Sistema de calefacción con suelo radiante aerotermia: Funcionamiento

Sistema de calefacción con suelo radiante aerotermia: Funcionamiento

suelo radiante aerotermia

En este artículo conoceremos en profundidad el funcionamiento de los sistemas de calefacción con suelo radiante aerotermia.

En la actualidad se estima que un tercio de la energía consumida en Europa está destinada a calentar agua para cubrir la demanda de ACS (agua caliente sanitaria) y calefacción.

Es por ello que desde la Unión Europea se han adoptado, en los últimos años, medidas que promuevan la reducción del consumo energético basadas todas ellas en el protocolo 20-20-20 que recoge las directivas siguientes:

  • EPBD – Eficiencia energética de los edificios. Aumento en un 20% de la eficiencia energética de los edificios.
  • ErP – Diseño ecológico de los componentes que consumen energía. Reducción en un 20 % de las emisiones de CO2.
  • RES – Uso de fuentes renovables Incremento en un 20 % del uso de las energías renovables.

En la actualidad los sistemas de climatización que mejor relación proporcionan entre ambos conceptos (confort y reducción del consumo energético) son los sistemas radiantes a baja temperatura mediante la termoactivación de las superficies y en combinación con fuentes de energía renovables.

Principio de funcionamiento de calefacción con suelo radiante aerotermia

El principio básico del sistema de calefacción y refrigeración mediante superficies radiantes, consiste en la impulsión de agua a media temperatura (en torno a los 40ºC en invierno y a los 16ºC en verano) a través de circuitos de tuberías plásticas fabricadas principalmente en polietileno.

Estos circuitos se soportan sobre un aislante térmico y quedan recubiertos por una capa de mortero de cemento, que los recubre y sobre la que se coloca el pavimento final el cual podrá ser de tipo cerámico, piedra, madera, linóleo u otros. Cuando el sistema funciona en modo calefacción, se hace circular agua de modo que el calor es cedido al ambiente a través de la capa de mortero y del pavimento, mediante radiación, conducción y en menor grado convección natural. En cambio, cuando funciona en modo refrigeración, el exceso de calor contenido en la estancia se absorbe, a través del pavimento y de la capa de mortero que contiene las tuberías por las que circula agua fría, disipándolo hacia el exterior de la vivienda.

aerotermia - Aerotermia y geotermia en Guadalajara

Confort calefacción radiante

Los sistemas de climatización radiante a baja temperatura, son los sistemas que mejor se ajustan a la emisión de calor del cuerpo humano por radiación, convección y conducción. Se considera que el intercambio ideal de energía entre el ser humano y el entorno que lo rodea supondría: 50% por radiación, 30% evaporación, 15% convección y 5% conducción. Es por ello que parece evidente pensar que para lograr la mayor influencia del sistema de climatización sobre las condiciones de confort se debe recurrir a un sistema radiante dado que es la forma en que el ser humano intercambia un mayor porcentaje de energía. La sensación de temperatura de las personas equivale a la denominada temperatura operativa. Dicha temperatura operativa en el interior de los edificios equivale al valor promedio entre la temperatura del aire y la temperatura radiante media de suelos, techos, paredes, puertas, ventanas, etc.… De tal forma que se podría mantener la temperatura de confort si se interacciona con la temperatura del aire o la temperatura radiante de cada superficie. En invierno, por tratarse de sistemas radiantes en modo calefacción, bastaría con mantener la temperatura del aire y aumentar la temperatura radiante de las superficies de la habitación y, por ende, la temperatura radiante media, lográndose así la temperatura de confort deseada sin necesidad de actuar sobre un gran volumen de aire. En el caso de estar trabajando en modo refrigeración en verano, bastaría con mantener la temperatura del aire y disminuir la temperatura radiante media de dichas superficies y lograr igualmente la temperatura de confort.

Inercia térmica

La inercia térmica es un concepto clave porque nos permite utilizar los elementos constructivos que forman el edificio, como una masa inercial para acumular y disipar la energía en forma de calor, proporcionando condiciones de confort térmico constantes a lo largo de todo el año que minimizan el consumo de energía.

