ArtículosNúmero 20

Contadores de energía térmica: tecnología y arquitecturas

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Juan Manuel González-García, Javier Muñoz-Antón, Agustín García-Llama, Pedro de Miguel Anasagasti
Laboratorio de Termotecnia
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales 
Universidad Politécnica de Madrid

Resumen

La medida de la energía térmica consumida en cualquier proceso, ya sea industrial o doméstico, es crucial para poder acometer acciones de ahorro y eficiencia energética válidas. Entender el funcionamiento de estos equipos es fundamental para poder entender sus limitaciones, bondades y posibilidades. A día de hoy, la electrónica disponible para este tipo de equipos permite el almacenamiento de valores en la nube y su gestión de forma similar a como un usuario de tarifa eléctrica estándar puede consultar en tiempo real sus consumos, comparando diferentes intervalos de consumo en diferentes épocas del año. Las posibilidades que abre esta tecnología a las políticas de mejora en la gestión energética son enormes, pero su implantación en España es aún mejorable, como también lo es el aseguramiento de la calidad de la medida de estos sistemas, pues no se ha regulado un procedimiento de verificaciones periódicas como sí existe, por ejemplo, para el aseguramiento de la cadena del frío.

Palabras clave

Contador de energía térmica, verificación periódica, almacenamiento en la nube

Abstract

The measurement of the thermal energy consumed in any process, whether industrial or domestic, is crucial to be able to undertake valid energy saving and efficiency actions. Understanding how these devices work is essential to be able to understand their limitations, benefits and possibilities. Today, the electronics available for this type of equipment allows the storage of data in the cloud and their management in a similar way to how a standard electricity rate user can check their consumption in real time, comparing different consumption intervals in different Seasons of the year. The possibilities that this technology opens up for policies to improve energy management are enormous, but its implementation in Spain is still improvable, as is the quality assurance of the measurement of these systems, since a procedure for periodic verifications has not been regulated as it exists, for example, to ensure the cold chain. 

Key words

Thermal energy meter, periodical verifications, cloud storage

1. Introducción

Los sistemas de calefacción y refrigeración de edificios en la Unión Europea son responsables del consumo del 40 % de energía final y del 36 % de las emisiones de CO2. Por ello, la Comisión Europea ha publicado Directivas de eficiencia energética con objeto de cumplir los objetivos de descarbonización de Paris 2050 y reducir el consumo energético en los edificios.

En España la contabilización de consumos individuales de energía térmica está regulada desde el año 1998, obligando a edificios con calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria centralizada que se proyectasen a partir de esa fecha a disponer de un sistema de reparto individual de gastos en función de sus consumos reales. Estos contadores están sujetos al control metrológico del estado desde el año 2006.

La Directiva (UE) 2018/2002 relativa a la eficiencia energética de los edificios, mantiene los elementos principales de la Directiva 2012/27/UE, reforzando los derechos mínimos de los consumidores a obtener información precisa, fiable, clara y puntual sobre su consumo de energía, e incorporando y aclarando determinados aspectos relacionados con la facturación.

El Real Decreto 736/2020, de 4 de agosto, establece la normativa básica aplicable a los sistemas de contabilización de los consumos individuales de calefacción y refrigeración y agua caliente sanitaria para aquellos usuarios finales, cuyas instalaciones térmicas dispongan de un sistema que permita el reparto de los gastos correspondientes a cada servicio (calefacción y refrigeración) entre los diferentes consumidores. En el caso de calefacción, cuando el uso de contadores individuales no sea técnicamente viable, los titulares deberán instalar repartidores de costes de calefacción si ello resulta técnicamente viable y económicamente rentable.

El RD 736/2020 establece plazos, dependiendo del tipo de edificio, el tamaño y la zona climática en donde se encuentre ubicado, para la instalación de estos equipos de medida (Tabla 1).

Tabla 1: Plazos establecidos por el RD 736/2020

Además, se contempla que los equipos instalados bajo esta reglamentación deben ser capaces de que la empresa encargada de su gestión/mantenimiento cumpla con los siguientes requisitos:

  • Los sistemas de contabilización de consumos instalados desde la entrada en vigor deben disponer de un servicio de lectura remota que permita la liquidación individual de los costes de climatización en base a dichos consumos.
  • En el caso de sistemas de contabilización ya instalados que no dispongan de lectura remota, la información sobre la lectura de los equipos de medida y la liquidación individual se proporcionará gratuitamente al usuario final al menos una vez cada dos meses durante el periodo de servicio de la instalación, incluyendo como opción que esta información y liquidación se ofrezcan en formato electrónico.
  • En caso de disponer de un servicio de lectura remota, esta información y liquidación se proporcionará, al menos, mensualmente.
  • Aquellos edificios que ya dispongan de sistemas de contabilización y reparto de costes, deberán instalar sistemas de lectura remota antes del 1 de enero de 2027 o ser sustituidos por otros contadores/repartidores que sí lo permitan.

1.1. Metrología legal

La Directiva 2014/32/UE de la Unión Europea tiene por objeto armonizar muchos aspectos de la metrología en todos los estados miembros de la UE. Su principio más destacado es que todos los tipos de medidores que reciben una aprobación pueden usarse en todos países de la UE donde se prescribe el control metrológico legal.

