Cálculo del sistema de calefacción de una casa particular: reglas y ejemplos de cálculo

La calefacción de una casa particular es un elemento necesario para una vivienda confortable. Estará de acuerdo en que la instalación del sistema de calefacción debe abordarse con cuidado, ya que los errores resultarán costosos. ¿Pero usted nunca ha realizado cálculos similares y no sabe cómo hacerlos correctamente?

Nosotros le ayudaremos – en nuestro artículo analizaremos en detalle cómo se realiza el cálculo del sistema de calefacción de una casa particular para reponer eficazmente las pérdidas de calor en los meses de invierno.

Presentaremos ejemplos concretos, complementando el material del artículo con fotos ilustrativas y útiles consejos en video, así como con tablas actualizadas con indicadores y coeficientes necesarios para los cálculos.

Pérdidas de calor de una casa particular

El edificio pierde calor debido a la diferencia de temperatura del aire dentro y fuera de la casa. Las pérdidas de calor son mayores cuanto mayor es el área de las estructuras de cerramiento del edificio (ventanas, tejado, paredes, cimientos).

También las pérdidas de energía térmica están relacionadas con los materiales de las estructuras de cerramiento y sus dimensiones. Por ejemplo, las pérdidas de calor de las paredes delgadas son mayores que las de las gruesas.

Un cálculo eficiente de la calefacción para una casa particular debe tener en cuenta los materiales utilizados en la construcción de las estructuras de cerramiento.

Por ejemplo, con el mismo grosor de pared, las de madera y ladrillo conducen el calor con diferente intensidad: las pérdidas de calor a través de estructuras de madera son más lentas. Algunos materiales transmiten mejor el calor (metal, ladrillo, hormigón), otros peor (madera, lana mineral, poliestireno expandido).

La atmósfera dentro de una vivienda está indirectamente relacionada con el ambiente exterior. Las paredes, las aberturas de ventanas y puertas, el techo y los cimientos transfieren calor desde el interior hacia el exterior en invierno, trayendo frío a cambio. Estos representan entre el 70 y el 90% de las pérdidas totales de calor de la casa de campo.

Las paredes, el techo, las ventanas y las puertas – todo deja escapar el calor en invierno. Una cámara termográfica mostrará claramente las fugas de calor.

Una pérdida constante de energía térmica durante la temporada de calefacción también ocurre a través de la ventilación y el alcantarillado.

En el cálculo de las pérdidas de calor de una construcción de vivienda particular, estos datos generalmente no se tienen en cuenta. Pero incluir en el cálculo térmico general de la casa las pérdidas de calor a través de los sistemas de alcantarillado y ventilación sigue siendo una decisión correcta.

Un sistema de aislamiento térmico bien diseñado puede reducir significativamente las fugas de calor que atraviesan las estructuras de construcción y los vanos de puertas y ventanas.

Es imposible realizar el cálculo del circuito autónomo de calefacción de una casa de campo sin evaluar las pérdidas de calor de sus estructuras de cerramiento. Más precisamente, no se podrá determinar la potencia de la caldera de calefacción suficiente para calentar la casa de campo durante las heladas más severas.

El análisis del consumo real de energía térmica a través de las paredes permitirá comparar los costos del equipo de caldera y el combustible con los gastos de aislamiento térmico de las estructuras de cerramiento.

Porque cuanto más eficiente energéticamente sea la casa, es decir, cuanto menos energía térmica pierda en los meses de invierno, menores serán los gastos en la compra de combustible.

Para un cálculo adecuado del sistema de calefacción se necesitará el coeficiente de conductividad térmica de los materiales de construcción comunes.

Tabla de valores del coeficiente de conductividad térmica de diversos materiales de construcción, los más utilizados en la construcción

Cálculo de pérdidas de calor a través de las paredes

A modo de ejemplo, calcularemos las pérdidas de calor a través de las estructuras de pared de una casa de campo hipotética de dos pisos.

Datos iniciales:

• una «caja» cuadrada con paredes de fachada de 12 m de ancho y 7 m de alto;
• en las paredes hay 16 vanos, cada uno con un área de 2,5 m²;
• material de las paredes de fachada – ladrillo macizo cerámico;
• grosor de la pared – 2 ladrillos.

A continuación, se realizará el cálculo del grupo de indicadores que conforman el valor total de las pérdidas de calor a través de las paredes.

