Cómo hacer calefacción de estufa en una casa particular con circuitos de aire o agua

Existen muchas formas de calentar una casa particular, relacionadas con el uso de gas y electricidad. Pero a pesar de la abundancia de métodos modernos, la calefacción por estufa sigue siendo relevante para la instalación en casas de campo y dachas.

Esté de acuerdo, nada resalta tanto el colorido de la isba rusa como una estufa de leña. Además, la calefacción de combustible sólido se considera una de las opciones económicas.

La organización del sistema de calefacción comienza con la elección del equipo de estufa y la determinación del tipo de circuito de calefacción. Le proponemos que comprenda la disposición y los principios de funcionamiento de la calefacción por agua y aire basada en una estufa. Para una mejor comprensión del tema, hemos complementado el material con esquemas y fotografías ilustrativas.

Calefacción mediante sistema de aire

La razón de la preferencia constante que los propietarios de casas particulares otorgan a la opción de calefacción por estufa radica en la eficiencia operativa – la disponibilidad de leña, briquetas de combustible o carbón.

La desventaja consiste en la limitación del espacio que se puede calentar, la cual se puede eliminar mediante la instalación de un sistema de agua y aire basado en una unidad de ladrillo.

La especificidad de la instalación de calefacción en edificios de poca altura con estufa se presenta en la selección de fotos:

El principio de funcionamiento de la calefacción por aire basada en una estufa o chimenea consiste en la transmisión del flujo de calor, calentado a la temperatura de trabajo en el intercambiador de calor o en la caldera. El aire ingresa ya sea directamente a la habitación o a través de conductos de aire.

Gracias a un recorrido relativamente corto, no tiene tiempo de perder temperatura. Como resultado, se logra una distribución uniforme del calor en la casa.

La cámara para calentar el aire se coloca sobre el hogar para que la superficie superior caliente del hogar y el conducto de humos le transmitan la máxima cantidad de calor. La circulación del aire ocurre de forma natural o con ayuda de ventiladores.

Una estufa de acero de fábrica para calentar una habitación de 120 m² mediante flujos de aire cuesta alrededor de 120 €.

La circulación natural ocurre como resultado de la diferencia de densidad del aire frío y caliente. El aire frío, al entrar en la cámara de calentamiento, desplaza al aire caliente hacia los conductos.

Este método no requiere electricidad, sin embargo, si el movimiento del aire a través de la cámara de calentamiento no es lo suficientemente rápido, éste se calienta en exceso, lo que puede causar problemas.

La calefacción por aire con movimiento natural del aire caliente implica la instalación de conductos para un flujo dirigido. En las variantes forzadas, el movimiento del aire es estimulado por un ventilador (+)

La circulación forzada se produce mediante ventiladores o bombas. Sin embargo, el calentamiento de las habitaciones ocurre más rápido y de manera uniforme. Con la ventilación forzada, ajustando su modo, se puede controlar fácilmente el volumen de aire suministrado a diferentes habitaciones, determinando así el microclima de cada habitación de la casa.

Según el tipo de suministro de aire frío, los sistemas se dividen en dos variedades:

• Con recirculación total. Las masas de aire caliente se alternan con las enfriadas dentro de la misma habitación. La desventaja del esquema es que la calidad del aire disminuye al pasar por cada ciclo de calentamiento/enfriamiento.
• Con recirculación parcial. Se toma una parte del aire fresco del exterior, que se mezcla con una parte del aire del interior. Tras el calentamiento, la mezcla de las dos porciones de aire se suministra al usuario. Ventaja: calidad del aire estable; desventaja: dependencia energética.

Está claro que al primer grupo pertenecen los sistemas de conductos con movimiento natural del portador de calor del aire. Al segundo grupo pertenecen las variantes con movimiento forzado del aire, para cuyo movimiento no es necesario instalar una red de conductos.

La entrada de aire desde el exterior proporciona al sistema de circulación natural un impulso adicional, lo que permite prescindir del uso de ventiladores.

