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 hasta convertirse en vapor tienen muchos usos.
En el ámbito doméstico, el agua se calienta tradicionalmente en recipientes conocidos como calentadores de agua , teteras , calderos , ollas o calderos . Estos recipientes metálicos que calientan una tanda de agua no producen un suministro continuo de agua caliente a una temperatura preestablecida. En raras ocasiones, el agua caliente se produce de forma natural, normalmente a partir de fuentes termales naturales . La temperatura varía con el ritmo 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 , tanques de agua caliente , calderas , intercambiadores de calor , géiseres (África meridional y el mundo árabe) o calentadores . Estos nombres dependen de la región, de si calientan agua potable o no potable, de si se utilizan en uso doméstico o industrial y de su fuente de energía. En las instalaciones domésticas , el agua potable calentada para usos distintos a la calefacción de espacios también se denomina agua caliente sanitaria ( ACS ).
Los combustibles fósiles ( gas natural , gas licuado de petróleo , petróleo ) o los combustibles sólidos se utilizan habitualmente para calentar agua. Estos pueden consumirse directamente o pueden producir electricidad que, a su vez, calienta el agua. La electricidad para calentar el 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 de agua caliente y la calefacción geotérmica , también pueden calentar el 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 para agua caliente. Este es especialmente el caso de Escandinavia , Finlandia y Polonia . Los sistemas de calefacción urbana suministran energía para calentar agua y espacios a partir de plantas de cogeneración (CHP), como incineradores , bombas de calor centrales, calor residual de las 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. Por lo general, el consumidor no tiene un sistema de respaldo en el edificio, ya que la redundancia suele ser significativa en el lado del suministro de calefacción urbana.
En la actualidad, en Estados Unidos, el agua caliente sanitaria que se utiliza en los hogares se calienta con gas natural, resistencia eléctrica o bomba de calor. Los calentadores de agua con bomba de calor eléctricos son significativamente más eficientes que los calentadores de agua con resistencia eléctrica, pero también son más caros de comprar. Algunas empresas de energía ofrecen a sus clientes financiación para ayudar a compensar el mayor costo inicial de los calentadores de agua energéticamente eficientes .
El agua caliente que se utiliza para calentar los espacios puede calentarse con combustibles fósiles en una caldera, mientras que el agua potable puede calentarse en un aparato independiente. Esta es una práctica habitual en los EE. UU., especialmente cuando se suele utilizar aire caliente para calentar los espacios. [1]
En el uso doméstico y comercial, la mayoría de los calentadores de agua de América del Norte y el sur de Asia son del tipo tanque, también llamados calentadores de agua de almacenamiento . Estos consisten en un recipiente o contenedor cilíndrico que mantiene el agua continuamente caliente y lista para usar. Los tamaños típicos para uso doméstico varían de 75 a 400 L (20 a 100 galones estadounidenses). Estos pueden usar electricidad , gas natural , propano , aceite de 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 suele transportarse cómodamente por tuberías 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 galones estadounidenses) con un quemador de 10,0 a 11,7 kilovatios (34 000 a 40 000 BTU/h).
Este es un sistema popular cuando 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 principal de entrada. A veces se utiliza una válvula reductora de presión para limitar la presión a un nivel seguro para el recipiente. En América del Norte, 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 aceite que calienta el agua directamente.
En los lugares donde se instalan calderas de calefacción de agua caliente, los cilindros de agua caliente sanitaria suelen calentarse indirectamente mediante agua principal 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 los EE. UU., cuando se conectan a una caldera, se denominan 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 calentar el agua nuevamente, por lo que invertir en un tanque con mejor aislamiento mejora esta eficiencia de reserva. [2] Además, cuando el uso intensivo agota el agua caliente, hay una demora significativa antes de que el agua caliente esté disponible nuevamente. Los tanques más grandes tienden a proporcionar agua caliente con menos fluctuaciones de temperatura a caudales moderados.
Los calentadores de agua de almacenamiento de volumen 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 una corta distancia sobre el piso. Los calentadores de agua de almacenamiento de volumen en España son típicamente horizontales. En la India, son principalmente verticales. En los apartamentos, se pueden montar en el espacio del techo sobre los cuartos de lavado y servicio. En Australia, se han utilizado principalmente calentadores de tanque de exterior a gas y eléctricos (con altas temperaturas para aumentar la capacidad efectiva), pero los tanques solares de techo se están poniendo de moda.
