Cálculo de tubos para suelo radiante: selección de tubos según parámetros, elección del paso de colocación + ejemplo de cálculo

A pesar de la complejidad de la instalación, la calefacción por suelo radiante mediante un circuito de agua se considera uno de los métodos de calefacción más rentables. Para que el sistema funcione de manera óptima y sin fallos, es necesario realizar correctamente el cálculo de las tuberías para el suelo radiante: determinar la longitud, el paso del bucle y el esquema de instalación del circuito.

De estos indicadores depende en gran medida la comodidad del uso de la calefacción por agua. Precisamente estos temas abordaremos en nuestro artículo – contaremos cómo elegir la opción óptima de tuberías, teniendo en cuenta las características técnicas de cada variedad. Además, después de leer este artículo, podrá seleccionar correctamente el paso de instalación y calcular el diámetro y la longitud necesarios del circuito de suelo radiante para una habitación específica.

Parámetros para el cálculo del circuito térmico

En la etapa de diseño, es necesario resolver varias cuestiones que determinan las características constructivas del suelo radiante y el modo de funcionamiento – seleccionar el espesor de la capa de mortero, la bomba y otros equipos necesarios.

Los aspectos técnicos de la organización de la rama de calefacción dependen en gran medida de su finalidad. Además de la finalidad, para el cálculo preciso del metraje del circuito de agua se necesitarán una serie de indicadores: superficie cubierta, densidad del flujo térmico, temperatura del refrigerante, tipo de revestimiento del suelo.

Superficie cubierta por tuberías

Al determinar las dimensiones de la base para la instalación de tuberías, se toma en cuenta el espacio no ocupado por equipos grandes y muebles empotrados. Es necesario planificar con antelación la disposición de los objetos en la habitación.

Si el suelo radiante se utiliza como fuente principal de calor, su potencia debe ser suficiente para compensar el 100% de las pérdidas térmicas. Si la serpentina es un complemento del sistema de radiadores, debe cubrir entre el 30 y el 60% de las pérdidas de energía térmica de la habitación.

Flujo térmico y temperatura del refrigerante

La densidad de flujo térmico – es un indicador calculado que caracteriza la cantidad óptima de energía térmica para calentar una habitación. El valor depende de varios factores: conductividad térmica de las paredes, techos, área de acristalamiento, presencia de aislamiento e intensidad del intercambio de aire. En función del flujo térmico, se determina el paso de colocación del bucle.

El indicador máximo de temperatura del fluido caloportador es de 60 °C. Sin embargo, el espesor de la solera y el revestimiento del suelo reducen la temperatura; de hecho, en la superficie del suelo se observan alrededor de 30-35 °C. La diferencia entre las temperaturas en la entrada y la salida del circuito no debe superar los 5 °C.

Tipo de revestimiento de suelo

El acabado final afecta a la eficiencia del sistema. La conductividad térmica óptima la tienen el azulejo y el gres porcelánico; la superficie se calienta rápidamente. Se obtiene un buen rendimiento del circuito de agua con el uso de laminado y linóleo sin capa de aislamiento térmico. La menor conductividad térmica la tiene el revestimiento de madera.

El grado de transferencia de calor también depende del material de vertido. El sistema es máximamente eficaz cuando se utiliza hormigón pesado con árido natural, por ejemplo, grava marina de fracción fina.

El mortero de cemento y arena proporciona un nivel medio de transferencia de calor cuando el fluido caloportador se calienta hasta 45 °C. El rendimiento del circuito disminuye considerablemente con la instalación de una solera semiseca.

Al calcular las tuberías para suelo radiante, se deben tener en cuenta las normas establecidas del régimen de temperatura del revestimiento:

• 29 °C – habitación de estar;
• 33 °C – habitaciones con alta humedad;
• 35 °C – zonas de paso y franjas frías – áreas a lo largo de los muros extremos.

Las características climáticas de la región juegan un papel importante para determinar la densidad de colocación del circuito de agua. Al calcular las pérdidas de calor, se debe tener en cuenta la temperatura mínima en invierno.

Como muestra la práctica, el aislamiento previo de toda la casa ayuda a reducir la carga. Tiene sentido aislar térmicamente la habitación primero y luego proceder al cálculo de las pérdidas de calor y los parámetros del circuito de tuberías.

