Calentamiento de agua

En uso doméstico y comercial, la mayoría de los calentadores de agua en Norteamérica y el sur de Asia son del tipo tanque, también llamados calentadores de agua de almacenamiento . Estos consisten en un recipiente cilíndrico que mantiene el agua caliente y lista para usar de forma continua. Los tamaños típicos para uso doméstico varían de 75 a 400 L (20 a 100 galones estadounidenses). Estos pueden usar electricidad , gas natural , propano , gasóleo de calefacción , energía solar u otras fuentes de energía. Los calentadores de gas natural son los más populares en EE. UU. y la mayoría de los países europeos, ya que el gas suele estar convenientemente distribuido por tuberías en ciudades y pueblos y actualmente es el más económico. En Estados Unidos, los calentadores de agua de gas natural típicos para hogares sin necesidades especiales tienen una capacidad de 150 a 190 L (40 a 50 galones estadounidenses ) con un quemador de 10,0 a 11,7 kilovatios (34 000 a 40 000 BTU/h) .    

Este sistema es común cuando se requieren caudales elevados durante periodos limitados. El agua se calienta en un depósito a presión capaz de soportar una presión hidrostática similar a la del suministro de la red. En ocasiones, se utiliza una válvula reductora de presión para limitarla a un nivel seguro para el depósito. En Norteamérica, estos depósitos se denominan tanques de agua caliente y pueden incorporar un calentador eléctrico de resistencia, una bomba de calor o un quemador de gas o petróleo que calienta el agua directamente.

Cuando se instalan calderas de calefacción por agua caliente sanitaria, los depósitos de agua caliente se calientan generalmente de forma indirecta mediante el agua principal de la caldera o mediante un calentador eléctrico de inmersión (a menudo como sistema de apoyo a la caldera). En el Reino Unido, estos depósitos se denominan depósitos indirectos y depósitos directos , respectivamente. Además, si estos depósitos forman parte de un sistema cerrado que proporciona agua caliente a presión de la red, se conocen como depósitos sin ventilación. En Estados Unidos, cuando están conectados a una caldera, se denominan calentadores de agua de combustión indirecta .

En comparación con los calentadores instantáneos, los calentadores de agua con depósito tienen la ventaja de consumir energía (gas o electricidad) a un ritmo relativamente lento, almacenando el calor para su uso posterior. La desventaja es que, con el tiempo, el calor se escapa a través de la pared del depósito y el agua se enfría, lo que activa el sistema de calefacción para recalentarla. Por lo tanto, invertir en un depósito con mejor aislamiento mejora esta eficiencia en modo de espera. ^{[ 2 ]} Además, cuando un uso intensivo agota el agua caliente, se produce un retraso significativo antes de que vuelva a estar disponible. Los depósitos más grandes tienden a proporcionar agua caliente con menor fluctuación de temperatura a caudales moderados.

En Estados Unidos y Nueva Zelanda, los calentadores de agua de gran capacidad suelen ser depósitos cilíndricos verticales, generalmente apoyados en el suelo, sobre una bandeja cilíndrica o sobre una plataforma ligeramente elevada. En España, suelen ser horizontales. En India, son principalmente verticales. En apartamentos, pueden instalarse en el techo, sobre el cuarto de servicio. En Australia, se han utilizado principalmente calentadores de agua de gas y eléctricos para exteriores (con altas temperaturas para aumentar la capacidad efectiva), pero los calentadores solares de techo se están poniendo de moda.

Los pequeños calentadores eléctricos de agua de punto de uso (POU, por sus siglas en inglés), con capacidades que van de 8 a 32 L (2 a 6 galones), están diseñados para instalarse en gabinetes de cocina y baño o en la pared sobre un fregadero. Generalmente utilizan elementos calefactores de baja potencia , de aproximadamente 1  kW a 1,5  kW, y pueden proporcionar agua caliente el tiempo suficiente para lavarse las manos o, si se conectan a una línea de agua caliente existente, hasta que llegue agua caliente de un calentador de agua remoto de alta capacidad. Pueden utilizarse cuando la instalación de una red de agua caliente en un edificio resulta demasiado costosa o poco práctica. Dado que mantienen la temperatura del agua mediante un termostato, solo pueden suministrar un flujo continuo de agua caliente a caudales extremadamente bajos, a diferencia de los calentadores instantáneos de alta capacidad.

