ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE CALENTAMIENTO PARA LAS PISCINAS

La crisis del petróleo y la subida de los precios de los combustibles a partir de 1973, impulsó las investigaciones en nuevos equipos de alta eficiencia, además de cambiar el posicionamiento de los costes de calefacción, situación que benefició el desarrollo de la Bomba de Calor.

En estos años además de los cambios coyunturales que han favorecido el aumento de las ventas, las bombas de calor han experimentado una evolución positiva desde el punto de vista tecnológico.

Actualmente la utilización de bombas de calor se justifica, además de por el ahorro energético que suponen, también por su contribución a la reducción de las emisiones de CO2. La bomba de calor consume menos energía primaria que los medios tradicionales de calefacción. Sin embargo a nadie se le escapa que el efecto sobre el medio ambiente de las bombas de calor depende mucho de cómo se genere la energía eléctrica.

Si la energía eléctrica proviene de fuentes renovables como la hidroeléctrica ó eólica, es clara la reducción de las emisiones, pero incluso cuando la electricidad que alimenta las bombas es generada mediante centrales térmicas de combustibles fósiles, se demuestra que la reducción total de emisiones es importante.

En el mercado mundial existen cuatro sistemas de calentamiento para piscinas y spas, las bombas de calor, la energía solar, calentamiento por consumo de un combustible como: a gasoil o gasóleo (llamado también diesel), y a gas licuado de petróleo (propano, butano, etc.). Sin embargo hay muchas diferencias entre los diferentes sistemas especialmente en lo relativo a costos y rendimiento.

Las Bombas de Calor utilizan una tecnología innovadora para extraer grandes cantidades de calor de exterior y transferirlas al agua de la piscina o spa utilizando una mínima cantidad de electricidad. El 80% del calor producido por la bomba de calor proviene del aire exterior, gratuito y siempre disponible. La bomba de calor es el sistema más limpio, eficiente y con el coste más económico para mantener caliente la piscina todo el año. De hecho, comparado con la calefacción a gasóleo el ahorro oscilaría entre 30-75% menos. Es además el único sistema que también permite enfriar el agua de la piscina (opcional) disponible hoy en día en el mercado.

La Energía Solar es el método con el coste más reducido. No obstante, debido a que el agua sólo puede incrementarse a una temperatura no superior a los 6ºC por encima de la temperatura ambiente, muchas instalaciones solares no consiguen mantener una temperatura agradable durante todo el año. La razón es la siguiente: La superficie de paneles utilizada es menor a la necesaria. Además en invierno, la temperatura no se suele incrementar más de 4 ó 5 ºC

El centro de Energía de Florida recomienda que para mantener una piscina en Florida a la temperatura de 24ºC, la cantidad de paneles necesarios debería ser igual a 220% de la superficie de la piscina. Por lo tanto, mantener una

piscina caliente en invierno con energía solar es caro y en la mayoría de las veces imposible por la falta de espacio y Sol.

La Calefacción por Gas o Gasóleo (diesel), ofrecen una aportación rápida de calor a la piscina, pero en contra tiene un coste muy elevado en los países industrializados, debido a que el galón de Diesel es de aproximadamente $6,00, y el Kg de Gas LP (para uso industrial) es de $0,90, y en el Ecuador ya resulta también caro utilizar este método de calentamiento, esto lo comprobaremos más adelante, con un ejemplo del los costes energéticos de los diferentes métodos de calentamiento. El método de calentamiento utilizando combustibles requiere el almacenamiento de grandes depósitos inflamables, con el consiguiente deterioro para el medio ambiente debido a la polución que generan.

Los calentadores a gas o gasóleo son más caros que la bomba de calor y no permiten la opción de enfriar el agua. Las Resistencias Eléctricas son el método más caro para el calentamiento de las piscinas y spas, y probablemente unos de los métodos con una menor efectividad. De hecho, y dependiendo de las tarifas eléctricas locales, calentar una piscina con resistencia eléctrica puede suponer un coste entre un 200-600% superior a otros sistemas. Tampoco dispone de la opción de enfriamiento de agua; en el Ecuador desde el año 2009 el costo de calentamiento por este método resulta más económico (en un 10%) que el de Gas LP, debido al costo por Kg del gas de uso industrial, que es de $ 8,67 ($ 13,00 por cilindro de 15Kg)

Economía en el costo de calentamiento con bomba de calor. ¿Por qué es tan económico?

Porque el 80% del calor producido por la bomba de calor proviene del aire exterior, que es gratuito y que siempre está disponible.

