Cálculo térmico del edificio: especificidad y fórmulas para realizar cálculos + ejemplos prácticos

Durante la operación del edificio, no son deseables ni el sobrecalentamiento ni la congelación. El cálculo termotécnico permitirá determinar el punto medio, el cual no es menos importante que el cálculo de la economía, resistencia, resistencia al fuego y durabilidad.

Con base en las normas termotécnicas, características climáticas, permeabilidad al vapor y a la humedad, se realiza la selección de materiales para la construcción de estructuras de cerramiento. Cómo realizar este cálculo, lo veremos en el artículo.

Objetivo del cálculo termotécnico

De las características termotécnicas de los cerramientos principales del edificio depende mucho. Esto incluye la humedad de los elementos estructurales y los indicadores de temperatura, que afectan la presencia o ausencia de condensación en las particiones interiores y los forjados.

El cálculo mostrará si se mantendrán características estables de temperatura y humedad a temperaturas positivas y negativas. En la lista de estas características también se incluye un indicador como la cantidad de calor que se pierde a través de las estructuras de cerramiento del edificio en el período frío.

No se puede comenzar el diseño sin tener todos estos datos. Basándose en ellos, se elige el espesor de las paredes y forjados, y la secuencia de las capas.

Según el reglamento GOST 30494-96, los valores de temperatura dentro de los locales. En promedio, es igual a 21⁰. Además, la humedad relativa debe mantenerse dentro de rangos confortables, lo que en promedio es 37%. La velocidad máxima de movimiento de la masa de aire es de 0,15 m/s.

El cálculo termotécnico se propone los siguientes objetivos:

1. ¿Son las estructuras idénticas a los requisitos declarados desde el punto de vista de la protección térmica?
2. ¿Se asegura completamente el confort climático dentro del edificio?
3. ¿Se garantiza la protección térmica óptima de las estructuras?

El principio fundamental es el cumplimiento del equilibrio de la diferencia de indicadores de temperatura de la atmósfera de las estructuras internas de los cerramientos y los locales. Si no se cumple, estas superficies absorberán el calor y la temperatura interior permanecerá muy baja.

La temperatura interior no debe verse afectada significativamente por los cambios en el flujo de calor. Esta característica se denomina estabilidad térmica.

Mediante la realización del cálculo térmico se determinan los límites óptimos (mínimo y máximo) de las dimensiones de muros y forjados en cuanto a espesor. Esto garantiza la operación del edificio durante un largo período sin congelaciones extremas de las estructuras ni sobrecalentamientos.

Parámetros para realizar los cálculos

Para realizar el cálculo térmico, se necesitan los parámetros iniciales.

Dependen de una serie de características:

1. Del propósito del edificio y su tipo.
2. De la orientación de las estructuras verticales de cerramiento con respecto a los puntos cardinales.
3. De los parámetros geográficos de la futura casa.
4. Del volumen del edificio, su número de pisos y superficie.
5. De los tipos y datos dimensionales de las aberturas de puertas y ventanas.
6. Del tipo de calefacción y sus parámetros técnicos.
7. Del número de residentes permanentes.
8. Del material de las estructuras de cerramiento verticales y horizontales.
9. Del forjado del último piso.
10. Del equipamiento con suministro de agua caliente.
11. Del tipo de ventilación.

En el cálculo también se consideran otras características constructivas de la edificación. La permeabilidad al aire de las estructuras de cerramiento no debe contribuir a un enfriamiento excesivo dentro de la casa ni reducir las propiedades de protección térmica de los elementos.

La pérdida de calor también es causada por la humectación excesiva de los muros, y además, esto conlleva humedad que afecta negativamente la durabilidad del edificio.

En el proceso de cálculo, en primer lugar, se determinan los datos térmicos de los materiales de construcción con los que se fabrican los elementos de cerramiento del edificio. Además, se debe determinar la resistencia reducida a la transferencia de calor y su conformidad con el valor normativo.

Fórmulas para la realización del cálculo

Las pérdidas de calor de la casa se pueden dividir en dos partes principales: las pérdidas a través de la envolvente y las pérdidas causadas por el funcionamiento del sistema de ventilación. Además, se pierde calor al descargar agua caliente en el sistema de alcantarillado.

Pérdidas a través de las estructuras de cerramiento

Para los materiales de los que están hechas las estructuras de cerramiento, es necesario encontrar el valor del coeficiente de conductividad térmica Kt (W/m·grado). Estos valores se encuentran en los manuales correspondientes.

Ahora, conociendo el espesor de las capas, mediante la fórmula: R = S/Kt, se calcula la resistencia térmica de cada unidad. Si la estructura es multicapa, se suman todos los valores obtenidos.

