Calefacción por suelo radiante
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Tuberías de calefacción por suelo radiante, antes de que se cubran con la regla

La calefacción y refrigeración por suelo radiante es una forma de calefacción y refrigeración central que logra el control del clima interior para el confort térmico mediante elementos calefactores hidrónicos o eléctricos incrustados en el suelo. El calentamiento se consigue por conducción , radiación y convección . El uso de la calefacción por suelo radiante se remonta a los períodos Neoglacial y Neolítico .

Historia

La calefacción por suelo radiante tiene una larga historia que se remonta a los períodos Neoglacial y Neolítico . Las excavaciones arqueológicas en Asia y las islas Aleutianas de Alaska revelan cómo los habitantes sacaron humo de los incendios a través de trincheras cubiertas de piedra que fueron excavadas en los pisos de sus viviendas subterráneas . El humo caliente calentó las piedras del piso y luego el calor irradió hacia los espacios habitables. Estas primeras formas han evolucionado hasta convertirse en sistemas modernos que utilizan tuberías llenas de líquido o cables y tapetes eléctricos. A continuación se muestra una descripción cronológica de la calefacción por suelo radiante de todo el mundo.

Período de tiempo, c. BC [1]Descripción [1]
5,000La evidencia de "pisos horneados" se encuentra presagiando formas tempranas de kang y dikang "piso con calefacción" más tarde ondol que significa "piedra caliente" en Manchuria y Corea, respectivamente. [2]
3000Hogar de fuego coreano, se utilizó como estufa de cocina y estufa de calefacción.
1.000Sistema de tipo Ondol utilizado en las Islas Aleutianas , Alaska [3] y en Unggi, Hamgyeongbuk-do (actual Corea del Norte).
1.000Se utilizaron más de dos hogares en una vivienda; un hogar ubicado en el centro se usó para calentar, el otro en el perímetro se usó para cocinar durante todo el año. Este hogar perimetral es la forma inicial del budumak (que significa estufa de cocina), que compone la sección de combustión del ondol tradicional en Corea.
500Los romanos ampliaron el uso de superficies acondicionadas (pisos y paredes) con la invención de los hipocaustos . [4]
200El hogar central se convirtió en gudeul (que significa sección de liberación de calor de ondol) y el hogar perimetral para cocinar se desarrolló más y el budumak casi se estableció en Corea.
50China, Corea y el Imperio Romano usan kang, dikang / ondol e hipocausto respectivamente.
Período de tiempo, c. AD [5]Descripción [5]
500Asia sigue utilizando superficies acondicionadas pero la aplicación se pierde en Europa donde se sustituye por el fuego abierto o formas rudimentarias de la chimenea moderna. Referencia literaria anecdótica al sistema de enfriamiento radiante en el Medio Oriente utilizando cavidades de paredes cubiertas de nieve.
700Se encontró gudeul más sofisticado y desarrollado en algunos palacios y viviendas de personas de clase alta en Corea. Los países de la cuenca mediterránea (Irán, Argelia, Turquía et al.) Utilizan diversas formas de calefacción tipo hipocausto en baños públicos y hogares (ref .: tabakhana, atishkhana, sandali) pero también utilizan el calor de la cocción (ver: tandoor , también tanur ) para calentar los suelos. [6] [7] [8]
1000Ondol sigue evolucionando en Asia. Se estableció el verdadero sistema ondol más avanzado. El horno de fuego se trasladó al exterior y la habitación fue completamente cubierta con ondol en Corea. Europa utiliza varias formas de chimenea con la evolución de la elaboración de productos de combustión con chimeneas.
1300Sistemas de tipo hipocausto utilizados para calentar monasterios en Polonia y el castillo teutónico de Malbork . [9]
1400Sistemas de tipo hipocausto utilizados para calentar los baños turcos del Imperio Otomano .
1500La atención al confort y la arquitectura en Europa evoluciona; China y Corea continúan aplicando calefacción por suelo radiante con una adopción a gran escala.
1600En Francia , los conductos de humos calentados en suelos y paredes se utilizan en invernaderos.
1700Benjamin Franklin estudia las culturas francesa y asiática y toma nota de sus respectivos sistemas de calefacción que llevaron al desarrollo de la estufa Franklin . En Francia se utilizan tubos radiantes a base de vapor. Sistema tipo hipocausto utilizado para calentar baños públicos ( Hammam ) en la ciudad ciudadela de Erbil ubicada en el actual Irak. [10]
1800Comienzos de la evolución europea de los sistemas modernos de calentadores / calderas de agua y tuberías a base de agua, incluidos estudios de conductividades térmicas y calor específico de materiales y emisividad / reflectividad de superficies ( Watt / Leslie / Rumford ). [11] Referencia al uso de tubos de pequeño calibre utilizados en la casa y el museo de John Soane . [12]
1864Sistema de tipo Ondol utilizado en los hospitales de la Guerra Civil en Estados Unidos. [13] El edificio del Reichstag en Alemania utiliza la masa térmica del edificio para enfriar y calentar.
