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 integrados en el suelo. El calentamiento se consigue por conducción , radiación y convección . El uso de calefacción por suelo radiante se remonta a los períodos Neoglacial y Neolítico .
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 expulsaban el humo de las hogueras a través de trincheras cubiertas de piedra que excavaban en el suelo de sus viviendas subterráneas . El humo caliente calentó las piedras del suelo y el calor se irradió luego a los espacios habitables. Estas primeras formas han evolucionado hasta convertirse en sistemas modernos que utilizan tuberías llenas de fluido o cables y esteras eléctricos. A continuación se muestra una descripción cronológica de la calefacción por suelo radiante de todo el mundo.
Los sistemas modernos de calefacción por suelo radiante utilizan elementos de resistencia eléctrica ("sistemas eléctricos") o fluido que fluye por tuberías (" sistemas hidrónicos ") para calentar el suelo. Cualquiera de los dos tipos puede instalarse como sistema de calefacción principal para todo el edificio o como calefacción por suelo radiante localizada para lograr confort térmico. Algunos sistemas permiten calentar habitaciones individuales cuando forman parte de un sistema más grande de varias habitaciones, evitando el desperdicio de calor. La resistencia eléctrica sólo se puede utilizar para calentar; cuando también se requiere refrigeración del espacio, 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, caminos de acceso y pistas de aterrizaje, acondicionamiento del césped de campos de fútbol y fútbol y prevención de heladas en congeladores y pistas de patinaje. Hay disponible una gama de sistemas y diseños de calefacción por suelo radiante que se adaptan a diferentes tipos de suelo. [22] Algunos sistemas de calefacción por suelo radiante están diseñados para colocarse dentro de la construcción del suelo con las tuberías incrustadas dentro de una solera debajo del revestimiento del suelo, normalmente utilizado en ampliaciones o construcciones nuevas, mientras que otros sistemas de calefacción por suelo radiante se pueden instalar directamente encima de un suelo existente. suelo (siempre que esté nivelado y estable) mediante paneles autoadhesivos en los que se colocan las tuberías y se vierte una solera autonivelante, una solución popular para proyectos de modernización. [23]
Los elementos calefactores eléctricos o las tuberías hidrónicas se pueden fundir en una losa de concreto ("sistema de piso vertido" o "sistema húmedo"). También se pueden colocar debajo del revestimiento del suelo ("sistema seco") o fijarse 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 concreto y la temperatura ambiente aumentan o disminuyen dentro del rango de comodidad deseado. Estos sistemas se conocen como sistemas de construcción activados térmicamente o TABS. [24] [25]
Los términos calefacción radiante y refrigeración radiante se utilizan habitualmente para describir este enfoque porque la radiación es responsable de una parte importante del confort térmico resultante, pero este uso es técnicamente correcto sólo cuando la radiación constituye más del 50 % del intercambio de calor entre el suelo y el suelo. resto del espacio. [26]
Los sistemas hidrónicos utilizan agua o una mezcla de agua y anticongelante como propilenglicol [27] como fluido de transferencia de calor en un "circuito cerrado" que se recircula entre el piso y la caldera.