La magnitud de las pérdidas de calor se puede determinar más fácilmente sumando los flujos de calor a través de las estructuras de cerramiento que conforman el edificio.

Siguiendo este método, se tiene en cuenta que los materiales que componen las estructuras tienen una estructura diferente. También se considera que el flujo de calor que las atraviesa tiene características diferentes.

Para cada estructura individual, las pérdidas de calor se determinan mediante la fórmula:

Q = (A / R) x dT

Aquí:

• A — superficie en m².
• R — resistencia a la transferencia de calor de la estructura.
• dT — diferencia de temperatura entre el exterior y el interior. Debe determinarse para el período más frío de 5 días.

Al realizar el cálculo de esta manera, se puede obtener un resultado solo para el período más frío de cinco días. Las pérdidas totales de calor durante toda la temporada fría se determinan teniendo en cuenta el parámetro dT, considerando no la temperatura más baja, sino la media.

En qué medida se absorbe el calor, así como la transferencia de calor, depende de la humedad del clima en la región. Por esta razón, en los cálculos se utilizan mapas de humedad.

A continuación, se calcula la cantidad de energía necesaria para compensar las pérdidas de calor que se han producido tanto a través de las estructuras de cerramiento como a través de la ventilación. Se denota con el símbolo W.

Para ello, existe la siguiente fórmula:

W = ((Q + Qv) × 24 × N) / 1000

En ella, N es la duración del período de calefacción en días.

Desventajas del cálculo por superficie

El cálculo basado en el indicador de área no se distingue por una gran precisión. Aquí no se ha tenido en cuenta un parámetro como el clima, las temperaturas tanto mínimas como máximas, y la humedad. Debido a la ignorancia de muchos aspectos importantes, el cálculo tiene errores significativos.

A menudo, tratando de cubrirlos, en el proyecto se prevé un 'margen'.

Si, no obstante, se elige este método para el cálculo, se deben tener en cuenta los siguientes matices:

1. Con una altura de las barreras verticales de hasta tres metros y la presencia de no más de dos aberturas en una superficie, es mejor multiplicar el resultado por 100 W.
2. Si en el proyecto se incluye un balcón, dos ventanas o una logia, se multiplica en promedio por 125 W.
3. Cuando los espacios son industriales o de almacén, se aplica un multiplicador de 150 W.
4. En caso de que los radiadores estén ubicados cerca de las ventanas, su potencia de diseño se incrementa en un 25%.

La fórmula por área tiene la siguiente forma:

Q = S × 100 (150) W.

Aquí, Q es el nivel de confort térmico en el edificio, S es el área con calefacción en m². Los números 100 o 150 son el valor específico de energía térmica consumida para calentar 1 m².

Pérdidas a través de la ventilación de la casa

El parámetro clave en este caso es la tasa de intercambio de aire. Siempre que las paredes de la casa sean permeables al vapor, este valor es igual a uno.

La entrada de aire frío a la casa se realiza mediante ventilación de suministro. La ventilación de extracción facilita la salida del aire caliente. Un recuperador-intercambiador de calor reduce las pérdidas por ventilación. No permite que el calor se escape con el aire saliente, y calienta las corrientes entrantes.

Se prevé una renovación completa del aire dentro del edificio en una hora. Los edificios construidos según la norma DIN tienen paredes con barrera de vapor, por lo que aquí la tasa de intercambio de aire se considera igual a dos.

Existe una fórmula mediante la cual se determinan las pérdidas de calor a través del sistema de ventilación:

Qv = (V × Kv ÷ 3600) × R × C × dT

Aquí, los símbolos significan lo siguiente:

1. Qv — pérdidas de calor.
2. V — volumen de la habitación en m³.
3. R — densidad del aire. Su valor se considera igual a 1,2047 kg/m³.
4. Kv — tasa de intercambio de aire.
5. C — capacidad calorífica específica. Es igual a 1005 J/(kg × C).

Según los resultados de este cálculo se puede determinar la potencia del generador térmico del sistema de calefacción. En caso de que el valor de la potencia sea demasiado alto, una solución puede ser un dispositivo de ventilación con recuperador. Veamos varios ejemplos para casas de diferentes materiales.

Ejemplo de cálculo termotécnico n.º 1

Calculemos una vivienda situada en la 1.ª zona climática (Rusia), subzona 1B. Todos los datos se han tomado de la tabla 1 de la SNiP 23-01-99. La temperatura más fría observada durante cinco días con una probabilidad del 0,92 es tn = -22 ⁰C.

De acuerdo con SNiP, el período de calefacción (zop) dura 148 días. La temperatura promedio durante el período de calefacción con temperaturas medias diarias del aire exterior de 8⁰ es tot = -2,3⁰. La temperatura exterior en la temporada de calefacción es tht = -4,4⁰.

