Cálculo y Optimización de Instalaciones Térmicas en Edificios: Un Enfoque Práctico

Unidades y Definiciones Clave en Instalaciones Térmicas

Unidades:

• U (transmitancia térmica): W/m²K
• R (resistencia térmica): m²K/W = e/λ
• λ (conductividad térmica): W/mK = kcal/hm°C
• 1 J = 0.24 cal
• 1 kcal/h = 1.163 W
• 1 kcal = 4.19 KJ
• 273 K = 0 °C = 32 °F

Definición - Envolvente Térmica:

Se compone de los cerramientos del edificio que separan los recintos habitables del ambiente exterior y las particiones interiores que separan los recintos habitables de los no habitables que estén en contacto con el ambiente exterior.

Clasificación de Cerramientos

• Cubiertas: Cerramientos superiores en contacto con el aire con inclinación menor de 60º respecto a la horizontal.
• Suelos: Cerramientos inferiores horizontales o ligeramente inclinados en contacto con el aire, con el terreno, o con un espacio no habitable.
• Fachadas: Cerramientos exteriores en contacto con el aire con inclinación mayor de 60º respecto a la horizontal. Se agrupan en 6 orientaciones. La orientación de una fachada se caracteriza mediante el ángulo α (alfa) entre el norte geográfico y la normal exterior de la fachada, en sentido horario.
• Medianerías: Cerramientos que lindan con otros edificios ya construidos o que se construyan a la vez y que conformen una división común. Si el edificio se construye con posterioridad, el cerramiento se considerará, a efectos térmicos, una fachada.
• Cerramientos en contacto con el terreno: Cerramientos distintos a los anteriores en contacto con el terreno.
• Particiones interiores: Elementos constructivos horizontales o verticales que separan el interior del edificio en diferentes recintos.

Definiciones de Espacios

• Espacio habitable: Formado por uno o varios recintos habitables contiguos con el mismo uso y condiciones térmicas equivalentes, agrupados a efectos de cálculo de demanda energética.
• Espacio no habitable: Formado por uno o varios recintos no habitables contiguos con el mismo uso y condiciones térmicas equivalentes, agrupados a efectos de cálculo de demanda energética.
• Recinto habitable: Recinto interior para uso de personas cuya densidad de ocupación y tiempo de estancia exigen unas condiciones acústicas, térmicas y de salubridad adecuadas. Se consideran recintos habitables:
  • Habitaciones y estancias en edificios residenciales.
  • Aulas, bibliotecas, despachos, en edificios de uso docente.
  • Quirófanos, habitaciones, salas de espera, en edificios de uso sanitario.
  • Oficinas, despachos, salas de reunión, en edificios de uso administrativo.
  • Cocinas, baños, aseos, pasillos y distribuidores, en edificios de cualquier uso.
  • Zonas comunes de circulación en el interior de los edificios.
  • Cualquier otro con un uso asimilable a los anteriores.
• Recinto no habitable: Recinto interior no destinado al uso permanente de personas o cuya ocupación, por ser ocasional o excepcional y por ser bajo el tiempo de estancia, sólo exige unas condiciones de salubridad adecuadas. En esta categoría se incluyen garajes, trasteros, cámaras técnicas y desvanes no acondicionados, y sus zonas comunes.

Propagación del Calor

El calor pasa de cuerpos con mayor temperatura a menor temperatura. Los cuerpos tienen capacidad para transmitir calor desde una superficie a la opuesta y/o al aire que los rodea.

Conducción

El coeficiente de conducción térmica (λ) es específico de cada material y determina el flujo de calor (Q) que pasa a través de un cuerpo homogéneo de un espesor (e) y 1 m² de superficie, durante un tiempo (T) de 1 hora, cuando la diferencia entre sus caras es de 1°C (t):

λ = Qe / TSt

Q_cd = λ S (t1 - t2) / e

Convección

La transmisión de calor se realiza por medio del desplazamiento de las partículas de un fluido (líquido o gas) desde una posición a otra. Al aumentar la temperatura, el fluido aumenta de volumen y disminuye su densidad, generando un movimiento interno hasta las partes más altas de las zonas más calientes. Se define h_c como el coeficiente de convección:

Q_cv = h_c S (t1 - t2)

Radiación

Cuando el calor incide en un cuerpo, cierta cantidad se refleja y otra es absorbida por el mismo. El calor absorbido posteriormente se emitirá en forma de rayos de calor en línea recta (calor radiado):

Q_ra = h_r S (t1 - t2)

Donde h_r es el coeficiente de radiación (W/m²K), que también incluye h_c.

