Un problema resuelto
Equilibrio hidráulico: El truco de la limitación de la temperatura de retorno
Repetidamente exigido, pero raramente llevado a cabo con profesionalidad: Aunque el equilibrado hidráulico es probablemente la medida de eficiencia energética más eficaz y de baja inversión, suele llevarse a cabo a medias, especialmente en la renovación de edificios antiguos, debido a las diversas incógnitas. Un método completamente nuevo, que impresiona tanto por su sencillez como por su eficacia, ha superado las pruebas de campo para la calefacción por suelo radiante. Entre otros, en la casa de un asesor energético de la iglesia en la Baja Franconia.
Durante la visita del pastor a SHT se puso de manifiesto si el imperativo cristiano de "salvaguardar la creación" fue el factor decisivo para su compromiso con la tecnología de los edificios energéticamente eficientes. Christof Bärhausen en la ciudad franca de Maibach. Hace unos 30 años, el Consejo Mundial de Iglesias incluyó el imperativo en los programas de los partidos políticos, por así decirlo, y apostó por la ética como una poderosa piedra angular de la política medioambiental sostenible. Sin embargo, al hablar con el teólogo del sur de Alemania, parece que fue más la física que la metafísica lo que le impulsó no sólo a predicar la eficacia, sino a demostrarla de forma competente a sus fieles: Simplemente tiene una fuerte inclinación hacia la tecnología. Una afición que no se conforma con el nivel de un lego dotado. Christof Bärhausen profundizó en el tema. Finalmente, recibió la alta consagración de la Cámara de Artesanos de la Baja Franconia, antes de lo cual se presentó al "examen con todas las de la ley" (Bärhausen) para convertirse en asesor energético (HWK). Visto así, la física y la metafísica se entremezclan en su trabajo: hoy en día, el eclesiástico hace su contribución práctica a la preservación de la creación en su propia casa y a través del trabajo comunitario "casero".
Figura 1: Un total de nueve circuitos de calefacción abastecen la casa, cinco en la planta baja y cuatro para los pisos superiores. Cada circuito de calefacción tiene su propio limitador de temperatura de retorno (en el colector de retorno inferior). También se instalarán accesorios RTB en las bandas a la izquierda de los radiadores de la planta superior. Además, se pretende conectar los radiadores, que ahora están sobredimensionados debido a la reforma energética del ático, como intercambiadores de calor de baja temperatura directamente a la ida y al retorno del circuito del suelo. Los RTB de control dinámico equilibran hidráulicamente la instalación. Los tres actuadores de la derecha reaccionan a los impulsos de los termostatos eléctricos de ambiente.
Guiados por la desconfianza
En primer lugar, una mirada al pasado: la insatisfactoria integración de la instalación solar por medio de un buffer en el sistema de calderas de gasóleo de su edificio residencial le enfrentó por primera vez a las leyes de la hidráulica y a la constatación de que ésta, la hidráulica, debe ser el primer punto de partida de las medidas de optimización. ¿Cómo debe estructurarse la estratificación de la temperatura, la carga y la descarga para ceder la menor ganancia solar posible?
El pastor católico estudió las vías de circulación del mezclador multivía "rendeMIX", que salió al mercado en su momento, hace unos 15 años, y del que le había llamado la atención un amigo ingeniero. Lo instaló. El desarrollo de Baunach, con sus derivaciones internas, equilibra diferentes volúmenes de agua y permite así, por ejemplo, que el retorno de un circuito de alta temperatura (radiador) se convierta en el flujo de un sistema de calefacción por suelo radiante. O bien, primero toma el agua sin mezclar de una caldera de dos zonas o multizona -conservando así la valiosa exergía de las altas temperaturas- antes de mezclar la caliente con la fría. Al tratar de estabilizar la dispersión en un acumulador estratificado, también aumenta el rendimiento solar porque el propio acumulador sigue tomando el calor del colector unos grados por encima del frío debido a su zona fría.
