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Calefacción urbana: qué es y cómo funciona

La calefacción urbana es un sistema de transporte del calor a distancia destinado al calentamiento, enfriamiento y producción de agua caliente sanitaria

La calefacción urbana representa una solución innovadora y en constante evolución para el calentamiento de edificios que tiene como objetivo la protección del medio ambiente a través de la producción centralizada de energía térmica proveniente también de fuentes renovables.

Este enfoque reduce los impactos ambientales y promueve la eficiencia energética a gran escala. Se trata de un sistema de transporte a distancia del calor que puede ser utilizado para el calentamiento, el enfriamiento y la producción de agua caliente sanitaria.

Cuando se evalúa la oportunidad de adoptar la calefacción urbana, es esencial considerar algunos aspectos técnicos de la instalación antes de proceder con la conexión. En una fase preliminar, es importante tener en cuenta que la calefacción urbana se puede utilizar en cualquier tipo de edificio, nuevos o existentes, ya sea con sistemas centralizados o autónomos, incluso integrados con otras fuentes renovables térmicas, como por ejemplo la solar térmica.

Un elemento fundamental, por ejemplo, es el intercambiador de calor, que facilita el intercambio de energía térmica entre dos fluidos: el primero es el agua caliente producida por la caldera centralizada, mientras que el segundo es el líquido utilizado en el sistema de calefacción doméstica. Las dimensiones de este dispositivo se determinan en función de la potencia térmica requerida.

Calefacción urbana: ¿qué es?

Con el término calefacción urbana (o calefacción a distancia) se hace referencia a una tecnología que permite transportar el calor desde el lugar de producción hasta el de uso.

Se trata de un sistema simple, menos contaminante, económico y seguro para climatizar los edificios, especialmente residenciales, que puede ser utilizado para el calentamiento, el enfriamiento y la producción de agua caliente sanitaria.

¿Cómo se compone una instalación de calefacción urbana?

Una instalación de calefacción urbana está compuesta principalmente por tres elementos:

  • central térmica encargada de la producción de calor, generalmente en cogeneración con la energía eléctrica;
  • red de transporte de ida, que transporta el calor hasta el consumidor final;
  • sistema de tuberías de retorno, que devuelve el fluido frío a la central.

Calefacción urbana: ¿cómo funciona?

Cuando se habla de calefacción a distancia, se entiende de inmediato que el calor no se genera en el mismo lugar donde se utiliza.

De hecho, se produce en una o más centrales térmicas y desde allí, a través de una red de distribución, se envía a las conexiones de los usuarios. Estas centrales producen agua caliente o sobrecalentada, generalmente a temperaturas de 90° y 120°C.

En el funcionamiento de la calefacción urbana se encuentran las centrales de cogeneración donde se produce calor que posteriormente se introduce en la red de distribución y, desde allí, a las unidades habitacionales individuales.

Para comprender las potencialidades de la calefacción urbana es necesario profundizar en su funcionamiento que puede ser esquematizado de la siguiente manera:

  • en las centrales de cogeneración se produce y distribuye un líquido, generalmente agua, a una temperatura de 80°C-90°C o a 120°C-130°C cuando está sobrecalentada. El calor puede ser producido a través de centrales de caldera (de combustible fósil, biomasa o de termovalorización de RSU), sistemas de bomba de calor (que aprovechan la energía geotérmica, por ejemplo) o solar térmica;
  • el líquido es transportado a través de una red de tuberías (red de distribución primaria) hasta los edificios conectados al sistema de calefacción urbana;
  • una vez llega a su destino, el líquido cede el calor al sistema de la vivienda que puede aprovecharlo para calentar los espacios y el agua doméstica;
  • el líquido portador de calor, enfriado por haber cedido el calor a las viviendas, vuelve a la central para ser devuelto a la máxima temperatura y reiniciar el ciclo.

Fuentes de calor de la central de calefacción urbana

Existen diversas fuentes de calor utilizadas en los sistemas de calefacción urbana:

  • bombas de calor agua-agua: este sistema transfiere el calor presente en el agua subterránea al agua utilizada en la calefacción urbana mediante el uso de energía eléctrica;
  • cogeneración: se trata de la producción combinada de energía eléctrica y térmica a partir de una sola fuente energética a través de la combustión;
  • termovalorización de residuos sólidos urbanos: esta tecnología convierte el calor generado por la combustión de los residuos sólidos urbanos en energía térmica;
  • recuperación de calor de procesos industriales: consiste en utilizar el calor residual a baja temperatura producido por los procesos industriales;
  • fuente geotérmica: aprovecha el calor proveniente del subsuelo a diferentes temperaturas (baja, media y alta);
  • fuentes renovables: entre ellas se encuentran la solar térmica, la biomasa, el biogás producido por vertederos o residuos y otras fuentes similares.