La inercia térmica de una superficie depende de su masa, su densidad y su calor específico, definiéndose entonces como la capacidad que tiene cada superficie a la hora de conservar la energía térmica recibida para posteriormente ir liberándola. Teniendo en cuenta esto, es posible disminuir la potencia máxima del edificio tanto en calefacción como en refrigeración a la hora de lograr las condiciones de confort térmico. Es por ello que podemos decir que un edificio de gran inercia térmica, tienen mayor estabilidad térmica ya que el calor acumulado durante el día se libera en el período nocturno. Lo que conlleva que a mayor inercia térmica, mayor estabilidad térmica. Esto es debido a que la inercia térmica produce dos fenómenos: uno de ellos es la amortiguación en la variación de las temperaturas y otro es el retardo de la temperatura interior respecto a la exterior. Una de las mayores superficies disponibles en un edificio sobre la que podemos actuar es el suelo, el cual cuante además con una gran inercia térmica, que podrá ser aprovechada para amortiguar y retardar la variación de temperatura que se produzca a lo largo del día. Por lo general en los edificios se presentan grandes variaciones de la temperatura interior debido a factores como la radiación solar, infiltraciones de aire en los edificios, etc.… El aprovechamiento de suelos, techos o paredes como elementos acumuladores de energía (inercia térmica) nos permitirá reducir el impacto de las condiciones climáticas externas en el interior del edificio de modo que se mantenga estable la temperatura interior de confort durante todo el día. Como consecuencia y al reducirse dichas variaciones la energía requerida por los sistemas de climatización radiante para proporcionar la temperatura de confort será notablemente inferior en comparación con otros sistemas.

Climatización y confort sin movimientos de aire

La rapidez con la que el aire caliente se traslada hacia las zonas frías es proporcional al gradiente de temperatura existente entre ambas. Si una vivienda cuenta con un sistema radiante a baja temperatura las diferencias de temperatura entre el aire y las superficies de suelos, paredes y de techos serán reducidas, de modo que el efecto de convección del aire no se percibe. No se generan molestias a nuestro cuerpo, ni movimiento de polvo logrando un entorno más higiénico y saludable. Las corrientes de aire en combinación con su alta/baja temperatura, frecuentemente producen enfermedades reumáticas y enfermedades respiratorias. El porcentaje de personas insatisfechas debido a las corrientes de aire viene definido en la norma ISO 7730. Sin olvidar que cuanto mayor sea la diferencia de temperatura de aire, entre el interior y exterior de la vivienda, mayor será el efecto negativo de choque térmico sobre las personas cuando entran o salen de casa.

Ahorro energético

El ahorro energético que se logra con los sistemas radiantes engloba diferentes factores: para alcanzar la temperatura (de confort) operativa deseada, mantendremos la temperatura del aire y aumentaremos o disminuiremos la temperatura de las superficies (según sea el modo de funcionamiento calefacción / refrigeración respectivamente). El aire al tener menor densidad y mayor volumen necesita una mayor energía para poder modificar su temperatura uniformemente, mientras que la temperatura de cada una de las superficies se podrá modificar con un aporte menor de energía por tener mayor densidad y menor volumen. Además, como se reduce la diferencia entre la temperatura del aire interior de la vivienda a y la temperatura del aire exterior, las pérdidas o ganancias energéticas (por cerramientos, por ventilación e infiltración) se reducirán también, dado que son proporcionales a dicho diferencial.

Otro factor de ahorro energético es la reducción de pérdidas o ganancias de calor que se producen desde el cuarto técnico o sala de calderas en una instalación centralizada y hasta los colectores debido a que la temperatura del agua es más moderada durante todo el año y las pérdidas de energía se minimizan

Medios eficientes de intercambio de energía

A diferencia de otros sistemas de climatización cuya forma principal de transmitir la energía es por convención, en el caso de los sistemas radiantes a baja temperatura para que se produzca intercambio de calor por radiación no es necesario ningún tipo de fluido entre los cuerpos, basta con que estén a diferentes temperaturas y uno frente a otro (no es necesario que exista contacto).

El intercambio energético por radiación depende de la cuarta potencia de las temperaturas absolutas de los cuerpos. Aumentar o disminuir en un grado la temperatura de la superficie radiante, significa un factor multiplicador que no se alcanza si variamos la temperatura del aire en un grado.

Sistemas de suelo radiante, método constructivo

Un sistema de suelo radiante aerotermia consiste en la instalación de circuitos de tuberías a través de los cuales se impulsa agua entorno a los 40ºC en calefacción y entorno a los 16ºC en refrigeración. En función de la aplicación, los circuitos se diseñan con una separación entre tubos y van instalados sobre unas planchas aislantes que impiden que el calor se transmita al forjado.