1899Los primeros comienzos de las tuberías a base de polietileno ocurren cuando el científico alemán Hans von Pechmann descubrió un residuo ceroso en el fondo de un tubo de ensayo, sus colegas Eugen Bamberger y Friedrich Tschirner lo llamaron polimetileno, pero se descartó por no tener uso comercial en ese momento. . [14]
1904La catedral de Liverpool en Inglaterra se calienta con un sistema basado en los principios del hipocausto.
1905Frank Lloyd Wright hace su primer viaje a Japón, luego incorpora varias formas tempranas de calefacción radiante en sus proyectos.
1907Inglaterra, el Prof. Barker otorgó la Patente No. 28477 para el calentamiento de paneles usando tubos pequeños. Posteriormente, las patentes se vendieron a Crittal Company, que nombró representantes en toda Europa. AM Byers of America promueve la calefacción radiante utilizando tuberías de agua de pequeño calibre. Asia sigue utilizando ondol y kang tradicionales: la madera se utiliza como combustible y los gases de combustión se envían por debajo del suelo.
1930Oscar Faber en Inglaterra utiliza tuberías de agua que se utilizan para calentar y enfriar varios edificios grandes. [15]
1933La explosión en el laboratorio de Imperial Chemical Industries (ICI) de Inglaterra durante un experimento de alta presión con gas etileno da como resultado una sustancia similar a la cera, que luego se convierte en polietileno y el reinicio de la tubería PEX. [dieciséis]
1937Frank Lloyd Wright diseña la casa Herbert Jacobs con calefacción radiante , la primera casa de Usonian .
1939Primera planta de polietileno a pequeña escala construida en América.
1945El desarrollador estadounidense William Levitt crea desarrollos a gran escala para las IG que regresan. Calefacción radiante a base de agua (tubería de cobre) utilizada en miles de hogares. Las envolventes de construcción deficientes en todos los continentes requieren temperaturas superficiales excesivas que, en algunos casos, provocan problemas de salud. La investigación en ciencias de la salud y el confort térmico (utilizando placas calientes, maniquíes térmicos y laboratorios de confort) en Europa y América establece posteriormente límites de temperatura de superficie más bajos y el desarrollo de estándares de confort.
1950La Guerra de Corea acaba con el suministro de madera para los ondol, población obligada a utilizar carbón. El desarrollador Joseph Eichler en California comienza la construcción de miles de hogares con calefacción radiante.
1951El Dr. J. Bjorksten de Bjorksten Research Laboratories en Madison, WI, anuncia los primeros resultados de lo que se cree que es el primer caso de prueba de tres tipos de tubos de plástico para calefacción por suelo radiante en Estados Unidos. Se ensayaron polietileno, copolímero de cloruro de vinilo y cloruro de vinilideno durante tres inviernos. [17]
1953Se construye la primera planta canadiense de polietileno cerca de Edmonton , Alberta . [18]
1960El investigador de NRC de Canadá instala calefacción por suelo radiante en su casa y luego comenta: "Décadas más tarde se identificaría como una casa solar pasiva. Incorporaba características innovadoras como el sistema de calefacción radiante suministrado con agua caliente de un horno de antracita alimentado automáticamente". [19]
1965Thomas Engel patenta un método para estabilizar polietileno reticulando moléculas usando peróxido (PEx-A) y en 1967 vende opciones de licencia a varios productores de tuberías. [20]
1970La evolución de la arquitectura coreana conduce a carcasas de varios pisos, los gases de combustión del carbón a base de oro dan como resultado muchas muertes que conducen a la eliminación del sistema de gases de combustión en el hogar a una planta central de calefacción a base de agua. La permeación de oxígeno se convierte en un problema de corrosión en Europa, lo que lleva al desarrollo de estándares de permeabilidad de oxígeno y tuberías con barreras.
1980Los primeros estándares para calefacción por suelo radiante se desarrollan en Europa. El sistema ondol a base de agua se aplica a casi todos los edificios residenciales en Corea.
1985La calefacción por suelo radiante se convierte en un sistema de calefacción tradicional en edificios residenciales en Europa Central y países nórdicos y aumenta las aplicaciones en edificios no residenciales.
1995La aplicación de sistemas de construcción activos térmicos y de refrigeración por suelo (TABS) en edificios residenciales y comerciales se ha introducido ampliamente en el mercado. [21]
2000El uso de sistemas de refrigeración radiante integrados en el centro de Europa se convierte en un sistema estándar en muchas partes del mundo que aplican sistemas HVAC basados ​​en radiantes como medio para utilizar temperaturas bajas para calentar y altas temperaturas para enfriar.
2010La torre Pearl River con radiante acondicionamiento en Guangzhou , China, alcanzó un máximo de 71 pisos.

