INSTALACIONES DE CALEFACCIÓN: ELEMENTOS COMPONENTES Y SU FUNCIONAMIENTO. CIRCUITOSCARACTERÍSTICOS.

1- INTRODUCCIÓN. CALEFACCIÓN Y CARGAS TÉRMICAS

Podemos definir calefacción como aquel sistema cuya finalidad es mantener una temperatura dentro de un local, de forma quesea capaz de anular las pérdidas caloríficas que se producen en el invierno.

Cuando el sistema además es capaz de compensar las ganancias del verano y mantener la temperatura entre unos intervalos,establecidos por normativa, además de conseguir unas condiciones de humedad y salubridad del aire, se habla declimatización.

En el diseño de una instalación de calefacción hay tres bloques principales: la producción de calor, la distribución y y laemisión a los locales. Un factor determinante en su dimensionamiento es el cálculo de las ganancias o pérdidas de calor,denominadas cargas térmicas. Éstas cargas pueden ser:

Pérdidas por transmisión. Producidas por diferencia de temperaturas entre locales, o entre el local y el ambienteexteriorPérdidas por renovación. Estas pérdidas sólo deberán calcularse cuando exista renovación del aire del local. Elcaudal de renovación por persona y el número de personas que ocupará el local viene determinado por normativa,según el tipo de local y la actividad que se desarrolle en él.

Además de las pérdidas se deberá tener en cuenta las ganancias aportadas por los elementos que se encuentran en el local,tales como máquinas, personas, la radiación solar cuando ésta sea importante.

Todas las pérdidas se calculan teniendo en cuenta que el local está calefactado y que se encuentra a la temperatura establecidapor la normativa, que depende del uso del local (por ejemplo en viviendas: 18º - 22ºC).

Por lo tanto, la suma de todas las pérdidas determinará la potencia de los elementos productores de calor, que junto con loselementos distribuidores, los de regulación y control, los de protección y los emisores configurarán la instalación decalefacción.

2.- ELEMENTOS COMPONENTES DE UNA INSTALACIÓN DE CALEFACCIÓN Y SU FUNCIONAMIENTO .

Los elementos que componen una instalación de calefacción los podemos agrupar en los siguientes tipos según su función:

- Elementos generadores. Son los encargados de producir calor, bien por aportación directa o a un fluido (fluidocaloportador).

- Elementos de almacenamiento y distribución. Son los que almacenan, bien el combustible, o bien el fluidocaloportador. También se incluyen en este apartado los encargados de conducir el fluido caloportador a loslocales.

- Elementos de regulación y control. Son los que aseguran la circulación del fluido en la red de distribución, y losque controlan que tanto los fluidos como la temperatura del local, se encuentre dentro de los límites establecidos.

- Accesorios y elementos de protección. Aseguran que la instalación no sufra daños por razones de distinta índole:impurezas en el fluido caloportador, dilataciones por efecto de la temperatura, vibraciones, etc..

- Aparatos emisores.Son los que intercambian el calor con el local.

Analizaremos los más importantes de todos ellos.

2.1- Elementos de producción de calor.

Los más importantes son las calderas y quemadores y las bombas de calor..

* Calderas y quemadores.

Los quemadores son los encargados de preparar el combustible y mezclarlo con el comburente (oxígeno del aire) para que seproduzca una correcta combustión en la caldera.

Cuando el combustible es líquido, el quemador lo gasifica, calentándolo, o lo pulveriza en pequeñas gotas, pasándolo a travésde pequeñas boquillas, de forma que las gotas, por radiación de la llama en el interior de la caldera, se vaporizan y arden encontacto con el comburente.

Cuando el combustible es gaseoso no necesita tratamiento, y si es sólido (carbón) se debe moler y precalentar, insuflándolo enla caldera, aunque este sistema está en desuso.

Además el quemador regula el caudal de aire.

Hoy en día admiten regulación de caudal tanto de combustible como de aire a través de un sistema de regulación, o bien vanprovistos de dos boquillas próximas para cada elemento de la combustión, abriendo una, las dos o ninguna, proporcionando deesta forma distinta potencia.