El Real Decreto 244/2016, de 3 de junio, desarrolla la Ley 32/2014, de 22 de diciembre, de Metrología, e incorpora al derecho interno español la Directiva 2014/32/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 26 de febrero de 2014, sobre la armonización de las legislaciones de los estados miembros en materia de comercialización de instrumentos de medida. El anexo XI del Real Decreto 244/2016, de 3 de junio  define contador de energía térmica como aquel instrumento concebido para medir la energía térmica que, en un circuito de intercambio térmico, cede un líquido llamado líquido transmisor de la energía térmica (caloportador). Además, se especifica que un contador de energía térmica puede ser un instrumento completo o una combinación instrumentos debiendo contener un medidor de caudal, una pareja de sensores de temperatura y una calculadora.

En el Anexo XI del RD 244/2016 se disponen los módulos de evaluación de conformidad que se deben aplicar para la puesta en servicio de los contadores de energía térmica. En cuanto a los requisitos esenciales y ensayos para la fase de examen de modelo son especificados en la Norma UNE-EN 1434-4:2016+A1:2019, mientras que para la fase de examen de conformidad de modelos aplica la Norma UNE-EN 1434-5:2016+A1:2019. 

En el anexo II, artículo 11 del RD 244/2016 se establecen adicionalmente las medidas de protección contra la corrupción/malfuncionamiento de los instrumentos sujetos a control metrológico:

  • Las características metrológicas de un instrumento de medida no deberán verse alteradas, más allá de lo admisible, por la conexión a otro dispositivo, por ninguna característica del dispositivo conectado, o por ningún dispositivo que comunique a distancia con el instrumento de medida.
  • Cualquier componente del soporte físico que sea crítico para las características metrológicas deberá ser diseñado de forma que pueda ser protegido. Las medidas de seguridad previstas deberán incluir pruebas evidentes de toda intervención.
  • Cualquier software que sea crítico para las características metrológicas deberá ser identificado como tal y deberá estar protegido.
  • La identificación del soporte lógico deberá ser proporcionada de forma sencilla por el instrumento de medida.
  • Deberá disponerse de una prueba evidente de intervención durante un período de tiempo razonable.
  • Los datos de medición, el software que sea crítico para las características de las mediciones y los parámetros de importancia metrológica almacenados o transmitidos, deberán ser protegidos adecuadamente contra la corrupción accidental.

La Guía Welmec 7.2 es una guía, desarrollada para fabricantes y organismos notificados de metrología legal, que establece una metodología con objeto de garantizar la protección contra corrupción de instrumentos de medida sometidos a metrología legal. 

La Organización Internacional de Metrología Legal (OIML) también ha publicado recomendaciones sobre medidores de calor, los documentos OIML-R75 Partes 1 y 2 cubren: requisitos generales, pruebas de aprobación de tipo y pruebas de verificación inicial. Los requisitos de OIML-R75 son los mismos que los especificados en la Norma EN 1434.

La Norma EN 1434 partes 1 a 6 define: requisitos generales, requisitos de construcción, intercambio de datos e interfaces, pruebas de aprobación de tipo, pruebas de verificación inicial e instalación, puesta en marcha, seguimiento operativo y mantenimiento de los contadores de energía térmica.

2. Tecnología del contador de energía térmica

Las aplicaciones típicas de los contadores de energía son la medición de la energía térmica entregada a los consumidores finales por los sistemas centralizados de calefacción o refrigeración y la medición de la energía térmica consumida en los sistemas de agua caliente sanitaria (ACS), entre otras.

En la figura 1 puede verse un esquema de las partes de un contador de energía: un caudalímetro, dos sensores de temperatura y un sistema que calcula, calculadora, en base a las lecturas de los tres sensores anteriores, la energía que cede o gana el fluido caloportador.

Figura 1: Esquema de un contador de energía tipo

2.1. Caudalímetro

Un caudalímetro mide la velocidad del flujo a través de un medidor de capacidad interna conocida (sección del caudalímetro). La velocidad del flujo se convierte luego en volumen o masa, en la calculadora del caudalímetro para determinar el caudal medido en las unidades deseadas.

\(Q_{v}=v · A\)

Donde:

  • Qv es el caudal volumétrico.
  • v es la velocidad.
  • A es la sección transversal del caudalímetro.

Existen diversos tipos de caudalímetros que se describen a continuación; algunos son intrusivos, que requieren de una modificación de la tubería con elementos adicionales, y otros no intrusivos, que obviamente serán más costosos.

2.1.1. Caudalímetro de turbina

Consta de un tramo de tubería en cuyo interior se aloja un rotor de paletas múltiples, montado sobre cojinetes, que genera una señal de pulsos eléctricos (número de pulsos por unidad de volumen) cuando el fluido pasa a su través (figura 2). La energía cinética del fluido hace girar el rotor cuya velocidad angular es proporcional a la velocidad del fluido y por tanto al caudal.

Figura 2: Caudalímetro de turbina

Los medidores de turbina generalmente están disponibles para tamaños de tubería de 1½” a 12″ o más. Son precisos en condiciones normales de funcionamiento definidas por el fabricante de acuerdo con la clase medioambiental según la norma EN 1434-4. Requieren de una cierta distancia de tramo recto para que su medida sea correcta, aproximadamente 5 veces el diámetro aguas arriba y otro tanto aguas debajo de donde se sitúe este tipo de caudalímetro.