Indicador de resistencia a la transferencia de calor

Para determinar el indicador de resistencia a la transferencia de calor de una pared de fachada, es necesario dividir el espesor del material de la pared por su coeficiente de conductividad térmica.

Para varios materiales de construcción, los datos sobre el coeficiente de conductividad térmica se presentan en las imágenes superiores e inferiores.

Para cálculos precisos, se necesitará el coeficiente de conductividad térmica de los materiales de aislamiento térmico indicados en la tabla, utilizados en la construcción.

Nuestra pared hipotética está construida con ladrillo macizo cerámico, cuyo coeficiente de conductividad térmica es 0,56 W/m·^°C. Su espesor, incluido el mortero de cemento y arena, es de 0,51 m. Dividiendo el espesor de la pared por el coeficiente de conductividad térmica del ladrillo, obtenemos la resistencia a la transferencia de calor de la pared:

0,51 : 0,56 = 0,91 W/m^2×°C

El resultado de la división se redondea a dos decimales; no se necesitan datos más precisos sobre la resistencia a la transferencia de calor.

Área de las paredes exteriores

Dado que el ejemplo es un edificio cuadrado, el área de sus paredes se determina multiplicando el ancho por la altura de una pared y luego por el número de paredes exteriores:

12 · 7 · 4 = 336 m²

Entonces, conocemos el área de las paredes de fachada. Pero, ¿qué pasa con los huecos de ventanas y puertas, que ocupan juntos 40 m² (2,5·16=40 m²) de la pared de fachada? ¿Deben tenerse en cuenta?

En efecto, ¿cómo calcular correctamente la calefacción autónoma en una casa de madera sin tener en cuenta la resistencia a la transferencia de calor de las estructuras de ventanas y puertas?

Coeficiente de conductividad térmica de los materiales de aislamiento térmico utilizados para aislar las paredes de carga

Si es necesario calcular las pérdidas de calor de un edificio de gran superficie o de una casa cálida (energéticamente eficiente), sí, tener en cuenta los coeficientes de transferencia de calor de los marcos de las ventanas y las puertas de entrada en el cálculo sería correcto.

Sin embargo, para las construcciones de poca altura de viviendas individuales erigidas con materiales tradicionales, es aceptable ignorar los vanos de puertas y ventanas. Es decir, no restar su área del área total de las paredes de fachada.

Pérdidas totales de calor de las paredes

Determinamos la pérdida de calor de un metro cuadrado de la pared con una diferencia de temperatura del aire dentro y fuera de la casa de un grado.

Para ello, dividimos la unidad por la resistencia a la transferencia de calor de la pared calculada anteriormente:

1 : 0,91 = 1,09 W/m²·^°C

Conociendo las pérdidas de calor por metro cuadrado del perímetro de las paredes exteriores, se pueden determinar las pérdidas de calor a determinadas temperaturas exteriores.

Por ejemplo, si en los interiores de la casa la temperatura es de +20 ^oC, y en el exterior es de -17 ^oC, la diferencia de temperatura será de 20+17=37 ^oC. En tal situación, las pérdidas totales de calor de las paredes de nuestra casa hipotética serán:

0,91 · 336 · 37 = 11313 W,

Donde: 0,91 – resistencia a la transferencia de calor de un metro cuadrado de pared; 336 – área de las paredes de fachada; 37 – diferencia entre la temperatura ambiente interior y exterior.

Coeficiente de conductividad térmica de materiales aislantes utilizados para el aislamiento de suelos/paredes, para la instalación de solado seco y nivelación de paredes

Recalculemos el valor obtenido de pérdida de calor en kilovatios-hora, ya que son más convenientes para la comprensión y para cálculos posteriores de la potencia del sistema de calefacción.

Pérdidas de calor de las paredes en kilovatios-hora

Primero, averigüemos cuánta energía térmica se perderá a través de las paredes en una hora con una diferencia de temperatura de 37 ^oC.

Recordamos que el cálculo se realiza para una casa con características constructivas, seleccionadas de forma condicional para cálculos demostrativos:

11313 · 1 : 1000 = 11,313 kWh,

Donde: 11313 – valor de pérdida de calor obtenido anteriormente; 1 – hora; 1000 – cantidad de vatios en un kilovatio.

