Las calderas de condensación son calentadores de agua que se utilizan normalmente en sistemas de calefacción alimentados por gas o petróleo. Cuando se utilizan en las circunstancias adecuadas, un sistema de calefacción puede alcanzar una alta eficiencia (superior al 90 % en el valor calorífico superior ) condensando el vapor de agua que se encuentra en los gases de escape en un intercambiador de calor para precalentar el agua circulante. Esto recupera el calor latente de vaporización , que de otro modo se habría desperdiciado. El condensado se envía a un desagüe. En muchos países, el uso de calderas de condensación es obligatorio o se fomenta con incentivos económicos.
Para que el proceso de condensación funcione correctamente, la temperatura de retorno del agua circulante debe rondar los 55 °C (131 °F) o menos, por lo que las calderas de condensación suelen funcionar a temperaturas más bajas, alrededor de los 70 °C (158 °F) o menos, lo que puede requerir tuberías y radiadores más grandes que las calderas sin condensación. Sin embargo, incluso la condensación parcial es más eficiente que una caldera sin condensación tradicional.
En una caldera convencional, se quema combustible y los gases calientes producidos pasan por un intercambiador de calor donde gran parte de su calor se transfiere al agua, elevando así la temperatura del agua.
Uno de los gases calientes que se producen en el proceso de combustión es el vapor de agua, que surge de la quema del contenido de hidrógeno del combustible. Una caldera de condensación extrae calor adicional de los gases residuales condensando este vapor de agua en agua líquida, recuperando así su calor latente de vaporización. Un aumento típico de la eficiencia puede ser de hasta un 10-12%. [ cita requerida ] Si bien la efectividad del proceso de condensación varía según la temperatura del agua que regresa a la caldera, siempre es al menos tan eficiente como una caldera sin condensación.
El condensado producido es ligeramente ácido (pH 3-5), por lo que se deben utilizar materiales adecuados en áreas donde hay líquido. Las aleaciones de aluminio y el acero inoxidable son los más utilizados a altas temperaturas. En áreas de baja temperatura, los plásticos son los más rentables (por ejemplo, uPVC y polipropileno ). [1] La producción de condensado también requiere la instalación de un sistema de drenaje de condensado de intercambiador de calor. En una instalación típica, esta es la única diferencia entre una caldera de condensación y una sin condensación.
Para fabricar de forma económica el intercambiador de calor de una caldera de condensación (y para que el aparato sea manejable en la instalación), se prefiere el tamaño más pequeño posible para su potencia. Este enfoque ha dado como resultado intercambiadores de calor con una alta resistencia en el lado de la combustión, que a menudo requieren el uso de un ventilador de combustión para mover los productos a través de pasillos estrechos. Esto también ha tenido el beneficio de proporcionar energía para el sistema de humos, ya que los gases de combustión expulsados suelen estar por debajo de los 100 °C (212 °F) y, como tales, tienen una densidad cercana a la del aire, con poca flotabilidad. El ventilador de combustión ayuda a bombear los gases de escape al exterior.
En la actualidad, las calderas de condensación están sustituyendo en gran medida a los diseños convencionales anteriores en la alimentación de los sistemas de calefacción central domésticos en Europa y, en menor medida, en América del Norte . Los Países Bajos fueron el primer país en adoptarlas ampliamente. [2]
Los fabricantes de calderas de condensación afirman que se puede lograr una eficiencia térmica de hasta el 98% [3], en comparación con el 70%-80% con los diseños convencionales (basados en el mayor poder calorífico de los combustibles). Los modelos típicos ofrecen eficiencias de alrededor del 90%, lo que lleva a la mayoría de las marcas de calderas de gas de condensación a las categorías más altas disponibles en materia de eficiencia energética. [ cita requerida ] En el Reino Unido, se trata de una clasificación de eficiencia de banda A SEDBUK (eficiencia estacional de calderas domésticas en el Reino Unido) [4] , mientras que en América del Norte suelen recibir un logotipo ecológico y/o una certificación Energy Star .
