Cálculo hidráulico del sistema de calefacción en un ejemplo concreto

La calefacción basada en la circulación de agua caliente – es la opción más común para equipar una casa particular. Para un desarrollo adecuado del sistema, es necesario tener resultados preliminares de análisis, el llamado cálculo hidráulico del sistema de calefacción, que vincula la presión en todas las secciones de la red con los diámetros de las tuberías.

En el artículo presentado se describe detalladamente la metodología de cálculo. Para comprender mejor el algoritmo de acciones, hemos examinado el orden de cálculo en un ejemplo concreto.

Siguiendo la secuencia descrita, se podrá determinar el diámetro óptimo de la tubería principal, la cantidad de dispositivos de calefacción, la potencia de la caldera y otros parámetros del sistema necesarios para equipar un suministro de calefacción individual eficiente.

Concepto del cálculo hidráulico

El factor determinante del desarrollo tecnológico de los sistemas de calefacción ha sido el ahorro habitual en el portador de energía. El afán de ahorrar obliga a abordar con más cuidado el diseño, la selección de materiales, los métodos de instalación y el funcionamiento de la calefacción para la vivienda.

Por lo tanto, si ha decidido crear un sistema de calefacción único y, sobre todo, económico para su apartamento o casa, le recomendamos familiarizarse con las reglas de cálculo y diseño.

Antes de dar una definición del cálculo hidráulico del sistema, es necesario comprender clara y nítidamente que el sistema de calefacción individual de un apartamento y una casa está, en teoría, un orden de magnitud por encima del sistema de calefacción central de un edificio grande.

El sistema de calefacción personal se basa en un enfoque fundamentalmente diferente de los conceptos de calor y recurso energético.

La esencia del cálculo hidráulico es que el caudal del fluido caloportador no se establece de antemano con una aproximación significativa a los parámetros reales, sino que se determina mediante la vinculación de los diámetros de las tuberías con los parámetros de presión en todos los anillos del sistema.

Basta con realizar una comparación trivial de estos sistemas según los siguientes parámetros.

1. El sistema de calefacción central (caldera-casa-apartamento) se basa en tipos estándar de portadores de energía – carbón, gas. En un sistema autónomo se puede utilizar prácticamente cualquier sustancia que tenga un alto poder calorífico específico, o una combinación de varios materiales líquidos, sólidos y granulados.
2. El sistema de calefacción centralizada está construido con elementos comunes: tuberías metálicas, “radiadores toscos”, válvulas de cierre. El sistema de calefacción individual, en cambio, permite combinar los elementos más diversos: radiadores de múltiples secciones con buena disipación de calor, termostatos de alta tecnología, diferentes tipos de tuberías (PVC y cobre), grifos, tapones, accesorios y, por supuesto, calderas más económicas y bombas de circulación propias.
3. Si se entra en un apartamento típico de un edificio de paneles, construido hace 20-40 años, se observa que el sistema de calefacción se reduce a la presencia de un radiador de 7 secciones debajo de la ventana en cada habitación del apartamento, más una tubería vertical a lo largo de todo el edificio (montante), mediante la cual se puede “comunicar” con los vecinos de arriba/abajo. En cambio, el sistema de calefacción autónomo (ASO) permite construir un sistema de cualquier complejidad teniendo en cuenta los deseos individuales de los residentes del apartamento.
4. A diferencia del sistema de calefacción central, el sistema de calefacción individual tiene en cuenta una lista bastante considerable de parámetros que afectan la transmisión, el consumo de energía y las pérdidas de calor. Régimen de temperatura ambiente, rango de temperatura requerido en las habitaciones, área y volumen de la habitación, número de ventanas y puertas, uso de las habitaciones, etc.

Por lo tanto, el cálculo hidráulico del sistema de calefacción (GRSO) es un conjunto condicional de características calculadas del sistema de calefacción que proporciona información completa sobre parámetros como el diámetro de las tuberías, la cantidad de radiadores y las válvulas.

Este tipo de radiadores se instalaba en la mayoría de las casas prefabricadas del espacio postsoviético. El ahorro en materiales y la falta de concepto de diseño son evidentes.

El CHSC permite seleccionar correctamente la bomba de anillo de agua (de la caldera de calefacción) para transportar el agua caliente a los elementos finales del sistema de calefacción (radiadores) y, en última instancia, tener un sistema lo más equilibrado posible, lo que afecta directamente a la inversión económica en la parte de calefacción de la vivienda.

Otro tipo de radiador de calefacción para sistemas de calefacción central. Es un producto más universal que puede tener cualquier cantidad de aletas. Así se puede aumentar o disminuir la superficie de intercambio de calor.

