
- Suministro de agua municipal
- Fluido procedente de un depósito de agua a una fuente de calor externa (pasiva); la fuente de calor pasiva puede ser el suelo (tierra o agua subterránea), el sol o el aire mediante una bomba de calor o calefacción urbana.
- Fluido procedente de la bomba de calor o del panel solar termodinámico hacia el depósito de agua.
- Bomba, actuador, controlador y otras piezas
- Calentador de agua
- tanque de almacenamiento de agua
- Agua caliente para electrodomésticos

El calentamiento del agua es un proceso de transferencia de calor que utiliza una fuente de energía para calentar el agua por encima de su temperatura inicial. Los usos domésticos típicos del agua caliente incluyen cocinar, limpiar, bañarse y calentar espacios . En la industria, el agua caliente y el agua calentada hasta convertirla en vapor tienen múltiples aplicaciones.
En el ámbito doméstico, el agua se calienta tradicionalmente en recipientes conocidos como calentadores de agua , teteras, calderos o cacerolas . Estos recipientes metálicos que calientan agua no proporcionan un suministro continuo de agua caliente a una temperatura preestablecida. En raras ocasiones, el agua caliente se encuentra de forma natural, generalmente en manantiales termales . La temperatura varía según el consumo, disminuyendo a medida que aumenta el caudal.
Los aparatos que proporcionan un suministro continuo de agua caliente se denominan calentadores de agua , calentadores de agua , depósitos de agua caliente , calderas , intercambiadores de calor , geysers (en África meridional, el mundo árabe y el sur de Asia) o calentadores de agua . Estos nombres dependen de la región, de si calientan agua potable o no potable, de si son de uso doméstico o industrial y de su fuente de energía. En las instalaciones domésticas , el agua potable calentada para usos distintos de la calefacción también se denomina agua caliente sanitaria ( ACS ).
Los combustibles fósiles ( gas natural , gas licuado de petróleo , petróleo ) o los combustibles sólidos se utilizan comúnmente para calentar agua. Estos pueden consumirse directamente o generar electricidad que, a su vez, calienta el agua. La electricidad para calentar agua también puede provenir de cualquier otra fuente eléctrica, como la energía nuclear o las energías renovables . Las energías alternativas, como la energía solar , las bombas de calor , el reciclaje del calor residual del agua caliente y la calefacción geotérmica , también pueden calentar agua, a menudo en combinación con sistemas de respaldo alimentados por combustibles fósiles o electricidad.
En algunas zonas urbanas densamente pobladas de ciertos países, se dispone de calefacción centralizada de agua caliente. Esto ocurre especialmente en Escandinavia , Finlandia y Polonia . Los sistemas de calefacción centralizada suministran energía para calentar el agua y los espacios mediante plantas de cogeneración, como incineradoras , bombas de calor centrales, calor residual industrial, calefacción geotérmica y calefacción solar central . El calentamiento del agua del grifo se realiza en intercambiadores de calor en las instalaciones de los consumidores. Generalmente, el consumidor no dispone de un sistema de respaldo en el edificio, ya que la redundancia suele ser significativa en el lado del suministro de calefacción centralizada.
En Estados Unidos, el agua caliente sanitaria para uso doméstico se calienta generalmente con gas natural, resistencia eléctrica o bomba de calor. Los calentadores de agua con bomba de calor eléctrica son mucho más eficientes que los de resistencia eléctrica, pero también más caros. Algunas compañías eléctricas ofrecen financiación a sus clientes para compensar el mayor coste inicial de los calentadores de agua de alta eficiencia .
Tipos de aparatos para calentar agua

El agua caliente para calefacción puede calentarse mediante combustibles fósiles en una caldera, mientras que el agua potable puede calentarse en un aparato aparte. Esta es una práctica común en Estados Unidos, especialmente cuando se suele emplear calefacción por aire caliente. [ 1 ]
Calentadores de agua de almacenamiento (tipo tanque)

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.
Punto de uso (POU) frente a agua caliente centralizada
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.
Calentadores de agua instantáneos (sin tanque)
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.
cabezales de ducha eléctricos