2.1.2. Caudalímetro electromagnético

Los medidores electromagnéticos usan la Ley de Faraday de inducción electromagnética para determinar el caudal en una tubería. En un medidor de flujo magnético se genera un campo magnético y se canaliza hacia el líquido que fluye a través de la tubería. Siguiendo la Ley de Faraday, el flujo de un líquido conductor a través del campo magnético hará que los electrodos ubicados en las paredes del tubo detecten una señal de voltaje. Se genera una fuerza electromotriz entre el flujo del líquido (que ha de ser conductor) y el campo magnético. Cuando el fluido se mueve más rápido, se genera más voltaje. La Ley de Faraday establece que el voltaje generado es proporcional al movimiento del líquido que fluye. El transmisor electrónico procesa la señal de voltaje para determinar el caudal medido del líquido. 

Este caudalímetro no es intrusivo, por lo que puede aplicarse a líquidos limpios, sanitarios, sucios, corrosivos y abrasivos. Los caudalímetros electromagnéticos no requieren mucho tramo recto aguas arriba y aguas abajo, por lo que se pueden instalar en tramos de medida relativamente cortos.

Figura 3: Caudalímetro electromagnético

2.1.4. Caudalímetro ultrasónico

Los caudalímetros ultrasónicos miden el caudal utilizando el método diferencial de tiempo de tránsito de una señal ultrasónica en el propio flujo. El caudal se mide utilizando la técnica ultrasónica bidireccional basada en el método del tiempo de tránsito. Se utilizan dos transductores ultrasónicos para enviar la señal de sonido tanto en contra como en la dirección del flujo. La señal ultrasónica que viaja en la dirección del flujo llega primero al transductor opuesto. La diferencia de tiempo entre las dos señales se puede convertir en una velocidad de flujo y, por lo tanto, en un volumen. Los medidores ultrasónicos no tienen partes móviles. No es necesario que el fluido sea conductor, puede medir líquidos y gases.

La medición por ultrasonidos es la tecnología que asegura una mayor precisión en la medida, a la vez que proporciona una mayor durabilidad de los caudalímetros con un menor mantenimiento en las condiciones de uso y temperatura del fluido desde los 0 ºC hasta los 150 ºC en comparación con las soluciones tradicionales, gracias a contar con un diseño de detección del paso del flujo totalmente electrónico y sin partes mecánicas.

Así pues, son muchos los aspectos funcionales-operativos que establecen la medición ultrasónica como la más adecuada, gracias a su precisión y a un coste de mantenimiento reducido en la instalación de circuitos de energía térmica.

Figura 4: Caudalímetro ultrasónico

2.1.4. Caudalímetro de vórtice

La frecuencia de desprendimiento de vórtice es definida y está relacionada con el número de Reynolds (velocidad de flujo, viscosidad del fluido y diámetro del cilindro). La frecuencia de desprendimiento de vórtices es la misma que la frecuencia de vibración de la barrera inducida por el flujo. Si se conocen la densidad y la viscosidad del fluido, la frecuencia medida en la barrera puede usarse para representar la velocidad del flujo. Los caudales bajos presentan un problema para los medidores de vórtice porque generan vórtices irregulares en dichas condiciones de caudal bajo. Son, por tanto, sensores intrusivos.

Caudalímetro de vórtice, también conocido como medidor de flujo de desprendimiento de vórtice o medidor de flujo oscilatorio o torbellino. Mide las vibraciones de los vórtices aguas abajo causados por una barrera colocada en una corriente de gas o líquido en movimiento (normalmente en forma de triángulo). La frecuencia de vibración del desprendimiento de vórtices se puede relacionar con la velocidad del flujo. Los vórtices se arrastran detrás de la barrera en dos rollos, alternativamente desde la parte superior o inferior de la barrera.

Figura 5: Caudalímetro de vórtice

2.2. Sensores de temperatura

Los termómetros de resistencia, también llamados detectores de temperatura de resistencia (RTD), son sensores que se utilizan para medir la temperatura correlacionando la resistencia del elemento RTD con la temperatura. La mayoría de los elementos RTD consisten en una longitud de alambre fino enrollado envuelto alrededor de un núcleo de cerámica o vidrio. 

El elemento suele ser bastante frágil, por lo que a menudo se coloca dentro de una sonda enfundada para protegerlo, normalmente de acero inoxidable. El elemento RTD está hecho de un material puro, normalmente platino, níquel o cobre. El material tiene un cambio predecible en la resistencia a medida que cambia la temperatura y es este cambio predecible el que se usa para determinar la temperatura.

Figura 6: Sensores de temperatura 

Los termómetros de resistencia de platino (Pt) ofrecen una precisión excelente en un amplio rango de temperatura (de –200 °C a 850 °C). Los sensores estándar están disponibles por muchos fabricantes con varias especificaciones de clase, precisión y numerosas opciones para adaptarse a la mayoría de las aplicaciones. A diferencia de los termopares, no es necesario utilizar cables especiales para conectarse al sensor. Aunque el valor de resistencia de los cables ha de ser compensado. 

El principio de funcionamiento es medir la resistencia de un elemento de platino cuyo valor se corresponde con una temperatura. El tipo más común es Pt100 tiene una resistencia de 100 ohmios a 0 °C. También se utilizan Pt500.

Los sensores de temperatura se insertan en el proceso mediante vainas portasondas, racores portasondas, entre otros equipos como válvulas, codos, tramos en T, Y, etc. 

Figura 7: Sensores de temperatura Pt100

2.3. El Calculador 

El calculador calcula la potencia térmica a partir del caudal másico y la diferencia de temperatura entre las dos sondas de temperatura ida y retorno

\(Q_{M}\left [ \frac{kg}{s} \right ]=\rho \cdot Q_{v}\left [ \frac{m^{3}}{s} \right ]\)

Donde:

  • QM es el caudal másico por unidad de tiempo
  • Qv es el caudal volumétrico por unidad de tiempo
  • ρ es la densidad del líquido, la cual depende la temperatura.

