FICHA TÉCNICA: Estudio de suelo radiante para calefacción

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1 2015 FICHA TÉCNICA: Estudio de suelo radiante para calefacción Alejandro Palacios Rodrigo Rosmann Ingeniería

2 Índice 0. Introducción Fórmulas de cálculo Estructura del suelo: Otros datos y consideraciones de diseño Cálculos Cálculo de la resistencia del suelo situada por encima de los tubos Cálculo de la resistencia del suelo por debajo de los tubos Cálculo del coeficiente de reducción de carga μ Cálculo de la temperatura de impulsión (Tw) Cálculo de la temperatura operativa del local Potencia calorífica que debe aportar el suelo radiante Cálculo de la carga térmica del local Cálculo de la longitud de serpentín

3 0. Introducción El suelo radiante se compone de: Banda periférica: Antes de la colocación de la placa de aislamiento, se coloca esta banda a lo largo de las paredes. Debe evitar pérdidas de calor transversales y absorber dilataciones por los cambios de temperatura. Capa de aislamiento térmico: Esta capa evita que el calor se pierda por debajo de la capa del serpentín. La resistencia térmica mínima del aislamiento se fija en la norma UNE EN Capa de protección Serpentín : tubo flexible por el circula el fluido caloportador. Capa de distribución y emisión de calor (placa) Revestimiento de suelo Revestimiento del suelo Mortero de cemento Capa de protección Tubo de calefacción Capa de aislamiento Forjado Figura 1. Estructura típica de un suelo radiante 1. Fórmulas de cálculo En el cálculo del suelo radiante, buscamos obtener la potencia calorífica que aporta el suelo por unidad de superficie. Para ello se utilizará la fórmula: Siendo: Q A = μ T w T op R (1) o T w = Temperatura del agua en el interior del tubo o T op = Temperatura operativa del local. Se calcula : o o T rad = j A j T j => T j A op = T rad+ T int j 2 o (T rad ) = Temperatura radiante media de las parededes R = Resistencia térmica de la parte superior del suelo por encima de la generatriz de los tubos. 2

4 El factor μ es un coeficiente de reducción (adimensional) de la potencia calorífica, debido a las pérdidas a través de la parte inferior del suelo. Se puede calcular utilizando la fórmula de RIETSCHEL: Siendo: μ = 1 0,035 ( D 1 e ) 3 d ( D ) (1,8 0,02 d e ) (1 + 1,18 ) D e 1 o o o o d = separación entre tubos D = diámetro exterior del tubo (suelo radiante) e = espesor equivalente en hormigón de la parte superior del suelo e 1 = espesor equivalente en hormigón de la parte inferior del suelo Una vez obtenida la potencia calorífica por unidad de superficie, determinaremos a carga térmica a vencer por el suelo. El cociente entre la carga térmica y la potencia calorífica por unidad de superficie, nos da el área necesaria para vencer esa carga térmica, siendo la longitud del tubo necesaria, el cociente entre el área calculada y la separación del tubo. A = (Carga Térmica en W) Pot Calo en ( W m 2) ; L = Area calculada d 2. Estructura del suelo: Cámara de aire sobre el terreno Forjado cerámico de 16 cm de espesor y resistencia térmica de 0,23 m² K/W Capa de aislante térmico de 3 cm y conductividad 0,034 W/m K Tubos de suelo radiante de 20 mm de diámetro Capa de mortero de cemento con aditivos de 3 cm de espesor por encima de la generatriz de los tubos, de conductividad térmica 1,40 W/m K Parqué de 1 cm de espesor y conductividad térmica de 0,21 W/m K 3. Otros datos y consideraciones de diseño Consideraremos las resistencias térmicas superficiales superior e inferior del suelo como: 3