Ejemplo: Si el compresor consume 1 KW, la bomba de calor restituye 4,5 o 5 KW a la piscina.

Bomba de calor para piscinas

INTRODUCCIÓN

El reciente crecimiento en la demanda por sistemas de calentamiento para piscinas ha creado una gran confusión a todo lo ancho de la industria de la piscina y spa, en lo que refiere al impacto de niveles de la capacidad y eficiencia como también las diferencias de desempeño entre los principales tipos de calentadores para piscinas. Actualmente se ha visto la necesidad de hacer énfasis a los datos técnicos de los equipos para diferenciarse de los demás, por tal motivo al consumidor se han mostrado las especificaciones y siglas tales como BTU/h y COP, y que a menudo son mal interpretadas o ignoradas. Esto es especialmente aplicable en las bombas de calor, las cuales tienen ventajas significativas que a generalmente son menospreciadas. Tomarse el tiempo para entender como trabaja una bomba de calor y como evaluar adecuadamente sus calificaciones y eficiencias, revelará su desempeño fundamental y los beneficios económicos que tiene sobre otros métodos de calentamiento.

Comparación de: costos de calentamiento, inversión inicial, y ventajas y desventajas de c/u de los sistemas de calentamiento de su piscina

Supongamos que tenemos una piscina de 3,5 x 6,5 metros y de 1,5 metros promedio de profundidad, la piscina es bajo techo, y la temperatura ambiente promedio en Ambato es de 15ºC; entonces el volumen de agua a calentar a 30ºC es 34m³, y para mantener caliente la piscina a los 30ºC, la necesidad diaria seria de 1248 KBTU/día (o 52 KBtu/h, sin cobertor en la noche, con cobertor se reduce al 60%). Si se mantiene caliente la piscina todos los días del año, y no se utiliza cobertor en las noches, entonces tenemos:

COSTOS , VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE CALENTAMIENTO para 1248KBtu por día

COSTO ANUAL

DE CALENT

COSTO DE INVERSION INICIAL

TIEMPO DE VIDA

(años)

COSTO DE MANT.

ANUAL PR.VENTAJAS y DESVENTAJAS

A GAS uso Industrial

12 300$

a.- 2000 $calefones

b.- 4.500 $Caldero

a.- 2

b.- 10

a.- 800 $

b.- 800 $

VENTAJAS: Es más limpio que el diesel, y su precio sin subsidio en este país se mantendrá por largo tiempo.

DESVENTAJAS: Se necesita un espacio adecuado y un sistema de almacenamiento para su combustible, personal para su manejo y abastecimiento. Se corre riesgos por alguna fuga ya sea por rotura o mal funcionamiento de los equipos. Contamina en cierto grado el ambiente por su combustión.

A DIESEL O GASOLEO

4 875 $ 5.000 $caldero 8 años 1200 $

VENTAJAS: El costo operativo por materia prima es más barato que el del gas. Pero en este país si el precio del diesel aumenta en un 60%, se

igualaría al costo operativo del gas, lo cual es posible, debido que en los últimos años no han elevado su precio.

DESVENTAJAS: El costo de inversión inicial es un poco alto Se necesita un espacio adecuado y un sistema de almacenamiento para su combustible, personal para su manejo y transporte para

su abastecimiento. Se corre riesgos por alguna fuga ya sea por rotura o mal funcionamiento de los equipos. El ambiente se contamina con su combustión, y por el manejo diario de su abastecimiento, el medio se ensucia y contamina. Necesita sacar permisos: uno para el transporte de diesel y otro la autorización del grado de contaminación del diesel en el ambiente

POR ELECTRICI

DAD13 200 $ 500 $

resistencias 2 años 600 $

VENTAJAS: Al igual que por bombas de calor es el más limpio y no contaminante de todos. Es también el de menor cuidado operacional y mantenimiento. Es el de menor costo de reposición

DESVENTAJAS: Es el más costoso operacionalmente

POR R. SOLAR

500,00 $40.000 $Paneles solares

20 años 4500 $

VENTAJAS: Es el más económico operacionalmente. Es también uno de los más limpios y no contaminantes

DESVENTAJAS: El costo de inversión inicial es el más alto de todos. El calentamiento máximo que aporta es de 8ºC mas que la del ambiente Necesita mucho espacio casi horizontal para su instalación, lo más cercano a la piscina. Su instalación es compleja Necesita tanque de reserva grande Si existe más de un día nublado necesita energía alterna de calentamiento, en el caso de nuestro ej. el 40% del tiempo: nublado

