UF0565 - Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y ACS en los edificios

Por Daniel Navas Carrillo

La finalidad de esta Unidad Formativa es enseñar a determinar la eficiencia energética de las instalaciones de calefacción y ACS en los edificios.

Para ello, en primer lugar se introducirán los conceptos básicos de la termodinámica, la transmisión de calor, la combustión y los combustibles.

A continuación, se profundizara en las características principales de las instalaciones de calefacción y producción de ACS, las redes de transporte y los equipos terminales de calefacción.

Posteriormente, se analizaran los procesos de regulación y control de instalaciones de calor y de diseño eficiente de las instalaciones de calefacción y ACS.

Para terminar la unidad, se hará hincapié en la contribución solar para agua caliente sanitaria y piscinas y en el rendimiento y eficiencia energética de los elementos de las instalaciones termicas.

Tema 1. Termodinámica y transmisión de calor
1.1 Conceptos básicos de termodinámica.
1.2 Trasmisión de calor.

Tema 2. Combustión y combustibles
2.1 Combustión.
2.2 Combustibles.

Tema 3. Instalaciones calefacción y producción de ACS
3.1 Definiciones y clasificación de las instalaciones.
3.2 Partes y elementos constituyentes.
3.3 Análisis funcional.
3.4 Calderas Clasificación y funcionamiento.
3.5 Quemadores.
3.6 Acumuladores e interacumuladores de agua caliente sanitaria.
3.7 Depósitos de expansión.
3.8 Chimeneas.

Tema 4. Redes de transporte
4.1 Bombas Tipos y características.
4.2 Redes de tuberías.

Tema 5. Equipos terminales de calefacción
5.1 Radiadores.
5.2 Fancoils y aerotermos.
5.3 Suelo radiante.

Tema 6. Regulación y control de instalaciones de calor
6.1 Control de instalaciones de calefacción y ACS.
6.2 Telegestión.

Tema 7. Diseño eficiente de las instalaciones de calefacción y ACS
7.1 Eficiencia en la generación de calor.
7.2 Eficiencia en la distribución: redes de tuberías.
7.3 Eficiencia en el control de instalaciones.
7.4 Contabilización de consumos.
7.5 Limitaciones en la utilización de la energía convencional.
7.6 Calidad térmica del ambiente.
7.7 Calidad e higiene del aire interior.
7.8 Calidad del ambiente acústico.

Tema 8. Contribución solar para agua caliente sanitaria y piscinas
8.1 Condiciones generales.
8.2 Porcentaje de contribución solar mínima.
8.3 Pérdidas límite por orientación, inclinación o sombras.
8.4 Rendimiento mínimo anual.
8.5 Condiciones aplicables a las conexiones de captadores solares.
8.6 Condiciones de los acumuladores en aplicaciones de ACS.
8.7 Potencia mínima de intercambiadores de calor independientes.
8.8 Especificaciones en la colocación de tuberías.
8.9 Caudales recomendados en primario.
8.10 Condiciones que deben cumplir los grupos de bombeo.
8.11 Condiciones que deben cumplir los sistemas de purga de aire.
8.12 Sistemas auxiliares de apoyo mediante energía convencional.
8.13 Condiciones que deben cumplir los sistemas de control.

Tema 9. Rendimiento y eficiencia energética de los elementos de las instalaciones térmicas
9.1 Aparatos de medida.
9.2 Mediciones energéticas.
9.3 Rendimiento de generadores de calor.
9.4 Rendimiento y eficiencia energética de bombas.
9.5 Rendimiento y eficiencia energética unidades terminales.
9.6 Registro de consumos.

• Idioma: Español
• Editorial: Editorial Elearning
• Fecha de lanzamiento: 14 ene 2019

Vista previa del libro

1.1. Conceptos básicos de la termodinámica

1.1.1. Unidades y conversión

1.1.2. Concepto de energía y calor

1.1.3. Escalas termométricas

1.2. Trasmisión de calor

1.2.1. Mecanismos de transmisión de calor

1.2.2. Conducción. Ley de Fourier

1.1.Conceptos básicos de la termodinámica

Definición

En el diccionario de la Real Académica Española se define termodinámica, en su segunda acepción, como la rama de la física que estudia la relación entre el calor y las restantes formas de energía.

