Tema 52 – Instalaciones de calefacción – elementos componentes y su funcionamiento

Tema 52 – Instalaciones de calefacción – elementos componentes y su funcionamiento

1. INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2

2. INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN ………………………………………………………………………………………………………. 2

2.1. MÉTODOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR …………………………………………………………………………………………….. 2

2.2. VARIABLES PRINCIPALES …………………………………………………………………………………………………………………… 2

2.3. CÁLCULO DE LA CARGA DE CALEFACCIÓN ………………………………………………………………………………………. 2

2.4. TIPOS DE COMBUSTIBLES …………………………………………………………………………………………………………………… 3

3. TIPOS DE INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN Y FUNCIONAMIENTO. ………………………………………………. 3

3.1. CALEFACCIÓN POR AGUA CALIENTE …………………………………………………………………………………………………. 3

3.2. CALEFACCIÓN POR AIRE CALIENTE …………………………………………………………………………………………………… 3

3.3. CALEFACCIÓN POR VAPOR …………………………………………………………………………………………………………………. 4

3.4. CALEFACCIÓN ELÉCTRICA …………………………………………………………………………………………………………………. 4

3.5. CALEFACCIÓN POR COMBUSTIÓN ……………………………………………………………………………………………………… 5

3.6. CALEFACCIÓN POR BOMBA DE CALOR………………………………………………………………………………………………. 5

3.7. CALEFACION POR ENERGIA SOLAR ……………………………………………………………………………………………………. 6

4. ELEMENTOS COMPONENTES DE UN CIRCUITO DE CALEFACCIÓN ………………………………………………….. 6

5. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS ……………………………………………………………………………………………………………… 7

6. CONCLUSIÓN …………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 7

Bibliografía.

Prontuario de calefacción, ventilación y aire acondionado. Marcombo

Reglamento e instrucciones técnicas de la instalación de calefacción. MOPU.

Calefacción y agua caliente sanitaria. AMV ediciones.

1. INTRODUCCIÓN

Las instalaciones de calefacción se llevan a cabo para acondicionar el aire a las condiciones que deseamos. Así, conseguimos disponer en un determinado recinto de unas ciertas condiciones de temperatura, humedad relativa, etc., es decir, de unas condiciones de confort.

Las instalaciones de calefacción pueden ser de muchos tipos: calefacción por agua caliente, vapor, aire caliente, eléctrica, etc. En cada uno de estos tipos existen unos componentes que hacen posible su instalación. Debido a lo extenso del tema, vamos a intentar dar una visión general de cada uno de estos tipos de calefacción, sus componentes y circuitos característicos.

2. INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN

Las instalaciones de calefacción que vamos a estudiar dependen de un determinado número de variables, así como de los métodos de transmisión de calor y del cálculo de la carga de calefacción.

2.1. MÉTODOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

El calor se puede transmitir de 3 formas diferentes y simultaneas que son, conducción, convección y radiación.

1.-Conducción es el paso del calor del cuerpo de mayor temperatura al de menor, por simple contacto.

2.-Convección donde un fluido al calentarse disminuye su densidad y asciende, produciéndose unas corrientes ascendentes de masa caliente y otras descendentes de masa fría.

3.- Radiación que es el calor debido a la emisión de ondas electromagnéticas de los cuerpos calientes.

2.2. VARIABLES PRINCIPALES

Las variables principales para determinar en un sistema de calefacción son: temperatura, humedad relativa y grado de circulación del aire.

Temperatura: aunque cada persona es diferente, se estima como temperatura confortable la que se encuentra entre 22 y 27ºC.

Humedad relativa: los valores de comodidad o de confort son en torno al 50%.

Grado de circulación del aire: las condiciones óptimas de calefacción se entienden sin apenas circulación del aire, ya que dicha circulación acelera los procesos de convección, radiación y evaporación.

2.3. CÁLCULO DE LA CARGA DE CALEFACCIÓN

Para calcular el sistema de calefacción necesario en un determinado recinto es necesario calcular la carga de calefacción a vencer con nuestro sistema. Para ello se evalúan las pérdidas de calor existentes en el recinto durante los meses de invierno. Las pérdidas se dividen en dos tipos: pérdidas por transmisión y pérdidas por infiltración.