De esta forma se puede llegar a calcular la potencia que se está intercambiando:

\(P \left ( kW \right )=Q_{M} * cp * \Delta T\)

Donde: 

  • P es la potencia intercambiada
  • QM es el caudal másico por unidad de tiempo
  • cp es el calor específico del fluido
  • ∆T es el salto de temperatura que experimenta el fluido registrado por los dos sensores de temperatura del equipo de medida

3. Requisitos generales de contadores de energía térmica según la Norma EN-1434

3.1. Magnitudes registradas 

Los contadores de energía permiten obtener tanto valores instantáneos, como valores almacenados.

Las magnitudes medidas y registradas por el contador de energía térmica son las siguientes: instante de tiempo en el que se adquiere la medida, temperaturas de entrada y salida, caudal y potencia, así como energía y caudal volumétrico medidos en un intervalo de tiempo.

Figura 8: Contador de energía térmica [10]

En el caso de refrigeración, las temperaturas son inferiores a la temperatura ambiente, normalmente en un margen que va de 2 °C a 30 °C y con un salto térmico de hasta 20 °C. La aplicación típica de estos instrumentos es medir la energía absorbida en sistemas de aire acondicionado hidrónicos con temperaturas de impulsión de agua del orden de 7 °C y un salto térmico aproximado de 5 °C.

3.2. Datos especificados por el fabricante

El fabricante especificará los valores de las condiciones nominales de funcionamiento del siguiente modo:

  • Temperatura mínima θmin y temperatura límite máxima de θmax
  • Diferencia de temperatura mínima Δθmin y diferencia de temperatura máxima Δθmax.
  • Presión: 
    • Presión de servicio máxima admisible Ps
    • Presión mínima Pmin para evitar cavitación
    • Presión nominal PN
    • Perdida de carga máxima Pmax para el caudal qp
  • Caudales del líquido
    • qs: el mayor valor de caudal permitido durante cortos períodos de tiempo para que el contador funcione correctamente
    • qp: el mayor valor de caudal que se permite permanentemente para que el contador de energía térmica funcione correctamente
    • qi: el menor valor de q que se permite para que el contador de energía térmica funcione correctamente
  • Potencia térmica: P (kW)

En el caso de contadores bifuncionales, para sistemas de doble funcionamiento, calefacción y refrigeración, es necesario especificar el valor límite Δθhc para la conmutación entre calefacción y refrigeración y viceversa, además del valor θhc.

Figura 9: Esquema de funcionamiento de un contador bifuncional en función de los valores de temperatura

El registrador mide energía térmica de calefacción cuando la diferencia entre las sondas de temperatura sea mayor o igual a Δθhc y la temperatura del fluido caloportador sea superior a θhc.

El registrador mide energía térmica de refrigeración cuando la diferencia entre las sondas de entrada y salida sea menor o igual a -Δθhc y la temperatura del fluido caloportador sea inferior a θhc.

Figura 10: Esquema de funcionamiento de un contador de energía bifuncional

3.3. Clases de exactitud

Se han definido tres clases de exactitud para los contadores de energía térmica: 1, 2, 3. En función de los errores máximos permitidos aplicables a los contadores de energía térmica completos.

En la Directiva 2014/32/UE se exige que los contadores cumplan como mínimo con los requisitos de la clase 3 para aplicaciones en el sector residencial y clase 2 como mínimo para las aplicaciones en el sector comercial e industrial. En el RD 244/2016 se especifica que cuando un contador de energía térmica se destine al uso comercial o industrial ligero, su clase de exactitud deberá ser la 1 o la 2.

Por otro lado, la Norma EN1434 también requiere que el fabricante del medidor de calor proporcione instrucciones de instalación que definan una amplia gama de propiedades. Los más relevantes para esta discusión son las orientaciones permisibles del medidor de flujo, los requisitos para los tramos rectos de tubería requeridos aguas arriba y/o aguas abajo del medidor, y la caída de presión a través del medidor con el flujo máximo. Estos pueden afectar la precisión del medidor de calor cuando se instala

4. Arquitectura de los contadores de energía térmica

El acceso remoto exige el acceso externo a los datos bien en tiempo real o bien almacenado por el sistema. Existen diferentes posibilidades de acceso remoto a los datos de consumo, en función de la arquitectura del sistema de contadores de energía.

Se describen las distintas arquitecturas del sistema de contadores de energía, en donde los datos se almacenan en el propio equipo o bien en un dispositivo externo.

4.1. Sistema tipo P: Contador de energía térmica integrado

Un contador de energía térmica tipo P incluye todos sus componentes en un solo paquete, excluyendo los sensores de temperatura y caudal que pueden ser interno o externo, tal como se muestra en la figura adjunta.

Se debe tener en cuenta que, en esta solución, todos los datos y parámetros relevantes se mantienen siempre dentro del contador de energía térmica. Estos datos podrían exportarse a otros dispositivos, pero se mantienen en el equipo durante todo el período de tiempo trazable. Los datos exportados pierden su condición de relevantes ya que no se garantiza la trazabilidad.

Figura 11: Esquema contador de energía tipo P

A los datos se accede mediante una interfaz de comunicaciones. 

El acceso remoto a la lectura de datos de los contadores ubicados en las viviendas debe realizarse a través de un puerto de comunicación que cumpla los requisitos de protección de la corrupción establecidos en el RD244/2016.

