Inst, de calefacción. - ies "poeta claudio rodríguez"

I.E.S Poeta Claudio Rodríguez
Tecnología 4º ESO
TEMA 1.- INSTALACIONES EN LA VIVIENDA (II)
2.- INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN Y AGUA CALIENTE SANITARIA (A.C.S)
El objetivo de las instalaciones de calefacción es conseguir que la temperatura de un local
no descienda de un cierto valor con independencia de las condiciones que existan en cada
momento en el ambiente exterior. Estas instalaciones se rigen por el RITE (Reglamento de
instalaciones térmicas en los edificios) y por el Código técnico de edificación.
El término refrigeración se refiere a un proceso que regula la temperatura máxima de un
local y el término climatización o acondicionamiento de aire se emplea para designar un proceso
de tratamiento del aire de un local a lo largo de todo el año, que controla su temperatura,
humedad y pureza.
La primera etapa en el diseño de una instalación de calefacción es fijar las condiciones
ambientales ( Tª ) que deben mantenerse en el interior de la vivienda.
En una segunda etapa se deben calcular las pérdidas de calor hacia el exterior a través de
los cerramientos, que dependerán en cada momento del ambiente exterior.
Por último se determina la carga térmica que se define como el flujo de calor de los
emisores situados en la vivienda que compensa la pérdida neta de calor de la vivienda, teniendo
en cuenta las pérdidas de calor debidas a entradas de aire frío del exterior y las ganancias de
calor debidas a la insolación, iluminación, calor aportado por los ocupantes, máquinas, ....
Para el diseño y cálculo de un sistema de calefacción hay que tener en cuenta diversos
factores, entre los que destacan:
Tamaño del local.
Aislamiento del local.
Uso del local
Ambiente exterior.
Aportación de calor desde el interior debido a la radiación solar.
Aportación interior debida a las personas, máquinas, lámparas, etc, ...
2.- CLASIFICACIÓN DE LAS INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN.
Pueden clasificarse atendiendo a diferentes criterios, siendo los más usuales los
siguientes:
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2.1.- SEGÚN EL GRADO DE CENTRALIZACIÓN.
Unitarias. Es la destinada a calefactor una sola estancia, por ejemplo, una estufa
eléctrica.
Individuales. Es la destinada a calefactor una vivienda propiedad de un solo usuario, por
ejemplo, una caldera a calefacción a gas.
Centralizadas. Son las destinadas a suministrar calefacción a un conjunto de viviendas
propiedad de diferentes usuarios.
Urbanas. Son las destinadas a suministrar calefacción a barrios o ciudades enteras.
2.2.- SEGÚN LA FUENTE ENERGÉTICA UTILIZADA.
Calefacción por combustión. Utilizan un combustible para calentar el fluido caloportador
( normalmente agua). Estos pueden clasificarse a su vez en:
-
Combustibles sólidos. Carbón, madera, huesos de aceituna, ...
-
Combustibles líquidos. Gasóleo C.
-
Combustibles gaseosos. Gas natural, propano, ...
Calefacción eléctrica. Pueden distinguirse los siguientes tipo,
-
Caldera eléctrica. Utiliza la energía eléctrica para calentar el agua que circula
por los radiadores
-
Acumuladores eléctricos. Consisten básicamente en
unos bloques de material cerámico, éstos acumulan el
calor producido por unas resistencias eléctricas, que
funcionan por la noche en la que la energía eléctrica
es más barata y lo van desprendiendo durante todo el
día.
-
Bomba de calor.La bomba de calor es una máquina que basándose en el Ciclo de
Carnot, realizado por un gas, absorbe calor de una fuente para entregarla a otra
que está a una temperatura superior.
Calefacción por energía solar. La energía solar calienta el agua de los radiadores.
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2.3.- SEGÚN EL FLUIDO CALOPORTADOR.
De aire
De agua
De vapor
De fluidos térmicos.
2.4.- SEGÚN EL MECANISMO DE EMISIÓN DE CALOR
Es esta la clasificación que vamos a utilizar para el desarrollo de la unidad.
2.4.1.- CALEFACCIÓN POR CONVECCIÓN NATURAL
El elemento emisor del calor son los radiadores de agua, por lo que también se denomina
de calefacción por agua caliente. Su funcionamiento se basa e la diferencia de densidad entre el
aire caliente y el frío, diferencia que da lugar a la creación de corrientes de aire que distribuyen
el calor por toda la estancia, según indica la figura adjunta.
En los radiadores el aire frío se introduce por unas aberturas inferiores donde se calienta
ascendiendo por el radiador, debido a su menor densidad, saliendo por la parte superior y
distribuyéndose por la estancia.
