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Sistemas Híbridos, oportunidad de negocio y beneficio para la sociedad

vivienda moderna con piscinaSabin Urrutia, Product Manager en Saunier Duval, ofrece a los los lectores de Caloryfrio.com, un artículo técnico sobre los sistemas híbridos que combinan, inteligentemente gestionados, la aerotermia con otros tipos de generadores para aprovechar los puntos fuertes de cada uno y evitar los débiles. 

Ahora que la obra nueva escasea, las actuaciones en reformas no son abundantes y quienes han de sufragar los gastos no tienen ni el ánimo ni la facilidad para financiarlos, cualquier obra que se plantee debe enfrentarse, sin contemplaciones, a su utilidad y su capacidad de aportar beneficios fácilmente explicables para el propietario y usuario y para la sociedad.
 
Surge así una oportunidad de negocio para el sector que aporta beneficios al usuario ofreciéndole ahorros de hasta el 60% de la factura energética de su vivienda en calefacción y ACS y a la sociedad reduciendo las emisiones de CO2 y el consumo de energía primaria.
 
Mediante una sencilla instalación, tanto en vivienda habitada como en proyecto, los Sistemas Híbridos combinan, inteligentemente gestionados, la aerotermia con otros tipos de generadores para aprovechar los puntos fuertes de cada uno y evitar los débiles. Este artículo presenta no sólo en qué consiste este sistema y cómo debe gestionarse para conseguir los resultados esperables sino además dos casos reales ya en funcionamiento.
 

¿Porqué hay una oportunidad de negocio?

 
La factura anual que una familia paga por la energía que consume en su vivienda es elevada y, dado el continuo incremento de los precios, este importe supone que no son pocas las familias que han de prescindir del confort.
 
Según datos del IDAE, se considera un consumo medio de 17.012 kWh anuales para una vivienda en superficie (unifamiliar, adosada, etc). La importancia de la calefacción y el agua caliente sanitaria (ACS) tiene un peso aproximado del 75% del total. El consumo en refrigeración, en valores agregados, no supera el 1%. En el caso de viviendas en bloque, estos valores son: 7.859 kWh anuales de consumo del cual el 58% corresponde a estos servicios.
 
Por tanto, si se puede intervenir para reducir el consumo de energía en calefacción y ACS pueden obtenerse beneficios fácilmente transmisibles al usuario y reconocibles por el consumidor y, como consecuencia, una vía de negocio posible para el sector industrial objeto de este artículo.
 
Saunier-sistemas-hibridos. Grafíco de vivienda en bloque, consumo anual
 

Tamaño del mercado y cliente potencial

 
Como se indicaba más arriba, la solución que se propone en este artículo es válida tanto para la vivienda existente como para la vivienda en proyecto. Aunque esta solución puede adaptarse a las viviendas en bloque, debido a las dimensiones de los componentes que se van a presentar, es necesario algo de superficie disponible lo que apunta a las unifamiliares, bifamiliares y adosadas como los potenciales beneficiarios.
 
Para disponer de una visión de cuál es el tamaño de este mercado se adjuntan como referencia los datos de IDAE que dividen el mapa nacional en tres sectores según la climatología: Atlántico Norte, Continental y Mediterráneo. Incluso si se centra el objetivo en las viviendas en superficie esto supone un mercado de más de 5 millones de viviendas.
 
Los dos casos reales que posteriormente se verán están ubicados uno de la zona atlántica y el otro de la zona mediterránea de tal manera que es inmediato deducir que en la zona continental los resultados serán, fácilmente, aún mejores.
 
Distribución territorial de las zonas climáticas en España
Distribución de viviendas en España por tipo y zona climática                                

 

 

¿Qué es un "Sistema Híbrido"?

 
Al igual que un coche híbrido, por ejemplo el conocido Toyota Prius, emplea dos tipos de energía para aprovechar lo mejor de cada tipo de motor en todo momento un "Sistema Híbrido" cubre los servicios de calefacción, ACS e, incluso, refrigeración del hogar aprovechando las ventajas de dos tecnologías combinadas que en este caso resultan ser la "aerotermia" y la combustión en caldera.
 
Ha quedado demostrado por las experiencias obtenidas en campo por Saunier Duval que es posible obtener ahorros de hasta el 60% e incluso superiores en la factura energética de los servicios citados en comparación con los sistemas anteriormente instalados.
 
Como se verá en este artículo, se puede conseguir que un sistema existente de calefacción con caldera de gasoil o propano se convierta en un "Sistema Híbrido" y obtenga valores similares o incluso mejores que un sistema "todo eléctrico" sólo con aerotermia tanto en emisiones de CO2, en consumo de energía primaria como, incluso, en facturación del usuario como se verá más adelante.
 
