Cómo calcular un suelo radiante con el ejemplo de un sistema de agua

La eficiencia del suelo radiante está influenciada por muchos factores. Sin tenerlos en cuenta, incluso si el sistema está correctamente instalado y se utilizan los materiales más modernos para su construcción, la eficiencia térmica real no cumplirá con las expectativas.

Por esta razón, los trabajos de instalación deben ir precedidos de un cálculo adecuado del suelo radiante, y solo entonces se puede garantizar un buen resultado.

El desarrollo de un proyecto de sistema de calefacción no es barato, por lo que muchos aficionados al bricolaje realizan los cálculos por su cuenta. Esté de acuerdo, la idea de reducir los gastos en la instalación de un suelo radiante parece muy tentadora.

Le indicaremos cómo crear un proyecto, qué criterios tener en cuenta al elegir los parámetros del sistema de calefacción y describiremos el método de cálculo paso a paso. Para mayor claridad, hemos preparado un ejemplo de cálculo de un suelo radiante.

Datos iniciales para el cálculo

Un proceso de diseño e instalación correctamente planificado desde el principio evitará sorpresas y problemas desagradables en el futuro.

Al calcular el suelo radiante, es necesario partir de los siguientes datos:

• material de las paredes y características de su construcción;
• dimensiones de la habitación en planta;
• tipo de revestimiento final;
• construcción de puertas, ventanas y su ubicación;
• ubicación de los elementos estructurales en planta.

Para realizar un diseño adecuado, es obligatorio tener en cuenta el régimen de temperatura establecido y la posibilidad de su regulación.

Para un cálculo aproximado, se considera que 1 m² del sistema de calefacción debe compensar las pérdidas de calor de 1 kW. Si el circuito de calefacción por agua se utiliza como complemento del sistema principal, entonces solo debe cubrir una parte de las pérdidas de calor.

Existen recomendaciones sobre la temperatura del suelo que garantiza una estancia confortable en habitaciones de diferentes usos:

• 29°C — zona residencial;
• 33°C — baño, habitaciones con piscina y otras con alto nivel de humedad;
• 35°C — zonas frías (en puertas de entrada, paredes exteriores, etc.).

Superar estos valores provoca el sobrecalentamiento tanto del propio sistema como del revestimiento final, con el consiguiente deterioro inevitable del material.

Realizando cálculos preliminares, se puede seleccionar la temperatura óptima del refrigerante según las sensaciones personales, determinar la carga en el circuito de calefacción y adquirir un equipo de bomba que maneje de manera impecable la estimulación del movimiento del refrigerante. Se selecciona con un margen del 20% en el caudal del refrigerante.

Se pierde mucho tiempo en calentar una solera de más de 7 cm de espesor. Por eso, al instalar sistemas de agua, se procura no superar dicho límite. El revestimiento más adecuado para suelos radiantes de agua es la cerámica; no se instalan suelos radiantes bajo parquet debido a su bajísima conductividad térmica.

En la etapa de diseño, se debe decidir si el suelo radiante será la fuente principal de calor o solo se utilizará como complemento del circuito de radiadores. De ello depende la proporción de pérdidas de energía térmica que deberá compensar. Puede oscilar entre el 30% y el 60% con variaciones.

El tiempo de calentamiento del suelo radiante de agua depende del grosor de los elementos que componen la solera. El agua como refrigerante es muy eficiente, pero el sistema en sí es complejo de instalar.

Determinación de los parámetros del suelo radiante

El objetivo del cálculo es obtener el valor de la carga térmica. El resultado de este cálculo influye en los pasos posteriores. A su vez, la carga térmica se ve afectada por el valor medio de la temperatura invernal en la región específica, la temperatura prevista dentro de las habitaciones y el coeficiente de transferencia de calor del techo, las paredes, las ventanas y las puertas.