Descripción

Los sistemas modernos de calefacción por suelo radiante utilizan elementos de resistencia eléctrica ("sistemas eléctricos") o fluidos que fluyen por las tuberías (" sistemas hidrónicos ") para calentar el suelo. Cualquiera de los dos tipos se puede instalar como sistema de calefacción principal para todo el edificio o como calefacción de suelo localizada para el confort térmico. Algunos sistemas permiten calentar habitaciones individuales cuando forman parte de un sistema de varias habitaciones más grande, evitando el desperdicio de calor. La resistencia eléctrica solo se puede utilizar para calentar; cuando también se requiere refrigeración de espacios, se deben utilizar sistemas hidrónicos. Otras aplicaciones para las que son adecuados los sistemas eléctricos o hidrónicos incluyen el derretimiento de nieve / hielo.para paseos, entradas y pistas de aterrizaje, acondicionamiento de césped de campos de fútbol y prevención de heladas en congeladores y pistas de patinaje. Hay disponible una gama de diseños y sistemas de calefacción por suelo radiante que se adaptan a diferentes tipos de suelos. [22]

Los elementos calefactores eléctricos o las tuberías hidrónicas se pueden fundir en una losa de piso de concreto ("sistema de piso vertido" o "sistema húmedo"). También se pueden colocar debajo del revestimiento del piso ("sistema seco") o adherirse directamente a un subsuelo de madera ("sistema de subsuelo" o "sistema seco").

Algunos edificios comerciales están diseñados para aprovechar la masa térmica que se calienta o enfría durante las horas de menor actividad cuando las tarifas de los servicios públicos son más bajas. Con el sistema de calefacción / refrigeración apagado durante el día, la masa de hormigón y la temperatura ambiente suben o bajan dentro del rango de confort deseado. Estos sistemas se conocen como sistemas de construcción activados térmicamente o TABS. [23] [24]

Los términos calefacción radiante y enfriamiento radiante se usan comúnmente para describir este enfoque porque la radiación es responsable de una parte significativa del confort térmico resultante, pero este uso es técnicamente correcto solo cuando la radiación compone más del 50% del intercambio de calor entre el piso y el suelo. resto del espacio. [25]

Sistemas hidrónicos

Los sistemas hidrónicos utilizan agua o una mezcla de agua y anticongelante como propilenglicol [26] como fluido caloportador en un "circuito cerrado" que se recircula entre el suelo y la caldera.

Hay varios tipos de tuberías disponibles específicamente para sistemas hidrónicos de calefacción y refrigeración por suelo radiante y generalmente están hechos de polietileno, incluidos PEX , PEX-Al-PEX y PERT. Los materiales más antiguos como el polibutileno (PB) y las tuberías de cobre o acero todavía se utilizan en algunos lugares o para aplicaciones especializadas.

Los sistemas hidrónicos requieren diseñadores y comerciantes capacitados que estén familiarizados con calderas, circuladores, controles, presiones de fluidos y temperatura. El uso de subestaciones modernas ensambladas en fábrica, utilizadas principalmente en calefacción y refrigeración de distrito , puede simplificar enormemente los requisitos de diseño y reducir el tiempo de instalación y puesta en servicio de los sistemas hidrónicos.

Los sistemas hidrónicos pueden usar una sola fuente o una combinación de fuentes de energía para ayudar a administrar los costos de energía. Las opciones de fuentes de energía del sistema hidrónico son:

  • Calderas (calentadores), incluidas las centrales eléctricas y térmicas combinadas [notas 1] calentadas por:
    • El gas natural o "metano" en toda la industria se considera el método más limpio y eficiente para calentar agua, según la disponibilidad. Cuesta alrededor de $ 7 / millón de btu
    • Propano elaborado principalmente a partir de petróleo, menos eficiente que el gas natural en volumen y, en general, mucho más caro en términos de BTU. Produce más dióxido de carbono que "metano" en base a BTU. Cuesta alrededor de $ 25 / millón de btu
    • Carbón , aceite o aceite usado
    • Electricidad
    • Solar térmica
    • Madera u otra biomasa
    • Biocombustibles
  • Bombas de calor y enfriadoras alimentadas por:
    • Electricidad
    • Gas natural
    • Bomba de calor geotérmica

  • Tuberías de calefacción por suelo radiante, antes de que se cubran con la regla

  • Tuberías de calefacción por suelo radiante, antes de que se cubran con una losa de hormigón del garaje

  • Diseño de tubería radiante, Proyecto: BCIT Aerospace Hangar, Vancouver, Columbia Británica, Canadá

  • Ensamblaje de colector

  • Aparatos modernos de control hidrónico ensamblados en fábrica para calefacción y refrigeración por suelo radiante, que se muestran con cubiertas en

  • Aparatos modernos de control hidrónico ensamblados en fábrica para calefacción y refrigeración por suelo radiante, que se muestran sin las cubiertas

