Contadores de energía térmica, una medida eficaz para el ahorro energético

Javier Gascón
Director de Metrología
CONTAZARA, S.A.

Resumen

Los contadores de energía térmica ayudan al cumplimiento de la Directiva 2012/27/UE con el objetivo de mejorar la eficiencia energética de los sistemas de calefacción a través de exactos contadores inteligentes de energía individuales. Estos dispositivos suministran información en línea para la toma de decisiones que ahorre al menos el 20 % del consumo de energía y de esta forma reducir las emisiones de CO₂ para 2020.

Palabras Clave: Contadores de energía térmica, eficiencia energética, consumo de energía

Abstract

The thermal energy meters help to fulfil the Directive 2012/27/EU with the aim of improving the energy efficiency of the heating systems by means of accurate individual smart energy metering. These devices provide on line information for taking decisions in order to save at least 20 % the consumption of energy and therefore the reduction of CO₂ emissions by 2020.

Keywords: Thermal energy meters, energy efficiency, energy consumption

1. Introducción

El Real Decreto 736/2020, de 4 de agosto, por el que se regula la contabilización de consumos individuales en instalaciones térmicas de edificios, termina de transponer la Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética. Una de las obligaciones descritas es instalar contadores individuales que midan consumo de energía térmica, en cada vivienda de los edificios que tenga instalaciones de calefacción y climatización comunes.

Los contadores de energía térmica son los instrumentos más eficaces para determinar el consumo individual de calefacción y refrigeración. Se trata de un instrumento que mide la energía utilizada para climatizar una vivienda que tiene un circuito de intercambio térmico, siendo un líquido transmisor el que cede o absorbe dicha energía térmica.

En muchos edificios antiguos provistos de instalación común de calefacción, no es técnicamente viable la instalación de contadores de energía térmica para la contabilización de consumos individuales. En este caso, pueden instalarse repartidores de costes de calefacción.

Los edificios construidos con anterioridad a la aprobación del Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) en el Real Decreto 1751/1998, no tenían la obligatoriedad de disponer de instalaciones de calefacción diseñadas “en anillo”, y solían disponer de instalaciones de calefacción diseñadas “en columnas”. El diseño “en anillo” consiste en una distribución del líquido transmisor de energía individualizada, o sea, una acometida para cada vivienda. En el caso del diseño “en columnas”, la distribución es por montantes verticales, por ejemplo, una acometida para todos los radiadores de las habitaciones del sur de todas las plantas del edificio, una acometida para todos los radiadores de las habitaciones del norte de todas las plantas del edificio, etc. La instalación del contador de energía térmica es técnicamente viable si la distribución es “en anillo”. Los contadores de energía térmica son instrumentos de medida sometidos a regulación europea de armonización y por ello, sujetos al control metrológico del Estado descrito en el Real Decreto 244/2016.

2. Funcionamiento

El contador de energía térmica se compone de tres subconjuntos diferenciados, que son:

• Sensor de caudal.
• Pareja de sensores de temperatura.
• Calculador.

Si estos tres subconjuntos no son separables, forman un contador de energía térmica completo. Si estos tres subconjuntos son separables, forman un contador de energía térmica combinado.

2.1. Sensor de caudal

El sensor de caudal es un caudalímetro que contabiliza la cantidad de líquido transmisor de energía térmica. Normalmente, el líquido transmisor de energía térmica es agua, por lo que el caudalímetro es un contador de agua con tecnologías de medición iguales a las que encontramos en instrumentos para la medición de otros volúmenes de agua consumidos en las viviendas. Estas tecnologías de medición se basan principalmente en la determinación de la velocidad del líquido dentro el conducto del instrumento, por ejemplo, mediante el tiempo de transito de ultrasonidos.

La velocidad de transmisión de una onda mecánica (ultrasónica) en un líquido depende de la velocidad del propio líquido, siendo aumentada cuando la onda va en el mismo sentido y siendo frenada en caso contrario.

En el esquema de la figura 1, el tiempo que tardará una onda generada por el emisor en llegar al receptor es:

En la expresión (1) anterior, “c” es la velocidad del sonido en el líquido. Por otro lado, si invertimos los papeles de emisor y receptor, el tiempo sería:

En un contador de ultrasonidos por tiempo de tránsito, se dispone de una pareja de emisores-receptores que emiten sus ondas al mismo tiempo. El sistema mide la diferencia de tiempo entre la recepción de una y otra, deduciendo de ahí la velocidad del líquido, como se ha representado en la figura 1.

