Componentes Principales de una Instalación de Calefacción

La calefacción es un sistema diseñado para generar calor y mantener o elevar la temperatura de un espacio o individuo. Desde una perspectiva técnica, una instalación de calefacción comprende un conjunto de aparatos y accesorios instalados en un local específico para lograr y mantener condiciones de confort térmico.

Las instalaciones de calefacción constan de tres elementos fundamentales:

• Generación: Calderas.
• Distribución: Tuberías con fluido caloportador.
• Emisión: Radiadores.

Los elementos o equipos auxiliares incluyen: circulador o bomba, manómetros, elementos de regulación del sistema, vaso de expansión y dispositivos de seguridad.

Tipos de Sistemas de Calefacción

Se clasifican según el número de usuarios y el tipo de fluido caloportador.

Según el Número de Usuarios

• A- Calefacción individual: Suministra a un único usuario. Son instalaciones de calefacción y/o ACS (Agua Caliente Sanitaria). Generalmente, consisten en calderas individuales de gas y distribución de agua caliente por radiadores.
• B- Calefacción colectiva: Suministra a varios usuarios. Normalmente, tienen un único elemento de generación ubicado en la sala de calderas y emisores en cada vivienda. Como fluido caloportador se utiliza agua o vapor de agua.
• C- Calefacción centralizada: Se utiliza para calentar varios edificios, manzanas o incluso zonas. Consta de una central térmica con varios generadores que, mediante intercambiadores, transmiten calor a un fluido secundario, usualmente agua, que llega a los radiadores.

Según el Fluido Caloportador

• A- Por agua caliente: Es el más común en calefacción y ACS. El agua se calienta en la caldera, se distribuye por las tuberías a los radiadores, que disipan calor por convección al local, y luego retorna a la caldera.
• B- Por vapor de agua: El agua se calienta en la caldera hasta convertirse en vapor, que luego se distribuye por las tuberías hasta los emisores. Se utiliza en grandes empresas industriales, a menudo aprovechando energías residuales.
• C- Por aire caliente: El aire caliente es impulsado por un ventilador. Se utiliza en locales o industrias amplias, con distribución mediante conductos. El inconveniente es que el aire caliente tiende a situarse en la parte superior del local debido a la diferencia de densidades.

Este documento se centrará en las instalaciones de agua caliente con emisión por radiadores.

Calderas: La Fuente de Calor

Es la fuente de calor de la instalación. Mediante la quema de combustible o por resistencias eléctricas, se genera energía calorífica que se transmite al fluido caloportador. La transferencia de calor en la caldera se produce por conducción, convección y radiación.

Tipos de Calderas

Según el Material de Fabricación

• A- Calderas de hierro fundido: Pueden utilizar cualquier tipo de combustible, resisten bien la corrosión y tienen una larga vida útil. Inconvenientes: son pesadas y frágiles ante cambios bruscos de temperatura.
• B- Calderas de acero: Fabricadas en acero. Son más económicas que las de fundición, pero resisten peor las condensaciones y la corrosión. Suelen ser pirotubulares (con muchos tubos para aumentar el intercambio de calor).
• C- Calderas de aluminio: Fabricadas con una aleación de aluminio y silicio. Se utilizan a menudo en calderas de condensación.
• D- Calderas de materiales especiales: Utilizan cobre, aluminio y acero inoxidable para evitar la corrosión y prolongar la vida útil. Son comunes en calderas murales de gas.

Según el Combustible Utilizado

• A- Combustible sólido: Utilizan leña, carbón o biomasa. El uso del carbón está prohibido desde 2012 por emisiones contaminantes. Las más utilizadas hoy en día son las de biomasa o pellets, con sistemas de eliminación de residuos y alimentación.
• B- Combustible líquido: Emplean gasóleo C. Suelen ser calderas de pie (colocadas directamente sobre el suelo). Se utilizan para calefacción y mixtas (calefacción + ACS).
• C- Combustibles gaseosos: Utilizan gas natural o GLP (gases licuados del petróleo). Pueden ser calderas de pie o murales. Son muy comunes en la actualidad.
• D- Calderas eléctricas: El fluido caloportador se calienta mediante el efecto Joule, producido por resistencias eléctricas. Ventajas: son limpias y la electricidad es fácilmente disponible. Inconvenientes: bajo rendimiento y alto coste de la electricidad.