Los circuitos se embeben en una capa de mortero de cemento que puede ser tradicional o autonivelante sobre el cual se coloca el pavi­mento final, que puede ser cerámico, madera, piedra, etc.

El funcionamiento consiste en un mortero que absorbe el calor disi­pado por las tuberías y lo transmite al pavimento superior que, a su vez, emite esta energía hacia las paredes y techos de la habitación me­diante radiación principalmente y en pequeña proporción mediante convección natural.

El método constructivo de un sistema de suelo radiante aerotermia se basa en la instalación de los siguientes materiales:

Film antivapor

El film es una hoja de PE que actúa de barrera ante las humeda­des que pueden filtrarse por capilaridad a través del forjado. Se utiliza en plantas bajas o locales en contacto con el terreno etc.

La cinta o zócalo perimetral

Este componente, absorbe las dilataciones del mortero y evita pérdidas de calor. Se coloca en todo el perímetro de la zona ca­lefactada. Puede ir grapada o con banda autoadhesiva. Además, lleva una hoja de PE que debe colocarse por encima de la plan­cha para evitar posteriormente cuando se vierta el mortero, que se puedan crear puentes térmicos con el forjado.

Plancha aislante

La plancha soporta los circuitos de tuberías y evita en función de su resistencia térmica la transmisión del calor al forjado. Cuanto mayor es la resistencia térmica mayor calidad aislante tiene la plancha. Este dato técnico depende del espesor equivalente, y de la conductividad del material. La capacidad aislante de la plancha influye posteriormente en el cálculo y en la temperatura de impulsión a los circuitos, por lo que un buen aislante supone posteriormente un ahorro al poder bajar la temperatura de impul­sión. El panel es uno de los componentes más importantes junto con la tubería de un suelo radiante. El material más empleado en su fabricación es el poliestireno expandido. En cuanto a la tipolo­gía de las planchas las hay de tetones o mopas y lisas.

Tubería

Las tuberías de suelo radiante son plásticas y se caracterizan en general porque no se ven afectadas por los aditivos del hormigón, tienen poca fuerza de dilatación y fricción, no se ven afectadas por la erosión ni corrosión y son muy flexibles a la hora de instalar y diseñar los circuitos.

El tubo de los circuitos y también entre el generador y el colector debe tener barrera antidifusión de oxígeno conforme a la UNE EN 1264. Los tubos más empleados son el PEX (polietileno reticulado), el multicapa y en menor medida el polibutileno y los diámetros ex­teriores varían, siendo los más habituales en suelo 16 y 20 mm, aun­que existen tubos de menor diámetro para aplicaciones especia­les. A la hora de instalar, se emplean rollos de diferentes medidas. Los más empleados varían en un rango entre 200 y 400 metros.

Colectores

Los colectores pueden ser de latón, o materiales plásticos como la poliamida o la polisulfona, en función de la aplicación que se considere ya sea sólo calefacción o calefacción y refrigeración. Es habitual el uso de colectores con detentores y caudalímetros. En cuanto a su sección el más empleado es el colector de 1” nor­malmente limitado a un caudal determinado y a un número de circuitos, aunque existen de 1 ¼” incluso de mayor sección para aplicaciones industriales

Armarios

Los armarios que alojan los colectores suelen ser de lámina de acero y van equipados con los soportes adecuados para la su­jeción del colector. Lo habitual es montarlos en zonas centradas de la vivienda y donde tenga menos impacto visual, aunque van barnizados y lacados adecuadamente.

Generalmente se sitúan a 40 cm. de suelo terminado

Regulación del suelo radiante aerotermia

Otro componente importante del suelo radiante es una buena regu­lación. Podemos englobar dentro de la regulación por un lado los componentes para independizar estancias y por otro lado los equipos hidráulicos de mezcla y bombeo.

Según el RITE, hay que independizar estancias mediante termostatos y cabezales o actuadores electrotérmicos que abren o cierran el paso del agua a los circuitos y que se disponen en el colector. En ocasiones se independizan zonas o plantas enteras mediante válvulas de zona.

En cuanto a los equipos de mezcla y bombeo los más sencillos esta­blecen una temperatura de impulsión fija mediante una mezcladora mientras que los equipos climáticos impulsan el agua a temperatura variable, en función de la temperatura exterior y mediante una cen­tralita que gobierna el servomotor de una mezcladora con los datos que registra una sonda exterior y/o una sonda ambiente.