Las pérdidas de calor de la casa son un aspecto fundamental en la etapa de diseño. De los resultados del cálculo dependen tanto la elección de los materiales de construcción como el aislamiento. No existen pérdidas nulas, pero se debe procurar que sean lo más razonable posible.

Se ha estipulado la condición de que en las habitaciones de la casa se debe garantizar una temperatura de 22⁰. La casa tiene dos plantas y paredes de 0,5 m de espesor. Su altura es de 7 m, dimensiones en planta de 10 x 10 m. El material de las estructuras verticales de cerramiento es cerámica térmica. Su coeficiente de conductividad térmica es de 0,16 W/(m·C).

Como aislamiento exterior, de 5 cm de espesor, se ha utilizado lana mineral. Su valor de Kt es de 0,04 W/(m·C). El número de aberturas de ventanas en la casa es de 15 unidades, cada una de 2,5 m².

Pérdidas de calor a través de las paredes

En primer lugar, es necesario determinar la resistencia térmica tanto de la pared de cerámica como del aislamiento. En el primer caso, R1 = 0,5 : 0,16 = 3,125 m²·C/W. En el segundo, R2 = 0,05 : 0,04 = 1,25 m²·C/W. En conjunto para la estructura de cerramiento vertical: R = R1 + R2 = 3,125 + 1,25 = 4,375 m²·C/W.

Como las pérdidas de calor tienen una relación directamente proporcional con el área de las estructuras de cerramiento, calculamos el área de las paredes:

A = 10 x 4 x 7 - 15 x 2,5 = 242,5 m²

Ahora se pueden determinar las pérdidas de calor a través de las paredes:

Qc = (242,5 : 4,375) x (22 - (-22)) = 2438,9 W.

Las pérdidas de calor a través de las estructuras de cerramiento horizontales se calculan de manera similar. Finalmente, se suman todos los resultados.

Si hay sótano, las pérdidas de calor a través de los cimientos y el suelo serán menores, ya que en el cálculo interviene la temperatura del terreno y no la del aire exterior.

Si el sótano bajo el suelo de la primera planta está calefaccionado, el suelo no necesita aislarse. No obstante, es mejor revestir las paredes del sótano con aislamiento para que el calor no se escape al terreno.

Determinación de las pérdidas a través de la ventilación

Para simplificar el cálculo, no se tiene en cuenta el espesor de las paredes, sino que simplemente se determina el volumen de aire interior:

V = 10x10x7 = 700 m³.

Con una tasa de intercambio de aire Kv = 2, las pérdidas de calor serán:

Qv = (700 x 2) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 20 776 W.

Si Kv = 1:

Qv = (700 x 1) : 3600) x 1,2047 x 1005 x (22 – (-22)) = 10 358 W.

La ventilación eficiente de las viviendas se garantiza mediante recuperadores rotativos y de placas. La eficiencia de los primeros es mayor, alcanza el 90%.

Ejemplo de cálculo termotécnico n.º 2

Se requiere calcular las pérdidas a través de un muro de ladrillo de 51 cm de espesor. Está aislado con una capa de lana mineral de 10 cm. En el exterior – 18°, en el interior — 22°. Las dimensiones del muro son 2,7 m de altura y 4 m de largo. La única pared exterior de la habitación está orientada al sur, no hay puertas exteriores.

Para el ladrillo, el coeficiente de conductividad térmica Kt = 0,58 W/m°C, para la lana mineral — 0,04 W/m°C. Resistencia térmica:

R1 = 0,51 : 0,58 = 0,879 m² x °C/W. R2 = 0,1 : 0,04 = 2,5 m² x °C/W. En general para la estructura de cerramiento vertical: R = R1 + R2 = 0.879 + 2,5 = 3.379 m² x °C/W.

Área de la pared exterior A = 2,7 x 4 = 10,8 m²

Pérdidas de calor a través del muro:

Qc = (10,8 : 3.379) x (22 – (-18)) = 127,9 W.

Para calcular las pérdidas a través de las ventanas se aplica la misma fórmula, pero su resistencia térmica generalmente está indicada en la ficha técnica y no es necesario calcularla.

En el aislamiento térmico de la casa, las ventanas son el «eslabón débil». A través de ellas se escapa una parte bastante grande del calor. Las pérdidas se reducen con vidrios de múltiples capas, películas reflectantes de calor, marcos dobles, pero incluso esto no ayudará a evitar completamente las pérdidas de calor.

Si en la casa las ventanas tienen dimensiones de 1,5 x 1,5 m², son ahorradoras de energía, están orientadas al Norte, y la resistencia térmica es igual a 0,87 m²°C/W, entonces las pérdidas serán:

Qo = (2,25 : 0,87) x (22 – (-18)) = 103,4 W.

