Cálculo del consumo de una instalación de A.C.S. de tipo centralizado

Gaspar Martín
Director Técnico de ACV

Cuando se plantea el diseño de una instalación de A.C.S., la variable fundamental es satisfacer las necesidades de demanda de agua caliente en los períodos punta de los usuarios de la instalación. Vamos a ver algunos criterios de cálculo para dimensionar las necesidades de agua caliente para una instalación de tipo centralizado.

1. Métodos de cálculo del consumo punta para una instalación de A.C.S. de tipo centralizado.

La variable fundamental cuando se plantea el diseño de una instalación de A.C.S., es satisfacer las necesidades de demanda de agua caliente en los períodos punta de los usuarios de la instalación. Lógicamente este servicio es muy sensible para las instalaciones de tipo servicios (hoteles, gimnasios, etc…), ya que si el cliente no dispone de agua caliente cuando la solicita, puede suponer la pérdida del mismo (más hoy en día en que se plantean sistemas de agua caliente con un elevado confort de uso como duchas con efecto lluvia, jacuzzis, hidromasajes, etc…).

En el presente texto se mostrarán algunos criterios de cálculo para dimensionar las necesidades de agua caliente para una instalación de tipo centralizado, teniendo en cuenta que el cálculo de una instalación de A.C.S. no es un proceso mecánico y universal (como se podría plantear para una instalación de calefacción), ya que cuando se calcula una instalación se maneja un componente de incertidumbre muy elevado al no conocer el momento exacto en que los usuarios demandarán el agua caliente.

Se puede plantear un proceso de cálculo formado por cuatro fases:

• Fase inicial de análisis del posible comportamiento de la instalación, intentando definir una curva de consumo de la instalación.
• Fase de dimensionamiento y cálculo de las necesidades de agua en el período punta, así como definición de la duración del mismo.
• Selección del sistema de acumulación adecuado a las necesidades del periodo punta.
• Selección de la potencia necesaria a partir de la acumulación escogida.

Las fases anteriores son las que se desarrollan a continuación (trabajando a lo largo del texto sobre un ejemplo real de cálculo para dimensionar la instalación de A.C.S. de un hotel urbano de negocios de 4 estrellas y 100 habitaciones ubicado en Madrid como instalación de referencia). Se ha escogido en el ejemplo una instalación de tipo hotelero por ser muy crítica y exigente en su demanda (aunque los métodos y conclusiones se pueden extrapolar para otras tipología de obra).

1.1 Análisis del comportamiento de la instalación.

Es fundamental, antes de empezar el proceso de cálculo, intentar entender cómo se va a comportar la curva de demanda de agua caliente en la instalación (aun trabajando con consumos de A.C.S. iguales en el total del día, la distribución de consumo horario no será igual en un hotel urbano de negocio que en uno vacacional de costa). Para ello, es recomendable analizar curvas de consumo de instalaciones similares ya realizadas anteriormente, en vía de disponer de una información inicial que permita una definición más precisa y optima del sistema de producción de A.C.S. En el cálculo de agua caliente hay un componente de incertidumbre muy elevado que será tanto mayor cuanto más períodos punta aleatorios tengamos en la instalación. Si consideramos un hotel urbano de negocios, este tiene unos períodos punta más o menos definidos en el tiempo (generalmente, una instalación de este tipo tiene una punta matutina en el que en una hora aproximadamente se consume hasta el 50-60% del total diario). La instalación puede tener un consumo de agua elevado, pero tenemos cierta precisión de cuándo va a ocurrir la demanda de A.C.S. en vías de dimensionar el sistema para este uso.

Un hotel vacacional de costa tendría una dificultad mayor para calcular y dimensionar la instalación, ya que en este caso nos encontramos con una instalación con períodos punta aleatorios en el tiempo, ya que habrá aspectos externos como puede ser las condiciones climatológicas que nos pueden generar consumos punta muy elevados. Lógicamente, en este tipo de instalaciones con un alto componente aleatorio, se manejaran coeficientes de seguridad más elevados para anticiparnos a estos consumos. En cualquier caso, es muy recomendable y de gran utilidad analizar instalaciones similares antes de empezar el proceso de dimensionamiento, para buscar la solución más precisa al sistema.