Principales ventajas de la calefacción por aire en comparación con la calefacción por agua:

• alta eficiencia;
• ausencia de averías;
• ausencia de radiadores en las habitaciones.

El diseño de un circuito con movimiento forzado permite prescindir de la construcción de un sistema de conductos. Además, esta variante se puede combinar con aire acondicionado, humidificación e ionización del aire.

Si no se planea la instalación de un dispositivo que estimule el movimiento del aire caliente, para aumentar el rendimiento de la estufa se utilizan los siguientes métodos:

El aumento de la eficiencia aumentará espontáneamente la velocidad del flujo de aire: cuanto más rápido se calienta el aire, más intensamente se produce el intercambio de masa de aire fría y caliente.

Principales desventajas de la calefacción por aire en comparación con la calefacción por agua:

• al usar una estufa, la temperatura del aire suministrado tiene un rango significativo, a diferencia del uso de otros medios de calefacción;
• los conductos de aire tienen un gran diámetro, por lo que la instalación debe realizarse durante la etapa de construcción;
• es preferible ubicar la estufa en un sótano, de lo contrario es necesario usar ventiladores que generan ruido.

El movimiento del aire en la habitación tiene un aspecto negativo: levanta polvo; sin embargo, el uso de filtros a la salida del conducto permite atrapar eficazmente este polvo, reduciendo así la cantidad total de polvo en la casa.

Otra característica de la calefacción por aire, que tiene aspectos positivos y negativos, es la velocidad de transferencia de calor. Por un lado, las habitaciones se calientan más rápido que con la calefacción mediante un circuito de agua; por otro lado, no hay inercia térmica: en cuanto se apaga la estufa o la chimenea, la habitación comienza a enfriarse inmediatamente.

Para garantizar una presión uniforme en las ramas laterales del conducto, es necesario evitar su conexión en el último medio metro del conducto principal.

A diferencia de la calefacción por agua, la instalación de un sistema de calefacción por aire no presenta ninguna dificultad. Todos los elementos (tubos, codos, rejillas de ventilación) se pueden conectar fácilmente sin necesidad de soldadura. Existen conductos flexibles que pueden adoptar cualquier forma, según la geometría de las habitaciones.

A pesar de esto, los sistemas de calefacción por aire basados en estufas o chimeneas aún no se han generalizado. Con mucha más frecuencia, en la construcción individual de poca altura, se utiliza el circuito de agua para calentar las habitaciones.

Sobre la base de una estufa o chimenea con hogar de ladrillo o acero, se puede instalar tanto calefacción por aire como por agua.

Disposición de la calefacción por agua basada en estufa

Los principios de funcionamiento de cualquier calefacción por agua se basan en la distribución del calor desde una fuente local por toda la habitación, mediante el movimiento del agua a lo largo del circuito de calefacción.

Elementos principales de la calefacción por agua

Para el esquema de calefacción por estufa con circuito de agua, los elementos principales son:

• estufa o chimenea con intercambiador de calor, en el que se calienta el agua;
• circuito de calefacción, donde se cede el calor a la habitación;
• vaso de expansión para evitar daños en el sistema debido al aumento de presión;
• bomba de circulación para asegurar el movimiento del agua a través del circuito.

Existen reglas generales para el funcionamiento de la calefacción por agua, como los esquemas de distribución, que son bien conocidos y que deben seguirse. Sin embargo, al utilizar una estufa como fuente de calor, existen requisitos específicos relacionados con la particularidad del régimen de temperatura.

El principio de funcionamiento de la calefacción por agua basada en una estufa o chimenea es sencillo, sin embargo, es necesario calcular con precisión los parámetros de todos los elementos del sistema.

Las estufas no se calientan rápido y se enfrían lentamente, se produce una liberación desigual de calor, y solo la instalación correcta de todos los componentes del sistema permitirá evitar problemas con la calefacción de calidad de las habitaciones de la casa.

