El calentamiento de agua es un proceso de transferencia de calor que utiliza una fuente de energía para calentar el agua por encima de su temperatura inicial. Los usos domésticos típicos del agua caliente incluyen cocinar, limpiar, bañarse y calentar espacios. En la industria, el agua caliente y el agua calentada a vapor tienen muchos usos.
En el ámbito doméstico, el agua se calienta tradicionalmente en vasijas conocidas como calentadores de agua , teteras , calderos , ollas o peroles . Estos recipientes metálicos que calientan un lote de agua no producen un suministro continuo de agua calentada a una temperatura preestablecida. En raras ocasiones, el agua caliente se produce de forma natural, generalmente a partir de manantiales termales naturales . La temperatura varía con la tasa de consumo, volviéndose más fría a medida que aumenta el caudal.
Los aparatos que proporcionan un suministro continuo de agua caliente se denominan calentadores de agua , calentadores de agua , depósitos de agua caliente , calderas , intercambiadores de calor , géiseres (del sur de África y el mundo árabe) o calentadores . Estos nombres dependen de la región, de si calientan agua potable o no potable, si son de uso doméstico o industrial y de su fuente de energía. En las instalaciones domésticas , el agua potable calentada para usos distintos a la calefacción también se denomina agua caliente sanitaria ( ACS ).
Para calentar agua se utilizan habitualmente combustibles fósiles ( gas natural , gas licuado de petróleo , petróleo ) o combustibles sólidos . Estos pueden consumirse directamente o producir electricidad que, a su vez, calienta el agua. La electricidad para calentar agua también puede provenir de cualquier otra fuente eléctrica, como la energía nuclear o las energías renovables . Las energías alternativas como la energía solar , las bombas de calor , el reciclaje de calor por agua caliente y la calefacción geotérmica también pueden calentar agua, a menudo en combinación con sistemas de respaldo alimentados por combustibles fósiles o electricidad.
Las zonas urbanas densamente pobladas de algunos países proporcionan calefacción urbana de agua caliente. Este es especialmente el caso de Escandinavia , Finlandia y Polonia . Los sistemas de calefacción urbana suministran energía para calentar agua y calentar espacios a partir de plantas combinadas de calor y energía (CHP), como incineradores , bombas de calor centrales, calor residual de industrias, calefacción geotérmica y calefacción solar central . El calentamiento real del agua del grifo se realiza en intercambiadores de calor en las instalaciones de los consumidores. Generalmente, el consumidor no tiene un sistema de respaldo interno, ya que la redundancia suele ser significativa en el lado del suministro de calefacción urbana.
Hoy en día, en los Estados Unidos, el agua caliente sanitaria utilizada en los hogares se calienta más comúnmente con gas natural, resistencia eléctrica o una bomba de calor. Los calentadores de agua eléctricos con bomba de calor son significativamente más eficientes que los calentadores de agua de resistencia eléctrica, pero también más caros de comprar. Algunas empresas de energía ofrecen a sus clientes financiamiento para ayudar a compensar el costo inicial más alto de los calentadores de agua energéticamente eficientes .
El agua caliente utilizada para calentar espacios se puede calentar con combustibles fósiles en una caldera, mientras que el agua potable se puede calentar en un aparato independiente. Esta es una práctica común en los EE. UU., especialmente cuando generalmente se emplea calefacción de espacios con aire caliente. [1]
En uso doméstico y comercial, la mayoría de los calentadores de agua de América del Norte y del sur de Asia son del tipo tanque, también llamados calentadores de agua de almacenamiento . Consisten en un recipiente o recipiente cilíndrico que mantiene el agua continuamente caliente y lista para usar. Los tamaños típicos para uso doméstico oscilan entre 75 y 400 L (20 y 100 galones estadounidenses). Estos pueden utilizar electricidad , gas natural , propano , gasóleo para calefacción , energía solar u otras fuentes de energía. Los calentadores de gas natural son los más populares en los EE. UU. y la mayoría de los países europeos, ya que el gas a menudo se canaliza convenientemente a través de ciudades y pueblos y actualmente es el más barato de usar. En los Estados Unidos, los calentadores de agua de gas natural típicos para hogares sin necesidades inusuales son de 150 a 190 L (40 a 50 gal EE.UU.) con un quemador de 10,0 a 11,7 kilovatios (34 000 a 40 000 BTU/h).
Esta es una disposición popular en la que se requieren caudales más altos durante períodos limitados. El agua se calienta en un recipiente a presión que puede soportar una presión hidrostática cercana a la del suministro de red entrante. A veces se emplea una válvula reductora de presión para limitar la presión a un nivel seguro para el recipiente. En Norteamérica, estos recipientes se denominan tanques de agua caliente , y pueden incorporar un calentador de resistencia eléctrica, una bomba de calor o un quemador de gas o petróleo que calienta el agua directamente.