Secuencia de pasos del cálculo

Hablando del cálculo del sistema de calefacción, señalamos que este procedimiento es el más ambiguo e importante en la fase de diseño.

Antes de realizar el cálculo, es necesario realizar un análisis preliminar del futuro sistema, por ejemplo:

• establecer el balance térmico en todas y cada una de las habitaciones del apartamento;
• seleccionar termostatos, válvulas y reguladores de presión;
• determinar las secciones del sistema con el flujo máximo y mínimo del fluido caloportador.

Además, es necesario determinar el esquema general de transporte del refrigerante: circuito completo y pequeño, sistema monotubo o línea bitubo.

Como resultado de realizar el cálculo hidráulico, se obtienen varias características importantes del sistema hidráulico, que dan respuesta a las siguientes preguntas:

• ¿cuál debe ser la potencia de la fuente de calefacción;
• ¿cuál es el caudal y la velocidad del fluido caloportador;
• ¿qué diámetro se necesita para la tubería principal de la tubería de calor;
• ¿cuáles son las posibles pérdidas de calor y de masa del propio fluido caloportador.

Otro aspecto importante del cálculo hidráulico es el procedimiento de equilibrio (ajuste) de todas las partes (ramas) del sistema durante los regímenes térmicos extremos mediante dispositivos de regulación.

Se distinguen varios tipos principales de productos de calefacción: los de hierro fundido y aluminio multiseccionales, los paneles de acero, los radiadores bimetálicos y los convectores. Pero los más comunes son los radiadores de aluminio multiseccionales.

La zona de cálculo de la tubería principal es un tramo con un diámetro constante de la propia tubería principal, así como un caudal constante de agua caliente, que se determina mediante la fórmula del balance térmico de las habitaciones. La enumeración de las zonas de cálculo comienza desde la bomba o la fuente de calor.

Condiciones iniciales del ejemplo

Para una explicación más concreta de todos los detalles del cálculo hidráulico, tomemos un ejemplo específico de una vivienda residencial común. Disponemos de un clásico apartamento de 2 habitaciones en un edificio de paneles, con una superficie total de 65,54 m², que incluye dos habitaciones, cocina, baño y aseo separados, doble pasillo y balcón emparejado.

Después de la puesta en funcionamiento, se recibió la siguiente información sobre el estado del apartamento. El apartamento descrito incluye paredes de hormigón armado monolítico tratadas con masilla e imprimación, ventanas de perfil con doble acristalamiento, puertas interiores de tyrso-prensado, baldosas cerámicas en el suelo del baño.

Un típico edificio de paneles de 9 plantas con cuatro entradas. En cada planta hay 3 apartamentos: uno de 2 habitaciones y dos de 3 habitaciones. El apartamento está ubicado en el quinto piso.

Además, la vivienda presentada ya cuenta con cableado de cobre, distribuidores y un cuadro eléctrico separado, cocina de gas, bañera, lavabo, inodoro, toallero eléctrico y fregadero.

Y lo más importante, en las salas de estar, el baño y la cocina ya hay radiadores de calefacción de aluminio. La cuestión de las tuberías y la caldera sigue abierta.

Cómo se realiza la recopilación de datos

El cálculo hidráulico del sistema se basa principalmente en cálculos relacionados con el cálculo de la calefacción por área de la habitación.

Por lo tanto, es necesario contar con la siguiente información:

• superficie de cada habitación individual;
• dimensiones de las aberturas de ventanas y puertas (las puertas interiores prácticamente no afectan las pérdidas de calor);
• condiciones climáticas, características de la región.

Partiremos de los siguientes datos. Superficie de la sala de estar: 18,83 m², dormitorio: 14,86 m², cocina: 10,46 m², balcón: 7,83 m² (suma), pasillo: 9,72 m² (suma), baño: 3,60 m², aseo: 1,5 m². Puerta de entrada: 2,20 m², ventanal de la sala de estar: 8,1 m², ventana del dormitorio: 1,96 m², ventana de la cocina: 1,96 m².

La altura de las paredes del apartamento es de 2 metros 70 cm. Las paredes exteriores están hechas de hormigón clase B7 más yeso interior, con un espesor de 300 mm. Las paredes interiores y tabiques: de carga de 120 mm, normales de 80 mm. El suelo y el techo son de losas de hormigón clase B15, con un espesor de 200 mm.

La distribución de este apartamento permite crear una única rama de calefacción que pasa por la cocina, el dormitorio y la sala de estar, lo que garantizará una temperatura media de 20-22⁰C en las habitaciones (+)

¿En cuanto al medio ambiente? El apartamento está en un edificio que se ubica en el centro de un barrio de una ciudad pequeña. La ciudad está en una especie de llanura, a una altitud de 130-150 m sobre el nivel del mar. El clima es continental moderado, con invierno fresco y verano bastante cálido.