Tipos de intercambiador de calor y métodos de colocación

Para la fabricación del intercambiador de calor para estufas se utiliza chapa de acero “negro” o acero inoxidable resistente al calor. El uso de hierro fundido como material de producción es difícil, pero se pueden utilizar productos de hierro fundido ya preparados, como radiadores de hierro fundido.

Es posible utilizar cobre, que posee una mejor conductividad térmica en comparación con el acero; sin embargo, el precio de dicho dispositivo será elevado. Se recomienda fabricar el intercambiador de calor con acero de un espesor de al menos 3 mm. A altas temperaturas del horno, que se producen al utilizar carbón o, aún más, coque, es necesario emplear acero de 5 mm de espesor.

Los intercambiadores de calor se pueden dividir condicionalmente en tres tipos:

• registros, serpentines y radiadores, compuestos por un conjunto de tubos;
• camisas (calderas), soldadas de chapa de acero;
• opción combinada en forma de paredes verticales conectadas por tubos (los llamados “libros”).

Las camisas de chapa de acero son más fáciles de fabricar y más fáciles de limpiar de los productos de la combustión del combustible; sin embargo, las estructuras tubulares tienen una mayor superficie de calentamiento. Al fabricar la camisa, se debe tener en cuenta la presión excesiva del agua que se produce al utilizar un tanque de expansión de membrana o al elevar el agua a gran altura.

Se puede construir un intercambiador de calor para calefacción por agua basada en una estufa a partir de materiales disponibles:

En este caso, se requiere utilizar acero con un espesor de al menos 5 mm y reforzar adicionalmente las paredes con nervaduras de rigidez para evitar su deformación.

Las formas de las estructuras tubulares pueden ser variadas; sin embargo, es necesario cumplir la condición de que el diámetro interior de los tubos sea de al menos 3 cm. De lo contrario, con una velocidad de circulación lenta o una temperatura demasiado alta, es probable que el agua hierva.

Los registros se fabrican, por lo general, a partir de tubos perfilados, no redondos, para facilitar los trabajos de soldadura.

Se puede fabricar un intercambiador de calor del tamaño necesario de forma independiente. En este caso, se debe prestar especial atención a la calidad de la soldadura. Si se produce una fuga en el intercambiador de calor, toda el agua se derramará en el horno.

Además, para solucionar el problema será necesario realizar una gran cantidad de trabajo: desmontar la estufa, extraer, soldar y volver a colocar el intercambiador de calor, y luego volver a ensamblar la estufa.

Existen dos opciones para la ubicación del intercambiador de calor. En el primer caso, se coloca directamente en la cámara de combustión, reduciendo significativamente su espacio. En el segundo – los registros se instalan en la campana de las estufas sin retorno, aunque la estufa en sí tiene una estructura más compleja.

Si se dispone de una estufa de campana, es mejor colocar el intercambiador de calor en la campana: allí también hace calor, y el espacio de la cámara de combustión permanecerá sin cambios.

Al instalar un intercambiador de calor de tipo tubular, es necesario dejar un espacio entre este y la pared de la estufa. Esto es necesario para un mejor calentamiento del fluido caloportador, así como para la posibilidad de limpiar el registro. Es necesario limpiar tanto las camisas como los registros periódicamente, ya que en caso de obstrucción severa con cenizas, la eficiencia del intercambio de calor disminuye.

Si hay una placa de cocina, la limpieza se realiza después de retirarla. Si la estufa solo tiene función de calefacción, la limpieza se realiza a través de la puerta de la cámara de combustión.

Circulación de agua en el circuito de calefacción

Los principios básicos para organizar la circulación natural del agua en el sistema consisten en modelar un “colector de aceleración” a la salida del intercambiador de calor y en crear una pendiente constante de las tuberías del circuito de calefacción de 3-5°.

El significado general del “colector de aceleración” es que el agua caliente se eleva verticalmente desde la estufa y luego se distribuye por el circuito de calefacción.

