Cómo calcular la potencia de una caldera de gas para calefacción: fórmulas y ejemplo de cálculo

Antes de diseñar el sistema de calefacción e instalar el equipo de calefacción, es importante seleccionar una caldera de gas capaz de generar la cantidad de calor necesaria para la habitación. Por lo tanto, es importante elegir un dispositivo con la potencia adecuada para que su rendimiento sea lo más alto posible y su vida útil – sea larga.

Le contaremos cómo calcular la potencia de una caldera de gas con alta precisión y teniendo en cuenta ciertos parámetros. En el artículo que presentamos se describen detalladamente todos los tipos de pérdidas de calor a través de aberturas y estructuras de construcción, y se proporcionan fórmulas para su cálculo. Un ejemplo concreto presenta las particularidades de realizar los cálculos.

Errores típicos al elegir una caldera

El cálculo correcto de la potencia de una caldera de gas no solo permitirá ahorrar en materiales de consumo, sino que también aumentará la eficiencia del aparato. Un equipo cuya transferencia de calor exceda las necesidades reales de calor funcionará de manera ineficiente, mientras que un dispositivo con potencia insuficiente no podrá calentar la habitación adecuadamente.

Existe un equipo automatizado moderno que regula por sí mismo el suministro de gas, lo que evita gastos innecesarios. Pero si dicha caldera realiza su trabajo al límite de sus capacidades, su vida útil se reduce.

Como resultado, la eficiencia del equipo disminuye, las piezas se desgastan más rápido y se forma condensación. Por lo tanto, surge la necesidad de realizar cálculos de la potencia óptima.

Existe la opinión de que la potencia de la caldera depende exclusivamente de la superficie del local, y que para cualquier vivienda el cálculo óptimo es de 100 W por 1 m². Por lo tanto, para seleccionar la potencia de la caldera, por ejemplo, para una casa de 100 m², se necesitará un equipo que genere 100*10=10000 W o 10 kW.

Estos cálculos son radicalmente incorrectos debido a la aparición de nuevos materiales de acabado y aislamientos mejorados, que reducen la necesidad de adquirir equipos de alta potencia.

La potencia de la caldera de gas se selecciona teniendo en cuenta las características individuales de la vivienda. Un equipo correctamente seleccionado funcionará con la máxima eficiencia y con un consumo mínimo de combustible.

Realizar el cálculo de la potencia de la caldera de gas para calefacción se puede hacer de dos maneras: manualmente o utilizando el programa especial Valtec, que está diseñado para cálculos profesionales de alta precisión.

La potencia necesaria del equipo depende directamente de las pérdidas de calor del local. Conociendo el índice de pérdidas de calor, se puede calcular la potencia de la caldera de gas o de cualquier otro aparato de calefacción.

¿Qué son las pérdidas de calor de una habitación?

Cualquier local tiene ciertas pérdidas de calor. El calor se escapa a través de paredes, ventanas, suelos, puertas y techo, por lo que la tarea de la caldera de gas es compensar la cantidad de calor que se pierde y mantener una temperatura determinada en el local. Para ello se necesita una cierta potencia térmica.

Se ha establecido empíricamente que la mayor cantidad de calor se pierde a través de las paredes (hasta un 70%). A través del techo y las ventanas puede escapar hasta un 30% de la energía térmica, a través del sistema de ventilación – hasta un 40%. Las menores pérdidas de calor se dan en las puertas (hasta un 6%) y el suelo (hasta un 15%).

Los siguientes factores influyen en las pérdidas de calor de la casa.