Pérdidas por transmisión: son las que tiene lugar a través de los elementos constructivos, tales como los muros, cristales, etc.

La Ley de Fourier relaciona la cantidad de calor que pasa a través de un material que separa dos medios a diferentes temperaturas y su expresión es Q = S K ⋅ Δt , donde Q es la cantidad en Kcal/h, S la superficie en m2, k el coeficiente de transmisión de calor y ∆t la diferencia de temperatura exterior-interior en ºC.

Pérdidas por infiltración del aire que son las que se producen por la entrada de aire desde el exterior al interior del recinto a través de los cerramientos, dada por la expresión

Q = V Ce Pe n ⋅ Δt , siendo Q el calor en Kcal/h, Ce el calor específico del aire, Pe el peso específico del aire, n el número de renovaciones de aire por hora y ∆t la diferencia de temperatura exterior-interior

2.4. TIPOS DE COMBUSTIBLES

Los tipos de combustibles usados en calefacción son sólidos, líquidos o gaseosos. Los sólidos como el carbón y la leña han perdido utilidad. De los líquidos el más usado es el Gasóleo C a nivel doméstico y de los gaseosos disponemos del gas ciudad, del gas natural y de los gases licuados del petróleo como butano y propano que se suministra en botellas de 12,5 Kg o 35 kg.

3. TIPOS DE INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN Y FUNCIONAMIENTO.

Los tipos de instalaciones de calefacción más importantes son los siguientes: calefacción por agua caliente, calefacción por aire caliente, calefacción por vapor, calefacción eléctrica y calefacción por combustión.

3.1. CALEFACCIÓN POR AGUA CALIENTE

Este es el sistema de calefacción más implantado ya que es el utilizado en la mayoría de las viviendas. Su funcionamiento consiste básicamente en calentar agua en una caldera y hacerla circular por tuberías y radiadores.

En la caldera se quema el combustible que puede ser gasóleo, gas natural, propano calentando el agua. En dicha caldera tendremos un termostato, un manómetro y una válvula de seguridad para controlar la temperatura y presión del agua, así como una chimenea para la salida de los humos de la combustión.

El agua caliente, y con una cierta presión para evitar la formación de vapor, se hace circular mediante una bomba. Al ir pasando por las tuberías y los radiadores el agua se va enfriando y vuelve a la caldera.

La instalación debe llevar purgadores de aire para eliminar las bolsas de aire y permita circular el fluido. La instalación puede se bitubo o monotubo. En el bitubo, hay dos tubos uno de entrada de agua caliente por la parte superior y otro de retorno a la caldera. En el monotubo sólo existe uno con las 2 funciones.

Además de los sistemas convencionales de calefacción por agua caliente, existen estos dos:

1. Calefacción por paneles radiantes, en este caso los sistemas de calefacción se sitúan en el techo, suelos o muros. Favorece el mantenimiento de una temperatura adecuada. Dado que la temperatura en los paneles no excederá de los 50ºC, se evita la aparición de grietas. Se dispone de superficies en cuyo interior van colocadas redes de tuberías de calefacción en forma de serpentines y emparrillados.

2. Calefacción por agua caliente bajo presión, en este caso se utiliza para redes de grandes dimensiones o longitudes en horizontal y pequeñas variaciones en altura, como locales comerciales, naves industriales, etc. En este caso la temperatura del agua puede ascender hasta unos 150ºC, manteniéndose en estado líquido debido a una presión de unas 4 atmósferas.

3.2. CALEFACCIÓN POR AIRE CALIENTE

Este sistema de calefacción es más reciente que las calefacciones de agua caliente. Consiste en expulsar aire caliente por un aerotermo al lugar deseado situados en la pared en lugar alto. La instalación tiene dos partes diferenciadas:

1. Producción de agua caliente que consta de un filtro para la recogida del aire limpio y de una batería de calor donde se eleva la temperatura de dicho aire, un ventilador que impulsa el aire calentado y un circuito primario por donde circula el agua caliente que va hasta la batería y calienta el aire.

