Adaptación de zócalos y radiadores para bombas de calor aire-agua

Publicado el 6 de mayo de 2024 por Nomer Caceres. Publicado en Noticias – 2 comentarios

Por Eric Weld, MassLandlords, Inc.

Suponga que usted es dueño de una casa de tres pisos u otra vivienda multifamiliar construida hace un siglo o más, y quiere convertir el sistema de calefacción por agua de su edificio, que funciona a base de combustible, a bombas de calor eléctricas. ¿Sería posible hacerlo sin necesidad de entrar a las unidades donde viven los inquilinos? ¿Bastaría con cambiar la caldera?

Los radiadores de acero, como el que se muestra en la imagen, son comunes en edificios de tres pisos y en viviendas multifamiliares construidas entre los siglos XIX y XX. Estos sistemas hidrónicos, conocidos por su durabilidad, siguen siendo eficaces para proporcionar calefacción, aunque en algunos casos pueden generar un exceso de calor.

Dejar atrás la calefacción a base de combustibles fósiles es fundamental. Eso ayuda a combatir el cambio climático al reducir la cantidad de carbono que llega a la atmósfera, y además permite que nuestro estado cumpla con la meta legal de tener cero emisiones de carbono para el 2050. También es muy probable que con el tiempo le haga ahorrar dinero. En muchos casos, un sistema de bomba de calor puede ser más eficiente que uno de gas, de gasoil o de propano. Esa eficiencia será cada vez más importante a medida que los precios de esos combustibles, que son finitos y contaminantes, sigan subiendo.

Ahora bien, a menos que ya haya modernizado el sistema de calefacción de su edificio, lo más seguro es que tenga un sistema hidrónico, ya sea con calefacción por zócalo o con radiadores convencionales. Tal vez incluso todavía cuente con radiadores de vapor. O quizá instaló un sistema de losa radiante hidrónica en el piso. Mejor aún: la calefacción radiante por piso tiene un costo alto de instalación, pero es el sistema hidrónico más eficiente.

Algunos edificios multifamiliares han sido adaptados con ductos y sistemas centrales de aire acondicionado y calefacción. Si ese es su caso, puede integrar bombas de calor aire-aire a su sistema de ductos. Pero esto no aplica a la mayoría de los edificios de tres pisos, que normalmente no tienen espacio suficiente en paredes o techos para instalar ductos.

Lo cierto es que convertir su sistema a electricidad ya no es una opción lejana, sino una necesidad inmediata. Entonces, si dispone de un sistema de calefacción hidrónica, ¿cuáles son las alternativas para convertirlo a bombas de calor?

Los sistemas de calefacción radiante por piso funcionan instalando una red de tuberías como capa base antes de colocar el piso. Aunque su instalación puede ser costosa, son los sistemas hidrónicos más eficientes que existen y proporcionan una calefacción de excelente calidad. Imagen: cc by-sa Wikimedia commons-Viii23dawari.

Bombas de Calor Aire-Agua

Seguramente ha leído que las bombas de calor aire-aire, con unidades interiores tipo mini-split, son la opción más popular para las conversiones a electricidad. En algunos edificios multifamiliares, los mini-splits pueden funcionar muy bien y ser la alternativa más sencilla para pasar a un sistema de bomba de calor eléctrica.

Pero un diseño aire-aire tal vez no sea práctico en su edificio. Puede que el interior de las unidades tenga demasiadas paredes y configuraciones poco comunes —rincones, ángulos cerrados, desniveles— o que existan galerías cerradas, pasillos techados, ampliaciones o anexos, y que cada uno requiera calefacción independiente. En esos casos, proveer calor con mini-splits sin ductos implicaría instalar una gran cantidad de unidades en la pared, a veces más de una por habitación. Nada práctico.

Además, seguramente usted prefiera mantener el sistema hidrónico que ya tiene, en vez de reemplazarlo por completo. La calefacción hidrónica, después de todo, ofrece ventajas frente a los sistemas basados en aire, como veremos más adelante.

Entonces, ¿existe una solución con bombas de calor que le permita aprovechar el sistema hidrónico ya instalado y, al mismo tiempo, pasarse a la electricidad?