La caldera proporciona la cámara donde tiene lugar la combustión. En dicha cámara las paredes están tapizadas con una red detuberías por las que circula el fluido caloportador, de forma que existe una transferencia de calor entre el fluido y los humos dela combustión.

Las calderas pueden ser, según la presión existente en la cámara de combustión (hogar):

- Con hogar en depresión. El quemador inyecta el combustible y comburente gracias a que en el hogar existe unadepresión debido a la chimenea que conecta con el mismo.

- Con hogar presurizado- Con quemadores atmosféricos. El quemador inyecta el combustible en un hogar abierto y en contacto con el

medioambiente. Son de gas.

Un último tipo de caldera es la eléctrica cuya ventaja es que no precisa chimeneas de ventilación de humos, ya que no serealizan combustiones en su seno, sino que el aporte energético lo realizan unas resistencias que al ser atravesadas por lacorriente eléctrica elevan su temperatura.

Cuando el fluido caloportador es agua, se considera que entra en la caldera a 70ºC y sale a 90ºC.

Todas las calderas van provistas de elementos de control y seguridad: termómetros, manómetros, pirostatos, etc.

* Bombas de calor

Una bomba de calor sirve para calentar un local gracias a un ciclo termodinámico de un gas (freón, productos clorofluorados,etc) cuyas temperaturas de evaporación y condensación son cercanas a la temperatura ambiente.

Uno de los generadores de este tipo más conocido es el de ventana, que se puede acoplar a locales ya construidos.

Su funcionamiento es el siguiente: El aire procedente del exterior (a unos 10ºC, por ejemplo) atraviesa el evaporador. El fluidofrigorígeno toma calor de él para evaporarse y el ventilador del evaporador lo devuelve al exterior a temperatura aún más baja(unos 4ºC). El aire del interior del local, que supondremos a 20ºC, atraviesa el condensador. El fluido frigorígeno, al licuarse,cede calor a éste aire y el ventilador del condensador lo devuelve al interior del local, aproximadamente a 32ºC, con lo que selogra la calefacción. Por lo tanto el aire interior gana calor del fluido y el aire exterior lo pierde.

Este ciclo es reversible, pudiendo ser un generador de frío si el evaporador se encuentra en el interior y el condensador en elexterior.

Según el fluido del que se extraiga el calor y el fluido al que se aporte calor, existen bombas de 4 tipos: aire-aire, aire-agua,agua-agua, agua-aire.

Además pueden ser compactos, de forma que condensador y evaporador se encuentren en una misma carcasa, o partidos,situándose cada uno en un lugar distinto.

2.2- Elementos de almacenamiento y distribución.

Hablaremos de los depósitos de combustible y de las tuberías y conductos.

* Depósito de combustible

Los depósitos de combustible almacenan el mismo para su posterior tratamiento en el quemador.

Para los líquidos debe construirse de chapa, de forma cilíndrica con fondo elipsoide o esférico, aunque excepcionalmentepodrán ser de hormigón impermeabilizados interiormente.

Deben soportar al menos 2kg/cm2, pudiendo ir enterrados o a la intemperie guardando las debidas distancias de seguridad conlos edificios colindantes (3m).

Si son de poca capacidad y para combustibles como el gasoil o el fuel-oil pueden instalarse en el interior de edificaciones enhabitáculos aislados y debidamente ventilados.

* Tuberías

Las tuberías son las encargadas de distribuir y llevar el fluido caloportador, cuando éste sea vapor o líquido hasta los elementosemisores, desde los productores.

Se emplean de 3 materiales:- Cobre. Duro o recocido, que es maleable con las manos- Acero. Muy empleado en calefacción por agua o aceites.- Polietileno reticulado. Empleado cuando las temperaturas del fluido caloportador son bajas (40º - 60ºC). Este es

el caso de la calefacción de tuberías empotradas en el suelo, llamada calefacción por suelo radiante.

Los diámetros de todas ellas están normalizados y nunca son inferiores a 12 mm, puesto que éste es el diámetro de acometidade los emisores.

Deben ir calorifugadas, es decir, recubiertas de una coquilla aislante, a excepción del polietileno reticulado.

La velocidad de circulación en las tuberías debe estar comprendida entre 0,5 y 2 m/s para evitar transmitir vibraciones y ruidos.