1.2 Cuantificación de períodos y caudales punta de consumo.

Una vez se conozca mínimamente el comportamiento de la curva de consumo de la instalación, habrá que definir el consumo de agua en el período punta, así como la duración del mismo. Para el diseño del sistema, habrá que calcular y definir las siguientes variables:

• Consumo total de agua caliente a lo largo del día.
• Consumo de agua caliente durante el período punta.
• Consumo de agua máximo instantáneo durante los primeros 10-15 minutos de la punta.

1.2.1 Consumo total de agua caliente (Qd).

Para definir cuánta agua caliente se va a consumir en una instalación a lo largo del día, se puede utilizar como criterio de cálculo el Código Técnico de la Edificación CTE DB-HE 4, 2013, donde a partir del número de usuarios y el consumo unitario por uso tendremos la demanda total diaria a 60 ºC:

Si planteamos el ejemplo para el hotel de 4 estrellas 100 habitaciones ya comentado (considerando 60 habitaciones como uso doble y 40 como uso individual), tendremos un consumo diario de 8.800 litros a 60 ºC (55 litros/pax x 160 pax).

Aunque todas las habitaciones sean dobles, en el cálculo se suele considerar un porcentaje de uso de la habitación doble como individual a efectos de cálculo de consumo de agua caliente (porcentaje que suele aumentar en relación a las estrellas, así como en el caso de hoteles de tipo vacacional).

1.2.2 Consumo en el período punta (Qp).

Este es el punto más complejo cuando se dimensiona una instalación centralizada de agua caliente, ya que no existe un criterio de cálculo válido para todas las tipologías de instalaciones que nos podemos encontrar. En este caso, hay que definir dos variables fundamentales:

• Porcentaje de agua caliente consumido en el período punta respecto al total diario.
• Duración del periodo punta en horas.

Para definir lo anterior hay que conocer la curva funcional de instalaciones similares a partir del análisis inicial realizado, así como la exigencia en seguridad que tengamos para la instalación (definida muchas veces como una relación directa en el número de estrellas del hotel cuando hablamos de esta tipología de obra). Como criterio general que puede ser de utilidad para hoteles urbanos, se suelen considerar porcentajes de consumo en el período punta del 50-60%, que ocurren en un período punta matutino de una hora. Para hoteles vacacionales, se podrían manejar porcentajes punta similares, pero repartidos en periodos más largos de hasta 2 horas. En cualquier caso, siempre la solución propuesta debe ser suficiente para asegurar los consumos en este período punta.

Siguiendo con el ejemplo antes comentado, podríamos considerar un periodo punta de una hora, en el que se consume el 50% del total diario, con lo que tendremos un consumo de agua en una hora a 60 ºC de 4.400 litros.

1.2.3 Consumo en el periodo crítico de consumo (Qc).

Este valor se obtiene a partir de la suma de caudales de todos los puntos terminales del edificio durante un período de tiempo dado, aplicando un coeficiente de simultaneidad de uso, ya que no todos los aparatos de un mismo edificio se utilizan al mismo tiempo. No existe una norma de obligado cumplimiento en este sentido, pero pueden utilizarse con bastante precisión en los resultados los valores de consumo unitario y coeficientes de simultaneidad indicados la Norma UNE 149.201/08.

Qc (10 -15 min)  = A · (QT)^B + C

Este valor de cálculo se suele utilizar para dimensionar la acumulación mínima de la instalación, considerando una duración del período crítico de unos 10 – 15 minutos. La acumulación debería poder aportar el consumo de A.C.S. durante este período sin considerar la aportación de la caldera. Para el hotel que hemos tomado como ejemplo, y considerando un período crítico de 15 minutos, tendríamos un consumo de agua a 60 ºC de 1.701 litros. En el cálculo, se ha considerado que aunque todas las habitaciones tengan bañera, solo el 30% de las mismas se utilizarán como tal a efectos de cálculo de consumo de agua caliente (el 70% restante se valoran como uso como ducha). Generalmente, cuantas más estrellas tenga un hotel más alto es el porcentaje de usos de las bañeras como tal en el cálculo de la necesidad de A.C.S.

1.3 Selección del sistema de acumulación adecuado.

Para dimensionar la instalación de producción de A.C.S. debe considerarse que la energía aportada (producción más acumulación) debe igualar a la consumida en el período punta; por eso si los volúmenes de acumulación son menores las potencias deberán ser mayores (sistemas de semi-acumulación, o semi-instantaneos) y si los volúmenes de acumulación son mayores las potencias podrán ser inferiores (sistemas de acumulación).