El elemento emisor de calor debe situarse junto a la pared de temperatura más fría, a ser
posible bajo las ventanas para favorecer la convección y en ningún caso ninguna parte de la
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habitación debe encontrarse a más de 7 m del emisor de calor. Tampoco es recomendable la
instalación de cubre radiadores en hormacinas pues dificultan la convección.
2.4.2.- CALEFACCIÓN POR CONVECCIÓN FORZADA.
En estos sistemas se fuerza la convección mediante ventiladores. Destacan los Fan-coil y
los aerotermos. Ambos constan de un ventilador eléctrico que impulsa el aire calentado en un
elemento de caldeo alimentado por un generador central de vapor o agua caliente y una boca de
salida de aire con lamas o persianas para orientar el flujo de aire producido por la acción del
ventilador y que se ha calentado al contacto con los elementos de caldeo.
Tienen la ventaja de elevar rápidamente la temperatura del local por lo que se emplean
en locales de grandes dimensiones como naves industriales, gimnasios, talleres, ... como
desventaja son bastante ruidosos y la temperatura del local desciende rápidamente el apagar la
calefacción.
2.4.3.- CALEFACCIÓN POR RADIACIÓN
Se logra mediante la inclusión de tuberías de agua caliente o de resistencias eléctricas en
suelos, paredes o techos, donde quedan empotrados, calentando primero estos elementos y
transmitiéndose al recinto a temperaturas relativamente bajas.
En la práctica suele utilizarse el suelo radiante formado por tubos de agua caliente en
forma de serpentín alimentados por una caldera normal de agua caliente. El sistema por
resistencias eléctricas se denomina hilo radiante y se utiliza menos bebido al elevado coste de
la energía eléctrica.
Las ventajas de este sistema de calefacción son la no presencia de aparatos calefactores
en la estancia con lo que el aprovechamiento del espacio es máximo, la transmisión de calor se
hace a temperaturas bajas (40 º C) y la distribución de calor se hace de la manera más adecuada
para el confort ambiental.
El empotramiento de los serpentines se realiza siguiendo los siguientes pasos:
1. Sobre la capa de compresión del forjado se coloca una lámina de aislante térmico cuya
misión es la de evitar que el calor se irradie hacia el piso inferior y aprovechar la
totalidad del calor producido.
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2. Sobre el aislamiento térmico se coloca una lámina de plástico que actúa de barrera
antihumedad y separa el aislante térmico de los tubos radiantes.
3. Sobre la barrera antihumedad se colocan los tubos radiantes en forma de serpentín.
4. Finalmente se usa cemento Pórtland para anegar la red de tuberías y sobre él se coloca el
material de acabado ( gres, terrazo, parquet, ...).
El resultado es la obtención de un suelo de un espesor próximo a los 10 cm.
En la imagen se
puede
apreciar
la
diferencia en la forma
de transmisión del calor
en un radiador y en el
suelo radiante.
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Este sistema de calefacción tiene una gran inercia térmica, el ambiente creado resulta
saludable e higiénico, permite aprovechar todo el espacio de la habitación, la pérdida de calor
durante la ventilación es muy pequeña y el rendimiento es elevado. Además permite mover
tabiques sin tener que actuar sobre los radiadores.
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4.- ELEMENTOS COMPONENTES DE LAS INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN.
Vamos a considerar las partes de un sistema de calefacción por agua caliente.
4.1. GENERADORES DE CALOR. CALDERAS.
Es el corazón de toda instalación de calefacción , es el elemento que genera el calor que luego
se distribuye por la instalación. Su clasificación más general es la siguiente:
Calderas para combustibles sólidos. Pueden quemar indistintamente leña o carbón.
Calderas policombustibles. Son las de mayor aplicación y pueden utilizar cualquier
tipo de combustible.
Calderas para gasóleo:
Calderas específicas para gas. Pueden quemar gas ciudad, propano y gas natural.
Pueden ser atmosféricas y estancas.
4.2.- QUEMADORES.
Es el aparato que introduce el combustible pulverizado en el hogar, realizando una
mezcla con el aire al objeto de producir su combustión completa. Su clasificación más usual es
la siguiente:
Quemadores para combustibles líquidos: Incorporan un sistema de pulverización
mecánico y un precalentador del combustible (normalmente gasóleo C)
Quemadores para combustibles gaseosos: dosifican el aire y el gas.
4.3.- TUBERÍAS.
Tienen por misión conducir el agua que se ha calentado previamente en la caldera hasta
los diferentes emisores (radiadores, aerotermos, tubos de suelo radiante, ...)