Hay varios tipos de tuberías disponibles específicamente para sistemas hidrónicos de calefacción y refrigeración por suelo radiante y generalmente están hechas de polietileno, incluidos PEX , PEX-Al-PEX y PERT. 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 y familiarizados con calderas, circuladores, controles, presiones de fluidos y temperatura. El uso de subestaciones modernas ensambladas en fábrica, utilizadas principalmente en calefacción y refrigeración urbanas , 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 utilizar una única fuente o una combinación de fuentes de energía para ayudar a gestionar los costos de energía. Las opciones de fuente de energía del sistema hidrónico son:
Los sistemas eléctricos se utilizan únicamente para calefacción y emplean elementos calefactores flexibles y no corrosivos, incluidos cables, esteras de cables preformadas, mallas de bronce y películas de carbono. Por su bajo perfil se pueden instalar en masa térmica o directamente bajo acabados de piso. Los sistemas eléctricos también pueden aprovechar la medición de electricidad según el tiempo de uso y se utilizan con frecuencia como calentadores de alfombras, calentadores portátiles debajo de alfombras, calentadores debajo de pisos laminados, calefacción debajo de baldosas, calefacción debajo de pisos de madera y sistemas de calentamiento de pisos, incluso debajo de la ducha. Calefacción por suelo y asientos. Los grandes sistemas eléctricos también requieren diseñadores y comerciantes cualificados, pero esto es menos necesario para los sistemas pequeños de calefacción por suelo radiante. Los sistemas eléctricos utilizan menos componentes y son más sencillos de instalar y poner en marcha que los sistemas hidrónicos. Algunos sistemas eléctricos utilizan tecnología de voltaje de línea, mientras que otros utilizan tecnología de bajo voltaje. El consumo de energía de un sistema eléctrico no se basa en el voltaje sino en la potencia producida por el elemento calefactor.
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 está influenciado por la temperatura de la superficie del suelo y los elementos asociados, como la asimetría radiante, la temperatura radiante media y la temperatura operativa . 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, 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, lo que da como resultado una percepción de confort térmico. Esta sensación general de confort se ve reforzada aún más por conducción (pies en el suelo) y por convección por la influencia de la superficie sobre la densidad del aire . La refrigeración por suelo radiante funciona absorbiendo tanto la radiación de onda corta como la de onda larga, lo que da como resultado superficies interiores frescas. Estas superficies frías fomentan la pérdida de calor corporal, lo que da como resultado una percepción de confort refrescante. Las molestias localizadas debidas a pisos fríos y calientes con calzado normal y medias se abordan en las normas ISO 7730 y ASHRAE 55 y en los manuales de fundamentos de ASHRAE y pueden corregirse o regularse con sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante.
La calefacción por suelo radiante puede tener un efecto positivo en la calidad del aire interior al facilitar la elección de materiales que de otro modo se percibirían como fríos, como baldosas, pizarra, terrazo y hormigón. Estas superficies de mampostería suelen tener emisiones de COV ( compuestos orgánicos volátiles ) muy bajas 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 moho , bacterias , virus y ácaros del polvo . [28] [29] Al eliminar la carga de calefacción sensible de la carga total de HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado), la ventilación , filtración y deshumidificación del aire entrante se pueden lograr con sistemas de aire exterior dedicados que tengan menos rotación volumétrica para mitigar la distribución. de contaminantes en el aire. La comunidad médica reconoce los beneficios de la calefacción por suelo radiante, especialmente en lo que se refiere a los alérgenos. [30] [31]
La sostenibilidad de los sistemas radiantes bajo suelo se evalúa mediante los principios de eficiencia , entropía , exergía [32] y eficacia . Cuando se combinan con edificios de alto rendimiento, los sistemas bajo piso funcionan con bajas temperaturas en calefacción y altas temperaturas en refrigeración [33] en los rangos que se encuentran típicamente en los sistemas geotérmicos [34] y solares térmicos . Cuando se combinan 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 y la generación de energía para bombas de calor [35] y enfriadores , así como una reducción de la demanda de productos no renovables y mayores inventarios. para las generaciones futuras. Esto ha sido respaldado mediante evaluaciones de simulación [36] [37] [38] [39] y mediante investigaciones financiadas por el Departamento de Energía de EE. UU., [40] [41] Canada Mortgage and Housing Corporation, [42] Fraunhofer Institute ISE [43 ] así como ASHRAE. [44]
