un separador de gotas (para verano) y un humidificador (para invierno).
Los climatizadores pueden ser de tipos muy variados, puede ser individual o colectivo, así como mural, de pie, etc.
Dentro de la climatización se incluyen también los equipos de ventilación y acondicionamiento del aire, muy importantes de cara al bienestar de las personas y a la purificación y calidad del aire. Para conseguir un ambiente puro y adecuado, se debe incluir un buen sistema de ventilación porque el aire puede tener una temperatura agradable, pero puede llegar a estar viciado y no ser adecuado para las personas, afectando a la salud de las mismas. El sistema de ventilación consiste básicamente en la introducción de aire limpio en el sistema, pasando antes por el equipo de climatización para conservar unas condiciones ambientales (de temperatura, por ejemplo) adecuadas.
Generalmente, los sistemas de climatización incluyen un sistema eficaz de ventilación y un equipo que consigue las condiciones de temperatura y humedad adecuadas en el aire que emiten.
La combustión es una reacción química entre dos sustancias, combustible y comburente, en la que se libera energía.
El resultado de esta reacción es la chispa, la llama o el fuego; esto genera una gran cantidad de energía en forma de calor y luz.
Lo que ocurre durante esta reacción es que los componentes del combustible susceptibles de ser quemados (carbono, hidrógeno y azufre) se oxidan al combinarse con el oxígeno que aporta el comburente. Generalmente se utiliza el aire como comburente, que además de oxígeno (21 %), aporta a la reacción otros elementos, como nitrógeno (78 %), vapor de agua, dióxido de carbono y gases nobles en pequeñas proporciones (1 % restante). Por tanto, la combustión puede generarse directamente con el oxígeno o con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno.
Combustión
La reacción química producida es una oxidación, y las nuevas sustancias que se forman en el proceso se denominan óxidos.
El proceso de combustión se inicia con la aplicación de una fuente de calor a una mezcla lo suficientemente rica en combustible y comburente, produciéndose una reacción rápida de oxidación del combustible, que se suele manifestar en forma de llama.
Dependiendo de la cantidad de comburente que esté presente en una reacción de combustión, estas se pueden dividir en:
Hay que considerar que cualquier tipo de combustible no se encuentra en estado puro, sino que posee impurezas, sobre todo de nitrógeno y azufre. Estos también reaccionan con la combustión formando compuestos de nitratos y sulfuros. Por ello, siempre debe tenerse en cuenta que en el proceso de combustión pueden producirse sustancias tóxicas, de manera que se prestará cuidado especial en las salidas de humos.
Las propiedades más destacables que caracterizan a los combustibles son:
Nota
Los combustibles pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.
Combustibles empleados según su estado material
A continuación, se describen los combustibles más empleados dependiendo de su estado material, siendo combustibles sólidos, combustibles líquidos o combustibles gaseosos.
Combustibles sólidos
Son los primeros combustibles utilizados por el hombre. Entre ellos destacan la madera, el carbón y la biomasa.
La madera
La madera es el primer combustible usado por el hombre. Es un producto natural obtenido de troncos de árboles. La madera empleada debe estar en estado seco para poder arder.
Sabía que…
El hidrocarburo que reacciona en la leña es la celulosa de la madera.
Todavía en la actualidad se emplea la leña en estufas y chimeneas, pero de un modo más limitado; las calderas a leña prácticamente ya no existen.
La madera presenta el inconveniente de tener muchas impurezas, por lo cual se producen humos tóxicos. Por otra parte, difícilmente se logra una combustión completa, produciendo gran cantidad de residuos en forma de ceniza. Además, ocupa mucho volumen en relación al poder calorífico que despide.
El carbón
Este es un combustible fósil, al igual que el petróleo, originado por la descomposición de distintos vegetales que se han ido acumulando en zonas lacustres o pantanosas, y en una lenta transformación durante miles de años han llegado a formar importantes yacimientos.
Este combustible tradicional todavía se emplea en muchas zonas de Europa, donde hay grandes yacimientos. Uno de los problemas en su uso es la emisión de gases tóxicos, especialmente sulfuros (son los que producen la lluvia ácida).
La biomasa
Existen distintos tipos de biomasa, pero la principal es la biomasa residual, que está formada por los residuos que se generan en las actividades de agricultura (leñosa y herbácea) y ganadería, en las forestales, en la industria maderera y agroalimentaria, entre otras, y que todavía pueden ser utilizados y considerados subproductos. Como ejemplo se pueden considerar: el serrín, la cáscara de almendra, el orujillo, las podas de frutales, etc.
Combustibles líquidos
En una caldera, cuando el combustible es líquido, es necesario pulverizarlo para conseguir la mezcla, en proporciones adecuadas para que se produzca la combustión. El combustible líquido usado es el gasóleo aunque también se puede utilizar biodiésel.
El gasóleo
Este quizás sea el combustible de mayor uso en España para la calefacción.
Nota
El gasóleo es un combustible fácil de transportar.
Permite una buena regulación de las calderas, pero genera emisiones de gases tóxicos, aunque si se puede regular bien la caldera, pueden llegarse a controlar las emisiones.
El biodiésel
Se trata de un biocombustible obtenido a partir de transformaciones químicas de materias orgánicas, como aceites vegetales o grasas animales.
Se puede utilizar en calderas domésticas y comerciales.
Combustibles gaseosos
En general, el principal inconveniente que tiene la utilización de combustibles gaseosos es que exige mucho cuidado en su manejo y manipulación. Siempre se debe hacer de forma correcta, cumpliendo con la normativa vigente, ya que cualquier escape de gas puede provocar una explosión, poniendo en peligro la vida de los ocupantes de la vivienda y de otras colindantes.
Estos tipos de combustibles (los que se analizarán a continuación) son los que generan menor cantidad de residuos, ya que no emiten ningún tipo de gas tóxico durante su combustión.
Los gases licuados del petróleo (GLP)
Se trata del gas butano y del propano.
El gas butano se suele utilizar como combustible para obtener energía calorífica para los fogones de las cocinas y hornos, para los calentadores o termos a través de los cuales se consigue agua caliente y para estufas móviles. Como desventaja, hay que destacar que presenta limitaciones respecto a transporte y almacenaje.
Nota
Hay que tener mucho cuidado con las estufas de butano, puesto que necesitan una adecuada ventilación del ambiente donde se utilicen para que las personas no sufran ningún tipo de intoxicación.