Cuando se instalan calderas de agua caliente para calefacción de espacios, los cilindros de agua caliente sanitaria generalmente se calientan indirectamente con agua primaria de la caldera o mediante un calentador de inmersión eléctrico (a menudo como respaldo de la caldera). En el Reino Unido estos recipientes se denominan cilindros indirectos y cilindros directos , respectivamente. Además, si estos cilindros forman parte de un sistema sellado que proporciona agua caliente a presión de la red, se conocen como cilindros sin ventilación. En EE. UU., cuando se conectan a una caldera, se les llama calentadores de agua de fuego indirecto .
En comparación con los calentadores sin tanque, los calentadores de agua de almacenamiento tienen la ventaja de utilizar energía (gas o electricidad) a un ritmo relativamente lento, almacenando el calor para su uso posterior. La desventaja es que con el tiempo, el calor se escapa a través de la pared del tanque y el agua se enfría, lo que activa el sistema de calefacción para volver a calentar el agua, por lo que invertir en un tanque con mejor aislamiento mejora esta eficiencia en espera. [2] Además, cuando el uso intensivo agota el agua caliente, hay un retraso significativo antes de que el agua caliente vuelva a estar disponible. Los tanques más grandes tienden a proporcionar agua caliente con menos fluctuaciones de temperatura a caudales moderados.
Los calentadores de agua de almacenamiento volumétrico en los Estados Unidos y Nueva Zelanda son típicamente tanques cilíndricos verticales, generalmente colocados sobre el piso, una "bandeja cilíndrica" o sobre una plataforma elevada a poca distancia del piso. Los calentadores de agua volumétricos en España suelen ser horizontales. En la India, son principalmente verticales. En los apartamentos se pueden montar en el espacio del techo encima de los lavaderos y lavaderos. En Australia, se han utilizado principalmente calentadores de tanques exteriores eléctricos y de gas (con altas temperaturas para aumentar la capacidad efectiva), pero los tanques solares de techo se están poniendo de moda.
Pequeños calentadores de agua eléctricos de almacenamiento de punto de uso (POU) con capacidades que varían de 8 a 32 L (2 a 6 galones) están hechos para instalarse en gabinetes de cocina y baño o en la pared sobre un fregadero. Por lo general, utilizan elementos calefactores de baja potencia , aproximadamente de 1 kW a 1,5 kW, y pueden proporcionar agua caliente el tiempo suficiente para lavarse las manos o, si se conectan a una línea de agua caliente existente, hasta que llegue agua caliente desde un calentador de agua remoto de alta capacidad. Se pueden utilizar cuando modernizar un edificio con tuberías de agua caliente es demasiado costoso o poco práctico. Dado que mantienen la temperatura del agua termostáticamente, solo pueden suministrar un flujo continuo de agua caliente a caudales extremadamente bajos, a diferencia de los calentadores sin tanque de alta capacidad.
En países tropicales como Singapur e India, un calentador de agua de almacenamiento puede variar de 10 L a 35 L. Los calentadores de agua más pequeños son suficientes, ya que la temperatura ambiente y la temperatura del agua entrante son moderadas. En las regiones más frías de la India, como Cachemira, la gente depende principalmente de los calentadores de agua eléctricos de almacenamiento. En su mayoría, los calentadores de agua eléctricos de tipo almacenamiento de 50 L o 75 L están conectados a una fuente de agua superior.
Se puede tomar una decisión de diseño de ubicación entre los calentadores de agua centralizados y de punto de uso. Los calentadores de agua centralizados son más tradicionales y siguen siendo una buena opción para edificios pequeños. Para edificios más grandes con uso de agua caliente intermitente u ocasional, varios calentadores de agua POU pueden ser una mejor opción, ya que pueden reducir las largas esperas para que llegue agua caliente desde un calentador remoto. La decisión de dónde ubicar los calentadores de agua es solo parcialmente independiente de la decisión entre un calentador de agua con tanque o sin tanque , o de la elección de la fuente de energía para el calor. [ cita necesaria ]
Los calentadores de agua sin tanque, también llamados calentadores de agua instantáneos, de flujo continuo, en línea, instantáneos, a pedido o de encendido instantáneo, están ganando popularidad. [ cita necesaria ] Estos calentadores de agua de alta potencia calientan instantáneamente el agua a medida que fluye a través del dispositivo y no retienen agua internamente excepto la que está en el serpentín del intercambiador de calor. En estas unidades se prefieren los intercambiadores de calor de cobre debido a su alta conductividad térmica y facilidad de fabricación.