La calefacción por suelo radiante de baja temperatura se integra 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 supone un riesgo de lesiones físicas debido a un contacto accidental que provoque tropiezos y caídas. Esto se ha referido como una característica positiva en los centros de atención médica , incluidos aquellos que atienden a clientes de edad avanzada y personas con demencia . [45] [46] [47] Como anécdota, en condiciones ambientales similares, los pisos calentados acelerarán la evaporación de los pisos mojados (ducha, 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 remotamente 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 necesaria ]
Los sistemas eléctricos de calefacción por suelo radiante provocan campos magnéticos de baja frecuencia (en el rango de 50 a 60 Hz), los sistemas antiguos de 1 hilo mucho más que los sistemas modernos de 2 hilos. [48] [49] La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) ha clasificado los campos magnéticos estáticos y de baja frecuencia como posiblemente cancerígenos (Grupo 2B). [50]
El mantenimiento y la reparación del equipo son los mismos que para otros sistemas HVAC basados en agua o electricidad , excepto cuando las tuberías, cables o tapetes están incrustados en el piso. Los primeros juicios (por ejemplo, las casas construidas por Levitt y Eichler, c. 1940-1970) experimentaron fallas en los sistemas de tuberías integradas de cobre y acero, así como fallas asignadas por los tribunales a Shell, Goodyear y otros para materiales de polibutileno y EPDM . [51] [52] También ha habido algunas reclamaciones publicitadas sobre paneles de yeso con calefacción eléctrica fallidos desde mediados de la década de 1990. [53]
Las fallas asociadas con la mayoría de las instalaciones son atribuibles 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 concreto [54] y las pautas de buenas prácticas [55] para el diseño, construcción, operación y reparación de sistemas de calefacción y refrigeración radiantes mitigan los problemas resultantes de una instalación y operación inadecuadas.
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 severos, como plataformas 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 construcción de losas de concreto nuevas y la construcción de nuevas vigas debajo del piso, así como para la modernización (de vigas). Dado que los materiales se producen a partir de polietileno y sus enlaces están reticulados, es altamente resistente a la corrosión o a las tensiones de temperatura y presión asociadas con los sistemas HVAC típicos a base de fluidos. [56] 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 la temperatura máxima del agua o fluido, etc.
La ingeniería de los sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante se rige por normas y directrices de la industria. [57] [58] [notas 2]
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 por convección con los sistemas de suelo radiante es mucho mayor cuando el sistema funciona en modo calefacción en lugar de modo refrigeración. [59] Normalmente, con calefacción por suelo radiante, el componente convectivo es casi el 50% de la transferencia total de calor y, en refrigeración por suelo radiante, el componente convectivo es inferior al 10%. [60]
Cuando las tuberías o cables calefactores calentados y refrigerados comparten los mismos espacios que otros componentes del edificio, puede producirse una transferencia de calor parásita entre aparatos de refrigeración, áreas de almacenamiento en frío, líneas de agua fría doméstica, aire acondicionado y conductos de ventilación. Para controlar esto, las tuberías, cables y otros componentes del edificio deben estar bien aislados.
Con la refrigeración por suelo radiante, es posible que se acumule condensación en la superficie del suelo. Para evitar esto, la humedad del aire se mantiene baja, por debajo del 50 %, y la temperatura del suelo se mantiene por encima del punto de rocío , 19 °C (66 F). [61]
Los sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante pueden tener varios puntos de control, incluida la gestión de:
Se ilustra un esquema mecánico simplificado de un sistema de calefacción y refrigeración por suelo radiante para la calidad del confort térmico [66] con un sistema de tratamiento de aire independiente para la calidad del aire interior . [67] [68] En casas 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 sistema de tres o cuatro baño pieza.
El modelado de patrones de tuberías radiantes (también tubos o bucles) con análisis de elementos finitos (FEA) predice las difusiones térmicas y la calidad o eficacia de la temperatura de la superficie de varios diseños de bucles. 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 del piso, las conductividades de la masa circundante, los espacios entre los tubos, las profundidades y las temperaturas de los fluidos. Al igual que con todas las simulaciones FEA, representan una instantánea en el tiempo para un conjunto específico y pueden no ser representativas de todos los conjuntos de piso ni de sistemas que han estado operativos durante un tiempo considerable en condiciones de estado estable. La aplicación práctica de FEA para el ingeniero es poder evaluar cada diseño en cuanto a temperatura del fluido, pérdidas de retorno y calidad de la temperatura de la superficie. A través de varias iteraciones es posible optimizar el diseño para la temperatura de fluido más baja en calefacción y la temperatura de fluido más alta en refrigeración, lo que permite que los equipos de combustión y compresión alcancen su máximo rendimiento de eficiencia nominal.