Según el Tipo de Cámara de Combustión

• A- Atmosférica o de cámara abierta: La cámara de combustión toma aire del local donde está situada la caldera. La evacuación de gases se realiza mediante un tubo con cortatiro. Su rendimiento es bajo y suponen un riesgo, ya que pueden verter gases tóxicos. Su adquisición está prohibida desde 2010.
• B- Caldera estanca: La combustión se realiza en una cámara cerrada, independiente de la habitación. Toma el aire del exterior mediante un doble tubo concéntrico que permite la salida de gases y la entrada de aire. Son de tiro forzado, con mayor rendimiento y seguridad.

Según su Propósito

• Calderas de condensación: Calderas estancas donde el vapor de agua de los humos de combustión pasa por un serpentín que intercambia calor con el fluido caloportador. El vapor cede su calor latente, condensando y pasando a estado líquido. Los condensados se recogen y expulsan. Mejoran el rendimiento (más del 10%). Operan a bajas temperaturas (emisión 50ºC, retorno 40ºC) y requieren sistemas de calefacción que trabajen a bajas temperaturas, como suelos radiantes.
• Calderas de bajo NOx: Calderas estancas con un diseño especial en el sistema de combustión para reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno.
• Calderas de baja temperatura: La temperatura de retorno es de aproximadamente 40ºC, frente a los 70ºC de las convencionales. Tienen un rendimiento superior.
• Calderas de ACS:
  • Instantánea: Calientan el agua a medida que surge la demanda. No hay consumo de combustible mientras no se requiere agua caliente. Comunes en viviendas unifamiliares, con potencias entre 25 y 35 kW.
  • ACS por acumulación: Se utiliza un acumulador de agua caliente adicional, recomendado para viviendas que requieren calderas de mayor potencia.

Emisores

Son los elementos encargados de disipar el calor al ambiente del espacio a calefactar.

Tipos de emisores:

1. Radiadores: de hierro fundido, de acero, de aluminio, de cuarto de baño y paneles de acero.
2. Convectores.
3. Aerotermos.

Radiadores de Hierro Fundido

Los elementos se unen mediante manguitos. Características:

• Elevado peso y gran inercia térmica.
• Larga vida útil (resisten bien la corrosión).
• Buena capacidad de emisión.

Radiadores de Acero

Fabricados en chapa de acero estampada en bloques. Características:

• Más ligeros.
• Menor resistencia a la corrosión y menor vida útil.
• Menor inercia térmica y menor capacidad de emisión.

Paneles de Acero

Formados por dos chapas planas de acero soldadas. Similares a los radiadores de acero, pero necesitan mayor superficie para la misma potencia calorífica.

Radiadores de Aluminio

Formados por elementos modulares unidos por manguitos. Muy utilizados por:

• Ligereza, larga duración, baja inercia térmica, elevada capacidad de emisión y diseño elegante.
• Inconveniente: deben ser purgados porque el aluminio reacciona con el agua, creando hidrógeno que debe ser extraído.

Radiadores de Cuarto de Baño

Con doble función: secar toallas y calentar el baño. Fabricados con tubos de aluminio o acero.

Elementos Comunes de un Radiador

• Llave de regulación o reglaje: Regula la cantidad de agua que circula, permitiendo ajustar la potencia del radiador. Existen válvulas termostáticas que regulan la entrada de agua según la temperatura ambiente.
• Detentor: Permite, junto con la válvula de reglaje, separar el radiador del circuito hidráulico sin necesidad de vaciarlo.
• Purgador: Elimina el aire o gas del interior del radiador. Se coloca en la parte superior. Pueden ser manuales o automáticos.

