Para la consecución del objetivo de descarbonización de cara a 2050, es imprescindible apoyarse en tecnologías de origen renovable para cubrir nuestras necesidades de confort térmico.

Es evidente que, en este escenario, las soluciones electrificadas (como pueden ser las bombas de calor de accionamiento eléctrico o los sistemas de tipo fotovoltaico), han de tener un papel predominante para la consecución de estos objetivos. En cualquier caso, no parece razonable ni viable querer descarbonizar nuestras instalaciones térmicas únicamente electrificándolas.
En función del tipo de instalación o uso y la zona climática considerada, puede ser necesaria la utilización de sistemas de combustión, sea de forma exclusiva o en combinación con bombas de calor.

En este marco, las soluciones hibridas con bomba de calor y caldera de condensación, tienen su lugar resultando una solución óptima en términos de instalación, ahorro energético y aseguramiento del confort. En este artículo, exploraremos en detalle esta combinación de tecnologías y su potencial para proporcionar calefacción y agua caliente sanitaria (en adelante ACS), de manera eficiente y respetuosa con el medio ambiente.

MARCO NORMATIVO DE APLICACIÓN

En los últimos años ha habido cambios normativos significativos tanto en relación con el documento que marca los estándares de eficiencia de nuestros edificios y sus instalaciones (con la modificación del CTE según RD 732/2019 y RD 450/2022), como a los requisitos de las instalaciones térmicas (con la modificación del RITE según RD 178/2021 publicado el 24 de marzo de 2021). Es el CTE el que supone un cambio más trascendente en cuanto a la dinamización de las soluciones de tipo eléctrico.

El punto clave es la sección HE0 del Documento Básico HE, que nos limita el consumo de energía primaria total y total no renovable para las diversas demandas de confort, con valores variables en función de la zona climática de invierno, así como la tipología de edificio (de uso residencial o terciario). Combinando ambos indicadores nos obliga a una aportación del 50% de origen renovable para todas las demandas en el caso de edificios residenciales (para las demandas de climatización, ACS, ventilación y control de humedad), siendo esta porcentual variable entre el 39 y el 67% para el caso de edificios terciarios (a los que también hay que sumar la demanda de iluminación en los cálculos de energía primaria).

El cumplimiento de estos dos indicadores en nueva edificación y reforma integral obliga al uso de sistemas de alta eficiencia y de origen eminentemente renovable. De forma indirecta favorece el uso de soluciones mediante bomba de calor (de tipo aerotérmico o geotérmico), dado su origen renovable y su alta eficiencia en las demandas de confort de climatización y ACS. En cualquier caso, el CTE en ningún momento prohíbe las calderas de condensación, que pueden cumplir los indicadores energéticos de la sección HE0 tanto como solución exclusiva para la instalación de calefacción y ACS (apoyándonos con solar térmica para cubrir también la sección HE4), como trabajando de forma hibrida con una bomba de calor para estas dos demandas de confort.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN SISTEMA HIBRIDO BOMBA DE CALOR – CALDERA

La hibridación de bombas de calor con calderas de condensación implica la instalación de ambos sistemas en paralelo, permitiendo que funcionen de manera conjunta y ordenada para generar calefacción y ACS.

La lógica de funcionamiento es que la bomba de calor puede cubrir la demanda de calefacción y ACS durante la mayor parte del año, aprovechando su alta eficiencia y consideración renovable (recordemos que según la Directiva 2009/28/CE, una bomba de calor de accionamiento eléctrico se considera renovable cuando tenga un COP superior a 2,5). Cuando las temperaturas exteriores son extremadamente bajas o la demanda de calor es alta, la caldera de condensación entra en funcionamiento para asegurar el suministro de calor y confort constante.

La hibridación es especialmente útil en zonas climáticas con condiciones ambientales muy variables entre invierno y verano. Las bombas de calor funcionan eficientemente con temperaturas de aire no muy bajas (ya que su potencia y rendimiento disminuyen cuanto más baja es la temperatura exterior), mientras que la caldera de condensación mantiene sus prestaciones independientemente de las condiciones exteriores (aportando también una rápida respuesta ante las variaciones de demanda térmica para calefacción y ACS dada su mayor instantaneidad en comparación con la bomba de calor).

DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA HIBRIDO BOMBA DE CALOR – CALDERA

El diseño exitoso de un sistema híbrido de bomba de calor y caldera requiere de la correcta consideración de una serie de variables:

1. Cálculo de las necesidades térmicas del edificio

Antes de plantearnos una solución de este tipo es fundamental analizar las necesidades térmicas de nuestro edificio para calefacción y ACS. Esto es especialmente recomendable en el marco de la rehabilitación (en obra nueva ya partimos de este punto), dado que es probable que se requiera de una potencia del sistema menor respecto la actualmente instalada, por las mejoras en eficiencia que hayamos hecho sobre la envolvente del edificio. El primer paso para reducir el consumo de energía es partir de una demanda lo más baja posible y correctamente calculada.