Las más utilizadas son las de acero, de cobre forjado y las de plástico (polietileno
reticulado) debidamente homologadas para el caso de instalaciones en las que no se sobreasen
los 53 º C.
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4.4.- ELEMENTOS EMISORES DE CALOR.
Son los encargados de ceder a los locales parte del calor que transporta el fluido
caloportador (agua en este caso). Son los mal llamados radiadores, ya que la cesión de calor se
produce fundamentalmente por convección (90 %), mientras que la cesión por radiación es del
10 %. Los emisores más usados en la calefacción por agua caliente son:
Radiadores de hierro fundido. Son los más resistentes
a la corrosión, siendo su duración prácticamente
ilimitada y su inercia térmica es elevada. Están
constituidos por elementos acoplados.
Radiadores de chapa de acero. Son más económicos que los de hierro fundido, duran
menos y tienes poca inercia térmica.
Paneles de chapa de acero. Tienes líneas más planas y menos voluminosas, pero
mayor superficie de radiación. Sus características son
similares a los radiadores de chapa de acero.
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Superficies radiantes. Ya descritas anteriormente (suelo radiante).
Aerotermos y fan-coils. Ya descritas anteriormente.
4.5.- ELEMENTOS COMPLEMENTARIOS Y ACCESORIOS.
Dilatadores. Se utilizan para absorber las variaciones de longitud de las tuberías debido
a los cambios de temperatura.
Soportes. Resisten el peso combinado de las tuberías, accesorios, válvulas, agua
contenida en los tubos, aislamiento,...
Vasos de expansión. Tienen por objeto absorber los incrementos de volumen del agua
de calefacción al calentarse. Pueden ser de dos tipos:
a) Vasos de expansión abiertos: Están en contacto con la atmósfera. Deben
disponerse a una altura superior de columna de agua de la bomba aceleradora de
la instalación (normalmente en la cubierta del edificio) y contará con un
rebosadero que permita verter el agua de exceso a un desagüe.
b) Vasos de expansión cerrados: No están en
contacto con la atmósfera, constan de una
membrana que separa una cámara con nitrógeno
del agua de la instalación y que absorbe las
dilataciones del agua del circuito.
Bombas. Son las encargadas de impulsar el agua caliente
a través del circuito. Se instalará una bomba por
circuito, situada preferiblemente en el circuito de
retorno.
Filtros. Su función es la de absorber la suciedad acumulada en el circuito.
Depósitos acumuladores. Se utilizan en instalaciones con gran demanda de agua
caliente sanitaria. En ellos se acumula agua caliente calentada por la caldera a través de
un intercambiador de calor. Están formados por dos circuitos independientes:
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a) Circuito de calentamiento. Calienta el agua caliente sanitaria con agua procedente
de la caldera.
b) Circuito de consumo. Contiene el agua caliente sanitaria que se ha de calentar y
consumir.
Termómetros. Miden la temperatura del circuito. Al menos se suele colocar uno para
medir la temperatura del agua a la salida de la caldera (temperatura de ida) y otro para
la temperatura del agua a la entra da de la caldera (temperatura de retorno).
Manómetros. Miden la presión del agua en la instalación.
Purgadores de aire. Eliminan el aire del circuito. Pueden ser manuales o automáticos.
Válvulas. Se colocan en diferentes puntos de la red para cortar y/o regular los caudales,
impedir la circulación del agua en un determinado sentido y, en general, permitir las
operaciones de apertura, cierre y graduación de la circulación del agua. Son de bronce,
latón, fundición y bronce.
Podemos distinguir diferentes tipos de válvulas según su finalidad: de mariposa, de
compuerta, de globo, de macho, de retención, ...
Válvulas motorizadas de 3 ó 4 vías. Son válvulas telemandadas desde una central
electrónica o que actúan por medicación de las sondas de temperatura directamente.
Realizan la mezcla de agua del circuito de vuelta con agua del circuito de ida en
función de la temperatura de la estancia y de la temperatura del agua del circuito de
retorno.
5.- CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS DE DISTRIBUCIÓN POR AGUA CALIENTE
La distribución del agua caliente a los emisores puede realizarse de las dos maneras siguientes:
Circuito monotubular. En este sistema la distribución del agua hacia los radiadores se realiza
mediante una única tubería, formando un circuito cerrado de manera que el agua que circula
por él pasa por todos los radiadores y por consiguiente, la temperatura del agua va
disminuyendo a medida que pasa por cada radiador, siendo la temperatura del agua que circula
por el último radiador del anillo muy inferior a la que circula por el primero.
