Cálculo térmico del sistema de calefacción: cómo hacer correctamente el cálculo de la carga del sistema

El diseño y el cálculo térmico del sistema de calefacción – una etapa obligatoria al instalar la calefacción del hogar. La tarea principal de las actividades de cálculo – la determinación de los parámetros óptimos de la caldera y del sistema de radiadores.

Estará de acuerdo en que, a primera vista, puede parecer que la realización de un cálculo térmico solo está al alcance de un ingeniero. Sin embargo, no es tan complicado. Conociendo el algoritmo de acciones, podrá realizar por sí mismo los cálculos necesarios.

En el artículo se explica detalladamente el procedimiento de cálculo y se presentan todas las fórmulas necesarias. Para una mejor comprensión, hemos preparado un ejemplo de cálculo térmico para una casa particular.

Cálculo térmico de la calefacción: procedimiento general

El cálculo térmico clásico del sistema de calefacción constituye un documento técnico consolidado que incluye los métodos de cálculo estándar obligatorios por etapas.

Pero antes de estudiar estos cálculos de los parámetros principales, es necesario definir el concepto del propio sistema de calefacción.

El sistema de calefacción se caracteriza por un suministro forzado y una extracción involuntaria de calor en el local.

Principales tareas del cálculo y diseño del sistema de calefacción:

• determinar las pérdidas térmicas con la mayor fiabilidad;
• determinar la cantidad y las condiciones de uso del fluido caloportador;
• seleccionar con la máxima precisión los elementos de generación, transporte y cesión de calor.

Al construir un sistema de calefacción, es necesario primero recopilar diversos datos sobre el local/edificio donde se utilizará el sistema de calefacción. Luego, realizar el cálculo de los parámetros térmicos del sistema y analizar los resultados de las operaciones aritméticas.

Con base en los datos obtenidos, se seleccionan los componentes del sistema de calefacción, seguido de su compra, instalación y puesta en marcha.

La calefacción – es un sistema multicomponente para asegurar el régimen de temperatura aprobado en el local/edificio. Constituye una parte separada del complejo de comunicaciones de una vivienda moderna.

Es notable que el método mencionado de cálculo térmico permite calcular con bastante precisión una gran cantidad de magnitudes que describen específicamente el futuro sistema de calefacción.

Como resultado del cálculo térmico se dispondrá de la siguiente información:

• número de pérdidas térmicas, potencia de la caldera;
• cantidad y tipo de radiadores térmicos para cada habitación por separado;
• características hidráulicas de la tubería;
• volumen, velocidad del fluido caloportador, potencia de la bomba de calor.

El cálculo térmico – no son bocetos teóricos, sino resultados bastante precisos y fundamentados que se recomienda utilizar en la práctica al seleccionar los componentes del sistema de calefacción.

Normas de los regímenes de temperatura de los ambientes

Antes de realizar cualquier cálculo de los parámetros del sistema, es necesario, como mínimo, conocer el orden de los resultados esperados, así como disponer de las características estandarizadas de algunos valores tabulares que deben sustituirse en las fórmulas o utilizarse como referencia.

Al realizar los cálculos de los parámetros con tales constantes, se puede estar seguro de la fiabilidad del parámetro dinámico o constante buscado del sistema.

Para locales de diversa índole existen estándares de referencia de los regímenes de temperatura de locales residenciales y no residenciales. Estas normas están establecidas en los denominados GOST.

Para el sistema de calefacción, uno de estos parámetros globales es la temperatura del local, que debe ser constante independientemente de la época del año y de las condiciones ambientales.

Según el reglamento de normas y reglas sanitarias, existen diferencias en la temperatura respecto al período de verano e invierno del año. El sistema de aire acondicionado es el responsable del régimen de temperatura del local en la temporada de verano; su principio de cálculo se detalla en este artículo.

La temperatura ambiente en invierno se mantiene mediante el sistema de calefacción. Por eso nos interesan los rangos de temperatura y sus tolerancias para la temporada invernal.