2. Conductos de aire donde tendremos una instalación con conductos de impulsión y de retorno. Los conductos de impulsión se instalan en el techo mientras que los de retorno se sitúan en la pared y a menos altura. Los elementos más importantes de este sistema de distribución son los propios conductos, realizados en chapa metálica y unidos por soldadura, los distribuidores que impulsan el aire que llega por los conductos y las rejillas de retorno que recogen el aire y lo llevan hacia el exterior.

En muchos casos, en localidades con escasas necesidades de calefacción y amplias necesidades de aire acondicionado, este sistema de calefacción es la utilización reversible de un sistema de aire acondicionado, es decir, con bomba de calor.

3.3. CALEFACCIÓN POR VAPOR

Los sistemas de calefacción por vapor son similares a los de agua caliente, con la diferencia de que circula vapor por las tuberías y radiadores en lugar de agua caliente. Así, tenemos una caldera que produce vapor de agua y unas tuberías por donde se transporta hasta los distintos lugares del edifico. Finalmente, el vapor se condensa en los radiadores y transmite su calor latente, mientras que el vapor pasa a estado líquido y sigue hacia la caldera por la tubería de retorno.

Existen 3 sistemas principales de calefacción por vapor:

1. Sistema de vapor por orificios de aireación: basados en que la fuerza de la gravedad obliga al vapor condensado en el radiador a bajar a la caldera por la misma tubería por la cual sube el vapor a los radiadores. Este sistema es el más barato, pero los conductos deben ser bastante anchos para albergar el vapor y recoger el condensado.

2. Sistemas de vaporización: son sistemas de dos tuberías en los que el vapor se introduce en el radiador por una válvula de admisión, y el aire y el condensado se liberan por un purgador de vapor. El aire se descarga a través de un orificio y el agua vuelve a la caldera. Estos sistemas requieren una instalación más costosa que los de una tubería, pero resultan más económicos porque pueden trabajar con mucho menos combustible.

3. Sistemas de vacío: se parecen a los de vaporización en que cada radiador tiene una válvula de entrada y un purgador de vapor, pero incorporan una bomba de vacío en la tubería de retorno a la caldera, que mantiene un vacío parcial en el sistema para que el vapor, el aire y el condensado circulen con mayor facilidad.

3.4. CALEFACCIÓN ELÉCTRICA

Son las que utilizan la electricidad como fuente de energía basadas en el efecto Joule de la electricidad.

Existen numerosos sistemas y aparatos de calefacción eléctrica que, según sea su funcionamiento, se clasifican dentro de estas 3 categorías: Calefacción directa, Calefacción por acumulación y Calefacción mixta.

Calefacción directa: cuando el calor se produce y se emite al ambiente simultáneamente. Se incluyen en esta categoría los convectores, radiadores de aceite, placas solares, etc. Si nos centramos en los convectores, diremos que son aparatos que

disponen de una resistencia eléctrica situada en la parte inferior, por donde se produce la entrada de aire. En contacto con la resistencia, el aire se calienta y se pone por sí solo en circulación, cediendo su calor a la habitación.

Calefacción por acumulación: cuando el calor se produce y almacena durante un determinado período de tiempo y se emite al ambiente posteriormente. Comprende los aparatos acumuladores, cuyo funcionamiento está previsto para aprovechar la tarifa nocturna. Son aparatos que tienen como misión el almacenamiento de calor durante la noche y una restitución del mismo a lo largo del día, a medida que las necesidades de calefacción lo requieren. Estos aparatos están constituidos por 4 elementos:

– Núcleo acumulador de material refractario con gran capacidad de almacenamiento de calor has 700 ºC.

– Resistencia eléctrica, inmersas en el núcleo acumulador, que caliente el mismo.

– Aislamiento térmico, para conservar el calor acumulado en el núcleo, además de impedir que las temperaturas superficiales del aparato sobrepasen las permitidas de 90ºC.

– Sistemas de seguridad y control, para asegurar que la carga y descarga de calor se realicen en óptimas condiciones.

Existen dos tipos de acumuladores:

1.- Acumuladores estáticos que disponen de una entrada de aire por la parte inferior y una rejilla de salida por la parte superior, de forma que el aire de la habitación pueda circular a través del núcleo y calentarse a su paso por el mismo.

2.- Acumuladores dinámicos donde el aire circula a través del núcleo acumulador forzado por medio de un ventilador y se impulsa a la habitación por una rejilla de salida situada en la parte inferior.

