¿Cuánta electricidad consume una caldera eléctrica?: cómo realizar cálculos antes de la compra

El uso de la electricidad como fuente de energía para la calefacción de una casa de campo es atractivo por muchas razones: fácil disponibilidad, amplia difusión, respeto al medio ambiente. Sin embargo, el mayor obstáculo para el uso de calderas eléctricas siguen siendo las tarifas bastante altas.

¿También usted ha pensado en la conveniencia de instalar una caldera eléctrica? Averigüemos juntos cuánta electricidad consume una caldera eléctrica. Para ello, utilizaremos las reglas de cálculo y las fórmulas revisadas en nuestro artículo.

Los cálculos ayudarán a comprender en detalle cuántos kW de electricidad se tendrán que pagar mensualmente en caso de usar una caldera eléctrica para calentar una casa o un apartamento. Las cifras obtenidas permitirán tomar una decisión final sobre la compra o no de la caldera.

Métodos de cálculo de la potencia de la caldera eléctrica

Se pueden distinguir dos métodos principales para calcular la potencia necesaria de una caldera eléctrica. El primero se basa en el área calentada, el segundo en el cálculo de las pérdidas de calor a través de las estructuras de cerramiento.

El cálculo según la primera opción es muy aproximado, se basa en un único indicador – la potencia específica. La potencia específica se encuentra en los manuales y depende de la región.

El cálculo según la segunda opción es más complejo, pero tiene en cuenta muchos indicadores individuales del edificio específico. El cálculo térmico completo de un edificio – es una tarea bastante compleja y minuciosa. A continuación se considerará un cálculo simplificado, no obstante, con la precisión necesaria.

Independientemente del método de cálculo, la cantidad y calidad de los datos iniciales recopilados afectan directamente a la correcta estimación de la potencia requerida del calentador eléctrico.

Con una potencia insuficiente, el equipo funcionará constantemente a máxima carga, sin proporcionar el confort de vida necesario. Con una potencia excesiva, se produce un consumo de electricidad injustificadamente alto y un costo elevado del equipo de calefacción.

A diferencia de otros tipos de combustible, la electricidad – es una opción ecológica, bastante limpia y sencilla, pero ligada a la disponibilidad de una red eléctrica ininterrumpida en la región.

Procedimiento de cálculo de la potencia de la caldera eléctrica

A continuación, analizaremos en detalle cómo calcular la potencia necesaria del calentador para que el equipo realice plenamente su tarea de calefacción del hogar.

Etapa #1 – recopilación de datos iniciales para el cálculo

Para realizar los cálculos, se necesitarán los siguientes datos sobre el edificio:

• S – superficie del espacio a calefactar.
• W_ud – potencia específica.

El indicador de potencia específica muestra cuánta energía térmica se necesita por 1 m² en 1 hora.

Depende de las condiciones naturales locales, se pueden considerar los siguientes valores:

• para la parte central de Rusia: 120 – 150 W/m²;
• para las regiones del sur: 70-90 W/m²;
• para las regiones del norte: 150-200 W/m².

W_ud es una magnitud teórica que se utiliza principalmente para cálculos muy aproximados, ya que no refleja las pérdidas de calor reales del edificio. No tiene en cuenta la superficie acristalada, el número de puertas, el material de las paredes exteriores ni la altura de los techos.

El cálculo térmico preciso se realiza mediante programas especializados que consideran muchos factores. Para nuestros propósitos, no es necesario tal cálculo; podemos limitarnos al cálculo de las pérdidas de calor de las estructuras de cerramiento exteriores.

Magnitudes que se deben utilizar en los cálculos:

R – resistencia a la transferencia de calor o coeficiente de resistencia térmica. Es la relación entre la diferencia de temperatura en los bordes de la estructura de cerramiento y el flujo de calor que pasa a través de dicha estructura. Tiene la dimensión m²×°C/W.

En realidad es simple: R expresa la capacidad del material para retener el calor.

Q – magnitud que indica la cantidad de flujo de calor que pasa a través de 1 m² de superficie con una diferencia de temperatura de 1°C durante 1 hora. Es decir, muestra cuánta energía térmica pierde 1 m² de estructura de cerramiento por hora con un cambio de temperatura de 1 grado. Tiene la dimensión W/m²×h.

Para los cálculos aquí presentados, no hay diferencia entre kelvins y grados Celsius, ya que lo importante no es la temperatura absoluta, sino solo la diferencia.

Q_total – cantidad de flujo térmico que atraviesa el área S de la envolvente del edificio por hora. Tiene dimensión Wh.

