La calefacción eléctrica es un proceso en el que la energía eléctrica se convierte directamente en energía térmica . Las aplicaciones comunes incluyen calefacción de espacios , cocina , calentamiento de agua y procesos industriales. Un calentador eléctrico es un dispositivo eléctrico que convierte una corriente eléctrica en calor. [1] El elemento calefactor dentro de cada calentador eléctrico es una resistencia eléctrica y funciona según el principio de calentamiento Joule : una corriente eléctrica que pasa a través de una resistencia convertirá esa energía eléctrica en energía térmica. La mayoría de los dispositivos de calefacción eléctrica modernos utilizan alambre de nicromo como elemento activo; el elemento calefactor, representado a la derecha, utiliza alambre de nicromo sostenido por aislantes cerámicos.
Alternativamente, una bomba de calor puede lograr alrededor de 150% - 600% de eficiencia para calefacción, o COP 1.5 - 6.0 Coeficiente de rendimiento , porque utiliza energía eléctrica solo para transferir energía térmica existente. La bomba de calor utiliza un motor eléctrico para impulsar un ciclo de refrigeración inverso , que extrae energía térmica de una fuente externa como el suelo o el aire exterior (o el interior de un refrigerador) y dirige ese calor al espacio que se va a calentar (en el caso de un refrigerador, la cocina). Esto hace un uso mucho mejor de la energía eléctrica que la calefacción eléctrica directa, pero requiere un equipo mucho más caro, además de plomería. Algunos sistemas de calefacción pueden funcionar en sentido inverso para el aire acondicionado , de modo que el espacio interior se enfría y el aire o el agua aún más calientes se descargan al exterior o al suelo.
La calefacción de espacios se utiliza para calentar el interior de los edificios. Los calentadores de espacios son útiles en lugares donde el aire acondicionado es difícil de controlar, como en los laboratorios. Se utilizan varios métodos de calefacción eléctrica de espacios.
La calefacción radiante por infrarrojos eléctrica utiliza elementos calefactores que alcanzan una temperatura elevada. El elemento suele estar envuelto en una envoltura de vidrio similar a una bombilla y con un reflector para dirigir la energía emitida lejos del cuerpo del calefactor. El elemento emite radiación infrarroja que viaja a través del aire o el espacio hasta que llega a una superficie absorbente, donde se convierte parcialmente en calor y se refleja parcialmente. Este calor calienta directamente a las personas y los objetos de la habitación, en lugar de calentar el aire. Este tipo de calefactor es particularmente útil en áreas por las que fluye aire sin calentar. También son ideales para sótanos y garajes donde se desea calentar un área específica. En términos más generales, son una excelente opción para calentar tareas específicas.
Los calefactores radiantes funcionan de forma silenciosa y presentan el mayor riesgo potencial de ignición de los muebles cercanos debido a la intensidad concentrada de su emisión y la falta de protección contra el sobrecalentamiento. En el Reino Unido, estos aparatos a veces se denominan chimeneas eléctricas, porque originalmente se utilizaban para sustituir a las chimeneas abiertas.
El medio activo del calentador representado en esta sección es una bobina de alambre de resistencia de nicromo dentro de un tubo de sílice fundida , abierto a la atmósfera en los extremos, aunque existen modelos en los que la sílice fundida está sellada en los extremos y la aleación de resistencia no es nicromo.
En un calentador de convección, el elemento calefactor calienta el aire en contacto con él por conducción térmica . El aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que se eleva debido a la flotabilidad , lo que permite que fluya más aire frío para ocupar su lugar. Esto establece una corriente de convección de aire caliente que se eleva desde el calentador, calienta el espacio circundante, se enfría y luego repite el ciclo. Estos calentadores a veces se llenan con aceite o fluido térmico. Son ideales para calentar un espacio cerrado. Funcionan de forma silenciosa y tienen un menor riesgo de peligro de ignición si entran en contacto involuntario con los muebles en comparación con los calentadores eléctricos radiantes.
Un calefactor por convección forzada, también llamado calefactor por ventilador, es un tipo de calefactor por convección que incluye un ventilador eléctrico para acelerar el flujo de aire. Funcionan con un ruido considerable causado por el ventilador. Tienen un riesgo moderado de peligro de ignición si entran en contacto accidental con el mobiliario. Su ventaja es que son más compactos que los calefactores que utilizan convección natural y también son rentables para sistemas de calefacción portátiles y de habitaciones pequeñas.