Aunque hoy en día las calderas y otros generadores ya trabajan a baja temperatura, existen regulaciones que permiten el control total de la calefacción y la refrigeración, por estancias y con diferentes temperaturas diarias, control de la humedad etc., y donde el usuario puede variar las condiciones ambientales de su vivienda a distancia desde un PC o desde un móvil.

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Mortero

El mortero es el componente emisor final del suelo radiante aerotermia. Antes de su vertido, se debe realizar una prueba de presión que establece la UNE EN 1264 para revisar que no hay ninguna fuga antes de tapar los circuitos. Se realiza como mínimo a 6 bar (UNE EN 1264)  y considerando también las indicaciones del fabricante en cuanto al valor máximo de la presión.

En función del tipo de mortero, el tiempo de fraguado es variable, pero conviene no acelerar su secado para evitar deshidrataciones que pueden dar lugar a pérdidas de capacidad portante del mortero y su posterior fracturación por abarquillamiento. Si se quiere acelerar el secado del mortero se debe consultar con el fabricante.

Sistemas tradicionales, obra nueva

Considerando la estructura de la capa emisora y las características del edificio o vivienda que se deben climatizar, se pueden utilizar diferentes tipos de aislamientos y separaciones entre tubos que definen lo que pode­mos llamar un sistema estándar de suelo radiante aerotermia tradicional.

Podemos diferenciarlos entre ellos principalmente por el tipo panel aislante y el tipo y diámetro de tubería, siendo los colectores de dis­tribución normalmente de 1” de sección y los circuitos de longitudes inferiores a 115 metros lineales para evitar caídas de presión elevadas que puedan suponer un problema de bombeo o con el generador.

En tuberías, la más extendida es el polietileno reticulado (PEX) con ba­rrera antidifusión de oxígeno. También se instala tubería multicapa y en menor medida otros tubos como el polibutileno, estos materiales son los que contempla la normativa del suelo radiante aerotermia UNE EN 1264 y también los más utilizados.

  • Locales calefactados inferiormente 0,75 m² K/W o mayor.
  • Locales sin calefactar o calentados intermitentemente por debajo, adyacente o directamente sobre el suelo. Locales situados R>1,25 m²K/W e
  • Situaciones con otras exigencias con temperaturas extremas como locales en voladizo con temperaturas exteriores entre -5 y -15ºC la norma UNE 1264-4 exige resistencias térmicas superiores a R>2,00 m²K/W.
  • Sistema de suelo radiante aerotermia con paneles lisos. En rollos o planchas unitarias, igualmente de poliestireno expandido y protegidos en la parte superior por un recubrimiento impermeable según norma­tiva (UNE EN 1264) con diferentes métodos de sujeción del tubo.

En reformas o renovación de edificios, el tema del espesor que ocupa un suelo radiante supone la utilización de otro tipo de componentes que reduzcan inicialmente el espesor de un suelo radiante aerotermia tradicional.

Uno de los sistemas más extendidos es el denominado por muchas marcas como suelo seco o suelo sin mortero, dónde se sustituye el mortero por otro emisor que puede ocupar menor espesor como las planchas de acero o bien las placas de fibra de yeso.

Estos sistemas se caracterizan por planchas aislantes que llevan en­samblados internamente difusores de acero que soportan el tubo de forma que no sobresale de la plancha. Encima se coloca en lugar de mortero planchas de acero o placas de fibra de yeso. Al mismo tiempo que reducen espesor, estos sistemas pesan menos, por lo que se pueden adaptar a forjados construidos con vigas de madera y que no soportan el peso del mortero de cemento.

También existen otros sistemas con planchas de bajo perfil, que reducen el espesor total del suelo radiante aerotermia con la utilización de morteros autonivelantes especiales que garantizan un buen comportamiento con secciones inferiores. Mientras se exige para un mortero de cemento tradicional un espesor mínimo de 45 mm por encima del tubo, según normativa, con morteros autonivelantes de base anhidrita, sulfato cálcico y aditivos especiales se puede rebajar a 30 mm incluso menos, pues existen morteros especiales en el mercado garantizados para trabajar con espesores de solo 15 mm por encima del tubo.