Temperatura media anual: +7,6°C. Temperatura media de enero: -6,6°C, de julio: +18,7°C. Viento: 3,5 m/s, humedad media: 74%, precipitaciones: 569 mm.

Al analizar las condiciones climáticas de la región, cabe señalar que nos encontramos con una gran variación de temperaturas, lo que a su vez influye en un requisito especial para la regulación del sistema de calefacción del apartamento.

Potencia del generador de calor

Uno de los componentes principales del sistema de calefacción es la caldera: eléctrica, de gas, combinada – en esta etapa no importa. Ya que lo que nos importa es su característica principal – la potencia, es decir, la cantidad de energía por unidad de tiempo que se destinará a la calefacción.

La potencia de la caldera se determina mediante la siguiente fórmula:

Wkotla = (Spomeshch * Wudel) / 10,

donde:

• Spomeshch – suma de las áreas de todas las habitaciones que requieren calefacción;
• Wudel – potencia específica teniendo en cuenta las condiciones climáticas de la ubicación (para eso era necesario conocer el clima de la región).

Característicamente, para diferentes zonas climáticas tenemos los siguientes datos:

• zonas septentrionales – 1,5 – 2 kW/m²;
• zona central – 1 – 1,5 kW/m²;
• regiones meridionales – 0,6 – 1 kW/m².

Estos números son bastante aproximados, pero no obstante proporcionan una respuesta numérica clara sobre la influencia del entorno en el sistema de calefacción del apartamento.

En este mapa se presentan las zonas climáticas con diferentes regímenes de temperatura. Dependiendo de la ubicación de la vivienda con respecto a la zona, se determina cuántos kW de energía se deben gastar por metro cuadrado para la calefacción (+).

La suma del área del apartamento que se debe calentar – es igual al área total del apartamento y es, es decir – 65,54-1,80-6,03=57,71 m2 (menos el balcón). La potencia específica de la caldera para la región central con invierno frío – 1,4 kW/m2. Por lo tanto, en nuestro ejemplo, la potencia calculada de la caldera de calefacción equivale a 8,08 kW.

Parámetros dinámicos del fluido térmico

Pasamos a la siguiente etapa de los cálculos – análisis del consumo de fluido caloportador. En la mayoría de los casos, el sistema de calefacción de un apartamento se diferencia de otros sistemas – esto se debe a la cantidad de paneles de calefacción y la longitud de la tubería. La presión se utiliza como una “fuerza motriz” adicional del flujo verticalmente a través del sistema.

En casas particulares de una y varias plantas, y en edificios de apartamentos de paneles antiguos, se utilizan sistemas de calefacción de alta presión, que permiten transportar el fluido calefactor a todas las partes del sistema de calefacción ramificado y de múltiples anillos, y elevar el agua hasta toda la altura del edificio (hasta el piso 14).

Por el contrario, un apartamento normal de 2 o 3 habitaciones con calefacción independiente no tiene tal diversidad de anillos y ramales del sistema; incluye no más de tres circuitos.

Por lo tanto, el transporte del refrigerante se realiza mediante el proceso natural de flujo del agua. Pero también se pueden usar bombas de circulación, la calefacción se proporciona mediante una caldera de gas/eléctrica.

Recomendamos usar una bomba de circulación para calefacción de espacios de más de 100 m². Se puede montar la bomba tanto antes como después de la caldera, pero normalmente se coloca en el “retorno” – menor temperatura del fluido, menor aireación, mayor vida útil de la bomba.

Los especialistas en diseño e instalación de sistemas de calefacción definen dos enfoques principales para el cálculo del volumen del fluido calefactor:

1. Según la capacidad real del sistema. Se suman todos los volúmenes de las cavidades sin excepción por donde fluirá el agua caliente: la suma de las secciones individuales de tuberías, secciones de radiadores, etc. Pero es una opción bastante laboriosa.
2. Según la potencia de la caldera. Aquí las opiniones de los expertos divergen mucho: unos dicen 10, otros 15 litros por unidad de potencia de la caldera.

Desde un punto de vista pragmático, hay que tener en cuenta que probablemente el sistema de calefacción no solo suministrará agua caliente para la habitación, sino que también calentará agua para el baño/ducha, lavabo, fregadero y secadora, y quizás incluso para hidromasaje o jacuzzi. Esta opción es más simple.

Por lo tanto, en este caso recomendamos establecer 13,5 litros por unidad de potencia. Multiplicando este número por la potencia de la caldera (8,08 kW) obtenemos el volumen calculado de masa de agua – 109,08 l.