Ya se ha comentado que la acumulación debería por si misma aportar el consumo de agua durante el período crítico seleccionado. En principio, siempre que no hablemos de instalaciones particulares con puntas especialmente elevadas, se consideraran períodos de consumo crítico de no más de 20 minutos (a partir de ese valor se entiende que la instalación está sobredimensionada en acumulación). Hoy en día, por motivos tanto de instalación, como energéticos, como sanitarios, dentro de lo posible se intenta reducir al máximo la acumulación instalada en la salas de calderas de las instalaciones. Existen soluciones técnicas novedosas, que permiten reducir al máximo este elemento, trabajando con tecnologías que producen gran cantidad de agua caliente sanitaria para asegurar el confort de la instalación, sin necesidad de tener una gran cantidad de agua almacenada (soluciones semi-instantáneas de condensación total o de semi-acumulación doble tanque).

Para el hotel considerado, teniendo en cuenta que tenemos un consumo crítico en 15 minutos de 1.701 litros y adaptando esta necesidad a volúmenes de acumulación estándar de mercado, se podrían plantear 2.000 litros de acumulación (repartida en dos acumuladores de 1.000 litros para una mayor seguridad y disponibilidad del sistema).

1.4 Selección de la potencia necesaria.

Una vez seleccionado el tipo y tamaño de acumulación para la instalación, la selección de la potencia necesaria es un proceso de cálculo relativamente sencillo. Teniendo en cuenta la energía ya disponible en los acumuladores escogidos, la diferencia para poder satisfacer el consumo de agua durante el período punta más la compensación de las pérdidas energéticas de la instalación, deben estar cubiertas con las calderas instaladas.

Para el ejemplo que se ha ido planteando en el presente capítulo, y partiendo de los 2.000 litros de acumulación, se requerirían 139 kW para cubrir los 4.400 litros a 60 ºC durante los 60 minutos del período punta. Teniendo en cuenta un rendimiento de la caldera trabando en producción de A.C.S. del 95% s/PCI, unas pérdidas en el intercambiador de placas del 12% y unas pérdidas en distribución y acumulación del orden del 5%, tendremos que la potencia necesaria a instalar en la instalación sería de unos 175 kW. Seleccionaríamos dos calderas estándar de condensación del mercado, con potencias unitarias de 90 kW.

2. Conclusiones finales.

Independientemente de la solución adoptada para la instalación de agua caliente sanitaria, no hay que olvidar de que la misma ha de satisfacer en todo momento la demanda de agua caliente de sus usuarios.  Es evidente que hoy en día el A.C.S. es una instalación prioritaria que ha de ofrecer el mejor servicio y confort a los clientes, pero en el diseño de la misma se deberían aplicar también criterios racionales en cuanto a plantear soluciones lo más eficientes y económicamente viables dentro de las diversas tecnologías existentes en el mercado. Soluciones más óptimas y más eficientes permitirán reducir los costes tanto de instalación como de explotación. Hay que considerar que los costes asociados a satisfacer la demanda de A.C.S. de una instalación pueden llegar a ser de hasta el 25% respecto al total de la factura energética del edificio (estos porcentajes aumentarán notablemente en el futuro, tanto por la drástica reducción de las demandas de climatización en los edificios de consumo energético casi nulo, como por el aumento en las necesidades de confort para usos sanitarios por parte de los usuarios).

La tendencia en diseño es ir a soluciones lo más compactas posibles en acumulación, para de esa manera reducir el espacio de instalación necesario. Salas de calderas de dimensiones más reducidas, permitirán destinar esa superficie para otros servicios que aporten valor añadido a la instalación (tales como servicio de lavandería, plazas de parking, etc…). Igualmente, dentro del ámbito de la reconversión, soluciones más compactas en tamaño pueden implicar costes tanto de instalación como de obra civil más reducidos que pueden ayudar a promover la reforma de las instalaciones a tecnologías más eficientes.

En la actualidad existen alternativas técnicas a los sistemas tradicionales con gran acumulación (sistemas semi-instantáneos de condensación por ejemplo), que se adaptan perfectamente a las elevadas puntas de consumo de agua caliente presentes en una instalación de tipo centralizado sin necesidad de tener preparada una gran cantidad de agua caliente. Estas tecnologías, altamente eficientes, pueden ser una solución interesante para resolver los tradicionales problemas de las instalaciones centralizadas de agua caliente sanitaria.