Sistemas electricos

Instalación de calefacción eléctrica por suelo radiante, aplicación de cemento

Los sistemas eléctricos se utilizan únicamente para calentar y emplean elementos calefactores flexibles y no corrosivos que incluyen cables, esteras de cables preformadas, mallas de bronce y películas de carbono. Debido a su bajo perfil, se pueden instalar en masa térmica o directamente debajo de los acabados de piso. Los sistemas eléctricos también pueden aprovechar la medición de la electricidad por tiempo de uso.y se utilizan con frecuencia como calentadores de alfombra, calentadores de alfombra portátiles debajo de la zona, calentadores de piso laminado, calefacción de baldosas, calefacción de piso de madera y sistemas de calefacción de piso, incluso calefacción de asiento y piso de ducha. Los grandes sistemas eléctricos también requieren diseñadores y comerciantes calificados, pero esto no es así para los pequeños sistemas de calefacción de pisos. Los sistemas eléctricos utilizan menos componentes y son más sencillos de instalar y poner en marcha que los sistemas hidrónicos. Algunos sistemas eléctricos usan tecnología de voltaje de línea, mientras que otros usan tecnología de bajo voltaje. El consumo de energía de un sistema eléctrico no se basa en el voltaje, sino en la potencia de salida producida por el elemento calefactor.

Características

Flujo de aire de gradientes de temperatura verticales

Gradiente de temperatura vertical, causado por la estratificación estable del aire dentro de una habitación sin calefacción por suelo radiante. El suelo está más de tres grados centígrados más frío que el techo.

Calidad de confort térmico

Según lo definido por la norma ANSI / ASHRAE 55 - Condiciones ambientales térmicas para la ocupación humana, el confort térmico es "esa condición mental que expresa satisfacción con el ambiente térmico y se evalúa mediante una evaluación subjetiva". En relación específicamente con la calefacción por suelo radiante, el confort térmico se ve influido por la temperatura de la superficie del suelo y elementos asociados como la asimetría radiante, la temperatura radiante media y la temperatura operativa . La investigación de Nevins, Rohles, Gagge, P. Ole Fanger et al. muestran que los seres humanos en reposo con ropa típica de la oficina y el hogar ligeros, intercambian más del 50% de su calor sensible a través de la radiación .

La calefacción por suelo radiante influye en el intercambio radiante calentando las superficies interiores. El calentamiento de las superficies suprime la pérdida de calor corporal dando como resultado una percepción de confort térmico. Esta sensación general de comodidad se ve reforzada por la conducción (pies en el suelo) y por la convección por la influencia de la superficie en la densidad del aire . La refrigeración por suelo radiante funciona absorbiendo tanto la onda cortay radiación de onda larga que da como resultado superficies interiores frías. Estas superficies frías fomentan la pérdida de calor corporal dando como resultado una percepción de comodidad refrescante. La incomodidad localizada debido a los pisos fríos y calientes al usar calzado normal y calcetines se aborda en las normas ISO 7730 y ASHRAE 55 y en los manuales de fundamentos de ASHRAE y se puede corregir o regular con sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante.

Calidad del aire interior

La calefacción por suelo radiante puede tener un efecto positivo en la calidad del aire interior al facilitar la elección de materiales para pisos que de otro modo se percibirían como fríos , como baldosas, pizarra, terrazo y hormigón. Estas superficies de mampostería suelen tener muy bajas emisiones de COV ( compuestos orgánicos volátiles ) en comparación con otras opciones de pisos . Junto con el control de la humedad , la calefacción por suelo radiante también establece condiciones de temperatura que son menos favorables para soportar el moho , las bacterias , los virus y los ácaros del polvo . [27] [28] Eliminando el calentamiento sensibleLa carga de la carga total de HVAC (Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado), la ventilación , la filtración y la deshumidificación del aire entrante se pueden lograr con sistemas de aire exterior dedicados que tienen menos rotación volumétrica para mitigar la distribución de contaminantes en el aire. Existe un reconocimiento de la comunidad médica en relación con los beneficios de la calefacción por suelo radiante, especialmente en lo que se refiere a los alérgenos. [29] [30]

Energía

Se evalúa la sostenibilidad de los sistemas radiantes bajo el suelo mediante los principios de eficiencia , entropía , exergía [31] y eficacia . Cuando se combinan con edificios de alto rendimiento, los sistemas de suelo radiante funcionan con bajas temperaturas en calefacción y altas temperaturas en refrigeración [32] en los rangos que se encuentran típicamente en sistemas geotérmicos [33] y solares térmicos . Cuando se combina con estas fuentes de energía renovables no combustibles, los beneficios de sostenibilidad incluyen la reducción o eliminación de la combustión y los gases de efecto invernadero producidos por las calderas ygeneración de energía para bombas de calor [34] y enfriadores , así como la reducción de la demanda de no renovables y mayores inventarios para las generaciones futuras. Esto se ha apoyado mediante evaluaciones de simulación [35] [36] [37] [38] y mediante investigaciones financiadas por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, [39] [40] Corporación de Hipotecas y Vivienda de Canadá, [41] Instituto Fraunhofer ISE [42 ] así como ASHRAE. [43]

Seguridad y salud

La calefacción por suelo radiante de baja temperatura se empotra en el suelo o se coloca debajo del revestimiento del suelo. Como tal, no ocupa espacio en la pared y no crea riesgos de quemaduras , ni es un peligro de lesiones físicas debido a un contacto accidental que provoque tropiezos y caídas. Se ha hecho referencia a esto como una característica positiva en los centros de atención médica , incluidos los que atienden a pacientes de edad avanzada y aquellos con demencia . [44] [45] [46]Como anécdota, en condiciones ambientales similares, los pisos con calefacción acelerarán la evaporación de los pisos mojados (duchas, limpieza y derrames). Además, la calefacción por suelo radiante con tuberías llenas de líquido es útil para calentar y enfriar entornos a prueba de explosiones donde los equipos eléctricos y de combustión pueden ubicarse de forma remota del entorno explosivo.