Si se emplea acero y cobre simultáneamente se debe colocar entre ambos un manguito electrolítico que impida el par galvánicoentre ambos, y por tanto la electrolisis del agua.

Para unir las tuberías y permitir bifurcaciones y adaptaciones al recorrido se emplean accesorios en forma de T, 90º u otroángulo. Estos accesorios se fabrican de cobre, latón (Cu-Zn) o bronce (Cu-Sn).

* Conductos

Cuando el fluido caloportador es aire se emplean conductos de gran sección, redonda o cuadrada. Se fabrican de chapa deacero galvanizado o de aluminio, con un material aislante entre ambas. En este caso la velocidad del aire debe ser del orden de3 a 5 m/s.

2.3.- Elementos de regulación y control

Se incluyen en este apartado: las bombas, las llaves o válvulas, los termostatos, las válvulas motorizadas, los presostatos y lospirostatos

* Bombas

Son las encargadas de que el fluido caloportador, cuando es líquido, llegue a los emisores, asegurando así el movimientocaldera-emisor-caldera, o bomba de calor-emisor-caldera.

También lleva el combustible desde el depósito al quemador.

Se debe prever una bomba de reserva para un caso de fallo, por lo que se disponen en paralelo, con llaves de interrupción,antes y después para posibilitar el montaje.

* Válvulas

Estos elementos se intercalan en las tuberías para influir en el movimiento del fluido caloportador, bien en su caudal o en supresión. Se distinguen:

- De interrupción. Son las llamadas llaves y constan de un elemento giratorio respecto a un eje perpendicular al de la tubería, de forma que obtura o permite el paso del fluido. Pueden ser de compuerta, cuando el dispositivo giratorio es un disco; de bola, si el dispositivo es una esfera; o de mariposa, también con un disco, pero sólo empleada para grandes diámetros.

- De ajuste de caudal. O impiden el retroceso del agua o regulan el caudal. A las primeras se las llama válvulas antirretorno y se emplean para proteger aparatos colocándolas posteriormente a los mismos. Contienen un aparatoque pivota sólo en sentido de la corriente. A las que regulan el caudal se les llama válvulas de asiento y el elemento móvil puede interrumpir parcial o totalmente la circulación de agua.

- De ajuste de presión. Suele ser de dos tipos: unas que alivian sobrepresiones y otras que regulan presiones. Estas últimas suelen ser un orificio inferior o superior al diámetro de la tubería. Las primeras se denominan válvulas de seguridad y un tipo muy común son las que constan de un émbolo solidario a un muelle, de forma que si la presión del fluido vence al muelle, escapa de la instalación.

* Las válvulas motorizadas son de dos, tres o cuatro vías y sobre ellas actúa yn deterctor o sonda (presostato, termostato,pirostato). El movimiento de sus órganos se consigue gracias a un pequeño motor.

* Presostato. Abren o cierran un circuito eléctrico que pone en funcionamiento una válvula, cuando detecta un valordeterminado de la presión en el fluido caloportador o en la caldera.

* Termostatos. Siguen el mismo funcionamiento que los preosotatos. Los hay de ambiente, situados en los locales a calefactary de líquidos para intercalar en las tuberías.

* Pirostatos. Son termostatos de gases. Se colocan en las chimeneas para controlar la temperatura de los humos, y en funciónde la misma parar o regular el quemador.

Los elementos de regulación y control constituyen una optimización de la instalación. Un proceso de regulación sería elsiguiente: El termostato de ambiente del local se regula a una temperatura de 20ºC para lo cual éste envía una señal alregulador central, que controlará mediante un termostato de contacto del fluido caloportador, la temperatura de ida. Para ello,un servomotor de la válvula de 3 vías regula la mezcla del fluido procedente de la caldera y del retorno, abriendo o cerrandolas tuberías adecuadas.

2.4.- Accesorios y elementos de protección.

