Proyecto Heat&Cook: desarrollo de soluciones eficientes en sistemas de calentamiento
La doble estrategia de eficiencia energ�tica y energ�as renovables y la consiguiente modernizaci�n tecnol�gica en sistemas de calefacci�n-ACS y bomba de calor ofrecen solidas ventajas para alcanzar los objetivos a nivel de energ�a y protecci�n medioambiental marcados por la Uni�n Europea. El proyecto Heat&Cook ha abordado diferentes tecnolog�as: desde las calderas de condensaci�n a gas y de biomasa hasta la bomba de calor con objeto de ofrecer soluciones eficientes. Los desarrollos obtenidos permitir�n mejorar las cifras de consumo, avanzando hacia el cumplimiento del documento marco que rige las pol�ticas energ�ticas (Acuerdo de Par�s, 2015).
El proyecto Heat&Cook 'Soluciones eficientes en sistemas de calentamiento', financiado por el programa Hazitek del Gobierno Vasco (2018-2020), ha finalizado. Con un resultado de nueve demostradores, seis patentes y la generaci�n de 70 puestos de trabajo ha obtenido muy buena valoraci�n por parte de la SPRI (Departamento de Desarrollo Econ�mico, Sostenibilidad y Medio Ambiente del Gobierno Vasco).
Heat&Cook ten�a como objetivo desarrollar sistemas de calentamiento avanzados, de mayor eficiencia, menos contaminantes, seguros y m�s amigables para el usuario, dirigidos tanto al sector de calefacci�n-ACS como al de cocinado residencial y profesional. Las empresas del consorcio, Copreci, Domusa Teknik, Eika, Fagor Industrial y Orkli, l�deres a nivel mundial, centran su actividad en el dise�o y manufactura de sistemas de calentamiento. Resaltar adem�s la colaboraci�n con tres centros de la Red Vasca de Ciencia y Tecnolog�a e Innovaci�n (Centro Stirling, Ikerlan y Mondrag�n Unibertsitatea) y Acede, el Cl�ster del Hogar.
La actividad de calefacci�n en el marco del proyecto Heat&Cook, llevada a cabo por los fabricantes Orkli y Domusa Teknik, en colaboraci�n estrecha con Ikerlan, se centr� en:
� El desarrollo de un sistema, integrado en el quemador de Orkli que permite alcanzar un ratio de modulaci�n en calderas de condensaci�n de 1:30.
� La integraci�n de sensores de temperatura en una caldera de biomasa de Domusa Teknik para poder adecuar el control autom�ticamente a diferentes calidades de biomasa.
� El an�lisis de las funcionalidades de una bomba de calor de baja emisi�n de CO2 con el prop�sito de mejorar la eficiencia energ�tica para Domusa Teknik.
En la Uni�n Europea casi el 50% del consumo de energ�a final se destina a calefacci�n y refrigeraci�n. De dicha energ�a, el 45% se consume en el sector dom�stico y las emisiones de CO2 en el sector residencial suponen m�s del 30% del total de la UE (Association of the European Heating Industry). Una gran parte de la energ�a es malgastada porque los aparatos de la UE son antiguos o ineficientes.
Figura 1. Tipo de instalaciones en la UE 2017. Fuente EHI (Association of the European Heating Industry).
Calderas de condensaci�n a gas con una modulaci�n de 1:30
La tecnolog�a de condensaci�n permite conseguir un ahorro energ�tico de hasta el 10% en el consumo de gas y hasta un 5% m�s, con un correcto ajuste de control y regulaci�n de la propia caldera. Son amplios los estudios que corroboran que un aumento de la ratio de modulaci�n de las calderas, dimensionando su capacidad correctamente en funci�n de las necesidades de la vivienda y climatolog�a, mejora la eficiencia global del equipo. Un ratio de modulaci�n de la caldera alto, permite reducir los encendidos y apagados de la caldera, proporciona un mejor control de la carga, reduce el desgaste del quemador, componentes hidr�ulicos, el�ctricos y mec�nicos y hasta del mismo aislante, reduce el aire de purga (que se realiza en cada encendido de la caldera), proporciona ahorro de combustible y aumenta de la vida de la caldera (US Department of Energy, Upgrade Boilers with Energy-Efficient Burner, 2012 Ashrae Handbook). La mayor�a de las calderas de gas dom�sticas de condensaci�n disponibles en el mercado tienen una relaci�n de modulaci�n de 1:6-1:10 y existe alguna caldera de altas prestaciones con ratios de 1:20. Es por ello, por lo que el reto de muchos fabricantes como Orkli es llegar a desarrollar componentes que permitan alcanzar ratios de modulaci�n altos en calderas.
Orkli e Ikerlan han desarrollado un dispositivo mec�nico, �clapeta�, integrado en el quemador Ceramat que permite conseguir una modulaci�n de 1:30 en calderas de condensaci�n a gas. Dicho sistema, produce una llama estable y homog�nea entre potencias m�nima y m�xima de 1,3�40 kW y bajas emisiones de CO y NOx. El dispositivo se ha probado a nivel de prototipo funcional en un entorno de caldera con intercambiador del fabricante Valmex y regulaci�n Giordano. Dicho dispositivo se ha protegido con el modelo de utilidad ES 1236 079U 'Sistema de premezcla en gas adaptado para alimentar un quemador' (201931261).