Existe la posibilidad de que la calefacción por suelo radiante contribuya a la emisión de gases y al síndrome del edificio enfermo en un entorno, especialmente cuando la alfombra se utiliza como suelo. [ cita requerida ]

Los sistemas eléctricos de calefacción por suelo radiante provocan campos magnéticos de baja frecuencia (en el rango de 50–60 Hz), los sistemas antiguos de 1 cable mucho más que los sistemas modernos de 2 cables. [47] [48] La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) ha clasificado los campos magnéticos estáticos y de baja frecuencia como posiblemente cancerígenos (Grupo 2B). [49]

Longevidad, mantenimiento y reparación

El mantenimiento y reparación del equipo es el mismo que para otros sistemas de HVAC basados ​​en agua o eléctricos , excepto cuando las tuberías, cables o tapetes están incrustados en el piso. Los primeros ensayos (por ejemplo, casas construidas por Levitt y Eichler, c. 1940-1970) experimentaron fallas en los sistemas de tuberías de acero y cobre embebidos, así como fallas asignadas por los tribunales a Shell, Goodyear y otros para materiales de polibutileno y EPDM . [50] [51] También ha habido algunos reclamos publicitados de paneles de yeso con calefacción eléctrica fallidos desde mediados de la década de 1990. [52]

Las fallas asociadas con la mayoría de las instalaciones se pueden atribuir a negligencia en el lugar de trabajo, errores de instalación y mal manejo del producto, como la exposición a la radiación ultravioleta. Las pruebas de presión previas al vertido requeridas por las normas de instalación de hormigón [53] y las directrices de buenas prácticas [54] para el diseño, construcción, funcionamiento y reparación de sistemas de calefacción y refrigeración radiantes mitigan los problemas resultantes de una instalación y funcionamiento incorrectos.

Los sistemas basados ​​en fluidos que utilizan polietileno reticulado (PEX), un producto desarrollado en la década de 1930 y sus diversos derivados, como el PE-rt, han demostrado un rendimiento confiable a largo plazo en aplicaciones de climas fríos extremos, como cubiertas de puentes, plataformas de hangares de aviones y plataformas de aterrizaje. . PEX se ha convertido en una opción popular y confiable para uso en el hogar para la nueva construcción de losas de concreto y la nueva construcción de viguetas por debajo del piso, así como para la modernización (de viguetas). Dado que los materiales se producen a partir de polietileno y sus enlaces están reticulados, es altamente resistente a la corrosión o las tensiones de temperatura y presión asociadas con los típicos sistemas HVAC basados ​​en fluidos. [55] Para la confiabilidad de PEX, los procedimientos de instalación deben ser precisos (especialmente en las juntas) y se deben seguir cuidadosamente las especificaciones del fabricante para una temperatura máxima del agua o fluido, etc.

Diseño e instalación

Consideraciones generales para colocar tuberías de calefacción y refrigeración radiantes en conjuntos de pisos donde pueden estar presentes otros componentes de HVAC y plomería
Conjuntos típicos de calefacción y refrigeración por suelo radiante. Las prácticas, los códigos, los estándares, las mejores prácticas y las regulaciones contra incendios locales determinarán los materiales y métodos reales.

La ingeniería de los sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante se rige por las normas y directrices de la industria. [56] [57] [notas 2]

Diseño técnico

La cantidad de calor intercambiado desde o hacia un sistema de suelo radiante se basa en los coeficientes combinados de transferencia de calor radiante y convectivo .

  • La transferencia de calor radiante es constante según la constante de Stefan-Boltzmann .
  • La transferencia de calor por convección cambia con el tiempo dependiendo de
    • la densidad del aire y por tanto su flotabilidad. La flotabilidad del aire cambia según las temperaturas de la superficie y
    • movimiento de aire forzado debido a ventiladores y al movimiento de personas y objetos en el espacio.

La transferencia de calor por convección con sistemas por suelo radiante es mucho mayor cuando el sistema está funcionando en modo de calefacción en lugar de refrigeración. [58] Normalmente, con calefacción por suelo radiante, el componente convectivo es casi el 50% de la transferencia de calor total y en refrigeración por suelo radiante el componente convectivo es menos del 10%. [59]

Consideraciones de calor y humedad

Cuando las tuberías o los cables calefactores calentados y refrigerados comparten los mismos espacios que otros componentes del edificio, puede producirse una transferencia de calor parásita entre los aparatos de refrigeración, las áreas de almacenamiento en frío, las líneas de agua fría doméstica, los conductos de aire acondicionado y ventilación. Para controlar esto, las tuberías, cables y otros componentes del edificio deben estar bien aislados.