Un sistema de calefacción por acumulación aprovecha los precios más baratos de la electricidad, que se vende durante períodos de baja demanda, como por ejemplo durante la noche. En el Reino Unido, se denomina Economy 7. El calentador de almacenamiento almacena el calor en ladrillos de arcilla y luego lo libera durante el día cuando es necesario. Los calentadores de almacenamiento más nuevos se pueden utilizar con varias tarifas. Si bien todavía se pueden utilizar con Economy 7, se pueden utilizar con tarifas diurnas. Esto se debe a las características de diseño modernas que se agregan durante la fabricación. Junto con los nuevos diseños, el uso de un termostato o sensor ha mejorado la eficiencia del calentador de almacenamiento. Un termostato o sensor puede leer la temperatura de la habitación y cambiar la salida del calentador en consecuencia.
El agua también se puede utilizar como medio de almacenamiento de calor.
Un sistema de calefacción por suelo radiante eléctrico tiene cables calefactores incrustados en el suelo. La corriente fluye a través de un material calefactor conductor , suministrado directamente desde la tensión de red (120 o 240 voltios) o a baja tensión desde un transformador. Los cables calefactores calientan el suelo por conducción directa y se apagan una vez que alcanza la temperatura establecida por el termostato de suelo . Una superficie de suelo más caliente irradia calor a las superficies circundantes más frías (techo, paredes, muebles), que absorben el calor y reflejan todo el calor no absorbido a otras superficies aún más frías. El ciclo de radiación, absorción y reflexión comienza lentamente y se ralentiza lentamente acercándose a las temperaturas de referencia y deja de tener lugar una vez que se alcanza el equilibrio general. Un termostato de suelo o un termostato de ambiente o una combinación de ellos controlan el encendido y apagado del suelo. En el proceso de calefacción radiante, una fina capa de aire que está en contacto con las superficies calentadas también absorbe algo de calor y esto crea una pequeña convección (circulación de aire). Contrariamente a lo que se cree, las personas no se calientan con este aire caliente circulante o convección (la convección tiene un efecto refrescante), sino que se calientan por la radiación directa de la fuente y la reflexión de su entorno. El confort se alcanza a una temperatura del aire más baja debido a la eliminación del aire circulante. La calefacción radiante experimenta los niveles más altos de confort ya que la energía propia de las personas (± 70 vatios para un adulto) (debe irradiar hacia afuera en la temporada de calefacción) está en equilibrio con su entorno. En comparación con el sistema de calefacción por convección, según la investigación académica, las temperaturas del aire pueden reducirse hasta en 3 grados. Una variación es el uso de tubos llenos de agua caliente circulante como fuente de calor para calentar el suelo. El principio de calefacción sigue siendo el mismo. Los sistemas de calefacción por suelo radiante eléctricos y de agua caliente (hidrónicos) de estilo antiguo integrados en la construcción del suelo son lentos y no pueden responder a los cambios climáticos externos o a la demanda interna o los requisitos de estilo de vida. La última variante coloca sistemas de calefacción eléctricos especializados y mantas directamente debajo de la decoración del suelo y encima de un aislamiento adicional, todo ello colocado sobre los suelos de construcción. Los suelos de construcción se mantienen fríos. El cambio de principio de la posición de la fuente de calor le permite responder en minutos a los cambios climáticos y a los requisitos de demanda interna, como el estilo de vida dentro/fuera, en el trabajo, descanso, sueño, más gente presente/cocinando, etc.
