DOS mejor que UNA. [EL RENDIMIENTO - I]

El título del tema actual, se formula inicialmente alrededor de una relativa ambigüedad, ya que no se menciona el objeto subyacente, pero la verdad es que se refiere a algo muy concreto. Este tema, se debe completar con otro título: “DOS mejor que CUATRO”,  con el que se desarrollan bajo la idea del “rendimiento”, algunas circunstancias y consideraciones sobre objetos más o menos cotidianos, aunque  de índole muy diferente.

En el primer caso se trata de una referencia  a las “calderas de calefacción”, y en el segundo caso al “número de motores” en un avión de pasajeros. En ambos casos se trata del “rendimiento” o “eficiencia energética”, que actualmente se encuentra de moda, ya que en el ámbito de la arquitectura, con la entrada en vigor de nuevas disposiciones sobre los certificados de eficiencia energética, tiene una gran relevancia.

Rendimiento y eficiencia.

Cuando es necesario considerar o evaluar el “rendimiento” en una instalación de calefacción, no basta con establecer las condiciones de confort que es capaz de  mantener la instalación respecto a unas condiciones adversas,  sino que también es preciso evaluar el consumo del combustible necesario para mantener esas condiciones a lo largo de un determinado periodo de tiempo, que se toma como referencia.

En el ámbito de la edificación, la práctica normal se limitaba solo a la primera de las dos consideraciones, haciendo un cálculo o estimación de las  “cargas” que soporta el sistema en el momento más desfavorable, y con arreglo a esos valores se determinan la potencia máxima de la caldera, los caudales, diámetros y la capacidad de todos los elementos que forman el conjunto.

Sin embargo para considerar el “rendimiento”, este ya no depende solo de las condiciones más desfavorables en un determinado momento, sino que además es necesario hacer estimaciones concretas a lo largo de un periodo prolongado (normalmente un ciclo anual completo), determinando que fracción de la potencia disponible es necesario aplicar en cada momento, y de esa forma deducir el gasto acumulado de combustible, que lógicamente depende del comportamiento del edificio en su conjunto:  volumen total, forma, orientaciones y soleamiento, aislamientos,  ventilación y naturalmente el régimen de utilización y el comportamiento de la instalación, además de la variación estadística en las condiciones externas o climáticas a lo largo de todo el periodo.

Este tipo de cálculo es particularmente extenso y repetitivo, ya que supone ir evaluando sistemáticamente en intervalos regulares, unas condiciones exteriores concretas, y en función de ello, las pérdidas de calor en cada superficie o paramento que configura los espacios del edificio, anotando ordenadamente la energía que hay que añadir desde el sistema de calefacción a lo largo de todo el periodo. Obviamente ese cálculo solo tiene sentido mediante una herramienta informática, que permita hacer una “simulación térmica”  completa sobre las características de cualquier  edificio.

CONSIDERACIONES GENERALES

Una de las primeras consideraciones básicas en el rendimiento de los sistemas de calefacción,  es la del tamaño de la instalación, ya que los rendimientos propios de cualquier caldera de combustión, habitualmente mejoran con el tamaño y la potencia de la misma, aunque no obstante es preciso distinguir claramente la mejora del rendimiento que puede suponer una instalación de mayor potencia, de lo que representa el propio “volumen” o espacio que se quiere calentar, y además de ello, su factor de forma.

Sobre la incidencia del volumen a calentar,  es preciso considerar que para mantener una temperatura estable en un determinado volumen, resulta necesario añadir la energía suficiente para compensar la constante pérdida de calor que se produce a través de las superficies de delimitan dicho volumen. Lógicamente las pérdidas de calor son proporcionales a las superficies, pero sin embargo el calor acumulado en el interior es proporcional al propio volumen, por lo que la relación entre ambos parámetros, se va incrementando paulatinamente con el tamaño absoluto, contribuyendo a diluir la importancia relativa de las pérdidas de transmisión, respecto a otro tipo de cargas como el arranque inicial o las cargas de ventilación.