Los calentadores sin tanque se pueden instalar en todo el hogar en más de un punto de uso (POU), lejos de un calentador de agua central, o aún se pueden usar modelos centralizados más grandes para satisfacer todas las necesidades de agua caliente de una casa entera. Las principales ventajas de los calentadores de agua sin tanque son un abundante flujo continuo de agua caliente (en comparación con un flujo limitado de agua caliente calentada continuamente de los calentadores de agua con tanque convencionales) y ahorros potenciales de energía en algunas condiciones. La principal desventaja son sus costes iniciales mucho más elevados; Un estudio estadounidense realizado en Minnesota informó que los calentadores de agua sin tanque se amortizarían en un plazo de 20 a 40 años. [ cita necesaria ] En comparación con un tanque de agua caliente alimentado por gas natural menos eficiente, el gas natural a pedido costará un 30% más durante su vida útil. [ dudoso ] [ cita necesaria ]
Los aparatos independientes para calentar rápidamente agua para uso doméstico se conocen en Norteamérica como calentadores de agua sin tanque o bajo demanda . En algunos lugares se les llama calentadores multipunto , géiseres o ascots . En Australia y Nueva Zelanda se les llama unidades de agua caliente instantánea . En Argentina se les llama calefones . En ese país los calefones utilizan gas en lugar de electricidad, aunque en otros países también se pueden encontrar calentadores de agua sin tanque que funcionan con gas. Un aparato similar alimentado con leña se conocía como calentador de virutas .
Una disposición común donde se emplea la calefacción de espacios con agua caliente es que una caldera también caliente agua potable , proporcionando un suministro continuo de agua caliente sin equipo adicional. Los electrodomésticos que pueden suministrar tanto calefacción como agua caliente sanitaria se denominan calderas combinadas (o combi ). Aunque los calentadores bajo demanda proporcionan un suministro continuo de agua caliente sanitaria, la velocidad a la que pueden producirla está limitada por la termodinámica del calentamiento del agua a partir de los suministros de combustible disponibles.
Un cabezal de ducha eléctrico tiene un elemento calefactor eléctrico que calienta el agua a medida que pasa. Estos cabezales de ducha autocalentables son calentadores de agua sin tanque de punto de uso (POU) especializados y se utilizan ampliamente en algunos países.
Inventada en Brasil en la década de 1930 debido a la falta de una distribución central de gas y utilizada con frecuencia desde la década de 1940, la ducha eléctrica es un electrodoméstico que se ve a menudo en países de América del Sur y Central debido a los mayores costos de distribución de gas, combinado con los hogares que en la mayoría de los casos no son compatibles con calentadores de agua convencionales. Los modelos anteriores estaban hechos de cobre o latón cromado, que eran caros, pero desde 1970, las unidades hechas de plástico inyectado son populares debido a sus bajos precios, similares a los de un secador de pelo.
Las duchas eléctricas cuentan con un sistema eléctrico sencillo, que funciona como una cafetera, pero con un mayor caudal de agua. Un interruptor de flujo enciende el dispositivo cuando el agua fluye a través de él. Una vez que se detiene el agua, el dispositivo se apaga automáticamente. Una ducha eléctrica común a menudo, pero no siempre, tiene tres configuraciones de calor: alta (5,5 kW), baja (2,5 kW) o fría (0 W) para usar cuando hay un sistema de calefacción central disponible o en estaciones calurosas. También se fabrican versiones de mayor potencia (hasta 7,5 KW) y de menor potencia (hasta 3,2 KW), así como versiones con 4 niveles de calor o un nivel de calor variable.
El consumo de energía de las duchas eléctricas es máx. El ajuste de calefacción es de unos 5,5 kW para 120 V y 7,5 kW para 220 V. Los costes más bajos con las duchas eléctricas en comparación con los costes más altos con las calderas de tanque se deben al tiempo de uso: una ducha eléctrica utiliza energía sólo mientras el agua fluye, mientras que Una caldera de tanque funciona muchas veces al día para mantener caliente una cantidad de agua estancada para usarla durante el día y la noche. Además, la transferencia de energía eléctrica al agua en un cabezal de ducha eléctrico es muy eficiente, acercándose al 100%. Las duchas eléctricas pueden ahorrar energía en comparación con los calentadores de tanque eléctricos, que pierden algo de calor en espera.
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Existe una amplia gama de cabezales de ducha eléctricos, con varios diseños y tipos de controles de calefacción. El elemento calefactor de una ducha eléctrica se sumerge en la corriente de agua, utilizando un elemento calefactor resistivo de nicromo , a menudo reemplazable, que a menudo no está enfundado ni aislado eléctricamente, en cuyo caso el aislamiento se proporciona mediante electrodos de conexión a tierra que tocan directamente el agua antes de que salga del cabezal. . Los cabezales de ducha eléctricos con elementos calefactores enfundados y eléctricamente aislados suelen comercializarse como tales ( chuveiros blindados en portugués) y son más caros. Debido a las normas de seguridad eléctrica y al coste, las duchas eléctricas modernas están hechas de plástico en lugar de utilizar carcasas metálicas como en el pasado.