Sobre el problema actual
El éxito de la reconversión de la mezcladora quedó demostrado en su momento por el contador de calor de la planta de Bärhausen. Corría más despacio. Las experiencias positivas confirmaron al asesor energético la importancia de una hidráulica correcta y sensible. Al mismo tiempo, sin embargo, le hicieron sospechar de los efectos de ahorro de otras medidas que se habían abordado, como una fachada de madera tipo cortina con 21 cm de aislamiento entre el entablado y la piedra, la renovación del tejado, el acristalamiento aislante y la reducción de los puentes térmicos, que supuestamente iban a elevar la vivienda unifamiliar de la época anterior a la primera ordenanza de aislamiento térmico a la norma KfW 55. ¿Cómo se regulan los flujos de agua en un edificio antiguo con un gran número de circuitos para salas de estar, dormitorios, habitaciones de niños y despachos, para cocinas y baños, para habitaciones bajo el tejado con radiadores ahora sobredimensionados, para calefacción por suelo radiante en la zona de estar a la baja?
Foto 2: Típico de la arquitectura del sur de Alemania: suelo radiante abajo, calefacción por radiadores en los pisos superiores.
Fig. 3: Ajuste de la temperatura de retorno en los RTB entre 17 y 22 °C aproximadamente, en función del tamaño del local y del intercambiador de calor, del uso y de la temperatura deseada. El ajuste fino depende del usuario.
¿Con válvulas termostáticas más antiguas sin posibilidad de preajustar el caudal? Pero incluso aquellos con preajuste reaccionarían de forma relativamente estática "abierta" y "cerrada" y no de forma eficiente dinámicamente, en términos de volumen de agua, para regular las influencias y condiciones cambiantes. El reglamento de subvenciones del KfW prescribe el equilibrado hidráulico y, como se ha descrito, para Christof Bärhausen era una obligación de todos modos.
Dinámica en lugar de estática
La casualidad quiso que Hans-Georg Baunach, diseñador de herrajes y director general de HG Baunach GmbH & Co. KG de Hückelhoven, cerca de Aquisgrán, llevaba tiempo pensando en algo parecido. Sus pruebas y éxitos con el "rendeMIX" le habían enseñado que el equilibrado hidráulico realizado manualmente sigue siendo una mezcla de ensayo y error, si es que es un ensayo. El método clásico también tiene que convivir con la debilidad de que la calibración a un caudal fijo regala parte del potencial de ganancia. Sin embargo, el accesorio multidireccional "rendeMIX" de Baunach no sirve para este propósito. Su propósito es mezclar agua de diferentes temperaturas, no regular los flujos de agua. Por ello, el ingeniero pensó en otra solución para el problema de la regulación. Tenía que ser óptimo y sencillo a la vez.
"Simple" en dos aspectos: el comercio debe aceptarlo y el precio, digámoslo así, debe aumentar su aceptación. El cálculo no debe hacerse con el tiempo de trabajo ahorrado en comparación con el esfuerzo para el ajuste habitual. Casi ninguna empresa haría un cálculo semejante. Sólo se permitía que fuera un producto de un paar-euro. La idea de la limitación de la temperatura de retorno como equilibrio termohidráulico tuvo éxito. Desde hace aproximadamente un año, se están llevando a cabo varios proyectos piloto, entre ellos la planta de Bärhausen. No es más que un limitador de temperatura de retorno, como su nombre indica: una válvula RTB para instalar en el retorno de un circuito de calefacción detrás del intercambiador de calor.
Figura 4: Los posibles puentes térmicos en las ventanas y las puertas de los balcones se reducen al mínimo con un relleno aislante, de manera que no ponen en peligro el KfW 55.
Figura 5: La superficie habitable con calefacción es de 160 m2de los cuales 120 m2 Calefacción por suelo radiante y radiadores en el ático. Junto a las ventanas, las válvulas de ventilación de las unidades de ventilación descentralizadas. Christof Bärhausen en la foto.
La variable de diseño es únicamente el tamaño nominal de la devolución. El herraje funciona de forma termodinámica. En otras palabras, ajusta constantemente el caudal al punto de consigna en el sensor de temperatura de retorno ajustable: si la temperatura sube, reduce el caudal a través de las bobinas de calefacción en el suelo; si baja, asegura un mayor caudal de circulación. De este modo, se encarga del equilibrado hidráulico de los circuitos o de la regulación del caudal a través del radiador de baja temperatura o de las bobinas del suelo de forma totalmente independiente y orientada a la temperatura ambiente. Orientado a la temperatura ambiente: Esto se puede seguir ajustando con la válvula termostática del radiador o con un control individual alternativo de la habitación, sólo que ahora el volumen de flujo se armoniza con el punto de ajuste del aire de la habitación a través de la temperatura de retorno. Sin ninguna conexión física, ambos accesorios se corresponden entre sí.
