Sistema de calefacción de agua con circulación forzada: esquemas, opciones de implementación, detalles técnicos

Muchas soluciones modernas de calefacción por agua en viviendas requieren el uso de un grupo de bombas. El diseño e instalación de un sistema de calefacción con circulación forzada deben realizarse teniendo en cuenta los aspectos técnicos que surgen debido al rápido movimiento del fluido caloportador.

La alta presión en el circuito de calefacción permite implementar múltiples esquemas de distribución. De acuerdo, es una ventaja no menor de un sistema de calefacción con circulación forzada. Sin embargo, la disposición de dicho esquema requiere un diseño competente.

Le explicaremos según qué características se seleccionan los componentes principales del sistema, y también describiremos en detalle las posibles opciones de distribución de la tubería y las formas de organizar el circuito de calefacción.

Características técnicas de los componentes principales del sistema

El esquema forzado se diferencia del natural por la adición de una o varias bombas de circulación. Debido al aumento de presión y velocidad del fluido caloportador, las reglas de formación de los componentes y la ubicación de los elementos del circuito cambian.

Este hecho debe tenerse en cuenta para garantizar una calefacción de calidad con circulación forzada.

Requisitos generales para el grupo de bombas

Las bombas de circulación se seleccionan según los requisitos de caudal de agua (metros cúbicos por hora) y de altura (metros). El cálculo de ambos parámetros depende del volumen de la vivienda a calentar y del método de calefacción, así como de la longitud del circuito de agua y el diámetro de sus tuberías.

Se debe elegir una bomba para que sus parámetros no estén “ajustados al límite” de los requisitos del sistema. Esto permitirá agregar elementos al circuito en caso necesario sin tener que sustituir la bomba.

Generalmente, las bombas están diseñadas para un voltaje de 220 V, pero también las hay compatibles con 12 V. Ante fluctuaciones de voltaje, es necesario instalar un estabilizador para evitar que el dispositivo se averíe.

En caso de cortes de electricidad frecuentes, es necesario contar con una fuente de alimentación ininterrumpida. No es necesario adquirir un UPS potente – para calefacción de viviendas particulares rara vez se utilizan dispositivos con un consumo superior a 150 vatios por hora.

De manera general, las bombas de circulación se pueden dividir en dos tipos según la posición del motor. Los dispositivos con rotor seco tienen un mayor rendimiento (COP), pero presentan un nivel de ruido más elevado y una vida útil más reducida que los de rotor húmedo.

Si la distribución del sistema permite el movimiento natural del refrigerante por el circuito, entonces la bomba debe instalarse a través de un “bypass”. En este caso, si la bomba se estropea o se corta la electricidad, es posible cambiar la calefacción al modo de circulación por gravedad.

A través de una bomba que no funciona, el agua también puede circular, pero esta generará una fuerte resistencia a su movimiento.

La elección del modelo de bomba para un sistema de calefacción específico se realiza determinando el punto de trabajo y verificando su correspondencia con los valores requeridos de caudal del refrigerante (+).

El problema de la parada de la bomba es especialmente relevante cuando se utiliza calefacción por estufa o chimenea. En ese caso, la estufa continúa calentando el intercambiador de calor y es posible que el agua hierva en él, lo que puede dañar todo el sistema durante un largo período.

Es mejor realizar la instalación de la bomba en la tubería de retorno, porque la temperatura más baja del agua permitirá prolongar su vida útil. Si no es posible instalar la bomba en otro lugar que no sea la tubería que sale de la caldera, se debe utilizar una bomba con sellos cerámicos.

Aunque soportan temperaturas de hasta 110 °C, si el sistema hierve, también pueden presentar problemas de funcionamiento.

Al montar la bomba en el circuito a través de un bypass, se pueden lograr no solo condiciones normales de funcionamiento según el principio de circulación natural, sino también la posibilidad de retirar la bomba sin drenar el agua.

En los artículos se proporciona información útil sobre la selección de bombas de circulación para el sistema de calefacción:

1. Selección de la bomba de circulación: dispositivo, tipos y reglas para elegir una bomba de calefacción
2. Bomba de circulación para calefacción: las diez mejores modelos y consejos para los compradores

Detalles de la selección de calderas y estufas

El uso de calderas eléctricas y de gas, así como de estufas de combustión prolongada como generador de calor, es atractivo desde la perspectiva de la simplicidad del control del suministro de calor a través del intercambiador de calor.

El uso de estufas de combustible sólido, especialmente las construcciones caseras, conlleva una emisión de calor insuficiente o excesiva. Sin embargo, su uso a menudo está justificado por el bajo costo y la disponibilidad del combustible.

