Ejercicios: Consumo sostenible y ahorro

La etiqueta energética de los electrodomésticos los clasifica con letras de la A a la G. Explica qué información da esa etiqueta y por qué un aparato de clase A puede salir más barato que uno de clase G aunque cueste más al comprarlo.

Propón tres acciones sencillas para ahorrar energía en una casa (iluminación, climatización, uso de electrodomésticos...) y explica para cada una por qué ahorra y qué magnitud se reduce (potencia, tiempo de uso, pérdidas...).

Explica qué es el consumo en espera o «standby» de los aparatos, por qué se le llama a veces «consumo fantasma» y describe dos formas prácticas de eliminarlo en casa sin renunciar a usar los aparatos.

La factura de electricidad no cobra «vatios» sino «$\text{kW} \times \text{h}$». Explica con un ejemplo la diferencia entre la potencia de un aparato y la energía que gasta (un microondas de $800\ \text{W}$ usado 15 minutos frente a una luz de $10\ \text{W}$ encendida todo el día).

Los aparatos que producen calor son los que más consumen. Nombra tres «tragones» típicos de una casa (horno, calefacción eléctrica, calentador de agua, secadora) y explica por qué las resistencias eléctricas consumen tanta energía.

Muchos electrodomésticos tienen un programa «eco». Explica qué suele cambiar ese programa (menos temperatura, más tiempo, menos agua) y por qué ahorra energía aunque tarde más en terminar.

Un aparato en espera (standby) consume entre $1\ \text{W}$ y $5\ \text{W}$ sin hacer nada útil. Explica cómo es posible que consuma estando «apagado» (fuente enchufada, luces indicadoras, espera de la señal del control remoto) y cómo se elimina ese gasto por completo.

El aislamiento es la primera medida de ahorro en climatización. Explica qué es aislar una vivienda y nombra dos puntos por donde se escapa más calor en invierno (ventanas y cajas de persiana, tejado, paredes exteriores), con una medida sencilla para cada uno.

Una bombilla incandescente de $60\ \text{W}$ se sustituye por una LED de $9\ \text{W}$ que da la misma luz, con un uso de $5\ \text{h}$ al día durante $30$ días. (a) Calcula la energía mensual que consume cada una, en $\text{kW} \times \text{h}$ ($E = P \times t$). (b) Calcula el ahorro mensual en dólares si el precio es de $\$0.20$ por $\text{kW} \times \text{h}$. (c) Comenta por qué el ahorro de las LED es tan grande si apenas se nota diferencia en la iluminación.

La figura compara el consumo eléctrico mensual de varios aparatos de una vivienda, como se muestra en la figura.

(a) Lee del gráfico el consumo mensual de cada aparato. (b) Calcula cuánta energía consume el refrigerador en un año completo. (c) El refrigerador consume mucho aunque su potencia sea modesta, mientras que el horno es muy potente pero consume menos al mes: explica esta aparente contradicción y razona en qué dos aparatos conviene centrar los esfuerzos de ahorro.

Propón una pequeña «auditoría» del consumo fantasma de tu casa: cómo localizarías los aparatos que más consumen en espera (observación, medidor de enchufe, medidor de electricidad), qué aparatos sospechas que encabezarían la lista y qué medidas concretas aplicarías después de medir.

Un calentador de agua eléctrico de $1500\ \text{W}$ funciona $3\ \text{h}$ al día. (a) Calcula su consumo mensual en $\text{kW} \times \text{h}$ (30 días). (b) Calcula su costo mensual a $0{,}\$20$ por $\text{kW} \times \text{h}$. (c) Calcula el ahorro mensual si se reduce a $2\ \text{h}$ diarias y comenta cómo se consigue esa reducción (temporizador, temperatura de ajuste menor).

Una secadora de $2500\ \text{W}$ se usa $1\ \text{h}$ por carga de ropa, 12 veces al mes. (a) Calcula su consumo y su costo mensual a $0{,}\$20$ por $\text{kW} \times \text{h}$. (b) Compara con tender la ropa (costo energético casi nulo) y razona en qué situaciones el uso de la secadora está justificado (invierno húmedo, falta de espacio, alergias) aunque cueste dinero.