Los más importantes son los siguientes:

- Vasos de expansión. Necesarios para que el agua que circula por la instalación, o en su caso otro fluido, seexpansione, a consecuencia de la dilatación que sufre por incremento de la temperatura.

o Pueden ser abiertos, que se instalan en las partes altas de la instalación; o cerrados, que se colocan en laspartes bajas, generalmente en el circuito de retorno.

o Los cerrados contienen una membrana que separa un gas (aire, N2) del fluido. Si la instalación es grandeel vaso cerrado suele llevar compresor para que no exista pérdida de presión en las tuberías, y suelen serde aire.

o Los cerrados sin compresor se colocan invertidos para evitar que entre aire con el fluido en el vaso.

- Purgadores. Se utilizan para eliminar el aire que se forma en el interior de la tubería, a consecuencia delcalentamiento del fluido (generalmente agua). Se colocan en las partes altas de la red, o también en la parte altade dada radiador.

o Pueden ser automáticos como el de boya, que se eleva debido al empuje del aire y abre una salida; opueden ser manuales en los que la abertura se debe efectuar con alguna herramienta, como por ejemploun tornillo que al aflojarse permite la salida de aire o una válvula similar a las de las ruedas de labicicleta, en las que presionando se produce una abertura y el aire se escapa.

- Filtros. Impiden que se obturen las llaves y las bombas, en conducciones de líquidos, o bien que penetrenelementos extraños en el local o en los ventiladores, en conducciones de aire. En el primer caso suelen ser decesta, y en el segundo son mallas de red tupida.

- Antivibratorios. Sirven para evitar el paso de las bombas u otros equipos al resto de la instalación. En esencia sonunas juntas de caucho que van embridadas.

- Compensadores de dilatación Sirven para compensar las dilataciones que sufren las tuberías por efecto de laelevada temperatura del fluido que circula por ellas.

o Pueden ser de lira, que no es más que un curvado de la tubería en forma de U; o bien de fuelle, que debemantenerse estirado.

- Antiariete. Sirven para evitar, en caso de cierre brusco de las llaves, que el fluido retroceda y comience unmovimiento armónico que provoque excesos de presión y por lo tanto fugas. Se colocan en las partes altas de lainstalación.

o Pueden ser de muelles o simplemente una tubería vacía, ya sea roscada o soldada.

2.5- Emisores

Los emisores de calor son los aparatos o equipos destinados a ceder al ambiente de los locales el calor producido en elgenerador de calor y que ha sido distribuido por la red de tuberías de la instalación. Son por tanto, los equipos terminales ocuerpos calefactores de la instalación de calefacción.

Los emisores de calor más ampliamente utilizados son:

- Radiadores.

- Tubo con aletas.

- Convectores.

- Ventiloconvectores.

- Fan-coils

- aerotermos

Radiadores

Son los equipos terminales más ampliamente utilizados en las instalaciones de calefacción que utilizan como fluidocaloportador el agua caliente o el vapor a baja presión.

De acuerdo con su forma constructiva, se pueden clasificar en: radiadores de elementos, planos, paneles, placascalefactoras, etc.

a) Radiadores de elementos.

Reciben este nombre por estar constituidos por un conjunto de varios elementos iguales entre sí, ensamblados porprocedimientos mecánicos o bien por sodadura. Los radiadores de elementos se construyen en:

- Hierro fundido. Son los más duraderos y fiables, presentando como posible inconveniente, el poseer una graninercia térmica que conlleva un periodo de puesta a régimen más largo que el correspondiente a los otrosradiadores.

- Chapa de acero. Son mucho más ligeros que los anteriores y por lo tanto con una menor inercia térmica, peropresentan el inconveniente de un vida media mucho más corta.

- Aluminio. Dada su alta conductividad térmica, alcanzan su temperatura de régimen con rapidez. Con frecuenciaestán constituidos por elementos aleteados longitudinalmente, lo que favorece la transmisión de calor porconvección.

b) Radiadores de panel.

Están formados por dos chapas de acero estampadas, soldadas eléctricamente por puntos, que al unirse forman unascolumnas, por las que circula el agua. A veces se añade una superficie adicional, para aumentar la emisión de calor porconvección al aire desde la cara posterior, en este caso se suelen denominar paneles convectores.

Tubo aleteado

Este tipo de cuerpo emisor está formado usualmente por tuberías de acero dotadas de aletas del mismo material,generalmente helicoidales, consiguiéndose así una elevada superficie calefactora con muy poco volumen ocupado. Estematerial es generalmente utilizado en instalaciones de agua a media o alta temperatura.

