La calefacción y refrigeración por suelo radiante es una forma de calefacción y refrigeración central que consigue un control del clima interior para lograr un confort térmico mediante elementos de calefacción hidrónicos o eléctricos integrados en el suelo. La calefacción se consigue por conducción , radiación y convección . El uso de la calefacción por suelo radiante se remonta a los periodos neoglacial y neolítico .
La calefacción por suelo radiante tiene una larga historia que se remonta a los periodos neoglacial y neolítico . Las excavaciones arqueológicas en Asia y en las islas Aleutianas de Alaska revelan cómo los habitantes aspiraban el humo de las hogueras a través de zanjas cubiertas de piedra que excavaban en los suelos de sus viviendas subterráneas . El humo caliente calentaba las piedras del suelo y el calor se irradiaba a los espacios habitables. Estas formas primitivas han evolucionado hasta convertirse en sistemas modernos que utilizan tuberías llenas de líquido o cables y esteras eléctricas. A continuación se presenta una descripción cronológica de la calefacción por suelo radiante en todo el mundo.
Los sistemas de calefacción por suelo radiante modernos utilizan elementos de resistencia eléctrica ("sistemas eléctricos") o fluido que fluye por tuberías (" sistemas hidrónicos ") para calentar el suelo. Cualquiera de estos tipos se puede instalar como sistema de calefacción principal para todo el edificio o como calefacción por suelo radiante localizada para lograr un confort térmico. Algunos sistemas permiten calentar habitaciones individuales cuando forman parte de un sistema más grande para varias habitaciones, lo que evita el desperdicio de calor. La resistencia eléctrica solo se puede utilizar para calefacción; 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 la fusión de nieve/hielo para caminos, entradas de vehículos y pistas de aterrizaje, el acondicionamiento del césped de campos de fútbol y fútbol americano y la prevención de heladas en congeladores y pistas de patinaje. Hay una variedad de sistemas y diseños de calefacción por suelo radiante disponibles para adaptarse a diferentes tipos de suelos. [22] Algunos sistemas de calefacción por suelo radiante están diseñados para colocarse dentro de la construcción del piso con las tuberías empotradas dentro de una capa debajo del revestimiento del piso, generalmente se usan en ampliaciones o nuevas construcciones, mientras que otros sistemas de calefacción por suelo radiante se pueden instalar directamente sobre un piso existente (siempre que esté nivelado y estable) utilizando paneles autoadhesivos en los que se colocan las tuberías y se vierte una capa autonivelante, una solución popular para proyectos de modernización. [23]
Los elementos de calefacción eléctricos o las tuberías hidrónicas se pueden colocar en una losa de hormigón ("sistema de piso vertido" o "sistema húmedo"). También se pueden colocar debajo del revestimiento del piso ("sistema seco") o fijar directamente a un contrapiso de madera ("sistema de contrapiso" o "sistema seco").
Algunos edificios comerciales están diseñados para aprovechar la masa térmica que se calienta o enfría durante las horas de menor demanda, 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 edificios activados térmicamente o TABS (por sus siglas en inglés). [24] [25]
Los términos calefacción radiante y refrigeración radiante se utilizan 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 suelo y el 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.
Existen varios tipos de tuberías disponibles específicamente para sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante hidrónico y, por lo general, están hechas de polietileno, como 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 técnicos expertos familiarizados con calderas, circuladores, controles, presiones de fluidos y temperatura. El uso de subestaciones modernas ensambladas en fábrica, que se utilizan 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 sola fuente o una combinación de fuentes de energía para ayudar a controlar los costos de energía. Las opciones de fuentes de energía para sistemas hidrónicos son:
La calefacción por suelo radiante es especialmente adecuada cuando la fuente de energía es una bomba de calor, porque la calefacción por suelo radiante utiliza temperaturas de agua más bajas que los sistemas que utilizan radiadores , lo que mejora la eficiencia de la bomba de calor. [28]
Los sistemas eléctricos se utilizan únicamente para calefacción y emplean elementos calefactores flexibles y no corrosivos, incluidos cables, esteras de cables preformadas, malla de bronce y películas de carbono. Debido a su bajo perfil, se pueden instalar en una masa térmica o directamente debajo de los acabados del piso. Los sistemas eléctricos también pueden aprovechar la medición de electricidad por 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 calefacción de pisos, incluida la calefacción debajo del piso de la ducha y del asiento. Los sistemas eléctricos grandes también requieren diseñadores y comerciantes capacitados, pero esto es menos así para los sistemas de calefacción de pisos pequeños. Los sistemas eléctricos utilizan menos componentes y son más simples de instalar y poner en funcionamiento 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 de salida producida por el elemento calefactor.