Ejemplo de cálculo termotécnico n.º 3

Realizaremos el cálculo térmico de un edificio de troncos de madera con fachada construida con troncos de pino de 0,22 m de espesor. El coeficiente para este material es K=0,15. En esta situación, las pérdidas de calor serán:

R = 0,22 : 0,15 = 1,47 m² x °C/W.

La temperatura más baja del período de cinco días es -18°, para el confort en la casa se establece una temperatura de 21°. La diferencia será de 39°. Si se parte de un área de 120 m², se obtiene el resultado:

Qc = 120 x 39 : 1,47 = 3184 W.

Para comparar, determinemos las pérdidas de una casa de ladrillo. El coeficiente para el ladrillo silicocalcáreo es 0,72.

R = 0,22 : 0,72 = 0,306 m² x °C/W.
Qc = 120 x 39 : 0,306 = 15 294 W.

En las mismas condiciones, la casa de madera es más económica. El ladrillo silicocalcáreo no es adecuado en absoluto para la construcción de muros aquí.

La estructura de madera tiene una alta capacidad calorífica. Sus elementos de cerramiento mantienen una temperatura confortable durante mucho tiempo. Sin embargo, incluso una casa de troncos necesita aislamiento, y es mejor hacerlo tanto por dentro como por fuera.

Los constructores y arquitectos recomiendan realizar obligatoriamente un cálculo térmico al instalar la calefacción para una correcta selección del equipo y en la etapa de diseño de la casa para elegir un sistema de aislamiento adecuado.

Ejemplo de cálculo térmico n.º 4

La casa se construirá en la región de Moscú. Para el cálculo se ha tomado un muro construido con bloques de espuma. Como aislante se ha utilizado poliestireno extruido. El acabado de la estructura es yeso por ambos lados. Su estructura es de cal y arena.

El poliestireno expandido tiene una densidad de 24 kg/m³.

Los valores relativos de humedad del aire en la habitación son del 55% a una temperatura media de 20°C. El espesor de las capas:

• yeso — 0,01 m;
• hormigón celular — 0,2 m;
• poliestireno expandido — 0,065 m.

La tarea es encontrar la resistencia a la transferencia de calor requerida y la real. La Rtr necesaria se determina sustituyendo los valores en la expresión:

Rtr = a × GSOP + b

Donde GSOP son los grados-día de la temporada de calefacción, y a y b son coeficientes tomados de la tabla No. 3 del Código de Reglas 50.13330.2012. Como el edificio es residencial, a es igual a 0,00035, b = 1,4.

El GSOP se calcula mediante la fórmula tomada del mismo código:

GSOP = (t_int – t_ext) × z_cal.

En esta fórmula, t_int = 20°C, t_ext = -2,2°C, z_cal = 205 — período de calefacción en días. Por lo tanto:

GSOP = (20 – (-2,2)) × 205 = 4551 °C × día;

Rtr = 0,00035 × 4551 + 1,4 = 2,99 m² × °C/W.

Usando la tabla No. 2 del SP 50.13330.2012, se determinan los coeficientes de conductividad térmica para cada capa del muro:

• λb1 = 0,81 W/m°C;
• λb2 = 0,26 W/m°C;
• λb3 = 0,041 W/m°C;
• λb4 = 0,81 W/m°C;

La resistencia total condicional a la transferencia de calor Ro es igual a la suma de las resistencias de todas las capas. Se calcula mediante la fórmula:

Esta fórmula está tomada del SP 50.13330.2012. Aquí, 1/α_int es la resistencia a la absorción de calor de las superficies interiores. 1/α_ext es lo mismo para las exteriores, δ/λ es la resistencia térmica de la capa.

Sustituyendo los valores se obtiene: Ro cond. = 2,54 m²°C/W. Rf se determina multiplicando Ro por el coeficiente r, igual a 0,9:

Rf = 2,54 × 0,9 = 2,3 m² × °C/W.

El resultado obliga a modificar la construcción del elemento de cerramiento, ya que la resistencia térmica real es menor que la calculada.

Existen numerosos servicios informáticos que aceleran y simplifican los cálculos.

Los cálculos térmicos están directamente relacionados con la determinación del punto de rocío. Qué es esto y cómo encontrar su valor lo aprenderá en el artículo que le recomendamos.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Realización del cálculo térmico mediante una calculadora en línea:

Cálculo térmico correcto:

Un cálculo térmico adecuado permitirá evaluar la eficacia del aislamiento de los elementos exteriores de la casa y determinar la potencia del equipo de calefacción necesario.

Como resultado, se puede ahorrar en la compra de materiales y aparatos de calefacción. Es mejor saber de antemano si el equipo podrá manejar la calefacción y el aire acondicionado del edificio, que comprar todo al azar.

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