La mayoría de los documentos normativos establecen los siguientes rangos de temperatura que permiten a una persona estar cómodamente en una habitación.

Para locales no residenciales de tipo oficina con superficie de hasta 100 m²:

• 22-24°C – temperatura óptima del aire;
• 1°C – oscilación admisible.

Para locales de tipo oficina con superficie superior a 100 m², la temperatura es de 21-23°C. Para locales no residenciales de tipo industrial, los rangos de temperatura varían considerablemente según la finalidad del local y las normas de seguridad laboral establecidas.

La temperatura confortable de una habitación es “diferente” para cada persona. A algunos les gusta que haga mucho calor en la habitación, a otros les resulta cómodo cuando está fresca; todo es bastante individual.

En cuanto a los locales residenciales: apartamentos, casas particulares, fincas, etc., existen ciertos rangos de temperatura que pueden ajustarse según los deseos de los residentes.

Y para habitaciones concretas de un apartamento o casa tenemos:

• 20-22°C – sala de estar, incluida la habitación infantil, tolerancia ±2°C –
• 19-21°C – cocina, aseo, tolerancia ±2°C;
• 24-26°C – baño, ducha, piscina, tolerancia ±1°C;
• 16-18°C – pasillos, recibidores, rellanos, trasteros, tolerancia +3°C

Es importante señalar que hay varios parámetros más que influyen en la temperatura de una habitación y que se deben considerar al calcular el sistema de calefacción: humedad (40-60%), concentración de oxígeno y dióxido de carbono en el aire (250:1), velocidad del flujo de aire (0.13-0.25 m/s), entre otros.

Cálculo de las pérdidas de calor en la casa

Según el segundo principio de la termodinámica (física escolar), no existe una transferencia espontánea de energía de objetos menos calientes a más calientes, ya sean micro o macro. Un caso particular de esta ley es la “tendencia” a alcanzar el equilibrio térmico entre dos sistemas termodinámicos.

Por ejemplo, el primer sistema es el entorno con una temperatura de -20°C, y el segundo sistema es un edificio con una temperatura interior de +20°C. Según la ley mencionada, estos dos sistemas tenderán a equilibrarse mediante el intercambio de energía. Esto ocurrirá a través de pérdidas de calor del segundo sistema y enfriamiento del primero.

Se puede afirmar claramente que la temperatura del entorno depende de la latitud en la que se encuentra la casa particular. Y la diferencia de temperatura influye en la cantidad de fugas de calor del edificio (+)

Por pérdidas de calor se entiende la salida involuntaria de calor (energía) de un objeto (casa, apartamento). Para un apartamento ordinario, este proceso no es tan “notable” en comparación con una casa unifamiliar, ya que el apartamento se encuentra dentro del edificio y “colinda” con otros apartamentos.

En una casa unifamiliar, a través de las paredes exteriores, el suelo, el techo, las ventanas y las puertas, en mayor o menor medida, “se escapa” el calor.

Conociendo la magnitud de las pérdidas de calor para las condiciones climáticas más adversas y las características de dichas condiciones, se puede calcular con gran precisión la potencia del sistema de calefacción.

Por lo tanto, el volumen de fugas de calor del edificio se calcula mediante la siguiente fórmula:

Q=Q_suelo+Q_pared+Q_ventana+Q_techo+Q_puerta+…+Q_i, donde

Qi – volumen de pérdidas de calor de un tipo homogéneo de envolvente del edificio.

Cada componente de la fórmula se calcula mediante la fórmula:

Q=S*∆T/R, donde

• Q – fugas de calor, W;
• S – área de un tipo específico de construcción, m²;
• ∆T – diferencia de temperatura del aire ambiente y del interior, °C;
• R – resistencia térmica de un tipo específico de construcción, m²*°C/W.

Se recomienda tomar el valor de la resistencia térmica para materiales reales de tablas auxiliares.

