EFICIENCIA DE CALEFACTORES A GAS DE TIRO BALANCEADO: MEDICIÓN E IMPACTO EN USUARIOS RESIDENCIALES

Luis Juanicó

Luis Juanicó. Ingeniero Nuclear y Doctor en Ingeniería Nuclear, Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo, Argentina. Investigador, Conicet, y Profesor, Instituto Balseiro, Argentina. Dirección: Centro Atómico Bariloche, (8400) Bariloche, Río Negro, Argentina. e-mail: juanico@cab.cnea.gov.ar

RESUMEN

Se estudió experimentalmente el rendimiento térmico del calefactor hogareño a gas más utilizado en la Argentina, observando eficiencias del 40% al 60%, que pueden considerarse de regulares a pobres. Se identificaron las características de diseño que originan este pobre desempeño y se discute la norma vigente, que sobrestima la eficiencia. Se discute como la tarifa de gas fuertemente subsidiada en Argentina ha permitido la generalización de este tipo de calefactor y se calcula el impacto económico derivado de su uso, respecto de un sistema convencional de mayor eficiencia, en el contexto de precios internacionales.

THERMAL EFFICIENCY OF BALANCED-FLUX GAS SPACE HEATERS: MEASUREMENT ANDECONOMIC IMPACT ON RESIDENTIAL USERS

SUMMARY

The performance of the most common gas space heater used in residences in Argentina was experimentally investigated. Thermal efficiencies for indoor heating in the range of 40% to 60% were found, that can be qualified between poor and regular. The main design characteristics leading to the poor performance were identified. The present Argentinean standard for household gas heaters was discussed, showing that it overestimates the actual efficiency of these appliances. The role of traditionally low gas tariffs in the developing of these heaters in Argentina was discussed, as their disadvantage within an international scenario with non-subsidies tariffs.

EFICIÊNCIA DE AQUECEDORES A GÁS DE FLUXO BALANCEADO: MEDIÇÃO E IMPACTO EM USUÁRIOS RESIDENCIAIS

RESUMO

Estudou-se experimentalmente o rendimento térmico do aquecedor residencial a gás mais utilizado na Argentina, observando eficiências de 40% a 60%, que podem considerar-se de regulares a pobres. Identificaram-se as características de desenho que originam este pobre desempenho e se discute a norma vigente, que subestima a eficiência. Discute-se como a tarifa de gás fortemente subsidiada na Argentina tem permitido a generalização deste tipo de aquecedor e se calcula o impacto econômico derivado de seu uso, em relação a um sistema convencional de maior eficiência, no contexto de preços internacionais.

PALABRAS CLAVE / Calefactores / Eficiencia Térmica / Uso Eficiente de Energía /

Recibido: 02/04/2007. Modificado: 17/10/2007. Aceptado: 19/10/2007.

Introducción

Son conocidos en el mundo gran variedad de sistemas para calefacción de hogares. El patrón climático y nivel de confort, junto a la calidad térmica de las edificaciones y estufas, establecen el nivel de energía demandada. Las técnicas de conservación de energía pueden reducir muy apreciablemente este nivel (Wall, 2006), pero el estudio de los sistemas de calefacción hogareños continua siendo un tema abierto. Recientemente investigadores del Laboratorio Nacional de Berkeley estudiaron las mejoras en eficiencia de todos los sistemas usados en EEUU (Lutz et al., 2006), entre otros, mejoras mediante las cuales se alcanzaron eficiencias del 90%.

Se ha investigado el uso del gas natural en hogares de la ciudad argentina de Bariloche (González, 2007), de temperatura media anual de 8ºC y 3600 grados-día (Eto, 1988), similar a Estocolmo, Suecia. Sin embargo, comparado con los hogares nórdicos, el consumo de energía para calefacción es en Argentina tres veces mayor. Esta figura se explica habitualmente por la mala calidad térmica de la envuelta, pero como se demuestra, la pobre eficiencia de los calefactores empleados en Argentina tiene otra causa importante, la cual es usualmente soslayada.