Convectores

Los convectores están formados usualmente por una batería de tubos de cobre, aleteada en aluminio y encerrada en unacaja o conducto generalmente metálica, pudiendo estar dotado o no de un filtro de aire en la entrada inferior de aire frio;la caja en la que se encierra la batería favorece las corrientes de convección por efecto “chimenea”, produciendo unacorriente de aire que homogeiniza rápidamente la temperatura de los locales. El sistema de calefacción por convectoreses ampliamente utilizado en instalaciones de agua a alta temperatura, agua sobrecalentada, ya que al estar el emisorprotegido por la carcasa puede alcanzar temperaturas más elevadas que en otros sistemas.

Ventiloconvectores

Se denomina así a un tipo de unidad terminal, bastante semejante al convector y, constituida por una batería de tubos decobre y aletas de aluminio, por cuyo interior circula el fluido caloportador, mientras que por el lado exterior lo hace elaire impulsado por un ventilador. Los ejemplos más característicos de ventiloconvectores son los fan-coils y losaerotermos.

o Fan-coils

Un fan-coil, está constituido por la batería o intercambiador de calor, un ventilador centrífugo, generalmente detres velocidades y un filtro, alojados en una carcasa dotada de rejillas de impulsión. Pueden tener una cámara,llamada plenun, donde se mezcla el aire procedente del generador de calor (bomba de calor) y el tomado dellocal, aportando de esta forma menos calor el intercambiador del fan–coil.

Cuando se utiliza como sistema de calefacción (también puede utilizarse para proporcionar frio), el agua dealimentación está a baja o media temperatura, por lo que es un sistema apto para integrarse con equipos de

energía solar o bomba de calor. Puede funcionar en posición vertical u horizontal y con el ventilador en marcha,para graduar la potencia térmica, o parado, como un convector.

o Aerotermos

Son aparatos que están constituidos por una batería aleteada, generalmente de cobre o acero y un ventiladorhelicoidal que puede estar colocado antes o después de la batería; son aparatos muy compactos que emiten grancantidad de calor por unidad de volumen, presentando el grave inconveniente de ser normalmente muy ruidosos,debido al tipo de ventilador utilizado.

Su campo de aplicación es el de la calefacción industrial, debido a su alto nivel sonoro, pudiendo emplearse tantoen instalaciones de agua a media o alta temperatura, como en las de vapor. Existe una variante, constituida porbaterías de calentamiento eléctricas, que está muy en uso actualmente. Si el n aerotermo es de carga horizontal.suele estar dotados de rejillas orientables para la descarga del aire caliente, rejillas que suelen eliminarse si ladescarga de aire es vertical, sustituyéndose por un difusor.

Cabe citar que en todos los casos se emplean llaves a la entrada y salida de los aparatos, que permitan su aislamiento del restode la instalación, y su reparación.

Los fan–coils y los radiadores pueden ser generadores y difusores; por ejemplo, un radiador eléctrico o un fan-coil de ventana.En este caso son aparatos autónomos.

3.- CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE CALEFACCIÓN. CIRCUITOS CARACTERÍSTICOS

Los sistemas de calefacción pueden clasificarse de acuerdo a diferentes criterios:

A- Por el grado de concentración

a. Instalaciones unitarias. El elemento difusor y el generador es el mismo y calefactan un único local. Porejemplo, un radiador eléctrico

b. Instalaciones individuales. Son las que calefactan distintos locales, pero de un mismo usuario. Por ejemplo,una caldera de gas y varios radiadores.

c. Instalaciones colectivas. El generador de calor abastece a varios usuarios. Por ejemplo, una bomba de calor ouna caldera para todo un edificio.

B- Según el tipo de energía empleada.

a. Eléctrica. Por aplicación del ejecto Jouleb. Solar. La energía solar transmite el calor a un fluido que es el que acumula a un fluido que es el que acumula

dicha energía y a través de un intercambiador lo cede a otro que a su vez lo cede al local.c. Por el poder calorífico de un combustible. Puede ser gas, gasoil, fueloil o carbón y madera. Estos dos

últimos en desuso por el impacto ambiental.d. Por un ciclo termodinámico. Gracias al calor cedido y absorbido por un fluido que cambia de fase (gas –

líquido y líquido – gas) y lo intercambia con el caloportador que a su vez lo cede al local. Es el caso de unabomba de calor.

