Sistemas de regulación y control en calefacción doméstica

En el BOE (número 2013/89) de 13 de abril, aparece publicado el Real Decreto 238/2013 por el que se modifican determinados artículos e instrucciones técnicas del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, aprobado por Real Decreto 1027/2007, de 20 de julio.

El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, conocido en la práctica por su acrónimo RITE, tiene por objeto establecer las exigencias de eficiencia energética y seguridad que deben cumplir las instalaciones térmicas en los edificios destinadas a atender la demanda de bienestar e higiene de las personas, durante su diseño y dimensionado, ejecución, mantenimiento y uso, así como determinar los procedimientos que permitan acreditar su cumplimiento.

En su modificación de 13 de abril, y en lo relativo a generación de calor para calefacción, se vuelve a poner de manifiesto la importancia de utilizar calderas que incorporen quemadores de alta eficiencia, capaces de recuperar el calor latente de fusión del agua contenida en los productos de la combustión y, por tanto, mucho más eficientes que otras tecnologías también utilizadas en el sector.

Por razones de rendimiento energético y medioambiental se establece en la última modificación del RITE la obligatoriedad en diversos ámbitos de utilizar calderas de condensación además de utilizar una sonda exterior y/o una sonda de ambiente como elementos de control. Se incide por tanto en la importancia de disponer de un generador de calor eficiente y la necesidad de disponer de un sistema de regulación y control que permitan optimizar el funcionamiento del sistema de calefacción proporcionando un confort adecuado con el menor consumo de energía.

El objetivo básico de un sistema de regulación y control para calefacción es conseguir que la temperatura ambiente alcance un valor igual al de una temperatura de consigna interrumpiendo el funcionamiento del generador de calor cuando las condiciones de confort hayan sido satisfechas.

Esta temperatura de consigna o temperatura deseada también se denomina temperatura de calefacción. Es una variable crítica puesto que determina en gran medida el consumo energético de una instalación de calefacción. Por cada grado que aumentemos el valor de la temperatura de calefacción, se incrementa el consumo de energía aproximadamente en un 7% (Guía Práctica de la Energía. IDEA).

Según el INE la temperatura media de calefacción en una zona geográfica constituida por las comunidades de Galicia, Asturias, Castilla y León, País Vasco y Navarra se sitúa actualmente en los 20,8 °C. Otra variable crítica de nuestro sistema es la temperatura de impulsión. La temperatura de impulsión, durante una demanda de calefacción, es la temperatura proporcionada mediante la caldera a los emisores de la instalación (radiadores, termo convectores, suelo radiante, etc.) y determina el comportamiento del sistema tanto en régimen transitorio como en régimen permanente, una vez se ha alcanzado la temperatura ambiente deseada.

Una temperatura de impulsión anormalmente alta condiciona negativamente el rendimiento de una caldera y por tanto la eficiencia de la instalación de calefacción.

En los sistemas más básicos de control la temperatura de impulsión se establece manualmente como un valor fijo. Por el contrario, en los sistemas de regulación y control más avanzados, este valor se calcula automáticamente mediante un software específico proporcionando una salida variable.

Existen distintos tipos de regulación en sistemas de calefacción y suelen clasificarse en función de los periféricos o dispositivos de termorregulación utilizados.

Este tipo de control utiliza un dispositivo denominado termostato ambiente proporcionando una señal de tipo todo-nada que determina el arranque o la parada de la caldera. Este tipo de control funciona satisfactoriamente aunque el tiempo de retardo del proceso, en función de otras características y/o elementos de la instalación, hace que las oscilaciones de la temperatura ambiente frente a la temperatura deseada puedan alcanzar valores de ±1 ℃.

Las calderas Ariston tienen en cuenta estos tiempos de retardo y disponen de una función Auto que, mediante un escalonado variable de las temperaturas de impulsión, puede corregir de manera automática estas oscilaciones hasta en un 40%.

Una variante de este sistema on/off, que puede reducir la temperatura media estacional de calefacción, consiste en la utilización de un crono-termostato con el que es posible, además de realizar el control anteriormente descrito, establecer franjas horarias (por ejemplo, día/noche) y adaptar la temperatura deseada a las distintas necesidades u horarios de utilización.

Este tipo de regulación, en función de las condiciones exteriores, tiene como principal característica la variación automática de la temperatura de impulsión en función de la temperatura externa detectada mediante una sonda exterior.