P – potencia de la caldera de calefacción. Se calcula como la potencia máxima requerida del equipo de calefacción en la diferencia máxima de temperatura entre el aire exterior e interior. En otras palabras, la potencia suficiente de la caldera para calentar el edificio en la estación más fría. Tiene dimensión Wh.

Rendimiento – coeficiente de eficiencia de la caldera de calefacción, magnitud adimensional que indica la relación entre la energía obtenida y la energía gastada. En la documentación del equipo, normalmente se expresa en porcentajes sobre 100, por ejemplo, 99%. En los cálculos se utiliza un valor de 1, es decir, 0,99.

ΔT – indica la diferencia de temperatura entre ambos lados de la envolvente del edificio. Para que quede más claro cómo calcular correctamente la diferencia, vea el ejemplo. Si afuera: -30 °C y adentro +22 °C, entonces ΔT = 22 – (-30) = 52 °C

O lo mismo, pero en kelvin: ΔT = 293 – 243 = 52 K

Es decir, la diferencia siempre será la misma para grados y kelvins, por lo que para los cálculos, los datos de referencia en kelvins pueden utilizarse sin correcciones.

d – espesor de la envolvente del edificio en metros.

k – coeficiente de conductividad térmica del material de la envolvente del edificio, que se toma de manuales o del SNiP II-3-79 «Construcción termotécnica» (SNiP – normas y reglas de construcción). Tiene dimensión W/m·K o W/m·°C.

La siguiente lista de fórmulas muestra la relación entre las magnitudes:

• R = d / k
• R= ∆T / Q
• Q = ∆T / R
• Q_total = Q × S
• P = Q_total / rendimiento

Para construcciones multicapa, la resistencia a la transferencia de calor R se calcula para cada capa por separado y luego se suma.

A veces, el cálculo de construcciones multicapa puede ser demasiado engorroso, por ejemplo, al calcular las pérdidas de calor de un vidrio doble.

Lo que se debe considerar al calcular la resistencia a la transferencia de calor para ventanas:

• espesor del vidrio;
• número de vidrios y espacios de aire entre ellos;
• tipo de gas entre los vidrios: inerte o aire;
• presencia de revestimiento aislante térmico en el vidrio de la ventana.

Sin embargo, se pueden encontrar valores ya calculados para toda la estructura, ya sea del fabricante o en un manual; al final de este artículo se proporciona una tabla para vidrios dobles de construcción común.

Etapa #2 – cálculo de las pérdidas de calor del suelo del sótano

Por separado, es necesario detenerse en el cálculo de las pérdidas de calor a través del piso del edificio, ya que el suelo ofrece una resistencia significativa a la transferencia de calor.

Al calcular las pérdidas de calor del sótano, se debe tener en cuenta la profundidad en el suelo. Si la casa está al nivel del suelo, la profundidad se considera 0.

Según la metodología generalmente aceptada, el área del piso se divide en 4 zonas.

• Zona 1 – se retira 2 m desde la pared exterior hacia el centro del piso a lo largo del perímetro. En caso de que el edificio esté enterrado, se retira desde el nivel del suelo hasta el nivel del piso a lo largo de la pared vertical. Si la pared está enterrada en el suelo 2 m, entonces la zona 1 estará completamente en la pared.
• Zona 2 – se retira 2 m en todo el perímetro hacia el centro desde el borde de la zona 1.
• Zona 3 – se retira 2 m en todo el perímetro hacia el centro desde el borde de la zona 2.
• Zona 4 – el suelo restante.

Para cada zona, según la práctica establecida, se determinan sus propios R:

• R1 = 2,1 m²×°C/W;
• R2 = 4,3 m²×°C/W;
• R3 = 8,6 m²×°C/W;
• R4 = 14,2 m²×°C/W.

Los valores de R indicados son válidos para suelos sin revestimiento. En caso de aislamiento, cada R se incrementa en el R del aislante.

Adicionalmente, para suelos colocados sobre viguetas, R se multiplica por un coeficiente de 1,18.

La Zona 1 tiene un ancho de 2 metros. Si la casa está enterrada, se debe tomar la altura de las paredes en el suelo, restar de 2 metros y trasladar el resto al suelo.

Etapa #3 – cálculo de las pérdidas de calor del techo

Ahora se pueden iniciar los cálculos.

La fórmula que puede servir para una estimación aproximada de la potencia de la caldera eléctrica:

W=W_ud × S

Tarea: calcular la potencia necesaria de la caldera en la ciudad de Moscú, superficie a calentar 150 m².

Al realizar los cálculos, considere que Moscú pertenece a la región central, es decir, W_ud puede tomarse igual a 130 W/m².