En las grandes torres de oficinas, el sistema de iluminación está integrado con el sistema de calefacción y ventilación. El calor residual de las lámparas fluorescentes se captura en el aire de retorno del sistema de calefacción; en los edificios grandes, una parte sustancial de la energía anual de calefacción es suministrada por el sistema de iluminación. Sin embargo, este calor residual se convierte en un problema cuando se utiliza el aire acondicionado. Estos gastos se pueden evitar integrando un sistema de iluminación energéticamente eficiente que también genere una fuente de calor eléctrica. [2]
Una bomba de calor utiliza un compresor accionado eléctricamente para operar un ciclo de refrigeración que extrae energía térmica del aire exterior, del suelo o del agua subterránea, y traslada ese calor al espacio que se va a calentar. Un líquido contenido en la sección del evaporador de la bomba de calor hierve a baja presión, absorbiendo energía térmica del aire exterior o del suelo. Luego, un compresor comprime el vapor y lo envía a un serpentín condensador dentro del edificio para calentarlo. El calor del gas denso y caliente es absorbido por el aire del edificio (y, a veces, también se utiliza para el agua caliente sanitaria), lo que hace que el fluido de trabajo caliente se condense nuevamente en un líquido. Desde allí, el fluido a alta presión pasa nuevamente a la sección del evaporador, donde se expande a través de un orificio y entra en la sección del evaporador, completando el ciclo. En los meses de verano, el ciclo se puede invertir para sacar el calor del espacio acondicionado y llevarlo al aire exterior.
Las bombas de calor pueden obtener calor de baja calidad del aire exterior en climas templados. En áreas con temperaturas medias invernales muy por debajo del punto de congelación, las bombas de calor geotérmicas son más eficientes que las bombas de calor aerotérmicas porque pueden extraer el calor solar residual almacenado en el suelo a temperaturas más cálidas que las que se obtienen del aire frío. [3] Según la EPA de EE. UU. , las bombas de calor geotérmicas pueden reducir el consumo de energía hasta un 44 % en comparación con las bombas de calor aerotérmicas y hasta un 72 % en comparación con la calefacción por resistencia eléctrica. [4] El alto precio de compra de una bomba de calor en comparación con los calentadores por resistencia puede compensarse cuando también se necesita aire acondicionado .
Un calentador de inmersión tiene un elemento calefactor de resistencia eléctrica encerrado en un tubo, colocado en el agua (u otro fluido) que se va a calentar. El elemento calefactor puede insertarse directamente en el líquido o instalarse dentro de una tubería de metal para protegerlo contra la corrosión y facilitar el mantenimiento. Los calentadores de inmersión portátiles pueden no tener un termostato de control, ya que están diseñados para usarse solo brevemente y bajo el control de un operador.
Para el suministro de agua caliente para uso doméstico o para procesos industriales, se pueden utilizar elementos de calefacción instalados permanentemente en un tanque de agua caliente aislado, controlados por un termostato para regular la temperatura. Las unidades domésticas pueden tener una potencia nominal de solo unos pocos kilovatios. Los calentadores de agua industriales pueden alcanzar los 2000 kilovatios. Cuando se dispone de tarifas de energía eléctrica fuera de horas pico, se puede almacenar agua caliente para usarla cuando sea necesaria.
Las duchas eléctricas y los calentadores sin tanque también utilizan un calentador de inmersión (protegido o desnudo) que se enciende con el flujo de agua. Se puede conmutar un grupo de calentadores separados para ofrecer diferentes niveles de calentamiento. Las duchas eléctricas y los calentadores sin tanque suelen consumir entre 3 y 10,5 kilovatios.
Los minerales presentes en el suministro de agua pueden precipitarse y formar una costra dura en la superficie del elemento calefactor, o pueden caer al fondo del tanque y obstruir el flujo de agua. El mantenimiento del equipo de calentamiento de agua puede requerir la eliminación periódica de la costra y los sedimentos acumulados. Cuando se sabe que los suministros de agua están altamente mineralizados, la producción de costra se puede reducir utilizando elementos calefactores de baja densidad de vatios. [5]
Los calentadores de circulación o "intercambiadores de calor eléctricos directos" (DEHE) utilizan elementos de calentamiento insertados en un medio "del lado de la carcasa" directamente para proporcionar el efecto de calentamiento. Todo el calor generado por el calentador de circulación eléctrico se transfiere al medio, por lo que un calentador eléctrico es 100 por ciento eficiente. Los intercambiadores de calor eléctricos directos o "calentadores de circulación" se utilizan para calentar líquidos y gases en procesos industriales. [6] [7]
En los calentadores de electrodos no existe resistencia de alambre enrollado y el propio líquido actúa como resistencia. Esto presenta riesgos potenciales, por lo que las normas que rigen los calentadores de electrodos son estrictas.