Cualquier variación en la temperatura externa provocará en el tiempo una variación proporcional de la temperatura interior o ambiente. Este fenómeno, cuya intensidad dependerá de factores ajenos a la propia instalación (coeficientes de transmisión de los elementos que conforman el cerramiento de la edificación, geometría y orientación de la misma, etc.) permite un comportamiento predictivo del sistema que reaccionará ante perturbaciones, antes incluso de que estas se produzcan, modificando la temperatura de impulsión de acuerdo a una determinada curva. La elección de la curva responderá principalmente al tipo de emisores y a la zona climática pudiendo ajustar el aislamiento de la edificación mediante el desplazamiento paralelo de la misma.

Las calderas Ariston pueden gestionar la información proporcionada por una sonda exterior escogiendo automáticamente la curva más idónea así como las temperaturas máximas y mínimas de impulsión en función del tipo de emisores utilizados. El valor medio estacional de la temperatura de impulsión se reduce de manera sensible obteniendo ahorros energéticos importantes además de un mayor confort al reducir considerablemente las sobreoscilaciones del valor de la temperatura ambiente obtenida. Además el software de la caldera permite una interacción sencilla con el usuario que hace posible la modificación de manera intuitiva de algunos de los parámetros que permiten personalizar el comportamiento del sistema.

Un ejemplo de algoritmo para implementar la variación de la temperatura de impulsión en función de la temperatura externa puede ser el siguiente: T imp (°C) = 30+k • (20-T ext) + dP

donde,

T imp = temperatura de impulsión calculada

k = pendiente de la curva

T ext = temperatura leída por la sonda externa

dP = temperatura de offset o desplazamiento paralelo

Podemos observar que, para unas condiciones constantes de pendiente y offset como las siguientes, k=1,5 y dP=10 los valores calculados para la temperatura de impulsión para una temperatura externa de 0 °C, 5 °C y 10 °C serían, respectivamente:

T imp _{T ext=0 °C} = 70 °C

T imp _{T ext=5 °C} = 62,5 °C

T imp _{T ext=10 °C} = 55 °C

Algunos sistemas permiten gestionar una sonda ambiente, esto es, un dispositivo de regulación y control que proporciona a la caldera, además de la orden de arranque o parada del servicio de calefacción, la información precisa de la temperatura ambiente de cada zona en cada momento.

Mediante un sensor resistivo de alta precisión, la sonda ambiente codifica un valor de temperatura que transmite a través de un bus de datos y permite a la lógica de funcionamiento Ariston establecer la temperatura de impulsión más idónea en función de las condiciones ambientales actuales.

El algoritmo de implementación para una termorregulación de este tipo podría ser el siguiente: T imp (°C) = T imp _min + Is • (T set – T amb) + OF

donde,

T imp (°C) = temperatura de impulsión calculada

T imp _min = temperatura de impulsión mínima

Is = influencia sonda ambiente

T set = temperatura deseada o temperatura consigna

T amb = temperatura ambiente medida por la sonda

OF = offset o factor de corrección

La respuesta en transitorio del sistema es además muy rápida dado que cualquier modificación o alteración del valor (T set - T amb) tendrá una respuesta proporcional incrementando temporalmente la temperatura de impulsión.

Para unos valores constantes de T imp _min=35, Is=10, T set=20, OF=3, los valores de la temperatura de impulsión para tres valores distintos de Tamb son los siguientes:

T imp _{T amb=15 °C} (°C) = 88 °C

T imp _{T amb=18 °C} (°C) = 58 °C

T imp _{T amb=19 °C} (°C) = 48 °C

Puede apreciarse cómo la temperatura de impulsión se reduce a medida que la temperatura ambiente se aproxima al valor de la temperatura de consigna seleccionada por el usuario.

Esta disminución de la temperatura de impulsión permite, además de obtener el máximo confort en cada instalación, reducir de forma notable la temperatura en el retorno de caldera favoreciendo el fenómeno de condensación en los modelos de caldera más eficientes con el consiguiente aumento de rendimiento y alcanzando ahorros energéticos de más del 25%.

Combinando los dos tipos de termorregulación anteriores, es decir, combinando la acción de una sonda ambiente interior y de una sonda que permita conocer las condiciones climáticas externas, se puede obtener una respuesta del sistema que proporcione las ventajas de las dos opciones individuales, anticipación y precisión.

El ahorro obtenido con este tipo de termorregulación en combinación con una caldera de condensación puede ser superior al 35% con respecto a una regulación tradicional.

La eficacia del sistema de regulación y control elegido, no dependerá únicamente del tipo de termorregulación seleccionada. Las calderas Ariston, además de gestionar de manera automática la temperatura de impulsión en función de las lecturas efectuadas por los distintos periféricos, tienen en cuenta otros factores resultantes de las características de la propia instalación como pueden ser los estados de funcionamiento anteriores del sistema e, implementando una gestión de la potencia del quemador autoadaptativa, generando una reducción del consumo de energía y manteniendo el grado de confort que proporciona cada tipo de termorregulación.