Actualmente hay disponibles muchos modelos de calderas eléctricas y calderas de gas con bomba integrada. Por un lado, el sistema de circulación incorporado está ajustado a la potencia de la caldera y evita tener que comprar e instalar una bomba por separado. Por otro lado, en caso de avería de la bomba integrada, no será tan fácil repararla o reemplazarla como una bomba independiente.

Una caldera eléctrica con bomba integrada es una solución lista y compacta para incorporarla en un esquema de circulación forzada.

Los requisitos para la caldera al usar circulación forzada son los mismos que con circulación natural:

• Cálculo de la potencia de la caldera – el valor debe satisfacer las necesidades de calefacción de la casa en las condiciones más rigurosas para una localidad determinada. Es recomendable tener un pequeño margen de potencia (10-20%) debido a posibles circunstancias de fuerza mayor que puedan surgir en el sistema de calefacción.
• Prevención de ebullición del refrigerante en el intercambiador de calor. Este requisito es más fácil de cumplir cuando se utiliza la combinación “estufa – bomba” que en el modelo gravitatorio de movimiento del fluido.

Para evitar la ebullición del agua en el intercambiador de calor de la caldera, basta con configurar la regulación de potencia según la temperatura del líquido de salida. Este método funciona con cualquier tipo de circulación.

La unidad de control del modo de funcionamiento de la caldera de combustible sólido incluye la función de arrancar la bomba cuando se alcanzan temperaturas críticas a la salida del intercambiador de calor.

Para los hornos con circulación natural, no es posible evitar la ebullición del refrigerante en caso de una carga excesiva de combustible. La única opción, si hay una bomba, es aumentar el volumen de líquido que circula a través del intercambiador de calor.

Además, este sistema de prevención de emergencias se puede hacer automático utilizando un termostato y un bloque de control de velocidad de la bomba.

Instalación y verificación del circuito de agua

En un esquema de calefacción con circulación forzada, las velocidades del agua serán más altas que en un modelo gravitacional. Por lo tanto, se pueden utilizar tuberías de menor diámetro con los mismos parámetros de calefacción del edificio. Esto reduce el costo de la calefacción por agua en cuanto a gastos en tuberías, accesorios y válvulas.

Además, los elementos del circuito de menor diámetro son más fáciles de ocultar en nichos técnicos o de integrar en el interior de las habitaciones.

En comparación con la circulación natural, a la presión hidrostática de la columna de líquido se le suma la presión hidrodinámica aumentada del flujo. Por lo tanto, para evitar fugas o, peor aún, la rotura del sistema, es necesario seguir ciertas reglas.

En caso de transición de la circulación gravitacional a la forzada, es necesario eliminar todas las fugas, incluso las pequeñas, en el circuito. Al aumentar la presión, la velocidad de fuga aumentará, lo que, además del problema en la habitación, provocará una disminución de la cantidad de refrigerante y una aireación excesiva (saturación de aire).

Antes de que comience la temporada de calefacción, es necesario realizar pruebas hidráulicas de resistencia del circuito con la presión máxima utilizada o incluso ligeramente superior. Esto permitirá identificar los problemas y eliminarlos antes de que llegue el frío, cuando una parada prolongada de la calefacción para reparaciones no es deseable.

Las fugas de los radiadores de calefacción pueden ocurrir en los lugares más inesperados, y solucionar el problema llevará mucho tiempo, por lo que es mejor verificar la integridad del sistema con anticipación.

Como la velocidad de movimiento del refrigerante será mayor que 0,25 m/s, según SNiP 41-01-2003 no es necesario mantener una pendiente constante de las tuberías para eliminar el aire del circuito. Por lo tanto, con circulación forzada, la instalación de tuberías y radiadores es un poco más sencilla que con el esquema gravitacional.

Opciones de calefacción con circulación forzada

El uso de la circulación forzada permite alejarse del principio de diseño del trazado con la consideración obligatoria de la diferencia de presión hidrostática, necesaria para el funcionamiento en el esquema gravitacional.

Esto añade variabilidad al modelar la geometría del circuito de agua y brinda la posibilidad de utilizar soluciones como calefacción por colector o suelo radiante de gran superficie.

Aplicación de distribución superior e inferior

Cualquier esquema de calefacción se puede clasificar condicionalmente como de distribución superior o inferior. En la distribución superior, el agua caliente se eleva por encima de los aparatos de calefacción y luego, al descender, calienta los radiadores. En la inferior, el agua caliente se suministra desde abajo. Cada opción tiene sus aspectos positivos.