El rendimiento de la caldera se basa en la eficiencia de la transferencia de calor y depende en gran medida del tamaño y la potencia de la caldera y del tamaño y la potencia del emisor. El diseño y la instalación del sistema son fundamentales. La adecuación de la radiación a la potencia de la caldera en Btu/h y la consideración de las temperaturas de diseño del emisor y del radiador determinan la eficiencia general del sistema de calefacción de agua doméstica y de espacios .
Una de las razones de la disminución de la eficiencia es que el diseño y/o la implementación del sistema de calefacción proporciona temperaturas del agua de retorno (fluido de transferencia de calor) en la caldera superiores a 55 °C (131 °F), lo que evita una condensación significativa en el intercambiador de calor. [5] Se podría esperar que una mejor educación tanto de los instaladores como de los propietarios aumente la eficiencia hacia los valores de laboratorio informados. Recursos Naturales de Canadá [6] también sugiere formas de hacer un mejor uso de estas calderas, como combinar sistemas de calefacción de espacios y de agua. Algunas calderas (por ejemplo, Potterton) pueden cambiarse entre dos temperaturas de flujo, como 63 °C (145 °F) y 84 °C (183 °F), siendo solo la primera "de condensación total". Sin embargo, las calderas normalmente se instalan con una temperatura de flujo más alta de forma predeterminada porque un cilindro de agua caliente sanitaria generalmente se calienta a 60 °C (140 °F), y esto lleva demasiado tiempo para lograrse con una temperatura de flujo solo tres grados más alta. No obstante, incluso la condensación parcial es más eficiente que una caldera tradicional.
La mayoría de las calderas sin condensación podrían ser obligadas a condensar mediante simples cambios de control. Al hacerlo, se reduciría considerablemente el consumo de combustible, pero se destruirían rápidamente los componentes de acero dulce o hierro fundido de una caldera convencional de alta temperatura debido a la naturaleza corrosiva del condensado. Por este motivo, la mayoría de los intercambiadores de calor de las calderas de condensación están hechos de acero inoxidable o aleación de aluminio y silicio. Se pueden instalar economizadores externos de acero inoxidable en las calderas sin condensación para permitirles lograr eficiencias de condensación. Se utilizan válvulas de control de temperatura para mezclar el agua de suministro caliente con el retorno para evitar choques térmicos o condensación dentro de la caldera.
Cuanto menor sea la temperatura de retorno a la caldera, más probable será que esté en modo de condensación. Si la temperatura de retorno se mantiene por debajo de aproximadamente 55 °C (131 °F), la caldera debería seguir estando en modo de condensación, lo que hace que las aplicaciones de baja temperatura, como los suelos radiantes e incluso los radiadores de hierro fundido antiguos, sean una buena opción para esta tecnología.
La mayoría de los fabricantes de calderas de condensación domésticas nuevas producen un sistema de control básico "para todo uso" que hace que la caldera funcione en modo de condensación solo durante el calentamiento inicial, después del cual la eficiencia disminuye. Este enfoque debería superar al de los modelos más antiguos (consulte los tres documentos siguientes publicados por el Building Research Establishment: Documentos informativos 10-88 y 19-94; Folleto de información general 74; Compendio 339. Consulte también el Manual de aplicación AM3 1989: Calderas de condensación de la Chartered Institution of Building Services Engineers ). A modo de contraste, los sistemas de compensación climática están diseñados para ajustar el sistema en función de las temperaturas interior, exterior, de entrada y de salida de la caldera.
Las bombas de calor suelen ser tres veces más eficientes que las calderas de condensación (según el consumo de energía real). [7]
El control de la caldera de condensación doméstica es fundamental para garantizar que funcione de la forma más económica y eficiente en cuanto al consumo de combustible. Los quemadores suelen estar controlados por un sistema integrado con lógica incorporada para controlar la potencia del quemador para que coincida con la carga y ofrezca el mejor rendimiento.