El propano se utiliza, a veces, mezclado con butano. El propano tiene un punto de ebullición más bajo que el butano y su valor energético por gramo es mayor. Tienen su aplicación en cocinas, hornos y barbacoas, calentadores y calderas para obtener agua caliente, estufas móviles y calderas para calefacción y en algunos ámbitos industriales, como soldadores.
El gas natural
Es una fuente de energía no renovable formada por una mezcla de gases. Se encuentra en yacimientos de petróleo o en depósitos de carbón. Su composición es diferente según el yacimiento del que se obtenga, pero principalmente está compuesto por metano.
El biogás
El biogás es un residuo natural resultante de la descomposición de restos orgánicos en una atmósfera controlada, con la acción de microorganismos (como son las bacterias) y en ausencia de oxígeno (ambiente anaeróbico).
Está compuesto por metano y dióxido de carbono.
Dentro de una vivienda no se puede concebir hoy en día una instalación de agua que no produzca agua caliente para poder lavarse, lavar platos, etc.
Importante
Hay que recordar que la instalación de tuberías de agua es misión del fontanero, sin embargo, la instalación y manipulación de las fuentes que producen el calor está a cargo de profesionales autorizados para ello, es decir, el fontanero instalará las tuberías por donde ha de pasar el agua caliente, pero la instalación de gas que suministra al termo tiene que hacerla un profesional autorizado. Esto no quiere decir que no haya que conocer el funcionamiento de dichos aparatos que se estudiarán en este manual.
Los sistemas de producción de agua caliente sanitaria pueden realizarse, dependiendo de la capacidad, en instalaciones individuales, es decir, para una sola vivienda, o en instalaciones colectivas, para varias viviendas, varios locales, etc. Este manual está destinado a las instalaciones individuales o domésticas, por lo que la explicación se centrará principalmente en las instalaciones individuales.
Si se realiza una clasificación de estos sistemas atendiendo a su función, se pueden dividir en exclusivos, cuando la caldera o el generador de calor solo se dedican a la producción de agua caliente, o en mixtos cuando la caldera o el generador de calor se dedican a la producción de agua caliente y a la calefacción.
El primer dato que hay que conocer para seleccionar el sistema o el aparato de producción de agua caliente sanitaria adecuado es saber la cantidad de agua caliente sanitaria y la temperatura de utilización de esta.
En la siguiente tabla se pueden observar los valores aproximados de consumo de agua caliente y la temperatura de uso.
Nota
El consumo de una persona es de 50 a 60 l/d a una temperatura de 45 °C.
Así pues, la cantidad de agua caliente que se necesita para una vivienda depende del número de habitantes de esta, del número de aparatos sanitarios y del tipo que sean, además de otros tipos de consideraciones. No es lo mismo en una casa donde vivan tres personas a una en la que vivan diez, o que la casa tenga uno o cinco baños.
Nota
Hay que considerar que el consumo de agua caliente no es igual en una fecha que en otra. Así en verano, con el calor, el consumo del agua caliente disminuye.
En una instalación de agua caliente hay que tener en cuenta que es imprescindible el aislamiento térmico de las tuberías y de los depósitos que contengan el agua caliente, para no tener pérdidas de calor innecesarias.
Dependiendo de cómo se caliente el agua, la producción de agua caliente puede ser: instantánea o por acumulación, mediante depósitos de agua caliente sanitaria o mediante un sistema de recirculación de ACS.
La producción de agua caliente instantánea se realiza en el mismo instante, es decir, el agua se calienta a la vez que se produce su consumo.
Ejemplo de producción de agua caliente instantánea: termo a gas de agua caliente
Por el contrario, en los sistemas de acumulación, el agua se calienta poco a poco y se mantiene a temperatura de consumo en el interior de un depósito.
Ejemplo de sistema de acumulación: termo eléctrico
Las diferencias entre un sistema de producción de agua caliente sanitaria (ACS) instantáneo y otro de acumulación son:
Cuando se emplea un sistema de producción de ACS individual de manera instantánea, se utilizará un calentador instantáneo a gas o una caldera mixta instantánea.
Si el sistema de producción de ACS es también individual, pero por acumulación, se pueden utilizar: termoacumuladores a gas, termoacumuladores eléctricos o calderas mixtas de acumulación.
Termoacumulador
Si el sistema de producción de ACS es colectivo y por acumulación, se utilizará el termoacumulador a gas, la caldera + intercambiador + acumulador o la caldera + interacumulador.
El sistema de producción de ACS colectivo e instantáneo no es habitual instalarlo debido a la gran potencia que se necesitaría para calentar instantáneamente el agua a utilizar.
| Diferencias entre sistema instantáneo y sistema de acumulación | ||
| Sistemas | Instantáneo | Acumulación |
| Potencia | mayor | menor |
| Variación de temperatura | mayor | menor |
| Precio | menor | mayor |
| Espacio | menor | mayor |
Depósitos de agua caliente sanitaria
Los depósitos de agua caliente sanitaria se instalan cuando el sistema de producción de ACS es por acumulación. El agua que llena el depósito, se calienta y se mantiene caliente para el uso por parte del consumidor.
Dentro de los depósitos de ACS se pueden distinguir dos tipos: los que calientan el agua en el mismo depósito o calentadores acumuladores; y los que reciben el agua caliente ya a esta temperatura.
Calentadores acumuladores
Estos depósitos pueden calentarse bien por gas, en cuyo caso se llamarán calentadores acumuladores a gas, o bien por electricidad, llamados calentadores acumuladores eléctricos o termos eléctricos.
Calentador acumulador
Tanto en uno como en otro, el depósito de almacenamiento está recubierto por un material aislante que evita la pérdida de calor. Aun con este aislante, la temperatura del agua caliente va descendiendo con el tiempo.
Los calentadores acumuladores llevan dentro, en contacto con el agua, un termostato que mide la temperatura de esta. Una vez que esta rebasa un límite establecido, el termostato corta automáticamente la producción de energía para que no se caliente más y cuando el termostato marca una temperatura baja por pérdida de calor o entrada de agua fría, vuelve a emplear el sistema de calentamiento de agua, ya sea por medio de gas, electricidad o por energía solar.
La capacidad de los depósitos acumuladores de agua caliente varía con las características de la instalación; pueden ir desde los 10 l de capacidad hasta los 1.000 l en los depósitos de acumulación eléctricos y de 25 hasta 500 l en los de gas.
Depósitos que reciben el agua ya caliente
Es el caso en el que se instala una caldera, por ejemplo. Aquí también hay que instalar un depósito acumulador de parecidas características a lo visto anteriormente, pero en estos casos el calentamiento no se realiza en el mismo depósito.