Calefacción mixta: combina equipos de calefacción directa y de acumulación. Lo normal son instalaciones eléctrica de calefacción base+apoyo, consistente en dos instalaciones complementarias de producción de calor. Generalmente el sistema base es el de suelo radiante y el de apoyo es una calefacción por medio de convectores. Este sistema proporciona un alto nivel de confort y es más apropiado para obra nueva que para edificios existentes.

Como se ha comentado, el auge actual de la calefacción eléctrica va estrechamente unido con la utilización de la denominada tarifa nocturna. El consumo de la energía eléctrica no es uniforme a lo largo del día, sino que existe una demanda máxima en determinadas horas diurnas, llamadas horas punta, y una mínima durante la noche, denominas horas valle. Con el fin de aprovechar eficazmente el sistema eléctrico, interesa limitar o reducir los puntos de demanda mediante un transvase del consumo diurno a la noche, y para fomentarlo existe una modalidad de tarifa eléctrica, la tarifa nocturna, que redunda en beneficio del usuario y de la comunidad. La tarifa nocturna interesa especialmente a aquellos clientes que disponen de calefacción eléctrica.

3.5. CALEFACCIÓN POR COMBUSTIÓN

La calefacción por combustión es el sistema más antiguo que conocemos. Consiste en calentarse por medio del fuego. Dentro de este tipo de calefacciones distinguimos fundamentalmente la chimenea, las estufas, aparatos portátiles, etc.

Chimeneas: consisten en una hoguera encerrada por 3 paredes de ladrillo y cornado por una campana y un tubo de salida de humos. En el fuego hay una parrilla que se utiliza para quemar el combustible. El calor útil que proporcionan las chimeneas es la emisión directa de calor que irradia el combustible al quemarse y la irradiación indirecta de calentamiento de las paredes que la encierran.

Estufas fijas: son recipientes cerrados en cuyo interior se quema el combustible. La superficie está en contacto con el aire de la habitación y transmite el calor por convección. Como combustible se puede emplear madera, carbón o queroseno.

Estufas móviles o calentadores: son generadores de calor de tipo puntual, distinguiéndose dos tipos. Por infrarrojos y por combustión catalítica. Las primeras utilizan quemadores de cerámica, el cual al ponerse al rojo emite calor por radiación principalmente. Las estufas catalíticas se basan en la combustión a baja temperatura corregida en presencia del catalizador.

3.6. CALEFACCIÓN POR BOMBA DE CALOR

Esta calefacción consiste en un sistema de bombeo de energía desde el exterior al interior del edificio. Está formada por un compresor, un condensador, una turbina y un evaporador por donde circula un fluido que cambia de estado y es movido por el compresor. También puede ser usado como aire acondicionado porque dispone de una válvula reversible que invierte las funciones del evaporador y del condensador.

3.7. CALEFACION POR ENERGIA SOLAR

Esta instalación debe tener en cuenta la orientación al sol y las aberturas del local. Para acondicionar un local se puede usar los muros Tromba que son unos cerramientos de fachada de color negro y con una cámara de aire y un cristal por fuera. Con esto muros se calefacta la zona por medio de unos agujeros de entrada y salida.

También se puede utilizar en lugares cálidos, colectores solares para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye para acondicionar el local.

4. ELEMENTOS COMPONENTES DE UN CIRCUITO DE CALEFACCIÓN

Según los distintos tipos de calefacción instalados existirán unos componentes determinados, así por ejemplo, tenemos:

Calefacción por agua: caldera, termostato, manómetro, válvula de seguridad, chimenea, vaso de expansión, tuberías, purgadores, radiadores, valvuleria, etc.

Calefacción por aire: batería de calor, bomba de agua, vaso de expansión, valvuleria, ventilador, conductos difusores, rejillas de retorno, fan – coils, etc.

Calefacción eléctrica: convectores, acumuladores, estufas, etc.

Un estudio completo de estos elementos es imposible hacerlo aquí por su extensión, por lo que procederemos a una breve mención de los elementos más destacados.