Como aparato eléctrico que utiliza más corriente eléctrica que una lavadora o un secador de pelo, una instalación de ducha eléctrica requiere una planificación cuidadosa y, por lo general, está diseñada para conectarse directamente desde la caja de distribución eléctrica con un disyuntor y un sistema de tierra dedicados. Un sistema mal instalado con cables de aluminio viejos, malas conexiones o un cable a tierra desconectado (que suele ser el caso) puede ser peligroso, ya que los cables pueden sobrecalentarse o la corriente eléctrica puede filtrarse a través del chorro de agua a través del cuerpo del usuario a tierra. [3]
Cada vez se utilizan más calentadores de agua solares . Sus colectores solares se instalan en el exterior de las viviendas, generalmente en el techo o las paredes o cerca, y el tanque de almacenamiento de agua caliente potable suele ser un calentador de agua convencional nuevo o preexistente, o un calentador de agua diseñado específicamente para energía solar térmica. En Chipre e Israel, el 90 por ciento de los hogares tienen sistemas solares de calentamiento de agua. [4]
Los modelos solares térmicos más básicos son los de ganancia directa, en los que el agua potable se envía directamente al colector. Se dice que muchos de estos sistemas utilizan almacenamiento de colector integrado (ICS), ya que los sistemas de ganancia directa suelen tener almacenamiento integrado dentro del colector. Calentar agua directamente es intrínsecamente más eficiente que calentarla indirectamente a través de intercambiadores de calor, pero dichos sistemas ofrecen una protección contra el congelamiento muy limitada (si la hay), pueden calentar agua fácilmente a temperaturas que no son seguras para el uso doméstico y los sistemas ICS sufren una pérdida severa de calor en las noches frías. y días fríos y nublados.
Por el contrario, los sistemas indirectos o de circuito cerrado no permiten que agua potable pase a través de los paneles, sino que bombean un fluido de transferencia de calor (ya sea agua o una mezcla de agua/anticongelante) a través de los paneles. Después de recoger el calor en los paneles, el fluido caloportador fluye a través de un intercambiador de calor , transfiriendo su calor al agua caliente potable. Cuando los paneles están más fríos que el tanque de almacenamiento o cuando el tanque de almacenamiento ya ha alcanzado su temperatura máxima, el controlador en sistemas de circuito cerrado detiene las bombas de circulación. En un sistema de drenaje , el agua drena a un tanque de almacenamiento contenido en un espacio acondicionado o semiacondicionado, protegido de temperaturas bajo cero. Sin embargo, con los sistemas anticongelantes, la bomba debe funcionar si la temperatura del panel aumenta demasiado (para evitar la degradación del anticongelante) o demasiado fría (para evitar que la mezcla de agua y anticongelante se congele).
Los colectores de panel plano se utilizan normalmente en sistemas de circuito cerrado. Los paneles planos, que a menudo se parecen a tragaluces , son el tipo de colector más duradero y también tienen el mejor rendimiento para sistemas diseñados para temperaturas dentro de los 56 °C (100 °F) de la temperatura ambiente . Los paneles planos se utilizan habitualmente tanto en sistemas de agua pura como anticongelantes.
Otro tipo de colector solar es el colector de tubo de vacío , que está destinado a climas fríos que no experimentan granizo severo y/o aplicaciones donde se necesitan altas temperaturas (es decir, más de 94 °C [201 °F]). Colocados en una rejilla, los colectores de tubos de vacío forman una fila de tubos de vidrio, cada uno de los cuales contiene aletas de absorción unidas a una varilla conductora de calor central (de cobre o de condensación). La descripción de vacío se refiere al vacío creado en los tubos de vidrio durante el proceso de fabricación, lo que resulta en una pérdida de calor muy baja y permite que los sistemas de tubos de vacío alcancen temperaturas extremas, muy por encima del punto de ebullición del agua.
En países como Islandia y Nueva Zelanda , y otras regiones volcánicas, el calentamiento del agua se puede realizar mediante calefacción geotérmica , en lugar de combustión.
Cuando se emplea una caldera de agua para calefacción, la solución tradicional en el Reino Unido e Irlanda es utilizar agua calentada por caldera ( primaria ) para calentar agua potable ( secundaria ) contenida en un recipiente cilíndrico (normalmente hecho de cobre), que se suministra desde un recipiente o contenedor de almacenamiento de agua fría, generalmente en el espacio del techo del edificio. Esto produce un suministro bastante constante de ACS (agua caliente sanitaria) con una presión estática baja , pero normalmente con un buen flujo . En la mayoría de las demás partes del mundo, los aparatos para calentar agua no utilizan un recipiente o recipiente de almacenamiento de agua fría, sino que calientan el agua a presiones cercanas a la del suministro de agua principal entrante .
Otras mejoras a los calentadores de agua incluyen dispositivos de válvulas de retención en su entrada y salida, temporizadores de ciclo, encendido electrónico en el caso de los modelos que utilizan combustible, sistemas de entrada de aire sellados en el caso de los modelos que utilizan combustible y aislamiento de tuberías. Los tipos de sistemas de admisión de aire sellados a veces se denominan unidades de admisión de " vigas de banda ". Las unidades de condensación de "alta eficiencia" pueden convertir hasta el 98% de la energía del combustible en calentar el agua. Los gases de escape de la combustión se enfrían y se ventilan mecánicamente ya sea a través del techo o a través de una pared exterior. A altas eficiencias de combustión se debe proporcionar un drenaje para manejar el agua condensada de los productos de la combustión, que son principalmente dióxido de carbono y vapor de agua.