La eficiencia de cualquier sistema depende de la definición de los límites del sistema. Para un cliente de energía eléctrica, la eficiencia de la calefacción eléctrica de espacios es del 100% porque toda la energía comprada se convierte en calor. Sin embargo, si se incluye una planta de energía que suministra electricidad, la eficiencia general cae drásticamente. Por ejemplo, una central eléctrica de combustible fósil solo entrega de 3 a 5 unidades de energía eléctrica por cada 10 unidades de energía de combustible liberadas. [8] Aunque el calentador eléctrico es 100% eficiente, la cantidad de combustible necesario para producir el calor es mayor que si el combustible se quemara en un horno o caldera en el edificio que se está calentando. Si el mismo combustible pudiera ser utilizado para la calefacción de espacios por un consumidor, sería más eficiente en general quemar el combustible en el edificio del usuario final. Por otro lado, reemplazar la calefacción eléctrica con calentadores que queman combustibles fósiles no es necesariamente bueno ya que elimina la capacidad de tener calefacción eléctrica renovable, esto se puede lograr obteniendo la electricidad de una fuente renovable.
Las variaciones entre los países que generan energía eléctrica afectan las preocupaciones sobre la eficiencia y el medio ambiente. En 2015, Francia generó solo el 6% de su electricidad a partir de combustibles fósiles , mientras que Australia obtuvo más del 86% de su electricidad de combustibles fósiles. [9] La limpieza y la eficiencia de la electricidad dependen de la fuente.
En Suecia, el uso de calefacción eléctrica directa está restringido desde los años 1980 por este motivo, y hay planes para eliminarlo por completo (véase Eliminación gradual del petróleo en Suecia ), mientras que Dinamarca ha prohibido la instalación de calefacción eléctrica directa en edificios nuevos por razones similares. [10] En el caso de edificios nuevos, se pueden utilizar técnicas de construcción de bajo consumo energético que prácticamente pueden eliminar la necesidad de calefacción, como las construidas según el estándar Passivhaus .
En Quebec , sin embargo, la calefacción eléctrica sigue siendo la forma más popular de calefacción doméstica. Según una encuesta de Statistics Canada de 2003, el 68% de los hogares de la provincia utilizan electricidad para calentar los espacios. Más del 90% de toda la energía consumida en Quebec se genera mediante represas hidroeléctricas , que tienen bajas emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con las centrales eléctricas de combustibles fósiles . Hydro-Québec , la empresa de servicios públicos de propiedad provincial, cobra tarifas bajas y estables . [11]
En los últimos años, los países han experimentado una importante tendencia a generar electricidad con bajas emisiones de carbono a partir de fuentes renovables, que se suman a la energía nuclear y la hidroeléctrica , que son fuentes de baja emisión de carbono desde hace mucho tiempo. Por ejemplo, la huella de carbono de la electricidad por kWh del Reino Unido en 2019 fue menos de la mitad que en 2010. [8] Sin embargo, debido al alto costo de capital, el costo de la electricidad no ha disminuido y, por lo general, es dos o tres veces mayor que el de la quema de combustible. Por lo tanto, la calefacción eléctrica directa puede ahora generar una huella de carbono similar a la calefacción a gas o petróleo, pero el costo sigue siendo más alto, aunque las tarifas más económicas fuera de horas punta pueden reducir este efecto.
Para proporcionar calor de manera más eficiente, una bomba de calor accionada eléctricamente puede elevar la temperatura interior extrayendo energía del suelo, del aire exterior o de corrientes de desechos como el aire de escape. Esto puede reducir el consumo de electricidad a tan solo el 35% del que se utiliza con la calefacción resistiva. [12] Cuando la fuente principal de energía eléctrica es hidroeléctrica, nuclear o eólica, la transferencia de electricidad a través de la red puede ser conveniente, ya que el recurso puede estar demasiado distante para aplicaciones de calefacción directa (con la notable excepción de la energía solar térmica ).
La electrificación del calor de los espacios y del agua caliente se propone cada vez más como una forma de avanzar hacia la descarbonización del sistema energético actual, en particular con bombas de calor . En caso de electrificación a gran escala, se deben considerar los impactos en la red eléctrica debido al posible aumento de la demanda máxima de electricidad y la exposición a fenómenos meteorológicos extremos . [13]
El funcionamiento de calentadores de resistencia eléctrica para calentar una zona durante períodos prolongados es costoso en muchas regiones. Sin embargo, el uso intermitente o durante parte del día puede resultar más rentable que la calefacción de todo el edificio debido al control zonal superior.