2. Diseño de la instalación y selección del punto óptimo de hibridación

Una vez tenemos clara la necesidad de potencia para las demandas térmicas de nuestro edificio, tenemos tres posibilidades para cubrir las mismas: utilizar solo calderas, instalar solo bombas de calor o bien plantear una combinación entre ambos tipos de generadores.

Si escogemos la opción combinada la pregunta clave es:
¿Qué parte de potencia cubriremos con la bomba de calor y que parte con la caldera?

Esta pregunta no tiene una respuesta única e universal, ya que el punto óptimo de hibridación dependerá de dos variables principales:

• Zona climática del edificio: En zonas más frías (con severidad de invierno C, D y E), puede resultar adecuado el utilizar hibridaciones con un porcentual de potencia mayor para la caldera (aproximadamente del orden del 40-50% respecto a la potencia total). En zonas más cálidas con menor demanda de calefacción, la parte de potencia suministrada por la caldera bajará para lograr alcanzar ese punto óptimo (hasta un 10-20%).

• Tipo de demanda térmica: Tipo de demanda térmica: No es lo mismo considerar un edificio de tipo terciario con altas demandas de ACS (como puede ser un hotel, un hospital o una instalación deportiva), que un edificio en que esta demanda es nula o residual (como puede ser un edificio de oficinas o un centro comercial). En el caso que la demanda de ACS sea relevante, podemos plantearnos una hibridación solo para esta demanda o bien plantearnos una hibridación para el total de la demanda de calor (calefacción y ACS). Lo recomendable sería plantear esta segunda opción (sobre todo en el caso de la rehabilitación de una instalación existente en la que ya existen unas calderas que pueden aprovecharse). Si optamos solo por hibridar con caldera la demanda de ACS, tendremos también ventajas con este planteamiento, ya que además de poder reducir la potencia eléctrica instalada con bomba de calor, podremos asegurar las temperaturas de trabajo de este tipo de sistemas (60 ºC en acumuladores con puntual choque térmico a 70ºC) trabajando con menor volumen de acumulación (la caldera siempre aportara una mayor instantaneidad ante consumos punta en comparación a una bomba de calor).
  En base a las variables anteriores, el punto optimo de hibridación se seleccionará para conseguir un balance entre un coste de inversión inicial y retorno de inversión lo más corto posible, una eficiencia de la instalación lo más alta posible y unos costes de explotación en cuanto a costes de energía lo más reducidos posible. No hay que olvidar tampoco en la selección, que el sistema tiene que cubrir el confort de uso en cuanto a temperaturas requeridas y demandas punta independientemente de las condiciones exteriores.

3. Correcta selección de los depósitos inercia y de ACS y buena regulación y control del sistema.

Hoy en día es habitual utilizar interacumuladores con doble serpentín o bivalentes (que permiten el calentamiento mediante dos fuentes de energía diferentes aprovechando el principio de la estratificación por temperatura).
Este tipo de depósitos son fundamentales para plantearse una instalación de generación de ACS hibrida, combinando sistemas de aerotermia con energía solar térmica o con caldera de condensación, sistemas de generación apoyados con circuitos de recuperación, etc.…

En estos interacumuladores el intercambiador inferior suele utilizarse para la fuente de origen renovable (como puede ser una bomba de calor), que si es suficiente calienta el volumen completo del acumulador. El serpentín superior suele conectarse al generador principal actuando de apoyo si es necesario. Recordemos que desde el 1 de julio de 2021, pueden hibridarse en un mismo deposito, calentamientos a partir de fuentes de energía renovable y no renovable auxiliar (según la modificación del RITE antes comentada y la IT 1.2.4.1.2.4 en su punto 3).

La estratificación es clave en el caso de los sistemas de acumulación multienergía, ya que trabajan con temperaturas de calentamiento variables en función del sistema de generación que se esté utilizando en cada momento.
La correcta estratificación permitirá aprovechar adecuadamente la energía aportada por cada sistema de calentamiento, evitando mezclas de temperatura no deseadas en el interior del depósito.

En el caso de depósitos de inercia para aplicaciones hibridas (cuando queremos hibridar en el circuito primario tanto calefacción como ACS), se suelen instalar en el interior deflectores para controlar las entradas y salidas de agua de las diversas conexiones que incorporan estos tanques, para evitar los efectos de mezcla antes comentados.