La causa de la pérdida de calor son las paredes, ventanas y puertas mal aisladas de la casa. El mayor porcentaje de calor se pierde a través del sistema de ventilación y el techo (+).

El resultado final de los cálculos previo al dispositivo de suelo radiante de tipo agua dependerá también de la presencia de dispositivos de calefacción adicionales, incluyendo la emisión de calor de las personas que viven en la casa y de las mascotas. Es obligatorio tener en cuenta en el cálculo la presencia de infiltración.

Uno de los parámetros importantes es la configuración de las habitaciones, por lo que se necesitará un plano de planta de la casa y los cortes correspondientes.

Metodología de cálculo de las pérdidas de calor

Al determinar este parámetro, usted sabrá cuánto calor debe generar el suelo para el confort de las personas que se encuentran en la habitación, podrá seleccionar la caldera, la bomba y el suelo según la potencia. En otras palabras: el calor emitido por los circuitos de calefacción debe compensar las pérdidas de calor del edificio.

La relación entre estos dos parámetros se expresa mediante la fórmula:

Mp = 1,2 x Q, donde

• Mp — la potencia requerida de los circuitos;
• Q — pérdidas de calor.

Para determinar el segundo indicador, se realizan mediciones y cálculos del área de ventanas, puertas, techos y paredes exteriores. Dado que el suelo se calentará, no se considera el área de esta estructura de cerramiento. Las mediciones se realizan desde el exterior, abarcando las esquinas del edificio.

En el cálculo se considerarán tanto el espesor como el coeficiente de conductividad térmica de cada una de las estructuras. Los valores normativos del coeficiente de conductividad térmica (λ) para los materiales más utilizados pueden obtenerse de la tabla.

De la tabla se puede tomar el valor del coeficiente para el cálculo. Es importante consultar con la empresa proveedora el valor de la resistencia térmica del material en caso de que se instalen ventanas de metal-plástico (+)

El cálculo de las pérdidas de calor se realiza por separado para cada elemento del edificio, utilizando la fórmula:

Q = 1/R*(tv-tn)*S x (1+∑b), donde

• R — resistencia térmica del material del que está fabricada la estructura de cerramiento;
• S — área del elemento constructivo;
• tv y tn — temperatura interior y exterior respectivamente, tomando el segundo valor según el valor más bajo;
• b — pérdidas adicionales de calor relacionadas con la orientación del edificio con respecto a los puntos cardinales.

El valor de la resistencia térmica (R) se obtiene dividiendo el espesor de la estructura por el coeficiente de conductividad térmica del material del que está fabricada.

El valor del coeficiente b depende de la orientación de la casa:

• 0,1 — norte, noroeste o noreste;
• 0,05 — oeste, sureste;
• 0 — sur, suroeste.

Si se analiza la cuestión con cualquier ejemplo de cálculo de un suelo radiante hidráulico, resulta más claro.

Ejemplo concreto de cálculo

Supongamos que las paredes de una casa para residencia no permanente, con un espesor de 20 cm, están hechas de bloques de hormigón celular. El área total de las paredes de cerramiento, descontando los vanos de puertas y ventanas, es de 60 m². La temperatura exterior es de -25°C, la interior de +20°C, y la estructura está orientada al sureste.

Considerando que el coeficiente de conductividad térmica de los bloques λ = 0,3 W/(m°C), se pueden calcular las pérdidas de calor a través de las paredes: R = 0,2/0,3 = 0,67 m²°C/W.

Se observan pérdidas de calor también a través de la capa de yeso. Si su espesor es de 20 mm, entonces Ryes. = 0,02/0,3 = 0,07 m²°C/W. La suma de estos dos valores dará la pérdida de calor a través de las paredes: 0,67+0,07 = 0,74 m²°C/W.

Teniendo todos los datos iniciales, se sustituyen en la fórmula y se obtienen las pérdidas de calor de la habitación con tales paredes: Q = 1/0,74*(20 - (-25)) *60*(1+0,05) = 3831,08 W.