A partir de esa diferencia de tiempos se deduce el caudal, y finalmente una integración en el tiempo nos da el volumen medido.

También hay algunos sensores de caudal que determinan la velocidad del líquido transmisor de energía térmica mediante el giro de una turbina dentro del conducto del instrumento.

Consisten en una turbina que se mueve al incidir sobre ella el líquido en movimiento; la velocidad de giro de la turbina está relacionada de forma más o menos lineal con el caudal circulante.

2.2. Pareja de sensores de temperatura

La pareja de sensores de temperatura mide la temperatura del líquido transmisor de energía térmica, uno de ellos la temperatura del líquido en la entrada del circuito de intercambio y el otro en la salida.

Normalmente se utilizan sensores de temperatura del tipo RTD (resistance temperature detector) o detector de temperatura resistivo, cuyo principio de medida se basa en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Esta variación de la resistencia es más o menos lineal en el rango de temperatura que puede estar el líquido transmisor en una instalación térmica de un edificio. Se puede expresar con el siguiente polinomio:

donde,

R₀        es la resistencia a la temperatura de referencia T₀;
∆T        es la desviación de temperatura respecto a T₀ (∆T = T – T₀);
α          el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 °C.

El conductor del RTD suele ser el platino, con un valor de resistencia a 0 ºC de 100 Ω (Pt100), o de 500 Ω (Pt500), o de 1000 Ω (Pt1000,) …

Los sensores de temperatura son calibrados a tres temperaturas y emparejados de acuerdo con un procedimiento matemático especial para mantener la tolerancia de la diferencia de temperatura, teniendo en cuente que el límite inferior para la diferencia de temperatura es 3 K.

2.3. Calculador

El calculador es el dispositivo que recibe los datos del sensor de caudal y de la pareja de sensores de temperatura, procesa la información recibida, calcula la energía transmitida y muestra el valor.

La energía térmica transmitida a un cuerpo, o desde un cuerpo, puede determinarse conociendo su masa, capacidad térmica específica y variación de temperatura.

Esta relación de variación de entalpía entre la entrada y la salida de un circuito de intercambio de energía (calor) se integra con respecto al tiempo por el calculador del contador de energía térmica, y la ecuación manejada (4) es:

donde,

Q         es la cantidad de calor cedido o absorbido;
V          es el volumen de líquido que circula;
k          denominado coeficiente de calor, es una función de las propiedades del líquido transmisor de energía en las temperaturas y presiones correspondientes [ k (p, θ_i ,θ_o) ];
ΔΘ       es la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida del circuito de intercambio de energía (calor).

Normalmente, el líquido transmisor de energía en las instalaciones térmicas de edificios es agua, y para calcular k utilizaremos la ecuación (5):

donde,

v          es el volumen específico;
h_i         es la entalpía especifica en la entrada del circuito;
h_o         es la entalpía especifica en la salida del circuito.

Estas magnitudes pueden calcularse de acuerdo con lo establecido en el documento de la Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y del Vapor IAPWS-IF 97.

El calculador muestra la cantidad de energía térmica transmitida en las unidades del sistema internacional (SI), que son julios (J), vatios hora (W h), o en múltiplos decimales de estas.

3. Evaluación de conformidad

El Real Decreto 244/2016, de 3 de junio, por el que se desarrolla la Ley 32/2014, de 22 de diciembre, de Metrología, transpone la Directiva 2014/32/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 26 de febrero de 2014, sobre la armonización de las legislaciones de los Estados miembros en materia de comercialización de instrumentos de medida (refundición).

El anexo XI de este Real Decreto regula el control metrológico del Estado de los contadores de energía térmica, concretamente la fase de comercialización y puesta en servicio.

Los módulos de evaluación de conformidad que los fabricantes de contadores de energía térmica pueden elegir son:

• Módulo B, examen de tipo, más Módulo F, conformidad con el tipo basada en la verificación del producto.
• Módulo B, examen de tipo, más Módulo D, conformidad con el tipo basada en el aseguramiento de la calidad del proceso de producción.
• Módulo H1, conformidad basada en el pleno aseguramiento de la calidad más el examen del diseño.

Este anexo XI también define los requisitos esenciales que los contadores de energía térmica deben cumplir, así como los ensayos a llevar a cabo en la evaluación de conformidad. Podrán aplicarse los procedimientos de ensayos para la evaluación de conformidad descritos en las normas armonizadas y en las recomendaciones internacionales OIML en vigor, EN 1434 y OIML R75 respectivamente.