La respuesta es sí. Aunque son opciones limitadas y con ciertas condiciones, existen alternativas. La tecnología ya está disponible: las Bombas de Calor Aire-Agua (BCAA), capaces de integrarse a su sistema hidrónico, su uso está muy difundido en otras partes del mundo y podrían convertirse en una pieza clave del mercado en Estados Unidos.

Temperatura del Agua de Suministro

Como propietario de un edificio con calefacción hidrónica, puede que esté más preparado para la conversión eléctrica de lo que pensaba. Para calentar un espacio interior, la calefacción hidrónica se considera superior al aire forzado. Es una tecnología más silenciosa, y el agua tiene aproximadamente cuatro veces más energía por masa que el aire, lo que se traduce en una mayor capacidad de calor. Y, sin importar el tipo de sistema hidrónico que tenga, el calor radiante de la calefacción por agua caliente se distribuye de manera más uniforme y se mantiene más tiempo en el espacio que los sistemas que mueven aire.

El principal desafío con las bombas de calor aire-agua ha sido la temperatura del agua de suministro distribuida a los radiadores radiantes (es decir, calefacción por zócalo, radiadores de convección o tuberías bajo piso). Durante muchos años, la mayoría de los sistemas de calefacción por agua caliente forzada fueron diseñados para temperaturas de suministro altas, alrededor de 180 grados Fahrenheit (≈ 82°C), por un par de razones. Una era generar flujo de aire convectivo. El aire caliente sube, y a partir de 180 grados se logra la corriente ascendente necesaria. Pero ese efecto no ocurre a 120 grados Fahrenheit (≈ 49°C) (o se da de manera muy limitada). Por eso, la pérdida de calor no es proporcional a la diferencia de temperatura. La pérdida adicional frente a 180 grados se debe a la ausencia de flujo de aire convectivo. (Además, en los radiadores de vapor, se necesita una temperatura alta para producir suficiente vapor).

Pero la historia de por qué los radiadores de alta potencia se mantuvieron hasta el siglo XXI es más curiosa que práctica. Fue la pandemia de influenza de 1918 y 1919 la que influyó en los diseños de sistemas de calefacción domésticos que aún perduran y que recién comienzan a cambiar. Lewis Leeds, inspector de salud del ejército y luego del Franklin Institute, determinó que las enfermedades eran causadas por aire “viciado”, es decir, no ventilado. En gran parte tenía razón. Leeds se unió a la escritora Harriet Beecher Stowe en una campaña para que los estadounidenses dejaran sus ventanas abiertas, incluso en invierno. La llamada pandemia de la gripe española impulsó la tendencia, sobre todo después de que Leeds estimara que el 40% de las muertes por gripe en Estados Unidos se debía al aire sin ventilar.

En respuesta a esa campaña, los diseñadores de radiadores y sistemas de calefacción comenzaron a fabricar radiadores de alta potencia para compensar la pérdida de calor por las ventanas abiertas. Muchos de esos sistemas aún se mantienen en edificios de ciudades del norte. Se pueden reconocer por las ventanas completamente abiertas en días de frío intenso.

Los radiadores modernos, incluyendo los zócalos calefactores, han mejorado notablemente (al igual que los sistemas de ventilación). Hoy en día, los radiadores pueden proporcionar calefacción efectiva con agua de suministro a temperaturas más bajas —tan bajas como 120 grados Fahrenheit (≈ 49°C) con asistencia de ventilador— si se dimensionan y configuran correctamente. Sin embargo, reemplazar su sistema de calefacción por zócalo con unidades nuevas podría ser extremadamente costoso y también requeriría rediseñar la habitación. Si bien los zócalos tradicionales se instalan discretamente a lo largo de las paredes exteriores, incluso detrás de los muebles, los radiadores nuevos son paneles de pared o registros. Se colocan como un mueble fijo, ocupando espacio permanentemente.

En ese caso, quizá le convenga instalar ductos nuevos y optar por aire central.