En países tropicales como Singapur e India, un calentador de agua con depósito puede tener una capacidad de entre 10  y 35  litros. Los calentadores más pequeños son suficientes, ya que la temperatura ambiente y la del agua de entrada son moderadas. En las regiones más frías de India, como Cachemira, la población depende principalmente de calentadores de agua eléctricos con depósito. Generalmente, los calentadores de agua eléctricos con depósito de 50 o 75 litros se conectan a la red de agua elevada.

La decisión sobre la ubicación de los calentadores de agua puede tomarse entre calentadores de punto de uso y calentadores centralizados. Los calentadores centralizados son más tradicionales y siguen siendo una buena opción para edificios pequeños. Para edificios más grandes con un uso intermitente u ocasional de agua caliente, varios calentadores de punto de uso pueden ser una mejor opción, ya que reducen las largas esperas para que llegue el agua caliente desde un calentador remoto. La decisión sobre dónde ubicar los calentadores de agua es solo parcialmente independiente de la elección entre un calentador con tanque o sin tanque , o de la fuente de energía para la calefacción.

Los calentadores de agua instantáneos, también conocidos como de flujo continuo, en línea, de calentamiento rápido o bajo demanda, están ganando popularidad. Estos potentes calentadores calientan el agua al instante a medida que fluye a través del dispositivo y no retienen agua en su interior, salvo la que se encuentra en la serpentina del intercambiador de calor. Se prefieren los intercambiadores de calor de cobre en estas unidades debido a su alta conductividad térmica y facilidad de fabricación.

Los calentadores de agua sin tanque se pueden instalar en varios puntos de uso de una vivienda, lejos de un calentador central, o bien, se pueden utilizar modelos centralizados de mayor tamaño para cubrir todas las necesidades de agua caliente de la casa. Las principales ventajas de los calentadores de agua sin tanque son un flujo continuo y abundante de agua caliente (en comparación con el flujo limitado de agua caliente calentada continuamente que ofrecen los calentadores de agua convencionales con tanque) y un posible ahorro energético en determinadas condiciones. La principal desventaja es su coste inicial mucho mayor; un estudio realizado en Minnesota, EE. UU., reveló un periodo de amortización de entre 20 y 40 años para los calentadores de agua sin tanque. En comparación con un calentador de agua a gas natural menos eficiente, el gas natural bajo demanda costará un 30 % más a lo largo de su vida útil.

Los aparatos independientes para calentar agua rápidamente para uso doméstico se conocen en Norteamérica como calentadores de agua instantáneos o sin tanque . En algunos lugares, se les llama calentadores multipunto , geysers o ascots . En Australia y Nueva Zelanda se les llama unidades de agua caliente instantáneas . En Argentina se les llama calefones . En ese país, los calefones usan gas en lugar de electricidad, aunque también se pueden encontrar calentadores de agua instantáneos a gas en otros países. Un aparato similar que funcionaba con leña se conocía como calentador de virutas .

Una configuración común en sistemas de calefacción por agua caliente sanitaria consiste en que una caldera también caliente agua potable , proporcionando un suministro continuo de agua caliente sin necesidad de equipos adicionales. Los aparatos que pueden suministrar tanto calefacción como agua caliente sanitaria se denominan calderas combinadas . Si bien los calentadores instantáneos proporcionan un suministro continuo de agua caliente sanitaria, la velocidad a la que pueden producirla está limitada por la termodinámica del calentamiento del agua a partir de los combustibles disponibles.