Los pequeños calentadores de agua eléctricos de almacenamiento en el punto de uso (POU) con capacidades que van desde 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 de calentamiento de baja potencia , alrededor 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 usar cuando la modernización de un edificio con plomería de agua caliente es demasiado costosa o poco práctica. 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 las temperaturas ambientales y la temperatura del agua entrante son moderadas. En las regiones más frías de India, como Cachemira, la gente depende principalmente de los calentadores de agua eléctricos de tipo de almacenamiento. En su mayoría, los calentadores de agua eléctricos de tipo de 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 calentadores de agua en el punto de uso y calentadores de agua centralizados. Los calentadores de agua centralizados son más tradicionales y siguen siendo una buena opción para edificios pequeños. Para edificios más grandes con uso intermitente u ocasional de agua caliente, múltiples calentadores de agua en el punto de uso 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 el o los calentadores de agua es solo parcialmente independiente de la decisión de un calentador de agua con tanque o sin tanque , o de la elección de la fuente de energía para el calor. [ cita requerida ]
Los calentadores de agua sin tanque, también llamados calentadores de agua instantáneos, de flujo continuo, en línea, flash, a pedido o de encendido instantáneo, están ganando popularidad. [ cita requerida ] Estos calentadores de agua de alta potencia calientan el agua instantáneamente a medida que fluye a través del dispositivo y no retienen agua internamente, excepto la que está en el serpentín del intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor de cobre son los preferidos en estas unidades debido a su alta conductividad térmica y facilidad de fabricación.
Los calentadores sin tanque se pueden instalar en más de un punto de uso (POU) de una casa, lejos de un calentador de agua central, o se pueden seguir utilizando 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 flujo continuo y abundante de agua caliente (en comparación con un flujo limitado de agua caliente calentada continuamente de los calentadores de agua con tanque convencionales) y un potencial ahorro de energía en determinadas condiciones. La principal desventaja es su coste inicial mucho más elevado; un estudio estadounidense en Minnesota informó de un periodo de amortización de entre 20 y 40 años para los calentadores de agua sin tanque. [ cita requerida ] En comparación con un tanque de agua caliente alimentado con gas natural menos eficiente, el gas natural a demanda costará un 30 % más a lo largo de su vida útil. [ dudoso – discutir ] [ cita requerida ]
Los aparatos autónomos para calentar rápidamente el agua para uso doméstico se conocen en América del Norte como calentadores de agua sin tanque o a 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 calefón . En ese país, los calefónes utilizan gas en lugar de electricidad, aunque también se pueden encontrar calentadores de agua sin tanque a gas en otros países. Un aparato similar que funcionaba con leña se conocía como calentador de virutas .
Una disposición habitual en la que se utiliza calefacción de espacios con agua caliente es la de una caldera que también calienta el agua potable , lo que proporciona un suministro continuo de agua caliente sin necesidad de equipos adicionales. Los aparatos que pueden suministrar tanto calefacción de espacios como agua caliente sanitaria se denominan calderas combinadas (o combi ). Aunque los calentadores a demanda proporcionan un suministro continuo de agua caliente sanitaria, la velocidad a la que pueden producirla está limitada por la termodinámica del agua caliente 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 a través de él. Estos cabezales de ducha autocalentables son calentadores de agua sin tanque especializados para el punto de uso (POU) y se utilizan ampliamente en algunos países.
Inventada en Brasil en la década de 1930 debido a la falta de 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 los países de América del Sur y Central debido a los mayores costos de distribución de gas, combinado con hogares que en la mayoría de los casos no admiten calentadores de agua convencionales. Los modelos anteriores estaban hechos de cobre cromado o latón, que eran caros, pero desde 1970, las unidades hechas de plásticos inyectados son populares debido a los bajos precios similares al de un secador de pelo.
Las duchas eléctricas tienen un sistema eléctrico sencillo, que funciona como una cafetera, pero con un mayor caudal de agua. Un interruptor de caudal 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 normal suele tener, aunque no siempre, 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 temporadas cálidas. También se fabrican versiones de mayor potencia (hasta 7,5 KW) y de menor potencia (hasta 3,2 KW), así como versiones con 4 configuraciones de calor o una configuración de calor variable.
Los avances recientes en calentadores de agua solares, como los colectores de tubos de vacío, han mejorado significativamente la eficiencia, especialmente en climas más fríos". (Fuente: Calentamiento solar de agua - Wikipedia ).