A través del interfaz de comunicación no es posible modificar los datos ni los parámetros relevantes del contador de energía térmica bien en forma intencionada como no intencionada.

4.2. Sistema tipo U: Contador de energía térmica con almacenamiento de datos en medio externo

En esta alternativa, los datos relevantes se almacenan en un medio externo. Lo datos relevantes se exportan a un dispositivo externo y pueden borrarse del contador de energía térmica En la mayoría de los casos, el dispositivo externo será un ordenador que almacenará en su disco los datos relevantes exportados.

Los datos exportados se empaquetan de forma que se evite o se detecte su manipulación. 

El empaquetado puede realizarse internamente por el instrumento o externamente por el ordenador. En el primer caso, la descarga a la memoria externa se puede hacer mediante una aplicación comercial estándar En el segundo caso, los datos salen del instrumento sin tratamiento y se empaquetan externamente. Por esta razón, la aplicación de descarga y empaquetado es fundamental en la trazabilidad de los datos y se considera una subunidad del registrador de energía térmica.

La conexión entre el instrumento y el almacenamiento externo puede ser por cable o inalámbrica.

El usuario del sistema de almacenamiento de datos externos tiene la responsabilidad de mantener los datos relevantes exportados, por ejemplo, implementando una política robusta de respaldo.

La conexión de los contadores de energía térmica con la estación base se puede hacer mediante un cable o mediante conexión inalámbrica digital.

Los contadores de energía térmica con transmisión inalámbrica incluirán normalmente alguna capacidad de almacenamiento, para evitar pérdidas de datos en caso de fallo temporal de la conexión.

El contador de energía térmica deberá tener un precinto físico con las sondas de temperatura y caudal, mientras que las conexiones entre los contadores de energía térmica, tanto mediante cable como inalámbricas, tendrán un sellado virtual o por software.

La figura 12 muestra las componentes auxiliares de comunicación tales como routers (encaminadores) repetidores o conmutadores, que pueden incluirse para extender el rango de las estaciones base, tanto en distancia como en número de sondas.

Las estaciones base, las sondas digitales y las componentes de comunicación están sujetas a los mismos desafíos que los instrumentos monolíticos. Adicionalmente, esta arquitectura presenta el siguiente desafío: conexión estación base-sonda y diseño de un protocolo que evite manipulación, perdida de datos y suplantación de identidad.

Figura 12: Contador de enegia témica con almacenamento de datos en una nube.

El uso de la nube como medio de almacenamiento externo es una ampliación de la alternativa. En este caso, según muestra la figura 13, el sistema incluye la transmisión, procesado y almacenamiento de los datos relevantes en la nube.

Figura 13: Contador de energía térmica con procesado y almacenamiento en la nube

Si los datos están empaquetados antes de enviarse a la nube, la transmisión y almacenamiento de los datos relevante codificados se puede hacer con aplicaciones comerciales estándar. Si este no es el caso, la aplicación de transmisión y empaquetado es fundamental en la trazabilidad de los datos y debe ser considerada una subunidad del sistema contador de energía térmica.

Hay dos opciones de diseño fundamentales para el servidor en la nube. La primera es un sistema mantenido por el usuario y la segunda es una aproximación de solución como un servicio (SaaS).

  1. istema mantenido por el usuario: El servidor en la nube y la base de datos se almacenan, gestionan y mantienen por la organización propietaria de los registradores de temperatura, que también es responsable del mantenimiento del sistema en la nube y de su correcto funcionamiento.
  2. Solución como servicio (SaaS) : El sistema de registro hardware (sensores, contadores y estaciones base) está instalado en el emplazamiento de la cliente final pero, el software, el servidor y la base de datos, están alojados en un proveedor de servicios. El proveedor de servicios recoge, almacena y gestiona los datos, mientras que la organización propietaria de los registradores tiene acceso a los datos a través de una interfaz web segura u otro procedimiento remoto. En este escenario, el proveedor del servicio asegura el mantenimiento del sistema en la nube y su correcto rendimiento y aptitud.

5. Acceso remoto a los datos de los contadores de energía

Unos de los requisitos del RD 36/2020 es la lectura remota de los contadores de energía térmica de forma que no sea necesario el acceso a las viviendas para leer los datos aportados por los instrumentos de medida. Este requisito hace necesario disponer sistemas de transmisión de datos desde el registrador a dispositivos de lecturas.

5.1. Protocolo M-bus

M-Bus (Meter Bus) es un protocolo de comunicación según la Norma En 13757 desarrollado para la lectura de dispositivos de medición utilizados en viviendas. Este sistema de comunicación se basa en el sistema jerárquico maestro/esclavo (master/slave). Se trata de un sistema de bus mono-master y half-duplex, lo que significa que existe un solo master conectado a distintos esclavos usando comunicación bidireccional. Cuando el maestro le envía una petición al contador, este devuelve la información que ha recogido para ser almacenada en un sistema común maestro. Los equipos terminales se conectan en paralelo al medio de transmisión. 

El M-BUS maestro que permite pasar los datos recibidos desde los medidores a un ordenador para almacenamiento local mediante comunicación RS 232, RS o a través de internet para gestión remota. También puede enviar la información por GPRS, GSM, etc.

La transmisión de datos entre maestro y esclavos puede ser por cable de conexión de dos hilos standard o bien por sistema inalámbrico.