Otro aspecto importante en las instalaciones híbridas es aplicar una correcta regulación y control, para gestionar el sistema de calentamiento más adecuado en cada momento en función de diversas variables (condiciones ambientales, demanda de confort requerida, priorización del sistema renovable, etc.…). Esto suele implicar el tener mayor número de sondas en comparación de sistemas mono generador, además de estrategias de control más complejas que articulen el correcto arranque y paro de los generadores utilizados (en función de condiciones exteriores, costes de energía o condiciones de demanda térmica).

EJEMPLO DE HIBRIDACIÓN MEDIANTE SIMULACIÓN ENERGÉTICA

En este punto vamos a apoyarnos en los resultados obtenidos mediante una simulación energética de una instalación real realizada con Energy Plus, para ver qué resultados obtenemos con tres opciones para resolver la instalación de calefacción y ACS.

Para el edificio de estudio se ha considerado un hotel de 4 estrellas con 120 habitaciones ubicado en la zona climática D3 (ciudad de Madrid). Este edificio se ha modelado con Design Builder, cumpliendo todos los requisitos constructivos y de diseño que aparecen en las diversas secciones del CTE (HE1 en cuanto a medidas pasivas y H3 en cuanto requisitos energéticos para la instalación de iluminación).

Partiendo de un edificio con una demanda reducida simulada también con el software de cálculo, se han instalado los diversos elementos activos para satisfacer las demandas de confort EPB que hay que cuantificar en la sección HE0 (climatización, ACS, ventilación, control de humedad e iluminación). Los sistemas de iluminación y las UTA’s con recuperación de calor para las demandas de ventilación y control de humedad, no se han modificado para las tres simulaciones energéticas realizadas.

Lo que se ha hecho a partir de este punto, manteniendo todo lo anterior, es plantear tres formas de resolver la instalación de climatización y ACS, para ver si cumplen los indicadores energéticos en cuanto a consumos de energía primaria (tanto total como no renovable) de la sección HE0, además de para poder extraer algunas conclusiones de tipo más cualitativo.

Los tres sistemas considerados son los siguientes:

• Sistema clásico: Calefacción con 2 calderas de condensación de 120 kW, refrigeración con enfriadora y ACS con dos generadores instantáneos de condensación de 120 kW y solar térmica para cumplimiento de HE4.
• Sistema solo BC: Climatización con bomba de calor de baja temperatura de 200 kW (refrigerante R32) y ACS con dos bombas de calor de alta temperatura de 28 kW (refrigerante R290).
• Sistema hibrido: Climatización con bomba de calor de baja temperatura de 200 kW (refrigerante R32) y ACS con dos bombas de calor de alta temperatura de 28kW (refrigerante R290), hibridadas con un generador instantáneo de condensación de 70 kW. En esta simulación solo se ha considerado la hibridación para la instalación de ACS.

En las imágenes se muestran los esquemas hidráulicos para cada una de estas tres opciones:

Si simulamos energéticamente cada caso, observamos que las tres opciones cumplen los valores límite de consumo de energía primario indicados en la sección HE0 del CTE:

Lo anterior nos demuestra que, dado el carácter eminentemente prestacional del CTE, podemos utilizar el sistema de generación que más nos convenga en función de la zona climática y el tipo de instalación considerado. El CTE ni prohíbe la caldera ni defiende la bomba de calor, resultando significativo que la solución clásica es la que con más holgura cumple los indicadores. Habrá que ver cómo evoluciona esta reglamentación para introducir también en la ecuación la posible renovabilidad de combustibles como los biometanos o hidrogeno.

Dado que la tendencia en las instalaciones es tender a solucionar las mismas con generadores tipo bomba de calor, vamos a hacer una comparativa en mayor detalle de la solución solo BC y la solución hibrida con caldera (recordando que en este estudio se consideró solo la hibridación para la demanda de ACS). Ponemos el foco en el ACS dado que, en los edificios proyectados con el vigente CTE, es la demanda principal en cuanto a consumo de energia (ya que las demandas de climatización se reducen por el mejor aislamiento exigido en la sección HE1 respecto a la versión previa). En la imagen siguiente se muestra el porcentual de consumos de energía por usos EPB, observando que para el edificio estudiado supone prácticamente un 41% de la energía total:

Esta importancia energética de la demanda de ACS justifica el hacer planteamientos lo más precisos posibles para la misma, considerando también el cumplimiento del grado de confort requerido, así como los requisitos sanitarios en cuanto a prevención de la legionela, de aplicación para los edificios de tipo terciario.