Existe una amplia gama de precios para los sistemas bajo piso según las diferencias regionales, los materiales, la aplicación y la complejidad del proyecto. Es ampliamente adoptado en las comunidades nórdicas , asiáticas y europeas . 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 único circulador compacto y un pequeño calentador de condensación controlado sin o con control básico de reinicio de agua caliente [69] . Los sistemas económicos basados en resistencia eléctrica 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 del edificio para regular el uso de energía y controlar el ambiente interior general.
Los sistemas de calefacción radiante de baja temperatura y refrigeración radiante de alta temperatura se prestan bien a los sistemas de energía de distrito (sistemas comunitarios) debido a las diferencias de temperatura entre la planta y los edificios que permiten redes de distribución aisladas de pequeño diámetro 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 urbana alcance la máxima eficiencia. Los principios detrás de la energía urbana con sistemas bajo suelo también se pueden aplicar a edificios independientes de varios pisos con los mismos beneficios. [70] Además, los sistemas radiantes bajo el suelo son ideales para fuentes de energía renovables, incluidos los sistemas geotérmicos y solares térmicos o cualquier sistema donde el calor residual sea recuperable.
En el impulso global hacia la sostenibilidad , la economía a largo plazo respalda la necesidad de eliminar, cuando sea 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 la refrigeración por suelo radiante son muy adecuadas. [ aclarar ] [ cita necesaria ]
El análisis de la eficiencia del sistema y el 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 entre tubos/elementos y la profundidad del panel radiante, las temperaturas del fluido operativo y la eficiencia del cable al agua de los circuladores. [71] La eficiencia en los sistemas eléctricos se analiza mediante procesos similares e incluye la eficiencia de la generación de electricidad .
Aunque la eficiencia de los sistemas radiantes es un tema de debate constante y no faltan afirmaciones anecdóticas y artículos científicos que presentan ambas partes, las bajas temperaturas del fluido de retorno en calefacción y las altas temperaturas del fluido de retorno en refrigeración permiten que las calderas de condensación, [72] los enfriadores [73] y el calor bombas [74] para operar en o cerca de su rendimiento máximo diseñado . [75] [76] La mayor eficiencia del flujo 'cable a agua' versus 'cable a aire' debido a la capacidad calorífica significativamente mayor del agua favorece los sistemas basados en fluidos sobre los sistemas basados en aire. [77] 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 señalados anteriormente. [78] [79]
En casas pasivas , casas R-2000 o edificios de energía neta cero, las bajas temperaturas de los sistemas de calefacción y refrigeración radiantes presentan importantes oportunidades para explotar la exergía . [80]
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 suelos alfombrados necesitan funcionar a temperaturas internas más altas que las baldosas, lo que puede generar menores eficiencias para calderas y bombas de calor. Sin embargo, cuando se conoce el revestimiento del piso en el momento de instalar 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 piso que no son habitaciones). [81]
La emisividad , reflectividad y absortividad 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 las superficies de los pisos sin pulir tienen una emisividad muy alta (0,85 a 0,95) y, por lo tanto, son buenos radiadores de calor . [82]
En el caso de calefacción y refrigeración por suelo radiante ("suelos reversibles"), las superficies de suelo con alta absorbancia y emisividad y baja reflectividad son las más deseables.
La termografía es una herramienta útil para ver la eficacia térmica real de un sistema bajo piso desde su inicio (como se muestra) hasta sus condiciones de operación. En una puesta en marcha, es fácil identificar la ubicación del tubo, pero no lo es tanto 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 no representar las condiciones estables. Por ejemplo, las superficies vistas 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 " Siente las tuberías. La termografía también puede señalar fallas en los cerramientos del edificio (imagen de la izquierda, detalle de la intersección de las esquinas), puentes térmicos (imagen de la derecha, vigas) y las pérdidas de calor asociadas con las puertas exteriores (imagen del centro).
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