Figura 6: La casa se calienta con una unidad de cogeneración de aceite vegetal (más antigua), que debía alimentar una red de calefacción local, pero que no se realizó. Además, una estufa de leña con bolsa de agua está conectada al acumulador mixto sin presión (1.000 l), que también podría calentar todas las habitaciones. La sobrepresión en el depósito no debe superar los 0,1 bares. Por lo tanto, se desacopla hidráulicamente del sistema de calefacción a través de un intercambiador de calor (extremo izquierdo). El "rendeMIX" inferior es el responsable de la carga de dos zonas del cilindro amortiguador combinado con intercambiadores de calor integrados. La estratificación garantiza suficiente agua caliente para la cocina y el baño. El mezclador multivía superior sirvió para integrar eficazmente el sistema solar térmico en cooperación con la caldera de carga máxima en ese momento.
Ideal porque sin ningún cálculo
¿Cómo funciona? Para el ajuste básico, en el RTB deben utilizarse también valores empíricos relacionados con la habitación, como es habitual en las válvulas termostáticas. Un ejemplo: El dormitorio debe estar a 18 °C. La válvula termostática está ajustada al nivel 3. Se supone que la válvula termostática está ajustada al nivel 3. En el lado de la corriente, el nivel 5 o 23 °C en la escala de la válvula termostática puede ser suficiente para estos 18 °C. El ajuste en la válvula termostática también debe basarse en las propiedades térmicas de la habitación. Como he dicho, el ajuste depende de las propiedades térmicas del edificio. Hacia el atardecer, la temperatura exterior y la de la habitación bajan. La válvula del radiador se abre. Sin el RTB, todo el caudal nominal se precipitaría a través de la superficie de calentamiento de forma casi espontánea, afectando a otros circuitos. La RTB, en cambio, espera.
Datos técnicos de las válvulas
Actualmente se encuentran en el mercado los limitadores de temperatura de retorno para circuitos de calefacción por suelo radiante (RTB-Fbh), así como una versión para el equilibrado termohidráulico de los intercambiadores de calor de los acumuladores de agua caliente sanitaria, los calentadores de aire, los intercambiadores de calor de piscinas y los sistemas de climatización de habitaciones (set de equilibrado RTB). Actualmente se están probando los accesorios exclusivos para los sistemas de calefacción por radiadores. La variante de calefacción por suelo radiante, como en la propiedad de Bärhausen, consta de una parte inferior de latón y el cabezal termostático con sensor de temperatura integrado. Como es habitual en las válvulas termostáticas, el valor de consigna del retorno, que está coordinado con la temperatura del aire ambiente, se ajusta con el tapón giratorio de la parte superior. El RTB favorece y acelera el efecto autorregulador de la calefacción por suelo radiante. Su temperatura de retorno aumenta cuando la temperatura ambiente se eleva, es decir, el exceso de temperatura de la superficie de calentamiento en comparación con la temperatura ambiente disminuye. El controlador habitual de dos puntos de una habitación, que sólo puede encender y apagar el circuito, bloquea el flujo en este caso. Si el regulador se abre, dirige todo el flujo de agua a través del circuito, es decir, no interviene en el flujo volumétrico. Por lo tanto, todos los circuitos de calefacción por suelo radiante deben calcularse de forma no poco complicada y, a continuación, las cantidades de agua calculadas deben ajustarse mediante un elemento de control. Este es un método que requiere mucho tiempo. Y, por supuesto, todos los ajustes se influyen mutuamente: una vez que se han colocado las tres últimas espiras, se garantiza que la corriente que debería circular por el primer circuito ha cambiado. El método se asemeja a una ecuación con muchas incógnitas. El punto óptimo es una cuestión de azar.