5 o Superior: 0,10 m² K/W o Inferior: 0,17 m² K/W Conductividad térmica del hormigón: λ = 1,16 W/m K Otras consideraciones de diseño: o Utilizaremos tubos de 20 mm de diámetro exterior para el suelo radiante, de polipropileno o La distancia entre tubos se fija en 15 cm o Fijaremos la temperatura máxima del suelo en 28 ºC o Acristalamiento CLIMALIT stadip 6+6/10/6 4. Cálculos Para calcular la potencia del suelo, utilizaremos la fórmula (1), calculando cada uno de los parámetros: 4.1 Cálculo de la resistencia del suelo situada por encima de los tubos R = h i ( m2 K W ) + e λ (m2 K W ) Sustituyendo los valores: R s = 0,10 ( m2 K 0,010 m ) + W 0,21( W + mk ) 0,030 m 1,40( W = 0,17 ( m2 K mk ) W ) Esta resistencia equivale a un espesor de hormigón de: e = R λ = 0,17 ( m2 K ) 1,16 ( W ) = 0,20 (m) W mk 4.2 Cálculo de la resistencia del suelo por debajo de los tubos R i = 0,030 m 0,034( W + 0,23 ( m2 K mk ) W ) + 0,17 K (m2 W ) = 1,28 K (m2 W ) El espesor de hormigón equivalente es: e = R λ = 1,28 ( m2 K ) 1,16 ( W ) = 1,48 (m) W mk 4

6 4.3 Cálculo del coeficiente de reducción de carga μ Aplicando la fórmula de cálculo de μ, tendremos: μ = 1 0,035 ( 0, ,20 ) 3 0,15 0,15 0,20 ( ) (1,8 0,02 ) (1 + 1,18 0,020 0,020 1,48 ) = 0, Cálculo de la temperatura de impulsión (T w ) La temperatura de impulsión entra dentro de los parámetros de diseño elegidos por el calculista, teniendo en cuenta que el fabricante marca unos límites para este valor. El valor elegido es 28 ºC, un valor usual en este tipo de aplicaciones. 4.5 Cálculo de la temperatura operativa del local Para calcular la temperatura operativa, utilizaremos la fórmula (X). Para poder calcular esta temperatura, debemos estimar las temperaturas superficiales de las paredes. Composición de los paramentos: Muro SUR: Núm Descripción Espesor Conductividad (m) λ =W/m K R = e K λ (m2 W 1 Resistencia convección exterior 0,17 2 Monocapa 0,02 0,93 2, Aislante (lana de roca) 0,08 0,034 2,35 4 Bloque de hormigón de fábrica 0,25 0,46 0,54 (hueco) 5 Cámara de aire (canal de 48 mm) 0,048 0,10 6 Placa de pladur 0,013 0,30 4, Resistencia convección interior 0,10 Por tanto, R=3,32 ( m2 K W ), con lo que la transmitancia térmica es U = 1 / R = 0,30 ( ) W m 2 K 5

7 Muro NORTE: Núm Descripción Espesor Conductividad (m) λ =W/m K R = e K λ (m2 W 1 Resistencia convección exterior 0,17 2 Muro de piedra caliza + mortero 0,40 2,10 0,19 3 Resistencia convección interior 0,10 Por tanto, R=0,46 ( m2 K W ), con lo que la transmitancia térmica es U = 1 / R = 2,17 ( ) W m 2 K Muro ESTE y Muro OESTE: Construidos igual que el muro sur, pero con grandes ventanales. Para calcular la transmitancia del muro, debemos ponderar la superficie de muro y la superficie de acristalada con sus respectivas resistencias térmicas: Con: U = U m A m + U H A H A m + A H U m = Transmitancia de la parte del muro A m = Superficie de muro U H = Trasnmitancia de la parte del hueco acristalado A H = Superficie del hueco U H = (1 FM) U HV + FM U HM Siendo: U HV = transmitancia del acristalamiento U HM = trasmitancia del marco 6

8 Fig. 4.1 Dimensiones del acristalamiento. Muro este. MURO ESTE Dimensiones del marco: Marcos verticales: 0,09 (1+2,60) 5 = 1,62 m² Marcos horizontales : (3,44 - (5 0,09)) 0,09 4 = 1,07 m² Total : 1,62 m² + 1,07 m² = 2,69 m² Dimensiones del acristalamiento: Acristalamiento: 9,69 m² Área total del paramento: 22,90 m² Área total del hueco: 9,69 + 2,69 = 12,38 m² Transmitancia de los cristales 6+6/10/6 (U HV ) = 3,48 ( W Transmitancia del marco de aluminio: 1,7 ( W Calculando ahora las transmitancias: FM = 12,38 9,69 12,38 = 0,22 U H = (1 FM) U HV + FM U HM U H = (1 0,22) 3,48 + 0,22 1,7 = 3,08 ( W Por tanto, la transmitancia ponderada del muro este es: U = U m A m + U H A H A m + A H U = 0,30 (22,90 12,38)+ 3,08 12,38 22,90 = 1,80 ( W 7