En estas soluciones se debe analizar los aislamientos existentes de los forjados. Otras opciones que pueden utilizarse son los sistemas sin aislamiento, de cota cero o portatubos. Estos sistemas ocupan muy poco espesor, se debe estudiar su aplicación pues son soluciones que no llevan ais­lamiento, por lo que hay que tener en cuenta las condiciones de la zona a calefactar.

Suelo radiante por generación con aerotermia o geotermia

Tanto la aerotermia y la geotermia son tecnologías basadas en el uso de bombas de calor. Las bombas de calor resultan muy interesantes porque son capaces de transportar más calor que la energía eléctri­ca que consumen. No son generadores de calor, sólo lo transportan. Por eso, aparentemente, tienen un rendimiento superior a la unidad.

Estos equipos tienen varias cuestiones a tener en cuenta cuando se utilizan junto con sistemas de suelo radiante:

  • Las bombas de calor suelen tener una temperatura de impulsión máxima de unos 60ºC. Esto se debe a una limitación tecnológica debida a los refrigerantes que actualmente se utilizan. Temperaturas superiores supondrían presiones demasiado altas en el circuito del condensador.
  • Las bombas de calor trabajan con saltos térmicos bajos y caudales altos.
  • Las bombas de calor suelen ser reversibles, por lo que pueden dar calefacción en invierno y refrigeración en verano.

Estas dos características hacen que el suelo radiante sea un emisor perfectamente adaptado a los requerimientos de las bombas de calor. El suelo radiante es un emisor de baja temperatura, que trabaja con grandes caudales y bajo salto térmico y que además puede funcionar como sistema de refrigeración.

Los esquemas con bomba de calor para suelo radiante aerotermia no suelen necesitar válvula mezcladora. La bomba de calor genera directamente a la temperatura necesaria para el suelo radiante.

Las bombas de calor por aerotermia o geotermia, suelen requerir de un volumen mínimo de agua en la instalación. Necesitan tener energía suficiente acumulada en la instalación del suelo radiante aerotermia como para hacer desescarches lo suficientemente rápidos. Este volumen varía según los fabricantes de 3 a 5 litros por cada kW de la bomba de calor. Este volumen de agua es necesario en todas las ocasiones, de manera que hay que buscar siempre la opción más desfavorable. Si la instalación dispone de válvulas de zona, el cálculo del volumen hay que hacerlo suponiendo que sólo hay una zona abierta, la más pequeña.

Esto nos lleva en muchas ocasiones a instalar depósitos de inercia entra la bomba de calor y el suelo radiante. Estos depósitos hacen también de botella de equilibrado que nos permite poner una bomba circuladora adaptada para el suelo radiante.

Morteros

Desde el punto de vista de las aplicaciones para suelo radiante aerotermia, el parámetro más significativo de los morteros es la conductividad térmica, que establece la cantidad de calor que puede atravesar el mortero (W/mK). Las conductividades de referencia indicadas por la EN-1264.

A mayor conductividad, mayor será la facilidad con la que el calor circula y, por tanto, menor la temperatura necesaria del agua en el circuito hidráulico, lo que puede suponer un gran ahorro de energía. Esto es así porque los equipos de producción de agua caliente para sistemas radiantes, ya sean calderas de condensación, bombas de calor aerotérmicas, o bombas de calor geotérmicas, mejoran su rendimiento al disminuir la temperatura de preparación del agua, lo que se traduce en una disminución del consumo de energía y del correspondiente gasto.

Pavimentos con aerotermia

Los suelos radiantes emiten calor gracias a su capacidad de aumentar la temperatura superficial del suelo respecto a la del ambiente. Esta temperatura está limitada a 29ºC por la norma de referencia EN- 1264, temperatura con la que se pueden conseguir emisiones térmicas de hasta 100W/m2 en ambientes a 21ºC.

Es posible revestir el suelo radiante aerotermia con cualquier material que permi­ta alcanzar las temperaturas superficiales deseadas, siendo necesario determinar en cada caso, y en base a las conductividades de los materiales, las temperaturas necesarias de impulsión del agua a los circuitos radiantes mediante los métodos de cálculo propuestos por la norma.

Según la EN 1264, las resistencias térmicas de los pavimentos varían entre los siguientes valores:

  • Cerámicos o de piedra 0.02-0.05 m2K/W según espesor
  • Sintéticos 0.10-0.2 m2K/W según espesor
  • Maderas 0.15-0.2 m2K/W según espesor
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