También cabe mencionar que países como China lideran la adopción de sistemas de calentamiento solar de agua, representando más del 70% de la capacidad global". (Fuente: Calentamiento solar de agua - Wikipedia )
El consumo de energía de las duchas eléctricas en la configuración de calentamiento máximo es de aproximadamente 5,5 kW para 120 V y 7,5 kW para 220 V. Los costos más bajos de las duchas eléctricas en comparación con los costos más altos de los calentadores de tanque se deben al tiempo de uso: una ducha eléctrica usa energía solo mientras fluye el agua, mientras que un calentador de tanque funciona muchas veces al día para mantener una cantidad de agua estancada caliente para su uso durante todo 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 el chorro de agua, utilizando un elemento calefactor resistivo de nicromo , a menudo reemplazable , que a menudo no está envainado ni aislado eléctricamente, en cuyo caso el aislamiento lo proporcionan electrodos de conexión a tierra que tocan directamente el agua antes de que salga del cabezal. Los cabezales de ducha eléctricos con elementos calefactores envainados y aislados eléctricamente a menudo se comercializan como tales ( chuveiros blindados en portugués) y son más caros. Debido a los estándares de seguridad eléctrica, así como al costo, las duchas eléctricas modernas están hechas de plástico en lugar de usar carcasas metálicas como en el pasado.
Como un aparato eléctrico que utiliza más corriente eléctrica que una lavadora de ropa o un secador de pelo, la instalación de una ducha eléctrica requiere una planificación cuidadosa y, por lo general, está destinada a ser conectada directamente desde la caja de distribución eléctrica con un disyuntor dedicado y un sistema de conexión a tierra. Un sistema mal instalado con cables de aluminio viejos, malas conexiones o un cable de conexión a tierra desconectado (que es a menudo el caso) puede ser peligroso, ya que los cables pueden sobrecalentarse o la corriente eléctrica puede filtrarse a través de la corriente de agua a través del cuerpo del usuario hasta la tierra. [3]
Cada vez se utilizan más calentadores de agua que funcionan con energía solar . Sus colectores solares se instalan en el exterior de las viviendas, normalmente en el techo o en las paredes o cerca de ellas, y el tanque de almacenamiento de agua caliente potable suele ser un calentador de agua convencional preexistente o nuevo, o un calentador de agua diseñado específicamente para energía solar térmica. En Chipre e Israel, el 90 por ciento de los hogares tienen sistemas de calentamiento de agua con energía solar. [4]
Los modelos térmicos solares 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 integrado en el colector (ICS), ya que los sistemas de ganancia directa suelen tener almacenamiento integrado en el colector. Calentar el agua directamente es inherentemente más eficiente que calentarla indirectamente a través de intercambiadores de calor, pero estos sistemas ofrecen una protección contra la congelación muy limitada (si es que la tienen), pueden calentar fácilmente el agua a temperaturas no seguras para el uso doméstico y los sistemas ICS sufren una grave pérdida de calor en las noches frías y los días fríos y nublados.
Por el contrario, los sistemas indirectos o de circuito cerrado no permiten que pase agua potable a través de los paneles, sino que bombean un fluido de transferencia de calor (ya sea agua o una mezcla de agua y anticongelante) a través de los paneles. Después de recolectar calor en los paneles, el fluido de transferencia de calor 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 se drena a un tanque de almacenamiento contenido en un espacio acondicionado o semi acondicionado, protegido de las temperaturas de congelación. Sin embargo, con los sistemas anticongelantes, la bomba debe funcionar si la temperatura del panel es demasiado alta (para evitar la degradación del anticongelante) o demasiado baja (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 de anticongelante.
Otro tipo de colector solar es el colector de tubos 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 un bastidor, 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 central conductora de calor (de cobre o impulsada por condensación). La descripción de evacuado se refiere al vacío creado en los tubos de vidrio durante el proceso de fabricación, lo que da como resultado una pérdida de calor muy baja y permite que los sistemas de tubos de vacío alcancen temperaturas extremas, muy superiores al punto de ebullición del agua.
En países como Islandia y Nueva Zelanda , y otras regiones volcánicas, el calentamiento del agua puede realizarse mediante calefacción geotérmica , en lugar de combustión.