La circulación ocurre debido a la diferencia de peso específico entre el agua fría y caliente. El agua fría es más pesada que la caliente y, al fluir hacia el intercambiador de calor, desplaza el agua caliente hacia arriba por la tubería. El punto de entrada del “retorno” debe estar por debajo de las salidas de agua de los radiadores de calefacción, de lo contrario, la circulación del agua será muy lenta o no se producirá en absoluto.

El colector de aceleración es necesario incluso para circuitos de calefacción de pequeña longitud si se utiliza circulación natural

Para aumentar la velocidad de circulación del agua por el circuito de calefacción, se instala una bomba de circulación. De esta manera, se produce una distribución más rápida y uniforme del calor por la casa. Se pueden utilizar simultáneamente varias bombas para diferentes circuitos de calefacción.

En caso de fluctuaciones de voltaje, es necesario utilizar un estabilizador de voltaje, ya que la falla de la bomba puede tener consecuencias graves para todo el sistema.

Las bombas se pueden dividir condicionalmente en dos grupos según la posición del motor: con rotor “seco” y rotor “mojado”. Por tipo de voltaje: modelos que funcionan con red de 220 V y bombas que funcionan con fuentes de alimentación de 12 V.

El motor en bombas con rotor “seco” está aislado del impulsor sumergido en agua mediante anillos de sellado. En comparación con las bombas con motor sumergido en agua, las bombas “secas” tienen una mayor eficiencia.

Sin embargo, entre las desventajas se pueden mencionar el alto nivel de ruido, la necesidad de realizar un mantenimiento regular y una menor vida útil del motor. Por lo tanto, en una casa particular, por lo general, se utilizan bombas de circulación con rotor “mojado”.

La elección del tipo de alimentación de la bomba depende de la posibilidad de circulación natural del agua en el sistema. Si esta no es posible sin la intervención de la bomba, entonces la elección debe hacerse a favor de la opción con soporte de voltaje de 12 V y una fuente de alimentación ininterrumpida.

De lo contrario, en caso de un corte de electricidad, es posible que el agua hierva y el sistema falle. Si la circulación natural es posible, entonces es mejor adquirir la opción más común y económica con alimentación de red de 220 V.

Al conectar una bomba de 12 V a un SAI, no hay que preocuparse por el funcionamiento del sistema de calefacción.

Al instalar una bomba con alimentación de 220 V, es necesario organizar la posibilidad de funcionamiento del sistema de calefacción durante un corte de electricidad. Para ello, se instala una válvula de cierre en la tubería, y desviándola se monta una tubería de derivación con la bomba (el llamado “bypass”).

En la tubería de derivación, antes de la bomba, se instala una válvula de filtro, y después, una válvula de cierre. Ajustando la posición de las válvulas de cierre en la tubería principal y la de derivación, se puede activar el modo de circulación forzada y natural.

Por lo general, la bomba se instala en el “retorno” cerca de la estufa, para que la temperatura del líquido que pasará a través del dispositivo sea la más baja. Esto prolongará significativamente la vida útil de la bomba.

Además, es necesario ubicar la mayor cantidad posible de elementos de control del sistema de calefacción en un solo lugar, para que en caso de situaciones de emergencia se puedan tomar medidas rápidamente para solucionarlas.

La instalación de una tubería de derivación (bypass) permite que el sistema de calefacción funcione durante un corte de electricidad, y también permite retirar la bomba sin drenar el agua.

Reglas de uso del tanque de expansión

El líquido se expande al calentarse, y si esto ocurre en un sistema cerrado, la presión interna aumentará considerablemente, y el aumento de presión puede provocar una fuga de agua. No es conveniente usar una válvula de seguridad, ya que después de que el agua se enfríe y su volumen disminuya, se introducirá aire en el sistema.

Por lo tanto, en los circuitos de calefacción con circulación forzada de agua se utilizan tanques de expansión especiales, que pueden ser de tipo abierto o cerrado. Su volumen se calcula no solo en función de la máxima expansión térmica del líquido (5-7%), sino también considerando la posibilidad de ebullición del sistema.