Coeficiente de conductividad térmica de materiales de construcción utilizados para el aislamiento de paredes y techos

Para calcular las pérdidas de calor diarias, multiplicamos el valor obtenido de pérdida de calor por hora por 24 horas:

11,313 · 24 = 271,512 kWh

Para mayor claridad, determinemos las pérdidas de energía térmica durante la temporada de calefacción completa:

7 · 30 · 271,512 = 57017,52 kWh,

Donde: 7 – número de meses en la temporada de calefacción; 30 – cantidad de días en un mes; 271,512 – pérdida diaria de calor de las paredes.

Por lo tanto, las pérdidas de calor calculadas de la casa con las características seleccionadas anteriormente de las estructuras de cerramiento serán de 57017,52 kWh durante siete meses de la temporada de calefacción.

Consideración del efecto de la ventilación en una casa particular

Realicemos el cálculo de las pérdidas de calor por ventilación durante la temporada de calefacción como ejemplo para una casa hipotética de forma cuadrada, con una pared de 12 metros de ancho y 7 metros de alto.

Sin tener en cuenta muebles y paredes interiores, el volumen interior de la atmósfera en este edificio será:

12 · 12 · 7 = 1008 m³

A una temperatura del aire de +20 ^oC (norma en la temporada de calefacción), su densidad es igual a 1,2047 kg/m³, y el calor específico es de 1,005 kJ/(kg·^oC).

Calculemos la masa de la atmósfera en la casa:

1008 · 1,2047 = 1214,34 kg,

Donde: 1008 – volumen de la atmósfera de la casa; 1,2047 – densidad del aire a t +20 ^oC.

Tabla con el valor del coeficiente de conductividad térmica de materiales que pueden ser necesarios al realizar cálculos precisos

Supongamos un recambio quíntuple del volumen de aire en las habitaciones de la casa. Señalamos que la necesidad precisa de volumen de aire fresco depende del número de residentes de la casa de campo.

Con una diferencia de temperatura media entre la casa y el exterior durante la temporada de calefacción, igual a 27 ^°C (20 ^°C interior, -7 ^°C exterior), durante un día se necesitará energía térmica para calentar el aire frío de entrada:

5 · 27 · 1214,34 · 1,005 = 164755,58 kJ,

Donde: 5 – número de cambios de aire en las habitaciones; 27 – diferencia de temperatura entre la atmósfera interior y exterior; 1214,34 – densidad del aire a t +20 ^°C; 1,005 – capacidad calorífica específica del aire.

Convertimos los kilojulios a kilovatios-hora, dividiendo el valor por la cantidad de kilojulios en un kilovatio-hora (3600):

164755,58 : 3600 = 45,76 kWh

Habiendo determinado los costos de energía térmica para calentar el aire en la casa con su cambio quíntuple a través de la ventilación de entrada, se pueden calcular las pérdidas de calor «por aire» durante la temporada de calefacción de siete meses:

7 · 30 · 45,76 = 9609,6 kWh,

Donde: 7 – número de meses «calefactados»; 30 – número promedio de días en un mes; 45,76 – costo diario de energía térmica para calentar el aire de entrada.

Los costos energéticos de ventilación (infiltración) son inevitables, ya que la renovación del aire en las habitaciones de la casa es vitalmente necesaria.

Las necesidades de calentamiento de la atmósfera de aire renovada en la casa deben calcularse, sumarse a las pérdidas de calor a través de las estructuras envolventes y tenerse en cuenta al elegir la caldera de calefacción. Hay otro tipo de costos de energía térmica, el último: las pérdidas de calor por alcantarillado.

Costos de energía para la preparación de agua caliente sanitaria

Si en los meses cálidos el agua fría entra desde el grifo en la casa, en la temporada de calefacción está helada, con una temperatura no superior a +5 ^°C. Bañarse, lavar los platos y la ropa son imposibles sin calentar agua.

El agua que se llena en el tanque del inodoro entra en contacto a través de las paredes con la atmósfera interior, absorbiendo un poco de calor. ¿Qué sucede con el agua calentada mediante la quema de combustible no gratuito y utilizada para necesidades domésticas? Se vierte por el alcantarillado.