Cuando se utiliza una caldera de agua para calentar el espacio, la disposición 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 de cobre), que se suministra desde un recipiente o contenedor de almacenamiento de agua fría, normalmente en el espacio del tejado del edificio. Esto produce un suministro bastante constante de ACS (agua caliente sanitaria) a baja presión estática , pero normalmente con un buen caudal . En la mayoría de las demás partes del mundo, los aparatos de calentamiento de agua no utilizan un recipiente o contenedor de almacenamiento de agua fría, sino que calientan el agua a presiones cercanas a las del suministro de agua de la red de entrada .
Otras mejoras de los calentadores de agua incluyen dispositivos de válvula de retención en la entrada y salida, temporizadores de ciclo, encendido electrónico en el caso de los modelos que utilizan combustible, sistemas de admisión 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 " vigueta de banda ". Las unidades condensadoras de "alta eficiencia" pueden convertir hasta el 98% de la energía del combustible para calentar el agua. Los gases de escape de la combustión se enfrían y se ventilan mecánicamente a través del techo o de una pared exterior. En las 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 de espacios está configurada para calentar un cilindro de agua caliente o calentador de agua independiente 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 servicio durante un tiempo. El calor de la caldera de calefacción de espacios se transfiere al recipiente/contenedor del calentador de agua por medio de 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 de espacios, debido a la popularidad de los sistemas de aire forzado / HVAC 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 un incendio o una explosión en la casa. La segunda característica evita el sobrecalentamiento del tanque debido a condiciones de combustión inusuales. 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 parallamas , requieren supervisión 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 interruptor de corte térmico puede actuar para apagar el calentador.
Una estufa de respaldo húmedo ( NZ ), calentador de respaldo húmedo (NZ) o caldera de respaldo (UK) es un calentador de agua secundario doméstico simple que utiliza calor incidental. Por lo general, consiste en una tubería de agua caliente que corre detrás de una chimenea o estufa (en lugar de un depósito de agua caliente ) y no tiene ningún dispositivo para limitar el calentamiento. Las estufas de respaldo húmedo modernas pueden hacer que la tubería tenga un diseño más sofisticado para ayudar al intercambio de calor . Estos diseños están siendo reemplazados por las regulaciones de eficiencia del gobierno que no cuentan la energía utilizada para calentar el agua como utilizada "eficientemente". [5]
Otro tipo de calentador de agua desarrollado en Europa fue anterior al modelo de almacenamiento. En Londres, Inglaterra, en 1868, Benjamin Waddy Maughan, un pintor, inventó el primer calentador de agua doméstico instantáneo que no utilizaba combustible sólido . Bautizado como géiser en honor a una fuente termal islandesa, el invento de Maughan hacía que el agua fría de 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 fluía hacia un lavabo o una bañera. El invento era algo peligroso porque no había un conducto para eliminar los gases calientes del baño. A los calentadores de agua todavía se les llama géiseres en el Reino Unido y Sudáfrica.
La invención 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 empresa Ruud Manufacturing Company, que todavía existe en la actualidad, realizó muchos avances en el diseño y el funcionamiento de calentadores de agua con y sin tanque.
En Estados Unidos, el agua suele entrar a las viviendas a unos 10 °C (50 °F), según la latitud y la estación del año. Las temperaturas de 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 ducha de referencia del Código Uniforme de Plomería es de 9,5 L (2,5 galones estadounidenses) por minuto. Los usos del fregadero y el lavavajillas varían de 4 a 11 L (1 a 3 galones estadounidenses) por minuto.
El gas natural se mide a menudo por volumen o contenido de calor. Las unidades de medida comunes por volumen son metros cúbicos o pies cúbicos en condiciones estándar o por contenido de calor en kilovatios hora , unidades térmicas británicas (BTU) o termia , que es igual a 100.000 BTU. Una 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 galones estadounidenses) 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 podría existir en un calentador sin tanque, tardaría unos 15 minutos en hacer esto. A un dólar por termia , el costo del gas sería de aproximadamente 40 centavos. En comparación, un calentador de agua eléctrico con tanque típico de 230 L (60 galones estadounidenses) 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 por kWh, la electricidad costaría 1,68 dólares.