La etiqueta energética de una lavadora indica $220\ \text{kW} \times \text{h}$ al año y la de otra, $160\ \text{kW} \times \text{h}$. (a) Calcula el costo anual de cada una a $0{,}\$20$ por $\text{kW} \times \text{h}$. (b) Calcula el ahorro en 10 años de vida útil. (c) Razona cómo usarías esos números junto al precio de compra para decidir entre las dos.

Se estima que cada grado menos en la temperatura programada del termostato ahorra en torno al $7\ \%$ de energía. Si una familia gasta $\$100$ al mes en calefacción, calcula el ahorro mensual aproximado de bajar de $22\ ^\circ\text{C}$ a $20\ ^\circ\text{C}$ y comenta qué medidas de confort compensan esos dos grados (ropa de abrigo, mantas, burletes).

«Dejar el cargador del celular enchufado gasta muchísimo». Ponlo en contexto con números: un cargador vacío consume entre $0.1\ \text{W}$ y $0.5\ \text{W}$. Calcula el costo anual en el peor caso a $0{,}\$20$ por $\text{kW} \times \text{h}$ (un año tiene $8760\ \text{h}$) y concluye dónde conviene poner el esfuerzo de ahorro (aparatos de calor, standby de muchos aparatos a la vez) frente a gestos de impacto mínimo.

Un usuario afirma: «Mi refrigerador de hace 10 años todavía funciona perfectamente, pero consume $380\ \text{kW} \times \text{h}/\text{año}$. Voy a tirarlo hoy mismo para comprar uno de clase A ($130\ \text{kW} \times \text{h}/\text{año}$, $\$600$) porque así ahorraré dinero y reduciré de inmediato mi huella ecológica». Cuentas con los siguientes datos técnicos: el costo de la electricidad es de $0{,}\$22/(\text{kW} \times \text{h})$, la vida útil estimada del nuevo refrigerador es de 10 años, y fabricar, transportar y reciclar un refrigerador nuevo supone una huella energética incorporada equivalente a $1\,100\ \text{kW} \times \text{h}$ de energía primaria. (a) Demuestra cuantitativamente si la afirmación económica del usuario es correcta o errónea calculando el período de retorno de la inversión y el balance económico al término de la vida útil. (b) Determina a partir de qué año el balance energético global (fabricación más operación acumulada) empieza a ser favorable a la sustitución. (c) Como futuro tecnólogo, redacta una recomendación fundamentada: ¿conviene sustituirlo ya o esperar a que se averíe? Justifica el concepto de amortización ecológica frente al de obsolescencia voluntaria.

Una familia vive en un apartamento de $90\ \text{m}^2$ en una zona climática fría. Su consumo anual es de $8\,500\ \text{kW} \times \text{h}$ en calefacción eléctrica por efecto Joule, $2\,400\ \text{kW} \times \text{h}$ en agua caliente sanitaria (calentador eléctrico) y $2\,800\ \text{kW} \times \text{h}$ en electrodomésticos e iluminación, pagando la electricidad a $0{,}\$20/(\text{kW} \times \text{h})$. Disponen de un presupuesto cerrado de $\$3\,000$ para reformas inmediatas y deben elegir entre tres intervenciones incompatibles por presupuesto:

1. Sustituir toda la iluminación por LED y los electrodomésticos por otros de clase A (inversión: $\$2\,200$; ahorro estimado: $25\ \%$ de esa partida).

2. Aislar el falso techo y los cajones de las persianas e instalar burletes y láminas bajoemisivas en las ventanas (inversión: $\$1\,800$; reducción estimada del $20\ \%$ de la demanda térmica de calefacción).

3. Cambiar el calentador eléctrico por una bomba de calor aerotérmica para agua caliente sanitaria (inversión: $\$2\,400$; rendimiento medio estacional $\text{COP} = 3.0$).

(a) Calcula el ahorro energético anual (en $\text{kW} \times \text{h}$) y económico (en dólares) de cada una de las tres opciones.

(b) Determina el período de retorno de la inversión de cada opción y justifica técnicamente cuál debe ejecutarse en primer lugar con el presupuesto disponible.

(c) Explica por qué actuar sobre la demanda pasiva (aislamiento térmico) suele considerarse técnicamente prioritario frente a cambiar los sistemas activos de generación.