Cada vez se utilizan más calentadores de agua solares . Sus colectores solares se instalan en el exterior de las viviendas, normalmente en el tejado, las paredes o cerca de ellas, y el depósito de agua caliente sanitaria suele ser un calentador de agua convencional, ya sea preexistente o nuevo, o un calentador de agua diseñado específicamente para energía solar térmica. En Chipre e Israel, el 90 % de los hogares cuentan con sistemas de calentamiento de agua solar. ^{[ 3 ]}

Los modelos solares térmicos más básicos son los de ganancia directa, en los que el agua potable se envía directamente al colector. Muchos de estos sistemas utilizan almacenamiento integrado en el colector (ICS), ya que los sistemas de ganancia directa suelen tener el almacenamiento integrado en el colector. Calentar el agua directamente es intrínsecamente más eficiente que calentarla indirectamente mediante intercambiadores de calor, pero estos sistemas ofrecen una protección muy limitada contra las heladas (si es que la tienen), pueden calentar el agua fácilmente a temperaturas peligrosas para el consumo doméstico y sufren importantes pérdidas de calor en noches frías y días fríos y nublados.

Por el contrario, los sistemas indirectos o de circuito cerrado no permiten el paso de agua potable a través de los paneles, sino que bombean un fluido caloportador (agua o una mezcla de agua y anticongelante) a través de ellos. Tras acumular calor en los paneles, el fluido caloportador fluye a través de un intercambiador de calor , transfiriéndolo al agua caliente sanitaria. Cuando la temperatura de los paneles es inferior a la del depósito de almacenamiento o cuando este ya ha alcanzado su temperatura máxima, el controlador de los sistemas de circuito cerrado detiene las bombas de circulación. En un sistema de drenaje por recirculación , el agua drena hacia un depósito de almacenamiento ubicado en un espacio climatizado o semiclimatizado, protegido de las temperaturas bajo cero. Sin embargo, en los sistemas anticongelantes, la bomba debe activarse si la temperatura de los paneles sube demasiado (para evitar la degradación del anticongelante) o baja demasiado (para evitar la congelación de la mezcla de agua y anticongelante).

Los colectores de panel plano se utilizan habitualmente en sistemas de circuito cerrado. Estos paneles, que a menudo se asemejan a claraboyas , son el tipo de colector más duradero y ofrecen el mejor rendimiento en sistemas diseñados para temperaturas dentro de los 56 °C (100 °F) de la temperatura ambiente . Los paneles planos se utilizan con frecuencia tanto en sistemas de agua pura como de anticongelante.  

Otro tipo de colector solar es el colector de tubos de vacío , diseñado para climas fríos sin granizo intenso o para aplicaciones que requieren altas temperaturas (superiores a 94 °C [201 °F] ). Instalados en un soporte, los colectores de tubos de vacío forman una hilera de tubos de vidrio, cada uno con aletas de absorción conectadas a una varilla conductora de calor central (de cobre o de condensación). El término "vacío" se refiere al vacío creado en los tubos de vidrio durante el proceso de fabricación, lo que resulta en una pérdida de calor mínima y permite que estos sistemas alcancen temperaturas extremas, muy superiores al punto de ebullición del agua.  

En países como Islandia y Nueva Zelanda , y otras regiones volcánicas, el calentamiento del agua puede realizarse mediante energía geotérmica , en lugar de por combustión.

En el Reino Unido e Irlanda, cuando se utiliza una caldera de agua para calefacción, la disposición tradicional consiste en usar el agua calentada por la caldera ( primaria ) para calentar el agua potable ( secundaria ) contenida en un depósito cilíndrico (generalmente de cobre), que se suministra desde un depósito o contenedor de agua fría, normalmente ubicado en el desván del edificio. Esto produce un suministro bastante constante de agua caliente sanitaria (ACS) a baja presión estática , pero generalmente con un buen caudal . En la mayoría de los demás países, los aparatos de calentamiento de agua no utilizan un depósito o contenedor de agua fría, sino que calientan el agua a presiones cercanas a la del suministro de agua de la red .

Otras mejoras en los calentadores de agua incluyen válvulas de retención en la entrada y salida, temporizadores de ciclo, encendido electrónico en los modelos que utilizan combustible, sistemas de admisión de aire sellados y aislamiento de tuberías. Los sistemas de admisión de aire sellados se conocen a veces como unidades de admisión tipo "band- joist ". Las unidades condensadoras de alta eficiencia pueden convertir hasta el 98 % de la energía del combustible en agua caliente. Los gases de escape de la combustión se enfrían y se ventilan mecánicamente a través del techo o de una pared exterior. Con altas eficiencias de combustión , se debe instalar un desagüe para evacuar el agua condensada de los productos de la combustión, que son principalmente dióxido de carbono y vapor de agua.