Además, la resistencia térmica se puede obtener mediante la siguiente relación:

R=d/k, donde

• R – resistencia térmica, (m²*K)/W;
• k – coeficiente de conductividad térmica del material, W/(m²*K);
• d – espesor de este material, m.

En casas antiguas con estructura de techo húmeda, las fugas de calor ocurren a través de la parte superior de la edificación, es decir, a través del techo y el ático. La realización de medidas de aislamiento del techo o aislamiento térmico del tejado del ático resuelven este problema.

Si se aísla el espacio del ático y el techo, las pérdidas totales de calor de la casa se pueden reducir significativamente.

En la casa existen también varios tipos de pérdidas de calor a través de grietas en las estructuras, el sistema de ventilación, la campana de cocina, la apertura de ventanas y puertas. Pero no tiene sentido considerar su volumen, ya que representan no más del 5% del total de las fugas principales de calor.

Determinación de la potencia de la caldera

Para mantener la diferencia de temperatura entre el ambiente y la temperatura interior de la casa, se necesita un sistema de calefacción autónomo que mantenga la temperatura adecuada en cada habitación de la casa unifamiliar.

La base del sistema de calefacción son los diferentes tipos de calderas: de combustible líquido o sólido, eléctricas o de gas.

La caldera – es el componente central del sistema de calefacción que genera calor. La característica principal de la caldera es su potencia, es decir, la velocidad de conversión de la cantidad de calor por unidad de tiempo.

Realizando los cálculos de la carga térmica de calefacción, obtendremos la potencia nominal requerida de la caldera.

Para un apartamento común de varias habitaciones, la potencia de la caldera se calcula mediante el área y la potencia específica:

P_caldera=(S_local*P_específica)/10, donde

• S_local – área total del espacio a calentar;
• P_específica – potencia específica relativa a las condiciones climáticas.

Pero esta fórmula no considera las pérdidas de calor, que son significativas en una casa particular.

Existe otra relación que tiene en cuenta este parámetro:

P_caldera=(Q_pérdidas*S)/100, donde

• P_caldera – potencia de la caldera;
• Q_pérdidas – pérdidas de calor;
• S – área a calentar.

La potencia calculada de la caldera debe incrementarse. Se necesita un margen si se planea usar la caldera para calentar agua para el baño y la cocina.

En la mayoría de los sistemas de calefacción de casas particulares se recomienda usar un tanque de expansión, donde se almacenará la reserva de fluido caloportador. Cada casa particular necesita suministro de agua caliente.

Para prever un margen de potencia de la caldera, en la última fórmula se debe agregar el coeficiente de margen K:

P_caldera=(Q_pérdidas*S*K)/100, donde

K – será igual a 1.25, es decir, la potencia calculada de la caldera se incrementará en un 25%.

Por lo tanto, la potencia de la caldera brinda la posibilidad de mantener la temperatura normativa del aire en las habitaciones del edificio, así como tener un volumen inicial y adicional de agua caliente en la casa.

Características de la selección de radiadores

Los componentes estándar para proporcionar calor en un espacio son radiadores, paneles, sistemas de 'suelo radiante', convectores, etc. Los elementos más comunes del sistema de calefacción son los radiadores.

Un radiador térmico es una estructura hueca especial de tipo modular hecha de una aleación con alta transferencia de calor. Se fabrica de acero, aluminio, hierro fundido, cerámica y otras aleaciones. El principio de funcionamiento de un radiador de calefacción se basa en la radiación de energía del fluido caloportador al espacio de la habitación a través de 'aletas'.

El radiador de calefacción de aluminio y bimetálico reemplazó a las voluminosas baterías de hierro fundido. La simplicidad de producción, la alta transferencia de calor, el buen diseño y la estética han hecho de este producto una herramienta popular y extendida para irradiar calor en los espacios.

Existen varios métodos de cálculo de radiadores de calefacción en una habitación. La siguiente lista de formas está ordenada en orden creciente de precisión de los cálculos.