• Ubicación de la casa. Cada ciudad tiene sus propias características climáticas. En los cálculos de pérdidas de calor, es necesario considerar la temperatura negativa crítica característica de la región, así como la temperatura media y la duración de la temporada de calefacción (para cálculos precisos utilizando el programa).
• Orientación de las paredes respecto a los puntos cardinales. Se sabe que en el lado norte se encuentra la rosa de los vientos, por lo que las pérdidas de calor de la pared ubicada en esa área serán las mayores. En invierno, desde el oeste, el norte y el este sopla un viento frío con gran fuerza, por lo que las pérdidas de calor de estas paredes serán mayores.
• Superficie del espacio a calentar. La cantidad de calor que se escapa depende del tamaño de la habitación, la superficie de las paredes, techos, ventanas y puertas.
• Ingeniería térmica de las estructuras de construcción. Cada material tiene su propio coeficiente de resistencia térmica y coeficiente de transferencia de calor: la capacidad de dejar pasar a través de sí una cierta cantidad de calor. Para conocerlos, es necesario utilizar datos tabulares y aplicar ciertas fórmulas. La información sobre la composición de paredes, techos, suelos y su espesor se puede encontrar en el plano técnico de la vivienda.
• Huecos de ventanas y puertas. Tamaño, modificación de la puerta y acristalamientos. Cuanto mayor sea el área de los huecos de ventanas y puertas, mayores serán las pérdidas de calor. Es importante tener en cuenta las características de las puertas y los acristalamientos instalados en los cálculos.
• Consideración de la ventilación. La ventilación siempre existe en la casa independientemente de la presencia de una campana extractora artificial. A través de las ventanas abiertas se ventila la habitación, se crea movimiento de aire al cerrar y abrir las puertas de entrada y al caminar de una habitación a otra, lo que contribuye a la salida del aire caliente de la habitación y a su circulación.

Conociendo los parámetros mencionados anteriormente, no solo se puede calcular las pérdidas de calor del hogar y determinar la potencia de la caldera, sino también identificar los lugares que necesitan aislamiento adicional.

Fórmulas para calcular las pérdidas de calor

Estas fórmulas se pueden utilizar para calcular las pérdidas de calor no solo de una casa particular, sino también de un apartamento. Antes de comenzar los cálculos, es necesario dibujar un plano de la habitación, marcar la ubicación de las paredes con respecto a los puntos cardinales, indicar las ventanas, los huecos de las puertas, así como calcular las dimensiones de cada pared, de los huecos de ventanas y puertas.

Para determinar las pérdidas de calor, es necesario conocer la estructura de la pared, así como el espesor de los materiales utilizados. En los cálculos se consideran la mampostería y los aislamientos.

Para el cálculo de las pérdidas de calor se utilizan dos fórmulas: con la primera se determina el valor de la resistencia térmica de las estructuras de cerramiento, con la segunda, las pérdidas de calor.

Para determinar la resistencia térmica se utiliza la expresión:

R = B/K

Aquí:

• R – es el valor de la resistencia térmica de las estructuras de cerramiento, que se mide en (m²*K)/W.
• K – coeficiente de conductividad térmica del material del que está hecha la estructura de cerramiento, se mide en W/(m·K).
• B – espesor del material, que se registra en metros.

El coeficiente de conductividad térmica K es un parámetro tabulado, el espesor B se obtiene del plano técnico de la casa.

El coeficiente de conductividad térmica es un valor tabulado, depende de la densidad y composición del material, puede diferir del valor de la tabla, por lo que es importante consultar la documentación técnica del material (+)

También se utiliza la fórmula principal para el cálculo de pérdidas de calor:

Q = L × S × dT/R

En la expresión:

• Q – pérdidas de calor, se miden en W.
• S – área de las estructuras de cerramiento (paredes, suelos, techos).
• dT – diferencia entre la temperatura deseada del interior y la exterior, se mide y registra en °C.
• R – valor de la resistencia térmica de la estructura, m²·°C/W, que se obtiene mediante la fórmula anterior.
• L – coeficiente que depende de la orientación de las paredes respecto a los puntos cardinales.

Teniendo a mano la información necesaria, se puede calcular manualmente las pérdidas de calor de un edificio u otro.

Ejemplo de cálculo de pérdidas de calor

Como ejemplo, calcularemos las pérdidas de calor de una casa con las características dadas.