En la plomería tradicional del Reino Unido, la caldera de calefacción está configurada para calentar un cilindro de agua caliente separado o un calentador de agua para agua caliente potable. Estos calentadores de agua suelen estar equipados con un calentador de inmersión eléctrico auxiliar para su uso si la caldera está fuera de funcionamiento durante un tiempo. El calor de la caldera de calefacción se transfiere al recipiente/contenedor del calentador de agua mediante un intercambiador de calor, y la caldera funciona a una temperatura más alta que el suministro de agua caliente potable. La mayoría de los calentadores de agua potable en América del Norte están completamente separados de las unidades de calefacción, debido a la popularidad de los sistemas HVAC / aire forzado en América del Norte.
Los calentadores de agua de combustión residenciales fabricados desde 2003 en los Estados Unidos han sido rediseñados para resistir la ignición de vapores inflamables e incorporan un interruptor de corte térmico, según ANSI Z21.10.1. La primera característica intenta evitar que los vapores de líquidos y gases inflamables en las proximidades del calentador se enciendan y provoquen así un incendio o una explosión en la casa. La segunda característica evita el sobrecalentamiento del tanque debido a condiciones inusuales de combustión. Estos requisitos de seguridad se establecieron en respuesta a los propietarios que almacenan o derraman gasolina u otros líquidos inflamables cerca de sus calentadores de agua y provocan incendios. Dado que la mayoría de los nuevos diseños incorporan algún tipo de pantalla apagallamas , requieren monitoreo para asegurarse de que no se obstruyan con pelusa o polvo, lo que reduce la disponibilidad de aire para la combustión. Si el parallamas se obstruye, el corte térmico puede actuar para apagar el calentador.
Una estufa de respaldo húmedo ( Nueva Zelanda ), un calentador de respaldo húmedo (Nueva Zelanda) o una caldera trasera (Reino Unido) es un calentador de agua secundario doméstico simple que utiliza calor incidental. Por lo general, consiste en una tubería de agua caliente que pasa detrás de una chimenea o estufa (en lugar de un almacenamiento de agua caliente ) y no tiene ninguna instalación para limitar la calefacción. Los respaldos mojados modernos pueden ejecutar la tubería con un diseño más sofisticado para ayudar al intercambio de calor . Estos diseños están siendo descartados por las regulaciones gubernamentales de eficiencia que no cuentan la energía utilizada para calentar el agua como utilizada de manera "eficiente". [5]
Otro tipo de calentador de agua desarrollado en Europa es anterior al modelo de almacenamiento. En Londres, Inglaterra, en 1868, un pintor llamado Benjamin Waddy Maughan inventó el primer calentador de agua doméstico instantáneo que no utilizaba combustible sólido . El géiser, que lleva el nombre de una fuente termal islandesa, hizo que el agua fría en la parte superior fluyera a través de tuberías que se calentaban con gases calientes de un quemador en la parte inferior. Luego, el agua caliente fluyó hacia un fregadero o una bañera. El invento era algo peligroso porque no había conducto para sacar los gases calientes del baño. A un calentador de agua todavía se le llama a veces géiser en el Reino Unido.
El invento de Maughn influyó en el trabajo de un ingeniero mecánico noruego llamado Edwin Ruud . El primer calentador de agua a gas automático con tanque de almacenamiento fue inventado alrededor de 1889 por Ruud después de emigrar a Pittsburgh, Pensilvania (EE. UU.). La Ruud Manufacturing Company, que aún existe en la actualidad, realizó muchos avances en el diseño y funcionamiento de calentadores de agua de tipo tanque y sin tanque.
El agua normalmente ingresa a las residencias en los EE. UU. a aproximadamente 10 °C (50 °F), según la latitud y la estación. Las temperaturas del agua caliente de 50 °C (122 °F) son habituales para lavar platos, lavar la ropa y ducharse, lo que requiere que el calentador eleve la temperatura del agua unos 40 °C (72 °F) si el agua caliente se mezcla con agua fría. en el punto de uso. El caudal de referencia de la ducha del Código Uniforme de Plomería es de 9,5 L (2,5 gal EE.UU.) por minuto. Los usos del fregadero y del lavavajillas varían de 4 a 11 L (1 a 3 gal EE.UU.) por minuto.