Las duchas eléctricas o cabezales de ducha eléctricos son cabezales de ducha con calentamiento automático que utilizan un calentador de inmersión que se activa con el flujo de agua. Un conjunto de elementos calefactores eléctricos independientes se pueden conmutar para ofrecer diferentes niveles de calentamiento. Son calentadores de agua instantáneos especializados para uso puntual y se utilizan ampliamente en algunos países.
Inventada en Brasil por Francisco Canhos en la década de 1930 debido a la falta de distribución centralizada de gas y utilizada con frecuencia desde la década de 1940, la ducha eléctrica es un electrodoméstico común en países de América del Sur y Central debido a los altos costos de la distribución de gas, sumado a que la mayoría de los hogares no cuentan con calentadores de agua convencionales. Los primeros modelos se fabricaban en cobre cromado o latón, materiales costosos, pero desde 1970, las unidades fabricadas con plásticos inyectados son populares debido a sus bajos precios, similares a los de un secador de pelo .
Las duchas eléctricas tienen un sistema eléctrico sencillo, similar al de una cafetera , pero con un mayor caudal de agua. Un interruptor de flujo activa el dispositivo cuando el agua fluye a través de él. Una vez que se interrumpe el flujo de agua, el dispositivo se apaga automáticamente. Una ducha eléctrica común suele tener, aunque no siempre, tres niveles de calor: alto (5,5 kW), bajo (2,5 kW) o frío (0 W), para usar cuando se dispone de calefacción central o en épocas de calor. También existen versiones de mayor potencia (hasta 7,5 kW) y menor potencia (hasta 3,2 kW), así como versiones con 4 niveles de calor o con un nivel de calor variable.
calentadores solares de agua


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.
Calefacción geotérmica
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.
Sistema alimentado por gravedad
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 abastece 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
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 .
Los calentadores de agua residenciales de combustión fabricados en Estados Unidos desde 2003 han sido rediseñados para resistir la ignición de vapores inflamables e incorporan un interruptor de corte térmico, según la norma ANSI Z21.10.1. La primera característica busca evitar que los vapores de líquidos y gases inflamables cercanos al calentador se enciendan, previniendo así un incendio o explosión en la vivienda. La segunda característica evita el sobrecalentamiento del tanque debido a condiciones de combustión inusuales. Estos requisitos de seguridad se implementaron en respuesta a incendios causados por propietarios que almacenaban o derramaban gasolina u otros líquidos inflamables cerca de sus calentadores de agua. Dado que la mayoría de los nuevos diseños incorporan algún tipo de filtro cortallamas , es necesario supervisarlos para asegurar que no se obstruyan con pelusa o polvo, lo que reduciría el flujo de aire para la combustión. Si el filtro cortallamas se obstruye, el interruptor de corte térmico podría apagar el calentador.
Una estufa de recuperación de calor ( NZ ), calentador de recuperación de calor (NZ) o caldera de recuperación de calor (UK) es un calentador de agua secundario doméstico sencillo que utiliza el calor residual. Normalmente consiste en una tubería de agua caliente que pasa por detrás de una chimenea o estufa (en lugar de un depósito de agua caliente ) y no tiene ningún mecanismo para limitar el calentamiento. Los calentadores de recuperación de calor modernos pueden tener una tubería con un diseño más sofisticado para facilitar el intercambio de calor . Estos diseños están desapareciendo debido a las normativas gubernamentales de eficiencia energética, que no consideran que la energía utilizada para calentar el agua se utilice de forma «eficiente». [ 4 ]
Historia


Otro tipo de calentador de agua desarrollado en Europa precedió al modelo de almacenamiento. En Londres, Inglaterra, en 1868, Benjamin Waddy Maughan , un pintor, inventó el primer calentador de agua doméstico instantáneo que no utilizaba combustible sólido . Bautizado como géiser en honor a un manantial termal islandés, el invento de Maughan hacía circular agua fría por tuberías que se calentaban con gases calientes provenientes de un quemador en la parte inferior. El agua caliente fluía entonces hacia un lavabo o bañera. El invento era algo peligroso porque no tenía chimenea para evacuar los gases calientes del baño. En el Reino Unido y Sudáfrica, todavía se le llama géiser a este tipo de calentador de agua.
La invención de Maughn influyó en el trabajo del ingeniero mecánico noruego Edwin Ruud . El primer calentador de agua a gas automático con depósito fue inventado alrededor de 1889 por Ruud tras emigrar a Pittsburgh , Pensilvania (EE. UU.). La empresa Ruud Manufacturing Company, que aún existe, realizó numerosos avances en el diseño y funcionamiento de calentadores de agua con y sin depósito.
En 1917, Ida Forbes patentó su invento de un calentador de agua eléctrico, que era más seguro que los modelos anteriores de gas y leña, eliminando los riesgos de incendio y quemaduras [ 5 ] [ 6 ] .
Termodinámica y economía