Maximizando la eficiencia

Otro aspecto importante a considerar en la conversión a bombas de calor hidrónicas es la eficiencia. Parte de esa eficiencia se logra al minimizar la diferencia entre la temperatura más alta y la más baja del sistema. Un sistema que suministra agua muy caliente, como 180 °F (≈ 82 °C), es mucho menos eficiente que uno que opere a un máximo de 120 °F (≈ 49 °C).

La Agencia de Protección Ambiental (EPA), a través de incentivos fiscales y reembolsos estatales, fomenta la compra de sistemas con mayor eficiencia. Específicamente, los créditos federales y estatales se ofrecen para sistemas con rendimiento alto. Un sistema que funcione a 180 °F (≈ 82 °C) probablemente tenga un rendimiento inferior.

Esta política resulta demasiado estricta si el objetivo es reducir emisiones. Los propietarios de edificios multifamiliares podrían disminuir considerablemente las emisiones de sus inmuebles si existieran incentivos con reembolsos y créditos incluso por debajo del nivel de máximo rendimiento. Incluso un sistema con rendimiento moderado sería el doble de eficiente que la calefacción eléctrica por resistencia.

Más allá de los créditos, algunos propietarios solo buscan la opción más sencilla y rentable para convertir a bomba de calor, que además pueda suministrar temperaturas de agua adecuadas para integrarse con el sistema ya instalado en el edificio. Las opciones son limitadas, pero aquí presentamos un par.

MassLandlords presentó a sus miembros la Daikin Altherma 3, una bomba de calor capaz de generar altas temperaturas para sistemas de calefacción por zócalo. Imagen de computadora y escritorio cortesía de Keith Kasaija, bajo licencia Unsplash.

Dos opciones de marcas de bombas de calor aire-agua

Actualmente, dos marcas producen bombas de calor aire-agua de alta temperatura para el mercado estadounidense.

Arctic Heat Pumps, una empresa canadiense, es un líder en la fabricación de bombas de calor aire-agua para climas fríos. Su Bomba de Calor de Extrema Alta Temperatura emplea un ciclo de compresión de dos etapas dentro de una estructura mono-bloque para suministrar agua caliente a cualquier sistema hidrónico, incluso en climas exteriores bajo cero. Además, puede reemplazar una caldera de gas, aceite o propano.

Una advertencia sobre este modelo: utiliza refrigerante R-410A, un hidrofluorocarbono con un potencial de calentamiento global relativamente alto. Por ello, el R-410A está en proceso de eliminación gradual para ciertos usos en EE. UU., aunque todavía se permite su uso en sistemas residenciales de calefacción, ventilación y aire acondicionado.

No obstante, incluso considerando una futura eliminación del R-410A, “la conversión a un nuevo refrigerante no representa problema” con los productos de Arctic, señala John Ruhnke, representante de la compañía en Connecticut y Massachusetts. La unidad mono-bloque, autónoma, permite cambiar fácilmente el componente de la bomba de calor cuando se use un refrigerante diferente y más respetuoso con el medio ambiente. Arctic está gestionando la aprobación del R-290 en EE. UU., un refrigerante de propano ampliamente usado en Europa, China e India para refrigeración comercial. Aunque el R-290 es más inflamable (similar al gas metano), su impacto ambiental es mínimo comparado con el R-410A.

Daikin es otra marca popular que ofrece un modelo de alta temperatura para uso residencial. Su producto puede suministrar agua hasta 80 °C (176 °F), adecuada para calefacción por zócalo.

Daikin promociona su modelo Altherma como una opción efectiva para remodelaciones en edificios multifamiliares. El representante de Daikin, Dan Smith, coordinó el año pasado una instalación piloto financiada por la empresa para un propietario multifamiliar de MassLandlords. Se eligió un edificio de seis unidades en Newburyport, donde se reemplazó una sola caldera que abastecía a todas las viviendas. Aunque el proyecto piloto incluyó calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria, el modelo Altherma también es apto para aplicaciones solo de calefacción.

Como la mayoría de los fabricantes de bombas de calor, excepto Arctic, los productos de Daikin en EE. UU. utilizan refrigerante R-32. Este tiene un impacto ambiental menor (675) y no está previsto que se elimine gradualmente. (El R-32 es más inflamable que el R-410A, pero se considera seguro para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado cuando se instala correctamente.)

