LECCIÓN 10: EL AGUA CALIENTE SANITARIA
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El Agua Caliente Sanitaria (ACS) es el agua destinada al consumo humano utilizada con fines sanitarios (duchas, lavado, limpieza, etc.) que ha sido calentada previamente. Un Sistema Solar Térmico correctamente dimensionado e instalado junto con un sistema de apoyo puede generar un importante ahorro en gas o electricidad y sobre todo permite al usuario administrar su propia energía térmica.
10.1 ARGENTINA: HÁBITOS DE CONSUMO Y RECURSOS ENERGÉTICOS
A medida que la población crece, aumentan los requerimientos energéticos para sostener el crecimiento. Debido a la composición de la matriz energética de nuestro país, esto implica un aumento de combustibles fósiles o no renovables. Por este motivo, es importante utilizar las energías renovables como una alternativa de provisión energética para el crecimiento poblacional. Las energías renovables están asociadas a la eficiencia energética. El uso de renovables sin eficiencia energética no generará un ahorro sustantivo de energía.
En Argentina el gas natural constituye el componente principal de la matriz energética, aportando más del 50% de la energía primaria del país [1]. Alrededor del 30% del gas se distribuye a través de redes a los usuarios residenciales, comerciales y entes oficiales [2]. El calentamiento de agua sanitaria es el segundo consumo en importancia en estos sectores, representando aproximadamente el 33% del total. Es decir, para el calentamiento de agua sanitaria por gas se emplea casi el 10% de la energía consumida en Argentina.
Por otra parte, el consumo de gas se ha incrementado en aproximadamente un 3,3% anual en Argentina [2] en la última década y la producción nacional de gas ha disminuido, generando una creciente dependencia de las importaciones de este combustible.
Del análisis del consumo de gas natural en la Argentina [3] surgen algunas características notables. Una de ellas es que el consumo específico de los usuarios residenciales, es decir, el consumo diario por usuario o vivienda, tiene un comportamiento muy similar y regular en casi todo el país. El término usuario se refiere a la vivienda conectada a la red de gas. Según el INDEC [4], el número de personas por vivienda, de condición media es de 3,5 personas. En la Figura 1 se muestra la variación de consumo de gas natural
(expresado en m3/día) para el sector residencial, en función de la temperatura media mensual. Esta figura es representativa de prácticamente todas las regiones, excepto la zona sur del país. En la zona sur, el gas tiene un precio más bajo debido a decisiones políticas. Por este motivo, se realiza un uso excesivo de gas en lugar de un uso racional y eficiente del recurso. Este hecho resulta en un mayor consumo para la misma temperatura.
Se observa que los consumos específicos residenciales (R) tienen una dependencia muy regular con la temperatura. Este comportamiento se ha mantenido prácticamente invariante a lo largo de los últimos 17 años e independiente del contexto económico.
A continuación, en la figura 2, se representa el consumo específico residencial en función de los meses del año. Los consumos de verano, meses de enero, febrero, noviembre y diciembre, coinciden con el consumo base, que tiene una muy leve dependencia con la temperatura, representada por el área verde.
El consumo base corresponde al gas consumido para cocción, calentamiento de agua sanitaria y los consumos pasivos, es decir los consumos piloto de los artefactos de ACS, si los hubiera. Sustrayendo este consumo del total residencial, se obtiene el consumo de calefacción, representado por el área amarilla.
Según la Figura 2, el consumo base de gas por usuario (3,5 personas) diariamente, es en promedio 1,5 m³/día. Según el trabajo de Gil S. y colaboradores [3], el consumo promedio base se compone de 0,5 m3/día para pilotos (pasivo) de calefón o termotanque, 0,35 m3/día para cocción y 0,65 m3/día en calentamiento de agua [3]. El número de usuarios residenciales conectados a la red de gas natural es de alrededor de 8,2 millones, es decir, casi 30 millones de habitantes [3]. Si a este número agregamos los usuarios de GLP (Gas Licuado de Petróleo), no conectados a red (3,5 millones de usuarios, es decir, unos 12 millones de habitantes), el número total de usuarios es de aproximadamente 11,7 millones (40 millones de habitantes), quienes utilizan 1,15 m³/día en calentamiento de agua y su piloto asociado, lo que da como resultado 13,4 millones m³/día.