De este modo lo primero es entender que es energía. La definición física, define como energía a la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo, es decir generar una determinada fuerza sobre un cuerpo. Así, la energía se puede manifestar de muy diversas maneras. Veamos algunas de ellas para entender algunos conceptos generales sobre las variantes energéticas que nos podemos encontrar a nuestro alrededor.

Formas de energía

La ilustración muestra el movimiento de dos bolas de tal forma que, al quitar el tope que detiene la bola gris, esta baja por la pendiente y choca con la bola roja, ejerciendo sobre esta una fuerza y transfiriéndole su energía cinética. Debido a esta energía la bola roja, que estaba en reposo, se desplaza a lo largo de la superficie plana. Pero ¿de dónde proviene la energía de la bola gris? La bola gris se desplaza gracias a la fuerza gravitatoria de la Tierra (energía potencial), provocando en su desplazamiento un rozamiento con el suelo y, en este, parte de la energía cinética se transforma en energía térmica, que se reparte entre el propio suelo y la bola roja.

Mientras que la energía cinética, está relacionada con el movimiento de los cuerpos, la energía térmica, se asocia con la temperatura de la sustancia, y responde a transformaciones internas. Pero como hemos visto, los cuerpos tienen capacidad de realizar un trabajo (energía), aunque no estén en movimiento, debido a la energía potencial acumulada, causada por la agitación de las moléculas de este cuerpo.

Hay que tener en cuenta según cómo se manifieste esta misma energía, se puede aprovechar de mejor o peor manera a la hora de realizar un trabajo. Aunque a priori, se considera que a igual cantidad de energía se realiza la misma cantidad de trabajo. Por lo tanto, es fundamental que tengamos en cuenta la capacidad de transformación de la energía, a la hora de poder estimar la eficiencia energética de una determinada instalación, a partir de unos datos obtenidos mediante una medición objetiva in situ.

Energía térmica radiada por una vivienda

Sabías que

La energía térmica es la que presenta más dificultades técnicas a la hora de ser aprovechada para ejecutar un trabajo, ya que en todo proceso físico relacionado con el movimiento se produce una conversión de energía cinética en energía térmica debida al roce de las partes móviles del sistema.

Los principios termodinámicos son los acuerdos a los que ha llegado a nivel internacional para explicar los fenómenos que se producen en la termodinámica, a partir de las distintas investigaciones que se han venido realizando a lo largo de la historia de la ciencia moderna.

Prestaremos especial atención a los siguientes principios termodinámicos.

De la segunda afirmación, también se establece, que en algunos casos es imposible convertir completamente toda la energía de un tipo en otro sin ningún tipo de pérdidas. Se reconoce así la existencia de una magnitud física para determinar la parte de la energía que no utilizarse para generar trabajo, llamada entropía (S).

En otras palabras la entropía representa la irreversibilidad de los sistemas termodinámicos según la segunda ley de la termodinámica. A veces nos preguntamos porque los procesos naturales ocurren de una determinada manera, y no de otra. Esto es porque la naturaleza intenta distribuir la energía de forma equitativa, y por tanto a maximizar la entropía, ya que la entropía alcanzará su máximo cuando los sistemas se acerquen al equilibrio.

Como conclusión se obtiene que es imposible conseguir una transformación de energía sin un porcentaje de perdidas, al no poderse aprovechar la energía térmica generada. Se introduce así el concepto de rendimiento energético, requerido para evaluar la viabilidad del proceso de transformación a estudiar.

En el caso que nos atañe, utilizaremos este concepto en numerosas ocasiones para referirnos a la capacidad que tiene los elementos de una instalación, individualmente o como conjunto, para evitar la mayor cantidad de pérdidas posibles.

Sabías que

En determinados sectores, como en economía, el término energía también hace referencia a los recursos naturales, teniendo en cuenta la tecnología necesaria para su extracción y transformación, y su repercusión económica.

1.1.1.Unidades y conversión

En la termodinámica se tienen en cuenta las interacciones entre varios sistemas, por lo que habrá que definir que se conoce como sistema termodinámico. Un sistema termodinámico, una instalación en nuestro caso, está separado del resto por un límite, que puede permitir o no el intercambio de energía con el entorno próximo.

Tubería de distribución de gas

Es de vital importancia conocer los tipos de sistemas que pueden existir, de cara a conocer la casuística de intercambio energético que se pueden dar entre las instalaciones de nuestros edificios y las estancias que se encuentran a su alrededor, y las posibles medidas a desarrollar para evitar o favorecer el intercambio.