De la misma manera se calculan las pérdidas de calor a través de las demás estructuras de cerramiento: ventanas, vanos de puertas, cubierta.

El calor emitido por los circuitos de calefacción puede ser insuficiente para calentar el aire interior de la casa hasta el valor deseado si su potencia es demasiado baja. Si la potencia es excesiva, se producirá un consumo excesivo del fluido caloportador.

Para determinar las pérdidas de calor a través del techo, se toma su resistencia térmica igual al valor del tipo de aislamiento previsto o existente: R = 0,18/0,041 = 4,39 m²°C/W.

El área del techo es idéntica al área del piso y es de 70 m². Sustituyendo estos valores en la fórmula, se obtienen las pérdidas de calor a través de la estructura de cerramiento superior: Q tech. = 1/4,39*(20 - (-25))* 70* (1+0,05) = 753,42 W.

Para determinar las pérdidas de calor a través de la superficie de las ventanas, se debe calcular su área. Si hay 4 ventanas de 1,5 m de ancho y 1,4 m de alto, su área total será: 4*1,5*1,4 = 8,4 m².

Si el fabricante indica por separado la resistencia térmica del doble acristalamiento y del perfil — 0,5 y 0,56 m²°C/W respectivamente, entonces Rvent. = 0,5*90+0,56*10)/100 = 0,56 m²°C/W. Aquí 90 y 10 son la proporción correspondiente a cada elemento de la ventana.

Con base en los datos obtenidos, se continúan los cálculos posteriores: Qvent. = 1/0,56*(20 - (-25))*8,4*(1+0,05) = 708,75 W.

La puerta exterior tiene un área de 0,95*2,04 = 1,938 m². Entonces Rpu. = 0,06/0,14 = 0,43 m²°C/W. Q pu. = 1/0,43*(20 - (-25))* 1,938*(1+0,05) = 212,95 W.

Dado que las puertas exteriores se abren con frecuencia, se pierde una gran cantidad de calor a través de ellas. Por lo tanto, es importante asegurar su cierre hermético.

En total, las pérdidas de calor serán: Q = 3831,08 + 753,42 + 708,75 + 212,95 + 7406,25 = W.

A este resultado se le añade un 10% adicional por infiltración de aire, entonces Q = 7406,25+740,6 = 8146,85 W.

Ahora se puede determinar también la potencia térmica del suelo: M_s = 1,*8146,85 = 9776,22 W o 9,8 kW.

Calor necesario para calentar el aire

Si la casa está equipada con un sistema de ventilación, entonces una parte del calor emitido por la fuente debe emplearse en calentar el aire que ingresa desde el exterior.

Para el cálculo se aplica la fórmula:

Qv. = c*m*(tv—tn), donde

• c = 0,28 kg°C y denota la capacidad calorífica de la masa de aire;
• m el símbolo denota el caudal másico de aire exterior en kg.

Se obtiene el último parámetro multiplicando el volumen total de aire, igual al volumen de todas las habitaciones bajo la condición de que el aire se renueve cada hora, por la densidad, que varía según la temperatura.

El gráfico muestra la relación entre la densidad del aire y su temperatura. Los datos son necesarios para calcular la cantidad de calor requerida para calentar la masa de aire que ingresa a la casa como resultado de la ventilación forzada (+)

Si al edificio ingresan 400 m³/h, entonces m = 400 * 1,422 = 568,8 kg/h. Qv = 0,28 * 568,8 * 45 = 7166,88 W.

En este caso, la potencia térmica necesaria del suelo aumentará significativamente.

Cálculo de la cantidad necesaria de tuberías

Para la instalación de un suelo con calefacción por agua se eligen diferentes métodos de colocación de tuberías, que se diferencian por su forma: serpiente de tres tipos – serpiente propiamente dicha, angular, doble y caracol. En un circuito montado puede encontrarse una combinación de diferentes formas. A veces para la zona central del suelo se elige el «caracol» y para los bordes, uno de los tipos de «serpiente».