Por su lado, la energía usada en el calentamiento de agua para usuarios comerciales y entes oficiales (C+OE), es de aproximadamente 8 m³/día, lo que corresponde a unos 370 mil usuarios [3]. Se considera que la mitad de este consumo base se usa en calentar agua (4 m³/día), lo cual resulta en un consumo diario de calentamiento de agua, para este sector, del orden de 1,5 millones de m³/día.
La figura 3 muestra el consumo específico diario en función de la temperatura media mensual para usuarios residenciales, comerciales y entes oficiales.
Si se suman los consumos de gas para todos los usuarios residenciales, comerciales y entes oficiales, resulta que en Argentina se destina cerca de 15 millones de m3/día de gas al calentamiento de agua. Este volumen de gas equivale aproximadamente al 45% de las importaciones de gas en la Argentina.
Internacionalmente, el problema del calentamiento de agua ha recibido mucha atención. El caso del calentamiento del ACS por termotanques, calefones o calderas eléctricas es un tanto diferente, ya que son consumos eléctricos donde no hay quema de combustible por el usuario final sino más bien en la generación de electricidad. En este rubro no se disponen de datos precisos medidos como en el caso del gas. No obstante es posible estimar el impacto de los mismos desde los datos del mercado.
Aproximadamente, el mercado de termotanques y calefones a gas constituye un 75% del mercado mientras que el restante 25% corresponde a tecnologías eléctricas.
Si se compara el consumo de un termotanque a gas y un termotanque eléctrico, es posible observar la eficiencia de cada tecnología. Como se mencionó anteriormente, un termotanque a gas con piloto, consume 1,15 m3/día exclusivamente para ACS. En términos energéticos dicho consumo constituye aproximadamente 12,4 kWh/día. Un termotanque eléctrico de igual capacidad solo para ACS, puede consumir entre 8 y 10 kWh/día de energía eléctrica.
Esto implica que los termotanques eléctricos son más eficientes que los termotanques a gas, si no evaluamos de dónde proviene dicha energía eléctrica. Pero la energía eléctrica es un producto energético
secundario que proviene de la transformación de una energía primaria, transformación mediante la cual se generan pérdidas considerables. Si se contabiliza el combustible utilizado para la generación de electricidad y las pérdidas energéticas en dicha transformación, el transporte y distribución de la electricidad, la comparación se vuelve drásticamente ventajosa para los termotanques a gas. La mejor opción es que la energía eléctrica provenga de fuentes renovables.
Lo descripto anteriormente deja explícito el impacto positivo que genera el aprovechamiento de la energía solar térmica para la aplicación de agua caliente sanitaria, resultando en beneficios de ahorro energético y económico para el usuario, como para el sistema energético nacional en su conjunto.
A continuación, se describen las consideraciones necesarias para realizar una correcta elección, dimensionamiento e instalación del sistema solar térmico para ACS.
10.2 LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA ACS
Para realizar un buen dimensionamiento, es necesario conocer el requerimiento de energía térmica. Dicha demanda estará suministrada por un Sistema Solar Térmico (SST) acoplado a un Equipo de Apoyo Auxiliar a gas o electricidad, y es en la etapa de estimar los ahorros energéticos en donde es crucial conocer los números reales.