Cualquier sistema viene definido por una serie de propiedades para determinar el estado en el que se encuentra. Estas vendrán expresadas por sus unidades características, y por las relaciones de conversión entre unas y otras. De este modo, debemos diferenciar entre las propiedades extensivas y las intensivas:

Propiedades intensivas

Recuerda que las propiedades intensivas son aquellas que dependen de la masa. No son propiedades aditivas, por lo que no existe alteración alguna en el valor al dividir el sistema.

–Presión:

La presión es la magnitud física que mide la fuerza aplicada en dirección perpendicular sobre una superficie. En el sistema Internacional la presión se mide en Pascales (Pa), que, siguiendo la definición anterior, Un Pascal equivale a una unidad de fuerza (Newton) actuando uniformemente sobre una superficie (m²).

Donde:

∙P = Presión (Pa)

∙F = Fuerza aplicada para ejercer dicha presión (N)

∙A = Superficie sobre la que se aplica la presión (m²)

Hay que tener en cuenta que no siempre tendremos acceso a los datos de nuestras evaluaciones en el Sistema Internacional. En ese caso, es altamente aconsejable conocer el procedimiento para convertir unas unidades en otras, de modo que rápidamente podamos comparar estos datos, con nuestros datos de referencia manejados con asiduidad.

La conversión de unidades, no es más, que la transformación del valor definido en una determinada unidad de medida, en otro valor expresado en otra unidad de medida que define la misma magnitud.

∙Conversión de unidades:

A continuación desarrollaremos dos de los métodos de conversión más extendidos y de mayor facilidad de aplicación a la hora de conocer la equivalencia entre dos unidades de medidas de la misma propiedad.

∙Multiplicación en cruz:

En primer lugar aplicaremos la multiplicación en cruz, comúnmente conocida como regla de tres con el siguiente ejemplo.

Tenemos una presión de 760 mmHg, y queremos saber en cuantos pascales corresponden. Lo primero es partir de la equivalencia estudiada siguiente:

1 Pa = 0.0075 mmHg

Si multiplicamos en cruz nos resulta el siguiente sistema de proporcionalidad:

1 Pa = 0.0075 mmHg

X Pa = 750 mmHg

Despejando X del sistema, nos resulta la siguiente ecuación:

∙Conversión por fases.

Si ahora queremos transformar estos 100.000 Pa, en N/mm², sin recurrir a la misma fórmula utilizada anteriormente, lo podemos realizar sabiendo que:

1 Pa = 1N/m²

1 m² = 10⁶ mm²

Lo primero que debemos realizar es la convertimos de Pascales en N/m²:

100.000 Pa = 105 N/m²

Importante

Estos procedimientos estudiados no son exclusivos para las unidades de presión, sino son formas generales de conversión de unidades, y podremos utilizarlas para muchas más propiedades y conceptos a lo largo de esta y otras unidades.

–Temperatura:

Es una magnitud que relaciona la energía interna de un sistema termodinámico. Se define por el principio cero de la termodinámica, que en palabras que podamos entender todos viene a decir que si se pone en contacto un objeto frío con otro que se encuentra a mayor temperatura, ambos modifican esta, hasta que esta se igualan.

Su unidad en el Sistema Internacional es el Kelvin (K), aunque actualmente se utilizan otras unidades de medida complementarias, que serán estudiadas de forma más detallada en el apartado 1.1.3 escalas termométricas.

∙Densidad:

Es una magnitud que nos sirve para determinar la cantidad de masa de un determinado sistema que está contenido en un determinado volumen definido por este. Se establece como densidad media al cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.

Su unidad en el Sistema Internacional es el Kg/m³.

∙Propiedades extensivas

Recuerda que las propiedades extensivas son aquellas que dependen de la masa, siendo recíprocamente equivalentes a las intensivas. Son propiedades aditivas, ya que el valor para el conjunto del sistema una vez dividido es la suma de los valores de cada una de las partes.

–Volumen:

El volumen es el espacio encerrado dentro de un sistema termodinámico definido como la extensión en tres dimensiones de una región del espacio. Es una magnitud derivada de la longitud, al ser el resultado de multiplicar esta por el ancho y la altura.

Su unidad en el Sistema Internacional es el m³.