La distribución superior también se utiliza en circulación natural. Por lo tanto, los circuitos de calefacción de este tipo permiten utilizar ambos tipos de circulación. Esto, en primer lugar, brinda la posibilidad de elección y, en segundo lugar, aumenta la fiabilidad del sistema.

En caso de corte de electricidad o avería de la bomba, el movimiento del agua por el circuito continuará, aunque a menor velocidad.

Una buena presión permite elegir entre distribución superior e inferior, teniendo en cuenta la comodidad de tender las tuberías que suministran el refrigerante a los radiadores (+)

Al utilizar la distribución inferior, la longitud total de las tuberías es menor, lo que reduce los costos de creación del sistema. Además, no es necesario instalar montantes en el piso superior, lo que es bueno desde el punto de vista del diseño de interiores. La tubería inferior de suministro de agua caliente se coloca en el sótano o al nivel del suelo de la primera planta.

Variedades de esquemas de conexión monotubo

El esquema monotubo utiliza el mismo tubo para suministrar agua caliente a los radiadores y evacuar el agua fría hacia la caldera de calefacción. Con este trazado, la longitud de las tuberías utilizadas se reduce casi a la mitad, disminuyendo la cantidad de accesorios y válvulas de cierre.

Sin embargo, el calentamiento de los radiadores se produce de forma secuencial, por lo que al calcular el número de secciones es necesario tener en cuenta la disminución gradual de la temperatura del refrigerante suministrado.

La conexión en serie de radiadores utilizando un solo tubo para el suministro de refrigerante se utiliza a menudo en casas modernas para minimizar los costos de materiales y simplificar los trabajos de instalación.

Los esquemas monotubo pueden realizarse en variantes horizontales y verticales. Con circulación forzada, en caso de utilizar montantes verticales, se puede suministrar agua caliente no solo desde arriba, sino también desde abajo.

La conveniencia de utilizar una u otra variante depende no solo de la facilidad de instalación de las tuberías, sino también de la cantidad máxima permitida de radiadores en un mismo montante de un circuito monotubo.

Se pueden conectar los radiadores de calefacción de dos maneras:

• Conexión en serie – el refrigerante fluye a través de todos los radiadores. En este caso se necesita la mínima cantidad de tuberías, sin embargo, si es necesario desconectar uno de los radiadores, se deberá detener toda la rama del sistema.
• Conexión mediante bypass – el refrigerante puede fluir desviando el radiador a través de un ramal instalado. Mediante un sistema de válvulas se puede redirigir el flujo evitando el radiador, lo que permite realizar su reparación o desmontaje sin detener la calefacción.

El esquema monotubo se utiliza a menudo en calefacción, sin embargo, en caso de tener una gran cantidad de radiadores, para su calentamiento uniforme se emplea otra variante.

Los esquemas monotubo tienen múltiples variantes de implementación con circulación forzada, por lo que resulta bastante fácil elegir la solución adecuada para la geometría específica de los espacios (+)

Formas de aplicar la variante de dos tubos

Al esquema del circuito de calefacción que utiliza un segundo tubo para devolver el agua enfriada a la caldera se le llama sistema de dos tubos. El metraje de las tuberías aumenta, al igual que el número de conexiones y dispositivos.

Sin embargo, el sistema tiene una ventaja importante – a cada radiador se suministra refrigerante a la misma temperatura. Esto hace que la variante de dos tubos sea muy atractiva.

En la calefacción de agua con circulación forzada se utilizan tanto la distribución horizontal como la vertical. Además, en la variante vertical es posible aplicar el suministro de agua caliente superior e inferior.

El esquema de dos tubos de suministro y retorno de agua, junto con la conexión diagonal del radiador, proporciona la máxima transferencia de calor al ambiente

Dado que la temperatura del agua suministrada a todos los radiadores es la misma, la geometría de los circuitos depende únicamente de los siguientes factores:

• ahorro de materiales – minimización del metraje de tuberías y de la cantidad de conexiones;
• facilidad de instalación del circuito de calefacción a través de paredes y techos;
• atractivo estético – posibilidad de integrar los elementos de calefacción en el interior de los espacios.

Dependiendo del movimiento del agua caliente y enfriada, los esquemas de dos tubos se dividen en dos tipos:

1. Sistema de flujo paralelo. El movimiento en ambas tuberías ocurre en la misma dirección. El ciclo de circulación del refrigerante tiene la misma longitud para todos los radiadores en esta parte del sistema, por lo que su velocidad de calentamiento es igual.
2. Sistemas de retorno inverso. En el sistema de flujo paralelo, los radiadores más cercanos a la caldera se calientan más rápido. Sin embargo, para sistemas con circulación forzada, esto no es muy importante debido a la considerable velocidad del agua en el circuito.