En general, los depósitos se construyen en un material metálico, normalmente acero galvanizado y debidamente calorifugado para evitar la máxima pérdida posible de calor.
Al tener que producir y conducir agua caliente, el aislamiento se convierte, en esta instalación, en uno de los elementos más importantes que es necesario cuidar con el objeto de limitar a unos valores admisibles las pérdidas energéticas que, inevitablemente, se producen al estar siempre el agua caliente a una temperatura superior a la del ambiente que le rodea.
Los acumuladores e interacumuladores hasta 500 l, que pertenecen a los sistemas de pequeña acumulación, así como los termoacumuladores a gas o eléctricos, se suministran de fábrica con el aislamiento incorporado. Todos ellos se fabrican con doble pared. El aislamiento que, normalmente, emplean es una espuma de poliuretano ecológico expandido (sin CFC clorofluorocarbonos) de alta densidad inyectada en el interior de la cámara.
Los depósitos de gran acumulación se aíslan in situ utilizando planchas de espuma elastomérica u otro material aislante. En los recipientes con una superficie de pérdida menor de 2 m, el espesor mínimo de aislamiento a adoptar es de 30 mm. Cuando esa superficie supera los 2 m, el espesor mínimo pasa a ser de 50 mm.
Cuando en una instalación, normalmente colectiva, la instalación de ACS es muy extensa, es conveniente instalar una red de recirculación de agua caliente sanitaria.
El sistema de recirculación de ACS es una red de tuberías que transportan el agua de vuelta desde los puntos más alejados de la red de suministro hasta el acumulador. Su objeto es mantener un nivel aceptable de temperatura del agua caliente en toda la red de suministro, aun cuando los elementos terminales no demanden consumo durante largos periodos de tiempo.
Esta red de recirculación hace que el agua caliente se mantenga con una temperatura estable en todos los puntos de servicio cuando la instalación es tan amplia que puede dejar desabastecidos puntos de consumo de agua caliente sanitaria a la temperatura habitual.
La bomba de recirculación se instala en el circuito de agua caliente y es la encargada de mantener la circulación de retorno del agua cuando no hay consumo de esta. Al emplear esta bomba se logra que los puntos de toma tengan una mejor repartición y que, al ir regenerando el agua caliente, haya un ahorro de energía.
Importante
La red de recirculación de agua caliente debe recubrirse con aislamiento térmico por ley, al igual que la red de distribución de agua caliente.
Según el Código Técnico de la Edificación Sección HS4 Suministro de agua:
El aislamiento de las redes de tuberías, tanto en impulsión como en retorno, debe ajustarse a lo dispuesto en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y sus Instrucciones Técnicas Complementarias ITE.
Hay que tener muy claro que tanto la tubería de salida como la de recirculación y todas las que lleven agua caliente deben estar debidamente aisladas para perder el mínimo calor posible, mientras dicha agua se transporta, y así ganar en eficiencia y rendimiento energético.
Ejemplo
Una de las decisiones que hay que tomar durante el desarrollo de una instalación, es qué tipo de calentador se debe escoger para la producción de agua caliente o incluso para una instalación de calefacción.
Suponiendo que hay un piso unifamiliar con un baño, una cocina y la pila del lavadero. Lo primero que hay que decidir es qué tipo de combustible se emplea.
En este caso se podría emplear un calentador instantáneo de gas o un termo eléctrico.
El calentador instantáneo de gas es propicio para este tipo de piso. Su coste es pequeño y el servicio del gas se puede hacer bien mediante la instalación de gas natural o mediante bombonas. Si se utiliza este tipo de calentador, habría que instalarlo en un lugar con ventilación, teniendo en cuenta las normas para ello. Un sitio óptimo de instalación suele ser el lavadero.
Si, por el contrario, se decide instalar el termo eléctrico, el lugar de instalación no tiene por qué tener ventilación, por lo que se puede instalar en otros lugares de la casa. Su coste tampoco es elevado y puede resultar cómodo, sobre todo en personas mayores, el que en la casa sea todo eléctrico.
El termo eléctrico instantáneo también podría ser una opción, pero su precio es alto y el gasto energético también, pudiendo resultar demasiado alto.
En cualquiera de los dos casos hay que tener en cuenta las personas que allí vivan para poder dimensionar el calentador o termo (no se debe instalar un calentador ni demasiado pequeño, que no pueda satisfacer las necesidades del usuario, ni otro demasiado grande con el sobrecoste que ello ocasionaría).
La electrotecnia es una disciplina que estudia las aplicaciones técnicas de la electricidad, es decir, las formas de aprovechar la energía eléctrica, mediante su transformación en otros tipos de energía de utilización inmediata.
Las partes fundamentales de la electrotecnia son las que estudian, respectivamente, los circuitos eléctricos, las máquinas eléctricas y la energía eléctrica en sus aspectos de producción, transporte y distribución.
A continuación, se describen una serie de conceptos elementales necesarios para el conocimiento del transporte de cargas eléctricas en conductores y sus aplicaciones en la electrotecnia de uso industrial.
Es necesario un básico conocimiento sobre los conceptos tales como carga eléctrica, unidades de medida, tipos de corriente, etc. A continuación se estudiarán algunos de ellos.
Concepto de carga eléctrica y otros conceptos relacionados
Para ver qué es una carga eléctrica hay que conocer la estructura del átomo.
La materia está formada por moléculas, que son conjuntos de átomos unidos. Estos, a su vez, están formados por un núcleo, donde se sitúan los protones, con carga positiva, y los neutrones con carga neutra. Alrededor de este núcleo están los electrones, que son unos corpúsculos con carga negativa.
Un átomo en estado neutro ha de tener el mismo número de protones que de electrones.
Nota
Si el átomo pierde el equilibrio se le llamará positivo si ha perdido electrones, o negativo si tiene exceso de estos.
La unidad de medida de la carga eléctrica es el culombio (C).
Si en un espacio físico o en un cuerpo hay acumulación de cargas positivas en un sitio y negativas en otro, se produce un movimiento de electrones de la zona negativa a la positiva; al movimiento de electrones se le llama corriente eléctrica.
La corriente eléctrica se representa por una flecha y la letra “I” sobre el elemento por el que pasa la corriente (hay que tener en cuenta que la corriente es contraria al movimiento de los electrones).
La corriente se mide por la cantidad de carga que pasa en la unidad de tiempo y su unidad es el amperio.
La corriente continua (CC o DC) es la corriente eléctrica que fluye de forma constante en una dirección.