POR BOMBAS

DE CALOR COP=4.8

2 750 $ 8600 $ 15años 500$

VENTAJAS: Al igual que el sistema por resistencias eléctricas, es el más limpio y no contaminante de todos. Es ecológico El costo operativo por materia prima es más barato que el del gas, y es casi igual al del diesel Es también uno de los de menor cuidado operacional y mantenimiento, por ende ahorrara también en mano de obra calificada. En un día soleado ahorrará más que los otros sistemas (excepto el de paneles)

DESVENTAJAS: El costo de inversión inicial es un poco alto.

QUE ES UNA BOMBA DE CALOR PARA PISCINA Y SU PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

¿cómo puedo calentar mi piscina utilizando un sistema basado en la refrigeración? El mismo que se utiliza en el aire acondicionado. El compresor produce una determinada cantidad de calor basada en una escala medida por BTUs. El balance del calor es obtenido del medio ambiente; no obstante la cantidad del mismo depende de la ingeniería y del grado de perfección de los componentes utilizados en la unidad.Una bomba de calor para piscina es un aparato que sirve para absorber el calor del aire exterior y utilizarlo para calentar el agua de la piscina. Todas las bombas de calor tienen un compresor interior, el cual actúa como el corazón del sistema de calentamiento de la piscina, el compresor bombea un gas refrigerante, este gas caliente pasa a través de él donde se comprime para calentarse todavía más, y luego pasar por el intercambiador de calor (condensador), mediante tubos de cobre (o de titanio) que se ubican dentro del intercambiador en forma de espirales, en donde el agua fría bombeada de la piscina hacia el intercambiador, pasa a través de los espirales produciéndose por lo tanto la transferencia del calor del gas al agua que está a menos temperatura. Al salir el gas del intercambiador, sale casi a la temperatura del agua, luego al pasar por la válvula de expansión, la presión del gas baja y por ende su temperatura también va a bajar (menor que 0ºC); de este modo el refrigerante muy frío pasa al evaporador también mediante tubos de cobre que se ubican dentro en forma de espirales o en forma de radiador o baterías. Un ventilador también localizado en el interior de la bomba succiona el aire caliente del exterior haciéndolo pasar por los tubos de cobre en forma de baterías de radiador del evaporador, de tal manera que el gas frío absorbe el calor del aire.

Diagrama de funcionamiento de una bomba de calor

COMPONENTES PRINCIPALES

El CompresorEl compresor constituye el corazón de la unidad, recibe el gas refrigerante del evaporador, su finalidad es calentar el refrigerante y esto lo logra comprimiéndolo en estado gaseoso a presiones altas.

DeSerpentín (Scroll) o de voluta - Está formado por dos espirales, una fija y otra móvil de manera que la móvil se va cerrando sobre la fija. La espiral móvil va aspirando el gas y lo va cerrando contra la otra espiral y lo va comprimiendo.

Igual que el rotativo el scroll va comprimiendo y aspirando continuamente. Admite golpes de líquido, tiene bajo nivel sonoro y de vibraciones, no arrastra casi aceite, tiene bajo par de arranque y se utiliza generalmente en aire acondicionado y bombas de calor.

El método de compresión más eficiente es aquel que cuenta con menos partes móviles de todos ellos y no necesita de fricción para su funcionamiento, siendo el compresor Scroll el que menos partes móviles tiene, y además porque trabaja a una temperatura más baja que los demás, da como resultado ser el de más larga duración del mercado. Es capaz de ponerse en marcha con tan sólo 190 voltios.

En las mejores bombas de calor se utiliza la alta tecnología de los compresores Scroll, aunque existen otros tipos en el mercado.

El Intercambiador de Calor o condensadorEste componente transfiere el calor del freón caliente al agua. El intercambiador de calor consiste en una tubería pequeña transmisora de calor (por el cual en su interior pasa el freón), que esta enrollada en forma de espiral, colocada dentro de otro tubo u habitáculo no conductor de calor, por el cual en su interior pasará el agua de la piscina.

El intercambiador de calor tiene que tener propiedades anticorrosivas ante los químicos contenidos en el agua de la piscina.