Una ciudad subvenciona la sustitución de aparatos de aire acondicionado antiguos (rendimiento estacional $\text{EER} = 2.0$, potencia eléctrica media absorbida $1.5\ \text{kW}$) por nuevos equipos inverter de alta eficiencia ($\text{EER} = 4.0$). Se estimaba que cada familia utilizaba el equipo antiguo $200\ \text{h}$ por verano. Tras la campaña, un estudio de campo revela que el consumo medio eléctrico estival por hogar solo se redujo de $300\ \text{kW} \times \text{h}$ a $225\ \text{kW} \times \text{h}$, muy por debajo del ahorro previsto por los técnicos municipales.

(a) Calcula el consumo eléctrico que los técnicos habían previsto para los nuevos equipos manteniendo exactamente la misma energía térmica refrigerada y las mismas $200\ \text{h}$ de funcionamiento.

(b) Demuestra cuantitativamente la existencia del efecto rebote calculando cuántas horas reales de funcionamiento tuvieron los nuevos equipos y qué porcentaje del ahorro teórico potencial se ha perdido por el cambio de hábitos («tasa de rebote»).

(c) Justifica qué factor socio-tecnológico o de percepción del usuario provoca este desvío y propone dos medidas (una técnica basada en automatización/domótica y otra económica) para evitar que la ganancia de eficiencia se diluya.

Una auditoría energética en una vivienda unifamiliar durante un mes registra los siguientes consumos eléctricos: calefacción por bomba de calor $210\ \text{kW} \times \text{h}$, termo de agua caliente $135\ \text{kW} \times \text{h}$, refrigerador $45\ \text{kW} \times \text{h}$, estufa eléctrica de inducción $40\ \text{kW} \times \text{h}$, consumo en espera (standby) $20\ \text{kW} \times \text{h}$ e iluminación $15\ \text{kW} \times \text{h}$. La familia propone centrar todos sus esfuerzos en erradicar por completo el standby y sustituir todos los focos por modelos de ultra bajo consumo, afirmando que «así reducirán drásticamente su factura».

(a) Analiza críticamente la afirmación de la familia: calcula el porcentaje máximo del consumo total mensual que representan conjuntamente el standby y la iluminación, y demuestra por qué este enfoque sufre de la falacia de escala frente a un análisis de Pareto (regla del 80/20).

(b) El calentador eléctrico de agua de $100\ \text{l}$ mantiene el agua a $65\ ^\circ\text{C}$ de forma ininterrumpida, registrando unas pérdidas térmicas estáticas por aislamiento de $1.2\ \text{kW} \times \text{h}/\text{día}$. Diseña dos intervenciones técnicas sobre el calentador (una de regulación horaria/termostática y otra sobre el consumo de caudal) y cuantifica el ahorro porcentual y en $\text{kW} \times \text{h}$ que se obtendría en esta partida.

(c) Justifica técnicamente por qué una reducción del $15\ \%$ en las dos partidas térmicas principales genera mucho más impacto económico y ambiental que la eliminación del $100\ \%$ de las partidas menores.

Una pequeña oficina técnica sustituye sus antiguos sistemas de climatización y alumbrado por equipos de máxima eficiencia energética. Sin embargo, en los primeros meses la factura eléctrica apenas disminuyó: los usuarios mantuvieron el termostato a $19\ ^\circ\text{C}$ en verano y a $24\ ^\circ\text{C}$ en invierno, y las luminarias permanecían encendidas durante horas en oficinas y salas de reuniones desocupadas bajo la premisa de que «al ser LED de bajo consumo, el gasto es insignificante».

(a) Modela matemáticamente el impacto térmico: sabiendo que por cada grado que se aleja la consigna del termostato de la temperatura de confort estándar ($26\ ^\circ\text{C}$ en verano y $21\ ^\circ\text{C}$ en invierno, según la norma ASHRAE) el consumo de la bomba de calor varía aproximadamente un $7\ \%$, calcula el sobrecosto porcentual derivado únicamente de los hábitos inadecuados de consigna en verano e invierno.

(b) Diseña una solución técnica basada en automatización y control (sensores de presencia/luminosidad PIR, termostatos inteligentes bloqueados por software con banda muerta y programación horaria centralizada) para corregir el problema sin depender de la voluntad individual de los usuarios.

(c) Justifica técnicamente por qué en ingeniería energética se prioriza la automatización pasiva (sistemas que actúan de manera autónoma) frente a las campañas de concientización para neutralizar el efecto rebote.