Opción Simplificada y Proceso de Cálculo de Transmitancia

Opción Simplificada:

• Porcentaje de huecos en cada fachada menor o igual al 60%.
• Porcentaje de lucernarios menor al 5% de la superficie total de la cubierta.

Proceso:

1. Identificar la zona climática.
2. Clasificar los espacios.
3. Definir la envolvente térmica.
4. Determinar la transmitancia térmica (U), considerando R_si, R_se = 1/h_e (ver tablas E.1 y E.2).
5. Comprobar que las transmitancias del proyecto no superen los valores máximos (tabla 2.1), dependiendo de la zona climática (A, B, C, D, E). En edificios de viviendas, para particiones interiores que limitan unidades calefactadas y zonas comunes no calefactadas, la transmitancia (U) máxima es de 1.2.
6. Calcular los parámetros característicos medios (U_m) de los cerramientos según su fracción de área respecto del total (ficha 1).
7. Comprobar que dichos parámetros no sean superiores a los máximos según la zona climática (límites) (ficha 2.2).
8. Comprobar el cumplimiento de las limitaciones de permeabilidad al aire de las carpinterías y huecos (tabla 2.3).

Cálculo de la Demanda Energética

Pérdidas por Transmisión (Q_t)

Se cuantifican las pérdidas que se producen a través de todos los cerramientos y huecos en contacto con el ambiente exterior, dependiendo de si hay contigüidad con espacios no calefactados o un salto térmico diferente. Para el terreno:

Q_t = Σ(U S Δt)

Pérdidas por Ventilación (Q_v)

Cuantifica el calor necesario para elevar la temperatura del aire exterior que entra en el local a calefactar a través de:

• Puertas y ventanas exteriores cuando no están cerradas.
• Fisuras y rendijas.
• Renovaciones del aire del local.
• Paredes permeables.

Q_v = V_a Δt C_v 1.163, donde C_v = 0.3

Cálculo de V_a

• Fisuras o rendijas:
  • Si solo hay un parámetro exterior, se consideran todas las rendijas.
  • Si hay más de dos, solo las que presenten mayor longitud de rendija, siempre que este valor sea mayor del 50% de la suma total de la longitud de todas las rendijas.

  V_a = f L, donde L = h + L

• Renovaciones: Se cuantifica el volumen de aire renovado de forma global, según el tipo y uso del local:

  V_ar = V_l n, donde V_l es el volumen del local y n es el número de renovaciones.

  Caudales: Según el CTE (tabla 2.1), se consideran el número de ocupantes, la superficie útil y otros parámetros para obtener el caudal en l/s, que se multiplica por 3.6 para obtener m³/h. Se elige el mayor de los tres valores y se aplica la fórmula de Q_v.

Suplementos (Q_s)

Cuantifica la energía necesaria para alcanzar el régimen estacionario en un tiempo adecuado, teniendo en cuenta:

• Orientación.
• Régimen de funcionamiento.
• Aislamiento o permeabilidad del local.

Permeabilidad media = Q_t / Σ(S Δt), pero solo de los cerramientos que den al exterior.

• S1: Por orientación (ver tabla).
• S2, S3: Por interrupción del servicio y pared fría (ver la misma tabla). Se evalúan uno en función del otro.

F_s = S1 + S2.3

Q_s = %F_s Q_t

Pérdidas Totales

(Q_t + Q_v + Q_s) 1.163 Kcal/h

Posteriormente, se aumenta esta cantidad en un 20% para compensar posibles pérdidas no evaluadas, para la compra de la caldera.

Emisores de Calor

Radiadores

• Fundición: Gran duración, elevada resistencia a la corrosión del hierro, gran inercia térmica, buena radiación. Ventaja: posibilidad de ampliar elementos por fácil unión entre ellos.
• Chapa de acero: Más ligeros, menor inercia térmica, resistencia a la corrosión inferior, menor duración.
• Aluminio: Mucho más ligeros que los anteriores, muy poca inercia térmica, idóneos para calefacción de puesta en obra en régimen rápido, bastante resistentes al agua, pero no a las sales.