Sabías que

La densidad es una magnitud que a simple vista nos cueste detectar. A veces cogemos un objeto que nos resulta más o menos pesado que lo que podría parecer, ya que ante un mismo volumen, cuanta más masa, la densidad de este será mayor, y por tanto nuestra sensación será que pesa más.

La relación entre las magnitudes intensivas y extensivas de un sistema termodinámico viene establecida por la ecuación del gas ideal.

Donde:

∙P = Presión absoluta (Pa)

∙V = Volumen (m³)

∙n = Moles de gas

∙R = Constante universal de los gases ideales

∙T = Temperatura absoluta

Veamos un ejemplo a continuación para entender esta relación.

Se nos presenta la siguiente duda. Tenemos 4,88 g de un gas cuya naturaleza no estamos seguros si es dióxido de azufre (SO2) o trióxido de azufre (SO3). Para resolver la duda, los introducimos en un recipiente de 1 l y observamos que la presión que ejercen a 27ºC es de 1,5 atm. Si sabemos que la masa molar de SO2 es de 64 g/mol y la masa molar de SO3 es de 80g/mol. ¿De qué gas se trata?

Tendremos que aplicar la ecuación general de los gases PV = nRT para calcular el número de moles correspondientes a esos 4,88 gramos de gas:

Despejando n, nos resulta:

Una vez obtenidos el número de moles, la masa molar del gas la calculamos multiplicando en cruz:

4,88g = 0,0061 moles

X = 1 mol

Por tanto, si sabemos que la masa molar de SO2 es de 64 g/mol y la masa molar de SO3 es de 80g/mol, se demuestra que el gas en cuestión es SO3

1.1.2.Concepto de energía y calor

Hasta el momento hemos visto conceptos generales de la termodinámica, pero es necesario profundizar sobre el concepto de energía.

Definición

En el diccionario de la Real Académica Española se define energía, en su primera acepción, como eficacia, poder, virtud para obrar, siendo la definición general al concepto de energía.

Acorde con el contenido del capítulo nos interesa especialmente la segunda de las acepciones, por la cual se define la energía como la capacidad para realidad un trabajo que tiene un sistema, posibilitando cualquier cambio en este.

Su unidad en el Sistema Internacional es el Julio (J), aunque es habitual utilizar otras unidades, tales como en calorías (cal) o en kilocalorías (kcal). Aunque, como técnicos especialistas en eficiencia energética en las instalaciones, también utilizaremos comúnmente otras unidades como la frigoría (fg), el kilovatio hora (kWh), el caballo de vapor (CVh) o el electrovoltio (eV).

Vemos en la siguiente tabla las equivalencias entre estas unidades.

A continuación veremos un ejemplo para familiarizarnos con la conversión y equivalencia entre unidades de energía. Algo que nos será de gran utilidad, ya que será frecuente que cada fabricante o proveedor de servicios, nos facilite la información en un unidad distinta.

Ejemplo

¿Cuántos Julios habrá generado una bomba de calor de 1000Kw si hemos tenido la climatización encendida durante una jornada laboral de 8 horas?

Lo primero es calcular los Kilovatios hora consumidos:

kWh = 1000 kW x 8 h = 8000 kWh

A partir de la tabla anterior multiplicamos en cruz, resultando la siguiente ley:

1 J = 36000 kWh

XJ = 8000kWh

Como ya se ha apuntado, lo realmente interesante desde el punto de vista de la eficiencia energética, son los cambios energéticos en un sistema termodinámico. Para que se puedan producir, el sistema en cuestión debe interactuar con el entorno, pudiendo producirse de las tres formas siguientes:

Como vemos existen magnitudes relacionadas. Por ejemplo, la energía se define como la capacidad de realizar un trabajo, por lo que energía y trabajo deber ser equivalentes y expresarse en las mismas unidades. El calor es otra de las formas de energía posibles, por lo que también hay una equivalencia entre sus unidades.

Otra de las unidades relacionadas con el concepto de energía es la potencia, que se define como la capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo, vendrá definida por J/s, que en el SI es conoce como vatio (W). La relación entre ellas queda definida por la siguiente ecuación:

Donde:

–P es la potencia (w)

–W es el trabajo realizado (J)

–∆T es el incremento de tiempo (s)

De este modo, a partir de estos tipos de intercambio, la energía puede presentar distintas formas, encontrando los tipos que se desarrollar a continuación en un cualquier sistema termodinámico.