En la figura se muestra el plano de la casa para la que calcularemos las pérdidas de calor. Al elaborar un plano individual, es importante determinar correctamente la orientación de las paredes respecto a los puntos cardinales, calcular la altura, anchura y longitud de la estructura, así como indicar la ubicación de los vanos de ventanas y puertas, y sus dimensiones (+).

Según el plano, la anchura de la estructura es de 10 m, la longitud – 12 m, la altura de los techos – 2.7 m, las paredes están orientadas al norte, sur, este y oeste. En la pared occidental hay 3 ventanas empotradas, dos de ellas tienen dimensiones de 1.5x1.7 m, una – 0.6x0.3 m.

En los cálculos del tejado se considera la capa de aislamiento, el material de acabado y el material de cubierta. Las láminas de barrera de vapor e impermeabilización, que no afectan el aislamiento térmico, no se tienen en cuenta.

En la pared sur hay puertas empotradas con dimensiones de 1.3×2 m, también hay una ventana pequeña de 0.5×0.3 m. En el lado este hay dos ventanas de 2.1×1.5 m y una de 1.5×1.7 m.

Las paredes constan de tres capas:

• revestimiento de paredes con tablero de fibra (isoplaca) por fuera y por dentro – 1.2 cm cada una, coeficiente – 0.05.
• lana de vidrio, que se encuentra entre las paredes, su espesor es de 10 cm y coeficiente – 0.043.

La resistencia térmica de cada muro se calcula por separado, ya que se considera la ubicación de la estructura respecto a los puntos cardinales, la cantidad y el área de las aberturas. Los resultados de los cálculos para los muros se suman.

El piso es multicapa, en toda su superficie está realizado con la misma tecnología, e incluye:

• tabla machihembrada recortada, su espesor es de 3.2 cm, coeficiente de conductividad térmica – 0.15.
• capa de nivelación seca de tablero aglomerado con espesor de 10 cm y coeficiente 0.15.
• aislante – lana mineral con espesor de 5 cm, coeficiente 0.039.

Supongamos que el piso no tiene escotillas que empeoren la técnica térmica hacia el sótano ni aberturas similares. Por lo tanto, el cálculo se realiza para el área de todas las habitaciones mediante una única fórmula.

Los techos están hechos de:

• paneles de madera de 4 cm con un coeficiente de 0.15.
• lana mineral de 15 cm, su coeficiente – 0.039.
• capa de barrera de vapor e impermeabilización.

Supongamos que el techo tampoco tiene acceso al ático sobre una habitación residencial o de servicio.

La casa está ubicada en la región de Briansk, en la ciudad de Briansk, donde la temperatura crítica negativa es de -26 grados. Se ha determinado experimentalmente que la temperatura del suelo es de +8 grados. La temperatura deseada en la habitación es de +22 grados.

Cálculo de las pérdidas de calor de las paredes

Para encontrar la resistencia térmica total del muro, primero es necesario calcular la resistencia térmica de cada una de sus capas.

La capa de lana de vidrio tiene un espesor de 10 cm. Este valor debe convertirse a metros, es decir:

B = 10 × 0.01 = 0.1

Obtuvimos el valor B=0.1. El coeficiente de conductividad térmica del aislamiento es 0.043. Sustituimos los datos en la fórmula de la resistencia térmica y obtenemos:

R_vidrio=0.1/0.043=2.32

De manera similar, calculemos la resistencia térmica de la izoplita:

R_izopl=0.012/0.05=0.24

La resistencia térmica total del muro será igual a la suma de las resistencias térmicas de cada capa, teniendo en cuenta que tenemos dos capas de tablero de fibra (DVP).

R=R_vidrio+2×R_izopl=2.32+2×0.24=2.8

Una vez determinada la resistencia térmica total del muro, se pueden encontrar las pérdidas de calor. Para cada muro se calculan por separado. Calculemos Q para el muro norte.

Los coeficientes adicionales permiten considerar en los cálculos las características de pérdida de calor de los muros situados en diferentes puntos cardinales.