En las instalaciones de fontanería tradicionales del Reino Unido, la caldera de calefacción se utiliza para calentar un depósito de agua caliente sanitaria independiente . Estos calentadores suelen incluir un calentador eléctrico auxiliar para su uso en caso de que la caldera no funcione durante un tiempo. El calor de la caldera se transfiere al depósito del calentador mediante un intercambiador de calor, y la caldera funciona a una temperatura superior a la del agua caliente sanitaria. En Norteamérica, la mayoría de los calentadores de agua potable están completamente separados de las unidades de calefacción, debido a la popularidad de los sistemas de climatización (HVAC) y de aire forzado .

Residential combustion water heaters manufactured since 2003 in the United States have been redesigned to resist ignition of flammable vapors and incorporate a thermal cutoff switch, per ANSI Z21.10.1. The first feature attempts to prevent vapors from flammable liquids and gases in the vicinity of the heater from being ignited and thus causing a house fire or explosion. The second feature prevents tank overheating due to unusual combustion conditions. These safety requirements were made in response to homeowners storing, or spilling, gasoline or other flammable liquids near their water heaters and causing fires. Since most of the new designs incorporate some type of flame arrestor screen, they require monitoring to make sure they do not become clogged with lint or dust, reducing the availability of air for combustion. If the flame arrestor becomes clogged, the thermal cutoff may act to shut down the heater.

A wetback stove (NZ), wetback heater (NZ), or back boiler (UK), is a simple household secondary water heater using incidental heat. It typically consists of a hot water pipe running behind a fireplace or stove (rather than hot water storage), and has no facility to limit the heating. Modern wetbacks may run the pipe in a more sophisticated design to assist heat-exchange. These designs are being forced out by government efficiency regulations that do not count the energy used to heat water as 'efficiently' used.^[4]

El 16 de abril de 2015, como parte de la Ley Nacional de Conservación de Energía para Electrodomésticos (NAECA), entraron en vigor nuevos estándares mínimos de eficiencia para calentadores de agua residenciales establecidos por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . ^{[ 8 ]} Todos los nuevos calentadores de agua de tanque de almacenamiento de gas con capacidades menores a 55 galones estadounidenses (210 L; 46 galones imperiales ) vendidos en los Estados Unidos en 2015 o después deberán tener un factor de energía de al menos 60 % (para unidades de 50 galones estadounidenses, mayor para unidades más pequeñas), en aumento con respecto al estándar mínimo anterior a 2015 del factor de energía del 58 % para unidades de gas de 50 galones estadounidenses. Los calentadores de agua de tanque de almacenamiento eléctricos con capacidades menores a 55 galones estadounidenses vendidos en los Estados Unidos deberán tener un factor de energía de al menos 95 %, en aumento con respecto al estándar mínimo anterior a 2015 del 90 % para unidades eléctricas de 50 galones estadounidenses.     

Según la norma de 2015, por primera vez, los calentadores de agua de almacenamiento con capacidades de 55 galones estadounidenses o más ahora enfrentan requisitos de eficiencia más estrictos que los de 50 galones estadounidenses o menos. Según la norma anterior a 2015, un calentador de agua de almacenamiento a gas de 75 galones estadounidenses (280 L; 62 galones imperiales ) con una entrada nominal de 22 kW (75 000 BTU/h) o menos podía tener un factor de energía tan bajo como 53 %, mientras que según la norma de 2015, el factor de energía mínimo para un calentador de agua de almacenamiento a gas de 75 galones estadounidenses es ahora del 74 %, lo que solo se puede lograr utilizando tecnología de condensación. Los calentadores de agua de almacenamiento con una entrada nominal de 22 kW (75 000 BTU/h) o más no se ven afectados actualmente por estos requisitos, ya que el factor de energía no está definido para dichas unidades. Un calentador de agua eléctrico con tanque de almacenamiento de 80 galones estadounidenses (300 L; 67 galones imperiales ) podía alcanzar un factor de energía mínimo del 86 % según la norma anterior a 2015, mientras que, según la norma de 2015, el factor de energía mínimo para un calentador de agua eléctrico con tanque de almacenamiento de 80 galones es ahora del 197 %, lo cual solo es posible con tecnología de bomba de calor . Esta clasificación mide la eficiencia en el punto de uso.              