Es una red sencilla y económica pero sólo aconsejable para pequeñas instalaciones.
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Circuito bitubular. Están formados por dos tuberías montadas en paralelo, una de ida por la
que circula el agua caliente procedente de la caldera y otra de retorno, por la que retorna el
agua que sale de los radiadores hacia la caldera. El retorno puede ser directo o invertido según
circule el agua de retorno en la misma dirección o en la contraria que el agua de ida, siendo el
retorno invertido el más correcto.
6.- BOMBA DE CALOR
Denominamos BOMBA DE CALOR a una máquina térmica capaz de transferir calor de
una fuente fría a otra más caliente. Podríamos definirlo como un equipo de aire acondicionado,
que en invierno toma calor del aire exterior, a baja temperatura y lo transporta al interior del
local que se ha de calentar; y en verano toma calor del aire interior, a alta temperatura y lo
transporta al exterior, todo este proceso se lleva a cabo mediante el accionamiento de un
compresor. El principio de funcionamiento es el mismo que usa un aparato frigorífico. Un
refrigerador consigue enfriar un recinto ya que quita energía del aire interior, a baja temperatura,
y la cede al aire exterior, a mayor temperatura, calentándolo. Si invertimos el funcionamiento de
un refrigerador, enfriando el aire exterior y calentando el interior, obtenemos una bomba de
calor. Por esta razón la mayoría de estos aparatos son reversibles y permiten refrigerar en verano
y calefactar en invierno. En invierno transporta el calor del exterior al interior y en verano
transporta el calor del interior al exterior; invierte el ciclo.
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Se trata de un aparato que no produce calor sino que lo transporta.
La bomba de calor se basa en el principio físico del cambio de estado de un fluido. Si
disponemos de un fluido al que mediante una pequeña aportación de energía conseguimos
que cambie de estado, o sea, que pase de líquido a gas y viceversa, este nos extraerá o nos
entregará el calor que transporta.
Las hay de muchos tipos y tecnologías, básicamente constan de un circuito cerrado por
el que circula un fluido que cambiara de estado controladamente dentro de unos
intercambiadores, en uno de ellos se evaporará extrayendo energía en forma de calor, y en
el otro se condensará entregando está energía. Un compresor y un expansor son los
causantes del cambio de estado del fluido.
Una bomba de calor de refrigeración por compresión emplea un fluido refrigerante con un
bajo punto de ebullición. Éste requiere energía (denominada calor latente) para evaporarse, y
extrae esa energía de su alrededor en forma de calor.
El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que
eleva su presión. Éste, al pasar por el intercambiador de calor llamado condensador, cede calor al
foco caliente, donde cambia su estado a líquido. Después se le hace pasar por una válvula de
expansión, donde recupera la presión inicial y se enfría bruscamente. Luego pasa por otro
intercambiador de calor, el evaporador, donde absorbe calor del foco frío. El fluido, que se ha
evaporado, regresa al compresor, cerrándose el ciclo.
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7.- INSTALACIONES DE AGUA CALIENTE SANITARIA (A.C.S).
Los instalaciones de agua caliente sanitaria son aquellas que producen y distribuyen agua
de consumo sometida a algún tratamiento previo de calentamiento.
En función del sistema empleado en la producción se pueden clasificar en:
De producción instantánea. Se utiliza en instalaciones con baja demanda de A.C.S,
como pueden ser viviendas. La caldera produce el A.C.S que se necesita en cada
momento.
Por acumulación: El agua caliente sanitaria, calentada por la caldera o por un
intercambiador de calor, es almacenada en depósitos calorifugados. Se utiliza en
instalaciones con gran demanda de A.C.S como pueden ser gimnasios, hoteles,
hospitales.
Los elementos que constituyen un sistema de A.C.S son:
Acometida de Agua Fría de Consumo Humano (AFCH).
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Generador de calor: es el elemento o grupo de elementos destinados a elevar la
temperatura del agua fría. Existen multitud de posibilidades para elevar la temperatura del
agua. En algunas instalaciones, típicamente las de menor tamaño, se utilizan calderas o
calentadores que actúan calentando directamente el AFCH. En las instalaciones de mayor
tamaño se usan intercambiadores de calor que calientan el agua que es acumulada en
depósitos lista para su consumo, diferenciándose el circuito de ACS del circuito de agua de
caldera.
Red de suministro: conjunto de tuberías que transportan el agua caliente hasta los
elementos terminales.
Acumulador: depósito o depósitos que almacenan el agua caliente, incrementando la
inercia térmica del sistema y permitiendo la utilización de generadores de calor de potencia
inferior a la demanda máxima puntual del sistema.