La eficiencia energética de los calentadores de agua para uso residencial puede variar considerablemente, en particular según el fabricante y el modelo. Sin embargo, los calentadores eléctricos tienden a ser ligeramente más eficientes (sin contar las pérdidas de la central eléctrica) con una eficiencia de recuperación (la eficiencia con la que la energía se transfiere al agua) que alcanza aproximadamente el 98%. Los calentadores a gas tienen una eficiencia de recuperación máxima de solo el 82-94% (el calor restante se pierde con los gases de combustión). Los factores de energía generales pueden ser tan bajos como el 80% para los sistemas eléctricos y el 50% para los de gas. Los calentadores de agua a gas natural y propano con factores de energía del 62% o más, así como los calentadores de agua a gas con tanque con factores de energía del 93% o más, se consideran unidades de alta eficiencia. Los calentadores de agua a gas natural y propano con tanque con calificación Energy Star (a septiembre de 2010) tienen factores de energía del 67% o más, lo que generalmente se logra utilizando un piloto intermitente junto con un regulador de tiro automático, ventiladores deflectores o ventilación forzada.
Los calentadores de agua con resistencia eléctrica directa no están incluidos en el programa Energy Star; sin embargo, el programa Energy Star sí incluye unidades de bomba de calor eléctrica con factores de energía de 200% o más. Los calentadores de agua a gas sin tanque (a partir de 2015) deben tener un factor de energía de 90% o más para la calificación Energy Star. Dado que la producción de electricidad en plantas térmicas tiene niveles de eficiencia que van desde solo 15% a un poco más del 55% ( turbina de gas de ciclo combinado ), con alrededor del 40% típico para las centrales térmicas, el calentamiento de agua con resistencia eléctrica directa puede ser la opción menos eficiente energéticamente.
Sin embargo, el uso de una bomba de calor puede hacer que los calentadores de agua eléctricos sean mucho más eficientes energéticamente y conduzcan a una disminución de las emisiones de dióxido de carbono, más aún si se utiliza una fuente de electricidad con bajas emisiones de carbono . El uso de calefacción urbana que aprovecha el calor residual de la generación de electricidad y otras industrias para calentar las residencias y el agua caliente proporciona una mayor eficiencia general, eliminando la necesidad de quemar combustibles fósiles o usar electricidad de alto valor energético para producir calor en el hogar individual.
Básicamente, se necesita una gran cantidad de energía para calentar el agua, como puede ocurrir cuando se espera a que hierva un galón de agua en una estufa. Por este motivo, los calentadores de agua a 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 de agua decepcionantemente pequeña: 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 control óptimo de la temperatura y la programación, 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 de eficiencia para calentadores de agua residenciales establecidos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . [7] Todos los nuevos calentadores de agua con tanque de almacenamiento de gas con capacidades menores a 55 galones estadounidenses (210 L; 46 galones imperiales) vendidos en los Estados Unidos en 2015 o después deberán tener un factor de energía de al menos el 60 % (para unidades de 50 galones estadounidenses, mayor para unidades más pequeñas), aumentado respecto del estándar mínimo anterior a 2015 del 58 % de factor de energía para unidades de gas de 50 galones estadounidenses. Los calentadores de agua con tanque de almacenamiento eléctricos con capacidades menores a 55 galones estadounidenses vendidos en los Estados Unidos deberán tener un factor de energía de al menos el 95 %, aumentado respecto del 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 enfrentan ahora requisitos de eficiencia más estrictos que los de 50 galones estadounidenses o menos. Según la norma anterior a 2015, un calentador de agua de almacenamiento a gas de 75 galones estadounidenses (280 L; 62 gal imp.) 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 a gas de 75 galones estadounidenses es ahora 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 eléctrico con tanque de almacenamiento de 80 galones estadounidenses (300 L; 67 galones imperiales) podía tener un factor de energía mínimo del 86 % según la norma anterior a 2015, mientras que según la norma de 2015, el factor de energía mínimo para un calentador de agua eléctrico con tanque de almacenamiento de 80 galones ahora es del 197 %, lo que solo es posible con la tecnología de bomba de calor . Esta clasificación 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, solo alrededor del 30-35% de la energía del 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 de 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] En contraste, el 90% del valor energético del gas natural se entrega al consumidor. [ cita requerida ] (En ninguno de los casos se incluye la energía gastada en explorar, desarrollar y extraer recursos de carbón o gas natural en las cifras de eficiencia citadas). Los calentadores de agua sin tanque a gas deben tener un factor de energía del 82% o más según las normas de 2015, que corresponde a la norma Energy Star anterior a 2015.