W_ud = 130 × 150 = 19500 W/h o 19,5 kW/h

Esta cifra es tan imprecisa que no requiere considerar la eficiencia del equipo de calefacción.

Ahora determinaremos las pérdidas de calor a través de 15 m² de superficie del techo, aislado con lana mineral. El espesor de la capa de aislamiento térmico es de 150 mm, la temperatura del aire exterior es de -30 °C, en el interior del edificio +22 °C durante 3 horas.

Solución: en la tabla encontramos el coeficiente de conductividad térmica de la lana mineral, k=0,036 W/m×°C. El espesor d debe tomarse en metros.

El orden de cálculo es el siguiente:

• R = 0,15 / 0,036 = 4,167 m²×°C/W
• ∆T= 22 – (-30) = 52 °C
• Q= 52 / 4,167 = 12,48 W/m²×h
• Q_total = 12,48 × 15 = 187 W/h.

Hemos calculado que las pérdidas de calor a través del techo serán en nuestro ejemplo de 187 * 3 = 561 W.

Para nuestros fines, es perfectamente aceptable simplificar los cálculos, calculando las pérdidas de calor solo de las estructuras exteriores: paredes y techos, sin considerar las particiones interiores y las puertas.

Además, se puede prescindir del cálculo de las pérdidas de calor por ventilación y alcantarillado. No tendremos en cuenta la infiltración ni la carga del viento, ni la dependencia de la orientación del edificio y la cantidad de radiación solar recibida.

Por consideraciones generales, se puede sacar una conclusión. Cuanto mayor es el volumen del edificio, menores son las pérdidas de calor por 1 m². Explicarlo es fácil, ya que el área de las paredes aumenta cuadráticamente, mientras que el volumen lo hace cúbicamente. La esfera tiene las menores pérdidas de calor.

En las estructuras de cerramiento solo se consideran las capas de aire cerradas. Si su casa tiene una fachada ventilada, esa capa de aire se considera no cerrada y no se tiene en cuenta en el cálculo. No se tienen en cuenta todas las capas que preceden a la capa de aire no cerrada: losetas de fachada o casetes.

Las capas de aire cerradas, por ejemplo, en los acristalamientos dobles, se tienen en cuenta.

Todas las paredes de la casa son exteriores. El ático no está calefaccionado, la resistencia térmica de los materiales del techo no se tiene en cuenta en el cálculo.

Etapa #4 – cálculo de las pérdidas totales de calor de la casa

Después de la parte teórica, se puede pasar a la práctica.

Como ejemplo, calculemos una casa:

• dimensiones de las paredes exteriores: 9x10 m;
• altura: 3 m;
• ventana con doble acristalamiento 1,5×1,5 m: 4 unidades;
• puerta de roble 2,1×0,9 m, espesor 50 mm;
• suelos de pino de 28 mm, sobre poliestireno extruido de 30 mm de espesor, colocados sobre viguetas;
• techo de placa de yeso de 9 mm, sobre lana mineral de 150 mm de espesor;
• material de las paredes: mampostería de 2 ladrillos silicocalcáreos, aislamiento con lana mineral de 50 mm;
• el período más frío: –30 °C, temperatura de diseño interior del edificio 20 °C.

Realizaremos los cálculos preparatorios de las áreas necesarias. Al calcular las zonas del suelo, consideramos una profundidad de enterramiento de las paredes igual a cero. La tabla del suelo está colocada sobre viguetas.

• ventanas – 9 m²;
• puerta – 1,9 m²;
• paredes, descontando ventanas y puerta – 103,1 m²;
• techo – 90 m²;
• áreas de las zonas del suelo: S1 = 60 m², S2 = 18 m², S3 = 10 m², S4 = 2 m²;
• ΔT = 50 °C.

A continuación, según los manuales o las tablas proporcionadas al final de este capítulo, seleccionamos los valores necesarios del coeficiente de conductividad térmica para cada material. Recomendamos familiarizarse más detalladamente con el coeficiente de conductividad térmica y sus valores para los materiales de construcción más populares.

Para las tablas de pino, el coeficiente de conductividad térmica debe tomarse a lo largo de las fibras.

Todo el cálculo es bastante simple:

Paso n.º 1: El cálculo de las pérdidas de calor a través de las estructuras de muros de carga incluye tres acciones.

Calculamos el coeficiente de pérdida de calor de las paredes de ladrillo: R_lad = d / k = 0,51 / 0,7 = 0,73 m²×°C/W.

Lo mismo para el aislamiento de paredes: R_aisl = d / k = 0,05 / 0,043 = 1,16 m²×°C/W.