Según el plano, el muro norte no tiene aberturas de ventanas, su longitud es de 10 m, altura de 2.7 m. Entonces el área del muro S se calcula mediante la fórmula:

S_norte=10×2.7=27

Calculemos el parámetro dT. Se sabe que la temperatura crítica ambiental para Briansk es de -26 grados, y la temperatura deseada en la habitación es de +22 grados. Entonces

dT=22-(-26)=48

Para el lado norte se considera un coeficiente adicional L=1.1.

En la tabla se muestran los coeficientes de conductividad térmica de algunos materiales utilizados en la construcción de muros. Como podemos ver, la lana mineral deja pasar la mínima cantidad de calor, el hormigón armado – la máxima.

Después de realizar los cálculos preliminares, se puede utilizar la fórmula para calcular las pérdidas de calor:

Q_muro.norte=27×48×1.1/2.8=509 (W)

Calculemos las pérdidas de calor para el muro oeste. Según los datos, en él hay 3 ventanas, dos de ellas tienen dimensiones de 1.5x1.7 m y una – 0.6x0.3 m. Calculemos el área.

S_muro.oeste1=12×2.7=32.4.

Del área total del muro oeste es necesario excluir el área de las ventanas, ya que sus pérdidas de calor serán diferentes. Para ello, se debe calcular el área.

S_ventana1=1.5×1.7=2.55

S_ventana2=0.6×0.4=0.24

Para los cálculos de pérdidas de calor utilizaremos el área del muro sin considerar el área de las ventanas, es decir:

S_muro.oeste=32.4-2.55×2-0.24=25.6

Para el lado oeste, el coeficiente adicional es 1.05. Sustituimos los datos obtenidos en la fórmula principal de cálculo de pérdidas de calor.

Q_muro.oeste=25.6×1.05×48/2.8=461.

Cálculos similares hacemos para el lado este. Aquí se encuentran 3 ventanas, una tiene dimensiones de 1.5x1.7 m, las otras dos – 2.1x1.5 m. Calculamos su área.

S_ventana3=1.5×1.7=2.55

S_ventana4=2.1×1.5=3.15

El área del muro este es:

S_muro.este1=12×2.7=32.4

Del área total del muro restamos los valores del área de las ventanas:

S_muro.este=32.4-2.55-2×3.15=23.55

El coeficiente adicional para el muro este es 1.05. Basándonos en los datos, calculamos las pérdidas de calor del muro este.

Q_muro.este=1.05×23.55×48/2.8=424

En el muro sur hay una puerta con dimensiones de 1.3x2 m y una ventana de 0.5x0.3 m. Calculamos su área.

S_ventana5=0.5×0.3=0.15

S_puerta=1.3×2=2.6

El área del muro sur será:

S_muro.sur1=10×2.7=27

Determinamos el área del muro sin considerar ventanas y puertas.

S_muro.sur=27-2.6-0.15=24.25

Calculamos las pérdidas de calor del muro sur considerando el coeficiente L=1.

Q_muro.sur=1×24.25×48/2.80=416

Habiendo determinado las pérdidas de calor de cada muro, se pueden encontrar sus pérdidas térmicas totales mediante la fórmula:

Q_muros=Q_muro.sur+Q_muro.este+Q_muro.oeste+Q_muro.norte

Sustituyendo los valores, obtenemos:

Q_muros=509+461+424+416=1810 W

En total, las pérdidas de calor de los muros fueron de 1810 W por hora.

Cálculo de las pérdidas de calor de las ventanas

En total, en la casa hay 7 ventanas, tres de ellas tienen dimensiones de 1.5×1.7 m, dos – 2.1×1.5 m, una – 0.6×0.3 m y otra – 0.5×0.3 m.

Las ventanas con dimensiones de 1.5×1.7 m son de perfil PVC de doble cámara con vidrio I. De la documentación técnica se puede saber que su R=0.53. Las ventanas con dimensiones de 2.1×1.5 m son de doble cámara con argón y vidrio I, tienen una resistencia térmica R=0.75, las ventanas de 0.6x0.3 m y 0.5×0.3 – R=0.53.