En cambio, con la limitación de la temperatura de retorno en forma de válvula proporcional RTB, siempre circula por las zonas parciales exactamente la potencia que debe suministrar la zona parcial. La temperatura de retorno, como variable controlada, regula dinámicamente el caudal. Para la aplicación práctica, Baunach recomienda instalar los RTB directamente en el colector de retorno del colector. Tamaño nominal de la válvula DN 15, pérdida de presión 100 mbar con un caudal de 0,40 m3/h, valor Kvs 1,3 m3/h, rango de ajuste del punto de consigna de retorno 0 a 40 °C, sobrepresión de funcionamiento admisible 10 bar. El segundo modelo, el conjunto de equilibrado RTB para el equilibrado termohidráulico automático de los caudales de los intercambiadores de calor de tanques de almacenamiento de agua potable, calentadores de aire, intercambiadores de calor de piscinas y sistemas de aire acondicionado, está disponible en tres tamaños: DN 20, 25, 32, Kvs 2,5, 5,7 y 6,7, potencia a 20 K Delta T 18, 42 y 49 kW. Rango de temperatura de retorno de 20 a 70 °C.
A diferencia del RTB-Fbh, un sensor remoto con tubo capilar se acopla al cabezal del termostato para la colocación arbitraria del sensor en el retorno de un intercambiador de calor. Ambas variantes, tanto la de calefacción por suelo radiante como la de diversos intercambiadores de calor y calentadores de aire, funcionan exclusivamente de forma termohidráulica sin energía externa. No se cierran completamente. Se garantiza un caudal mínimo de 1 % del valor nominal para que el sensor esté siempre sumergido en el agua de retorno.
Se abre ligeramente cuando la temperatura de retorno tiende a bajar debido al descenso de la temperatura exterior, y reduce el rendimiento cuando el termostato de ambiente se ha abierto por completo, es decir, el valor medido en la sonda RTB ahora quiere subir por encima de la consigna. Esto no priva a los otros circuitos de calefacción de calentar el agua. Por supuesto, sus RTB también reaccionan abriendo las secciones transversales. Todo el sistema se ajusta automáticamente. Nada cambia en el principio de control de la potencia de las bombas de circulación de alta eficiencia y autorregulación. Ajustan automáticamente su potencia a la presión diferencial. Christof Bärhausen se muestra entusiasmado: "Antes no podíamos controlarlo. En las habitaciones superiores, los termostatos de las habitaciones alternaban entre estar totalmente abiertos o cerrados, y las grandes superficies de calefacción succionaban el agua de las otras o las sobrecargaban. Nunca pudimos conseguir que todas las habitaciones se calentaran de forma uniforme, a pesar de los intentos de equilibrio hidráulico.
Con la RTB, la cantidad de agua sigue siendo limitada. Nosotros mismos hemos hecho el ajuste fino. La parte superior de la válvula sólo tiene que ajustarse ligeramente y una sola vez a un ajuste que proporcione la temperatura ambiente deseada. Ciertamente hay que tocarlo. Pero hay que hacerlo con cada válvula termostática".
Éxito audible
Por eso, para las demás medidas de renovación previstas en la casa y dentro de ella, el asesor energético no utiliza válvulas de radiador preajustables, "porque sólo dejan pasar una cantidad constante". No funcionan de forma dinámica. Para el preajuste, tendría que realizar un cálculo de la carga de calefacción para cada habitación. Me lo ahorro con la RTB. Ahora basta con los clásicos termostatos de radiador". El propietario está seguro de que el equilibrio termohidráulico por sí solo se traducirá en una notable reducción de la factura de aceite vegetal de su unidad de cogeneración. En un principio, debía abastecer a algunos vecinos de la red de calefacción local. Sin embargo, más tarde se echaron atrás, pero por ciertas razones la caldera de aceite fue sustituida por el acoplador de potencia. Ya en la primera fase de la forestación energética, en ese medio año en el que inicialmente sólo se instalaron los RTB, se registró una cantidad notablemente inferior. "Al menos algo había cambiado auditivamente.
Figura 7: Prueba del limitador de temperatura de retorno en una fábrica de productos químicos de Limburgo (Bélgica), con un RTB detrás de cada uno de los 30 ventiladores alimentados con agua caliente. El termopar evita que la temperatura de retorno suba por encima de los 45 °C debido a la escasa evacuación de calor del intercambiador, ajustando el caudal de la bomba de circulación debido al aumento de la presión diferencial. El agua de retorno se convierte así en apta para la condensación.
No se me ocurre una corrección por grados-día, pero la situación es la siguiente: según la experiencia general, una mejor distribución del calor ahorra entre 10 y 15 % de energía de calefacción de media estadística. Esto también será cierto en nuestro caso, ya que la cogeneración se puso en marcha con mucha menos frecuencia inmediatamente después de ajustar los RTB. Por cierto, hemos notado este efecto por segunda vez. También lo notamos en la caldera de gasóleo, después de instalar el accesorio "rendeMIX" en el circuito solar. El volumen del acumulador combinado se aprovechó mejor, emitió calor durante mucho más tiempo y la caldera se recargó con menos frecuencia."