9 MURO OESTE Fig. 4.2 Dimensiones del acristalamiento. Muro oeste. Dimensiones del marco: Marcos verticales: 0,09 (1+2,60) 6 = 1,94 m² Marcos horizontales : (5,00 - (6 0,09)) 0,09 4 = 1,61 m² Total : 1,94 m² + 1,61 m² = 3,55 m² Dimensiones del acristalamiento: Acristalamiento: 15,26 m² Área total del paramento: 28,95 m² Área total del hueco: 15,26 + 3,55 = 18,81 m² Transmitancia de los cristales 6+6/10/6 (U HV ) = 3,48 ( W Transmitancia del marco de aluminio: 1,7 ( W Calculando ahora las transmitancias: FM = 18,81 15,26 18,81 = 0,19 U H = (1 FM) U HV + FM U HM U H = (1 0,19) 3,48 + 0,19 1,7 = 3,14 ( W Por tanto, la transmitancia ponderada del muro oeste es: U = U m A m + U H A H A m + A H U = 0,30 (28,95 18,81)+ 3,14 18,81 28,95 = 2,15 ( W 8

10 Cubierta: Consideramos una cubierta de: Baldosín cerámico de 10 mm (1,05 (W/m K)) Mortero de cemento de 40 mm de espesor (1,40 (W/m K)) Forjado a base de bovedilla cerámica, de 16 cm de altura, y 60 cm de entrevigado, con hormigón de relleno y capa de compresión (R = 0,23 (m 2 K/W)) Núm Descripción Espesor Conductividad (m) λ =W/m K R = e K λ (m2 W 1 Resistencia convección exterior 0,17 2 Baldosín cerámico 0,010 1,05 0,01 3 Mortero de cemento 0,040 1,40 0,03 4 Forjado 0,23 5 Aire interior 0,10 Por tanto, R=0,54 ( m2 K ), con lo que la transmitancia térmica es U = 1 / R = W 1,85 ( W ) m 2 K Cálculo de la temperatura superficial de las paredes interiores. Para calcular la temperatura superficial de las paredes interiores, debemos establecer los valores de diseño de temperatura interior y exterior. T si = T amb.int U h i (T amb.int T ext ) MURO SUR: T si = 21 0,30 (21 1) = 20,4 ºC 10 MURO NORTE: T si = 21 0,46 (21 1) = 20,1 ºC 10 MURO ESTE: T si = 21 1,80 (21 1) = 17,4 ºC 10 MURO OESTE: T si = 21 2,15 (21 1) = 16,7 ºC 10 TECHO: T si = 21 1,85 (21 1) = 17,3 ºC 10 SUELO: T s T sm = 1 d (1,80 d) 1 0,55 d (1,80 d) Siendo: T s = Temperatura media del suelo radiante T sm = Temperatura máxima del suelo d = distancia entre tubos 9

11 T s = 1 0,15 (1,80 0,15) => T ,55 0,15 (1,80 0,15) s = 24,39 ºC Cálculo de la temperatura radiante media T rad = Tj A j j A j = 22,90 17,40+28,95 16,70+39,90 17,30+24,39 39,90+32,56 20,40+37,60 20,10 22,90+28,95+39,90+39,90+32,56+37,60 = 15,41 ºC Cálculo de la temperatura operativa del salón T op = T amb int+t rad 2 = ,41 2 = 18, 20 ºC 4.6 Potencia calorífica que debe aportar el suelo radiante Q = μ T w T op A R = 0, ,2 0,17 = 121,39 (W/m²) 4.7 Cálculo de la carga térmica del local TRANSMISIÓN CONDUCCIÓN - CONVECCIÓN Concepto Área Diferencia de Tª U Qsen Muro sur 32, ,30 195,36 Muro norte 37,60 0 0,00 Muro este 22, ,80 824,40 Muro oeste 28, , ,85 Techo 39, , ,30 TOTAL PARAMENTOS 3740,91 Ventilación NOTA: El correcto cálculo de cargas debe contemplar las cargas por ventilación y ganancias por radiación en las ventanas, así como la carga por calor latente, omitidas en este ejemplo. 10

12 4.8 Cálculo de la longitud de serpentín Una vez que disponemos de la potencia por metro cuadrado y de la carga térmica a vencer, superficie de suelo radiante necesaria será: A = Carga térmica = 3740,91 = 30,81 m2 Potencia/m2 121,39 Por tanto, la longitud de serpentín, suponiendo una separación de 15 cm entre tubos: L = 30,81 0,15 = 205,5 m 11