Caldera de doble circuito con calentador de agua de calentamiento indirecto, utilizado tanto para calentar el fluido caloportador como para suministrar agua caliente al circuito construido para ella

Consideremos un ejemplo. Una familia de tres personas, supongamos, consume 17 m³ de agua mensualmente. 1000 kg/m³ – densidad del agua, y 4,183 kJ/kg·^°C – su capacidad calorífica específica.

La temperatura media de calentamiento del agua destinada a usos domésticos, supongamos que sea +40 ^°C. En consecuencia, la diferencia de temperatura media entre el agua fría que entra en la casa (+5 ^°C) y la calentada en el calentador (+30 ^°C) resulta ser de 25 ^°C.

Para el cálculo de las pérdidas de calor en el alcantarillado, consideramos:

17 · 1000 · 25 · 4,183 = 1777775 kJ,

Donde: 17 – volumen mensual de consumo de agua; 1000 – densidad del agua; 25 – diferencia de temperatura entre el agua fría y la calentada; 4,183 – capacidad calorífica específica del agua;

Para convertir kilojulios a kilovatios-hora, que son más intuitivos:

1777775 : 3600 = 493,82 kWh

Por lo tanto, durante el período de siete meses de la temporada de calefacción, se va al alcantarillado energía térmica en un volumen de:

493,82 · 7 = 3456,74 kWh

El consumo de energía térmica para calentar agua para fines higiénicos es pequeño en comparación con las pérdidas de calor a través de las paredes y la ventilación. Pero también son costes energéticos que cargan la caldera de calefacción o el calentador y provocan un consumo de combustible.

Cálculo de la potencia de la caldera de calefacción

La caldera en el sistema de calefacción está diseñada para compensar las pérdidas de calor del edificio. Y también, en caso de sistema de doble circuito o al equipar la caldera con un calentador de agua de calefacción indirecta, para calentar agua para necesidades higiénicas.

Tras calcular las pérdidas diarias de calor y el consumo de agua caliente «para el alcantarillado», se puede determinar con precisión la potencia necesaria de la caldera para una casa de campo de una superficie determinada y las características de las estructuras de cerramiento.

Una caldera de un solo circuito solo produce el calentamiento del fluido caloportador para el sistema de calefacción

Para determinar la potencia de la caldera de calefacción, es necesario calcular los costes de energía térmica de la casa a través de las paredes de fachada y para el calentamiento del aire de renovación de los espacios interiores.

Se requieren datos sobre las pérdidas de calor en kilovatios-hora por día – en el caso de una casa hipotética calculada como ejemplo, esto es:

271,512 + 45,76 = 317,272 kWh,

Donde: 271,512 – pérdidas diarias de calor a través de las paredes exteriores; 45,76 – pérdidas diarias de calor por calentamiento del aire de suministro.

En consecuencia, la potencia de calefacción necesaria de la caldera será:

317,272 : 24 (horas) = 13,22 kW

Sin embargo, una caldera así estará sometida a una carga constantemente alta, lo que reduce su vida útil. Y en los días especialmente fríos, la potencia calculada de la caldera será insuficiente, ya que con un alto gradiente de temperatura entre la atmósfera interior y exterior, las pérdidas de calor del edificio aumentarán drásticamente.

Por lo tanto, no vale la pena elegir la caldera según un cálculo promedio del consumo de energía térmica – puede que no pueda hacer frente a las heladas fuertes.

Sería racional aumentar la potencia requerida del equipo de la caldera en un 20%:

13,22 × 0,2 + 13,22 = 15,86 kW

Para calcular la potencia requerida del segundo circuito de la caldera, que calienta agua para lavar platos, bañarse, etc., es necesario dividir el consumo mensual de calor de las pérdidas térmicas «de alcantarillado» entre el número de días del mes y entre 24 horas:

493,82 : 30 : 24 = 0,68 kW

Según los resultados de los cálculos, la potencia óptima de la caldera para el chalet de ejemplo es de 15,86 kW para el circuito de calefacción y 0,68 kW para el circuito de calentamiento.

Selección de radiadores de calefacción

Tradicionalmente, se recomienda elegir la potencia del radiador de calefacción según el área de la habitación a calentar, con un aumento del 15-20% en las necesidades de potencia por si acaso.

Como ejemplo, veamos qué tan correcta es la metodología de selección del radiador «10 m2 de área – 1,2 kW».