En la opción solo con bomba de calor, se requieren dos unidades de 28 kW y un volumen de acumulación de 8000 litros para satisfacer la demanda de consumo punta que ocurre en la instalación (ver gráfica con distribución de consumos para esta instalación).

En este caso, planteando la instalación hibrida con un generador instantáneo de condensación de 70 kW (aporta del orden del 11% de la demanda térmica para la instalación de ACS), no puede reducirse el número de bombas de calor (para no penalizar en exceso la producción de ACS, así como la redundancia en la instalación), pero sí que puede bajarse a la mitad el volumen de acumulación del sistema (pasando de 8000 a 4000 litros de agua almacenada).

Este planteamiento hibrido, más allá de la evidente reducción de espacio en la sala de calderas, tiene asociadas unas ventajas en cuanto a consumos de energía en la instalación. Por un lado, permite reducir las perdidas térmicas en la instalación de ACS (pasando de 30,12 a 25,77 MWh), fundamentadas en las menores pérdidas estáticas en el sistema de acumulación y en la menor energía consumida para mantener el anillo de recirculación caliente (en esta opción, realizada con el sistema de combustión mientras que en la solo bomba de calor realizada mediante resistencias eléctricas de apoyo).

En la gráfica siguiente se puede observar el comportamiento de la instalación de ACS a lo largo del día con este planteamiento hibrido. La línea azul indica la temperatura dentro del sistema de acumulación, observando como desciende rápidamente en el momento de consumo punta de la mañana.

En ese momento, el generador instantáneo de apoyo entra en funcionamiento para cubrir ese pico de consumo (línea verde en el gráfico). A partir de ese momento, vemos que el sistema de bombas de calor (línea lila) va trabajando progresivamente a lo largo del día para remontar la temperatura de los tanques. El generador de apoyo solo entrará en funcionamiento para ir manteniendo caliente el anillo de recirculación.

CONCLUSIONES

Estamos en un momento en donde todas las acciones y propuestas que hagamos en nuestros edificios y en sus instalaciones, tienen que ir enfocadas a la consecución de los objetivos de descarbonización que nos hemos marcado de cara a 2050.

En este camino, las soluciones de tipo eléctrico (pensamos en bombas de calor y en módulos fotovoltaicos) han de tener un papel predominante (sobre todo en la nueva edificación tanto de tipo residencial como de tipo colectivo para el sector servicios). De hecho, tanto las diversas Directivas Europeas (Eficiencia Energética, ErP, etc.…) como Reglamentos locales (CTE, por ejemplo) favorecen de forma más o menos indirecta los planteamientos con soluciones de tipo eléctrico en las instalaciones térmicas.

No obstante, también deberíamos tener claro que resulta inviable en la actualidad el resolver todas las instalaciones solo con bombas de calor (sobre todo en el ámbito de la reposición y renovación energética de edificios existentes).
Según la zona climática donde estemos, el tipo de edificio considerado o las necesidades térmicas del mismo, sustituir una caldera obsoleta por una caldera de condensación puede ser la opción más lógica (aportando ahorros energéticos del orden del 25-30% por la mayor eficiencia de los equipos considerados).

Entendemos que la combinación de bombas de calor apoyadas con calderas de condensación es una solución interesante (sobre todo para soluciones de tipo centralizado y colectivo), que puede combinar las ventajas de ambos sistemas de generación. Siempre que haya gas en el edificio, plantear una carga base con BC y un sistema de combustión como apoyo, permite obtener una solución óptima en términos de eficiencia energética y contribución renovable, manteniendo la producción térmica independientemente de las condiciones exteriores. Además, permite reducir la potencia eléctrica necesaria en la instalación (en ocasiones puede ser un punto limitante del edificio), así como reducir a prácticamente a la mitad el volumen de acumulación en las instalaciones de ACS en comparación con soluciones solo BC.

Por otro lado, queda la incógnita de ver como es posible plantear soluciones más eficientes y descarbonizadas en las instalaciones de tipo industrial. Aquí quizás puedan tener cabida soluciones de combustión apoyadas en biocombustibles o hidrogeno (combustibles en cualquier caso que deberán buscar su encaje normativo en el futuro en cuanto a su posible consideración renovable y de huella de carbono cero), o planteamientos de tipo hibrido como los sugeridos en el presente artículo.

En conclusión, seamos hábiles e intentemos salir de discursos cerrados y algo simplistas, utilizando de forma inteligente todas las opciones técnicas que tenemos disponibles en el mercado para solventar nuestras instalaciones.
Descarbonizar, al menos de momento, entendemos que no es solo electrificar.