Figura 2. Set up utilizado en el laboratorio de combusti�n de Ikerlan.
Figura 3. Clapeta cerrada y abierta.
Calderas de biomasa que reducen sus emisiones gracias al ajuste del ventilador
Las tendencias de los competidores de los equipos de calefacci�n de biomasa son actualmente la integraci�n de los equipos de biomasa con otras energ�as renovables de forma opcional, plataformas de comunicaci�n, la integraci�n de sensores (sondas lambda y de temperatura en c�mara de combusti�n) para control de la combusti�n, la recirculaci�n de humos con objeto de mejorar los niveles de emisiones y el uso de ciclones y precipitadores electrost�ticos para la reducci�n de part�culas.
Como resultados conseguidos en la caldera de biomasa hay que destacar la viabilidad de sustituir la sonda lambda de control por sensores de temperatura alojados en el techo de la c�mara de combusti�n y el ajuste del ventilador al 60% de su funcionamiento para reducir emisiones.
Figura 5. Setup en laboratorio de Ikerlan de la caldera de biomasa (izda) y gr�ficas de emisiones a diferentes porcentajes de funcionamiento del ventilador.
Bombas de calor con bajas emisiones de CO2
Respecto a la tecnolog�a de bomba de calor, hay que decir que se considera como energ�a renovable. Sin embargo, el uso de refrigerantes procedentes de compuestos fluorados con una elevada capacidad de producci�n de efecto invernadero GWP (Global Warming Potential) siguen siendo los m�s comunes: R134a, R407C, R404a o R410A. La UE promueve la limitaci�n de su uso y su sustituci�n por otro tipo de fluidos que tengan un GWP m�s reducido (Regulaci�n No 517/2014 de la UE). Entre ellos destacan como refrigerantes naturales R744 (CO2) y R290 (C3H8) con un GWP muy reducido. Es por tanto de gran inter�s establecer un dise�o seguro y eficiente acorde con la normativa vigente para las bombas de calor, que permita establecer un compromiso entre eficiencia y medio ambiente. As� mismo se estima un crecimiento de venta de bombas de calor en Europa en los pr�ximos a�os a en base a la ratio de crecimiento anual CAGR (Compound Annual Growth Rate). En base a este impulso comercial empresas como Domusa Teknik quieren adentrarse en este mercado desarrollando bombas de calor m�s eficientes y limpias.
En cuanto a la bomba de calor, se realizaron ensayos seg�n norma EN16147:2017 con una doble finalidad: por un lado, establecer los l�mites de funcionamiento del equipo, y por otro, identificar el funcionamiento de componentes susceptibles de mejora mediante cambios en el control del equipo. Tambi�n hay que decir que, como gran ventaja, a diferencia de los acumuladores de ACS el�ctricos convencionales que tienen un COP de 1 y funcionan en modo On-Off, la bomba de calor-acumulador de ACS funciona con un COP hasta 4 y la modulaci�n es completa (desde un 10% a un 100%), adapt�ndose a la demanda real de ACS y pudiendo trabajar con el mejor COP posible. Otro punto importante es el completo aislamiento del tanque acumulador, que reduce las p�rdidas de calor a valores m�nimos y evita puestas en marcha innecesarias para recuperar el calor del tanque en los periodos entre usos de ACS.
Figura 6. Esquema hidr�ulico (izda) y bomba de calor (dcha).
Orkli S. Coop. se dedica a la producci�n y comercializaci�n de componentes de calefacci�n y electrodom�sticos. Aparte de las �reas de negocio de seguridad termoel�ctrica, calentamiento de agua, calefacci�n, ventilaci�n, suelo radiante y solar, tiene un �rea espec�fica de combusti�n, que ha abordado el proyecto Heat&Cook, donde desarrollan quemadores con la tecnolog�a Ceramat, destinados principalmente a calderas de condensaci�n de altas prestaciones.
Domusa Calefacci�n S.Coop (Domusa Teknik) es una empresa dedicada a la producci�n y comercializaci�n de productos tecnol�gicos destinados a satisfacer necesidades en el sector de la climatizaci�n y el confort. Ofrecen bombas de calor aerot�rmicas, sistemas solares para producci�n de agua caliente sanitaria, calderas de hierro fundido y acero usando como combustible gas, gasoil, o biomasa, inter acumuladores de agua caliente, calderas el�ctricas, calderas murales a gas, termos el�ctricos y quemadores de gasoil.
Ikerlan S.Coop., perteneciente a la alianza Cient�fico-Tecnol�gica BRTA, es un Centro Tecnol�gico miembro de la Red Vasca de Ciencia, Tecnolog�a e Innovaci�n. Dispone de un equipo multidisciplinar que permite abordar desde simulaciones fluidodin�micas Ansys-CFD, la qu�mica de la combusti�n (Chemkin), el dise�o mec�nico, detecci�n de fallos estructurales y realizar ensayos de precertificaci�n. Como nota a destacar de las infraestructuras disponibles, la reciente construcci�n de un laboratorio adaptado a la combusti�n de Hidr�geno.