Pérdida de calor de 1 m² de paredes exteriores: Q = ΔT/(R_lad + R_aisl) = 50 / (0,73 + 1,16) = 26,46 m²×°C/W.

En total, las pérdidas de calor totales de las paredes serán: Q_par = Q×S = 26,46 × 103,1 = 2728 W/h.

Paso nº 2: Cálculo de las pérdidas de energía térmica a través de las ventanas: Q_ven = 9 × 50 / 0,32 = 1406W/h.

Paso nº 3: Cálculo de las fugas de energía térmica a través de la puerta de roble: Q_pue = 1,9 × 50 / 0,23 = 413W/h.

Paso nº 4: Pérdida de calor a través del techo superior: Q_tec = 90 × 50 / (0,06 + 4,17) = 1064W/h.

Paso nº 5: Calculamos R_ais para el suelo de la misma manera en varios pasos.

Primero encontramos el coeficiente de pérdida de calor del aislamiento: R_aisl= 0,16 + 0,83 = 0,99 m²×°C/W.

Luego sumamos R_ais a cada zona:

• R1 = 3,09 m²×°C/W; R2 = 5,29 m²×°C/W;
• R3 = 9,59 m²×°C/W; R4 = 15,19 m²×°C/W.

Paso nº 6: Como el suelo está colocado sobre viguetas, multiplicamos por el coeficiente 1,18:

R1 = 3,64 m²×°C/W; R2 = 6,24 m²×°C/W;

R3 = 11,32 m²×°C/W; R4 = 17,92 m²×°C/W.

Paso nº7: Calcular Q para cada zona:

Q1 = 60 × 50 / 3,64 = 824 W/h;

Q2 = 18 × 50 / 6,24 = 144 W/h;

Q3 = 10 × 50 / 11,32 = 44 W/h;

Q4 = 2 × 50 / 17,92 = 6 W/h.

Paso nº8: Ahora se puede calcular Q para todo el suelo: Q_suelo = 824 + 144 + 44 + 6 = 1018 W/h.

Paso nº9: Como resultado de los cálculos realizados, podemos indicar la suma de las pérdidas totales de calor:

Q_total = 2728 + 1406 + 413 + 1064 + 1018 = 6629 W/h.

En el cálculo no se incluyeron las pérdidas de calor relacionadas con el alcantarillado y la ventilación. Para no complicar demasiado, simplemente agregaremos un 5% por las fugas mencionadas.

Por supuesto, se necesita un margen de al menos un 10%.

Por lo tanto, la cifra final de pérdidas de calor de la casa presentada como ejemplo será:

Q_total = 6629 × 1,15 = 7623 W/h.

Q_total muestra las pérdidas máximas de calor de la casa cuando la diferencia de temperatura entre el aire exterior e interior es de 50 °C.

Si se calcula según la primera variante simplificada mediante W_esp entonces:

W_ud = 130 × 90 = 11700 W/h.

Está claro que la segunda variante de cálculo, aunque sea significativamente más compleja, proporciona una cifra más real para construcciones con aislamiento. La primera variante permite obtener un valor generalizado de pérdidas de calor para edificios con bajo nivel de aislamiento térmico o sin él.

En el primer caso, la caldera tendrá que reponer por completo cada hora las pérdidas de energía térmica que se producen a través de aberturas, forjados, paredes sin aislamiento.

En el segundo caso, solo es necesario calentar una vez hasta alcanzar el valor confortable de temperatura. Luego, la caldera solo tendrá que reponer las pérdidas de calor, cuya magnitud es considerablemente menor que en la primera variante.

Tabla 1. Conductividad térmica de diversos materiales de construcción.

En la tabla se muestran los coeficientes de conductividad térmica para materiales de construcción comunes.

Tabla 2. Espesor de la junta de cemento en diferentes tipos de mampostería.

Al calcular el espesor de la mampostería, se tiene en cuenta el espesor de la junta de 10 mm. Debido a las juntas de cemento, la conductividad térmica de la mampostería es algo mayor que la del ladrillo individual.

Tabla 3. Conductividad térmica de diferentes tipos de paneles de lana mineral.

En la tabla se muestran los valores del coeficiente de conductividad térmica para diversas placas de lana mineral. Para el aislamiento de fachadas se utiliza una placa rígida.

Tabla 4. Pérdidas de calor de ventanas de diferentes construcciones.

Notaciones en la tabla: Ar – llenado de los vidrios con gas inerte, K – vidrio exterior con revestimiento térmico protector, espesor del vidrio 4 mm, los demás números indican el espacio entre los vidrios.