El tanque de tipo abierto se instala en el circuito de agua de la calefacción por estufa de tipo gravitatorio, es decir, con transporte natural del refrigerante. Consiste en un recipiente metálico de forma arbitraria, ubicado en la parte más alta del circuito de calefacción. Se comunica directamente con la atmósfera, por lo que el refrigerante se evapora parcialmente.

La tubería se conecta al fondo o al cuarto inferior del tanque, y en la parte superior se suelda un tubo para la salida de agua en caso de rebose y para la salida de aire del sistema. La práctica muestra que el volumen de un tanque de tipo abierto debe ser al menos el 15% del volumen de agua en el sistema de calefacción.

El tanque de expansión de tipo abierto se coloca generalmente en una sala técnica y su apariencia no tiene importancia.

El tanque de tipo cerrado o de membrana es un recipiente cerrado con una membrana en su interior. El agua, al calentarse, aumenta la presión, estira la membrana y entra en el tanque. Si se supera la presión, el sistema automático se activa y el excedente de refrigerante se descarga al alcantarillado.

Después de la primera descarga, normalmente no hay más motivos para que se repita, ya que el volumen del refrigerante se iguala al volumen del sistema.

El depósito de membrana cerrado se monta antes de la bomba. Este recipiente, a diferencia del tanque de tipo abierto, no puede eliminar el aire por sí mismo, por lo que en la parte superior del circuito de calefacción se debe instalar un purgador manual (válvula de Mayevsky) o su equivalente automático.

El único elemento del tanque de membrana que puede fallar con el tiempo es la membrana, por lo que es mejor comprar un tanque que permita su reemplazo.

Al comprar un tanque de tipo cerrado, que a veces se llama hidroacumulador, lo principal es no confundirlo con un hidroacumulador para suministro de agua.

Para un tanque de membrana utilizado en calefacción, la temperatura de trabajo es de hasta 120 °C y la presión de hasta 3 bar. Para suministro de agua se utilizan tanques con temperatura de hasta 70 °C y presión de hasta 10 bar.

Elección entre tuberías y radiadores

Como circuito de agua en la calefacción por estufa, se puede utilizar un sistema de tuberías de plástico con radiadores (baterías) o un sistema de tuberías metálicas. La principal ventaja de usar radiadores es que tienen un mejor aspecto en comparación con los conductos de aire voluminosos.

La distribución de plástico se puede ocultar fácilmente en el suelo, ya que no desprende calor. Aunque según las normas, la distribución de calefacción por agua debe ser visible. Sin embargo, las tuberías poliméricas tienen limitaciones: no se pueden instalar donde exista riesgo de fusión o exposición directa a rayos UV.

La ventaja de las tuberías metálicas radica en el menor coste de todo el circuito de calefacción, la facilidad de instalación y la menor frecuencia de problemas durante el funcionamiento del sistema.

El uso de tuberías metálicas de calefacción en lugar de un sistema de radiadores con conexiones de metal-plástico está justificado si el aspecto estético del diseño de la habitación no es importante.

Una ventaja significativa del sistema con radiadores es la facilidad de ajuste de la temperatura. Incluso los cálculos más precisos del régimen de temperatura de la habitación pueden corregirse. Por ejemplo, para un bebé de hasta 6 meses se recomienda una temperatura de 19-21°C, mientras que la temperatura confortable en el resto de la casa se considera de 25°C.

Para mantener esa temperatura durante un período prolongado en la habitación, es necesario cerrar total o parcialmente la válvula de suministro de calor a uno de los radiadores. En el caso de una tubería metálica, el problema también se puede resolver, pero de una manera más compleja: reducir la transferencia de calor de un segmento de tubería mediante una carcasa de poliuretano espumado o de aluminio.

Otra opción de circuito de calefacción puede ser el suelo radiante por agua. Es un tipo de suministro de calor muy cómodo para la sensación humana, sin embargo, la instalación del suelo radiante es significativamente más laboriosa que las opciones consideradas anteriormente.