Otros fabricantes, como Nordic, Sanden y SpacePak, ofrecen sistemas residenciales que podrían integrarse con instalaciones hidrónicas. Sin embargo, si se busca no intervenir en unidades de alquiler, estos sistemas no serían adecuados, ya que probablemente requerirían modificaciones en tuberías y componentes para funcionar con temperaturas de agua de suministro más bajas que las que su sistema actual maneja.

Consideraciones sobre el enfriamiento

Una de las razones por las que las configuraciones de bombas de calor mini-split son tan populares en residencias de EE. UU. es su capacidad de proporcionar también enfriamiento. Los mini-splits están diseñados para hacer circular refrigerante capaz de extraer calor del aire en un amplio rango de temperaturas, tanto externas como internas. Esto les permite transferir calor del exterior hacia el interior de la vivienda, o extraerlo del aire interior y expulsarlo afuera, enfriando el espacio.

Sin embargo, una gran limitación de usar bombas de calor diseñadas para frío en modo de enfriamiento es el problema de ciclos cortos. Estas bombas se dimensionan para entregar los BTU (Unidad Térmica Británica) necesarios durante los días más fríos. Pero si se usan en reversa en una noche calurosa de verano, estarán sobredimensionadas. Enfriarán el espacio más rápido de lo que la humedad puede condensarse, lo que puede causar alta humedad interior, riesgo de moho y posibles incumplimientos de normas sanitarias.

Por esa razón, para calefacción y enfriamiento combinados, las bombas de calor aire-aire no son una solución completamente adecuada.

Enfriamiento con bombas de calor aire-agua

Las bombas de calor aire-agua pueden proporcionar tanto calefacción como enfriamiento, dependiendo del sistema hidrónico que tenga instalado.

Un radiador de vapor no puede enfriar un espacio, ya que el vapor que genera calor no puede extraer el calor del ambiente.

Los zócalos de agua caliente sí pueden adaptarse para enfriar, aunque suele ser un trabajo costoso, ya que requiere instalar nuevas tuberías aisladas para evitar condensación. Teóricamente, un radiador convertido o los zócalos de agua caliente podrían enfriar un espacio haciendo circular agua fría por ellos. La integración con una bomba de calor facilita este enfoque, al contar con un sistema de circulación y un intercambiador de calor externo que expulsa el aire cálido del interior hacia el exterior.

Debe tener especial cuidado: si el agua que circula baja del punto de rocío en algún tramo, ya sea dentro de las paredes o en la unidad, se producirá condensación y con ella riesgo de moho. Por eso, este método requiere remodelación y tuberías aisladas para poder enfriar con agua.

Antes de invertir en adaptar los zócalos para enfriamiento, conviene comparar el costo con el de instalar algunas unidades mini-split usadas únicamente para enfriar. Los mini-splits pueden ser muy eficaces como enfriadores de espacios cuando se usan solo para eso, y casi siempre resultan la opción más económica.

Conversión a bombas de calor en Europa

Los propietarios estadounidenses con sistemas hidrónicos están más alineados con los europeos que aquellos que dependen de calefacción por aire forzado. Europa ha confiado durante mucho tiempo más en calefacción y enfriamiento a base de agua que Estados Unidos. Por su parte, en la década de 1960, los estadounidenses se entusiasmaron con el aire central, considerándolo la forma más práctica de calentar y enfriar los espacios interiores.

Por esta razón, hoy las viviendas europeas disfrutan de una ventaja significativa al momento de convertir sus sistemas a bombas de calor eléctricas en comparación con las estadounidenses. Esta ventaja también se explica por políticas que desincentivaron el uso de calderas de combustibles fósiles, incentivando a los consumidores a optar por bombas de calor.

Noruega, por ejemplo, implementó este tipo de políticas en la década de 1970 durante la crisis del petróleo y las mantuvo incluso después de que la crisis pasara. Como resultado, este país escandinavo ahora cuenta con un porcentaje de hogares calefaccionados con bombas de calor – casi dos tercios – superior al de cualquier otro país.

