XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA GRÁFICA ESTUDIO Y FUNCIONAMIENTO VIRTUAL DE UNA INSTALACIÓN DE CALEFACCIÓN POR SUELO RADIANTE DE CÓZAR MACÍAS, Óscar D. (1), LADRÓN DE GUEVARA LÓPEZ, Isidro (2), CASTILLO RUEDA, Francisca J. (3) (1) Universidad de Málaga, España Escuela Universitaria Politécnica, Dpto. de Expresión Gráfica, Diseño y Proyectos e-mail: odecozar@uma.es (2) Universidad de Málaga, España Escuela Universitaria Politécnica, Dpto. de Expresión Gráfica, Diseño y Proyectos e-mail: ilguevara@uma.es (3) Universidad de Málaga, España Escuela Universitaria Politécnica, Dpto. de Expresión Gráfica, Diseño y Proyectos e-mail: fjcastillo@uma.es RESUMEN El presente trabajo consiste en la aplicación de técnicas infográficas para el desarrollo, cálculo y diseño de una instalación de calefacción por suelo radiante empleando como energía principal la solar y como auxiliar o de apoyo la combustión de gas natural en una caldera. Este trabajo forma parte de un libro electrónico que tiene como finalidad enseñar de forma detallada el cálculo y diseño de instalaciones a la vez que permite visualizar de forma real cómo es y cómo funcionan las distintas instalaciones. Palabras clave: Instalación suelo radiante, infografía, realidad virtual, docencia.
1. Introducción Con este trabajo se pretende mostrar a los alumnos de forma gráfica e interactiva el montaje, cálculo y diseño de un caso práctico de instalación de calefacción por suelo radiante mediante el empleo de la energía solar como fuente principal. El método de trabajo que a continuación se comentará a seguido las pautas de otros proyectos llevados a cabo con el mismo objetivo, teniendo en cuenta que la función primordial va encaminada hacia una mayor tutorización del alumno por medio de trabajos, proyectos, etc. 2. Metodología de trabajo El proyecto o libro electrónico basa su aplicación en un caso real teniendo así una mayor percepción de lo que el técnico se va a encontrar en su vida profesional. En este caso se ha realizado la instalación de calefacción en una vivienda unifamiliar. El libro electrónico, además de la demostración de dicha instalación, incluye una amplia descripción de los tipos de instalación de suelos radiantes así como de los distintos elementos que intervienen en la instalación, además del resto de apartados que se pueden observar en la Figura 1. Figura 1. Índice del libro electrónico Toda esta información permite al usuario del libro adentrarse en el mundo de la calefacción por suelo radiante, haciéndole partícipe de las diversas posibilidades de montaje, diseño y elección de la mejor solución según la situación en la que se encuentre en cada momento.
El método de trabajo ha consistido en la búsqueda de información acerca de la teoría de los suelos radiantes, su complejidad de diseño e instalación, elementos que participan y las formas de regulación. 3. Superficies radiantes El primer capítulo de superficies radiantes muestra al alumno que una de las formas de transmisión del calor es la radiación. Si se puede mantener alguna superficie interior de la edificación -suelo, paredes o techo- a una temperatura controlada, fría o caliente, para contrarrestar el efecto contrario que penetra transmitiéndose a través de los cerramientos, o por renovación e infiltraciones de aire exterior, esta superficie interior antes mencionada establecería intercambios de calor por radiación con el cuerpo humano y con el resto de superficies y elementos que se encuentran dentro de su radio de «visión» e intercambios convectivos con el aire del ambiente. Cuando el sistema de climatización se basa en lo anterior se tiene un sistema de calefacción o refrigeración por superficie o superficies radiantes. Otro apartado importante que el alumno debe tener en cuenta antes de seguir a lo largo del libro, es la de comprender algunos conceptos como la sensación del bienestar térmico y las condiciones de confort mínimas exigibles. Se adentra al alumno a conocer los comienzos de este tipo de instalaciones que datan de hace unos 3.000 años y fueron los romanos en el siglo I a.d.c. los que importaron esta técnica de la actual Turquía, dotando a sus termas de pavimentos calientes. En la figura 2 se puede observar la técnica utilizada en los Hypocaustos romanos, técnica que se basa en la circulación de 1os gases calientes, producto de la combustión en un hogar situado a un nivel inferior al de la zona a calefactar, por canalizaciones situadas debajo del pavimento. Figura 2. Hypocausto de una vivienda romana. En España el sistema utilizado se denominó las Glorias que se define como el sistema de las casas rurales castellanas consistente en un doble suelo por el que circula el aire caliente que produce la paja quemada u otro combustible.