Red de distribución del calor

El sistema de distribución del calor puede ser:

  • directo: un único circuito hidráulico conecta la central de producción con las unidades terminales, es decir, los cuerpos calefactores (radiadores, paneles radiantes, etc.) del usuario;
  • indirecto: existen dos circuitos separados, en contacto entre sí a través de un intercambiador de calor ubicado cerca del usuario.

Configuraciones de las redes de calefacción urbana

Según la disposición de las tuberías y la forma que adquiere la red, podemos distinguir 3 tipos de redes:

  • ramificada: compuesta por una tubería principal de la cual se ramifican líneas secundarias adicionales que transportan directamente el fluido a las conexiones;
  • en anillo: el fluido calentado se envía desde la central, llega al usuario y luego vuelve a la central. Esta configuración permite la alimentación de la red en ambas direcciones, haciéndola un sistema flexible y fácilmente ampliable para acoger más conexiones en el futuro;
  • en malla: formada por tuberías que crean una serie de circuitos cerrados interconectados. Se trata de la configuración ideal en términos de regulación y distribución del calor, pero conlleva costes de instalación más altos que los otros dos tipos.

¿Cómo se diseña una red de calefacción urbana?

El diseño de una red de calefacción urbana requiere una serie de fases bien definidas:

  • identificación del área;
  • análisis de los usuarios y estimación de la demanda térmica de calefacción urbana;
  • dimensionamiento del cogenerador;
  • selección del sitio para la central de producción;
  • trazado y dimensionamiento de la red;
  • elección del tipo de instalación;
  • simulación del funcionamiento;
  • balance energético y ambiental;
  • análisis económico.
Diseño de Calefacción urbana

Diseño de Calefacción urbana

Identificación del área

Las características que el área destinada a la calefacción urbana debe tener para que el proyecto sea exitoso son:

  • buena densidad de edificios, con edificios de varios pisos con un volumen superior a 2-3.000 m3;
  • presencia de sistemas de calefacción centralizados.

Las áreas de nueva construcción o de renovación urbana son en sí mismas óptimas para la implementación de una red de calefacción urbana. Durante la urbanización de nuevas áreas, la instalación de tuberías se facilita y el proceso de conexión es menos incierto, ya que la adquisición de usuarios puede definirse de manera agregada con las empresas constructoras.

Análisis de usuarios

Una vez identificada el área, se procede a la recopilación de datos sobre los edificios:

  • edad, tipo de construcción, volumen y uso (residencial, comercial, etc.);
  • número de sistemas de calefacción existentes, clasificados por tipo (centralizado o autónomo) y combustible utilizado;
  • consumo de combustible durante al menos los tres años anteriores;
  • condiciones de propiedad.

Luego, se realiza la estimación de la demanda térmica en el área, que puede realizarse de dos maneras:

  • inferida a partir de datos de consumo de combustible;
  • reconstruida en base a las características del edificio (relación entre superficie de dispersión/volumen, área de superficies acristaladas, tipo de aislamiento, etc.), tipo de uso y condiciones climáticas del lugar (grados-día), estándares normativos (clase energética del edificio).

Los usuarios especiales, como hospitales, grandes edificios públicos, centros deportivos, centros comerciales o industrias que requieren calor de proceso, necesitan un estudio específico más detallado.

En este punto, se procede a la estimación de la penetración de la calefacción urbana, dividiendo la demanda térmica según las siguientes características de los usuarios:

  • condición de propiedad (privada o pública);
  • edad de los sistemas existentes;
  • tipo de sistema;
  • combustible utilizado.

Dimensionamiento del cogenerador

El dimensionamiento del cogenerador en un sistema de calefacción urbana es una fase delicada, ya que implica una serie de consideraciones técnicas, económicas y financieras, incluida la venta de electricidad en las mejores condiciones.

Un aspecto importante es la estrategia a adoptar para el funcionamiento, que tiene en cuenta las variaciones de la carga térmica y las tarifas establecidas por la Autoridad de Energía Eléctrica según el momento del día y de la semana.