La norma armonizada publicada en el Diario Oficial de la Unión Europea que da presunción de conformidad con los requisitos esenciales descritos en el Real Decreto es la norma EN 1434:2007 partes 1, 2, 4 y 5.

3.1. Características metrológicas

Los errores máximos permitidos, positivos o negativos, de los contadores de energía térmica con respecto al valor convencional verdadero de la energía térmica, se representan como errores relativos, variando como una función de la diferencia de temperatura y el caudal.

El error relativo, E, se expresa como:

donde,

\( v_{i}\)        es el valor indicado;
\( v_{c}\)        es el valor convencionalmente verdadero.

• Error máximo permitido del calculador, E_c:

donde,

\(E_{c}\)         es el error del valor de la energía indicada con respecto al valor convencionalmente verdadero.

• Error máximo permitido de la pareja de sensores, E_t:

donde,

E_t         es el error del valor indicado por la pareja de sensores de temperatura con respecto al valor convencionalmente verdadero de la diferencia de temperatura.

• Error máximo permitido del sensor de caudal, E_f:

donde,

\(E_{f}\)         es el error del valor indicado por el sensor de caudal con respecto al valor convencionalmente verdadero del volumen de líquido transmisor de energía térmica;
\(x\)         es el valor numérico en función de la clase de exactitud del sensor de caudal.
Valor numérico para la clase de exactitud 1 = 0,01
Valor numérico para la clase de exactitud 2 = 0,02
Valor numérico para la clase de exactitud 3 = 0,05

3.2. Condiciones de funcionamiento

El fabricante de los contadores de energía térmica debe especificar las condiciones de funcionamiento del instrumento. En el mercado hay diferentes contadores con múltiples configuraciones, y a continuación se describe uno de ellos para calefacción como ejemplo:

• Condiciones de funcionamiento con respecto a la temperatura del líquido transmisor de energía:
  • θ_max = 95 ºC, que es el límite superior del rango de temperatura del líquido transmisor de energía térmica.
  • θ_min = 0,1 ºC, que es el límite inferior del rango de temperatura del líquido transmisor de energía térmica.
  • ΔΘ_max = 90 K, que es el límite superior de la diferencia de temperatura del líquido transmisor de energía térmica entre la entrada del circuito de intercambio y la salida.
  • ΔΘ_min = 3 K, que es el límite inferior de la diferencia de temperatura del líquido transmisor de energía térmica entre la entrada del circuito de intercambio y la salida.
• Condiciones de funcionamiento con respecto al caudal y presión del líquido transmisor de energía:
  • q_s = 3 m³/h, caudal de sobrecarga, que es el límite de caudal más alto al que puede funcionar el contador de energía térmica sin que se excedan los errores máximos permitidos.
  • q_p = 1,5 m³/h, caudal permanente, que es el caudal más alto al que el contador de energía térmica debe funcionar de forma continua sin que se excedan los errores máximos permitidos.
  • q_i = 0,015 m³/h, caudal inferior, que es el límite de caudal más bajo por encima del cual el contador de energía térmica debe funcionar sin que se excedan los errores máximos permitidos.
  • PS = 16 bar, que es la presión interna máxima positiva que puede soportar permanentemente el contador de energía térmica en el límite superior del rango de temperatura.
  • P_min = 0,3 bar, es la presión más baja permitida para evitar el deterioro de funcionamiento metrológico del contador de energía térmica.
  • PN = 16, que es un número redondeado útil a efectos de referencia, de tal modo que para instrumentos del mismo tamaño con el mismo valor de PN deben tener dimensiones de acoplamiento compatibles.
  • ΔP = 0,63 bar, que es la pérdida de presión del líquido transmisor de energía cuando circula a través del sensor de caudal al caudal permanente, q_p, a una temperatura de 50 ºC.
• El sensor de caudal no debe verse afectado por las perturbaciones del caudal producidas por un generador de tipo torbellino en el sentido de giro de las agujas del reloj,
• Condiciones de funcionamiento del contador de energía térmica en entorno climático con clase medioambiental A para uso doméstico e instalaciones interiores:
  • Rango de temperatura ambiente: + 5 ºC a + 55 ºC.
  • Rango de humedad relativa: < 93 %.
  • Condiciones de funcionamiento del contador de energía térmica en entorno electromagnético E1, residencial, comercial e industria ligera:
  • Transitorios rápidos en los cables de interconexión o comunicación: 1 kV.
  • Transitorios de onda de choque en los cables de interconexión o comunicación: 0,5 kV.
  • Campo electromagnético entre 26 MHz y 1 000 MHz, nivel 3 V/m.
  • Campo electromagnético especifico de equipos de radio digitales entre 800 MHz y 960 MHz, y entre 1 850 MHz y 2 700 MHz, nivel 10 V/m.
  • Campo electromagnético a la frecuencia de red: 60 A/m
  • Descargas electroestáticas en el aire con tensión de 8 kV, y en contactos de 4 kV.
  • Campo magnético estático con una intensidad de 100 kA/m.
• Condiciones de funcionamiento del contador de energía térmica en entorno mecánico M1
• Con vibraciones insignificantes y/o choques transmitidos por operaciones de arranque o actividades de percusión, portazo, etc.