Un Sistema Híbrido, por tanto, se puede componer aprovechando la instalación existente en una vivienda sin necesidad de retirar la caldera ni cambiar los emisores, esto es, los emisores puedes ser tanto suelo radiante como radiadores de baja o alta temperatura sólo con la adición de una bomba de calor aire-agua como generador principal y un sistema de gestión que cumpla con las condiciones de gestión que se verán a continuación.
 

Ventajas de un "Sistema Híbrido" sobre un sistema de "Aerotermia"

 
Una de las alternativas a los sistemas de calefacción convencional es la instalación de equipos de "aerotermia" en sistemas exclusivamente "todo eléctrico", esto es, el equipo de aerotermia más un apoyo que es eléctrico (resistencia eléctrica).
 
Si optamos por montar un equipo de aerotermia en una vivienda existente la potencia efectiva de emisión de ese equipo vendrá dada por lo que la vivienda disponga en radiadores y/o suelo radiante. Si la vivienda no puede aportar más de 11 kW a determinada temperatura de impulsión (temperatura de salida de la bomba de calor) toda la potencia que supere ese valor no se aprovechará y por tanto la bomba de calor regulará para acabar aportando esa potencia aunque su capacidad sea mayor.
 
Esto supone en la práctica que la bomba de calor, en temperaturas de hasta 55 o 60 ºC de impulsión, puede no cubrir la potencia necesaria para ofrecer el 100% de la demanda de la vivienda. Además a esto se le añadirá el condicionante de que cuanto mayor sea la temperatura de trabajo menor será el rendimiento de la bomba de calor y por tanto su trabajo será más costoso para el usuario. Obviamente si se emplea una bomba de calor que trabaje por encima de 55 – 60 ºC su rendimiento será aún mucho peor.
 
Para conseguir que un equipo de aerotermia aporte el 100% de la potencia demandada se requerirá que exista la capacidad de emisión suficiente y que el generador pueda aportar esa capacidad. Esto supone que, además de la obra de adaptación de emisores (ampliación de radiadores) el generador a incorporar deberá ser mucho mayor.
 
En el caso de que se opte por un sistema híbrido el generador principal, la bomba de calor será mucho menor pues contará con el generador que ya existe en la vivienda como soporte (la caldera) y la garantía de que se suministrará el 100% de la potencia necesaria para cubrir la demanda.
 
A continuación puede verse una estimación de ahorro en el coste de lo que el usuario pagará por el suministro de los equipos. Como se acaba de mencionar, al plantearse un sistema híbrido se podrá recurrir a un generador menor que en el caso de la aerotermia, posiblemente hasta de la mitad de potencia.
 

Gráfico costes de suministro de equipos para sistemas híbridos y aerotermia.

En esta comparación sólo se comparan los costes de los equipos a añadir para un sistema híbrido respecto de un sistema de aerotermia puro (en verde) para un servicio equivalente. Hay que tener en cuenta que no se han añadido al coste de suministro de los componentes de la aerotermia pura el coste adicional que suponen los trabajos de desmontaje de la caldera a sustituir (eliminar), su depósito, etc y la adaptación de la sala técnica. En ambos casos no se considera los costes de instalación pues se valoran similares.  En resumen, el coste de implantación de un sistema híbrido es de esperar que sea mucho menor que el de un sistema de "sólo aerotermia".
Los componentes de un Sistema Híbrido
 
Pasamos a ver cuáles son los elementos componentes de un sistema híbrido tal y como hoy es factible:
 
Una bomba de calor aire-agua como generador principal.
Un sistema de control que permita gestionar valorando no sólo las necesidades de demanda térmica sino que también permita gestionar el uso de los generadores conforme a los precios de los combustibles que paga el usuario.
Si se trata de una vivienda existente, o todo el sistema de calefacción y ACS que exista. Esto es, radiadores o suelo radiante y la caldera como elementos principales. Esta caldera funcionará como generador de apoyo. Puesto que estos elementos se aprovechan se produce una optimización de costes de  implantación respecto a, como hemos visto, un sistema de sólo aerotermia.
 Para el ACS se valorará la conveniencia de suministrarla desde la caldera o desde la bomba de calor. Muy a menudo interesa dejar el servicio desde la caldera.
Si se trata de una vivienda en proyecto, o probablemente se pueda elegir la emisión de calor mediante suelo radiante en lugar de restringir el diseño con radiadores. En cualquier caso, habrá que contemplar los emisores, del tipo que sean, y una caldera del tipo que sea como emisor de soporte para que la  bomba de calor pueda ser de menor potencia.
Si hubiera acceso a gas natural nuestra recomendación será una caldera de condensación.
 