Instalación Hidráulica de Radiadores

• Instalación monotubular: La salida de un radiador se conecta a la entrada del siguiente. Los últimos radiadores deben estar sobredimensionados.
• Instalación bitubular: La más utilizada en calefacción doméstica. Los radiadores tienen dos tomas: entrada de agua desde la caldera y salida hacia la caldera. Se recomienda colocar las tomas en lados opuestos para mejor rendimiento.
• Instalación bitubular con retorno invertido: Para evitar mayor pérdida de carga en los últimos tramos, la tubería de ida y retorno tienen la misma longitud. Mejora el equilibrado de presiones.

Convectores

Emisores con una batería de tubos de cobre o aluminio con aletas, por cuyo interior circula agua caliente. El aire entra por las aletas y sale por la parte superior por convección natural.

Aerotermos

También llamados fancoils. Similares a un convector, pero con un ventilador para convección forzada. Pueden ser alimentados por agua caliente (calefacción) o agua fría (refrigeración). Comunes en grandes locales, con colocación en suelo, techo o paredes.

Cálculo de la Carga Térmica de Calefacción

La carga térmica de calefacción es el conjunto de las pérdidas de calor totales en el local a calefactar. Su cálculo determina la potencia calorífica de los equipos a instalar.

Cálculo de la carga térmica total:

1. Cargas térmicas por transmisión a través de cerramientos.
2. Cargas térmicas por ventilación y filtraciones.
3. Cargas térmicas suplementarias (f).

Q total = (Q transmisión cerramiento + Q ventilación y filtración) x (1 + f)

Cargas Térmicas por Transmisión a Través de Cerramientos

Q transmisión cerramiento = S x K x ΔT

• S = Superficie (m²)
• K = Coeficiente de transmisión térmica (kcal / h x m² x ºC)
• ΔT = Temperatura interior del local – Temperatura exterior

Para la determinación de las temperaturas exteriores de cálculo, se utiliza la norma de condiciones climáticas para proyectos.

Carga Térmica por Ventilación e Infiltraciones

Pérdidas térmicas por entradas de aire frío al abrir cerramientos e infiltraciones (rendijas de ventanas y puertas).

Q ventilación/infiltración = V x Ce x Pe x N x ΔT

• V = Volumen del local (m³)
• Ce = Calor específico del aire (kcal/kg ºC)
• Pe = Peso específico del aire (kg/m³)
• N = Número de renovaciones de aire por hora
• ΔT = Diferencia de temperatura entre el interior y el exterior (ºC)

Cargas Térmicas Suplementarias

Factores que consideran aspectos adicionales que pueden influir en las pérdidas de calor.

1. Factor de orientación:
   • Oeste: 4%
   • Noroeste: 8%
   • Norte: 15%
   • Noreste: 10%
   • Este: 8%
   • Sureste: 0%
   • Sur: 0%
   • Suroeste: 0%
2. Factor de intermitencia: Considera los periodos en los que la calefacción está apagada.
   • A- Calefacción sin interrupción con reducción nocturna: 7%
   • B- Calefacción con interrupción de 9 a 11 horas al día: 12%
   • C- Calefacción con interrupción con paros de calderas de más de 11h: 25%
3. Factor de altura: En edificios altos (a partir de 10 pisos), se aplica un suplemento en las últimas plantas (aproximadamente 2% por cada metro de altura). También se considera en locales con altura superior a 2 metros debido a las corrientes de convección.

Tr = Ts + 0.05 x Tl x (h - 3)

• Tr: Temperatura resultante
• Ts: Temperatura de consigna
• Tl: Diferencia entre la temperatura interior y exterior
• h: Altura del local en metros

Dimensionamiento de los Emisores

Una vez conocida la carga térmica, se selecciona el número de elementos de un tipo de radiador.

Salto térmico: Diferencia entre la temperatura media del radiador y la temperatura ambiente del local.

Tm = (Te + Ts) / 2

Salto térmico = Tm - Tambiente

Los fabricantes proporcionan fichas técnicas con el salto térmico medio (unos 50ºC). Si la temperatura media o ambiente es distinta, se debe calcular la potencia calorífica para el nuevo salto térmico.