1. Caldera, en ella se produce calor al quemar el combustible, que será absorbido por el agua que circula por un intercambiador. Las calderas pueden ser de tiro natural, si el aire entra por una chimenea, o forzado, si el aire se impulsa por medio de un ventilador. Además, pueden se de combustible sólido, de fluidos o eléctricas. El elemento común de una caldera es el hogar donde se produce la combustión y otros elementos son, el termómetro, termostato de regulación, de seguridad, visor de llama, termómetro de combustible, etc.

2. Quemadores: van acoplados a la caldera y son los que producirán la quema del combustible en contacto con el comburente. Pueden ser quemadores de gasificación o de pulverización.

3. Termostato: controla la temperatura del agua y en función de ella conecta y apaga la caldera.

4. Manómetro: sirve para determinar la presión en el interior de circuito de agua y poder controlar el mismo.

5. Válvula se seguridad: tarada a una determinada presión, que si es superada abre el circuito, para proteger la instalación.

6. Vaso de expansión: para absorber las posibles dilataciones que sufra el agua al calentarse.

7. Purgadores: se encargan de evacuar el aire contenido en el agua.

8. Radiadores: ponen en contacto el circuito de agua caliente con el ambiente a calentar.

9. Tuberías: suelen ser de cobre y la unión entra ellas se realiza por medio de la soldadura.

10. Bomba de agua: su función es facilitar la circulación del agua por las tuberías.

11. Batería de calor: es la encargada de calentar el aire que vamos a impulsar a la habitación.

12. Circuito primario: es el circuito que produce agua caliente y la lleva a la batería de calor.

13. Ventilador: su función es la de impulsar el aire que la batería de calor ha calentado.

14. Difusores de aire: su función es la de impulsar el aire caliente al recinto que se quiere calentar.

15. Fan coil: son equipos individuales de calefacción por aire con salida al exterior.

16. Acumulador: su función es almacenar el calor para después irlo cediendo en el momento de se precise.

5. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS

Dentro de cada tipo de instalación de calefacción se distinguen diferentes circuitos de los mismos, así tendremos circuitos característicos de calefacción por agua caliente, de vapor y de aire caliente y de calefacción eléctrica. Como casos concretos podemos citar los siguientes circuitos característicos, pero habría muchos más.

Calefacción por agua caliente con un sistema distribuidor monotubo

Lleva una sola tubería, donde el agua se envía al primer radiador y de éste sale al siguiente y así sucesivamente. El inconveniente de este circuito es que a medida que nos alejamos de la caldera es agua se va enfriando.

Calefacción por agua caliente con un sistema bitubular con retorno directo

Donde el agua llega a cada radiador y después de circular por él sale hacia la caldera por la tubería de retorno.

Calefacción por agua caliente con un sistema bitubular con retorno invertido

Similar al anterior, pero en este caso el primer radiador en recibir agua es el último en la línea de retorno.

Calefacción por suelo radiante

Se realiza con tubos de agua caliente ubicados bajo el piso o en las paredes y conectados con la caldera. Utiliza bajas temperaturas, lo que representa un considerable ahorro energético en relación a sistemas tradicionales de calefacción central. El calor irradiado es uniforme y evita la generación de zonas frías y calientes dentro de la misma habitación.

Calefacción por aire caliente

Se realiza por cañones de aire caliente conectados a una caldera, la cual puede alimentarse de gas. Para asegurar la circulación natural del aire caliente, que tiende a elevarse, la caldera se coloca por debajo del primer piso de la casa. El aire frío del interior o del exterior, penetra en la cámara y se calienta por contacto con las paredes calientes de la caldera.

• Otros circuitos serían calefacción central por agua caliente con distribución superior, calefacción central por agua caliente con distribución inferior, calefacción eléctrica con sistema mixto, etc.

6. CONCLUSIÓN

Es fundamental ser conscientes de la primordial importancia que tiene el conocer las diferentes posibilidades de que disponemos para poder satisfacer nuestras satisfacciones humanas de bienestar, de mejora de la calidad de vida en general.

Para ello hemos visto las particularidades de todos los sistemas de calefacción, cuyo conocimiento nos determinará las disposiciones más adecuadas y certeras para nuestras necesidades.

Señalar también el auge que está tomando el sistema de calefacción de suelos radiantes especialmente debido al alto grado de confort que con ellos de consigue.