Los intercambiadores de calor existentes en el mercado son los siguientes:

Espiral de Cobre recubierto - El cobre es el mejor medio transmisor de calor y es normalmente utilizado en bombas de calor aplicadas a agua dulce, para agua caliente y sistemas de calefacción bajo suelo, pero no es muy útil en el caso de piscinas, ya que el cloro lo disuelve, como ejemplo mostramos una bobina de cobre que no tenía recubrimiento, por lo cual si no se detecta a tiempo la fuga del freón, puede crear daños irreparables en el compresor, y crear una reparación muy costosa y una parada muy larga del calentador.

Por tal motivo la tecnología se ha visto en la necesidad de crear para los espirales de cobre, recubrimientos conductores de calor y anticorrosivos ante los productos químicos de las piscinas.

Espiral de Acero inoxidable - Altamente resistente a los productos químicos, pero mal conductor del calor, por tal motivo su COP es bajo.

De Cobreniquel.- El sistema usado en algunas bombas de calor. El tubo grande exterior es de cobre y en el interior de él adherido a la pared, otro tubo pequeño de cobreniquel enroscado. El agua fluye en una dirección entre los conductos de cobre y el cobreniquel y el refrigerante caliente fluye en el conducto de cobreniquel en dirección opuesta. El diseño enroscado fuerza al refrigerante oleoso a hacer contacto con las paredes, de no ser así se desplazaría linealmente a través del conducto sin llegar a tocarlas. El cobre-niquel Resistente al cloro y muy buen conductor del calor, pero podría ser erosionado con el uso de niveles de cloro demasiado altos. Por ejemplo, 2 o 3 veces los niveles normales necesarios en una piscina. Este sistema es de mayor COP de todos, es un 10% mayor al de titanio.

De Titanio . - Consiste en un habitáculo de PVC con un conducto metálico enrollado en espiral en su interior. El refrigerante caliente se circula a través del conducto metálico calentando el agua. Esto no es el método más efectivo ya que no toda el agua llega a contactar. Es a su vez el sistema utilizado en el intercambiador de calor de titanio. El titanio es un elemento que combina la resistencia alta a la corrosión con la resistencia a la fuerza mecánica, este elemento es sólo ofrecido por las aleaciones del alta tecnología, el titanio ha sido el metal de opción especificado por ingenieros que deben garantizar la durabilidad y confiabilidad en el uso de alguna máquina. Es el único metal resistente a los productos químicos agregados al agua de la piscina, permite intercambio termal excelente y una garantía de diez años. Muy resistente al cloro y muy buen conductor de calor. Tiene uno de los valores de COP más altos con respecto a los demás sistemas.

La válvula de expansiónLa finalidad de una válvula de expansión es la de bajar la temperatura del refrigerante que se encuentra en el evaporador, y esto lo hace bajándole la presión al freón, controlando su paso y separando la parte de alta presión con la de baja, manteniendo así la presión del evaporador constante.

La batería de evaporaciónEl evaporador es el componente de una bomba de calor que tiene como finalidad de evaporar el refrigerante, para que en estado gaseoso pueda pasar al compresor, y esto lo hace calentando el refrigerante frío haciendo pasar aire el lugar de la instalación donde se produce el intercambio térmico entre el refrigerante y el aire, aquí el refrigerante para calentarse toma el calor del aire, por lo cual el aire sale más frío de lo que entró.

El evaporador básicamente está constituido por una especie de serpentín de tubería de cobre unido con aletas, como un radiador de automóvil, que también puede tomar una forma de herradura

Cuanto más grande sea la batería de evaporación tanto mejor, ya que captará más calor del aire.

El ventiladorLa finalidad de este componente es la hacer pasar aire a través del evaporador absorbiendo el aire caliente de los alrededores. La batería de evaporación de mayores dimensiones no serviría de nada sin el caudal de aire apropiado. De hecho, una batería de evaporación muy grande y un flujo de aire insuficiente es un perfecto ejemplo de un sistema en desequilibrio. Generalmente el ventilador es de tipo axial de aspas especialmente diseñadas para eliminar al máximo el ruido, existen diseños especiales de ensamblaje de vénturi y soportes se ha diseñado acústicamente para que funcione silenciosamente, aun conociendo su alta producción en CMH (metros cúbicos por hora ) .

La mayoría de los aparatos de aire acondicionado son más ruidosos que las bombas de calor Florida.

Los termostatos, flujómetro, presóstatos, y el panel de controlPara la automatización y seguridad de funcionamiento del equipo se colocan:

Un flujómetro o interruptor de caudal de agua, que censa el flujo, para que se encienda solo cuando haya caudal de agua.