A continuación desarrollaremos algunas de las distintas formas en las que hemos visto que la energía se puede manifestar.

Energía mecánica

La energía mecánica, se puede definir, como una forma de energía referida a la capacidad de realizar un trabajo a escala macroscópica. Las formas más comunes de energía mecánica son las siguientes:

–La energía cinética (Ec). Es la energía está asociada al desplazamiento de un cuerpo, generándose cuando un cuerpo entra en movimiento o se produce una variación en el mismo.

–La energía potencial (Ep). Es la energía relativa a la posición de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas, bien sea gravitatorio, eléctrico o magnético.

La energía mecánica vendrá definida por la suma de las dos anteriores, tal como recoge la siguiente ecuación:

Em = Ec + Ep

Ec = 1/2 m × v²

Ep= m × g x h

Donde:

–m = masa del sistema (kg)

–v = velocidad inducida al cuerpo en movimiento (m/s)

–g = aceleración de la gravedad (g = 9,8 m/s²)

–h = diferencia de altura entre los puntos extremos del sistema de estudio (m)

Energía interna

Pretende establecer un paralelismo de la energía mecánica pero a escala microscópica. Esto se traduce en que se trata de la energía derivada del movimiento de los átomos y moléculas en cualquier masa. Concretamente la energía interna será la suma de:

–La energía cinética interna. Esta será la suma de la energía cinética de cada una de las micropartículas en movimiento de las que está formada una sustancia.

–La energía potencial interna. Esta será la energía potencial generada por la interacción de las micropartículas que componen cualquier masa.

Sabías que

Si aumentamos la temperatura de cualquier sistema, aumenta su energía interna siempre y cuando no se varía nada más. Esto se refleja en un aumento de la energía térmica del sistema completo. Por tanto, con la variación del calor cedido, se puede identificar la modificación de la energía interna, al ser indirectamente proporcional a la variación de la temperatura.

Calor

El calor (Q) se puede definir como la energía producida en el intercambio entre dos cuerpos, debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Como forma de energía, su unidad es el Julio.

Es importante aclarar que cualquier sistema termodinámico no posee calor en sí mismo, sino que un cuerpo tiene una temperatura determinada en comparación con cualquier otro sistema de referencia. Por esta razón, no sería correcto afirmar que se tiene calor, sino una determinada temperatura, siempre medida por comparación con otro sistema, por ejemplo el ambiente circundante.

Por el principio básico de la transmisión de calor, sabemos que un cuerpo que se encuentra a mayor temperatura intercambia energía, en forma de calor, con un cuerpo que se encuentra a menor temperatura, hasta que ambos cuerpos llegan a un punto en común, por las cual se alcanza la denominada temperatura de equilibrio.

Cuerpo mayor temperatura

Intercambio de Calor

Cuerpo a menor temperatura

Es común encontrar la transmisión de calor en los sistemas de ingeniería y en un sinfín de situaciones en la vida cotidiana. Pensemos por ejemplo en nosotros mismos. Nuestro cuerpo constantemente intercambia energía con el ambiente circundante, estando condicionando por la velocidad con la que ocurre este proceso. Es el ejemplo más sencillo que podemos establecer de transferencia de calor. Como lo controlamos, es bien sabido por todos. Mediante la adecuación de nuestra indumentaria nos ajustamos a las condiciones de temperatura del ambiente.

En nuestras viviendas también tenemos algunos ejemplos de equipos que trabajan a partir de las leyes termodinámicas enunciadas anteriormente. Todos tenemos radiadores, braseros eléctricos, o equipos de aire acondicionado que permiten el doble funcionamiento frío–calor. Los radiadores de los coches, o las placas de capacitación solar son algún otro ejemplo de dispositivos que utilizan estos procedimientos de transferencia térmica.

Sabías que

El origen de la termodinámica se remonta al uso del calor para la creación de trabajo mediante las llamadas máquinas térmicas. Hasta el siglo XIX se pensaba que la razón por la cual una sustancia tenía una mayor temperatura que otra, era porque poseía más calórico.

El calórico se definía con un fluido invisible que venía a explicar el efecto del ambiente en la variación de la temperatura. Serían Benjamin Thompson y James Prescott Joule quienes establecieron que el trabajo, podía convertirse en calor, mediante el aumento de la energía térmica , al ser considerada simplemente otra forma de la energía.