Con el sistema de refrigeración por suelo radiante, la condensación puede acumularse en la superficie del suelo. Para evitar esto, la humedad del aire se mantiene baja, por debajo del 50%, y la temperatura del piso se mantiene por encima del punto de rocío , 19 ° C (66F). [60]

Materiales y sistemas de construcción

  • Pérdidas de calor por debajo del nivel
    • La conductividad térmica del suelo influirá en la transferencia de calor por conducción entre el suelo y los pisos de losa a nivel calentados o enfriados .
    • Los suelos con un contenido de humedad superior al 20% pueden ser hasta 15 veces más conductores que los suelos con menos del 4% de contenido de humedad. [61]
    • Deben evaluarse las capas freáticas y las condiciones generales del suelo .
    • Los Códigos Modelo de Energía Nacional requieren un aislamiento adecuado debajo de la losa , como poliestireno rígido extruido o expandido . [62] [63]
  • Pérdidas de calor en la estructura del piso exterior
    • El subsuelo calentado o enfriado aumenta la diferencia de temperatura entre el exterior y el suelo acondicionado.
    • Las cavidades creadas por las vigas de entramado, como cabeceras, recortadoras y secciones en voladizo , deben aislarse con aislamientos rígidos, de bloque o de tipo aerosol de valor adecuado según el clima y las técnicas de construcción.
  • Albañilería y otras consideraciones para pisos duros
    • Los pisos de concreto deben adaptarse a la contracción y expansión debido al curado y los cambios de temperatura.
    • Los tiempos y temperaturas de curado de los pisos vertidos (concreto, coberturas livianas) deben seguir los estándares de la industria.
    • Se requieren juntas de control y expansión y técnicas de supresión de grietas para todos los pisos de mampostería, incluidos;
      • Loseta
      • Pizarra
      • Terrazo
      • Piedra
      • Mármol
      • Concreto , teñido, texturizado y estampado
  • Suelos de madera
    • La estabilidad dimensional de la madera se basa principalmente en el contenido de humedad, [64] sin embargo, otros factores pueden mitigar los cambios en la madera a medida que se calienta o enfría, entre ellos;
      • Especies de madera
      • Técnicas de fresado, aserrado en cuartos o aserrado plano
      • Período de aclimatación
      • Humedad relativa dentro del espacio
  • Normas de tuberías [notas 3]

Sistema de control

Ver también: Hidrónica

Los sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante pueden tener varios puntos de control, incluida la gestión de:

  • Temperaturas de los fluidos en la planta de calefacción y refrigeración (p. Ej. Calderas, enfriadores, bombas de calor).
    • Influye en la eficiencia
  • Temperaturas de los fluidos en la red de distribución entre la planta y los colectores radiantes.
    • Influye en los costos de capital y operativos
  • Temperaturas de fluido en los sistemas de tuberías de PE-x, que se basa en; [25]
    • Demandas de calefacción y refrigeración
    • Espaciamiento de tubos
    • Pérdidas al alza y a la baja
    • Características del suelo
  • Temperatura operativa
    • Incorpora el bulbo radiante y seco medio
  • Temperaturas de superficie para; [sesenta y cinco]
    • Comodidad
    • Salud y seguridad
    • Integridad material
    • Punto de rocío (para refrigeración del suelo).

Esquema mecánico

Ejemplo de un esquema de HVAC basado en radiantes

Se ilustra un esquema mecánico simplificado de un sistema de calefacción y refrigeración por suelo radiante para la calidad del confort térmico [65] con un sistema de tratamiento de aire independiente para la calidad del aire interior . [66] [67] En viviendas residenciales de alto rendimiento de tamaño moderado (por ejemplo, menos de 3000 pies 2 (278 m 2 ) de superficie total acondicionada), este sistema que utiliza aparatos de control hidrónico fabricados ocuparía aproximadamente el mismo espacio que un tres o cuatro pieza de baño.

Modelado de patrones de tuberías con análisis de elementos finitos

El modelado de patrones de tubería radiante (también tubo o bucle) con análisis de elementos finitos (FEA) predice las difusiones térmicas y la calidad o eficacia de la temperatura de la superficiede varios diseños de bucle. El rendimiento del modelo (imagen de la izquierda a continuación) y la imagen de la derecha son útiles para comprender las relaciones entre las resistencias de los pisos, las conductividades de la masa circundante, los espacios de los tubos, las profundidades y las temperaturas de los fluidos. Al igual que con todas las simulaciones de FEA, representan una instantánea a tiempo para un ensamblaje específico y pueden no ser representativas de todos los ensamblajes de piso ni de sistemas que han estado operativos durante un tiempo considerable en una condición de estado estable. La aplicación práctica de FEA para el ingeniero es poder evaluar la temperatura del fluido, las pérdidas de retorno y la calidad de la temperatura de la superficie de cada diseño.A través de varias iteraciones, es posible optimizar el diseño para la temperatura de fluido más baja en calentamiento y la temperatura de fluido más alta en enfriamiento, lo que permite que los equipos de combustión y compresión alcancen su rendimiento de eficiencia nominal máxima.