Ejemplo
La corriente que fluye en una linterna o en cualquier otro aparato con baterías es corriente continua.
La corriente alterna (CA o AC) es un tipo de corriente eléctrica en la que la dirección del flujo de electrones va y viene a intervalos regulares o en ciclos.
Ejemplo
La corriente que fluye por las líneas eléctricas y la electricidad disponible, normalmente en las casas, procedente de los enchufes de la pared es corriente alterna.
A continuación, aparece la representación gráfica de la intensidad de la corriente en función del tiempo.
Sabía que…
La corriente estándar utilizada en Europa y en la mayor parte del mundo es de cincuenta ciclos por segundo (es decir, una frecuencia de 50 Hz).
El voltaje o potencial eléctrico entre dos puntos es la energía que se necesita para transportar cada culombio de carga entre esos dos puntos.
El voltaje en CC en un circuito se indica con los signos + y – en los puntos donde existe la diferencia de voltaje y con la letra V. También existe voltaje en CA.
El voltaje se puede asociar a la altura de un sitio, es decir, igual que en geografía se le da una altura cero al nivel del mar, en un circuito se le da a un punto un valor de cero voltios, al que se le llama tierra o masa. Cualquier valor de voltaje en el que se indique un solo punto, será con respecto a tierra.
Las fuentes de voltaje son los dispositivos por los que se mantiene en forma permanente el voltaje en los terminales de un circuito. Dichas fuentes mantienen una diferencia de voltaje entre sus terminales. También se les llama fuentes de energía y pueden ser pilas, baterías, dinamos, generadores, etc.
En una fuente de voltaje real, el voltaje va disminuyendo según se le va pidiendo más corriente.
La resistividad eléctrica es la propiedad de cada material de oponerse al paso de la corriente eléctrica, es decir, al movimiento de las cargas eléctricas.
Dependiendo de la resistividad eléctrica que posean, se pueden encontrar materiales de alta resistividad a los que se llaman aislantes eléctricos, como el poliestireno; si tienen una resistividad media, se llamarán semiconductores eléctricos, como el silicio; y si su resistividad eléctrica es baja, se llamarán conductores eléctricos, como el cobre o el aluminio.
Nota
La resistividad eléctrica se representa con la letra ρ y se mide en ohmios por metro (Ω·m) en el Sistema Internacional.
La conductividad eléctrica es la propiedad que tiene un material de conducir la corriente eléctrica, por lo que su valor es el inverso de la resistividad eléctrica. Se representa por la letra σ.
La resistencia eléctrica es la oposición al paso de la corriente por una parte de cualquier material. La resistencia depende de las dimensiones del material.
Si un conductor de un metro de largo y un milímetro cuadrado de sección tiene una resistencia eléctrica igual a la resistividad de dicha sustancia, un conductor de ese mismo material, pero de longitud l y sección s, tendrá una resistencia l veces mayor y s veces menor.
Luego, la resistencia se puede calcular con la expresión:
Donde:
R = La resistencia eléctrica, en Ω.
ρ = La resistividad eléctrica, en Ω·m.
l = La longitud, en m.
s = La sección, en m2.
Ley de Ohm
En un conductor, el movimiento de cargas eléctricas es consecuencia de la existencia de una tensión eléctrica entre sus extremos. Por ello, la intensidad de corriente que circula por el conductor y la tensión o diferencia de potencial deben estar relacionadas. Otros fenómenos de la física presentan una cierta semejanza con la conducción eléctrica; así, el flujo de calor entre dos puntos depende de la diferencia de temperatura entre ellos y la velocidad de caída de un cuerpo por un plano inclinado es función de la diferencia de alturas.
Ese tipo de analogías, y en particular la relativa a la conducción del calor, sirvió de punto de partida al físico alemán Georg Simon Ohm (1789-1854) para investigar la conducción eléctrica en los metales. En 1826 llegó a establecer que en los conductores metálicos, el cociente entre la diferencia de potencial entre sus extremos y la intensidad de corriente que lo atraviesa es una cantidad constante, o en otros términos, que ambas magnitudes son directamente proporcionales. Esta relación de proporcionalidad directa entre tensión e intensidad recibe el nombre de ley de Ohm.
Cuando un conductor transporta una corriente, existe un campo eléctrico en su interior que ejerce una fuerza sobre las cargas libres. Como el campo eléctrico tiene la dirección de la fuerza que actúa sobre una carga positiva, y la dirección de la corriente es la de un flujo de cargas positivas, la dirección de la corriente coincide con la del campo eléctrico. Como el campo eléctrico está siempre dirigido de las regiones de mayor potencial hacia las de menor potencial, en potencial en un punto A inicial es mayor que en el punto B final. Este resultado experimental se conoce como la ley de Ohm. La constante de proporcionalidad se escribe en la forma 1/R, siendo R la resistencia.
Esta ecuación es una definición general de la resistencia entre dos puntos en función de la caída de potencial. La unidad de resistencia en el SI es el Ohmio (Ω), que es igual al voltio por amperio (V/A).
La resistencia de un material depende de su longitud, del área de su sección transversal, del tipo de material y de la temperatura, pero para los materiales que obedecen la ley de Ohm (materiales óhmicos) la caída de potencial a través de una porción de conductor es proporcional a la corriente.
La ecuación con la condición de R constante (ya que V e I son proporcionales) constituye el enunciado de la Ley de Ohm.
La intensidad de corriente que atraviesa un circuito es directamente proporcional al voltaje o tensión del mismo e inversamente proporcional a la resistencia que presenta.
Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico se compone de elementos activos y elementos pasivos.
Los elementos activos son dispositivos capaces de generar una tensión o una corriente (en forma más general un campo eléctrico) y suministrar potencia a una carga dada (entregan energía). En los elementos activos, la tensión y la corriente tienen igual signo.
Los elementos pasivos son aquellos que al circular corriente producen una diferencia de potencial entre sus bornes y disipan potencia en forma de calor (consumen energía). En los elementos pasivos, la tensión y la corriente tienen distinto signo, como por ejemplo una fuente cargándose.
Trayecto o ruta de una corriente eléctrica
El término se utiliza principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y elementos pasivos y activos, que incluye una fuente de fuerza electromotriz (FEM) que transporta la corriente o energía eléctrica por el circuito. Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado, y aquellos en los que el trayecto no es continuo se denominan circuitos abiertos.
Definición
Cortocircuito
Es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin resistencia, inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de fuerza electromotriz (FEM).
Un circuito eléctrico consta esencialmente de generador y receptor. Funcionalmente, consta de: fuente, elementos de maniobra y protección, conductores y receptor.