Casi todas tienen quemadores modulantes. Estos permiten reducir la potencia para que coincida con la demanda. Las calderas tienen una relación de reducción que es la relación entre la potencia máxima de salida y la potencia mínima de salida para la que se puede mantener la combustión. Si el sistema de control determina que la demanda cae por debajo de la potencia mínima de salida, la caldera se apagará hasta que la temperatura del agua haya bajado y luego se encenderá nuevamente y calentará el agua.
Se dice que las calderas de condensación tienen fama de ser menos fiables y también pueden sufrir daños si las manipulan instaladores y fontaneros que no entienden su funcionamiento. [8] Las afirmaciones de falta de fiabilidad han sido contradichas por una investigación realizada por el Building Research Establishment, con sede en el Reino Unido (véase Building Research Establishment).
En particular, el problema de las "plumas" surgió con las primeras instalaciones de calderas de condensación, en las que se hacía visible una columna blanca de vapor condensado (en forma de gotitas minúsculas) en el conducto de salida. Aunque no era importante para el funcionamiento de la caldera, las "plumas" visibles eran un problema estético que causaba mucha oposición a las calderas de condensación.
Un problema más importante es la ligera acidez (pH 3-4) del líquido condensado. Cuando está en contacto directo con el intercambiador de calor de la caldera, en particular en el caso de láminas finas de aluminio, puede dar lugar a una corrosión más rápida que en las calderas tradicionales sin condensación. Es posible que las calderas más antiguas también hayan utilizado intercambiadores de calor de fundición gruesa, en lugar de láminas, que tenían constantes de tiempo más lentas para su respuesta pero también eran resistentes, por su gran masa, a cualquier corrosión. La acidez del condensado significa que solo se pueden utilizar algunos materiales: el acero inoxidable y el aluminio son adecuados, el acero dulce, el cobre o el hierro fundido no lo son. [9] Es posible que un diseño o unas normas de construcción deficientes hayan hecho que los intercambiadores de calor de algunas de las primeras calderas de condensación tuvieran una vida útil menos larga.
Se recomienda encarecidamente realizar pruebas iniciales y un control anual del fluido de transferencia de calor en calderas de condensación con intercambiadores de calor de aluminio o acero inoxidable. El mantenimiento de un líquido ligeramente alcalino (pH 8 a 9) con agentes anticorrosión y amortiguadores reduce la corrosión del intercambiador de calor de aluminio. Algunos profesionales creen que el condensado producido en el lado de combustión del intercambiador de calor puede corroer un intercambiador de calor de aluminio y acortar la vida útil de la caldera. Aún no se dispone de evidencia estadística , ya que las calderas de condensación con intercambiadores de calor de aluminio no se han utilizado durante el tiempo suficiente. [ cita requerida ]
El Building Research Establishment , el principal organismo de investigación del Reino Unido en el sector de la construcción, ha publicado un folleto sobre calderas de condensación domésticas. Según el Building Research Establishment:
El condensado expulsado de una caldera de condensación es ácido , con un pH entre 3 y 4. Las calderas de condensación requieren un tubo de drenaje para el condensado producido durante el funcionamiento. Este consiste en un tramo corto de tubería de polímero con una trampa de vapor para evitar que los gases de escape se expulsen al interior del edificio. La naturaleza ácida del condensado puede ser corrosiva para las tuberías de hierro fundido, las tuberías de desagüe y los pisos de hormigón, pero no supone ningún riesgo para la salud de los ocupantes. Se puede instalar un neutralizador, que normalmente consiste en un recipiente de plástico lleno de agregados de mármol o piedra caliza o "astillas" (alcalinas) para elevar el pH a niveles aceptables. Si no se dispone de un drenaje por gravedad, también se debe instalar una pequeña bomba de condensado para elevarlo hasta un drenaje adecuado.