El «caracol» es una elección racional para espacios amplios con geometría simple. En habitaciones muy alargadas o con formas complejas, es mejor aplicar la «serpentina» (+)

La distancia entre los tubos se denomina paso. Al elegir este parámetro, se deben satisfacer dos requisitos: la planta del pie no debe sentir diferencias de temperatura en las diferentes zonas del suelo, y los tubos deben utilizarse de la manera más eficiente posible.

Para las zonas perimetrales del suelo se recomienda aplicar un paso de 100 mm. En el resto de las áreas se puede elegir un paso entre 150 y 300 mm.

El aislamiento térmico del suelo es de gran importancia. En la planta baja, su espesor debe alcanzar como mínimo 100 mm. Para este fin se utiliza lana mineral o poliestireno extruido.

Para calcular la longitud del tubo existe una fórmula sencilla:

L = S/N*1.1, donde

• S – área del circuito;
• N – paso de colocación;
• 1,1 – margen para curvas del 10%.

Al valor final se añade un tramo de tubo desde el colector hasta la distribución del circuito de calefacción, tanto en el retorno como en la ida.

Ejemplo de cálculo.

Valores iniciales:

• área – 10 m²;
• distancia al colector – 6 m;
• paso de colocación – 0,15 m.

La solución del problema es simple: 10/0,15*1,1+(6*2) = 85,3 m.

Usando tubos de metal-plástico de hasta 100 m de longitud, la mayoría de las veces se elige un diámetro de 16 o 20 mm. Cuando la longitud del tubo es de 120-125 m, su sección debe ser de 20 mm².

La construcción de un solo circuito solo es adecuada para habitaciones con una superficie pequeña. En habitaciones grandes, el suelo se divide en varios circuitos en una proporción de 1:2 – la longitud de la estructura debe superar el ancho en 2 veces.

El valor calculado anteriormente es la longitud total de la tubería para el suelo. Sin embargo, para tener una visión completa, es necesario identificar la longitud de cada circuito individual.

Este parámetro está influenciado por la resistencia hidráulica del circuito, determinada por el diámetro de las tuberías elegidas y el volumen de agua suministrada por unidad de tiempo. Si se ignoran estos factores, las pérdidas de presión serán tan grandes que ninguna bomba podrá hacer circular el refrigerante.

Determinación del consumo de tubería en función del paso de colocación seleccionado

Los circuitos de igual longitud son un caso ideal, pero poco frecuente en la práctica, ya que las superficies de las habitaciones con diferentes usos varían mucho y no es práctico igualar la longitud de los circuitos a un solo valor. Los profesionales permiten una diferencia en la longitud de las tuberías del 30 al 40%.

El valor del diámetro del colector y la capacidad de flujo de la unidad de mezcla determinan el número permitido de bucles conectados a ella. En la ficha técnica de la unidad de mezcla siempre se puede encontrar la carga térmica para la que está diseñada.

Supongamos que el coeficiente de capacidad de flujo (Kvs) es 2,23 m³/h. Con este coeficiente, ciertos modelos de bomba soportan una carga de 10 a 15 W.

Para determinar la cantidad de circuitos, es necesario calcular la carga térmica de cada uno. Si el área ocupada por el suelo radiante es de 10 m², y la transferencia de calor por 1 m², entonces el valor Kvs es 80 W, por lo que 10*80 = 800 W. Por lo tanto, la unidad de mezcla puede proporcionar 15.000/800 = 18,8 habitaciones o circuitos con un área de 10 m² cada uno.

Estos indicadores son máximos y solo se pueden aplicar teóricamente, pero en realidad, la cifra debe reducirse al menos en 2, entonces 18 – 2 = 16 circuitos.