El gas natural a menudo se mide por volumen o contenido de calor. Las unidades de medida comunes por volumen son el metro cúbico o el pie cúbico en condiciones estándar o por el contenido de calor en kilovatios hora , unidades térmicas británicas (BTU) o termias , que equivalen a 100.000 BTU. Un BTU es la energía necesaria para elevar una libra de agua en un grado Fahrenheit. Un galón estadounidense de agua pesa 8,3 libras (3,8 kg). Para elevar 230 L (60 gal EE.UU.) de agua de 10 °C (50 °F) a 50 °C (122 °F) con una eficiencia del 90 % se requieren 60 × 8,3 × (122 − 50) × 1,11 = 39 840 BTU . Un calentador de 46 kW (157.000 BTU/h), como el que podría existir en un calentador sin tanque, tardaría unos 15 minutos en hacer esto. A 1 dólar por termia , el coste del gas sería de unos 40 centavos. En comparación, un calentador de agua eléctrico de tanque típico de 230 L (60 gal EE.UU.) tiene un elemento calefactor de 4,5 kW (15.000 BTU/h), que con una eficiencia del 100% da como resultado un tiempo de calentamiento de aproximadamente 2,34 horas. A 0,16 dólares/kWh, la electricidad costaría 1,68 dólares.
La eficiencia energética de los calentadores de agua de uso residencial puede variar mucho, especialmente según el fabricante y el modelo. Sin embargo, los calentadores eléctricos tienden a ser ligeramente más eficientes (sin contar las pérdidas de las centrales eléctricas), y la eficiencia de recuperación (la eficiencia con la que la energía se transfiere al agua) alcanza aproximadamente el 98%. Los calentadores a gas tienen eficiencias de recuperación máximas de sólo alrededor del 82% al 94% (el calor restante se pierde con los gases de combustión). Los factores energéticos generales pueden ser tan bajos como el 80% para los sistemas eléctricos y el 50% para los sistemas de gas. Los calentadores de agua con tanque de gas natural y propano con factores energéticos del 62 % o más, así como los calentadores de agua con tanque eléctricos con factores energéticos del 93 % o más, se consideran unidades de alta eficiencia. Los calentadores de agua con tanque de propano y gas natural calificados por Energy Star (a partir de septiembre de 2010) tienen factores de energía del 67% o más, lo que generalmente se logra utilizando un piloto intermitente junto con una compuerta de humos automática, deflectores o ventilación eléctrica.
Los calentadores de agua con tanque de resistencia eléctrica directa no están incluidos en el programa Energy Star; sin embargo, el programa Energy Star incluye unidades de bomba de calor eléctricas con factores de energía del 200% o más. Los calentadores de agua a gas sin tanque (a partir de 2015) deben tener un factor de energía del 90 % o superior para obtener la calificación Energy Star. Dado que la producción de electricidad en las plantas térmicas tiene niveles de eficiencia que van desde sólo el 15% hasta un poco más del 55% ( turbina de gas de ciclo combinado ), con alrededor del 40% típico en las centrales térmicas, el calentamiento eléctrico de agua por resistencia directa puede ser la opción menos eficiente desde el punto de vista energético.
Sin embargo, el uso de una bomba de calor puede hacer que los calentadores de agua eléctricos sean mucho más eficientes energéticamente y conducir a una disminución de las emisiones de dióxido de carbono, más aún si se utiliza una fuente de electricidad baja en carbono . El uso de calefacción urbana que aprovecha el calor residual de la generación de electricidad y otras industrias para calentar residencias y agua caliente proporciona una mayor eficiencia general, eliminando la necesidad de quemar combustibles fósiles o utilizar electricidad de alto valor energético para producir calor en el hogar individual.
Fundamentalmente, se necesita una gran cantidad de energía para calentar agua, como se puede experimentar cuando se espera a hervir un galón de agua en una estufa. Por esta razón, los calentadores de agua bajo demanda sin tanque requieren una fuente de energía potente. En comparación, un tomacorriente de pared estándar de 120 V y 15 amperios solo genera suficiente energía para calentar una cantidad decepcionantemente pequeña de agua: alrededor de 0,17 galones estadounidenses (0,64 L) por minuto a una elevación de temperatura de 40 °C (72 °F).
La energía utilizada por un calentador de agua eléctrico se puede reducir hasta en un 18% mediante un horario óptimo y un control de temperatura basado en el conocimiento del patrón de uso. [6]
El 16 de abril de 2015, como parte de la Ley Nacional de Conservación de Energía de Electrodomésticos (NAECA), entraron en vigor nuevos estándares mínimos para la eficiencia de los calentadores de agua residenciales establecidos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . [7] Todos los calentadores de agua con tanque de almacenamiento de gas nuevos con capacidades inferiores a 55 gal EE. UU. (210 L; 46 imp gal) vendidos en los Estados Unidos en 2015 o después deberán tener un factor de energía de al menos 60 % (para 50-US- unidades de galones, mayor para unidades más pequeñas), aumentó con respecto al estándar mínimo anterior a 2015 del factor de energía del 58 % para unidades de gas de 50 galones estadounidenses. Los calentadores de agua eléctricos con tanque de almacenamiento con capacidades inferiores a 55 galones estadounidenses vendidos en los Estados Unidos tendrán un factor energético de al menos el 95 %, aumentado con respecto al estándar mínimo anterior a 2015 del 90 % para unidades eléctricas de 50 galones estadounidenses.