Los generadores

 
bomba de calor aire-agua de saunier duvalSaunier-generadoresUna bomba de calor aire-agua es un generador aerotérmico que aprovecha la energía gratuita del ambiente y por tanto es un captador de energía renovable. En términos groseros, la bomba de calor es capaz de obtener hasta un 80% de energía gratuita del aire y es muy sencilla de instalar. Al ser aire-agua se evita que el instalador necesite herramienta para trabajar con equipos frigoríficos y equipo para la recogida y reciclaje del refrigerante. Todo el circuito que el instalador deberá montar se realiza con tubería hidráulica y el agua como fluido caloportador.
 
Siguiendo el desarrollo de este artículo, la caldera puede ser la que se encuentre ya instalada si se trata de una vivienda existente o bien, hoja en blanco, cualquiera que se desee en proyecto. Siempre que el acceso al combustible sea posible, una caldera de condensación alimentada por gas natural (GN) será la opción óptima por su alto rendimiento y el precio del combustible que utiliza. La caldera, como se apuntaba, funcionará como generador de apoyo.
 
gráfico precios eje,plo de combustibles
 
Aunque la bomba de calor tiene grandes virtudes también tiene sus puntos débiles. El primero es que emplea la electricidad para su funcionamiento y ésta tiene el precio más elevado de las energías y su precio, nadie lo duda, seguirá subiendo. Por tanto, es necesario que su precio sea rentable en comparación con otras energías.
 
 Para que sea rentable con respecto a otras energías es necesario que la cantidad de energía gratuita que la bomba de calor captura del ambiente sea tal que el ratio del total de la energía suministrada a la vivienda (obtenida gratuitamente y obtenida mediante pago) con respecto a lo que cuesta la energía pagada sea favorable respecto al uso de otra energía. Es lo que se conoce como rendimiento.
 
Supongamos que el equipo consigue obtener 3 kWh de energía gratuita y además obtiene 1 kW de pago (eléctrico). El total de kWh suministrados a la vivienda serán 4 kWh mientras que se ha pagado 1 kWh a 0,1492 Euros. Esto es equivalente a un precio unitario de 0,0373 Euros por kWh obtenido. Bajo este supuesto la bomba de calor aportará a la vivienda el kWh más económico.
 
Otro ejemplo, supongamos que el equipo consigue obtener 1,5 kWh de energía gratuita y para ello se paga 1 kWh. El total de kWh que el equipo empleará será de 2,5 kWh a un precio pagado de 0,1492 Euros. Esto es equivalente a un precio unitario de 0,0597 Euros por kWh. Bajo este supuesto la bomba de calor es viable pero no es la solución más económica.
 
gráfico criterio económico para el funcionamiento de los generadores
 
Ocurre que para obtener unos rendimientos rentables es necesario que la bomba de calor trabaje con una combinación de valores de temperatura tanto en el exterior (temperatura ambiente) como en el interior (vivienda) adecuados. Esto es, una bomba de calor dará mayor rendimiento cuando tiene un suelo radiante que emite a 35ºC en lugar de unos radiadores de alta temperatura a 70 u 80ºC. Igualmente, el rendimiento será peor si la temperatura exterior es de 0ºC en lugar de 7ºC, por ejemplo. Por ello, la peor circunstancia se dará si se alían una temperatura de emisión alta con una temperatura exterior muy baja. En función del rendimiento en cada momento, es posible que la bomba de calor no sea rentable en comparación con el generador de soporte.
 
Como segundo punto débil se ha de señalar que una bomba de calor aporta menos potencia a medida que la temperatura exterior baja lo que va justo en sentido contrario a las necesidades de cualquier vivienda. Puede darse la circunstancia, en función de la capacidad de la bomba de calor, de los aislamientos y características de la vivienda que el equipo no sea capaz de aportar el 100% de las necesidades que requiere la vivienda por debajo de cierta temperatura que no necesariamente ha de ser muy baja.
 
 
gráfico capacidad de la bomba de calor para proporcionar calefacción en función de la temperatura exterior
 
Para evitar que los puntos débiles de la bomba de calor arruinen una buena solución para el resto de las ocasiones es necesario que el generador de apoyo exista y, además, que sea rentable.
 
El empleo de una resistencia eléctrica como generador de apoyo para aportar la energía faltante es la fuente de calor más cara de las posibles (0,1492 Euros/kWh). Además se da la circunstancia de que su potencia está limitada por ley a un valor del 120% del consumo del compresor lo que puede impedir cubrir el 100% de las necesidades de la vivienda. En resumen, una apoyo eléctrico es muy caro y puede no asegurar el confort.
 
Si se emplea una caldera para aquellos casos donde la bomba de calor o no puede aportar el total de la energía demandada o por las condiciones de trabajo no es rentable en comparación con el combustible que ella utiliza habremos resuelto el problema de forma satisfactoria.
 
Es interesante haber llegado a esta conclusión pues permite ofrecer a ese mercado de más de 5 millones de viviendas unifamiliares un sistema que genera importante ahorros de energía y, lo que el usuario percibe, una factura mucho menor en calefacción y agua caliente que además permite aportar refrigeración.
 