C- Según el fluido caloportador.

a. Por aireTambién llamado conducción forzada. El elemento que intercambia calor con el local es el aire, impulsado através de una serie de canales desde el sistema generador. Su gran ventaja es que incorporando en suselementos terminales filtros y humectadores, se puede lograr el acondicionamiento higrotérmico (temperaturay humedad)Existen muchas variantes de estos circuitos pero los más característicos se esquematizan a continuación.1. Ciclo con retorno de aire, el cual se extrae del aire y se calefacta y humecta en la bomba de calor. Este

circuito de retorno puede no existe y que la toma de aire sea siempre del exterior, de forma que el aire nosea viciado. Para evitar sobrepresiones en el local debido a la continua entrada de aire se debe colocar unextractor independiente.

2. Con fan-coils y plenun de mezcla. Este circuito presenta dos generadores de calor. Uno de aire caliente yoro de agua caliente

b. Por aguaSon las instalaciones más típicas cuando el fluido caloportador es líquido.Los emisores pueden ser fan-coils o radiadores y la temperatura puede superar los 100ºC en cuyo caso sehabla de agua sobrecalentada.

Cuando se trata de agua sobrecalentada la instalación suele contar con dos circuitos: uno primario caldera-intercambiador, y otro secundario intercambiador-radiadores, de forma que en los intercambiadores el aguasobrecalentada cede calor al fluido (agua) del circuito secundario, que lo distribuye a los locales.Dentro de las instalaciones por agua, el elemento difusor suelen ser radiadores o fan-coils. El generadorpuede ser caldera o bomba de calor.

1. Cuando la tubería de ida es la misma que la de retorno, se habla de instalación monotubo. Sólo se empleapara instalaciones pequeñas, con pocos emisores, ya que el último emisor no recibe el agua a la mismatemperatura que el primero y, ante un fallo de un radiador o fan-coil es necesario paralizar toda lainstalación.

2. Para evitar estas pegas se emplea la distribución bitubo, y preferentemente la de retorno invertido. Deesta forma la tubería de ida es independiente de la de retorno, y el primer radiador que recibe el agua esel último en descargar, compensándose así las pérdidas de carga.

3. Una variante de las instalaciones de agua es la de los suelos radiantes, en las que el fluido cede calor alas paredes o suelos, en los cuales se hayan empotradas las tuberías. Las paredes y suelos irradian caloren forma de energía radiante.Debe colocarse aislamiento por debajo de las tuberías.Cabe mencionar que el agua dentro de la instalación circula por diferencia de densidades, es decir cuantomás caliente menor es su densidad y menor es su presión, por lo que el agua más fría se dirige haciaestas zonas. Normalmente este efecto, llamado efecto termosifón, no es suficiente por lo que es precisoinstalar bombas que aseguran la circulación en las tuberías. Cuando se colocan en el circuito de retorno yson pequeñas se llaman circuladores.

c. Por vaporEl funcionamiento es el mismo que el de las instalaciones de agua, de forma que en el circuito de ida el fluidoes gas y, al ceder calor los emisores, se condensa, retornando líquido a la caldera.El circuito debe ser muy estanco, y en la ida los distribuidores deben favorecer el efecto termosifón,montándose con ligera inclinación.El circuito de retorno debe tener desaieadores.

d. Por aceitesSon fluidos que pueden trabajar a 300ºC sin cambiar su estado. Se suelen emplear en la industria, donde serequieran elevadas temperaturas para algún proceso, aprovechando este calor mediante un intercambiador.Este proceso de aprovechamiento de energías residuales se denomina cogeneración, aunque suele ir asociadacon la producción conjunta de electricidad en una turbina.Se deben usa tuberías de acero inoxidable y, debido a las altas temperaturas, grandes vasos de expansión ygrandes secciones.

BIBLIOGRAFIA

- Calculo y normativa básica de las instalaciones en los edificios. Arizmendi.- Curso de calefacción y climatización. Curso Educativo Destino.