Evaluación de las propiedades técnicas al elegir tuberías

Debido a las condiciones de funcionamiento no estándar, se imponen altos requisitos al material y al tamaño de la serpentina del suelo radiante:

• inercia química, resistencia a procesos de corrosión;
• presencia de un revestimiento interior absolutamente liso, que no tiende a formar incrustaciones calcáreas;
• resistencia – desde el interior, el fluido caloportador actúa constantemente sobre las paredes, y desde el exterior, la solera; la tubería debe soportar una presión de hasta 10 bares.

Es deseable que la rama de calefacción tenga un peso específico pequeño. La estructura del suelo radiante ya ejerce una carga significativa sobre el forjado, y una tubería pesada solo empeorará la situación.

Según SNiP, en sistemas de calefacción cerrados está prohibido el uso de tuberías soldadas, independientemente del tipo de costura: helicoidal o recta.

A los requisitos mencionados corresponden, en mayor o menor medida, tres categorías de tuberías: polietileno reticulado, metal-plástico y cobre.

Opción #1 – polietileno reticulado (PEX)

El material tiene una estructura reticular de malla ancha de enlaces moleculares. El polietileno modificado se diferencia del común por la presencia de enlaces tanto longitudinales como transversales. Esta estructura aumenta el peso específico, la resistencia mecánica y la resistencia química.

El circuito de agua de tuberías PEX tiene varias ventajas:

• alta elasticidad, que permite instalar la serpentina con un radio de curvatura pequeño;
• seguridad – al calentarse, el material no libera componentes nocivos;
• resistencia térmica: ablandamiento desde 150 °C, fusión a 200 °C, combustión a 400 °C;
• conserva la estructura ante fluctuaciones de temperatura;
• resistencia a daños – a agentes biológicos y reactivos químicos.

La tubería conserva su capacidad de caudal inicial – no se deposita sedimento en las paredes. La vida útil estimada del circuito PEX es de 50 años.

Entre las desventajas del polietileno reticulado se pueden mencionar: sensibilidad a la luz solar, efecto negativo del oxígeno al penetrar en la estructura, necesidad de fijación rígida de la serpentina durante la instalación.

Se distinguen cuatro grupos de productos:

1. PEX-a – reticulación por peróxido. Se logra la estructura más resistente y uniforme con una densidad de enlaces de hasta el 75%.
2. PEX-b – reticulación por silano. En la tecnología se utilizan silanos – sustancias tóxicas no aptas para uso doméstico. Los fabricantes de productos para fontanería los reemplazan con un reactivo seguro. Solo se permiten tuberías con certificado higiénico. Densidad de reticulación: 65-70%.
3. PEX-c – método de radiación. El polietileno se somete a irradiación con un flujo de rayos gamma o electrones. Como resultado, los enlaces se densifican hasta un 60%. Desventajas de PEX-c: falta de seguridad en su uso, reticulación desigual.
4. PEX-d – nitrogenación. La reacción para crear la red se produce gracias a radicales de nitrógeno. El resultado es un material con una densidad de reticulación de alrededor del 60-70%.

Las características de resistencia de las tuberías PEX dependen del método de reticulación del polietileno.

Si ha optado por tuberías de polietileno reticulado, le recomendamos conocer las normas de instalación del sistema de suelo radiante con este material.

Opción #2 – metal-plástico

El líder en tubería para la instalación de suelos radiantes es el metal-plástico. Estructuralmente, el material incluye cinco capas.

El revestimiento interno y la cubierta externa son de polietileno de alta densidad, que le otorga al tubo la suavidad y resistencia térmica necesarias. La capa intermedia es una lámina de aluminio.

El metal aumenta la resistencia de la tubería, reduce el coeficiente de dilatación térmica y actúa como barrera antidifusión, bloqueando la entrada de oxígeno al fluido caloportador.

Características de los tubos de metal-plástico:

• buena conductividad térmica;
• capacidad de mantener la configuración dada;
• temperatura de trabajo manteniendo propiedades: 110 °C;
• bajo peso específico;
• funcionamiento silencioso del fluido caloportador;
• seguridad en el uso;
• resistencia a la corrosión;
• vida útil de hasta 50 años.