Al elegir entre la opción de flujo paralelo y la de retorno inverso, se guían por la condición de conveniencia de la tubería de retorno. En esquemas verticales con distribución inferior se obtiene un sistema de retorno inverso, y con distribución superior, un sistema de flujo paralelo.

Uso del colector de distribución de calefacción

Otro método popular de organizar la calefacción en la actualidad es la creación de un esquema de colector. En cierta medida, este esquema puede considerarse una subvariedad del sistema de dos tubos, aunque también se aplica en la organización de circuitos de calefacción monotubulares.

Solo la distribución del refrigerante caliente y la recolección del enfriado no se realiza desde el tubo ascendente principal, sino desde dispositivos de distribución nodales especiales: los colectores. Este sistema funciona de manera estable solo con el uso de circulación forzada.

La distribución radiante en comparación con la de dos tubos requiere la presencia de un colector, una mayor longitud total de tuberías, cantidad de accesorios y válvulas de cierre

El nodo de distribución para un sistema de dos tubos es una combinación compleja de colectores de alimentación y retorno, mediante los cuales se realiza un suministro de refrigerante equilibrado en temperatura y presión.

Cada rama del dispositivo alimenta un elemento de calefacción o un pequeño grupo de ellos. Las ramas suelen estar ubicadas bajo el piso; cada piso de un edificio de varios pisos es atendido por un colector instalado en el centro.

A pesar de las ventajas evidentes de esta opción de organización de la calefacción, el sistema de colector tiene dos inconvenientes importantes:

• la mayor longitud de tuberías, por lo que esta opción de organización del circuito de agua requiere considerables inversiones económicas;
• complejidad de modificar el circuito – las tuberías en esta opción suelen estar ubicadas bajo el piso o en las paredes, por lo que en caso de agregar aparatos de calefacción, será muy difícil realizar cualquier corrección.

Todos los colectores se montan, por lo general, en un armario especial, ya que las válvulas de cierre están ubicadas allí mismo y se necesita acceso a ellas. Colocar las llaves en un solo lugar es muy conveniente.

En caso de necesidad de encender o apagar los radiadores, o de una situación de emergencia, basta con tener acceso al armario y no es necesario visitar todas las habitaciones.

Los colectores distribuidores pueden tener una estructura simple, formada por dos peines y un mínimo de válvulas de cierre. Los conjuntos complejos pueden incluir también termostatos automáticos, válvulas electrónicas, mezcladores, purgadores de aire automáticos, sensores y unidades de control, válvula de drenaje y una bomba de circulación independiente.

Estos sistemas pueden ajustar con mayor precisión la temperatura en el hogar, pero requieren un buen conocimiento de los fundamentos y matices del funcionamiento de la calefacción por agua.

Calefacción mediante suelo radiante

Uno de los métodos de calefacción más cómodos es la instalación de suelo radiante. Cabe señalar que la instalación de esta opción de calefacción en salas de estar, duchas, cocinas y otras estancias es bastante compleja.

El suelo radiante por agua de gran superficie solo es posible si se organiza una circulación forzada, ya que es necesario generar presión en el largo sistema de tubos estrechos.

La presión es necesaria para superar la resistencia de los tubos estrechos con múltiples curvaturas. Además, se debe lograr un empuje que permita eliminar el aire de los tubos del suelo radiante, que están colocados horizontalmente.

Existe una gran cantidad de combinaciones para la colocación de los tubos:

• Para habitaciones pequeñas se utilizan esquemas con una entrada de agua caliente y una salida de agua enfriada;
• Para espacios grandes se organizan sistemas de suelo radiante más complejos utilizando un colector distribuidor.

A menudo, para fragmentos del circuito con suelo radiante se instalan bombas de circulación independientes.

El uso del colector está justificado para grandes superficies de suelo radiante, cuando los cálculos indican que un solo tubo no puede encargarse de la calefacción.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Exposición detallada del esquema de calefacción bitubular y bastante complejo de una casa de dos plantas:

Sistema de tipo cerrado para una casa de tres plantas basado en una caldera de gas:

El uso de bombas en la calefacción por agua de los espacios facilita enormemente el diseño del circuito, haciendo posibles opciones que no están disponibles en el modelo por gravedad. La correcta selección del equipo permitirá resolver el problema de la calefacción de la vivienda, haciendo este proceso cómodo y sencillo.

¿Tiene algo que añadir o surgieron dudas sobre la organización del sistema de calefacción con circulación forzada? Por favor, deje sus comentarios en la publicación y participe en los debates. El formulario de contacto se encuentra en el bloque inferior.