Las calefacciones por tuberías de agua caliente empotradas se conocen y se han ejecutado al menos desde principios del siglo XX, pero el gran desarrollo de las calefacciones por suelo radiante se produce con la aparición de las tuberías flexibles termoplásticas; estas tuberías presentan una mayor facilidad de manejo e instalación, e incluso más fiabilidad que las tuberías de hierro, y son más baratas que las tuberías de cobre recocido (blando y flexible). La posibilidad de calentar el agua en calderas y hacerla circular mediante electrobombas por las tuberías de plástico embutidas en el suelo permite la penetración comercial de esta técnica en el sector del acondicionamiento ambiental de edificios, sobre todo en los países europeos más fríos donde se presenta como una calefacción muy confortable y de bajo consumo de combustible. En la actualidad es un sistema en expansión en España. La facilidad de montaje de las tuberías plásticas y los cada día mejores precios de los elementos que componen las instalaciones facilitan su implantación en buenas condiciones de competitividad con otros sistemas más convencionales y más conocidos. La energía eléctrica puede ser utilizada también para el calentamiento de superficies radia ntes. El llamado hilo radiante es una alternativa a los circuitos de agua. Sin embargo, esta opción parece menos competitiva desde el punto de vista de la factura energética de explotación, a pesar de que su instalación es mas simple, dados los costos actuales de la energía eléctrica, incluso teniendo en cuenta la tarifa nocturna. No obstante, la instalación de suelo radiante eléctrico impide la posibilidad de realizar con el mismo sistema la calefacción y la refrigeración. La última novedad aparecida en el mercado a principios de los noventa es la utilización de los sistemas radiantes como sistemas de refrigeración. La temperatura del cuerpo humano está sobre los 36,5 ºC y en la superficie de la piel es aproximadamente de 32 ºC. Éste radiará energía procedente de los procesos metabólicos al ambiente con más facilidad si bajamos la temperatura de las superficies que le rodean. Esto se puede conseguir haciendo circular agua fría por las tuberías embutidas. La posibilidad de usar la misma red de tuberías insertadas en el pavimento para calefacción y refrigeración por radiación aumenta aún más, si cabe, su mercado. El límite de enfriamiento de las superficies lo tendremos en la temperatura de rocío del aire ambiente, que será función de su contenido en humedad, al objeto de evitar las condensaciones de agua. Una variante de este sistema es la instalación en falsos techos de paneles fríos por los que circula agua procedente de máquinas enfriadoras, bombas de calor aire-agua o bombas de calor agua-agua. Figura 3. Distribución de temperaturas según distintos tipos de calefacción La superficie en la que es más fácil implementar un sistema radiante es el suelo. Las paredes presentan el problema de que se cubren con muebles y otros elementos. El techo es algo menos eficiente dado que las tuberías no se envuelven en morteros sino
que se montan en una cámara de aire que es la que intercambia el calor con el material de construcción, además el intercambio convectivo del techo es más desfavorable, como se puede ver en la figura 3; sin embargo, para sistemas de refrigeración el techo es el lugar idóneo, pues además del intercambio por radiación el intercambio convectivo se ve favorecido. Desde el punto de vista del confort es idóneo poder controlar la temperatura de todas las superficies que rodean al sujeto, puesto que si el cuerpo humano emite radiación calórica de manera uniforme en todas las direcciones se producirá una mejor sensación de bienestar. Además, desde la perspectiva del ahorro energético, la temperatura de trabajo del fluido podrá ser inferior para el efecto de calefacción y superior para el efecto de refrigeración si las superficies intercambiadoras son paredes, suelos y techos. No obstante, la inversión necesaria para conseguir este objetivo limita evidentemente la instalación a la utilización del suelo en la mayoría de los casos y ocasionalmente al techo, sobre todo para el caso de techos fríos. En los siguientes apartados se justifica el porqué se ha de utilizar el suelo radiante, las causas del ahorro energético de este sistema y las aplicaciones del mismo, además de algunas características constructivas que se ha de tener en cuenta a la hora de su instalación. 