El inconveniente de las tuberías compuestas es que no se pueden doblar en torno al eje. Al retorcerlas repetidamente, existe el riesgo de dañar la capa de aluminio. Le recomendamos consultar la técnica de instalación correcta de las tuberías metaloplásticas para evitar daños.

Opción #3 – tuberías de cobre

Por sus características técnicas y operativas, el metal amarillo sería la mejor opción. Sin embargo, su demanda está limitada por su alto costo.

En comparación con las tuberías sintéticas, el circuito de cobre gana en varios puntos: conductividad térmica, resistencia térmica y física, variabilidad ilimitada en el curvado, impermeabilidad absoluta a los gases

Además de su alto costo, la tubería de cobre tiene otra desventaja: la dificultad de instalación. Para doblar el circuito se necesitará una prensa o una dobladora de tubos.

Opción #4 – polipropileno y acero inoxidable

A veces, el circuito de calefacción se realiza con tubos corrugados de polipropileno o acero inoxidable. La primera opción es económica, pero bastante rígida al curvado: el radio mínimo es de ocho diámetros del tubo.

Esto significa que los tubos de 23 mm de diámetro deberán colocarse a una distancia de 368 mm entre sí; un paso de instalación mayor no garantizará una calefacción uniforme.

Los tubos de acero inoxidable se caracterizan por una alta conductividad térmica y buena flexibilidad. Desventajas: durabilidad limitada de las juntas de goma y fuerte resistencia hidráulica generada por las corrugaciones.

Posibles formas de instalación del circuito

Para determinar el consumo de tubería para la instalación de suelo radiante, se debe decidir el esquema de disposición del circuito de agua. La tarea principal de la planificación de la distribución es garantizar una calefacción uniforme teniendo en cuenta las zonas frías y no calefaccionadas de la habitación.

Son posibles las siguientes opciones de distribución: en serpiente, doble serpiente y espiral. Al elegir el esquema, se deben tener en cuenta las dimensiones, la configuración de la habitación y la ubicación de las paredes exteriores.

Método #1 – serpiente

El fluido caloportador se suministra al sistema a lo largo de la pared, pasa por el serpentín y regresa al colector de distribución. En este caso, la mitad de la habitación se calienta con agua caliente y el resto con agua enfriada.

Con la colocación en serpiente no se puede lograr una calefacción uniforme: la diferencia de temperatura puede alcanzar los 10 °C. El método es aplicable en habitaciones estrechas.

El esquema de serpiente angular es óptimo si es necesario aislar al máximo la zona fría junto a la pared del fondo o en el pasillo

La doble serpiente permite lograr una transición de temperatura más suave. El circuito de ida y vuelta discurre paralelo entre sí.

Método #2 – caracol o espiral

Se considera el esquema óptimo que garantiza una calefacción uniforme del revestimiento del suelo. Las ramas de ida y vuelta se colocan alternativamente.

Una ventaja adicional de la 'espiral' es la instalación del circuito de calefacción con un giro suave. Este método es relevante cuando se trabaja con tuberías de flexibilidad insuficiente.

En grandes superficies se implementa un esquema combinado. La superficie se divide en sectores y para cada uno se desarrolla un circuito individual que va al colector común. En el centro de la habitación, la tubería se coloca en espiral, y a lo largo de las paredes exteriores, en serpiente.

En nuestro sitio web hay otro artículo en el que analizamos detalladamente los esquemas de instalación del suelo radiante y ofrecemos recomendaciones para elegir la opción óptima según las características de cada estancia.

Metodología de cálculo de tuberías

Para no confundirse con los cálculos, proponemos dividir la resolución del problema en varias etapas. En primer lugar, se deben evaluar las pérdidas de calor de la habitación, determinar el paso de colocación y luego calcular la longitud del circuito de calefacción.