Como se comentó anteriormente no es que esta solución no sea válida para las viviendas en bloque sino que esta solución tiene como limitación la disponibilidad de espacio para emplazar correctamente los generadores y algún otro elemento auxiliar.
 
A continuación se muestran los porcentajes de sistemas de calefacción en viviendas existentes por tipo de zona climática. Análogamente, en el siguiente gráfico para el agua caliente sanitaria (ACS).
 
gráfico sistema de calefacción por zonas climáticas

La potencia sin control no tiene sentido...

 
De nada sirve tener un buen par de generadores en el sistema si no se dispone de un buen gestor que permita que funcione optimizando los costes de la energía, es como tener un cuerpo sin cabeza porque se dispone de "lo que anda" pero no de "lo que piensa". Es necesario aunar el criterio de confort antes explicado con el criterio económico que ya se ha comentado.
 
Saunier-criterio-confort-economico
 
Lo óptimo no obstante es valorar en todo momento cual es la energía más rentable y si se diera el caso de que la bomba de calor sigue siendo rentable pero no es capaz de suministrar el 100% de la demanda requerida esta falta de capacidad se complementa mediante el generador de apoyo.
 
 
Saunier-criterios-confort-sistema-hibrido
 
Es fundamental que el gestor disponga de los precios de las energías que emplean ambos generadores para poder valorar cómo ha de funcionar el sistema e, incluso, poder readaptarse si la vivienda dispone de discriminación horaria. Si no se dispone de gestión según los parámetros económicos y únicamente actúa en función de un valor prefijado de temperatura exterior o bien de la capacidad que sea capaz de dar activando el generador de soporte cuando no es capaz de ofrecer la totalidad de la demanda no habremos conseguido gran cosa y el sistema montado no se diferenciará mucho de un sistema de aerotermia al uso.
 
Saunier-interfaz-usuario-sistemaPara que la gestión pueda llevarse de forma efectiva es necesario que exista una sonda de temperatura exterior que envíe la información al cerebro del sistema y otra sonda de temperatura interior que facilite las condiciones en que se encuentra la vivienda así el gestor puede comprobar rendimientos de los generadores y valorar las demandas.
 
 

Los emisores. Suelo radiante y radiadores

 
tipos de emisores para un sistema híbrido
 
Si la vivienda objeto de análisis es una vivienda existente es probable que el propietario no desee acometer obras de envergadura y le interese conservar el sistema de radiadores existente. En el caso de una vivienda nueva o con una reforma de cierta envergadura lo óptimo es decantarse por el suelo radiante o ampliar lo máximo posible la superficie de emisión de los radiadores.
 
Es necesario tener presente que cuanto mayor sea la superficie de emisión más baja podrá ser la temperatura de trabajo del sistema y, por tanto, mejor rendimiento se obtendrá de la bomba de calor con el consiguiente ahorro. Por esta razón, si se dispone de radiadores es recomendable aumentar su superficie todo lo que sea posible ya que será un dinero bien invertido.
 
Obsérvese el ejemplo puesto más arriba, si una bomba de calor debe trabajar con emisores de alta temperatura (70-80ºC) y si, por ejemplo, a 7ºC de temperatura en el exterior, su rendimiento es 2,5 (en la documentación del producto el rendimiento en calefacción para ese par de valores de temperatura aparece como COP) es seguro que a temperatura más bajas será aún peor y en todos los casos la electricidad no será la alternativa más económica.
 
Visto esto, un Sistema Híbrido es la mejor solución tanto para el caso de viviendas con radiadores como con suelo radiante siendo esta última opción la óptima para maximizar los resultados.
 

Otros componentes

 
Los componentes principales son los que se han tratado hasta ahora. Dependiendo del tipo de esquema que se plantee pueden emplearse otros componentes facilitadores de las conexiones eléctricas o hidráulicas así como elementos de medición auxiliares por comodidad en el chequeo. Al no revestir importancia para el conocimiento del concepto de los sistemas híbridos omitiremos el espacio y tiempo que esto requiere.
 

Esquemas más usuales

 

Saunier-esquemas-sistemas-hibridos

A continuación se muestran un par de esquemas de los muchos posibles. Son los esquemas más habituales y la variante más frecuente es la no existencia de refrigeración. Otra variante bastante frecuente es la existencia de dos zonas de temperatura, una a baja temperatura (suelo radiante) y la otra con alta temperatura (radiadores). Y finalmente, como última variante de cierta frecuencia, podemos considerar la zonificación de la vivienda. Ninguna de estas posibles variantes u otras disponibles varía el concepto de lo que se ha estado tratando.
 
Más información:
 
saunier duval logo
 
Modificado por última vez enMiércoles, 16 Diciembre 2020 22:08
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