5.1.1. Transmisión de datos a vez del protocolo M-Bus.

La lectura de contadores por cable con M-Bus es especialmente apta para edificios de viviendas donde los contadores están relativamente cerca unos de otros, o donde no es posible realizar la lectura a través de comunicación inalámbrica. 

2 MBus Master, For Interface Converter, 90-250V~,50-60Hz, | ID: 22034919148
Figura 14: Esquema de protocolo M-Bus con varios contadores diferentes

Para realizar la lectura de sus contadores a través de una red M-Bus cableada, cada contador debe estar equipado con una tarjeta M-Bus y conectado a un M-Bus Master. Cada M-Bus Master es capaz de leer hasta 250 contadores.

Figura 15: Esquema de contadores de energía mediante tecnología M-Bus

5.1.2. Topologías del M-Bus

Los dispositivos se pueden conectar al M-Bus en una topología de cadena o estrella. El número máximo de medidores por segmento es de 250. Se pueden formar y conectar en cascada sistemas más grandes con la ayuda de repetidores.

Figura 16: Esquemas de conexión M-Bus en estrella (izquierda) y en cadena (derecha)

También hay sistemas para leer de forma robusta una red M-Bus de forma inalámbrica o Wireless para contadores de energía remotos. Estos equipos van alimentados por baterías y cumplen las especificaciones de la Norma EN 13757-4. La velocidad de transmisión va desde 2.4 kbps hasta 100 kbps con un alcance desde 500 m a 868MHz hasta 2000 m a 169 MHz.

Wireless IoT - Next Industries
Figura 17: Red M-Bus inalámbrica

5.1.3. Características del M-Bus

Ventajas del M-Bus:

  • Permite la integración de distintos sistemas de medida utilizados en la medición en edificio, integrando distintas magnitudes y distintas marcas
  • Flexibilidad
  • Posibilidad de combinar sistemas de transmisión por cable con sistemas inalámbricos
  • Sistema robusto de adquisición de datos
  • Admite comunicación bidireccional
  • Consumo bajo de energía

Desventajas del M-Bus:

  • Es sensible a las interferencias electromagnéticas.
  • Son relativamente lentos.
  • Dificultad de compatibilizar con sistemas otros sistemas utilizados para el control de instalaciones térmicas.

En la figura adjunta se puede observar la interconexión mediante el M-bus de distintos sistemas de medida en una sala de máquinas: medidores de potencia y energía eléctrica, caudal de agua, caudal de gas, contadores de energía térmica en sistemas de calefacción primarios y secundarios y contadores energía térmica en sistemas de ACS.

Figura 18: Interconexión mediante el M-bus de distintos sistemas de medida en una sala de máquinas [10] 

6. Fuentes de error en la medida de los contadores de energía térmica

Las posibles fuentes de error que se producen por una instalación incorrecta o por la pérdida de precisión a lo largo del tiempo (también llamada deriva) se explican en la literatura disponible, aquí se presta especial atención al informe [11]. Su propósito general es evaluar qué tan precisos son los medidores de calor cuando están sujetos a errores de instalación y otros, y proporcionar una base de evidencia sólida para poder evaluar los errores.

El objetivo esencial de este informe, como de estudios similares, es llegar a especificaciones de medición apropiadas para medir el calor generado bajo el esquema de incentivos de calor renovable (RHI) y los proyectos de investigación del Department of Energy & Climate Change (UK). Aunque el trabajo viene de Reino Unido, la medición del calor en este país es relativamente reciente y no está particularmente extendida.

En cualquier caso, este y otros trabajos, indican que las posibles fuentes de error por una incorrecta utilización son las siguientes:

  • Medidor de caudal montado en el circuito de ida en lugar de ir montado en el retorno. La correcta ubicación es necesaria dependiendo del tipo de sensor de caudal utilizado así tiene influencia en los contadores que usan caudalímetros de turbina pero no tiene influencia en los caudalimetros de ultrasonido
  • Incorrecta configuración del fluido de trabajo. Por ejemplo, instalaciones de agua con refrigerante
  • Caudalímetros instalados con orientación incorrecta
  • Presencia de aire en la corriente de agua
  • Perturbaciones de flujo aguas arriba del contador
  • Efectos de partículas en suspensión en el agua
  • Baja potencia en las baterías
  • Montaje incorrecto de los sensores de temperatura
  • Falta de aislamiento de las tuberías y pozos donde se instalan los sensores de temperatura
  • Instalación en las proximidades de fuentes de calor
  • Intervalos de tiempos en el que se realiza la toma de datos
  • La pérdida de precisión a lo largo del tiempo (deriva) es diferente para los distintos modelos de caudalímetros.  Estudios realizados en el informe [11] demuestran que los caudalímetros de ultrasonidos mantienen sus características metrológicas más de 20 años mientras otros tipos de tecnologías presentan derivas considerables en periodos de tiempo inferiores

En [11] se recoge información limitada sobre los intervalos de recalibración, lo que sugiere una cifra de 10 años. Sin embargo, cualquier encuesta de tiempos de vida e intervalos de calibración está fuera del alcance de los trabajos consultados.

La Norma EN 1434-1:2007 define la reproducibilidad como la aplicación del mismo medidor en una ubicación diferente o por un usuario diferente que da como resultado la concordancia estrecha de mediciones sucesivas y la repetibilidad como la aplicación del mismo medidor en las mismas condiciones de medición que da como resultado la concordancia estrecha de mediciones sucesivas, pero no estipula durante qué período de tiempo. En la Norma EN 1434-4:2007 se especifica una prueba de durabilidad durante cien días en operación continua de veinticuatro horas. Esto puede interpretarse como el requisito nacional de durabilidad para demostrar el cumplimiento del RD244/2016, aunque éste permite al fabricante “estimar” la durabilidad del instrumento de medición.