Se pueden distinguir varios tipos de circuitos en función de la configuración de su conexión: circuitos en serie, circuitos en paralelo y circuitos mixtos.
Circuitos en serie
Se define un circuito en serie como aquel circuito en el que la corriente eléctrica solo tiene un único camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. La corriente eléctrica es la misma en todos los puntos del circuito.
Donde:
I = Intensidad de corriente de la fuente.
V = Voltaje de la fuente.
R = Resistencia total.
Rn = Valor de la resistencia n.
In = Intensidad de corriente de la resistencia Rn.
Vn = Voltaje de la resistencia.Rn.
Aplicación práctica
Juan tiene el siguiente circuito, en el que el motor tiene una resistencia de 10 Ω, y la bombilla tiene otra resistencia de 5 Ω; el motor necesita un voltaje de 24 V para funcionar. ¿Cuántos voltios debe tener la fuente de alimentación, que coloque Juan, para que pueda mantener el motor y la bombilla encendida a la vez?
SOLUCIÓN
Teniendo en cuenta:
I1 (motor)= I2 (bombilla)
V = V1 + V2
Se sabe R1 (motor), R2 (bombilla) y V1 (motor).
Luego I1 (motor) = V1/R1 (Ley de ohm) = 2,4 A
Si I1 (motor) = I2 (bombilla) = 2,4 A
Luego:
V2 (bombilla) = I2 · R2 (Ley de ohm) = 12 V
Entonces, V (Voltaje de la fuente) = 12 V + 24 V = 36 V
Circuitos en paralelo
Se define un circuito en paralelo como aquel circuito en el que la corriente eléctrica se bifurca en cada nodo. Su característica más importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tiene la misma diferencia de potencial.
Donde, en general:
Donde:
I = Intensidad de corriente de la fuente.
V = Voltaje de la fuente.
R = Resistencia total.
Rn = Valor de la resistencia n.
In = Intensidad de corriente de la resistencia Rn.
Vn = Voltaje de la resistencia.Rn.
Circuitos mixtos
Son una combinación de elementos tanto en serie como en paralelo. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie, por una parte, y en paralelo, por otra, haciéndolo por partes y poco a poco para finalmente reducirlo a un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo.
Ejemplo
Se van a mostrar los pasos necesarios para simplificar un circuito mixto como el de la figura anterior.
Si dicho circuito tiene los valores de resistencia que se especifican a continuación, habría que dar los siguientes pasos para llegar al circuito simplificado correspondiente que se especifica al final.
En primer lugar, se va a calcular la resistencia equivalente a las resistencias de 15 y 30 Ω, que están en paralelo.
El circuito quedaría así:
Como se puede observar, el esquema representado es un circuito mixto. Por tanto, se puede resolver mediante el siguiente cálculo.
Más la suma de las resistencias en paralelo.
Resultaría como resistencia total del circuito la siguiente:
Esquemas y simbología
A lo largo de este epígrafe se han visto algunos esquemas básicos de circuitos eléctricos, pero a lo largo del epígrafe “Interpretación de esquemas eléctricos e hidráulicos” se analizarán en profundidad los elementos que se pueden encontrar en un esquema determinado para entender su significado y poder interpretarlos correctamente.
Los circuitos de mando y protección son un conjunto de pequeños mecanismos de funcionamiento automático que mejoran la protección y seguridad de la instalación.
Circuito de mando
Son aquellos que se utilizan para controlar la puesta en marcha o paro de los equipos, y forman parte de la cadena de automatismos de un aparato o un equipo. Los circuitos de mando y protección se basan en la electrotécnia.
Los más utilizados son: pulsadores, interruptores, conectores o relés y seccionadores.
Un circuito de mando constará de uno o varios circuitos, cuya finalidad es la de alimentar eléctricamente a unos actuadores encargados de realizar un trabajo. Este trabajo será típicamente mecánico aunque también podría ser calorífico, o generar un aviso luminoso, sonoro, etc. El resultado del actuador también podría ser la conexión de sistemas de potencia o generadores eléctricos.
Conveniencia de los circuitos de mando
Cuando se pretende alimentar un actuador o sistema eléctrico permitiendo cierto grado de maniobra -no limitada únicamente a la apertura o cierre-, es conveniente separar el esquema eléctrico en dos: uno principal o de potencia y otro secundario o de mando (y señalización).
El circuito principal será el encargado de transmitir la potencia al elemento accionado. Constará de tres o cuatro hilos o conductores en el caso de alimentación alterna trifásica o de dos hilos en caso de alimentación monofásica o de corriente continua y a los niveles adecuados de tensión (220 V o superior). Estos conductores deberán soportar el paso de la corriente para el que las máquinas estén diseñadas.
El circuito de mando será el encargado de realizar las funciones de temporización, autorretención, enclavamiento, etc., que permitan un mayor control del proceso o dispositivo. Consta de dos hilos porque se trabaja generalmente con alimentación alterna monofásica de 220 V o menor. Los elementos que forman parte del circuito de mando no maniobran con elevadas potencias y, por tanto, no se les exigen las mismas condiciones que a los elementos del circuito de potencia (son más baratos).
De este modo, al separar el circuito en dos, se consigue:
Si el elemento a alimentar es de escasa potencia y la maniobra que se pretende realizar es simple, no suele haber esta separación.
Circuitos de protección
Además de las acciones de maniobra que pueden englobarse en lo que se denominaría la operación normal de la instalación, existen otras acciones que son necesarias para proteger los elementos de la instalación o para proteger a las personas. De estas acciones se encargan los elementos de protección.
Dentro del primer grupo, los destinados a la protección de los elementos, se encuentran todos los dispositivos encargados de detectar condiciones anormales de funcionamiento y de realizar las acciones oportunas para evitar las consecuencias dañinas de ese mal funcionamiento. Estas acciones generalmente provocan la interrupción de la alimentación del elemento en situación anormal. Esta acción de interrupción a veces es instantánea tras la detección de la situación y otras veces permite cierto retardo en función de la gravedad de la situación.
Los principales elementos dentro de este grupo son los relés térmicos, interruptores magnetotérmicos y fusibles, que se encargan de detectar las sobrecargas y cortocircuitos.
En este sentido conviene introducir el concepto de condiciones nominales. Son aquellas por encima de las cuales no está garantizado que el equipo funcione perfectamente durante el periodo de vida del mismo:
Dentro del segundo grupo de dispositivos de protección, los que se refieren a la protección de las personas, el principal es el relé diferencial, que detecta fugas de corriente.
Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión
Los circuitos de mando y protección han de ir instalados según el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT). A continuación se detallan algunos contenidos de dicho reglamento.
Situación
Los dispositivos generales de mando y protección se situarán lo más cerca posible del punto de entrega de la derivación individual en el local o vivienda del usuario.
En viviendas deberá preverse la situación de los dispositivos generales de mando y protección junto a la puerta de entrada y no podrá colocarse en dormitorios, baños, aseos, etc.
Dispositivo general de mando y protección
En los locales destinados a actividades industriales o comerciales, deberán situarse lo más próximos posible a una puerta de entrada de estos.
Los dispositivos individuales de mando y protección de cada uno de los circuitos, que son el origen de la instalación interior, podrán instalarse en cuadros separados y en otros lugares.
En locales de uso común o de pública concurrencia, deberán tomarse las precauciones necesarias para que los dispositivos de mando y protección no sean accesibles al público en general.
La altura a la cual se situarán los dispositivos generales e individuales de mando y protección de los circuitos, medida desde el nivel del suelo, estará comprendida entre 1,4 y 2 m, para viviendas. En locales comerciales, la altura mínima será de 1 m desde el nivel del suelo.
Composición y características de los cuadros
Los dispositivos generales e individuales de mando y protección, cuya posición de servicio será vertical, se ubicarán en el interior de uno o varios cuadros de distribución de donde partirán los circuitos interiores.
Las envolventes de los cuadros se ajustarán a las normas UNE-EN 60670-1:2006 y UNE-EN 61439-3:2002, con un grado de protección mínimo IP30 según UNE-EN 61439-3:2012 e IK07 según UNE-EN 62262:2002. La envolvente para el interruptor de control de potencia será precintable y sus dimensiones estarán de acuerdo con el tipo de suministro y tarifa a aplicar. Sus características y tipo corresponderán a un modelo oficialmente aprobado. Los dispositivos generales e individuales de mando y protección serán, como mínimo:
Definición
ITC-BT
Son las siglas de Instrucción Técnica Complementaria-Baja Tensión.
Si por el tipo o carácter de la instalación se instalase un interruptor diferencial por cada circuito o grupo de circuitos, se podría prescindir del interruptor diferencial general, siempre que queden protegidos todos los circuitos.
En el caso de que se instale más de un interruptor diferencial en serie, existirá una selectividad entre ellos.
Definición
Selectividad eléctrica
La selectividad eléctrica es la coordinación de los dispositivos de corte para que un defecto proveniente de un punto cualquiera de la red sea eliminado por la protección ubicada inmediatamente aguas arriba del defecto y solo por ella. Esto hace que, ante un defecto, no se quede sin suministro eléctrico toda la instalación completa.
Según la tarifa a aplicar, el cuadro deberá prever la instalación de los mecanismos de control necesarios por exigencia de la aplicación de esa tarifa.
Características principales de los dispositivos de protección
El interruptor general automático de corte omnipolar tendrá poder de corte suficiente para la intensidad de cortocircuito que pueda producirse en el punto de su instalación, de 4.500 A como mínimo.
Los demás interruptores automáticos y diferenciales deberán resistir las corrientes de cortocircuito que puedan presentarse en el punto de su instalación. La sensibilidad de los interruptores diferenciales responderá a lo señalado en la ITC- BT- 24.
Los dispositivos de protección contra sobrecargas y cortocircuitos de los circuitos interiores serán de corte omnipolar y tendrán los polos protegidos que correspondan al número de fases del circuito que protegen. Sus características de interrupción estarán de acuerdo con las corrientes admisibles de los conductores del circuito que protegen.
Los esquemas son la forma de representar gráficamente la composición de un objeto, como puede ser cualquier aparato electrónico (TV, radio, computadora, etc.) o instalación (eléctrica, de fontanería, de gas, etc.).
El esquema está compuesto por un grupo de símbolos que en conjunto están indicando los elementos que componen el aparato o instalación que representan, para que funcione correctamente. Algunos símbolos van acompañados de una nomenclatura que indica las características del elemento representado como puede ser, por ejemplo, una resistencia donde una forma de representarla es con un rectángulo al que se le puede añadir el valor óhmico y su potencia en vatios, etc.
Dentro de lo que compete a este manual, hay que controlar la realización e interpretación de los esquemas para poder realizar las instalaciones correctamente y que los aparatos de calefacción y climatización funcionen a la perfección. Una instalación de calefacción y climatización se compone de una parte eléctrica, que hace que funcionen, se pongan en marcha y se paren los aparatos, y otra parte hidráulica, que es la que lleva el líquido que se calienta o enfría hasta los emisores o climatizadores.
A continuación, se describen los símbolos eléctricos más utilizados, con los que se pueden componer y descifrar los esquemas eléctricos, ya que dichos esquemas están constituidos por estos símbolos.
Anexo III. Real Decreto 275/1995
Con estos símbolos se puede construir una serie de esquemas para poder realizar circuitos eléctricos.
En cuanto a los esquemas hidráulicos, su simbología más usual es la que se presenta en la siguiente tabla.
Aplicación práctica
Pedro está montando una instalación de agua en su vivienda donde tiene varias salidas de agua, una va al riego del jardín posterior y la otra al riego del jardín delantero. El sistema de riego está programado para que se riegue automáticamente una zona u otra de la vivienda. ¿Qué tipo de símbolo tendrá la válvula de unión de las tres tuberías que deberá montar Pedro?
SOLUCIÓN
Válvula de tres vías motorizada.
Cuando se procede a la instalación de un aparato productor de calor, hay que conocer con precisión y claridad la forma y técnica de montaje de dicho aparato. El fabricante adjunta con el aparato un plano de instalación y de composición de este, que se debe estudiar e interpretar claramente de forma previa.
Los aparatos de producción de calor más normales son las calderas, los calentadores y los quemadores, los cuales se verán con más detalle en capítulos siguientes.
Las calderas y los calentadores tienen distintos tipos de circuitos específicos.
El circuito hidráulico es el que establece el agua al pasar por ella. Hay que tener en cuenta que una caldera hay que conectarla a la instalación de agua caliente sanitaria y a la instalación de calefacción. El agua pasa por el aparato calentador o el quemador de una caldera y es sometido a un aumento de temperatura. Este agua caliente recorre una serie de tuberías que la llevan a los aparatos emisores de calor, los cuales lo reparten a las estancias que se hayan determinado.
