Instalaciones y suministros domésticos
Llega el recibo de la ENEE y la familia se pregunta: ¿qué aparato gasta más, el calentador de agua o la refrigeradora? ¿Conviene cambiar la cocina de gas por una eléctrica? Con tres fórmulas sencillas, $E = P \cdot t$, $I = P/V$ y el rendimiento, usted puede responder con números y no con suposiciones.
El panel eléctrico y el breaker
Toda la electricidad de una casa entra por un panel (caja de breakers). Cada breaker (interruptor automático) protege un circuito: alumbrado, tomas de corriente, cocina, calentador. Si por el circuito pasa más corriente de la que el cable aguanta, el breaker se dispara y corta el paso. Así se evita que el cable se caliente y provoque un incendio.
Además, hay una protección contra fugas de corriente que protege a las personas (en el país se instala en baños, cocinas y exteriores).
El calentador eléctrico de agua de una vivienda es de $1,500\ \text{W}$ y funciona unas $2\ \text{h}$ al día. (a) Calcule su energía mensual ($30$ días), en…
El calentador eléctrico de agua de una vivienda es de $1,500\ \text{W}$ y funciona unas $2\ \text{h}$ al día. (a) Calcule su energía mensual ($30$ días), en $\text{kW} \times \text{h}$. (b) Calcule su costo mensual a $0{,}\text{L}\ 20$ por $\text{kW} \times \text{h}$. (c) Compruebe que el circuito de $16\ \text{A}$ del panel eléctrico es suficiente para el calentador, calculando su corriente a $230\ \text{V}$.
Energía, costo y corriente de un aparato
La potencia $P$ (en W o kW) dice cuánta energía por segundo usa un aparato. La energía consumida depende de cuánto tiempo funcione:
$$E = P \cdot t$$Con $P$ en kW y $t$ en horas, la energía sale en kWh, que es lo que cobra la ENEE en el recibo. El costo es la energía multiplicada por el precio del kWh.
Para saber si el circuito aguanta, se calcula la corriente que pide el aparato:
$$I = \frac{P}{V}$$Y se compara con el valor del breaker (en amperios): la corriente del aparato debe ser menor que la que el breaker permite.
Observe con el widget cómo cambia la corriente al variar la resistencia del aparato conectado a un voltaje fijo (ley de Ohm).
El calentador eléctrico de agua de una vivienda es de $1,500\ \text{W}$ y funciona unas $2\ \text{h}$ al día. (a) Calcule su energía mensual ($30$ días), en…
El calentador eléctrico de agua de una vivienda es de $1,500\ \text{W}$ y funciona unas $2\ \text{h}$ al día. (a) Calcule su energía mensual ($30$ días), en $\text{kW} \times \text{h}$. (b) Calcule su costo mensual a $0{,}\text{L}\ 20$ por $\text{kW} \times \text{h}$. (c) Compruebe que el circuito de $16\ \text{A}$ del panel eléctrico es suficiente para el calentador, calculando su corriente a $230\ \text{V}$.
Gas o electricidad: el rendimiento
En muchas casas se cocina con gas LPG (propano-butano) en cilindros. Para comparar con la electricidad no basta mirar el precio por kWh: hay que fijarse en la energía que de verdad llega a la olla o al agua, la energía útil.
$$\text{rendimiento} = \frac{E_{\text{útil}}}{E_{\text{comprada}}} \qquad\Rightarrow\qquad E_{\text{comprada}} = \frac{E_{\text{útil}}}{\text{rendimiento}}$$Un cilindro de gas contiene una masa de combustible, y cada kilogramo libera una cantidad de energía llamada poder calorífico (en kWh/kg). La energía del cilindro es masa por poder calorífico.