El laboratorio acreditado danés Kamstrup prueba anualmente los medidores ultrasónicos instalados en el sistema de calefacción de un distrito danés. Existe un requisito legal para la verificación o reemplazo de medidores de agua en Dinamarca cada seis años (Autoridad Danesa de Tecnología de Seguridad, 2006). Estas pruebas se llevan a cabo desde 1997. El informe de 2013 representa resultados basados ​​en muestras de 183 lotes de medidores ultrasónicos, lo que representa un total de 3755 medidores. Estos contadores tienen un tamaño de 1,5 m3/h (calefacción doméstica). El 96,2 % de los contadores se encontraban dentro de los límites de verificación y solo cinco lotes de los más antiguos fallaron, a pesar de que varios de los contadores tenían entre 12 y 23 años [12]. 

El informe de 2012 representa resultados basados ​​en muestras de 173 lotes de medidores ultrasónicos, lo que representa un total de 3290 medidores. Estos contadores tienen un tamaño de 1,55 m3/h (calefacción doméstica). El 95,3 % de los medidores se encontraban dentro de los límites de verificación y solo fallaron seis lotes entre los más antiguos, a pesar de que varios de los medidores tenían entre 12 y 22 años. Las mismas pruebas se realizan en una muestra más pequeña de medidores mecánicos, pero ninguno de estos medidores alcanza el mismo nivel [13]. 

La información de Kamstrup sugiere que la vida útil de los medidores de calor ultrasónicos es potencialmente superior a los 20 años y que la mayoría de los medidores de calor de entre 12 y 22 años siguen cumpliendo los requisitos de precisión de legislación aplicable. No se mencionaron errores o averías de los sensores de temperatura de Pt100 ya que la prueba de muestra solo se lleva a cabo en el componente de flujo del medidor de calor. 

La experiencia del Building Technology Group [14] en el uso de sensores Pt100 muy similares durante largos períodos de tiempo (más de 15 años) muestra que, en condiciones normales (excluidos los daños mecánicos debido a un manejo brusco o accidentes), no hay deterioro de la precisión ni fallos, excepto en condiciones de humedad muy alta y condensación, generalmente cuando se mide la temperatura del agua enfriada. 

Se considera que, en estas condiciones, la humedad a veces puede entrar en la polea metálica de la Pt100 y causar pérdida de precisión y fallos, posiblemente debido a la corrosión y las conexiones de los cables. 

La Norma EN 1434-4 especifica tres pruebas de calor húmedo de 24 horas en condiciones de condensación, pero claramente no puede reproducir la exposición a condiciones de humedad/condensación a largo plazo. No se recomiendan ningún tipo de prueba sobre el deterioro del sensor de temperatura con el tiempo.

7. Verificaciones periódicas de contadores de energía térmica

La pérdida de precisión a lo largo del tiempo solo puede abordarse mediante pruebas a largo plazo y esto no se ha llegado a hacer en ninguno de los ensayos de campo o pruebas de laboratorio reportados en la literatura disponible.

El RD 244/2016, no define el período de tiempo requerido para una prueba de durabilidad, pero permite que el fabricante lo calcule (EN1434).
Tampoco se especifica el período de tiempo permitido antes de que se requiera una verificación periódica.

Los fabricantes de contadores de energía, generalmente, no indican la vida útil esperada o los intervalos de verificación, no existiendo ningún requisito en la legislación y normativa actual. Se debe tener en cuenta que EN1434-6 Anexo B (informativo) establece que: “la autoridad competente puede especificar el período de tiempo o un procedimiento para determinar el período de tiempo durante el cual el certificado de verificación inicial del medidor de calor es válido. Al final de este período, normalmente se reemplazaría el medidor de calor. Cualquier verificación de funcionamiento o mantenimiento de un medidor de calor debe comenzar comprobando que, cuando se haya estipulado una vida operativa, no se haya excedido”.

En la tabla 2 se presentan los  intervalos de verificación para contadores de agua y calor en los estados de la UE [11].

Intervalo de verificación en añosContadores de agua [15]Contadores de energía térmica [15]Contadores de energía térmica domésticos [16]Notas
Austria55
Bélgica16(*)8*si >10 m3/h en contadores de agua
Bosnia Herzegovina5
Bulgaria (*)2 or 52 or 52*en contadores de agua depende la localización de la instalación y en contadores de energía térmica depende del tamaño 
Croacia53(*)*5 para medidores ultrasónicos
Chipre
República Checa64
DinamarcaSistema de control estadístico6
Estonia2
Finlandia3
Francia
Macedonia del Norte5
Alemania685
Grecia
Hungría46
IslandiaSistema de control estadístico
Irlanda
Italia
Letonia42
Lituania642(*)*4 para contadores domésticos < 1,5 m3/h
Luxemburgo10
Malta
Montenegro5
Noruega5(*)*para caudalímetros,10 para temperatura y calculador
Polonia5/104
Portugal15
Rumania544
Serbia5
Eslovaquia64
Eslovenia55
España
Suecia5(*)* para flujo >1,5 m3/h10 para flujo > 1,5 m3/hy medidor de temperatura
Suiza5
Países BajosSistema de control estadístico
Turquía10
Reino Unido
Tabla 2: Verificación para contadores de agua y calor en los estados de la UE [11]

Como puede apreciarse en la tabla 2, en países como España no se regula las verificaciones periódicas de contadores de energía. No hay ninguna referencia normativa al respecto. No obstante, para el caso de los contadores de energía térmica, el Laboratorio de Termotecnia de la Universidad Politécnica de Madrid ha recibido hasta la fecha multitud de consultas al respecto de usuarios y comunidades de vecinos, entre otros, que consideran que sus equipos miden mal y están en desacuerdo con el reparto de costos de la instalación. 

