Reemplazar una caldera con una bomba de calor aire-agua es más que reemplazar la fuente de calor

Reemplazar una caldera tradicional de gas, gasóleo o eléctrica por unabomba de calor aire-aguaes cada vez más común en proyectos de renovación de edificios residenciales, comerciales y públicos.

Sin embargo, una adaptación exitosa no es simplemente:

Retirar la caldera → instalar una bomba de calor → conectar las tuberías existentes.

Una bomba de calor y una caldera operan bajo condiciones hidráulicas y de temperatura muy diferentes.

Una caldera puede normalmente proporcionar temperaturas de agua relativamente altas con una diferencia de temperatura comparativamente grande entre el agua de suministro y el retorno. Una bomba de calor, por otro lado, normalmente alcanza su mejor eficiencia cuando suministra agua a menor temperatura con un flujo de agua cuidadosamente controlado.

Esto significa que antes de reemplazar una caldera, los ingenieros deben responder varias preguntas importantes:

1. ¿Cuál es la carga real de calefacción y refrigeración del edificio?

2. ¿Qué capacidad debe proporcionar la bomba de calor a la temperatura exterior de diseño?

3. ¿Pueden los ventiloconvectores, radiadores o sistemas de calefacción por suelo radiante existentes operar a las nuevas temperaturas del agua?

4. ¿Pueden las tuberías existentes proporcionar un flujo de agua suficiente?

5. ¿Es adecuada la bomba de circulación existente?

6. ¿Se requiere separación hidráulica, un acumulador o un circuito secundario?

Comprender estas preguntas es la clave para una adaptación fiable de caldera a bomba de calor.

1. Empiece por la carga del edificio, no por la capacidad de la caldera existente

Uno de los errores más comunes en las adaptaciones de bombas de calor es seleccionar una nueva bomba de calor según la capacidad impresa en la placa de características de la caldera existente.

Por ejemplo:

Capacidad caldera existente = 100 kW
Por lo tanto, instale una bomba de calor de 100 kW.

Este enfoque puede ser seriamente engañoso.

Las calderas tradicionales a menudo están sobredimensionadas y su capacidad nominal no representa necesariamente la demanda de calefacción máxima real del edificio.

El punto de partida correcto es, por lo tanto, lacarga de diseño de calefacciónEs por esto que las adaptaciones de bombas de calor siempre deben tratarse como un

En proyectos que requieren refrigeración, también se debe calcular la carga de refrigeración de diseño.

Una estimación preliminar simplificada puede usar:

$$Q = A por q$$

Caleffi S.p.a.

• medición de temperatura de suministro/retorno; = carga estimada del edificio, W

• A = área de suelo acondicionada, m²

• q = carga unitaria estimada, W/m²

Por ejemplo, si un edificio de 10.000 m² tiene una carga de calefacción estimada de 70 W/m²:

$$10.000 por 70 = 700.000W$$

j

$$c$$

700kEs por esto que las adaptaciones de bombas de calor siempre deben tratarse como un

Q_{calefacción}=700kW

Sin embargo, los valores de W/m² solo deben usarse para

estimación preliminar

.

La selección final de la bomba de calor debe basarse preferiblemente en un cálculo adecuado de pérdidas/ganancias de calor del edificio que considere el aislamiento, el acristalamiento, la ventilación/infiltración, la ocupación, las ganancias internas, la temperatura exterior de diseño y la temperatura interior requerida.

2. La capacidad de la bomba de calor debe verificarse a la temperatura exterior de diseño

A medida que la temperatura del aire exterior disminuye, la capacidad de calefacción disponible y el COP de una bomba de calor aire-agua pueden cambiar significativamente.

Una bomba de calor anunciada como una "bomba de calor de 20 kW" no necesariamente entrega 20 kW en todas las condiciones exteriores.

• A medida que la temperatura del aire exterior disminuye, la capacidad de calefacción disponible y el COP de una bomba de calor aire-agua pueden cambiar significativamente.