Además del volumen del espacio a calentar, también es preciso considerar su “factor de forma”, entendido como el cociente de dividir el volumen del recinto por la superficie que lo delimita, pero considerado como una relación diferente de la anterior, relativa al volumen absoluto.  Para entender esta nueva diferencia, es preciso considerar dos figuras que tengan el mismo volumen pero distinta forma. En primer lugar consideramos un volumen regular, como por ejemplo un “cubo” que tenga 10m de arista. Esto supone que su volumen son (10x10x10 = 1.000 m3) y por otro lado la superficie de cada cara, será de (10x10 = 100 m2) y la superficie total, dado que tiene seis caras, 600 m2. En segundo lugar consideremos una figura con el mismo volumen pero de forma mucho más esbelta o alargada, como por ejemplo un prisma recto de (4 x 5 x 50m).  En este caso el volumen será el mismo (1.000m3), paro sin embargo la superficie de sus caras suma un valor de 940 m2 que como vemos supera en más de vez y media la del caso anterior.

LA INSTALACION

Para calentar un edificio, lo habitual es  dotarlo con la instalación de “UNA CALDERA” en la que se va a quemar el combustible necesario. Su tamaño se ajusta evaluando las cargas o pérdidas de calor que puedan producirse en el momento o circunstancia más desfavorable.  De esta forma se asegura la disponibilidad de potencia suficiente en todo momento.  No obstante si lo que preocupa es el “rendimiento” del sistema, es necesario hacer un análisis algo más profundo, considerando también otras circunstancias relativas al funcionamiento continuado de la caldera a lo largo de su vida útil.

En primer lugar hay que considerar que las calderas más grandes tienen mejores rendimientos que las pequeñas. Sus diseños están más ajustados y las propias condiciones de una combustión mayor y más enérgica son más eficientes, no obstante también se debe considerar que para una caldera más grande, las pérdidas absolutas que suponen los procesos de arranque y parada, son también proporcionalmente mayores.

Por otra parte el rendimiento propio de las reacciones químicas dentro de una combustión, requiere que estas sean estables y uniformes en el tiempo, ya que oscilaciones o cambios en el flujo de combustible, producen desajustes en las reacciones químicas que paulatinamente tienen que volver a recuperar la estabilidad. Por otra parte cualquier caldera que funcione a una carga parcial de potencia del 50% por ejemplo, tendrá que soportar las pérdidas de de calor necesario para mantener a la temperatura adecuada, tanto las inercias de la propia caldera, como los objetos auxiliares y sus accesorios, que en esa circunstancia estarían lógicamente sobredimensionados.

Si ahora hacemos algunas consideraciones más sobre el modo en que se utiliza un sistema de calefacción, en primer lugar esta no tiene un uso permanente, ya solo se utiliza durante la mitad del año. Por otra parte a lo largo del periodo de utilización, la demanda de potencia tampoco es uniforme, ya que el máximo solo va a ser requerido en unos pocos días especialmente crudos del invierno. Por otra parte también debemos considerar las variaciones a lo largo del día que pueden producir fácilmente oscilaciones de más de diez grados en la temperatura exterior.

Naturalmente la respuesta del sistema tiene que estar modulada en función de las variaciones o demandas, y para evaluar el rendimiento tendremos que hacer una estimación  estadística de esas variaciones en cada localidad o emplazamiento, añadiendo otras condiciones locales como el soleamiento. Por otra parte si pensamos que el funcionamiento óptimo de una caldera, debe ser en régimen de todo o nada, el recurso disponible para modular la potencia, es la de hacer funcionar la caldera a régimen completo, pero solo durante los  intervalos de tiempo proporcionales a la potencia requerida, y eso nos lleva irremisiblemente a incrementar las pérdidas por arranque y parada, que además se acentúan con el tamaño de la instalación.

Lógicamente si en un sistema de cierto tamaño, disponemos “DOS calderas con la mitad de la potencia, en lugar de UNA sola”, y automatizamos un funcionamiento combinado de forma que cada vez arranque una caldera distinta repartiendo los  desgastes,  podemos conseguir que con una sola caldera de la “mitad” de potencia, se cubra la mayor parte del tiempo de funcionamiento,  ya que solo va a ser necesario “encender” la segunda caldera de forma simultánea, en aquellos momentos en que la demanda supera el 50% de la potencia máxima, lo cual a lo largo de todo el periodo de “tiempo”, representa  una fracción bastante pequeña del mismo.

Esta diferencia de rendimiento puede ser fácilmente evaluada mediante programas como el CALENER, aunque lógicamente el coste de la inversión se incrementa, por lo que el “ahorro” debe ser lo suficientemente considerable, como para justificar el aumento del gasto.