Se han analizado en el contexto europeo dos posibles soluciones para la verificación de instrumentos en servicio:

  1. Asignar una durabilidad máxima a los equipos.
  2. Realizar verificaciones periódicas con control estadísticos

Un caso particular es el de Dinamarca, que ha publicado la tercera edición de la Directiva Técnica de medición para medidores de energía térmica MDIR 07.01-01. La directiva impone a las empresas de servicios energéticos la obligación de establecer un sistema de control estructurado para garantizar que los contadores de calor en funcionamiento no superen el doble del error máximo permitido en el momento de la calibración inicial. Para ello, propone una verificación periódica con control estadístico. Este método permite garantizar a los usuarios de la fiabilidad del sistema de medida a un precio muy razonable.

Sobre la base del resultado de las pruebas, el laboratorio de verificación debe notificar a la empresa de servicios energéticos si el lote puede continuar en uso durante otros tres o seis años, o si el lote debe reemplazarse dentro de un año.

8. Conclusiones

Partiendo de la premisa de que lo que no se puede medir, no se puede controlar, el ahorro y eficiencia energética se debe basar en una adecuada medida y gestión de las diferentes variables que afectan a los consumos energéticos para poder actuar sobre ellas y detectar anomalías en las mismas. 

Los contadores de energía térmica con lectura de datos remota que cumplan los requisitos de la metrología legal para su puesta en servicio permiten dar una información al usuario sobre el consumo de energía térmica de forma detallada. Esta información es vital para que el usuario pueda adoptar medidas de ahorro y eficiencia mediante el control del consumo.

Cuando están correctamente instalados y mantenidos permiten realizar una distribución justa y transparente de los consumos energéticos de los usuarios de forma que cada usuario pague un término fijo en función de los gastos comunes y un coste variable en función de la energía que consume.

Las características metrológicas de los contadores de energía se degradan con el tiempo. Esta pérdida de precisión depende de la tecnología utilizada, así se ha constado que los equipos de ultrasonidos tienen menores derivas en el tiempo que otros sistemas.

La pérdida de precisión requiere que las autoridades competentes definan cuanto antes la política a seguir en España en materia de verificación de contadores de energía térmica: o bien optar por definir una vida útil máxima a los equipos o la posibilidad de un sistema de verificación periódica sostenible con aplicación de técnicas estadísticas de muestreo, tal y como los referentes europeos aplican a día de hoy.

Es necesario que los usuarios finales, las asociaciones de consumidores, las empresas de servicios energéticos y los fabricantes conozcan cuanto antes cuales son los requisitos de verificación que se van a implantar en España

9. Referencias

[1] DIRECTIVA (UE) 2018/2002 DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 11 de diciembre de 2018 por la que se modifica la Directiva 2012/27/UE relativa a la eficiencia energética

[2] Real Decreto 736/2020, de 4 de agosto, por el que se regula la contabilización de consumos individuales en instalaciones térmicas de edificios. 

[3] Real Decreto 244/2016, de 3 de junio, por el que se desarrolla la Ley 32/2014, de 22 de diciembre, de Metrología.

[4] Heat meters Part 1: Heat meters Part 1: General requirements. INTERNATIONAL RECOMMENDATION. OIML R 75-2. Edition 2002 (E). INTERNATIONAL ORGANIZATION OF LEGAL METROLOGY (OIML)

[5] Heat meters Part 2: Type approval tests and initial verification tests. INTERNATIONAL RECOMMENDATION. OIML R 75-2. Edition 2002 (E). INTERNATIONAL ORGANIZATION OF LEGAL METROLOGY (OIML)

[6] UNE-EN 1434-1:2016+A1:2019, Contadores de energía térmica. Parte 1: Requisitos generales.

[7] UNE-EN 1434-4:2016+A1:2019, Contadores de energía térmica. Parte 4: Ensayos de aprobación de modelo.

[8] UNE-EN 1434-5:2016+A1:2019, Contadores de energía térmica. Parte 5: Ensayos de verificación primitiva

[9] Guía del software WELMEC 7.2 (Edición 5). Directiva 2004/22/EC relativa a Instrumentos de Medida

[10] IDAE, Instituto para la Diversificación y el Ahorro Energético, https://www.idae.es/home,  consultado el 29 de junio de 2022

[11] D Butler, A. Abela, C. Martin, Heat meter accuracy testing, Dpt. Business, Energy & Industrial Strategy, UK Government, November 2016

[12] Kamstrup. (2013). Sample Testing of Flow Meters. Skanderborg, Denmark: Kamstrup

[13] Kamstrup. (2012). Sample Testing of Flow Meters. Skanderborg, Denmark: Kamstrup

[14] Building Technology Group, http://btg-sa.net/, recuperado 29 de junio de 2022

[15] De www.welmec.org Country Info acceso 26 May 2015

[16] De www.euroheat.org/Files/Filer/…/Publications/billing_meteri… · XLS file · Web view, acceso 11 June 2015

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