El área de las ventanas fue calculada anteriormente.

S_ventana1=1.5×1.7=2.55

S_ventana2=0.6×0.4=0.24

S_ventana3=2.1×1.5=3.15

S_ventana4=0.5×0.3=0.15

También es importante considerar la orientación de las ventanas respecto a los puntos cardinales.

Normalmente no es necesario calcular la resistencia térmica de las ventanas, este parámetro se indica en la documentación técnica del producto.

Calculemos las pérdidas de calor de las ventanas occidentales, teniendo en cuenta el coeficiente L=1.05. En el lado hay 2 ventanas con dimensiones 1.5×1.7 m y una con 0.6×0.3 m.

Q_vent1=2.55×1.05×48/0.53=243

Q_vent2=0.24×1.05×48/0.53=23

Total, las pérdidas totales de las ventanas occidentales son:

Q_occ.vent=243×2+23=509

En el lado sur hay una ventana de 0.5×0.3, su R=0.53. Calculemos su pérdida de calor teniendo en cuenta el coeficiente 1.

Q_sur.vent=0.15*48×1/0.53=14

En el lado este hay 2 ventanas con dimensiones 2.1×1.5 y una ventana de 1.5×1.7. Calculemos las pérdidas de calor teniendo en cuenta el coeficiente L=1.05.

Q_vent1=2.55×1.05×48/0.53=243

Q_vent3=3.15×1.05×48/075=212

Sumamos las pérdidas de calor de las ventanas orientales.

Q_este.vent=243+212×2=667.

Las pérdidas totales de calor de las ventanas serán:

Q_vent=Q_este.vent+Q_sur.vent+Q_occ.vent=667+14+509=1190

Total, a través de las ventanas salen 1190 W de energía térmica.

Determinación de las pérdidas de calor de las puertas

En la casa hay una puerta, está empotrada en la pared sur, tiene dimensiones 1.3×2 m. Según los datos del fabricante, la conductividad térmica del material de la puerta es 0.14, su espesor – 0.05 m. Gracias a estos indicadores se puede calcular la resistencia térmica de la puerta.

R_puerta=0.05/0.14=0.36

Para los cálculos será necesario calcular su área.

S_puerta=1.3×2=2.6

Después de calcular la resistencia térmica y el área, se pueden encontrar las pérdidas de calor. La puerta está ubicada en el lado sur, por lo que usamos un coeficiente adicional de 1.

Q_puerta=2.6×48×1/0.36=347.

Total, a través de la puerta salen 347 W de calor.

Cálculo de la resistencia térmica del suelo

Según la documentación técnica, el suelo es de varias capas, en toda el área es igual, tiene dimensiones 10×12 m. Calculemos su área.

S_suelo=10×12=210.

El suelo se compone de tablas, aglomerado y aislante.

En la tabla se pueden conocer los coeficientes de conductividad térmica de algunos materiales utilizados para el revestimiento del suelo. Este parámetro también puede estar indicado en la documentación técnica de los materiales y diferir del de la tabla.

Es necesario calcular la resistencia térmica para cada capa del suelo por separado.

R_tablas=0.032/0.15=0.21

R_agl=0.01/0.15= 0.07

R_aisl=0.05/0.039=1.28

La resistencia térmica total del suelo es:

R_suelo=R_tablas+R_agl+R_aisl=0.21+0.07+1.28=1.56

Considerando que en invierno la temperatura del suelo se mantiene en +8 grados, entonces la diferencia de temperatura será:

dT=22-8=14

Usando los cálculos preliminares, se pueden encontrar las pérdidas de calor de la casa a través del suelo.

Al calcular las pérdidas de calor del suelo, se tienen en cuenta los materiales que afectan el aislamiento térmico (+)

Al calcular las pérdidas de calor del suelo, consideramos el coeficiente L=1.

Q_pola=210×14×1/1.56=1885

Las pérdidas totales de calor del suelo son de 1885 W.

