Componentes y Tipos de Sistemas de Calefacción: Calderas, Emisores y Cálculo Térmico

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.

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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.