Primeras máquinas térmicas: Tren de vapor

1.1.3.Escalas termométricas

Como ya hemos visto, aunque la unidad en el sistema internacional es el Kelvin, se utilizan otras unidades, en relación a su aplicación en diferentes ámbitos científicos, y todas ellas son válidas. Se conocen como escalas termométricas, existiendo relaciones de conversión de unas en otras.

Hay que tener en cuenta que esta conversión es posible, ya que aunque cada escala toman como partida distintos puntos de medición, todas ellas miden la diferencia térmica de un cuerpo con respecto a otro, por lo que la relación, debe, y es la misma, independientemente del sistema empleado.

Aunque pueda parecer contradictorio, cada escala está determinada por el propio procedimiento de medición de la variación térmica de un cuerpo respecto a otro y por tanto a los conocimientos previos de los creadores de cada una de ellas. De este modo dependiendo de las variables de medición que se introduzcan, los valores números de la escala pueden variar, pero sin alternar en ningún caso la proporcionalidad entre las distintas escalas.

Esta materia de estudio, denominada termometría y que se define como la ciencia encarga del estudio de la variación térmica, utiliza el termómetro como instrumento de medida, basando su funcionamiento en el principio cero de la termodinámica, ya explicado. El más conocido es el termómetro de mercurio, pero existe gran cantidad de medidores de la temperatura. De cualquier modo, como unidad de medida debe presentar una particulares de características.

Veamos un ejemplo de la vida cotidiana.

No nos encontramos bien y decidimos ponernos un termómetro para ver si tenemos fiebre. Este procedimiento ordinario, no es más que un mecanismo para determinar nuestra temperatura corporal. El termómetro, funciona como sistema medidor, o comparativo, al tener una masa mucho menor que la de nuestro cuerpo, que en este caso sería el otro sistema.

De este modo, rápidamente ambos sistemas equilibran su temperatura, prácticamente sin alterar la temperatura del objeto de mayor masa. Si el termómetro tuviera una masa similar a nuestro cuerpo, provocaría que la temperatura resultante fuese aproximadamente una media entre la temperatura de los dos cuerpos. Pasado un tiempo el termómetro iguala su temperatura, con la del ambiente por la misma razón.

Termómetro de mercurio

Tipos de escalas termométricas

A continuación desarrollaremos las escalas termométricas más utilizadas.

–Escala Kelvin:

Adoptado para el Sistema Internacional, es la escala absoluta de temperaturas, estableciendo como cero absoluto el punto térmico en el que las moléculas y partículas internas de un objeto tienen la mínima energía térmica posible, siendo este un punto de referencia independiente de presión.

–Escala Celsius:

Toma como punto de partida (0 ºC), el punto de fusión del agua a 1atm de presión, temperatura a la que el agua pasa de estado sólido a líquido. A su vez, para el punto de ebullición del agua, en el cual pasa de estado líquido a gaseoso, toma el valor 100 ºC.

Sabías que

Esta escala recibe el nombre en su honor a su creador, Anders Celsius. Aunque serían Jean-Pierre Christin y Carlos Linneo los que definirían la correcta escala en años posteriores.

Escala Fahrenheit y escala Rankine

A diferencia de las anteriores, la Escala Fahrenheit toma como valor 0 de referencia la mezcla de sal de amonio con hielo (0 ºF). A partir de aquí sitúa los puntos de congelación y ebullición del agua en 32ºF y 212 ºF respectivamente.

Es la escala utilizada principalmente en los países anglosajones, especialmente en meteorología y gastronomía, así como en industrias de la importancia de la petrolífera. A pesar de que desde las autoridades se ha legislado para fomentar el uso del SI, su gran arraigo ha dificultado su implantación.

En los ciclos térmicos en termodinámica, y en otras aplicaciones científicas, se utiliza la Escala Rankine, medida en grados Fahrenheit a partir del cero absoluto, establecido en la escala Kelvin. De este modo se evita trabajar en valores negativos, a la hora de establecer conversiones entre una escala y otra.

La siguiente tabla resume la equivalencia entre las escalas térmicas estudiadas.

Equivalencia entre escalas termométricas.