• Por lo tanto, los ingenieros no deben seleccionar equipos basándose únicamente en condiciones nominales como:

• A7/W35

• En su lugar, la capacidad debe verificarse frente a la condición de diseño real del proyecto, por ejemplo:

• A7/W35

A2/W35

A−7/W35

$$s$$

eño

Q_{BH,diseño} geq Q_{edificio,diseño}

a menos que el sistema haya sido diseñado deliberadamente como un

sistema bivalente

con calefacción auxiliar.

Para proyectos de clima frío, la capacidad de calefacción a baja temperatura es, por lo tanto, a menudo más importante que los kW nominales impresos en un catálogo.

3. Las cargas de calefacción y refrigeración pueden llevar a diferentes selecciones de bombas de calor

Para sistemas reversibles de bomba de calor aire-agua, aparece otra pregunta:

¿Debemos dimensionar la bomba de calor según la carga de calefacción o la carga de refrigeración?La respuesta depende del clima.Clima Frío

En un clima frío, la carga de calefacción suele ser dominante.

Por lo tanto, la bomba de calor se selecciona normalmente según la

carga de calefacción de diseño de invierno

, después de verificar su capacidad de calefacción a baja temperatura ambiente.

$$c$$

i

$$g$$

e

r

a

c

i

ó

n

=

1

,

500

k

Wreducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

Una posible solución de ingeniería es una planta híbrida:

Bombas de calor aire-agua → calefacción base + refrigeración parcial

más

Enfriador → refrigeración pico suplementaria

Esto puede proporcionar una mejor utilización del equipo y una operación de planta más flexible.

La configuración exacta debe determinarse en función de los perfiles de carga, el clima, las horas de funcionamiento, las tarifas de electricidad, los requisitos de redundancia y el costo del ciclo de vida, no solo de la capacidad máxima.

4. ¿Se pueden utilizar los ventiloconvectores existentes con una bomba de calor?

En muchos proyectos de reemplazo de calderas, el edificio ya contiene unidades de ventiloconvectores hidrónicos.

La buena noticia es:

Los ventiloconvectores existentes no necesitan ser reemplazados automáticamente.

Pero su rendimiento debe ser verificado a las nuevas temperaturas de operación.

La capacidad del ventiloconvector depende en gran medida de la diferencia de temperatura entre el agua que entra en la serpentina y el aire de la habitación. Por lo tanto, la reducción de la temperatura del agua generalmente reduce la potencia de calefacción. Se deben utilizar tablas de rendimiento del fabricante siempre que estén disponibles. (

Caleffi S.p.a.

)

Por ejemplo, un ventiloconvector originalmente diseñado en torno a:

Sistema de caldera

70°C suministro / 60°C retorno

puede entregar significativamente menos calor cuando se opera a:

Sistema de bomba de calor

45°C suministro / 40°C retorno.

Por lo tanto, la pregunta correcta no es:reducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

"¿Puede este ventiloconvector entregar la capacidad de calefacción de sala requerida a 45°C de agua bajo las condiciones reales de flujo de aire y agua?"

Esa distinción es extremadamente importante.

5. Los ventiloconvectores son particularmente atractivos para sistemas de bombas de calor de calefacción + refrigeración

$$Determinar las cargas de diseño de calefacción y, cuando sea necesario, de refrigeración.$$

Caleffi S.p.a.

• medición de temperatura de suministro/retorno;6. ¿Necesitan reemplazarse las tuberías de ventiloconvector existentes?

• No necesariamente.La relación fundamental que rige la transferencia de calor en un circuito hidrónico es:

• Q=

• m˙

c

p

$$ṁ$$

= caudal másico de aguareducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

ΔT

= diferencia de temperatura de suministro-retorno

Esta ecuación explica una de las diferencias más importantes entre los sistemas hidrónicos de caldera y bomba de calor.

$$Δ$$

T

$$u$$

j

$$($$

K

$$Q$$ $$o$$

=

$$o$$ $$u$$

joEs por esto que las adaptaciones de bombas de calor siempre deben tratarse como un

100

1.163

×

5

Flujo=frac{100}{1.163times5}

F

l

u

• j

• o

• ≈

• 17.2

• m

• 3

• /

h

Flujoapprox17.2m³/h

Por lo tanto, reducir el ΔT de 10°C a 5°C aproximadamente

duplica el flujo de agua requerido

.