Principios de elaboración del esquema

Al comenzar los cálculos y la creación del boceto, se deben familiarizar con las reglas básicas de disposición del circuito de agua:

1. Es recomendable colocar las tuberías a lo largo del hueco de la ventana: esto reducirá significativamente las pérdidas de calor del edificio.
2. La superficie recomendada para cubrir con un solo circuito de agua es de 20 m². En habitaciones grandes es necesario dividir el espacio en zonas y para cada una instalar una rama de calefacción independiente.
3. Distancia desde la pared hasta la primera rama: 25 cm. El paso admisible de las espiras de tubería en el centro del local es de hasta 30 cm, en los bordes y zonas frías de 10 a 15 cm.
4. La determinación de la longitud máxima de la tubería para el suelo radiante debe basarse en el diámetro de la serpentina.

Para un circuito de sección de 16 mm no se permiten más de 90 m, el límite para una tubería de 20 mm de espesor es de 120 m. El cumplimiento de las normas garantizará una presión hidráulica normal en el sistema.

En la tabla se muestra el consumo aproximado de tubería, dependiendo del paso del bucle. Para obtener datos más precisos, se debe tener en cuenta un margen para los giros y la distancia hasta el colector.

Fórmula básica con explicaciones

El cálculo de la longitud del circuito de suelo radiante se realiza mediante la fórmula:

L=S/n*1,1+k,

Donde:

• L – la longitud buscada de la línea de calefacción;
• S – la superficie cubierta del suelo;
• n – el paso de colocación;
• 1,1 – el coeficiente estándar de margen del diez por ciento para los dobleces;
• k – la distancia del colector al suelo – se tienen en cuenta la distancia hasta la distribución del circuito en la ida y el retorno.

La superficie cubierta y el paso de las espiras serán de importancia decisiva.

Para mayor claridad, se debe elaborar en papel un plano del local indicando las medidas exactas y marcar el recorrido del circuito de agua.

Debe recordarse que no se recomienda la colocación de tuberías de calefacción debajo de electrodomésticos grandes y muebles empotrados. Los parámetros de los objetos indicados deben restarse de la superficie total.

Para seleccionar la distancia óptima entre las ramas, es necesario realizar manipulaciones matemáticas más complejas, utilizando las pérdidas de calor del local.

Cálculo térmico con determinación del paso del circuito

La densidad de colocación de las tuberías afecta directamente a la magnitud del flujo de calor emitido por el sistema de calefacción. Para determinar la carga requerida, es necesario calcular las pérdidas de calor en invierno.

Las pérdidas de calor a través de los elementos constructivos del edificio y la ventilación deben ser completamente compensadas por la energía térmica generada por el circuito de agua.

La potencia del sistema de calefacción se determina mediante la fórmula:

M=1,2*Q,

Donde:

• M – la capacidad del circuito;
• Q – las pérdidas totales de calor del local.

El valor de Q se puede descomponer en componentes: el consumo de energía a través de las estructuras de cerramiento y las pérdidas debidas al funcionamiento del sistema de ventilación. Veamos cómo calcular cada uno de los indicadores.

Pérdidas de calor a través de los elementos del edificio

Es necesario determinar el consumo de energía térmica para todas las estructuras de cerramiento: paredes, techo, ventanas, puertas, etc. La fórmula de cálculo:

Q1=(S/R)*Δt,

Donde:

• S – área del elemento;
• R – resistencia térmica;
• Δt – diferencia entre la temperatura interior y la exterior.

Para determinar Δt se utiliza el indicador de la época más fría del año.

La resistencia térmica se calcula de la siguiente manera:

R=A/Kt,

Donde:

• A – espesor de la capa, m;
• Kt – coeficiente de conductividad térmica, W/m*K.

Para elementos combinados de la estructura, se debe sumar la resistencia de todas las capas.

El coeficiente de conductividad térmica de materiales de construcción y aislantes se puede tomar de un manual o consultar en la documentación adjunta del producto específico.

Más valores del coeficiente de conductividad térmica para los materiales de construcción más populares los hemos incluido en la tabla que se encuentra en el siguiente artículo.

Pérdidas de calor por ventilación

Para calcular el indicador se utiliza la fórmula:

Q2=(V*K/3600)*C*P*Δt,

Donde:

• V – volumen de la habitación, m³;
• K – tasa de intercambio de aire;
• C – capacidad calorífica específica del aire, J/kg*K;
• P – densidad del aire a temperatura ambiente normal – 20 °C.