Una familia evalúa si renovar su cocina de gas butano tradicional por una placa de inducción eléctrica. Para preparar sus comidas mensuales requieren transferir a los…
Una familia evalúa si renovar su cocina de gas butano tradicional por una placa de inducción eléctrica. Para preparar sus comidas mensuales requieren transferir a los recipientes una energía calorífica útil neta de $100\ \text{kW}\times\text{h}$.\n\nDatos técnicos y económicos:\n- Cocina de gas: se alimenta con cilindros de $12.5\ \text{kg}$ de butano ($PCI = 12.8\ \text{kW}\times\text{h}/\text{kg}$). Debido a las pérdidas térmicas por convección y radiación al ambiente, el rendimiento del quemador de gas es de solo el $42\,\%$. El precio del cilindro es de $17{,}\text{L}\ 50$.\n- Placa de inducción: calienta directamente el fondo ferromagnético del recipiente, con un rendimiento energético global del $84\,\%$. El costo del $\text{kW}\times\text{h}$ eléctrico consumido es de $0{,}\text{L}\ 19$.\n\n(a) Calcule la energía primaria bruta contenida en un cilindro completo y determine cuántos cilindros al mes (o fracción de cilindro) necesita la familia con la cocina de gas.\n(b) Calcule el consumo eléctrico mensual en $\text{kW}\times\text{h}$ facturados necesario para aportar exactamente los mismos $100\ \text{kW}\times\text{h}$ útiles con la placa de inducción.\n(c) Determine el costo mensual en combustible/electricidad de ambas alternativas y justifique por qué comparar únicamente el precio por $\text{kW}\times\text{h}$ bruto del gas frente al eléctrico conduce a una conclusión errónea.\n(d) Analice qué impacto podría tener la instalación de la placa de inducción (potencia máxima habitual de $7\ \text{kW}$) sobre la potencia contratada de la vivienda y el cargo fijo de la factura.
Inversión y amortización
Un equipo más eficiente suele costar más al comprarlo, pero gasta menos cada mes. ¿Cuándo se compensa? El tiempo de amortización es el que tarda el ahorro en pagar el costo extra:
$$t_{\text{amort}} = \frac{\text{inversión extra}}{\text{ahorro por año}}$$Para comparar varias alternativas (por ejemplo, tres sistemas de calefacción o de agua caliente) se calcula, en cada una: la energía que hay que comprar (energía útil entre rendimiento), el costo anual de esa energía y la inversión inicial. Después se suma el gasto de varios años y se ve cuál sale mejor a la larga.
Una vivienda unifamiliar aislada de $150\ \text{m}^2$ ubicada en la sierra (zona climática continental con inviernos fríos) necesita sustituir su sistema integral de…
Una vivienda unifamiliar aislada de $150\ \text{m}^2$ ubicada en la sierra (zona climática continental con inviernos fríos) necesita sustituir su sistema integral de calefacción y ACS. La demanda térmica anual estimada para confort de la vivienda es de $15,000\ \text{kW}\times\text{h}$ térmicos. Se comparan tres alternativas de ingeniería:\n- Alternativa A (Propano canalizado a granel): Caldera de condensación con un rendimiento medio estacional del $91\,\%$. Costo del propano: $0{,}\text{L}\ 095/\text{kW}\times\text{h}$ de energía primaria. Inversión inicial en caldera y depósito: $\text{L}\ 3,200$.\n- Alternativa B (Biomasa - Pellets): Caldera de pellets con rendimiento estacional del $84\,\%$. Poder calorífico del pellet: $4.8\ \text{kW}\times\text{h}/\text{kg}$; precio del pellet: $0{,}\text{L}\ 34/\text{kg}$. Inversión inicial en caldera, tolva e instalación: $\text{L}\ 8,800$.\n- Alternativa C (Aerotermia con suelo radiante): Bomba de calor aire-agua con un rendimiento medio estacional ($\text{SCOP}$) de $2.75$ (afectado por las bajas temperaturas exteriores en invierno). Costo del $\text{kW}\times\text{h}$ eléctrico: $0{,}\text{L}\ 17$. Inversión inicial (equipo e integración): $\text{L}\ 11,500$.\n\n(a) Calcule el gasto económico anual en combustible o electricidad de cada una de las tres alternativas para cubrir íntegramente la demanda de $15,000\ \text{kW}\times\text{h}$ útiles.\n(b) Calcule el periodo de retorno simple de la inversión (amortización) de la aerotermia frente a la opción de propano a partir del ahorro anual en combustible.\n(c) Redacte un dictamen técnico eligiendo razonadamente una opción para una familia que habita la vivienda todo el año, sopesando no solo el costo económico y el retorno, sino también las servidumbres operativas (espacio para silo y mantenimiento de cenizas en biomasa vs fiabilidad del COP ante heladas severas en aerotermia).
Seguridad con el gas y el agua caliente
El agua entra a la casa por una llave de paso y un medidor, y se reparte en la red de agua fría y, por un calentador, en la de agua caliente. El gas LPG llega en cilindros, que deben estar en un lugar ventilado, con mangueras y reguladores en buen estado.
Resumen
Vuelva al principio: el recibo de la ENEE se explica con $E = P \cdot t$ aparato por aparato, y cambiar de cocina conviene o no según el rendimiento, el precio de la energía y la amortización de la inversión.