Cálculo de las pérdidas de calor a través del techo

Al calcular las pérdidas de calor del techo, se considera la capa de lana mineral y los paneles de madera. La barrera de vapor e impermeabilización no participan en el proceso de aislamiento térmico, por lo que no se tienen en cuenta. Para los cálculos, necesitaremos encontrar la resistencia térmica de los paneles de madera y la capa de lana mineral. Usamos sus coeficientes de conductividad térmica y espesor.

R_der.shchit=0.04/0.15=0.27

R_min.vata=0.05/0.039=1.28

La resistencia térmica total será igual a la suma de R_der.shchit y R_min.vata.

R_krovli=0.27+1.28=1.55

La superficie del techo es la misma que la del suelo.

S _potolka = 120

A continuación, se realiza el cálculo de las pérdidas de calor del techo, considerando el coeficiente L=1.

Q_potolka=120×1×48/1.55=3717

En total, a través del techo se pierden 3717 W.

En la tabla se presentan los aislantes populares para techos y sus coeficientes de conductividad térmica. El poliuretano es el aislante más eficaz, la paja tiene el coeficiente de pérdida de calor más alto.

Para determinar las pérdidas totales de calor de la casa, es necesario sumar las pérdidas de calor de las paredes, ventanas, puerta, techo y suelo.

Q_obshch=1810+1190+347+1885+3717=8949 W

Para calentar la casa con los parámetros indicados, se necesita una caldera de gas que soporte una potencia de 8949 W o aproximadamente 10 kW.

Determinación de las pérdidas de calor teniendo en cuenta la infiltración

La infiltración – es un proceso natural de intercambio de calor con el entorno exterior, que ocurre durante el movimiento de personas en la casa, al abrir las puertas de entrada, ventanas.

Para calcular las pérdidas de calor por ventilación se puede usar la fórmula:

Q_inf=0.33×K×V×dT

En la expresión:

• K – relación de intercambio de aire calculada, para habitaciones se usa el coeficiente 0.3, para habitaciones con calefacción – 0.8, para cocina y baño – 1.
• V – volumen de la habitación, se calcula teniendo en cuenta la altura, longitud y anchura.
• dT – diferencia de temperatura entre el ambiente exterior y el interior de la casa.

Se puede usar una fórmula similar en caso de que la habitación tenga ventilación instalada.

En caso de que haya ventilación artificial en la casa, es necesario usar la misma fórmula que para la infiltración, solo que sustituyendo K por los parámetros de la extracción, y realizar los cálculos de dT teniendo en cuenta la temperatura del aire entrante.

Altura de la habitación – 2.7 m, anchura – 10 m, longitud – 12 m. Conociendo estos datos, se puede encontrar su volumen.

V=2.7 × 10 × 12=324

La diferencia de temperatura será igual a

dT=48

Tomamos el coeficiente K como 0.3. Entonces

Q_inf=0.33×0.3×324×48=1540

Al valor calculado total Q hay que añadirle Q_inf. En consecuencia,

Q_tot=1540+8949=10489.

En total, teniendo en cuenta la infiltración, las pérdidas de calor de la casa serán de 10489 W o 10.49 kW.

Cálculo de la potencia de la caldera

Al calcular la potencia de la caldera es necesario utilizar un coeficiente de seguridad de 1.2. Es decir, la potencia será igual a:

W = Q × k

Aquí:

• Q – pérdidas de calor del edificio.
• k – coeficiente de seguridad.

En nuestro ejemplo, sustituimos Q=9237 W y calculamos la potencia necesaria de la caldera.

W=10489×1.2=12587 W.

Teniendo en cuenta el coeficiente de seguridad, la potencia necesaria de la caldera para calentar una casa de 120 m² es de aproximadamente 13 kW.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Video tutorial: cómo calcular las pérdidas de calor de la casa y la potencia de la caldera utilizando el programa Valtec.

Un cálculo adecuado de las pérdidas de calor y la potencia de la caldera de gas mediante fórmulas o métodos de software permite determinar con alta precisión los parámetros necesarios del equipo, lo que permite evitar gastos innecesarios de combustible.

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