En Estados Unidos, el agua suele entrar en las viviendas a unos 10 °C (50 °F) , dependiendo de la latitud y la estación del año. Para lavar platos, ropa y ducharse, lo habitual es usar agua caliente a 50 °C (122 °F) , lo que requiere que el calentador eleve la temperatura del agua unos 40 °C (72 °F) si se mezcla con agua fría en el punto de uso. El caudal de referencia para duchas, según el Código Uniforme de Fontanería, es de 9,5 litros (2,5 galones estadounidenses ) por minuto. El consumo en fregaderos y lavavajillas oscila entre 4 y 11 litros (1 y 3 galones estadounidenses ) por minuto.
El gas natural se suele medir por volumen o por contenido calorífico. Las unidades de medida comunes por volumen son el metro cúbico o el pie cúbico en condiciones estándar , o por contenido calorífico en kilovatios-hora , unidades térmicas británicas (BTU) o termia , que equivalen a 100 000 BTU. Una BTU es la energía necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit. Un galón estadounidense de agua pesa 8,3 libras (3,8 kg) . Para elevar la temperatura de 230 L (60 galones estadounidenses ) de agua de 10 °C (50 °F) a 50 °C (122 °F) con una eficiencia del 90 % se requieren 60 × 8,3 × (122 − 50) × 1,11 = 39 840 BTU . Un calentador de 46 kW (157 000 BTU/h) , como el que podría existir en un calentador instantáneo, tardaría unos 15 minutos en hacerlo. A 1 dólar por termia , el costo del gas sería de aproximadamente 40 centavos. En comparación, un calentador de agua eléctrico típico con un tanque de 230 litros (60 galones estadounidenses ) tiene una resistencia de 4,5 kW (15 000 BTU/h) , que con una eficiencia del 100 % proporciona un tiempo de calentamiento de aproximadamente 2,34 horas. A 0,16 dólares por kWh, la electricidad costaría 1,68 dólares.
La eficiencia energética de los calentadores de agua residenciales puede variar considerablemente, sobre todo según el fabricante y el modelo. Sin embargo, los calentadores eléctricos suelen ser ligeramente más eficientes (sin contar las pérdidas en la central eléctrica), con una eficiencia de recuperación (la eficiencia con la que se transfiere la energía al agua) que alcanza aproximadamente el 98 %. Los calentadores de gas tienen una eficiencia de recuperación máxima de tan solo entre el 82 % y el 94 % (el calor restante se pierde con los gases de combustión). Los factores de energía totales pueden ser tan bajos como el 80 % para los sistemas eléctricos y el 50 % para los de gas. Los calentadores de agua de gas natural y propano con un factor de energía del 62 % o superior, así como los calentadores de agua eléctricos con un factor de energía del 93 % o superior, se consideran unidades de alta eficiencia. Los calentadores de agua de gas natural y propano con certificación Energy Star (a septiembre de 2010) tienen un factor de energía del 67 % o superior, que normalmente se consigue mediante un piloto intermitente junto con una compuerta de tiro automática, ventiladores deflectores o ventilación forzada.
Los calentadores de agua eléctricos de resistencia directa con tanque no están incluidos en el programa Energy Star; sin embargo, este programa sí incluye unidades de bomba de calor eléctricas con factores de eficiencia energética del 200 % o superiores. Los calentadores de agua a gas sin tanque (a partir de 2015) deben tener un factor de eficiencia energética del 90 % o superior para obtener la certificación Energy Star. Dado que la producción de electricidad en centrales térmicas tiene niveles de eficiencia que van desde solo el 15 % hasta un poco más del 55 % ( turbina de gas de ciclo combinado ), con un valor típico de alrededor del 40 % para centrales termoeléctricas, el calentamiento de agua eléctrico por resistencia directa puede ser la opción menos eficiente energéticamente.
Sin embargo, el uso de una bomba de calor puede aumentar significativamente la eficiencia energética de los calentadores de agua eléctricos y reducir las emisiones de dióxido de carbono, especialmente si se utiliza una fuente de electricidad con bajas emisiones de carbono . El uso de calefacción urbana, que aprovecha el calor residual de la generación de electricidad y otras industrias para calentar viviendas y agua caliente, aumenta la eficiencia general, eliminando la necesidad de quemar combustibles fósiles o utilizar electricidad de alto poder calorífico para producir calor en los hogares.