Los intercambiadores de calor primarios y secundarios están construidos con materiales que soportarán esta acidez, típicamente aluminio o acero inoxidable. Dado que el escape final de una caldera de condensación tiene una temperatura más baja que el escape de una caldera atmosférica 38 °C (100 °F) frente a 204 °C (400 °F), siempre se requiere un ventilador mecánico para expulsarlo, con el beneficio adicional de permitir el uso de tuberías de escape de baja temperatura (típicamente PVC en aplicaciones domésticas) sin aislamiento ni requisitos de chimenea convencional. De hecho, el uso de chimeneas de mampostería convencionales o conductos de humos de metal está específicamente prohibido debido a la naturaleza corrosiva de los productos de los conductos de humos, con la notable excepción del acero inoxidable y el aluminio especialmente calificados en ciertos modelos. El material de ventilación preferido/común para la mayoría de las calderas de condensación disponibles en América del Norte es el PVC, seguido del ABS y el CPVC. La ventilación de polímero permite el beneficio adicional de la flexibilidad de la ubicación de la instalación, incluida la ventilación de la pared lateral, lo que ahorra penetraciones innecesarias en el techo.
Las calderas de condensación son hasta un 50% más caras de comprar e instalar que los tipos convencionales en el Reino Unido y los EE. UU. Sin embargo, a partir de 2006 [actualizar], a precios del Reino Unido, el costo adicional de instalar una caldera de condensación en lugar de una convencional debería recuperarse en aproximadamente dos a cinco años mediante un menor uso de combustible (para verificación, consulte los siguientes tres documentos publicados por el Building Research Establishment: Documentos informativos 10-88 y 19-94; Folleto de información general 74; Digest 339; consulte también Estudios de caso en el Manual de aplicación AM3 1989: Calderas de condensación de Chartered Institution of Building Services Engineers), y de dos a cinco años [ cita requerida ] a precios de EE. UU. Las cifras exactas dependerán de la eficiencia de la instalación de la caldera original, los patrones de utilización de la caldera, los costos asociados con la instalación de la nueva caldera y la frecuencia con la que se utiliza el sistema. El costo de estas calderas está disminuyendo a medida que la adopción masiva impuesta por el gobierno surte efecto y los fabricantes retiran los modelos más antiguos y menos eficientes, pero el costo de producción es más alto que el de los tipos más antiguos ya que las calderas de condensación son más complejas.
La mayor complejidad de las calderas de condensación es la siguiente:
Respecto a las calderas modernas, no existen otras diferencias entre las calderas de condensación y las de no condensación.
La fiabilidad, así como el coste inicial y la eficiencia, afectan al coste total de propiedad. Una importante empresa independiente de fontaneros del Reino Unido declaró en 2005 que había realizado miles de visitas para reparar calderas de condensación y que las emisiones de gases de efecto invernadero de sus furgonetas eran probablemente mayores que los ahorros conseguidos con el cambio a calderas ecológicas. [8] Sin embargo, el mismo artículo señala que el Consejo de Información sobre Calefacción y Agua Caliente, junto con algunos instaladores, han descubierto que las calderas de condensación modernas son tan fiables como las calderas estándar.
La eliminación progresiva de las calderas de combustibles fósiles es un conjunto de políticas para eliminar el uso de gas fósil (o "gas natural") y otros combustibles fósiles de la calefacción de edificios y su uso en electrodomésticos. Normalmente, el gas se utiliza para calentar agua, para ducharse o para la calefacción central. En muchos países, la calefacción a gas es uno de los principales contribuyentes a las emisiones de gases de efecto invernadero y al daño climático , lo que lleva a un número cada vez mayor de países a introducir prohibiciones. Las bombas de calor de fuente de aire son la principal alternativa. [11]
La Agencia Internacional de Energía ha dicho que las nuevas calderas de gas (u hornos de gas ) deberían prohibirse a más tardar en 2025. [12] Muchas instalaciones y aparatos tienen una vida útil de 25 años, lo que ha llevado a pedir que las prohibiciones se implementen de inmediato, o a más tardar en 2025, porque de lo contrario los objetivos de cero emisiones netas para 2050 no pueden o es poco probable que se alcancen. [13] Sin embargo, los grupos de presión de los combustibles fósiles se resisten a la eliminación gradual. [14]