Opciones de cálculo:

1. Por superficie. N=(S*100)/C, donde N – número de secciones, S – superficie de la estancia (m²), C – transferencia de calor de una sección del radiador (W, se toma de la ficha técnica o certificado del producto), 100 W – cantidad de flujo térmico necesaria para calentar 1 m² (valor empírico). Surge la pregunta: ¿cómo tener en cuenta la altura del techo de la habitación?
2. Por volumen. N=(S*H*41)/C, donde N, S, C – análogamente. H – altura de la estancia, 41 W – cantidad de flujo térmico necesaria para calentar 1 m³ (valor empírico).
3. Por coeficientes. N=(100*S*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C, donde N, S, C y 100 – análogamente. k1 – consideración del número de cámaras en el doble acristalamiento de la ventana de la habitación, k2 – aislamiento térmico de las paredes, k3 – relación entre el área de las ventanas y el área de la estancia, k4 – temperatura mínima media en la semana más fría del invierno, k5 – número de paredes exteriores de la habitación (que dan al exterior), k6 – tipo de estancia superior, k7 – altura del techo.

Esta es la opción más precisa para calcular el número de secciones. Naturalmente, el redondeo de los resultados fraccionarios de los cálculos se realiza siempre al siguiente número entero.

Cálculo hidráulico del suministro de agua

Sin duda, la “imagen” del cálculo del calor para la calefacción no puede ser completa sin el cálculo de características como el volumen y la velocidad del refrigerante. En la mayoría de los casos, el refrigerante es agua corriente en estado líquido o gaseoso.

Se recomienda calcular el volumen real del refrigerante sumando todas las cavidades del sistema de calefacción. Cuando se utiliza una caldera de circuito único, esta es la opción óptima. Al utilizar calderas de doble circuito en el sistema de calefacción, es necesario tener en cuenta el consumo de agua caliente para fines higiénicos y otros usos domésticos.

El cálculo del volumen de agua calentada por la caldera de doble circuito para suministrar agua caliente a los residentes y calentar el refrigerante se realiza sumando el volumen interno del circuito de calefacción y las necesidades reales de los usuarios de agua caliente.

El volumen de agua caliente en el sistema de calefacción se calcula mediante la fórmula:

W=k*P, donde

• W – volumen del portador de calor;
• P – potencia de la caldera de calefacción;
• k – coeficiente de potencia (número de litros por unidad de potencia, igual a 13.5, rango – 10-15 l).

En resumen, la fórmula final es la siguiente:

W = 13.5*P

La velocidad del refrigerante es la evaluación dinámica final del sistema de calefacción, que caracteriza la velocidad de circulación del líquido en el sistema.

Este valor ayuda a evaluar el tipo y diámetro de la tubería:

V=(0.86*P*μ)/∆T, donde

• P – potencia de la caldera;
• μ – rendimiento de la caldera;
• ∆T – diferencia de temperatura entre el agua de suministro y el agua del circuito de retorno.

Usando los métodos anteriormente expuestos de cálculo hidráulico, se podrán obtener los parámetros reales, que son el “fundamento” del futuro sistema de calefacción.

Ejemplo de cálculo térmico

Como ejemplo de cálculo térmico, se dispone de una casa común de 1 planta con cuatro habitaciones, cocina, baño, “jardín de invierno” y cuartos de servicio.

Cimentación de losa maciza de hormigón armado (20 cm), paredes exteriores – hormigón (25 cm) con revoque, techo – forjados de vigas de madera, cubierta – teja metálica y lana mineral (10 cm)

Designemos los parámetros iniciales de la casa necesarios para realizar los cálculos.

Dimensiones del edificio:

• altura del piso – 3 m;
• ventana pequeña de la parte frontal y trasera del edificio 1470*1420 mm;
• ventana grande de la fachada 2080*1420 mm;
• puertas de entrada 2000*900 mm;
• puertas de la parte trasera (salida a la terraza) 2000*1400 (700 + 700) mm.