4. Elementos fundamentales de la instalación El segundo capítulo pretende que el alumno conozca todos los elementos participantes y que se han de tener en cuenta en una instalación de calefacción por suelo radiante, como son: Tuberías plásticas Las más utilizadas son las tuberías termoplásticas, de las que están más extendidas el uso de tres tipos: polipropileno copolímero, polibutileno y polietileno reticulado. En la figura 4 se muestran algunos accesorios de este tipo de materiales. Figura 3. Pasos para el montaje del sistema Quick&Easy de Polietileno reticulado de la casa Wirsbo
Aislamientos Para evitar que el calor se propague hacia abajo es preciso colocar un aislante entre el forjado y el mortero que cubre los tubos. El material más empleado para este fin es el poliestireno expandido -porexpan- de alta densidad, con una densidad superior a 20 Kg por m 3. Esta es la densidad mínima para que soporte sin deformaciones la losa del pavimento y todo lo que se encuentre sobre ella. Además del porexpan existen en el mercado otros materiales que pueden usarse como aislamiento base tales como el P.V.C. expandido (cloruro de polivinilo), la lana de roca, el poliuretano, etc. Los fabricantes deberían buscar y ofrecer productos alternativos a algunos de los plásticos mencionados, pues sus procesos de fabricación dejan mucho que desear en cuanto a ser respetuosos con el medio ambiente. Sistemas de fijación Al desenrollar la tubería sobre el aislante base es necesario fijarla al mismo. Cualquier sistema de fijación del tubo al aislamiento puede ser válido siempre que no se provoquen rozamientos que pudieran deteriorar las paredes del tubo en sus esfuerzos de dilatación y contracción, debido a los habituales cambios de temperatura. En este apartado se citan algunos sistemas de fijación utilizados en este tipo de instalaciones. Banda perimetral Es una banda de material aislante que separa la losa de mortero y el solado de las paredes, logrando que éste sea un pavimento flotante, facilitando la dilatación del mismo y paliando el efecto de fuga de calor debido al puente térmico del suelo con las paredes y cerramientos laterales. La temperatura de trabajo de los sistemas radiantes no implica riesgo de rotura del solado por efectos de dilatación; los materiales pétreos y cerámicos tienen bajísimos coeficientes de dilatación térmica. El material para la banda perimetral puede ser poliuretano, poliestireno expandido o algún otro material aislante. Su espesor no suele ser superior a 10 mm y su altura de l0 a 16cm. Figura 4. Detalle de la banda perimetral
El distribuidor Como su nombre indica su misión es distribuir el agua de la tubería general que lleva el agua caliente o fría a cada uno de los circuitos emisores, normalmente divididos por habitaciones, y recoger el agua de los circuitos para devolverla por una tubería general al generador. El distribuidor está compuesto de dos tuberías horizontales paralelas sujetas a la pared mediante un soporte, a estas tuberías llamadas colectores se les acoplan en derivación válvulas, detentores, purgadores, termómetros, grifos de vaciado y caudalímetros, y de ellos parten los tubos hacia el suelo. Uno de los tubos colectores es el de «ida» y el otro el de «retorno». Veamos en la figura 5 un dibujo demostrativo del sistema distribuidor. Generadores de calor Podemos decir que en una instalación de calefacción por suelo radiante puede utilizarse cualquiera de los aparatos existentes para producir agua caliente para calefacción tales como: calderas de gasoil, calderas de gas, chimeneas recuperadoras, bombas de calor aire-agua, calderas eléctricas y colectores solares. Entre los sistemas más simples que incorporen generadores de calor y que puedan trabajar con temperaturas de agua de 30 a 50 ºC podemos encontrar las calderas de gas, las bombas de calor y las calderas eléctricas. También son muy apropiados los colectores solares térmicos de placa, dado que por su temperatura de trabajo se adaptan perfectamente a los requerimientos térmicos del agua de circulación. Una de las ventajas de la bomba de calor es que es reversible y puede proporcionar agua fría en verano, con lo que se evita tener un generador de calor para la temporada de calefacción y otro de frío para la de refrigeración. En la figura 6 se muestra el caso particular de la generación de calor por medio de energía solar y un dispositivo de apoyo. Figura 5. Colector de ida y de retorno