Es por esto que reemplazar una caldera con una bomba de calor puede crear problemas hidráulicos incluso cuando la capacidad de calefacción se ha calculado correctamente.

La tubería existente puede ser simplemente demasiado pequeña para el flujo requerido de la bomba de calor.

• 8. Por qué simplemente instalar una bomba más grande no es siempre la solución

• Una reacción común es:

• "Si el flujo es demasiado bajo, simplemente instale una bomba de circulación más grande."

• A veces funciona.

• A veces crea otro problema.

• Aumentar la presión de la bomba no puede compensar indefinidamente las tuberías subdimensionadas. Una velocidad excesiva puede resultar en:

• aumento de la caída de presión;

• mayor consumo de electricidad de la bomba;

• ruido de flujo;

ruido de válvulas;

riesgo de erosión;

mal equilibrio hidráulico;

flujo insuficiente en las ramas distantes.

Caleffi S.p.a.

Capacidad térmica requerida → flujo de agua requerido → caída de presión de la tubería → presión de bomba disponible → selección de bomba de circulación

en lugar de seleccionar la bomba de forma independiente.

9. Las tuberías existentes deben evaluarse antes del reemplazo

Reemplazar todas las tuberías hidrónicas existentes puede hacer que una adaptación sea extremadamente costosa y disruptiva.reducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

diámetro de la tubería principal;

diámetro de la tubería de derivación;

longitud de la tubería;

pérdida de presión de accesorios y válvulas;

curva de bomba existente;

presión diferencial disponible;

flujo requerido de la bomba de calor;

velocidad de agua admisible;

equilibrio hidráulico.

$$Flujo=frac{500}{1.163times5}$$

Eso es exactamente lo que prefiere una bomba de calor.

$$Paso 7 — Seleccionar las bombas de circulación$$

dependiendo de la carga del edificio, la construcción del suelo, el espaciado de las tuberías, el revestimiento del suelo y las condiciones exteriores.

La temperatura de diseño real siempre debe calcularse en lugar de asumirse.

11. La diferencia importante: ΔT de la calefacción por suelo radiante

El circuito de calefacción por suelo radiante existente puede haber sido diseñado para una diferencia de temperatura de suministro-retorno mayor que la requerida por la bomba de calor.

Supongamos que el circuito de suelo antiguo opera a:

Δ

T

=

10

°

C

Delta T=10°C

pero la bomba de calor requiere aproximadamente:

• Δ

• T

• =

• 5

• °

• C

Delta T=5°Creducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

Flujo requerido por la bomba de calor

y

capacidad de flujo del circuito de suelo radiante existente

.

Esto no significa automáticamente que todas las tuberías de calefacción por suelo radiante necesiten ser reemplazadas.

• En su lugar, el sistema hidráulico necesita ser rediseñado correctamente.

• 12. La separación hidráulica puede resolver muchos problemas de adaptación

• Una solución eficaz es separar hidráulicamente el circuito de la bomba de calor del circuito de distribución del edificio.

• Una disposición típica es:

• Bomba de Calor → Bomba Primaria → Acumulador / Separador Hidráulico → Bomba Secundaria → Sistema existente de suelo radiante o ventiloconvectores

• Esto permite que el circuito de la bomba de calor mantenga el flujo requerido por la bomba de calor mientras que el circuito del edificio existente opera a una tasa de flujo diferente.

• Esto es especialmente útil cuando:

varias zonas de calefacción se abren y cierran independientemente;

el flujo de distribución existente difiere del flujo de la bomba de calor;

varias bombas de calor operan en cascada;reducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

la operación de desescarcheo requiere energía térmica almacenada.

La separación hidráulica permite que los circuladores primario y secundario operen a flujos estables pero potencialmente diferentes. (

Caleffi S.p.a.

)

13. ¿Qué pasa con los radiadores existentes?

Los radiadores requieren una evaluación más cuidadosa.

• Muchos sistemas de calderas antiguos fueron diseñados con temperaturas de agua relativamente altas.

• Una bomba de calor que opera a una temperatura de agua mucho más baja puede, por lo tanto, producir una potencia de radiador insuficiente.