La tasa de intercambio de aire de la mayoría de las habitaciones se considera igual a uno. La excepción son las casas con barrera de vapor interior: para mantener un microclima normal, el aire debe renovarse dos veces por hora.

La capacidad calorífica específica es un valor de referencia. A temperatura estándar sin presión, el valor es 1005 J/kg*K.

En la tabla se muestra la dependencia de la densidad del aire respecto a la temperatura ambiente en condiciones de presión atmosférica – 1,0132 bares (1 atm).

Pérdidas totales de calor

La cantidad total de pérdidas de calor de la habitación será igual a: Q=Q1*1,1+Q2. El coeficiente 1,1 es el aumento del consumo de energía en un 10% debido a la infiltración de aire a través de grietas y juntas no selladas de las estructuras de construcción.

Multiplicando el valor obtenido por 1,2, obtendremos la potencia requerida del suelo radiante para compensar las pérdidas de calor. Utilizando el gráfico de dependencia del flujo de calor respecto a la temperatura del portador de calor, se puede determinar el paso y el diámetro adecuados de la tubería.

La escala vertical es el régimen de temperatura promedio del circuito de agua, la horizontal es el indicador de producción de energía térmica del sistema de calefacción por metro cuadrado.

Los datos son válidos para suelos radiantes con solera de arena y cemento de 7 mm de espesor, material de revestimiento – baldosa cerámica. Para otras condiciones, se requiere ajustar los valores teniendo en cuenta la conductividad térmica del acabado final.

Por ejemplo, al instalar moqueta, el valor de la temperatura del refrigerante se debe aumentar entre 4 y 5 °C. Cada centímetro adicional de la solera reduce la emisión de calor entre un 5 y un 8%.

Selección final de la longitud del circuito

Conociendo el paso de colocación de las espiras y el área a cubrir, es sencillo determinar el consumo de tuberías. Si el valor obtenido es mayor que el valor admisible, entonces es necesario disponer varios circuitos.

Es óptimo si los bucles tienen la misma longitud – no es necesario ajustar ni equilibrar nada. Sin embargo, en la práctica surge con frecuencia la necesidad de dividir la línea de calefacción en diferentes tramos.

La dispersión de las longitudes de los circuitos debe mantenerse dentro del 30-40%. Dependiendo del propósito y la forma de la habitación, se puede «jugar» con el paso del bucle y los diámetros de las tuberías.

Ejemplo concreto de cálculo de una rama de calefacción

Supongamos que se requiere determinar los parámetros del circuito térmico para una casa de 60 metros cuadrados.

Para el cálculo se necesitarán los siguientes datos y características:

• dimensiones de la habitación: altura – 2,7 m, largo y ancho – 10 y 6 m respectivamente;
• en la casa hay 5 ventanas de metal y plástico de 2 m² cada una;
• paredes exteriores – hormigón celular, espesor – 50 cm, Kt=0,20 W/mK;
• aislamiento adicional de las paredes – poliestireno expandido de 5 cm, Kt=0,041 W/mK;
• material del techo – losa de hormigón armado, espesor – 20 cm, Kt=1,69 W/mK;
• aislamiento del ático – placas de poliestireno expandido de 5 cm de espesor;
• dimensiones de la puerta de entrada – 0,9*2,05 m, aislamiento térmico – poliuretano, capa – 10 cm, Kt=0,035 W/mK.

A continuación, consideraremos un ejemplo paso a paso de realización del cálculo.

Paso 1 — cálculo de pérdidas de calor a través de elementos constructivos

Resistencia térmica de los materiales de las paredes:

• hormigón celular: R1=0,5/0,20=2,5 m²·K/W;
• poliestireno expandido: R2=0.05/0.041=1.22 m²·K/W.

La resistencia térmica total de la pared es: 2,5+1,22=3,57 m²·K/W. Consideramos que la temperatura media en la casa es de +23 °C, y la mínima exterior es de -25 °C. La diferencia de valores es de 48 °C.

Cálculo del área total de la pared: S1=2,7*10*2+2,7*6*2=86,4 m². Del valor obtenido se debe restar el área de las ventanas y la puerta: S2=86,4-10-1,85=74,55 m².