Este circuito hidráulico es único en el interior de los calentadores o calderas, pero al salir de dichos aparatos, el circuito puede ser doble, como por ejemplo en las calderas mixtas, que producen ACS por un lado y calefacción por otro. Para direccionar el agua hacia un circuito u otro se instala un elemento llamado válvula de tres vías.
Dentro del circuito hidráulico de la caldera, la válvula de tres vías tiene dos posiciones de funcionamiento; estas son las siguientes:
Por otra parte, estos aparatos contienen un sistema eléctrico y electrónico para el funcionamiento de partes de su aparato como los circuitos de mando y control. Existen calentadores que emplean la electricidad para calentar el agua u otro líquido que emita calor o refrigere.
Otro de los circuitos que se pueden encontrar en los calentadores y calderas es el circuito del combustible que utilice la caldera o el calentador. El más común es el de gas, aunque también está muy extendido el de gasóleo. Dicho circuito va desde el depósito que almacena dicho combustible hasta el aparato en cuestión, que en una caldera sería el quemador.
Recuerde
Dentro del circuito hidráulico de la caldera, la válvula de tres vías tiene dos posiciones de funcionamiento; estas son: función calefacción y función de ACS.
El aprovechamiento energético consiste en intentar aprovechar el recurso de energía de manera que no se pierda en el camino, ni se hagan gastos inútiles de dicha energía.
El consumo de energía en el hogar depende de muchos factores, como son la zona climática donde se ubica la vivienda, la calidad constructiva, el nivel de aislamiento, el grado de equipamiento, el uso que se le da a los equipos, etc.
Según el IDEA (Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía), la estructura del consumo total (%) es:
Existen medidas de bajo coste o sin coste alguno, que pueden reducir el gasto de energía entre el 10 % y el 40 %.
La temperatura a la que se programa la calefacción condiciona el consumo de energía de los sistemas de calefacción. Por cada grado que se aumente la temperatura, se incrementa el consumo de energía aproximadamente en un 7 %.
Nota
Aunque la sensación de confort sea subjetiva, se puede asegurar que una temperatura de entre 19 y 21 ºC es suficiente para la mayoría de las personas. Además, por la noche, en los dormitorios basta tener una temperatura de 15 a 17 ºC para sentirse confortable.
En el R. D. 486/1997, por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo, se indica que la temperatura de los locales donde se realicen trabajos sedentarios propios de oficinas o similares estará comprendida entre 17 y 27 ºC y donde se realicen trabajos ligeros, entre 14 y 25 ºC. Y en la Guía Técnica del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo (INSHT) sobre trabajos con pantallas de visualización de datos (trabajos de oficina con una pantalla de ordenador), se recomienda una temperatura entre 20 y 24 ºC en invierno y de 23 a 26 ºC en verano.
Para los sistemas de caldera y radiadores de agua caliente, un procedimiento para mantener la temperatura deseada en cada una de las habitaciones consiste en la instalación de válvulas termostáticas sobre los propios radiadores. Estas válvulas tienen varios niveles de ajuste, en función de la temperatura deseada, abriendo o cerrando el paso del agua caliente al radiador, según corresponda.
Para aquellos casos en los que la vivienda esté vacía durante un número elevado de horas es interesante poner un termostato regulable.
Consejo
Un procedimiento sencillo, y al alcance de todos, consiste en bajar la temperatura del termostato en 4 o 5 ºC cuando se vaya de casa por un periodo prolongado y volverlo a subir cuando vuelva.
El rendimiento es la relación entre lo que se produce y lo que se consume para producirlo.
El rendimiento de combustión da un ratio inferior al 100 %, puesto que la combustión no es perfecta (existen partes que no se queman).
Las normas españolas y europeas aconsejan el PCI (Poder Calorífico Inferior) como referencia de cálculo de rendimiento de una caldera. El poder calorífico inferior PCI indica la cantidad de calor que puede ser producida con una determinada cantidad de combustible. El rendimiento sobre PCI expresado en porcentaje permite evaluar el rendimiento de la caldera.
El rendimiento de una caldera expresa su capacidad para recuperar la energía de su combustible para devolverlo al circuito de calefacción.
El rendimiento de una caldera también debe tomar en consideración las pérdidas por las paredes de la misma.
Esto actualmente se expresa en porcentaje de la energía directa producida por el combustible (PCI = Poder Calorífico Inferior) sin tener en cuenta la energía del calor latente que se puede recuperar de los humos (PCS = Poder Calorífico Superior).
Nota
Las normas españolas y europeas señalan el PCI como referencia de cálculo del rendimiento.
En el mismo sentido, el rendimiento de producción debe tener en cuenta las pérdidas de la caldera por los humos. Eso explica que una caldera a condensación que recupera la energía contenida en los humos de la combustión (PCS) puede tener un rendimiento próximo a 110 % del PCI.
El rendimiento de las calderas viene marcado por un número de estrellas, el cual está regulado en el Real Decreto 275/1995, modificado por la Directiva 93/68/CEE del Consejo, que identifica las prestaciones energéticas de los edificios. De acuerdo a esta norma, llevan una estrella las instalaciones con un rendimiento a potencia nominal mayor o igual al 84 % y dos, aquellas cuyo rendimiento es mayor o igual al 90 %. No obstante, la normativa de las estrellas se derogó en Europa en el año 2005, por lo que es previsible la transposición de esta norma en el futuro y la modificación del RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios).
Los diferentes tipos de calderas deberán cumplir los siguientes rendimientos útiles:
1. A potencia nominal, es decir, funcionando a la potencia nominal Pn, expresada en kW, y para una temperatura media del agua en la caldera de 70 ºC.
2. Con carga parcial, es decir, funcionando con una carga parcial del 30 por 100, y para una temperatura media del agua en la caldera variable según el tipo de caldera.
Los rendimientos útiles que deberán cumplirse figuran en la tabla siguiente:
Anexo III. Real Decreto 275/1995
En el Real Decreto 390/2021 se establecen las condiciones técnicas y administrativas que deben regir la realización de las certificaciones de eficiencia energética de los edificios y la correcta transmisión de los resultados obtenidos en este proceso de certificación energética a los usuarios y propietarios de los mismos.
Asimismo, se establecen las condiciones técnicas y administrativas para la aprobación de la metodología de cálculo de su calificación de eficiencia energética, considerando aquellos factores que más incidencia tienen en el consumo de energía de los edificios, así como para la aprobación de la etiqueta de eficiencia energética como distintivo común en todo el territorio nacional.