Presóstatos de alta y baja presión del refrigerante, para que de este modo se bloquee el funcionamiento si la presión del refrigerante es muy alta o muy baja de lo normal.

Un termostato para censar la temperatura muy baja en la superficie del evaporador y así activar el desencarche o deshielo automático por ventilación forzada.

Para tener mayor control y exactitud en la temperatura de la piscina se han desarrollado termostatos electrónicos que pueden ser regulados con programadores de pantalla y botones digitales de fácil manejo (conocidos como pirómetro), además pensando en que pueden funcionar para una piscina y un spa algunas de las bombas de calor vienen con doble termostato electrónico.

Un panel que además de la pantalla y botones digitales nombrados anteriormente, contiene unas luces de control, que sirven para ver que componente del equipo está funcionando o no, dando ese modo, un autodiagnóstico del equipo. Con el panel de control podemos regular la temperatura deseada para la piscina y ver la temperatura en la pantalla, escoger opciones de calentamiento por temporizador y automático, y regular ciertos parámetros del equipo. En él viene incorporado un PLC y microprocesador para el control de todos los censores de presión , flujo y temperatura.

Las bombas de calor tendrán la siguiente forma y presencia

Vertical Horizontal de pared

¿CÓMO TRABAJA LA BOMBA DE CALOR?El proceso es muy simple; lo primero que el equipo necesita es que la bomba de agua de la piscina se encienda para que haya caudal que pase por un flujómetro que lo va a censar, y así encender el equipo, activándose primero el termostato del agua, que va a verificar por un tiempo prudente, si su temperatura perdió más de un grado centígrado, si es así el equipo prenderá su ventilador, y si el termostato que se encuentra en el evaporador censa que no hay escarcha (temperatura mayor a 1ºC), entonces dejará que también se encienda el compresor, arrancando así por completo el equipo. Al encenderse el ventilador este tomará aire del exterior circundante a la bomba de calor, el cual pasará por su evaporador donde tenemos almacenado en estado líquido el refrigerante conocido como freón ó R22, al ponerse en contacto con el calor del aire el refrigerante se transforma en gas caliente y será enviado al compresor donde es comprimido y por lo tanto incrementará más su temperatura (pero seguirá en estado gaseoso), para así estar listo a ir al condensador, el cual es un intercambiador de calor (un cilindro que contiene una tubería conductora de calor), en donde en la tubería conductora de calor pasa el refrigerante caliente y el agua a su vez llena el cilindro yendo en sentido contrario al flujo del refrigerante, es entonces cuando se produce el paso del calor al agua, y en cambio el refrigerante se enfría saliendo tibio y en estado líquido, para luego pasar por la válvula de expansión, después de la cual se baja su temperatura a menos de 5ºC continuando en estado líquido. Después de este proceso el gas se licua volviendo al estado líquido frío inicial y comienza de nuevo el ciclo.

OBSERVACION IMPORTANTE PARA REDUCIR EL GASTO ENERGÉTICO EN EL CALENTAMIENTO DE UNA PISCINA: El fin de mejorar el COP en las bombas de calor es simplemente ahorrar energía, por ende dinero, pero en la práctica un factor importante para ahorrarla es, colocando por las noches un cobertor térmico en la piscina, esto puede significar hasta un 45% de ahorro, lo cual no es insignificante, pero algunas personas no los utilizan debido a que le dan más importancia a la dificultad de su manejo, que el conocer el verdadero ahorro energético que representan. Al colocar un cobertor en la piscina, esta se enfriará unos 3 ºC máximo, y si la capacidad del calentador se la escogió sin tomar en cuenta el cobertor, entonces al utilizar este calentador, obtendremos una pronta recuperación de la misma, y así tenerla lista rápidamente para las personas que la necesitan.

Resumen de las características de una bomba de calor para piscina Compresor cerrado Tipo Scroll

Batería de evaporación grande

Doble termostato electrónico con regulación y visualización digitales (PLC incorporado y microprocesado)

Opciones de calentamiento por temporizador y automático.

Luces de indicación de funcionamiento y autodiagnóstico.

Termostato para desencarche y deshielo automático por ventilación forzada.

Flujómetro o interruptor de caudal de agua, que censa el flujo, para que se encienda solo cuando haya caudal de agua.

Presóstatos de alta y baja presión del refrigerante

Diseño del ventilador especial para reducción del ruido

Carcaza de material PVC con diseño exclusivo anti ruido

Coeficiente de rendimiento nominal de no menos de 5.5

Salida de ventilación vertical (hacia arriba)