  • Difusiones térmicas y calidad de temperatura superficial (eficacia) de varios diseños de tuberías

  • Capturas de pantalla de salida típicas de FEA de malla de alambre, isotermas térmicas y mapeo codificado por colores

Ciencias económicas

Existe una amplia gama de precios para los sistemas de suelo radiante en función de las diferencias regionales, los materiales, la aplicación y la complejidad del proyecto. Es ampliamente adoptado en las comunidades nórdica , asiática y europea . En consecuencia, el mercado es más maduro y los sistemas son relativamente más asequibles que los mercados menos desarrollados, como América del Norte, donde la participación de mercado de los sistemas basados ​​en fluidos se mantiene entre el 3% y el 7% de los sistemas HVAC (ref. Statistics Canada y United States Census Bureau ).

En edificios de eficiencia energética como Passive House , R-2000 o Net Zero Energy , se pueden instalar válvulas termostáticas simples para radiadores junto con un solo circulador compacto y un pequeño calentador de condensación controlado sin o con control básico de restablecimiento de agua caliente [68] . Los sistemas económicos basados ​​en resistencias eléctricas también son útiles en zonas pequeñas como baños y cocinas, pero también para edificios enteros donde las cargas de calefacción son muy bajas. Las estructuras más grandes necesitarán sistemas más sofisticados para hacer frente a las necesidades de refrigeración y calefacción y, a menudo, requerirán sistemas de control de gestión de edificios. para regular el uso de energía y controlar el ambiente interior general.

Los sistemas de calefacción radiante de baja temperatura y de refrigeración radiante de alta temperatura se prestan bien a los sistemas de energía de distrito (sistemas basados ​​en la comunidad) debido a las diferencias de temperatura entre la planta y los edificios que permiten redes de distribución aisladas de diámetro pequeño y bajos requisitos de potencia de bombeo. Las bajas temperaturas de retorno en calefacción y las altas temperaturas de retorno en refrigeración permiten que la planta de energía del distrito alcance la máxima eficiencia. Los principios detrás de la energía del distrito con sistemas de suelo radiante también se pueden aplicar a edificios independientes de varios pisos con los mismos beneficios. [69] Además, los sistemas radiantes por suelo radiante son ideales para las fuentes de energía renovables, incluidas la geotermia ysistemas solares térmicos o cualquier sistema donde el calor residual sea recuperable.

En el impulso global por la sostenibilidad , la economía a largo plazo respalda la necesidad de eliminar, en la medida de lo posible, la compresión para enfriar y la combustión para calentar. Entonces será necesario utilizar fuentes de calor de baja calidad para las que la calefacción y refrigeración por suelo radiante sea adecuada. [ aclarar ] [ cita requerida ]

Eficiencia del sistema

El análisis de eficiencia del sistema y uso de energía tiene en cuenta el rendimiento del cerramiento del edificio, la eficiencia de la planta de calefacción y refrigeración, los controles del sistema y las conductividades, las características de la superficie, el espaciado de tubo / elemento y la profundidad del panel radiante, las temperaturas del fluido de funcionamiento y la eficiencia del cable al agua de los circuladores. [70] La eficiencia de los sistemas eléctricos se analiza mediante procesos similares e incluye la eficiencia de la generación de electricidad .

Aunque la eficiencia de los sistemas radiantes está en constante debate sin escasez de afirmaciones anecdóticas y artículos científicos que presentan ambos lados, las bajas temperaturas del fluido de retorno en calefacción y las altas temperaturas del fluido de retorno en refrigeración permiten la condensación de calderas, [71] enfriadores [72] y calor. bombas [73] para operar en o cerca de su rendimiento máximo diseñado . [74] [75] La mayor eficiencia del flujo de 'cable a agua' en comparación con el flujo de 'cable a aire' debido a la capacidad de calor significativamente mayor del agua favorece los sistemas basados ​​en fluidos sobre los sistemas basados ​​en aire. [76]Tanto la aplicación de campo como la investigación de simulación han demostrado importantes ahorros de energía eléctrica con refrigeración radiante y sistemas de aire exterior dedicados basados ​​en parte en los principios antes mencionados. [77] [78]

En las casas pasivas , las casas R-2000 o los edificios de energía neta cero, las bajas temperaturas de los sistemas de calefacción y refrigeración radiantes presentan importantes oportunidades para aprovechar la exergía . [79]

Consideraciones de eficiencia para materiales de superficie de pisos

La eficiencia del sistema también se ve afectada por el revestimiento del piso que actúa como capa límite de radiación entre la masa del piso y los ocupantes y otros contenidos del espacio acondicionado. Por ejemplo, las alfombras tienen mayor resistencia o menor conductancia que las baldosas. Por lo tanto, los pisos alfombrados deben operar a temperaturas internas más altas que las baldosas, lo que puede generar eficiencias más bajas para calderas y bombas de calor. Sin embargo, cuando se conoce el revestimiento del piso en el momento en que se instala el sistema, entonces la temperatura interna del piso requerida para un revestimiento determinado se puede lograr mediante el espaciado adecuado de los tubos sin sacrificar la eficiencia de la planta (aunque las temperaturas internas más altas del piso pueden resultar en una mayor pérdida de calor de las superficies del suelo que no son habitaciones). [80]