La velocidad calculada del fluido calefactor en el sistema es precisamente el parámetro que permite seleccionar un diámetro específico de tubería para el sistema de calefacción.

Se calcula mediante la siguiente fórmula:

V = (0,86*W*k)/t-to,

donde:

• W – potencia de la caldera;
• t – temperatura del agua suministrada;
• to – temperatura del agua en el circuito de retorno;
• k – rendimiento de la caldera (0,95 para caldera de gas).

Sustituyendo los datos calculados en la fórmula, tenemos: (0.86 * 8080 * 0.95)/80-60 = 6601,36/20=330 kg/h. Por lo tanto, en una hora se mueven 330 l de fluido calefactor (agua) en el sistema, y la capacidad del sistema es de aproximadamente 110 l.

Determinación del diámetro de las tuberías

Para la determinación final del diámetro y el espesor de las tuberías de calefacción, queda por discutir la cuestión de las pérdidas de calor.

La mayor cantidad de calor se escapa de la habitación a través de las paredes – hasta el 40%, a través de las ventanas – 15%, el suelo – 10%, todo lo demás a través del techo/cubierta. En un apartamento, las pérdidas se producen principalmente a través de las ventanas y los módulos de balcón.

Existen varios tipos de pérdidas de calor en locales con calefacción:

1. Pérdidas de presión del flujo en la tubería. Este parámetro es directamente proporcional al producto de la pérdida unitaria por fricción dentro de la tubería (proporcionada por el fabricante) por la longitud total de la tubería. Pero, considerando la tarea actual, dichas pérdidas pueden no tenerse en cuenta.
2. Pérdidas de presión en resistencias locales de tubería – costes de calor en accesorios y dentro del equipo. Pero, dadas las condiciones del problema, un número reducido de curvas de accesorios y de radiadores permite despreciar dichas pérdidas.
3. Pérdidas de calor según la ubicación del apartamento. Existe otro tipo de costes térmicos, pero están más relacionados con la ubicación del local respecto al resto del edificio. Para un apartamento típico que se encuentra en el medio del edificio y colinda por izquierda/derecha/arriba/abajo con otros apartamentos, las pérdidas de calor a través de las paredes laterales, el techo y el suelo son prácticamente iguales a “0”.

En el cálculo solo se pueden considerar las pérdidas a través de la parte frontal del apartamento – el balcón y la ventana central de la sala común. Pero esta cuestión se resuelve añadiendo 2-3 secciones a cada uno de los radiadores.

El valor del diámetro de las tuberías se selecciona según el caudal del fluido caloportador y su velocidad de circulación en la línea de calefacción

Analizando la información anterior, cabe señalar que para la velocidad calculada del agua caliente en el sistema de calefacción, se conoce la velocidad tabular de desplazamiento de las partículas de agua respecto a la pared de la tubería en posición horizontal de 0,3-0,7 m/s.

Para ayudar al técnico, presentamos la denominada lista de verificación para realizar los cálculos de un cálculo hidráulico típico del sistema de calefacción:

• recopilación de datos y cálculo de la potencia de la caldera;
• volumen y velocidad del fluido caloportador;
• pérdidas de calor y diámetro de las tuberías.

A veces, al calcular se puede obtener un diámetro de tubería suficientemente grande para cubrir el volumen calculado del fluido caloportador. Este problema se puede resolver aumentando la capacidad de la caldera o añadiendo un depósito de expansión adicional.

En nuestro sitio web hay un bloque de artículos dedicados al cálculo del sistema de calefacción, le recomendamos consultarlos:

1. Cálculo térmico del sistema de calefacción: cómo hacer correctamente el cálculo de la carga del sistema
2. Cálculo de calefacción por agua: fórmulas, reglas, ejemplos de ejecución
3. Cálculo térmico del edificio: especificidad y fórmulas para realizar cálculos + ejemplos prácticos

Conclusiones y video útil sobre el tema

Características, ventajas y desventajas de los sistemas de circulación natural y forzada del fluido caloportador para sistemas de calefacción:

Resumiendo los resultados del cálculo hidráulico, como resultado se obtuvieron características físicas específicas del futuro sistema de calefacción.

Naturalmente, se trata de un esquema de cálculo simplificado que proporciona datos aproximados sobre el cálculo hidráulico para el sistema de calefacción de un apartamento típico de dos habitaciones.

¿Está intentando realizar usted mismo el cálculo hidráulico del sistema de calefacción? ¿O tal vez no está de acuerdo con el material expuesto? Esperamos sus comentarios y preguntas – el bloque de retroalimentación se encuentra a continuación.