Fundamentalmente, calentar agua requiere mucha energía, como se puede comprobar al esperar a que hierva un galón de agua en una estufa. Por esta razón, los calentadores de agua instantáneos sin tanque requieren una fuente de energía potente. En comparación, una toma de corriente estándar de 120 V y 15 amperios solo proporciona la energía suficiente para calentar una cantidad de agua decepcionantemente pequeña: aproximadamente 0,64 litros por minuto a una temperatura de 40 ° C .
La energía utilizada por un calentador de agua eléctrico puede reducirse hasta en un 18% mediante un control óptimo de la temperatura y la programación, basado en el conocimiento del patrón de uso. [ 7 ]
Requisitos mínimos de EE. UU.
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.
Dependiendo de cómo se genere la electricidad, la eficiencia general puede ser mucho menor. Por ejemplo, en una central eléctrica de carbón tradicional, solo entre el 30 y el 35 % de la energía del carbón se convierte en electricidad en el otro extremo del generador. [ 9 ] Las pérdidas en la red eléctrica (incluidas las pérdidas de línea y las pérdidas por transformación de voltaje) reducen aún más la eficiencia eléctrica. Según datos de la Administración de Información Energética, las pérdidas de transmisión y distribución en 2005 consumieron el 6,1 % de la generación neta. [ 9 ] En contraste, el 90 % del valor energético del gas natural se entrega al consumidor. (En ninguno de los casos se incluye la energía gastada en la exploración, el desarrollo y la extracción de recursos de carbón o gas natural en las cifras de eficiencia citadas). Los calentadores de agua instantáneos a gas deben tener un factor de energía del 82 % o superior según las normas de 2015, que corresponde a la norma Energy Star anterior a 2015.
En 2022, el Departamento de Energía propuso normas que entrarían en vigor en 2026 y que eliminarían de facto los calentadores de agua a gas no condensantes ineficientes en edificios comerciales. Los modelos no condensantes desperdician calor, mientras que los modelos condensantes capturan y utilizan la energía que de otro modo se perdería. [ 10 ] Este cambio reducirá las emisiones en 38 millones de toneladas de dióxido de carbono durante 30 años y disminuirá los costos energéticos de los edificios. [ 10 ]
Seguridad del calentador de agua
Riesgo de explosión
Los calentadores de agua pueden explotar y causar daños importantes, lesiones o incluso la muerte si no se instalan ciertos dispositivos de seguridad. Un dispositivo de seguridad llamado válvula de alivio de temperatura y presión (T&P o TPR) se instala normalmente en la parte superior del calentador para descargar el agua si la temperatura o la presión aumentan demasiado. La mayoría de los códigos de plomería exigen que se conecte una tubería de descarga a la válvula para dirigir el flujo de agua caliente descargada a un desagüe, generalmente un desagüe de piso cercano , o fuera del espacio habitable. Algunos códigos de construcción permiten que la tubería de descarga termine en el garaje. [ 11 ]
Si se instala un calentador de agua a gas o propano en un garaje o sótano, muchos códigos de plomería exigen que se eleve al menos 46 cm (18 pulgadas) por encima del piso para reducir el riesgo de incendio o explosión debido a derrames o fugas de líquidos combustibles en el garaje. Además, ciertos códigos locales exigen que los calentadores de tanque en instalaciones nuevas y de rehabilitación se fijen a una pared adyacente con una correa o anclaje para evitar que se vuelquen y rompan las tuberías de agua y gas en caso de terremoto . [ 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.
Quemaduras térmicas (escaldaduras)

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.
Contaminación bacteriana

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.
Véase también
Referencias
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Enlaces externos
- Cómo funciona: Calentador de agua de Popular Mechanics
- Calderas
- Calefacción, ventilación y aire acondicionado
- Plomería