La emisividad , la reflectividad y la capacidad de absorción de la superficie de un piso son determinantes críticos de su intercambio de calor con los ocupantes y la habitación. Los materiales y tratamientos de la superficie de los pisos sin pulir tienen una emisividad muy alta (0,85 a 0,95) y, por lo tanto, son buenos radiadores de calor . [81]

Con calefacción y refrigeración por suelo radiante ("suelos reversibles"), las superficies de suelo con alta absorbancia y emisividad y baja reflectividad son las más deseables.

Evaluación termográfica

Imágenes termográficas de una habitación calentada con calefacción radiante de baja temperatura poco después de la puesta en marcha del sistema

La termografía es una herramienta útil para ver la eficacia térmica real de un sistema de suelo radiante desde su puesta en marcha (como se muestra) hasta sus condiciones de funcionamiento. En una puesta en marcha, es fácil identificar la ubicación del tubo, pero menos a medida que el sistema pasa a una condición de estado estable . Es importante interpretar correctamente las imágenes termográficas. Como es el caso del análisis de elementos finitos (FEA), lo que se ve refleja las condiciones en el momento de la imagen y puede que no represente las condiciones estables. Por ejemplo, las superficies que se ven en las imágenes mostradas pueden parecer 'calientes', pero en realidad están por debajo de la temperatura nominal de la piel y la temperatura central del cuerpo humano.y la capacidad de "ver" las tuberías no equivale a "sentir" las tuberías. La termografía también puede señalar fallas en los cerramientos del edificio (imagen izquierda, detalle de intersección de esquina), puentes térmicos (imagen derecha, montantes) y las pérdidas de calor asociadas con las puertas exteriores (imagen central).

Ejemplos globales de grandes edificios modernos que utilizan calefacción y refrigeración radiantes

  • 41 Cooper Square , Estados Unidos
  • Museo de Arte Akron , Estados Unidos
  • BMW Welt , Alemania
  • Academia de Ciencias de California , Estados Unidos
  • Ópera de Copenhague , Dinamarca
  • Universidad de Mujeres Ewha , Corea del Sur
  • Hearst Tower , Nueva York, Estados Unidos
  • Manitoba Hydro Place , Canadá
  • Centro Nacional de Apoyo a la Investigación del Laboratorio de Energía Renovable , Estados Unidos
  • Torre del río Pearl , China
  • Post Tower , Alemania
  • Aeropuerto de Suvarnabhumi , [82] Bangkok

Ver también

  • Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado
  • Calefacción eléctrica
  • Hidrónica
  • Gloria (sistema de calefacción)
  • Calentador (tipos de calentadores)
  • Hipocausto
  • Estufa de cama Kang
  • Psicrometría
  • Ondol
  • Calor renovable
  • Distribución de aire por suelo radiante

Referencias

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    Parte 1: Determinación de la capacidad de diseño de calefacción y refrigeración.
    Parte 2: Diseño, dimensionamiento e instalación
    Parte 3: Optimización para el uso de fuentes de energía renovables, Bruselas, Bélgica.
    • CEN (EN 1264) Sistemas de refrigeración y calefacción empotrados en superficie a base de agua: (Europa) [ enlace muerto ]
    Parte 1: Definiciones y símbolos
    Parte 2: Calefacción por suelo radiante: Demuestre métodos para la determinación de la potencia térmica utilizando métodos de cálculo y prueba.
    Parte 3: Dimensionamiento
    Parte 4: Instalación
    Parte 5: Superficies de calefacción y refrigeración empotradas en suelos, techos y paredes.Determinación de la potencia térmica.
    • ISO TC 205 Diseño de entornos de construcción (internacional)
    ISO TC 205 / WG 5, Entorno térmico interior
    ISO TC 205 / WG 8, Sistemas de calefacción y refrigeración radiantes
    ISO TC 205 / WG 8, Sistemas de calefacción y refrigeración
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    • ASTM F2788 - Especificación estándar para tubería de polietileno reticulado (PEX)
    • ASTM F876 - Especificación estándar para tubería de polietileno reticulado (PEX)
    • ASTM F2657 - Método de prueba estándar para la exposición a la intemperie en exteriores de tuberías de polietileno reticulado (PEX)
    • CSA B137.5 - Sistemas de tubería de polietileno reticulado (PEX) para aplicaciones de presión
    • CSA C22.2 NO. 130, Requisitos para cables calefactores de resistencia eléctrica y juegos de dispositivos calefactores
    • Estándar UL 1673 - Cables calefactores eléctricos radiantes
    • Estándar UL 1693 - Paneles calefactores radiantes eléctricos y juegos de paneles calefactores
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