En 2022, el Departamento de Energía propuso normas que entrarían en vigor en 2026 y eliminarían de manera efectiva los calentadores de agua a gas sin condensación ineficientes en los edificios comerciales. Los modelos sin condensación desperdician calor, mientras que los modelos con condensación capturan y utilizan 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 costos energéticos de los edificios. [9]
Los calentadores de agua pueden explotar y causar daños importantes, lesiones o la muerte si no se instalan ciertos dispositivos de seguridad. Normalmente, en la parte superior del calentador de agua se instala un dispositivo de seguridad llamado válvula de alivio de temperatura y presión (T&P o TPR) para descargar el agua si la temperatura o la presión se vuelven demasiado altas. 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) por encima del piso para reducir la posibilidad de incendio o explosión debido a derrames o fugas de líquidos combustibles en el garaje. Además, ciertos códigos locales exigen que los calentadores de tipo tanque en instalaciones nuevas y modernizadas se aseguren a una pared adyacente con una correa o un anclaje para evitar que se vuelquen y rompan las tuberías de agua y gas en caso de un terremoto . [11]
En el caso de las casas más antiguas en las que el calentador de agua forma parte de la caldera de calefacción y los códigos de plomería lo permiten, algunos plomeros instalan un dispositivo de corte 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 que se siga calentando. [ cita requerida ] Además, se debe instalar un tanque de expansión o una válvula de alivio de presión exterior para evitar que la presión se acumule en las tuberías debido a la rotura de 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 lentamente a 53 °C (127 °F): se necesita un minuto completo para que se produzca una quemadura de segundo grado . Las personas mayores y los niños suelen sufrir quemaduras graves 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 caliente y fría a través de una válvula de templado se conoce como "agua templada". [14]
Una válvula de templado mezcla suficiente agua fría con el agua caliente del calentador para mantener la temperatura del agua saliente fija en una temperatura más moderada, a menudo establecida en 50 °C (122 °F). Sin una válvula de templado, la reducción de la temperatura de ajuste 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 causar quemaduras. Esto se puede lograr utilizando un calentador complementario en un electrodoméstico que requiera agua más caliente. La mayoría de las máquinas lavavajillas residenciales , por ejemplo, incluyen un elemento de calentamiento eléctrico interno para aumentar la temperatura del agua por encima de la proporcionada por un calentador de agua doméstico.
Dos cuestiones de seguridad conflictivas 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, en particular 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 (131 °F) en un minuto en los puntos de uso. [15]
Si el lavavajillas no tiene calentador de refuerzo, es posible que se requiera una temperatura del agua dentro de un rango de 57 a 60 °C (135 a 140 °F) para una limpieza óptima, [16] pero se pueden aplicar válvulas de templado ajustadas a no más de 55 °C (131 °F) 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 de los tanques no son una guía confiable para conocer la temperatura interna del tanque. Los tanques de agua a gas pueden no tener una calibración de temperatura indicada. Un termostato eléctrico muestra la temperatura a la altura del termostato, pero el agua que se encuentra en la parte inferior del 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 la legionela 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 las normas normales de seguridad contra la legionelosis, el principal comité técnico de energía solar térmica de Europa, el TC 312 del CEN, afirma que se produciría una caída del 50% en el rendimiento si los sistemas de calentamiento solar de agua se calentaran hasta la base diariamente. Sin embargo, algunos trabajos de análisis con simuladores solares utilizando Polysun 5 sugieren que una penalización energética del 11% es una cifra más probable. Cualquiera que sea el contexto, tanto la eficiencia energética como los requisitos de seguridad contra escaldaduras apuntan en la dirección de temperaturas del agua considerablemente más bajas que la temperatura de pasteurización de la legionela de alrededor de 60 °C (140 °F). [ cita requerida ]
Se ha detectado Legionella pneumophila en el punto de uso aguas abajo de calentadores de agua eléctricos montados horizontalmente con volúmenes de 150 litros. [18]
Sin embargo, la legionela 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 legionela. 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 caudal. [ cita requerida ]
También es posible controlar los riesgos de legionela mediante el tratamiento químico del agua. Esta técnica permite mantener temperaturas más bajas en el agua de las tuberías sin el riesgo asociado de legionela. La ventaja de las temperaturas más bajas en las tuberías es que se reduce la tasa de pérdida de calor y, por lo tanto, se reduce el consumo de energía.
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