3.3. Ensayos de aprobación de modelo

Con el fin de comprobar que las condiciones de funcionamiento descritas cumplen lo declarado, la norma armonizada EN 1434-2, detalla los ensayos a realizar, que son:

• Ensayos de funcionamiento: Determinación de los errores de indicación del contador de energía térmica en caudales y temperaturas establecidos del líquido transmisor de energía térmica.
• Calor seco: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador tras la exposición a calor seco ambiental.
• Frio: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador tras la exposición a frio ambiental.
• Desviaciones estáticas de la tensión de alimentación: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador durante la variación de la tensión nominal de alimentación.
• Ensayo de durabilidad: Determinación de la vida útil del contador de energía térmica mediante ensayos de envejecimiento acelerado. Aplicando en el ensayo básico la vida útil se establece en 5 años, y aplicando el ensayo adicional, se aumenta la vida útil, escalable en función del número de horas de ensayo.
• Calor húmedo: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador antes y después de las fases de la exposición a calor húmedo cíclico ambiental.
• Reducción de corta duración de la tensión de alimentación: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador antes y después de la reducción.
• Transitorios eléctricos: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador antes y después de la exposición.
• Campo electromagnético: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador durante la exposición.
• Campo electromagnético producido por equipos de radio digitales: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador durante la exposición.
• Descarga electroestática: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador antes y después de la exposición.
• Campo magnético estático: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador durante la exposición.
• Campo electromagnético a frecuencia de red: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal y del calculador durante la exposición.
• Presión interna: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal antes y después de la exposición.
• Pérdida de presión: Determinación de la pérdida de presión en el caudal permanente q_p.
• Emisión electromagnética: Cumplimiento de los requisitos de la norma EN 55022.
• Perturbaciones de flujo: Determinación de los errores de indicación del sensor de caudal con un generador de remolino instalado en la entrada del fluido.
• Impacto mecánico / vibraciones: Exposición a magnitudes de influencia mecánica establecidas de la norma armonizada.

3.4. Verificación inicial

La verificación inicial previa a la puesta en servicio de los contadores de energía térmica se realizar con los mismos criterios que los ensayos de aprobación de modelo. Se verifican por separado los tres subconjuntos, que para el contador de calefacción del ejemplo será como se describe a continuación.

3.4.1. Sensor de caudal

Se determina el error de indicación en los siguientes caudales con el líquido transmisor de calor a (50 ± 5) ºC, para comprobar que no superan los errores máximos permitidos:

3.4.2. Pareja de sensores de temperatura

Se determina los valores de resistencia de la pareja de sensores de temperatura en los siguientes rangos de temperatura;

Se determina la resistencia de aislamiento de los sensores, midiendo la resistencia entre cada terminal y la envolvente, aplicando entre 10 V y 100 V, debiendo ser inferior a 100 MΩ.

3.4.3. Calculador

Se determina el error de indicación de la energía térmica calculada en, al menos, los siguientes rangos de diferencia de temperatura:

La señal del caudal requerido puede ser simulada, sin sobrepasar el valor máximo, o sea, la correspondiente al caudal de sobrecarga. Del mismo modo, esta verificación se puede realizar con resistencia calibradas de valores equivalentes a los dados por la pareja de sensores de temperatura en cada punto requerido.

4. Conclusión.

Los contadores de energía térmica son equipos de metrología legal muy precisos, de complejo ajuste metrológico y que antes de su puesta en servicio, requieren de un completo proceso de evaluación de la conformidad que asegura la medición de la energía térmica aportada a una vivienda o instalación concreta.