Depending on how electricity is generated, overall efficiency may be much lower. For example, in a traditional coal plant, only about 30–35% of the energy in the coal ends up as electricity on the other end of the generator.^[9] Losses on the electrical grid (including line losses and voltage transformation losses) reduce electrical efficiency further. According to data from the Energy Information Administration, transmission and distribution losses in 2005 consumed 6.1% of net generation.^[9] In contrast, 90% of natural gas's energy value is delivered to the consumer. (In neither case is the energy expended exploring, developing and extracting coal or natural gas resources included in the quoted efficiency numbers.) Gas tankless water heaters shall have an energy factor of 82% or greater under the 2015 standards, which corresponds to the pre-2015 Energy Star standard.

In 2022 the Department of Energy proposed rules that would take effect in 2026 and would effectively eliminate inefficient non-condensing gas water heaters in commercial buildings. Non-condensing models waste heat, while condensing models capture and used otherwise lost energy.^[10] The change will reduce emissions by 38 million tons of carbon dioxide over 30 years and reduce buildings' energy costs.^[10]

Water heaters potentially can explode and cause significant damage, injury, or death if certain safety devices are not installed. A safety device called a temperature and pressure relief (T&P or TPR) valve, is normally fitted on the top of the water heater to dump water if the temperature or pressure becomes too high. Most plumbing codes require that a discharge pipe be connected to the valve to direct the flow of discharged hot water to a drain, typically a nearby floor drain, or outside the living space. Some building codes allow the discharge pipe to terminate in the garage.^[11]

If a gas or propane fired water heater is installed in a garage or basement, many plumbing codes require that it be elevated at least 18 in (46 cm) above the floor to reduce the potential for fire or explosion due to spillage or leakage of combustible liquids in the garage. Furthermore, certain local codes mandate that tank-type heaters in new and retrofit installations must be secured to an adjacent wall by a strap or anchor to prevent tipping over and breaking the water and gas pipes in the event of an earthquake.^[12]

En casas antiguas donde el calentador de agua forma parte de la caldera de calefacción y las normas de fontanería lo permiten, algunos fontaneros instalan una válvula de cierre automático de gas (como la "Watts 210") además de una válvula de alivio de presión. Cuando el dispositivo detecta que la temperatura alcanza los 99 °C (210 °F) , corta el suministro de gas e impide que se siga calentando. Además, se debe instalar un tanque de expansión o una válvula de alivio de presión exterior para evitar que la acumulación de presión en las tuberías provoque la rotura de las mismas, las válvulas o el calentador de agua.  

Las quemaduras son un riesgo grave con cualquier calentador de agua. La piel humana se quema rápidamente a altas temperaturas, en menos de 5 segundos a 60 °C (140 °F) , pero mucho más lentamente a 53 °C (127 °F) ; se necesita un minuto completo para una quemadura de segundo grado . Las personas mayores y los niños suelen sufrir quemaduras graves debido a discapacidades o tiempos de reacción lentos . ^{[ 13 ]} En Estados Unidos y otros lugares, es práctica común instalar una válvula mezcladora termostática o de atemperación ^{[ 14 ]} en la salida del calentador de agua. El resultado de la mezcla automática de agua caliente y fría mediante una válvula de atemperación se denomina "agua atemperada". ^{[ 15 ]}    

Una válvula termostática mezcla suficiente agua fría con el agua caliente del calentador para mantener la temperatura del agua de salida fija en un nivel más moderado, generalmente a 50 °C (122 °F) . Sin una válvula termostática, la forma más directa de reducir el riesgo de quemaduras es disminuir la temperatura de consigna del calentador de agua. Sin embargo, por motivos de higiene, se necesita agua caliente a una temperatura que pueda causar quemaduras. Esto se puede lograr utilizando un calentador auxiliar en un electrodoméstico que requiera agua más caliente. La mayoría de los lavavajillas domésticos , por ejemplo, incluyen una resistencia eléctrica interna para elevar la temperatura del agua por encima de la que proporciona un calentador de agua doméstico.  