Elementos terminales: grifos, duchas que nos permiten el uso y disfrute del ACS.
Circuito de retorno: red de tuberías que transportan el agua de vuelta desde los puntos
más alejados de la red de suministro hasta el acumulador. Su objeto es mantener un nivel
aceptable de temperatura del agua caliente en toda la red de suministro, aún cuando los
elementos terminales no demanden consumo durante largos periodos de tiempo.
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En el esquema adjunto se observa una distribución de depósitos acumuladores (1)
calentados por un intercambiador de calor (2) con una red de tuberías que permite trabajar
tanto en serie como en paralelo.
En la configuración actual el sistema trabaja en serie, el calentamiento se realiza en el
primer deposito a través de un circuito de recirculación (3) la alimentación de agua fría (4) se
hace previa mezcla con el agua de retorno de servicio (5) y con el agua calentada procedente
del intercambiador de calor (6). El agua de mezcla resultante alimenta al primer depósito y
desde éste se envía a servicio (7) pasando previamente por el resto de los depósitos de
acumulación (1).
7.1.- PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA MEDIANTE ENERGÍA SOLAR
En los últimos tiempos se aprecia un renovado interés por la energía solar y el Código Técnico
de la edificación obliga a todos los edificios de nueva construcción a incorporar sistemas de
aprovechamiento de la energía solar para el apoyo a la producción de agua caliente sanitaria.
Los sistemas empleados para aprovechar la energía solar pueden ser de dos tipos: pasivos y
activos.
Los sistemas pasivos se valen de elementos integrados en los edificios y funcionan
sin necesidad de fuentes de energía externas. Por ejemplo, incluyen paredes de
cristal o perforadas, claraboyas o superficies reflectantes; o bien estructuras con
elevada inercia térmica, como muros Trombe, muros con cambio de fase y paredes de
agua.
Los sistemas activos son aquéllos dotados de equipos técnicos de apoyo, con
medios para captar, convertir, transportar y utilizar la energía solar.
Concretamente, se trata de sistemas con paneles fotovoltaicos y térmicos.
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Los paneles fotovoltaicos convierten directamente la energía solar en energía eléctrica.
Los paneles (o colectores) térmicos, en cambio, transforman la energía solar en calor, que
puede aprovecharse para accionar turbinas de centrales eléctricas especiales o para realizar
tratamientos industriales o agrícolas, o bien para producir agua caliente sanitaria y calentar
ambientes. En las páginas siguientes nos ocuparemos esencialmente de estos paneles y de esta
última aplicación.
Hay varios tipos de paneles solares térmicos pero los
más utilizados en construcciones civiles son los Paneles
de líquido con protección que están formados por:
Un absorbedor metálico (de cobre, aluminio o
acero) que contiene también los tubos por donde
circula el fluido caloportador.
Una placa de vidrio o plástico con buena
transparencia a las radiaciones solares y elevada
opacidad a las emitidas por el absorbedor.
Un panel de material aislante situado debajo del
absorbedor.
Una envolvente para proteger los componentes y
limitar las dispersiones térmicas del panel.
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La energía solar no está siempre disponible. Por lo tanto, para poder utilizarla
continuamente el agua calentada por estos paneles es almacenada en depósitos como el de la
figura
7.1.1. REGULACIÓN DEL CIRCUITO SOLAR
Se efectúa esencialmente con reguladores de temperatura diferenciales, formados por:
Un regulador que permite ajustar el diferencial de temperatura (∆t) deseado.
Dos sondas que miden la temperatura en los paneles y en el depósito acumulador.
Cuando la diferencia de temperatura entre los paneles y el depósito es mayor que el ∆t
especificado en el regulador, la bomba del circuito solar se activa. De lo contrario, permanece
desactivada.
Se aconseja calibrar los reguladores diferenciales con valores de ∆t entre 5°C y 8°C. Estos
intervalos de temperatura permiten considerar adecuadamente:
1. Las pérdidas de calor que se verifican a lo largo de los tubos del circuito solar.
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2. La necesidad de que se produzca (para obtener un intercambio de calor significativo) un
diferencial térmico de algunos grados en las conexiones del intercambiador.
3. El hecho de que la instalación debe activarse sólo cuando la energía útil es superior a la
que consume la bomba de circulación.
A continuación podemos observar varios esquemas para la regulación de circuitos solares.
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8.- ESQUEMA GENERAL DE UNA INSTALACIÓN DE CALEFACCIÓN Y AGUA
CALIENTE SANITARIA