Figura 6. Esquema de un circuito de energía solar 5. Tipos de circuitos. Instalación y regulación de generadores de calor En este apartado se muestran las diferentes formas básicas de distribuir el tubo. La distribución del tubo debajo de la solería no debe ser aleatoria, se procura que la disposición del tubo embutido en la capa de mortero repercuta en un reparto homogéneo del calor por toda la superficie del solado. La separación entre las líneas de tubos, está determinada por las necesidades energéticas de los espacios climatizados, la potencia de emisión de un suelo, o de una superficie radiante conformada por tubos embutidos, además de la temperatura del agua y el caudal de circulación. Para lo anterior, el tubo se extiende formando serpentines o espirales con tres formas básicas (véase figura 7): 1. La distribución en serpentín simple. 2. La distribución en doble serpentín. 3. La distribución en espiral. Figura 7. Esquema de distribución en doble serpentín y en espiral Para cualquiera de los tipos de distribución, siempre se comienza a unos 10 ó 15 cm de una de las paredes o límites del circuito y se alinea el tubo de forma paralela a los mismos.
En lo referente a la instalación y regulación de los distintos tipos de generadores de calor se analiza, de forma independiente, la instalación de suelo radiante por medio de la caldera de combustibles líquidos, con recuperador de calor por agua o con caldera de combustibles sólidos, con caldera de gas o eléctrica, con bomba de calor y por último con colectores solares. 6. Cálculo y diseño de la instalación para calefacción por suelo radiante En este apartado se pretende que el alumno siga las pautas a necesarias para el cálculo de la instalación, para ello debe seguir los siguientes apartados descritos en la figura 8. 7. Aplicación práctica Figura 8. Índice del apartado de cálculo y diseño de la instalación Una vez comprendidos y estudiados los apartados anteriores, es el momento de entrar en contacto con la representación virtual de un caso particular de una instalación. En la aplicación práctica se muestra, además de los documentos necesarios para la presentación de un proyecto de esta índole, un subapartado de representaciones virtuales donde se da un paseo por el exterior de la vivienda unifamiliar a la que se le ha realizado la instalación objeto de estudio, una visita por los distintos elementos que conforman dicha instalación y, por último, una vista de la trayectoria de las sombras. Un ejemplo de una de estas vistas se presenta en la figura 9. 8. Ejecución de obra y localización de averías En estos dos últimos epígrafes se hace un análisis de los pasos a seguir en la obra para la ejecución de la instalación y se dan una serie de actuaciones para la localización de las posibles averías, todo ello llevado a cabo gracias a la propia experiencia de los instaladores.
9. Conclusiones Figura 9. Instantánea de la infografía de la instalación Como conclusiones podemos afirmar que este trabajo ha facilitado y facilita en gran manera el proceso de enseñanza-aprendizaje, pues motiva al alumno a comprender este tipo de instalaciones, a la vez que en cierta medida viene a suplir las carentes visitas y el seguimiento de dichos proyectos que debido a las innumerables fases por las que pasan se hace imposible una visión continuada por parte del alumnado. Referencias Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo. Dirección General para la Vivienda y Arquitectura. NBE. Condiciones térmicas en los edificios: NBE-CT-79. Madrid. 1989. Ministerio de Fomento. Dirección General de la Vivienda, la Arquitectura y el Urbanismo. RITE 98: reglamento de instalaciones térmicas en los edificios y sus instrucciones técnicas complementarias ITE. Edición 2ª reimp. Madrid. 2002. Ministerio de Industria y Energía. Reglamento de instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria. Centro de Publicaciones. Madrid. 1995. Ortega Rodríguez, Mario. Calefacción y refrescamiento por suelo radiante. Ed. Paraninfo. Madrid. 2001. Sánchez Quintana, F. Instalaciones de calefacción por suelo radiante. Progensa. Madrid. 1992.