A continuación se presenta un caso práctico para el manejo de las escalas termométricas en el ámbito laboral. Como profesionales especialistas en eficiencia energética se nos presenta el siguiente problema. Tenemos que proponer la sustitución de una caldera de baja eficiencia en un edificio de oficinas y hemos pedido presupuesto a tres compañías suministradoras dedicadas a la instalación de sistemas de calefacción.

Hemos calculado que por las pérdidas en el transporte, necesitamos una caldera que trabaje en torno a 60º, pero que no exceda de los 75ºC, para ajustarse a la demanda real. La primera compañía nos presenta una caldera cuya temperatura de funcionamiento oscila entre 60 ºF y 90 ºF. Convertiremos estas unidades a la escala Celsius para determinar si se ajustan a lo que estamos buscando aplicando la siguiente ecuación:

Sustituyendo resulta:

–60ºF ≈ 16ºC

–90ºF≈ 32ºC

De este modo esta primera caldera no nos sirve para nuestro objetivo.

En este segundo caso, el instalador nos propone una caldera cuya temperatura oscila entre 585 R y 630R. Aplicamos la siguiente ecuación para pasar de la escala Rankine a la escala Celsius.

Sustituyendo resulta:

–585 R = 52ºC

–630 R = 77ºC

Vemos como esta segunda caldera tampoco se ajusta a lo que buscamos, porque bien su rango de funcionamiento está cercano a 60ºC, pero excede el límite superior marcado.

Esperemos que a la tercera vaya la vencida. Esta última empresa nos ofrece un nuevo modelo eco-eficiente cuya temperatura mínima de funcionamiento se sitúa en 325K y la correspondiente máxima en 345 K. Aplicamos la siguiente ecuación para la conversión:

T(ºC) = t(K) - 273

Sustituyendo resulta:

–325K = 52ºC

–350K = 72ºC

Comprobamos que cumple las características que hemos marcado, por lo que elegiremos este modelo.

1.2.Trasmisión de calor

Hemos estudiado las escalas para medir la temperatura que tiene un cuerpo a partir del principio cero de la termodinámica, el cual establece que dos sistemas intercambian energía, hasta quedar en equilibrio. Pero debemos profundizar sobre cómo se produce esta transmisión de calor, lo que deberemos tener en cuenta a la hora de verificar la eficiencia energética de una instalación, y poder proponer medidas correctivas.

Anotaremos a continuación algunas diferencias que nos ayuden a diferenciar entre los conceptos estudiados en termodinámica y la transmisión de calor. Y es que, a diferencia de la termodinámica en la que interesa la transferencia global de energía, la transmisión de calor nos ayuda a determinar, con respecto al tiempo, la energía que se ha transferido entre dos sistemas con temperatura que no están en equilibrio. Algo estrechamente ligado con el grado de confort en nuestros edificios.

Vemos como desde el punto de vista termodinámico no interesa el tiempo o el desequilibrio de temperatura, sino más bien la dirección de la transmisión en situaciones principalmente de equilibrio. Sin embargo, la transmisión de calor se plantea preguntas que intentaremos resolver como las siguientes:

Estas son algunas de las preguntas que intentaremos resolver a lo largo de los siguientes apartados relativos a las formas de transmisión de calor y su repercusión en el funcionamiento y rendimiento de las instalaciones de climatización de un edificio.

Sabías que

En los hogares, hoteles y oficinas, la calefacción y el agua caliente sanitaria suponen más de la mitad del consumo de energía anual del inmueble.

Aislando correctamente la vivienda se reducen los costes de calefacción un 20-40 %, si además mantenemos limpias y sin cubrir las superficies de los radiadores facilitaremos la transmisión de calor. También es aconsejable aprovechar el calor y la luz del Sol abriendo persianas y contraventanas durante las horas soleadas y cerrándolas durante la noche, de modo que haya intercambio energético entre el exterior y el interior de nuestras viviendas.

1.2.1.Mecanismos de transmisión de calor

Existen tres formas de transmisión de calor posible, por la manera física de propagación de este entre diversos sistemas: conducción, radiación y convección.

La triple existencia, no quiere decir que siempre se tengan que producir los tres mecanismos de forma simultánea, y por el contrario, tampoco tienen porque darse obligatoriamente de manera aislada.