A los fines prácticos, la tabla 1 define los datos a tener en cuenta a la hora de definir la demanda promedio de un usuario residencial conectada a la red de gas. El volumen de agua caliente que consume en promedio un usuario tipo (3,5 personas) es de aproximadamente 195 l/día [3]. Este dato nos permite estimar el requerimiento de ACS por usuario: si suponemos que aproximadamente una masa de 10 litros se usa para cocción, obtenemos una estimación de aproximadamente 185 l/día de agua caliente para uso sanitario. Suponiendo un promedio de 3,5 personas por vivienda, obtenemos un requerimiento de agua caliente de alrededor de 53 l/día por persona. Desde luego, este es un valor nominal de consumo de ACS.
Internacionalmente, en el diseño de sistemas de ACS para viviendas se utiliza una cifra de consumo entre 50 y 70 l/día por persona. La demanda energética en instalaciones de agua caliente sanitaria está dada por el volumen de consumo diario, la temperatura del agua de consumo y la temperatura de agua fría.
En instalaciones existentes para las que se disponga de datos de consumo medidos en años anteriores, pueden utilizarse estos datos previa justificación de los mismos. En instalaciones nuevas, para las que se disponga de datos de consumo de instalaciones similares, podrán utilizarse esos datos previa justificación. Es conveniente realizar toma de datos de consumo de agua caliente en el caso de que no los hubiera.
En caso de no disponer de datos, a modo de referencia pueden utilizarse los consumos unitarios expresados en la tabla 2, en la que se ha considerado una temperatura de agua de consumo de referencia de 50 °C.
Para el cálculo de las personas por vivienda pueden utilizarse los valores de referencia de la tabla 3:
A efectos del cálculo de la carga de consumo, los valores orientativos de temperatura de agua fría de red se estiman en un valor igual a la media anual de la localidad en donde se pretende emplazar el sistema solar térmico. En el caso de que sea agua de pozo, es posible utilizar los valores de la tabla 4.
La demanda energética mensual está dada por la cantidad de calor necesario para calentar el agua sanitaria desde la temperatura de red/pozo hasta la temperatura de consumo deseada y se calcula mediante la ecuación 1:
10.3 AHORRO ENERGÉTICO SOLAR
El dato principal para el dimensionamiento de un SST y en el caso puntual del agua caliente sanitaria es necesario conocer cuanta energía térmica requiere el calentamiento del volumen de agua a lo largo de cada día/mes/año. Sobre ese dato se realizan las estimaciones del área de captación necesaria y los componentes asociados como así también una estimación del ahorro energético del caso. Finalmente, se realizan consideraciones acerca de la instalación de los componentes para el SST y se diseña el trazado final del conjunto. El SST puede ser para agua caliente sanitaria (ACS), climatización u otros usos. En este manual nos dedicaremos en forma exclusiva al ACS.
El rendimiento de la instalación se refiere sólo a la parte solar de la misma. Por lo tanto, se definen los conceptos de fracción solar y rendimiento medio estacional o anual de la siguiente forma:
- Fracción solar mes “x” = (Energía solar aportada
en el mes “x”/ Demanda energética durante el mes
“x”) ×100 - Fracción solar año “y” = (Energía solar aportada
en el año “y” / Demanda energética durante el año
“y”) ×100
El concepto de energía solar aportada en el año “y” se refiere a la energía demandada satisfecha por la instalación de energía solar. Esto significa que para su cálculo nunca podrá considerarse más de un 100% de aporte solar en un determinado mes.
Sobre este punto tiene mucha incidencia el sistema de apoyo auxiliar con el cual se acopla el sistema solar térmico. A los fines del cálculo de la fracción solar total del sistema solar térmico, será necesario incluir el tipo de sistema de apoyo auxiliar de gas o electricidad.
La eficiencia del sistema de apoyo, ya sea a gas o eléctrico, es fundamental a la hora de estimar la energía útil que se obtiene del recurso solar. La inclusión del sistema de apoyo auxiliar en el cálculo del ahorro energético debido a la incorporación de un sistema solar térmico merece un análisis adicional que se describe en la próxima sección.
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