El ancho total del edificio es 9.5 m², la longitud 16 m². Solo se calefaccionarán las habitaciones (4 uds.), el baño y la cocina.

Para el cálculo preciso de las pérdidas de calor en las paredes, del área de las paredes exteriores se debe restar el área de todas las ventanas y puertas – es un tipo de material completamente diferente con su propia resistencia térmica.

Comenzamos con el cálculo de las áreas de materiales homogéneos:

• área del piso – 152 m²;
• área del techo – 180 m², considerando la altura del ático de 1.3 m y el ancho de la correa – 4 m;
• área de ventanas – 3*1.47*1.42+2.08*1.42=9.22 m²;
• área de puertas – 2*0.9+2*2*1.4=7.4 m².

El área de las paredes exteriores será igual a 51*3-9.22-7.4=136.38 m².

Pasamos al cálculo de las pérdidas de calor en cada material:

• Q_suelo=S*∆T*k/d=152*20*0.2/1.7=357.65 W;
• Q_techo=180*40*0.1/0.05=14400 W;
• Q_ventana=9.22*40*0.36/0.5=265.54 W;
• Q_puerta=7.4*40*0.15/0.75=59.2 W;

Además, Q_pared equivale a 136.38*40*0.25/0.3=4546. La suma de todas las pérdidas de calor será de 19628.4 W.

En resumen, calculemos la potencia de la caldera: P_caldera=Q_pérdidas*S_{habitaciones_calefaccionadas}*K/100=19628.4*(10.4+10.4+13.5+27.9+14.1+7.4)*1.25/100=19628.4*83.7*1.25/100=20536.2=21 kW.

Realizaremos el cálculo del número de secciones de radiadores para una de las habitaciones. Para todas las demás, los cálculos son similares. Por ejemplo, una habitación esquinera (izquierda, esquina inferior del esquema) con un área de 10.4 m2.

Entonces, N=(100*k1*k2*k3*k4*k5*k6*k7)/C=(100*10.4*1.0*1.0*0.9*1.3*1.2*1.0*1.05)/180=8.5176=9.

Para esta habitación se necesitan 9 secciones de radiador de calefacción con una emisión de calor de 180 W.

Pasamos al cálculo de la cantidad de fluido caloportador en el sistema – W=13.5*P=13.5*21=283.5 l. Por lo tanto, la velocidad del fluido caloportador será: V=(0.86*P*μ)/∆T=(0.86*21000*0.9)/20=812.7 l.

Como resultado, el volumen total de refrigerante en el sistema dará una vuelta completa equivalente a 2.87 veces por hora.

Una selección de artículos sobre cálculo térmico le ayudará a determinar los parámetros precisos de los elementos del sistema de calefacción:

1. Cálculo del sistema de calefacción de una casa particular: reglas y ejemplos de cálculo
2. Cálculo térmico del edificio: especificidad y fórmulas para realizar cálculos + ejemplos prácticos

Conclusiones y video útil sobre el tema

Un cálculo simple del sistema de calefacción para una casa particular se presenta en la siguiente reseña:

Todos los detalles y métodos comúnmente aceptados para calcular las pérdidas de calor del edificio se muestran a continuación:

Otra opción para calcular las fugas de calor en una casa particular típica:

En este video se habla sobre las características de la circulación del portador de energía para calentar la vivienda:

El cálculo térmico del sistema de calefacción tiene un carácter individual, debe realizarse de manera competente y cuidadosa. Cuanto más precisos sean los cálculos, menos tendrán que pagar de más los propietarios de una casa de campo durante su funcionamiento.

¿Tiene experiencia en realizar el cálculo térmico de un sistema de calefacción? ¿O le quedan preguntas sobre el tema? Por favor, comparta su opinión y deje comentarios. El bloque de comentarios se encuentra a continuación.