Puesta a punto por parte de los residentes
El elegido de Franconia se ha remangado. Tiene trabajo que hacer. Hay que aislar las tuberías de la sala de calderas. "Lo que se ve aquí no es realmente un sistema de calefacción moderno en ese sentido. Todo está montado y tocado, y sin embargo todo funciona de maravilla". En el distribuidor de la primera planta, explica los ajustes: "Ahora vemos las cuatro habitaciones aquí: la habitación grande, la habitación sur y el baño, la habitación norte. El último nunca llegó a la temperatura ambiente que queríamos.
Los actuadores eléctricos del armario distribuidor están conectados a los termostatos de las tres habitaciones. El cuarto de baño debe estar siempre un poco más caliente, por lo que está completamente abierto a la corriente. Gracias a las opciones de ajuste de los RTB, por fin podemos ajustar la temperatura ambiente al grado exacto. Como antes utilizábamos la habitación grande como dormitorio, los tubos de calefacción del suelo están relativamente separados. Por eso ajusté el retorno a 20 grados. Para las otras dos habitaciones, 15 o 16 grados es suficiente y ajusté la temperatura de retorno en el cuarto de baño a 22 o 23 grados. La temperatura de ida de todas las habitaciones es de 30 grados. Aumentando la temperatura media entre la ida y el retorno en el cuarto de baño a 26 °C, la mantengo en torno a los 24 °C. Una consideración similar con respecto a la temperatura media se aplica también a la "habitación grande".
Sólo un poco de paciencia
Sr. Bärhausen, según su experiencia, ¿qué tiene que decir a un planificador o constructor de sistemas con respecto a la limitación de la temperatura de retorno? "En realidad, nada. Como he dicho, el sistema se ajusta por sí mismo. No hay preselección en este formulario. Hay que abordarlo con cierta sensibilidad y mirar la habitación, su uso, su posición norte/sur, sus intercambiadores/radiadores de calor y preajustar un valor.
Figura 8: Se instalan dos sistemas de ventilación individual descentralizada con recuperadores de calor cerámicos por habitación. Actúan alternativamente como unidades de suministro y de extracción de aire, cambiando de operación de aire de extracción a aire de suministro cada 70 segundos. Para el tipo Vento-Expert, el fabricante Blauberg especifica un caudal de hasta 50 m3/h y un rendimiento de recuperación de calor de 97 %. www.blaubergventilatoren.de
Cada usuario o propietario puede ajustar la temperatura por sí mismo. Un poco más de precaución con la calefacción por suelo radiante. Se trata de un sistema lento, por lo que tarda un poco más. Si se ajusta la RTB unos dos grados, hay que tener paciencia durante uno o dos días y sólo entonces observar el efecto. Pero no necesitas un cálculo. Que yo sepa, es el único sistema que funciona así. Con todos los demás métodos de equilibrado hidrónico, tengo que tener en cuenta el tamaño del radiador y otros factores y ponerlos en interacción para ajustar en consecuencia las válvulas preajustables o las válvulas de zona. Y entonces ya están casi ajustadas. Que funcione no está garantizado. En este caso, el operador realiza el reajuste, pero lo ajusta a una consigna de temperatura, no a una sección transversal y, por tanto, a una consigna de caudal. El RTB lo busca por sí mismo".
Confirmación de la muestra para KfW
El KfW ha acordado con la VDZ, la organización paraguas para la ingeniería de servicios de edificios, un procedimiento para el equilibrado hidráulico que debe documentarse en el formulario correspondiente. Sin embargo, el KfW no se opone a las innovaciones. Indica que es posible desviarse del procedimiento especificado si la alternativa puede asignarse al punto 5.25 "Cláusula de apertura para tecnologías innovadoras" del folleto responsable de las medidas de eficiencia térmica (publicación KfW 600 000 3140). Baunach ha preparado el correspondiente modelo para los técnicos de calefacción cuyos clientes deseen solicitar financiación del KfW/Bafa y pidan confirmación del equilibrado hidráulico.
Bernd Genath
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