Sustituyendo los valores obtenidos en la fórmula, obtenemos las pérdidas de calor de la pared: Qc=74,55/3,57*48=1002 W

Por analogía, se calculan las pérdidas térmicas a través de ventanas, puerta y techo. Para evaluar las pérdidas energéticas a través del ático, se tiene en cuenta la conductividad térmica del material del forjado y del aislante.

La resistencia térmica final del techo es: 0,2/1,69+0,05/0,041=0,118+1,22=1,338 m²·K/W. Las pérdidas de calor serán: Qp=60/1,338*48=2152 W.

Para calcular la fuga de calor a través de las ventanas, es necesario determinar el valor promedio ponderado de la resistencia térmica de los materiales: del vidrio doble – 0,5 y del perfil – 0,56 m²·K/W respectivamente.

Ro=0,56*0,1+0,5*0,9=0,56 m²*K/W. Aquí 0,1 y 0,9 son la proporción de cada material en la estructura de la ventana.

Pérdidas de calor de la ventana: Qo=10/0,56*48=857 W.

Teniendo en cuenta el aislamiento térmico de la puerta, su resistencia térmica será: Rd=0,1/0,035=2,86 m²*K/W. Qd=(0,9*2,05)/2,86*48=31 W.

En total, las pérdidas de calor a través de los elementos envolventes son: 1002+2152+857+31=4042 W. El resultado debe aumentarse en un 10%: 4042*1,1=4446 W.

Paso 2 — calor para calefacción + pérdidas de calor totales

Primero, calculemos el consumo de calor para calentar el aire entrante. Volumen de la habitación: 2,7*10*6=162 m³. En consecuencia, las pérdidas de calor por ventilación serán: (162*1/3600)*1005*1,19*48=2583 W.

Según estos parámetros de la habitación, las pérdidas térmicas totales serán: Q=4446+2583=7029 W.

Paso 3 — potencia necesaria del circuito térmico

Calculamos la potencia óptima del circuito necesaria para compensar las pérdidas de calor: N=1.2*7029=8435 W.

A continuación: q=N/S=8435/60=141 W/m².

Basándose en la capacidad requerida del sistema de calefacción y el área activa de la habitación, se puede determinar la densidad de flujo de calor por 1 m².

Paso 4 — determinación del paso de instalación y longitud del circuito

Comparamos el valor obtenido con el gráfico de dependencia. Si la temperatura del fluido caloportador en el sistema es de 40 °C, entonces será adecuado un circuito con los parámetros: paso – 100 mm, diámetro – 20 mm.

Si en la tubería principal circula agua calentada hasta 50 °C, entonces el intervalo entre ramas se puede aumentar hasta 15 cm y usar un tubo de sección 16 mm.

Calculamos la longitud del circuito: L=60/0,15*1,1=440 m.

Por separado, es necesario tener en cuenta la distancia desde los colectores hasta el sistema de calefacción.

Como se desprende de los cálculos, para instalar un suelo radiante por agua será necesario hacer al menos cuatro bucles de calefacción. Y sobre cómo colocar y fijar correctamente las tuberías, así como otros secretos de instalación, los tratamos aquí.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Los videoanálisis visuales ayudarán a realizar un cálculo preliminar de la longitud y el paso del circuito térmico.

Selección de la distancia más eficaz entre las ramas del sistema de calefacción por suelo radiante:

Guía sobre cómo conocer la longitud del bucle de un suelo radiante en funcionamiento:

La metodología de cálculo no se puede considerar simple. Al mismo tiempo, se deben considerar múltiples factores que afectan los parámetros del circuito. Si se planea utilizar el suelo radiante de agua como única fuente de calor, entonces es mejor confiar este trabajo a profesionales – los errores en la etapa de planificación pueden resultar costosos.

¿Está calculando usted mismo el metraje necesario de tubos para el suelo radiante y su diámetro óptimo? ¿Quizás le quedan preguntas que no hemos abordado en este material? Hágaselas a nuestros expertos en la sección de comentarios.

Si usted se especializa en el cálculo de tubos para la instalación de un suelo radiante de agua y tiene algo que añadir al material expuesto anteriormente, por favor, escriba sus observaciones debajo del artículo.