Recuperación de calor: eficiencia y ahorro energético

La recuperación de calor es la transferencia de energía térmica del aire de extracción al aire de impulsión a través de un intercambiador. La eficiencia de temperatura se calcula como $\eta_T = \dfrac{t_2 - t_1}{t_{ex} - t_1}$, donde $t_1$ es la temperatura del aire exterior antes del recuperador, $t_2$ la temperatura tras el recuperador y $t_{ex}$ la del aire de extracción.

Por qué la recuperación de calor es obligatoria

En España, el RITE (IT 1.2.4.5.2) exige recuperar la energía del aire expulsado cuando el caudal que se expulsa al exterior por medios mecánicos supera 0,28 m³/s. Para la eficiencia del recuperador, el reglamento remite a los reglamentos europeos de diseño ecológico: el Reglamento (UE) 1253/2014 exige a las unidades de ventilación no residenciales de doble flujo una eficiencia térmica mínima del 73 % (68 % para los sistemas de baterías con circuito intermedio). La tabla de eficiencias mínimas en función de las horas de funcionamiento y del caudal que conserva el RITE se aplica hoy a las piscinas climatizadas. Los procedimientos de cálculo los detalla la UNE-EN 16798-3.

Tipos de recuperador

Intercambiador de placas (flujo cruzado o contracorriente)

Las dos corrientes de aire están separadas por placas metálicas o de plástico, así que no se transfiere humedad, solo calor sensible. La eficiencia de temperatura está aproximadamente entre el 50 y el 70 % en flujo cruzado y entre el 80 y el 93 % en contracorriente. Las placas son baratas, fáciles de mantener y no transmiten olores; a cambio, con el aire exterior por debajo de unos −5 °C necesitan un bypass de desescarche, y en el lado del aire de extracción se forma condensado.

Recuperador rotativo entálpico

Un rotor de material higroscópico gira (a 5–10 rpm) entre la corriente de impulsión y la de extracción, de modo que transfiere calor y humedad. La eficiencia total (entálpica) es del 75–85 %, y la transferencia de humedad reduce la necesidad de humectar en invierno. Los inconvenientes son el arrastre de olores (hasta un 5 %) y un coste mayor, aunque el desescarche es menos problemático que con placas.

Baterías con circuito intermedio (agua glicolada)

Dos baterías unidas por tuberías con un circuito de agua glicolada; las corrientes de aire nunca entran en contacto. La eficiencia es solo del 40–60 % y hace falta una bomba, pero la separación total de las corrientes conviene en aplicaciones con olores o con exigencias higiénicas.

Cálculo de la recuperación de calor

Eficiencia de temperatura (sensible)

$$\eta_T = \frac{t_2 - t_1}{t_{ex} - t_1}$$

Ejemplo (invierno en Madrid):

• $t_1 = -3{,}8$ °C: aire exterior, temperatura de proyecto de invierno de Madrid-Barajas (percentil 99,6 % de la guía técnica del IDAE Condiciones climáticas exteriores de proyecto)
• $t_{ex} = +22$ °C: aire extraído del local
• $\eta_T = 75\ \%$

$$t_2 = t_1 + \eta_T \cdot (t_{ex} - t_1) = -3{,}8 + 0{,}75 \cdot (22 - (-3{,}8)) = -3{,}8 + 19{,}35 \approx +15{,}6\ ^{\circ}\text{C}$$

El aire llega a la batería de calor a 15,6 °C en lugar de a −3,8 °C.

Potencia recuperada en condiciones de proyecto

$$\Delta P = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (t_2 - t_1) = \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot 19{,}35$$

Ejemplo: $\dot{m} = 2$ kg/s → $\Delta P = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 19{,}35 =$ 38,9 kW. Es la potencia que deja de necesitar la batería de calor el día más frío, y sirve para dimensionarla.