En este trabajo se caracterizó experimentalmente el desempeño térmico de un calefactor a gas de tiro balanceado, tipo utilizado en el 85% de los hogares conectados a la red de gas natural (60% del país). Estas estufas se componen de un largo y angosto quemador de gas encerrado en una cámara de combustión metálica estanca, conectada al exterior por dos chimeneas por las que aspira el aire y expulsa los gases calientes (Figura 1). Por no consumir oxígeno en la vivienda, este calefactor puede instalarse en ambientes cerrados sin ventilación, tales como dormitorios. Esta característica, junto a su bajo costo (USD 200 cada unidad de 3000 a 6000kcal/h) y sencilla instalación, han generalizado su uso en el contexto histórico de tarifas residenciales de gas natural fuertemente subsidiadas de la Argentina, (de 1 a 2 USD/MBTU) de 5 a 30 veces menor que los valores internacionales (IEA, 2006). Esta conjunción de bajas tarifas y vasta red de suministro de gas natural, vuelve a éste el combustible mayoritario en hogares argentinos, por medio de calefactores de tiro balanceado suministrados por muchas fábricas nacionales, varias de las cuales exportan a otros países de Latinoamérica. Dado que las tarifas de gas en algunos de estos países siguen valores internacionales, estos equipos pueden convertirse entonces en una opción poco económica.

La norma argentina (Enargas, 1972) para determinación de la eficiencia, sobreestima a esta última. Por otra parte, ninguno de los fabricantes declara la eficiencia de sus calefactores, caracterizados únicamente por la potencia total de gas que consumen a llama máxima. Siendo que los usuarios no pueden llegar entonces a una elección balanceada, tampoco se sienten impulsados a ello por la bajísima tarifa local del gas, lo cual ha realimentado el círculo vicioso fabricantes-tarifas-usuarios establecido en Argentina.

Aparato Experimental

Se estudió un calefactor de tiro balanceado comercial marca Emege (www.emege.com.ar) con un quemador de 3000kcal/h (3,48kW), uno de los modelos más vendidos en plaza. Para obtener su eficiencia en condiciones de operación nominales el calefactor fue instalado siguiendo las instrucciones del fabricante y se midieron las temperaturas en ambos flujos de gases en chimeneas (de aire y gases de combustión), así como los caudales de aire y gas natural en la cámara de combustión. La temperatura de gases calientes se adquirió con un termopar tipo K Omega colocado dentro de la chimenea y provisto con pantalla térmica y aletas conductoras de aluminio. El caudal de gas se midió en condiciones estacionarias con un integrador volumétrico comercial calibrado Elster-AMCO modelo BK-G1.6 con error ±0,5%, y el de aire se determinó con error ±5% a partir de un anemómetro de hilo caliente Airflow modelo TA-2 colocado en la chimenea de admisión. Ambos caudales sumados permiten calcular por balance de masa el caudal de gases calientes expulsados al exterior, cuya entalpía encierra el término de potencia no aprovechada y, de allí, inferir la eficiencia térmica del equipo, definida como el cociente entre la potencia térmica útil transferida al ambiente interior y la potencia total suministrada en la combustión del gas, calculada a partir del caudal de gas.

La potencia total suministrada es calculada como el producto del caudal másico de gas y su calor inferior de combustión completa (conocido a partir de la composición del gas empleado, natural o GLP). Siendo que la potencia térmica útil no se puede medir en forma directa, se infiere del balance de energía, substrayendo de la potencia total entregada, la fracción desaprovechada en los gases vertidos por chimenea, calculando su entalpía como el producto de la capacidad calorífica y caudal másico de gases, y del salto de temperatura entre los gases calientes y el aire frío de admisión.

Cabe acotar que la norma argentina NAG 315 (Enargas, 1972) especifica que la temperatura de los gases calientes se calcula como un promedio de 5 mediciones sobre la boca de salida de la chimenea (no en su interior), incluyendo una por debajo de ésta. En este punto inferior habitualmente se observan temperaturas 200ºC menores que en los restantes 4, por su proximidad a la toma de aire frío, motivo por el cual este método subestima la potencia desperdiciada y, por ende, sobrestima la eficiencia real del equipo.

Resultados

Se midieron sobre la cámara de combustión temperaturas de hasta 600ºC en llama máxima, que permitirían calefaccionar apreciablemente el ambiente por radiación infrarroja. Sin embargo, por termometría infrarroja se obtuvo una emisividad promedio muy pobre (0,18) que minimiza el impacto de este medio de transferencia de calor. La pintura de aluminio de color claro escogida por el fabricante causa este comportamiento, el cual tampoco es favorecido por los diseños de gabinete (muy cerrados) que priman en los modelos más modernos.