Dos problemas de seguridad contrapuestos afectan a la temperatura del calentador de agua: el riesgo de quemaduras por agua excesivamente caliente a más de 55 °C (131 °F) y el riesgo de incubación de colonias bacterianas, en particular Legionella , en agua que no esté lo suficientemente caliente como para eliminarlas. Ambos riesgos son potencialmente mortales y se equilibran ajustando el termostato del calentador de agua a 55 °C (131 °F) . Las Directrices europeas para el control y la prevención de la legionelosis asociada a los viajes recomiendan que el agua caliente se almacene a 60 °C (140 °F) y se distribuya de manera que se alcance una temperatura de al menos 50 °C (122 °F) y preferiblemente 55 °C (131 °F) en un minuto en los puntos de uso. ^{[ 16 ]}          

Si el lavavajillas no tiene calentador auxiliar, puede requerir una temperatura del agua entre 57 y 60 °C (135 y 140 °F) para una limpieza óptima, ^{[ 17 ]} pero se pueden usar válvulas termostáticas ajustadas a no más de 55 °C (131 °F) en los grifos para evitar quemaduras. Las temperaturas del tanque superiores a 60 °C (140 °F) pueden producir depósitos de cal , que posteriormente podrían albergar bacterias, en el tanque de agua. Las temperaturas más altas también pueden aumentar el grabado de la cristalería en el lavavajillas.      

Los termostatos de los tanques no son una guía fiable de la temperatura interna del tanque. Los tanques de agua a gas pueden no tener calibración de temperatura. Un termostato eléctrico muestra la temperatura a la altura del termostato, pero el agua en la parte inferior del tanque puede estar considerablemente más fría. Un termómetro de salida es una mejor indicación de la temperatura del agua. ^{[ 18 ]}

En la industria de las energías renovables (solar y bombas de calor, en particular), el conflicto entre el control térmico diario de la Legionella y las altas temperaturas, que pueden reducir el rendimiento del sistema, es objeto de un intenso debate. En un documento que busca una exención ecológica de las normas de seguridad habituales contra la Legionelosis, el comité técnico CEN TC 312, principal organismo europeo de energía solar térmica, afirma que se produciría una caída del 50 % en el rendimiento si los sistemas de calentamiento de agua solar se calentaran diariamente hasta la temperatura base. Sin embargo, algunos análisis con simuladores solares utilizando Polysun 5 sugieren que una penalización energética del 11 % es una cifra más probable. Sea cual sea el contexto, tanto la eficiencia energética como los requisitos de seguridad contra quemaduras apuntan hacia temperaturas del agua considerablemente más bajas que la temperatura de pasteurización de la Legionella, que ronda los 60 °C (140 °F) .  

Se ha detectado Legionella pneumophila en el punto de uso aguas abajo de calentadores de agua eléctricos montados horizontalmente con volúmenes de 150 litros. ^{[ 19 ]}

Sin embargo, la legionela se puede controlar de forma segura y sencilla con buenos protocolos de diseño e ingeniería. Por ejemplo, elevar la temperatura de los calentadores de agua una vez al día, o incluso cada pocos días, a 55 °C (131 °F) en la parte más fría durante 30 minutos, controla eficazmente la legionela. En todos los casos, y en particular en aplicaciones de alta eficiencia energética, la legionelosis suele ser consecuencia de problemas de diseño que no tienen en cuenta el impacto de la estratificación o el bajo caudal.  

También es posible controlar los riesgos de Legionella mediante el tratamiento químico del agua. Esta técnica permite mantener temperaturas más bajas en las tuberías sin el riesgo asociado de Legionella. La ventaja de las temperaturas más bajas en las tuberías es que se reduce la pérdida de calor y, por lo tanto, el consumo de energía.