Según la norma de 2015, por primera vez, los calentadores de agua de almacenamiento con capacidades de 55 galones estadounidenses o más ahora enfrentan requisitos de eficiencia más estrictos que los de 50 galones estadounidenses o menos. Según el estándar anterior a 2015, un calentador de agua con almacenamiento de gas de 75 gal EE.UU. (280 L; 62 imp gal) con una entrada nominal de 22 kW (75 000 BTU/h) o menos podía tener un factor de energía tan bajo como 53%. , mientras que según la norma de 2015, el factor de energía mínimo para un calentador de agua con tanque de almacenamiento de gas de 75 galones estadounidenses es ahora del 74%, lo que solo se puede lograr mediante el uso de tecnología de condensación. Los calentadores de agua de almacenamiento con una entrada nominal de 22 kW (75 000 BTU/h) o más no se ven afectados actualmente por estos requisitos, ya que el factor de energía no está definido para dichas unidades. Un calentador de agua con tanque de almacenamiento eléctrico de 80 gal EE. UU. (300 L; 67 imp gal) podía tener un factor de energía mínimo del 86% según el estándar anterior a 2015, mientras que según el estándar de 2015, el factor de energía mínimo para un calentador de 80 galones El calentador de agua con tanque de almacenamiento eléctrico ahora es del 197%, lo que solo es posible con la tecnología de bomba de calor . Esta calificación mide la eficiencia en el punto de uso.
Dependiendo de cómo se genere la electricidad, la eficiencia general puede ser mucho menor. Por ejemplo, en una planta de carbón tradicional, sólo entre el 30% y el 35% de la energía contenida en el carbón termina como electricidad en el otro extremo del generador. [8] Las pérdidas en la red eléctrica (incluidas las pérdidas de línea y las pérdidas por transformación de voltaje) reducen aún más la eficiencia eléctrica. Según datos de la Administración de Información Energética, las pérdidas de transmisión y distribución en 2005 consumieron el 6,1% de la generación neta. [8] Por el contrario, el 90% del valor energético del gas natural se entrega al consumidor. [ cita necesaria ] (En ninguno de los casos la energía gastada en explorar, desarrollar y extraer recursos de carbón o gas natural se incluye en las cifras de eficiencia citadas). Los calentadores de agua sin tanque de gas deberán tener un factor de energía del 82% o más según los estándares de 2015, que Corresponde al estándar Energy Star anterior a 2015.
En 2022, el Departamento de Energía propuso reglas que entrarían en vigor en 2026 y eliminarían efectivamente los calentadores de agua a gas sin condensación ineficientes en edificios comerciales. Los modelos sin condensación desperdician calor, mientras que los modelos con condensación capturan y utilizan la energía que de otro modo se perdería. [9] El cambio reducirá las emisiones en 38 millones de toneladas de dióxido de carbono en 30 años y reducirá los costes energéticos de los edificios. [9]
Los calentadores de agua potencialmente pueden explotar y causar daños importantes, lesiones o la muerte si no se instalan ciertos dispositivos de seguridad. Normalmente se coloca un dispositivo de seguridad llamado válvula de alivio de temperatura y presión (T&P o TPR) en la parte superior del calentador de agua para descargar el agua si la temperatura o la presión aumentan demasiado. La mayoría de los códigos de plomería requieren que se conecte una tubería de descarga a la válvula para dirigir el flujo de agua caliente descargada a un desagüe, generalmente un desagüe de piso cercano , o fuera del espacio habitable. Algunos códigos de construcción permiten que la tubería de descarga termine en el garaje. [10]
Si se instala un calentador de agua a gas o propano en un garaje o sótano, muchos códigos de plomería exigen que se eleve al menos 18 pulgadas (46 cm) sobre el piso para reducir la posibilidad de incendio o explosión debido a derrames o fugas de combustible. Líquidos en el garaje. Además, ciertos códigos locales exigen que los calentadores tipo tanque en instalaciones nuevas y modernizadas deben fijarse a una pared adyacente mediante una correa o anclaje para evitar que se vuelquen y rompan las tuberías de agua y gas en caso de un terremoto . [11]
Para casas antiguas donde el calentador de agua es parte de la caldera de calefacción y los códigos de plomería lo permiten, algunos plomeros instalan un cierre automático de gas (como el "Watts 210") además de una válvula TPR. Cuando el dispositivo detecta que la temperatura alcanza los 99 °C (210 °F), corta el suministro de gas y evita un mayor calentamiento. [ cita necesaria ] Además, se debe instalar un tanque de expansión o una válvula de alivio de presión exterior para evitar que la acumulación de presión en las tuberías rompa las tuberías, las válvulas o el calentador de agua.