Por ejemplo, un comedor en una oficina tiene un horario de funcionamiento limitado. Durante los períodos de poco uso, el sistema de calefacción central proporciona un nivel de calor de "control" (50 °F o 10 °C). Durante los períodos de uso máximo, entre las 11:00 y las 14:00, se calienta a "niveles de confort" (70 °F o 21 °C). Se pueden lograr ahorros significativos en el consumo total de energía, ya que las pérdidas de radiación infrarroja a través de la radiación térmica no son tan grandes y el gradiente de temperatura es menor tanto entre este espacio y el aire exterior sin calentar, como entre el refrigerador y el comedor (ahora más fresco).
En términos económicos, la calefacción eléctrica se puede comparar con otras fuentes de calefacción doméstica multiplicando el costo local por kilovatio hora de electricidad por la cantidad de kilovatios que utiliza el calentador. Por ejemplo: calentador de 1500 vatios a 12 centavos por kilovatio hora 1,5 × 12 = 18 centavos por hora. [14] Al comparar con la quema de combustible, puede ser útil convertir kilovatios hora a BTU : 1,5 kWh × 3412,142 = 5118 BTU.
La calefacción eléctrica se utiliza ampliamente en la industria. [15]
Las ventajas de los métodos de calentamiento eléctrico sobre otras formas incluyen el control preciso de la temperatura y la distribución de la energía térmica, la combustión que no se utiliza para generar calor y la capacidad de alcanzar temperaturas que no se pueden lograr fácilmente con la combustión química. El calor eléctrico se puede aplicar con precisión en el punto preciso necesario en un proceso, con una alta concentración de energía por unidad de área o volumen. Los dispositivos de calentamiento eléctrico se pueden construir en cualquier tamaño requerido y se pueden ubicar en cualquier lugar dentro de una planta. Los procesos de calentamiento eléctrico son generalmente limpios, silenciosos y no emiten mucho calor de subproducto al entorno. El equipo de calentamiento eléctrico tiene una alta velocidad de respuesta, lo que lo hace ideal para equipos de producción en masa de ciclo rápido.
Las limitaciones y desventajas de la calefacción eléctrica en la industria incluyen el mayor costo de la energía eléctrica en comparación con el uso directo de combustible y el costo de capital tanto del aparato de calefacción eléctrica en sí como de la infraestructura necesaria para suministrar grandes cantidades de energía eléctrica al punto de uso. Esto puede compensarse en cierta medida con ganancias de eficiencia en la planta (in situ) al utilizar menos energía en general para lograr el mismo resultado.
El diseño de un sistema de calefacción industrial comienza con la evaluación de la temperatura requerida, la cantidad de calor necesaria y los modos posibles de transferir energía térmica. Además de la conducción, la convección y la radiación, los métodos de calefacción eléctrica pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos para calentar el material.
Los métodos de calentamiento eléctrico incluyen el calentamiento por resistencia, el calentamiento por arco eléctrico, el calentamiento por inducción y el calentamiento dieléctrico. En algunos procesos (por ejemplo, la soldadura por arco ), la corriente eléctrica se aplica directamente a la pieza de trabajo. En otros procesos, el calor se produce dentro de la pieza de trabajo por inducción o pérdidas dieléctricas . Asimismo, el calor se puede producir y luego transferir a la pieza de trabajo por conducción, convección o radiación.
Los procesos de calentamiento industrial se pueden clasificar en general como de baja temperatura (hasta aproximadamente 400 °C o 752 °F), de temperatura media (entre 400 y 1150 °C o 752 y 2102 °F) y de alta temperatura (más allá de 1150 °C o 2102 °F). Los procesos de baja temperatura incluyen el horneado y secado, el curado de acabados , la soldadura , el moldeado y el conformado de plásticos. Los procesos de temperatura media incluyen la fusión de plásticos y algunos no metales para su fundición o remodelado, así como el recocido, el alivio de tensiones y el tratamiento térmico de metales. Los procesos de alta temperatura incluyen la fabricación de acero , la soldadura fuerte , la soldadura , la fundición de metales, el corte, la fundición y la preparación de algunos productos químicos.
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