La finalidad de la aprobación de dicho procedimiento básico es la promoción de la eficiencia energética en los edificios, así como, que la energía que estos utilicen sea cubierta mayoritariamente por energía procedente de fuentes renovables, con la consiguiente reducción de las emisiones de CO2 en el sector de la edificación.
Ejemplo de etiqueta de Certificado de Eficiencia Energética de un edificio
En la fase de ingeniería se calificará el edificio con las condiciones de diseño. Esa etiqueta se podrá mantener siempre que la ejecución de la obra se ajuste a dichas condiciones. De no ser así, la Certificación tendría que ser modificada dando lugar a la etiqueta definitiva del edificio. Para obtener una buena calificación, el edificio debe conseguir tener:
Las instalaciones térmicas deben diseñarse y calcularse, ejecutarse, mantenerse y utilizarse de tal forma que se reduzca el consumo de energía convencional de las instalaciones térmicas y, como consecuencia, las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes atmosféricos, mediante la utilización de sistemas eficientes energéticamente, de sistemas que permitan la recuperación de energía y la utilización de las energías renovables y de las energías residuales, cumpliendo los requisitos siguientes:
1. Rendimiento energético. Los equipos de generación de calor y frío, así como los destinados al movimiento y transporte de fluidos, se seleccionarán en orden a conseguir que sus prestaciones, en cualquier condición de funcionamiento, estén lo más cercanas posible a su régimen de rendimiento máximo.
2. Distribución de calor y frío. Los equipos y las conducciones de las instalaciones térmicas deben quedar aislados térmicamente, para conseguir que los fluidos portadores lleguen a las unidades terminales con temperaturas próximas a las de salida de los equipos de generación.
3. Regulación y control. Las instalaciones estarán dotadas de los sistemas de regulación y control necesarios para que se puedan mantener las condiciones de diseño previstas en los locales climatizados, ajustando, al mismo tiempo, los consumos de energía a las variaciones de la demanda térmica, así como interrumpir el servicio.
4. Contabilización de consumos. Las instalaciones térmicas deben estar equipadas con sistemas de contabilización para que el usuario conozca su consumo de energía, y para permitir el reparto de los gastos de explotación en función del consumo entre distintos usuarios, cuando la instalación satisfaga la demanda de múltiples consumidores.
5. Recuperación de energía. Las instalaciones térmicas incorporarán subsistemas que permitan el ahorro, la recuperación de energía y el aprovechamiento de energías residuales.
6. Utilización de energías renovables. Las instalaciones térmicas aprovecharán las energías renovables disponibles, con el objetivo de cubrir con estas energías una parte importante de las necesidades del edificio.
Las instalaciones de calefacción deben cumplir el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio, y, en lo que respecta a temas relativos a seguridad, salubridad y ahorro energético, deben cumplir el Código Técnico de Edificación (CTE), Real Decreto 314/2006 de 17 de marzo. Estas son las normas más importantes, aunque no las únicas.
La normativa referente a la instalación de aparatos de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria es larga y extensa. Las normativas que hay que tener en cuenta a la hora de desarrollar una instalación son las siguientes:
El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) establece las condiciones que deben cumplir las instalaciones destinadas a atender la demanda de bienestar térmico e higiene a través de las instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria, para conseguir un uso racional de la energía.
El R. D. 1027/2007, está compuesto por un artículo único, tres disposiciones transitorias, una disposición derogatoria única, cuatro disposiciones finales y un anexo, en el cual se desarrollan los contenidos del RITE.
Las mayores exigencias en eficiencia energética que establece el RITE, se concretan en:
Con el fin de facilitar el cumplimiento de las exigencias del RITE se crean los denominados documentos reconocidos, que se definen como documentos técnicos sin carácter reglamentario, pero que cuentan con el reconocimiento conjunto del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico.
De acuerdo con el artículo 7 del RITE se crea un Registro general de documentos reconocidos del RITE, adscrito a la Secretaría de Estado de Energía del Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico.
El RITE además impone la obligación de revisar y actualizar periódicamente, al menos cada cinco años, las exigencias de eficiencia energética. Es esta una tarea que compete a la Comisión Asesora del RITE, encargada de realizar las propuestas conforme a la evolución de la técnica y la política energética nacional.
Este real decreto tiene el carácter de reglamentación básica del Estado. Para su aplicación se deberá desarrollar por las comunidades autónomas la reglamentación complementaria correspondiente. Esto quiere decir que las comunidades autónomas podrán introducir requisitos adicionales sobre las mismas materias cuando se trate de instalaciones radicadas en su territorio.
Nota
Algunas de las instrucciones técnicas de RITE, han sido modificadas por el Real Decreto 178/2021, de 23 de marzo.
En este capítulo se han visto las bases que contiene una instalación de calefacción. El tipo de emisiones de calor es por conducción, por convección y por radiación.
En una instalación de calefacción o climatización existen tres fases desarrolladas por elementos diferentes: la fase de producción de calor, el transporte de este y la emisión al lugar que se quiere calentar.
Los productores de calor son aparatos como la caldera, un calentador o incluso un brasero o una chimenea. Los productores deben utilizar unos combustibles que, al realizar la combustión, es decir, al quemarlos, produzcan calor. Estos combustibles pueden ser sólidos, líquidos o gases. Dependiendo de que la combustión sea más o menos efectiva, se dice que el aparato tiene más o menos rendimiento.
El transporte se realiza por medio de tuberías que se han de instalar para que lleven el calor hacia los aparatos diseñados para disipar el calor al ambiente de la zona a calentar o climatizar, que son los llamados aparatos emisores.
Además de producir calor para el ambiente, también se puede crear agua caliente sanitaria de manera que se forme instantáneamente, cuando la pida el consumidor, abriendo un grifo o mediante acumulación de esta en un depósito habilitado para ello.
Las instalaciones de calefacción se plasman en planos que contienen símbolos y esquemas, tanto eléctricos como hidráulicos, que hay que saber leer para poder interpretarlos correctamente.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. ¿Cuál de estas afirmaciones no es correcta?
2. ¿Qué escala de temperatura es conocida como temperatura absoluta?
3. Una instalación de calefacción consta de la siguientes fases:
4. La transferencia de calor en un sólido se efectúa por…
5. ¿Cuál de estos elementos no es productor de calor?
6. ¿Qué aprueba el Real Decreto 390/2021?
7. Señale la opción correcta.
8. ¿Qué tipo de los siguientes circuitos no forma parte de una caldera?
9. Si el rendimiento de una caldera es inferior al 100 % quiere decir que…
10. ¿Qué quieren decir las siglas RITE?