Panel Radiante

Formados por chapas de acero estampadas. Se pueden colocar directamente sobre paramentos, sin hornacinas, por su reducido espesor.

Convectores, Tubos con Aletas

Elementos de una Instalación de Calefacción

Bombas

Potencia (CV) = [Q (caudal en l/s) * H_m * densidad del agua (kg/dm³)] / (75 * ρ (0.8))

H_m = Σ(J L) + Σλ

q = Q_total / [Δt (ida - vuelta) * C_e (1) * γ (1)] (l/s)

Calefacción Radiante

El agua circula hasta 45 °C. Los emisores se sustituyen por serpentines de tuberías empotradas en suelos, paredes o techos. Se consigue una gran superficie radiante de calor, aunque a menor temperatura.

Ventajas: Economía de espacio, no hay elementos visibles.

Inconvenientes: Instalación más compleja. En caso de fugas, las repercusiones son muy negativas y costosas.

Dimensionado de la Instalación

1. Calcular el caudal con la fórmula anterior (ver apartado de bombas).
2. Consultar la tabla para pérdidas de carga de 15 o 20 mmca. En el mismo recuadro, la parte superior indica la cantidad de calor y la inferior, la velocidad.

Dimensionado de ida y vuelta:

• Tramo.
• Q (calor).
• Diámetro.
• Velocidad.

Dimensionado del Radiador

1. Consultar la columna correspondiente (2 para 50 °C, 1 para 60 °C) y obtener las kcal/h de un elemento.
2. Dividir el calor de la estancia entre las kcal/h del elemento para obtener el número de elementos.
3. Redimensionar el calor de la estancia: kcal/h del radiador multiplicado por el número de elementos.

Calefacción por Agua Caliente

Sistema Monotubo

Cada elemento dispone de una tubería con dos conexiones (entrada y salida).

Ventajas: Sistema sencillo y económico en material y mano de obra.

Inconvenientes: Regulación compleja (con la misma llave se regulan los flujos de paso al emisor y a los siguientes). Se recomiendan anillos de emisores de 5 a 7 unidades.

Sistema Bitubo

Dos circuitos: ida y vuelta.

Ventajas: Regulación independiente.

Inconvenientes: Mayor coste y mantenimiento.

Elementos de Regulación

Regulan el funcionamiento de la instalación según la temperatura ambiente.

Componentes básicos:

• Válvula motorizada (mezcladora).
• Regulador electrónico de temperatura.
• Reloj programador.

Otros componentes:

• Sonda exterior.
• Sonda interior (termostato).
• Sonda de agua.

Instalaciones de Gas

Unidades

1 atm = 1.033 kg/cm² = 10.33 mmca = 760 mmHg

En edificios, la potencia suele estar entre 0.2 y 2.

Potencia

P_si = (Potencia más grande + Potencia siguiente más grande + Resto/2)

Si no supera los 30 kW, se consideran 30 kW (GGV1).

P_sc = P_si * N (número de viviendas) * S (S1: sin calefacción a gas, S2: con calefacción a gas)

Caudal

Q_si = P_si / P_cs (m³N/h)

Q_sc = P_sc / P_cs

Cálculo del Diámetro

• Pérdida máxima admisible total: 20 mmca.
• Por contador: 5 mmca en viviendas, 10 mmca en instalaciones industriales.
• Para el resto de la instalación: 15 mmca en viviendas, 10 mmca en instalaciones industriales.

Longitud del tramo:

• MPB, MPA: Longitud real * 1.2
• BP: Longitud real * 1.1

Presiones

• Yacimiento: Alta Presión B (APB) > 16 bar.
• Alta Presión A (APA) < 16 bar.
• Consumo:
  • Media Presión B (MPB): > 4 bar y < 16 bar.
  • Media Presión A (MPA): > 0.4 bar y < 4 bar.
  • Baja Presión (BP): > 0.05 bar y <0.4 bar.
• Vivienda: Baja Presión (BP) < 0.05 bar.