Un método efectivo para determinar las dimensiones óptimas del cogenerador es elaborar un diagrama que ilustre la potencia térmica requerida por el sistema a lo largo del año, en relación con el número de horas durante las cuales dicha potencia es necesaria, organizando los datos de mayor a menor.

En situaciones más comunes, se puede simplificar la construcción del diagrama asumiendo hipótesis básicas sobre las variaciones diarias y semanales, centrándose en un valor medio de potencia para cada mes. El tamaño del cogenerador se puede definir para garantizar un número suficiente de horas rentables de funcionamiento del sistema, generalmente al menos 4000 horas al año.

Selección del sitio para la central de producción

El primer paso en la elección del sitio es la verificación de la viabilidad de conexión a centrales ya existentes, es decir, la posibilidad de recuperar calor de industrias, incineradoras o centrales eléctricas. La elección del sitio para la central de producción debe cumplir con los siguientes objetivos:

  • minimizar el impacto ambiental (emisiones, ruido) para los residentes;
  • minimizar la longitud promedio del recorrido del calor transportado a través del fluido térmico desde la central hasta los usuarios (preferentemente situando la unidad de control en el punto más céntrico de la zona considerada);
  • minimizar los costos de suministro de energía (especialmente en el caso de fuentes como biomasa y geotermia).

Ruta y dimensionamiento de la red

La estructura de la red se puede dividir en:

  • red primaria: el tronco principal, colocado en el suelo público bajo la calzada;
  • red secundaria: las conexiones directas a los usuarios individuales y los tramos que atraviesan propiedades privadas.

Las diferentes formas de adquisición de usuarios, identificadas durante la fase de evaluación de la demanda térmica para la calefacción urbana, influyen en la extensión de la red secundaria (por ejemplo, ofrecer facilidades para las conexiones puede promover el crecimiento de la red secundaria).

El cálculo correcto de las dimensiones de la red primaria (diámetro de las tuberías) es de vital importancia, ya que afecta significativamente el coste total del sistema.

El dimensionamiento de la red depende de varios parámetros, como:

  • potencia térmica derivada de la evaluación de las cargas térmicas existentes y las previsiones de expansión futura;
  • diferencia de temperatura entre el fluido térmico de entrada y salida (que puede ser agua caliente, agua sobrecalentada, vapor o líquidos diatérmicos).

Selección del tipo de instalación

Antes de definir la configuración del sistema, es necesario tomar una decisión preliminar sobre la fuente de energía a utilizar. Una vez establecida la fuente, existen numerosas tecnologías disponibles para las centrales. La opción más comúnmente utilizada actualmente es la cogeneración a gas.

Los factores que influyen en la elección son:

  • tamaño del sistema de calefacción urbana;
  • nivel de temperatura requerido en la distribución de calor;
  • importancia económica atribuida a la venta de electricidad.

Simulación del funcionamiento

Una vez definidos todos los parámetros necesarios, se procede a la simulación del funcionamiento del sistema propuesto. La simulación del funcionamiento durante un año típico genera los siguientes resultados:

  • consumo de combustible;
  • producción de electricidad;
  • electricidad vendida a la red;
  • producción de calor (de cogeneración e integración);
  • calor suministrado a los usuarios;
  • emisiones.

Balance energético y ambiental

El objetivo del balance energético y ambiental es cuantificar el ahorro energético y las emisiones reducidas gracias a la implementación del sistema de calefacción urbana en comparación con la producción descentralizada tradicional.

Aunque a veces puede resultar complicado evaluar estos datos de manera precisa, el primer paso consiste en analizar los sistemas convencionales que el sistema de calefacción urbana reemplazará, tanto en términos de consumo de combustibles como de emisiones generadas. Posteriormente, se comparan estos resultados con los derivados de la simulación del funcionamiento del sistema de calefacción urbana.

Análisis económico

El análisis económico es la fase de verificación decisiva para la efectiva realización del proyecto. Los principales costes de un proyecto de calefacción urbana son:

  • red de distribución;
  • central de producción;
  • combustible;
  • mantenimiento y gestión de la central;
  • mantenimiento y gestión de la red de transmisión de calor.

Calefacción urbana: pros y contras

La implementación de la calefacción urbana ofrece varias ventajas. En particular:

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