La Tabla I muestra los resultados obtenidos para dos configuraciones de chimenea utilizadas: cortas horizontales cuando el equipo se instala sobre una pared exterior, o verticales largas (5m de altura) con salida por el techo para un ambiente interior. La cuarta columna representa el flujo de aire en chimenea relativo al mínimo necesario para producir la combustión completa del gas natural, dada por la relación estequiométrica gas-aire. Nótese que en todos los casos el tiraje de gases se establece con un gran exceso de aire, originándose así importantes pérdidas de eficiencia, ya que refrigera la llama. La incertidumbre total en la determinación es del ±5%.

Consecuencias en el Uso de la Energía en Viviendas

Las eficiencias reales medidas pueden considerarse de regulares a pobres, comparados con los sistemas de calefacción dominantes en países desarrollados, motivo por el cual este tipo de equipos están muy poco difundidos en ellos. Es significativo el hecho de que la norma Europea EN 613 (ES, 2000) exige una eficiencia >65% para estos equipos, mientras que en la Argentina la exigencia es >70%; sin embargo, un gran fabricante argentino (Juanicó, 2007) ha tenido que mejorar sus equipos para poder introducirlos en el mercado europeo, lo cual ilustra la afirmación que la norma local sobreestima la eficiencia real.

Estudios en la zona de Bariloche (González, 2007) demuestran un consumo anual promedio para calefacción de gas natural 4200Nm³ (3000kg) de gas natural en viviendas unifamiliares equipadas con este calefactor, siendo casi tres veces superior al de viviendas de buena calidad térmica en una zona de clima similar como Suecia (Carlsson-Kanyama et al., 2005) u Holanda (Reinders et al., 2003). Sin embargo, la diferencia respecto de la eficiencia de los calefactores utilizados, siendo ésta >80% en países OECD, puede contribuir, como se indicó arriba, a explicar esta Figura en un 50%. Por el contrario, en Argentina los usuarios fuera de la red de gas, en su mayoría rurales, deben pagar tarifas 15 veces mayores por el GLP, por lo tanto recurren al uso de leña, contribuyendo a la desertificación en vastas zonas del país.

Claramente, las políticas tradicionales implementadas que privilegian los usuarios de centros urbanos no contribuyen a promover un uso más eficiente de la energía, ni a reducir su impacto sobre el medioambiente. Siendo que estos equipos son exportados desde Argentina hacia otros países latinoamericanos, que siguen tarifas del gas (natural o GLP) internacionales (Brasil, México, Chile y Uruguay, entre otros), la elección de este tipo de calefactores puede ser incluso muy mala desde el punto de vista económico. Para un consumo tipo Bariloche necesitaríamos unos 4000kg de GLP por año, que representan (a razón de USD 1,5/kg) USD 6000 anuales. Si se considera una eficiencia promedio de 50% en estos calefactores, contra 80% de un sistema de caldera y radiadores de agua, el ahorro en un solo año (de USD 2250) amortizaría la inversión mayor requerida (USD @2,000).

Conclusiones

El rendimiento térmico del sistema de calefacción a gas mas empleado en la Argentina muestra eficiencias de 40-60%. Al identificar sus causas, este resultado podría ser extrapolado a otros modelos similares, instalados en su conjunto en el 85% de los hogares conectados a la red de gas. La normativa vigente en Argentina para determinar la eficiencia de estos equipos, sobreestima a la misma, en concordancia con mediciones internacionales de estos equipos.

Las tarifas residenciales del gas natural, históricamente fuertemente subsidiadas en Argentina, han justificado el desarrollo de una industria nacional fabricante de calefactores de baja eficiencia y costo. Sin embargo, se demuestra que la ecuación económica puede ser opuesta en muchos países latinoamericanos, que siguen tarifas internacionales del gas natural o GLP.

REFERENCIAS

1. Carlsson-Kanyama A, Engström R, Kok R (2005) Indirect and direct requirements of city households in Sweden. J. Indust. Ecol. 9: 221-235.        [ Links ]

2. Enargas (1972) Norma NAG 315. Ente Nacional Regulador del Gas www.enargas.gov.ar        [ Links ]

3. ES (2000) European Standard EN 613:2000. Independent Gas-fired convection heaters. http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:32003D0189:EN:NOT        [ Links ]

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6. IEA (2006) Key World Energy Statistics. International Energy Agency. Viena, Austria. www.iea.org        [ Links ]

7. Juanicó L (2007) Comunicación escrita con fabricante Orbis. www.orbis.com.ar        [ Links ]

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10. Wall M (2006) Energy-efficient terrace houses in Sweden. Simulations and measurements. Energy and Buildings 38: 627-634.        [ Links ]