Las quemaduras son un problema grave en cualquier calentador de agua. La piel humana se quema rápidamente a altas temperaturas, en menos de 5 segundos a 60 °C (140 °F), pero mucho más lento a 53 °C (127 °F); una quemadura de segundo grado tarda un minuto completo . Las personas mayores y los niños suelen sufrir graves quemaduras debido a discapacidades o tiempos de reacción lentos . [12] En los Estados Unidos y en otros lugares es una práctica común colocar una válvula de templado o una válvula mezcladora termostática [13] en la salida del calentador de agua. El resultado de mezclar automáticamente agua fría y caliente a través de una válvula templadora se denomina "agua templada". [14]
Una válvula de templado mezcla suficiente agua fría con el agua caliente del calentador para mantener la temperatura del agua saliente fijada en una temperatura más moderada, a menudo fijada en 50 °C (122 °F). Sin una válvula de templado, la reducción de la temperatura de referencia del calentador de agua es la forma más directa de reducir las quemaduras. Sin embargo, para el saneamiento, se necesita agua caliente a una temperatura que pueda provocar quemaduras. Esto se puede lograr usando un calentador suplementario en un electrodoméstico que requiere agua más caliente. La mayoría de los lavavajillas residenciales , por ejemplo, incluyen un elemento calefactor eléctrico interno para aumentar la temperatura del agua por encima de la proporcionada por un calentador de agua doméstico.
Dos cuestiones de seguridad contradictorias afectan la temperatura del calentador de agua: el riesgo de quemaduras por agua excesivamente caliente a más de 55 °C (131 °F) y el riesgo de incubar colonias de bacterias, particularmente Legionella , en agua que no está lo suficientemente caliente como para matarlas. Ambos riesgos son potencialmente mortales y se equilibran ajustando el termostato del calentador de agua a 55 °C (131 °F). Las Directrices europeas para el control y la prevención de la enfermedad del legionario asociada a los viajes recomiendan que el agua caliente se almacene a 60 °C (140 °F) y se distribuya de manera que se alcance una temperatura de al menos 50 °C (122 °F) y preferiblemente 55 °C. La temperatura C (131 °F) se alcanza en un minuto en los puntos de uso. [15]
Si hay un lavavajillas sin calentador de refuerzo, es posible que requiera una temperatura del agua dentro de un rango de 57 a 60 °C (135 a 140 °F) para una limpieza óptima, [16] pero las válvulas de templado están configuradas a no más de 55 °C. (131 °F) se puede aplicar a los grifos para evitar quemaduras. Las temperaturas del tanque superiores a 60 °C (140 °F) pueden producir depósitos de cal , que luego podrían albergar bacterias en el tanque de agua. Las temperaturas más altas también pueden aumentar el grabado de la cristalería en el lavavajillas.
Los termostatos del tanque no son una guía confiable de la temperatura interna del tanque. Es posible que los tanques de agua a gas no muestren ninguna calibración de temperatura. Un termostato eléctrico muestra la temperatura en la elevación del termostato, pero el agua que se encuentra más abajo en el tanque puede estar considerablemente más fría. Un termómetro de salida es una mejor indicación de la temperatura del agua. [17]
En la industria de las energías renovables (solar y bombas de calor, en particular), el conflicto entre el control térmico diario de Legionella y las altas temperaturas, que pueden reducir el rendimiento del sistema, es objeto de un acalorado debate. En un documento que busca una exención ecológica de los estándares normales de seguridad contra la legionelosis, el principal comité técnico solar térmico del CEN de Europa, TC 312, afirma que se produciría una caída del 50% en el rendimiento si los sistemas solares de calentamiento de agua se calentaran hasta la base diariamente. Sin embargo, algunos trabajos de análisis de simuladores solares que utilizan Polysun 5 sugieren que una penalización energética del 11% es una cifra más probable. Cualquiera que sea el contexto, tanto los requisitos de eficiencia energética como de seguridad contra quemaduras empujan en la dirección de temperaturas del agua considerablemente más bajas que la temperatura de pasteurización de Legionella de alrededor de 60 °C (140 °F). [ cita necesaria ]
Se ha detectado Legionella pneumophila en el punto de uso después de calentadores de agua eléctricos montados horizontalmente con un volumen de 150 litros. [18]
Sin embargo, la legionella se puede controlar de forma segura y sencilla con buenos protocolos de diseño e ingeniería. Por ejemplo, aumentar la temperatura de los calentadores de agua una vez al día o incluso una vez cada pocos días a 55 °C (131 °F) en la parte más fría del calentador de agua durante 30 minutos controla eficazmente la legionella. En todos los casos, y en particular en las aplicaciones de eficiencia energética, la enfermedad del legionario es en la mayoría de los casos el resultado de problemas de diseño de ingeniería que no tienen en cuenta el impacto de la estratificación o el bajo flujo. [ cita necesaria ]
También es posible controlar los riesgos de Legionella mediante el tratamiento químico del agua. Esta técnica permite mantener temperaturas del agua más bajas en las tuberías sin el riesgo asociado de Legionella. El beneficio de temperaturas de tubería más bajas es que se reduce la tasa de pérdida de calor y, por lo tanto, se reduce el consumo de energía.
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