7,6 kW/h – es la potencia máxima necesaria calculada que se consume para calentar un edificio bien aislado. Sin embargo, las calderas eléctricas también necesitan cierta carga para su propio funcionamiento.

Como habrá notado, una casa o apartamento mal aislado requerirá grandes gastos de energía eléctrica para calefacción. Además, esto es válido para cualquier tipo de caldera. El aislamiento adecuado del suelo, techo y paredes permite reducir significativamente los costos.

En nuestro sitio web hay artículos sobre métodos de aislamiento y reglas para elegir material aislante. Le sugerimos que los revise:

• Aislamiento exterior de una casa particular: tecnologías populares + revisión de materiales
• Aislamiento del suelo sobre viguetas: materiales para aislamiento térmico + esquemas de aislamiento
• Aislamiento del techo del ático: instrucción detallada para la instalación de aislamiento térmico en el ático de una casa de poca altura
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• Aislamiento del balcón por cuenta propia: opciones populares y tecnologías de aislamiento del balcón desde el interior

Etapa #5 – cálculo de los costos de electricidad

Si simplificamos la esencia técnica de la caldera de calefacción, se le puede llamar un convertidor común de energía eléctrica en su equivalente térmico. Al realizar el trabajo de conversión, también consume cierta cantidad de energía. Es decir, la caldera recibe una unidad completa de electricidad, pero solo una parte de 0,98 se destina a la calefacción.

Para obtener una cifra precisa del consumo de energía eléctrica de la caldera eléctrica de calefacción en estudio, se debe dividir su potencia (nominal en el primer caso y calculada en el segundo) por el valor de eficiencia declarado por el fabricante.

En promedio, la eficiencia de este tipo de equipos es del 98%. Como resultado, el valor del consumo de energía será, por ejemplo, para la opción calculada:

7,6 / 0,98 = 7,8 kW/h.

Solo queda multiplicar el valor por la tarifa local. Luego calcular el costo total de la calefacción eléctrica y buscar formas de reducirlo.

Por ejemplo, comprar un contador de doble tarifa que permita pagar parcialmente según las tarifas “nocturnas” más bajas. Para ello, será necesario reemplazar el antiguo contador eléctrico por un modelo nuevo. El procedimiento y las reglas para realizar el reemplazo se detallan aquí.

Otra forma de reducir los costos después del cambio de contador – es incluir en el circuito de calefacción un acumulador térmico, para almacenar energía barata por la noche y consumirla durante el día.

Etapa #6 – cálculo de los costos estacionales de calefacción

Ahora que ha dominado el método de cálculo de las futuras pérdidas de calor, podrá evaluar fácilmente los costos de calefacción durante todo el período de calefacción.

Según SNiP 23-01-99 «Climatología de la construcción», en las columnas 13 y 14 encontramos para Moscú la duración del período con temperatura media inferior a 10 °C.

Para Moscú, dicho período dura 231 días y tiene una temperatura media de -2,2 °C. Para calcular Q_total para ΔT=22,2 °C, no es necesario realizar todo el cálculo nuevamente.

Basta con obtener Q_total por 1 °C:

Q_total = 7623 / 50 = 152,46 W/h

En consecuencia, para ΔT= 22,2 °C:

Q_total = 152,46 × 22,2 = 3385 W/h

Para hallar la energía eléctrica consumida, multiplicamos por el período de calefacción:

Q = 3385 × 231 × 24 × 1,05 = 18766440 W = 18766 kW

El cálculo presentado es interesante también porque permite analizar toda la estructura de la casa desde el punto de vista de la eficiencia del aislamiento.

Hemos considerado una versión simplificada de los cálculos. Le recomendamos que también consulte el cálculo termotécnico completo del edificio.

Conclusiones y video útil sobre el tema

¿Cómo evitar las pérdidas de calor a través de los cimientos:

¿Cómo calcular las pérdidas de calor en línea:

El uso de calderas eléctricas como equipo de calefacción principal está muy limitado por las capacidades de las redes eléctricas y el costo de la electricidad.

Sin embargo, como complemento, por ejemplo, para una caldera de combustible sólido, pueden ser muy eficaces y útiles. Son capaces de reducir significativamente el tiempo de calentamiento del sistema de calefacción o utilizarse como caldera principal a temperaturas no muy bajas.

¿Utiliza usted una caldera eléctrica para calefacción? Cuéntenos, ¿con qué método calculó la potencia necesaria para su casa? ¿O quizás solo quiere comprar una caldera eléctrica y tiene preguntas? Hágalas en los comentarios del artículo – intentaremos ayudarle.