Al seleccionar el módulo mezclador (colector), es necesario verificar si tiene dicha cantidad de salidas.

Verificación de la corrección de la selección del diámetro de las tuberías

Para comprobar si la sección transversal de las tuberías se seleccionó correctamente, se puede utilizar la fórmula:

υ = 4*Q*10ᶾ/n*d²

Cuando la velocidad corresponde al valor encontrado, la sección transversal de la tubería se ha seleccionado correctamente. Los documentos normativos permiten una velocidad máxima de 3 m/s para diámetros de hasta 0,25 m, pero el valor óptimo es 0,8 m/s, ya que al aumentar su valor, aumenta el efecto de ruido en la tubería.

Información adicional sobre el cálculo de tuberías de suelo radiante se proporciona en este artículo.

Calculamos la bomba de circulación

Para que el sistema resulte económico, es necesario seleccionar una bomba de circulación que proporcione la presión necesaria y el caudal óptimo de agua en los circuitos. En las fichas técnicas de las bombas suelen indicarse la presión en el circuito de mayor longitud y el caudal total del refrigerante en todos los bucles.

La presión se ve afectada por las pérdidas hidráulicas:

∆ h = L*Q²/k1, donde

• L — longitud del circuito;
• Q — caudal de agua l/s;
• k1 — coeficiente que caracteriza las pérdidas en el sistema; el valor se puede tomar de tablas de referencia de hidráulica o de la ficha técnica del equipo.

Conociendo el valor de la presión, se calcula el caudal en el sistema:

Q = k*√H, donde

k — es el coeficiente de caudal. Los profesionales consideran un caudal por cada 10 m² de la casa entre 0,3-0,4 l/s.

Entre los componentes del suelo radiante por agua, un papel especial lo desempeña la bomba de circulación. Solo un equipo cuya potencia supere en un 20 % el caudal real del fluido caloportador podrá superar la resistencia en las tuberías.

Las cifras relativas a la presión y el caudal indicadas en la ficha técnica no deben tomarse al pie de la letra: son el máximo, y en realidad se ven afectadas por la longitud y la geometría de la red. Si la presión es demasiado alta, se reduce la longitud del circuito o se aumenta el diámetro de las tuberías.

Recomendaciones para la elección del espesor de la capa de mortero

En los manuales se puede encontrar información de que el espesor mínimo de la capa de mortero es de 30 mm. Cuando la habitación es bastante alta, debajo de la capa de mortero se coloca un aislante que mejora la eficiencia del uso del calor emitido por el circuito de calefacción.

El material más popular para la capa base es el poliestireno extruido. Su resistencia a la transferencia de calor es significativamente menor que la del hormigón.

Al instalar la capa de mortero, para compensar las expansiones lineales del hormigón, se coloca una cinta amortiguadora en el perímetro de la habitación. Es importante elegir correctamente su espesor. Los especialistas recomiendan, para una superficie de la habitación que no supere los 100 m², disponer una capa de compensación de 5 mm.

Si el valor del área es mayor debido a una longitud que excede los 10 m, el espesor se calcula mediante la fórmula:

b = 0,55*L, donde

L – es la longitud de la habitación en m.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Sobre el cálculo y la instalación del suelo radiante hidráulico, este material de video:

En el video se ofrecen recomendaciones prácticas para la instalación del suelo. La información ayudará a evitar errores que suelen cometer los aficionados:

El cálculo permite diseñar un sistema de «suelo radiante» con parámetros operativos óptimos. Es posible instalar la calefacción utilizando los datos de la ficha técnica y las recomendaciones.

Funcionará, pero los profesionales recomiendan invertir tiempo en el cálculo para que, al final, el sistema consuma menos energía.

¿Tiene experiencia en realizar el cálculo de un suelo radiante y en la preparación del proyecto del circuito de calefacción? ¿O tiene preguntas sobre el tema? Por favor, comparta su opinión y deje comentarios.