Además, al usar suelo radiante no es posible proporcionar una pendiente para la circulación natural del agua, lo que, combinado con el pequeño diámetro de las tuberías del suelo radiante, hace obligatorio el uso de una bomba de circulación.

Para impulsar el agua a través de las tuberías del suelo radiante es necesario usar una bomba; la circulación natural no funcionará con esa geometría del sistema de calefacción.

Prevención de congelación del sistema de calefacción

El uso de agua como refrigerante tiene un inconveniente: si el sistema de calefacción se congela, se dañarán las tuberías y los dispositivos. En particular, es difícil restaurar el intercambiador de calor integrado en la estufa en ese caso.

Este problema es relevante para las casas que pueden no calentarse durante largos períodos en invierno. Una forma de evitar daños al sistema es usar anticongelante diseñado para sistemas de calefacción en lugar de agua.

Para espacios habitables, se utilizan líquidos a base de propilenglicol como anticongelante, ya que es una sustancia no tóxica a diferencia del etilenglicol.

Sin embargo, la idea de usar anticongelante tiene sus desventajas:

• el anticongelante a base de propilenglicol es caro (desde 0.8 €/litro);
• El calor específico del anticongelante es menor que el del agua (aproximadamente un 15%), por lo que se necesita una mayor potencia del horno y una mayor superficie de los dispositivos de calefacción de las habitaciones;
• El anticongelante tiene una viscosidad dinámica más alta que el agua, por lo que se necesita una bomba de circulación más potente y la circulación natural es imposible;
• Al calentarse, el anticongelante se expande hasta un 40%, por lo que es necesario utilizar un gran depósito de expansión de tipo cerrado;
• El propilenglicol es muy fluido, por lo que penetra a través de las uniones del sistema de calefacción por donde el agua no penetra;
• El propilenglicol es incompatible con los tubos galvanizados, porque al contacto, los aditivos del anticongelante pierden sus propiedades;
• Al hervir el anticongelante (lo cual es probable al usar hornos), se produce una reacción química irreversible, por lo que todo el sistema deberá ser drenado y rellenado con anticongelante nuevo.

Para el anticongelante, el sistema de calefacción debe calcularse de antemano – su uso en proyectos realizados para agua es bastante problemático.

Además, un proyecto con anticongelante será significativamente más caro que un sistema de calefacción de agua. Por lo tanto, su uso aún no se ha generalizado en viviendas particulares con calefacción por horno, y para evitar la congelación se utilizan otros métodos.

Al elegir un líquido para el sistema de calefacción, es necesario tener en cuenta no solo las características fisicoquímicas, sino también su peligrosidad para los demás.

El drenaje del agua del circuito y de la camisa o del registro de la estufa es la solución más frecuente al problema durante la ausencia prolongada de los propietarios. Además del trabajo adicional, las desventajas de este método incluyen el acceso del aire a los elementos metálicos del sistema desde el interior y, como consecuencia, la propagación de la corrosión.

También, como solución a corto plazo, se utiliza la integración de una caldera eléctrica de baja potencia en el circuito de calefacción. Su funcionamiento con un consumo mínimo de energía puede mantener temporalmente una temperatura positiva del agua.

Una caldera eléctrica de baja potencia conectada al sistema de calefacción puede mantener una temperatura positiva del agua en caso de ausencia prolongada de los propietarios.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Un sistema de calefacción funcional basado en una estufa y un circuito de agua en una vivienda particular de 80 metros cuadrados:

El suministro de calor al sistema de calefacción desde estufas y chimeneas se produce de forma intermitente, lo que dificulta el cálculo de los parámetros de los elementos del circuito de calefacción. Realizar trabajos de modificación del circuito es bastante problemático, por lo que, si no se tiene experiencia en este ámbito, es mejor recurrir a especialistas con habilidades para resolver dichos problemas.

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