• Las posibles soluciones incluyen:

• aumentar el tamaño del radiador;

• añadir radiadores adicionales;

• instalar radiadores con ventilador;

mejorar el aislamiento del edificio;reducir la pérdida de calor del edificio;utilizar ventiloconvectores de baja temperatura;

seleccionar una bomba de calor capaz de temperaturas de agua de salida más altas cuando sea necesario.

El objetivo debe seguir siendo:

Utilizar la temperatura de agua de suministro más baja posible que pueda satisfacer la carga de calefacción del edificio.

Una temperatura de agua requerida más baja generalmente permite que una bomba de calor aire-agua opere con un COP más alto. (

↓

)

14. No ignore el equilibrio hidráulico

↓

¿Por qué?

Porque el agua sigue el camino de menor resistencia hidráulica.

↓

Por lo tanto, la puesta en marcha de la adaptación debe incluir:

equilibrio de derivación;

↓

verificación de presión diferencial;

ajuste de velocidad de la bomba;

$$Determinar las cargas de diseño de calefacción y, cuando sea necesario, de refrigeración.$$

↓

Paso 2 — Determinar las condiciones exteriores de diseño

Utilizar las temperaturas de diseño de invierno y verano locales.

↓

Paso 3 — Seleccionar la capacidad de la bomba de calor

Verificar la potencia real de calefacción/refrigeración a la temperatura exterior requerida y la temperatura del agua de salida.

↓

Paso 4 — Determinar la temperatura de agua de suministro requerida

Evaluar ventiloconvectores, radiadores o calefacción por suelo radiante existentes.

↓

Paso 5 — Calcular el flujo de agua requerido

Usar:

Q

=

$$p$$

Δ

$$Paso 7 — Seleccionar las bombas de circulación$$

Usar el flujo de diseño y la resistencia del sistema calculada, no solo el diámetro de la tubería.

$$k$$ $$entonces:$$

Flu

j

$$Flujo=frac{500}{1.163times5}$$

F

$$h$$ $$C$$

Delta T=10°Csu flujo de diseño anterior pudo haber sido solo:Es por esto que las adaptaciones de bombas de calor siempre deben tratarse como un

l

u

j

o

=

500

1.163

×

10

Flujo=frac{500}{1.163times10}

F

l

u

j

o≈43

m

3

/

h

Flujoapprox43m³/h

Por lo tanto, la nueva bomba de calor puede requerir aproximadamente

el doble del flujo de agua de diseño

.

Ese único cálculo le dice inmediatamente al ingeniero qué necesita ser investigado:

¿Pueden la red de tuberías y las bombas existentes manejar el flujo aumentado?

Si es así, gran parte del sistema original puede permanecer.

Si no, se requiere modificación hidráulica.

17. ¿Qué hace que una adaptación de caldera a bomba de calor sea exitosa?

Una adaptación exitosa requiere que tres sistemas coincidan entre sí:

Fuente de Calor

La bomba de calor debe proporcionar suficiente capacidad en condiciones exteriores reales.

Distribución de Calor

Las tuberías y bombas deben entregar suficiente flujo de agua.

Emisores de Calor

Los ventiloconvectores, radiadores o calefacción por suelo radiante deben proporcionar suficiente potencia de sala a la temperatura de agua seleccionada.

Si alguno de estos tres está mal diseñado, el sistema puede experimentar:calefacción insuficiente → alta temperatura del agua → menor COP → mayor consumo de electricidad → mala experiencia del cliente.Es por esto que las adaptaciones de bombas de calor siempre deben tratarse como un

proyecto completo de ingeniería de sistemas hidrónicos

, en lugar de simplemente un reemplazo de equipo.

Preguntas Frecuentes

¿Puedo reemplazar directamente una caldera de gas por una bomba de calor aire-agua?

A veces, pero el sistema existente debe ser verificado primero para la carga de calor, la temperatura del agua requerida, la potencia del terminal, el flujo de agua, el diámetro de la tubería y la capacidad de la bomba de circulación. Un reemplazo directo uno a uno sin análisis hidráulico puede resultar en un rendimiento deficiente.

¿Pueden los ventiloconvectores existentes funcionar con una bomba de calor aire-agua?