Ahorro energético anual

Para el ahorro anual no sirve multiplicar esa potencia de proyecto por las horas de funcionamiento: el día de proyecto es el más frío del año, y el resto de la temporada el salto de temperaturas es mucho menor. Hay que partir de la temperatura exterior media de la temporada de calefacción, $\bar{t}_1$:

$$E = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \eta_T \cdot (t_{ex} - \bar{t}_1) \cdot \tau \quad \text{[kWh]}$$

donde $\tau$ son las horas anuales de funcionamiento durante la temporada de calefacción.

Ejemplo: en Madrid-Barajas, la media de las temperaturas mensuales de noviembre a marzo es de unos 7,3 °C (misma guía del IDAE). Con $\tau = 1500$ h:

$$E = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 0{,}75 \cdot (22 - 7{,}3) \cdot 1500 \approx 33\,300\ \text{kWh} \approx \mathbf{33}\ \textbf{MWh/año}$$

La multiplicación ingenua (38,9 kW × 1500 h ≈ 58 MWh) casi duplicaría el ahorro. Y aun así el resultado es algo optimista para un edificio que solo funciona de día: la media de 7,3 °C incluye las noches, y en horario de oficina el aire exterior es más templado.

La recuperación de calor en el diagrama psicrométrico

PsychroView representa los estados del aire en el diagrama de Carrier o en el de Mollier h-x; las direcciones siguientes son las del de Carrier.

Intercambiador de placas (sin transferencia de humedad)

Aire de impulsión: un desplazamiento horizontal hacia la derecha ($W$ constante) desde el punto 1 (aire exterior) hacia la temperatura del aire de extracción.

Aire de extracción: un desplazamiento horizontal hacia la izquierda; si se enfría por debajo de su punto de rocío, aparece condensación en las aletas y la línea sigue la curva de saturación. Los dos desplazamientos se pueden comprobar a lápiz en una hoja en blanco para imprimir: con la recuperación de calor, la comprobación gráfica es la más rápida, porque una pendiente absurda salta a la vista antes que un error en una tabla.

Recuperador rotativo (con transferencia de humedad)

Aire de impulsión: un desplazamiento en diagonal hacia arriba y a la derecha: aumentan tanto $t$ como $W$, porque el rotor le cede humedad del aire de extracción.

Condensación y desescarche

En invierno, la humedad del aire de extracción condensa en las aletas frías, así que hace falta un desagüe de condensados (sifón y conexión al saneamiento).

Con temperaturas exteriores por debajo de unos −5 °C (según el estado del aire de extracción), el condensado puede congelarse en las aletas. En buena parte de España ocurre pocas horas al año, pero en la meseta norte y en zonas de montaña hay que preverlo. Soluciones:

1. Bypass del aire exterior: una parte del aire exterior rodea el intercambiador, con lo que suben las temperaturas de las aletas.
2. Precalentamiento eléctrico del aire exterior antes del recuperador.
3. Recuperador rotativo: por su propio giro es más resistente a la congelación.

Recomendaciones prácticas de elección

Aplicación	Recomendación
Vivienda unifamiliar, piso	Placas en contracorriente (η > 85 %)
Oficina, colegio, hotel	Placas o rotativo
Restaurante (olores)	Circuito intermedio o placas con separación estanca
Nave de producción grande	Rotativo (caudales altos, carga de humedad importante)
Hospital, sala limpia	Placas o circuito intermedio (sin paso entre las corrientes)

En los climas cálidos la recuperación también trabaja en verano: con el aire exterior a 35 °C y el de extracción a 25 °C, el recuperador preenfría el aire nuevo. Con un rotativo entálpico, en la costa húmeda, además lo deshumecta parcialmente.

Normas y reglamentos

• RITE, IT 1.2.4.5.2: recuperación de calor del aire de extracción (tabla 2.4.5.1 para piscinas climatizadas).
• Reglamento (UE) 1253/2014: requisitos de diseño ecológico de las unidades de ventilación.
• UNE-EN 16798-3: sistemas de ventilación y acondicionamiento de edificios no residenciales.
• UNE-EN 308: intercambiadores de calor, métodos de ensayo de las prestaciones de los recuperadores aire-aire.