Formas de transmisión térmica

La transmisión de calor por conducción requiere del contacto directo entre los sistemas para e intercambio energético. Esto no implica intercambio matérico. Se trata por tanto de un mecanismo de transmisión por el cual el que calor pasa de un elemento a mayor temperatura a otro de menor temperatura, siempre y cuando esté en contacto con el primero. Se profundizará en este mecanismo en el apartado siguiente 1.2.2 Conducción. Ley de Fourier.

Por su parte, para que la convección se produzca se requiere un medio fluido (líquido o gas) para el transporte del calor entre zonas con diferentes temperaturas. Hay que denostar que la convección requiere del movimiento del fluido, produciéndose un intercambio por conducción, en caso de estar en reposo.

La Ley del Enfriamiento de Newton enuncia la transmisión de calor por conducción:

Q = h × A × (Ts - Tf)

Donde:

–h: coeficiente de transferencia en convección.

–Ts: temperatura del sólido.

–Tf : temperatura del fluido.

A continuación se adjunta tabla resumen del rango de oscilación de los coeficientes de transferencia de calor por convección para los fluidos más comunes.

A diferencia de las dos anteriores formas de intercambio térmico, la radiación no requiere que los dos cuerpos estén en contacto para que se produzca el intercambio de calor, gracias a la transmisión por medio de ondas electromagnéticas.

Cualquier cuerpo emite radiación electromagnética debido a su temperatura. Según está, los cuerpos emitirán energía con una determinada longitud de onda, en un rango de 0,1µm a 100µm, y abarcando por tanto parte de la fracción ultravioleta, la visible y la infrarroja del espectro electromagnético.

Espectro de luz visible hombre

Es importante conocer que los cuerpos a temperatura ambiente emiten energía que no es apreciable al ojo humano. Sin embargo a ciertas temperaturas son capaces de emitir energía dentro del espectro visible, y por tanto son perceptibles por todos nosotros. Esto nos permite utilizar el color emitido por un cuerpo para determinar su temperatura, gracias a un instrumento de medida llamado pirómetro.

A partir de la longitud de onda que emiten las radiaciones térmicas, también se puede medir la temperatura desde una cierta distancia del objeto, sin necesidad de estar en contacto con este, mediante una técnica denomina termografía. Esta es capaz de determinar la radiación infrarroja gracias a la utilización de las cámaras termográficas.

La radiación infrarroja de un calefactor doméstico o la luz emitida por una lámpara incandescente son algunos ejemplos presentes en nuestra vida cotidiana. Pero sin duda podemos tomar como referencia, el caso del Sol, que estando a kilómetros de distancia es capaz de proporcionarnos el calor necesario para posibilitar la vida en el planeta Tierra.

La ley de Stefan–Boltzmann sobre la emisión de radiación térmica de un cuerpo negro, permite cuantificar la cantidad de calor emitido por radiación en función del tiempo. Viene definida por la siguiente ecuación:

Donde:

–Q: flujo de calor (W).

–A: área de emisión.

–T: temperatura del emisor (K)

–𝜺: emisividad de la superficie de estudio.

–𝜎: constante de Stefan–Boltzmann.

Sabías que

Utilizando esta ley, Stefan consiguió determinar la temperatura del Sol, estimando que el flujo de energía es absorbido en parte por la atmósfera terrestre.

Volvemos al ejemplo práctico anterior. Una vez elegida la caldera, proseguimos en nuestro trabajo, y se nos consulta sobre la posibilidad de instalar unos emisores de 100 x 200 mm integrados en la distribución interior de tabiques, aprovechando la rehabilitación del inmueble. Para determinar la idoneidad de la propuesta se requiere determinar el calor aportado el sistema, en comparación con el calor que necesitamos en cada uno de los nuevos despachos.

Adoptemos los siguientes datos de partida:

–A = 0,5 m²

–𝜺 = 0,90

–𝜎 = 5,67 x 10-8 W /m² x K-4

–Temisor = 35 ºC

–Taire = 16 ºC

–h = 4,85 W/m² x K

En este ejemplo, la transmisión de calor se produce por convección y por radiación. De este modo debemos calcular el calor aportado por cada uno.

–Antes de analizar cada una por separado, calculemos la equivalencia de la temperatura dada en el Sistema Internacional, tal como se ha estudiado.

Emisor: T(K) = 35 + 273 = 308K

Aire: Aire: T(K) = 16 + 273 = 289K

–Calculamos el calor generado por convección, cuya ecuación