La potencia térmica de los radiadores depende de la forma de conexión, lo cual debe tenerse en cuenta al realizar los cálculos del sistema de calefacción.

Datos iniciales: habitación esquinera en la primera planta de una casa de dos pisos IZHS; pared exterior de mampostería de dos hileras de ladrillo cerámico; ancho de la habitación 3 m, largo 4 m, altura del techo 3 m.

Según el esquema simplificado de selección, se propone calcular el área del local, calculamos:

3 (ancho) · 4 (largo) = 12 m²

Es decir, la potencia necesaria del radiador de calefacción con un sobredimensionamiento del 20% resulta ser 14,4 kW. Y ahora calculemos los parámetros de potencia del radiador de calefacción basándonos en las pérdidas de calor de la habitación.

De hecho, el área de la habitación influye en las pérdidas de energía térmica menos que el área de sus paredes que dan al exterior del edificio (fachadas).

Por lo tanto, calcularemos precisamente el área de las paredes «exteriores» que hay en la habitación:

3 (ancho) · 3 (alto) + 4 (largo) · 3 (alto) = 21 m²

Conociendo el área de las paredes que transmiten calor «al exterior», calculemos las pérdidas de calor con una diferencia de temperatura entre la habitación y el exterior de 30^° (en la casa +18 ^°C, afuera -12 ^°C), y además directamente en kilovatios-hora:

0,91 · 21 · 30 : 1000 = 0,57 kW,

Donde: 0,91 – resistencia a la transferencia de calor de m2 de las paredes de la habitación que dan «al exterior»; 21 – área de las paredes «exteriores»; 30 – diferencia de temperatura dentro y fuera de la casa; 1000 – número de vatios en un kilovatio.

Según las normas de construcción, los aparatos de calefacción se colocan en los lugares de mayores pérdidas de calor. Por ejemplo, los radiadores se instalan debajo de las ventanas, las pistolas de calor – sobre la entrada de la casa. En las habitaciones esquinadas, los radiadores se instalan en las paredes ciegas, sometidas al máximo impacto del viento.

Resulta que para compensar las pérdidas de calor a través de las paredes de fachada de esta construcción, con una diferencia de temperatura de 30^° entre la casa y el exterior, es suficiente una calefacción de potencia de 0,57 kWh. Aumentemos la potencia necesaria en un 20, incluso un 30% – obtenemos 0,74 kWh.

Por lo tanto, las necesidades reales de potencia de calefacción pueden ser significativamente inferiores a la fórmula comercial de «1,2 kW por metro cuadrado de superficie de la habitación».

Además, el cálculo correcto de las potencias necesarias de los radiadores de calefacción permitirá reducir el volumen de refrigerante en el sistema de calefacción, lo que disminuirá la carga en la caldera y los costos de combustible.

Conclusiones y video útil sobre el tema

¿A dónde se va el calor de la casa? – Las respuestas las proporciona un video explicativo:

En el video se analiza el procedimiento para calcular las pérdidas de calor de la casa a través de las estructuras de cerramiento. Conociendo las pérdidas de calor, se podrá calcular con precisión las potencias del sistema de calefacción:

Vea a continuación el video detallado sobre los principios de selección de las características de potencia de la caldera de calefacción:

La generación de calor se encarece cada año – los precios del combustible aumentan. Y el calor siempre falta. No se puede ser indiferente al consumo energético de la vivienda – es completamente desventajoso.

Por un lado, cada nueva temporada de calefacción le resulta al propietario cada vez más cara. Por otro lado, el aislamiento de paredes, cimientos y tejado de la vivienda cuesta bastante dinero. Sin embargo, cuanto menos calor se escape del edificio, más barato será calentarlo.

Mantener el calor en las habitaciones de la casa es la tarea principal del sistema de calefacción durante los meses de invierno. La elección de la potencia de la caldera de calefacción depende del estado de la casa y de la calidad del aislamiento de sus estructuras de cerramiento. El principio de «kilovatio por cada 10 metros cuadrados de superficie» funciona en una vivienda con estado medio de fachadas, tejado y cimientos.

¿Ha calculado usted mismo el sistema de calefacción para su casa? ¿O ha notado una discrepancia en los cálculos presentados en el artículo? Comparta su experiencia práctica o sus conocimientos teóricos dejando un comentario en el bloque debajo de este artículo.