Europa y Estados Unidos también difieren en sus preferencias de refrigerantes. Mientras que el R-410A ha sido el estándar en refrigeración doméstica estadounidense (aunque esto cambiará, ya que se prohibirá para usos comerciales y otros), el estándar europeo para gran parte de la climatización residencial es R-1234yf (con un impacto ambiental menor a 1) y R-1234ze para aplicaciones de temperatura media. Europa prohibirá el uso de R-410A en equipos nuevos de aire acondicionado estacionario a partir del 1 de enero de 2025, mientras que Estados Unidos aún no ha anunciado una prohibición similar.

El plan de conversión a bomba de calor más rentable

La pregunta clave al considerar la conversión de calefacción con combustibles fósiles a bombas de calor eléctricas es: ¿cuál es el plan más rentable a corto y largo plazo?

Para muchos, la respuesta debería ser bombas de calor aire-agua conectadas a un sistema hidrónico existente, ya sea radiadores, zócalos de agua caliente o redes de calefacción radiante por piso.

Con los nuevos productos que han llegado al mercado en los últimos años y que están diseñados para sistemas hidrónicos estadounidenses, este tipo de sistema ofrece una solución viable para los miles de propietarios de edificios multifamiliares que se preguntan cómo convertir sus alquileres a electricidad.

Existen numerosas opciones y escenarios para actualizar sistemas antiguos y pasar de combustibles fósiles a calefacción y enfriamiento eléctricos. Las decisiones sobre cómo hacer la conversión dependerán de las preferencias, los costos, la disponibilidad de equipos y las particularidades de sus unidades y espacios. También será necesario que se realicen cambios en las políticas para reconocer que sistemas con un rendimiento equivalente a un COP de 2 son aceptables y deberían incentivarse en los edificios donde el uso de bombas de calor aire-aire no sea viable.

Bombas de calor aire-agua en funcionamiento: experiencias y consejos

Arctic Heat Pumps está vendiendo sus productos por millones, dice Ruhnke, y asegura que las bombas de calor aire-agua de la compañía son aptas para adaptaciones y se pueden ajustar a una variedad de sistemas.

Dos de sus clientes recientes confirman la eficacia de estos sistemas en combinación con calefacción radiante por piso.

Eric Krueger instaló un sistema de Arctic Heat Pump en una construcción nueva en New Marlboro. Su sistema calefacciona su vivienda de 2,100 pies cuadrados (≈195 m²) con 60,000 BTU, un tamaño típico para un sistema de casa completa. “Intento mantener mi sistema simple”, comenta Krueger, quien instaló dos bombas de calor para cubrir varias zonas. El único detalle que menciona: su sistema circula glicol, o anticongelante, como parte de la mezcla de refrigerante, para protegerlo de congelamientos o de la sobre-viscosidad en días muy fríos. El sistema monitorea electrónicamente el nivel de glicol.

“Solo me preocupa un poco”, dice, si se corta la electricidad y el sistema no logra suministrar suficiente glicol, lo que podría provocar una caída abrupta de presión y el apagado del sistema.

Para lograr una conversión exitosa a un sistema hidrónico con bomba de calor, Krueger también advierte: asegúrese de que el edificio esté bien cerrado, con suficiente aislamiento, ventanas y sellado.

Es igualmente vital dimensionar correctamente el sistema de bombas de calor según el espacio y las especificaciones del sistema hidrónico, señala Jim Frisbee, quien recientemente instaló un sistema aire-agua de Arctic para calefacción radiante por piso en el garaje de dos pisos de su casa en Rockland. “Si este sistema funciona bien”, comenta, considerará adaptar su casa de 1840, que actualmente se calienta con una caldera de petróleo.

Ambos sistemas fueron construcciones nuevas. Nos interesa especialmente conocer la experiencia de propietarios de alquileres, sobre todo en edificios antiguos, que hayan adaptado un sistema hidrónico con bombas de calor. Si tiene experiencia con bombas de calor aire-agua, queremos escucharla. Envíenos un correo a hello@masslandlords.net.