Según la definición de la Norma ANSI/ASHRAE 55 – Condiciones ambientales térmicas para la ocupación humana, el confort térmico es “el estado mental que expresa satisfacción con el entorno térmico y se evalúa mediante una evaluación subjetiva”. En relación específicamente con la calefacción por suelo radiante, el confort térmico se ve influenciado por la temperatura de la superficie del suelo y elementos asociados, como la asimetría radiante, la temperatura radiante media y la temperatura operativa . Las investigaciones de Nevins, Rohles, Gagge, P. Ole Fanger et al. muestran que los seres humanos en reposo con ropa típica de oficina y hogar liviana 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 mejora aún más mediante la conducción (pies en el suelo) y mediante la convección por la influencia de la superficie en la densidad del aire . La refrigeración por suelo radiante funciona absorbiendo la radiación de onda corta y de onda larga, lo que da como resultado superficies interiores frías. Estas superficies frías fomentan la pérdida de calor corporal, lo que da como resultado una percepción de confort refrescante. Las normas ISO 7730 y ASHRAE 55 y los manuales de fundamentos de ASHRAE abordan la incomodidad localizada debida a suelos fríos y cálidos con calzado normal y medias, y se puede corregir o regular 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 de suelo 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 suelos . Junto con el control de la humedad , la calefacción por suelo radiante también establece condiciones de temperatura que son menos favorables para el desarrollo de moho , bacterias , virus y ácaros del polvo . [29] [30] Al eliminar la carga de calefacción sensible 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 una menor renovación volumétrica para mitigar la distribución de contaminantes transportados por el aire. Existe un reconocimiento por parte de la comunidad médica en relación con los beneficios de la calefacción por suelo radiante, especialmente en lo que se refiere a los alérgenos. [31] [32]
Los sistemas de suelo radiante se evalúan en cuanto a su sostenibilidad a través de los principios de eficiencia , entropía , exergía [33] 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 [34] en los rangos que se encuentran típicamente en los sistemas geotérmicos [35] 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 [36] y enfriadores , así como una menor demanda de energías no renovables y mayores inventarios para las generaciones futuras. Esto ha sido respaldado mediante evaluaciones de simulación [37] [38] [39] [40] y mediante investigaciones financiadas por el Departamento de Energía de los EE. UU., [41] [42] la Corporación Hipotecaria y de Vivienda de Canadá, [43] el Instituto Fraunhofer ISE [44] así como ASHRAE. [45]
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 al contacto accidental que provoca tropiezos y caídas. Esto se ha mencionado como una característica positiva en los centros de atención sanitaria , incluidos los que atienden a clientes de edad avanzada y personas con demencia . [46] [47] [48] De manera anecdótica, en condiciones ambientales similares, los suelos calefactados acelerarán la evaporación de los suelos 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 de combustión y eléctricos pueden ubicarse lejos 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 ambiente, en particular cuando se utiliza alfombra como suelo. [ cita requerida ]
Los sistemas de calefacción por suelo radiante eléctrico generan campos magnéticos de baja frecuencia (en el rango de 50 a 60 Hz), mucho más en los antiguos sistemas de 1 cable que en los modernos de 2 cables. [49] [50] La Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC) ha clasificado los campos magnéticos estáticos y de baja frecuencia como posiblemente cancerígenos (Grupo 2B). [51]
El mantenimiento y la reparación de los equipos son iguales que los de otros sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado basados en agua o electricidad , excepto cuando las tuberías, los cables o las esteras están incrustados en el suelo. Los primeros juicios (por ejemplo, las casas construidas por Levitt y Eichler, c. 1940-1970) experimentaron fallas en los sistemas de tuberías de cobre y acero incrustados, así como fallas asignadas por los tribunales a Shell, Goodyear y otros por materiales de polibutileno y EPDM . [52] [53] También ha habido algunas reclamaciones publicadas de paneles de yeso calentados eléctricamente que fallaron desde mediados de la década de 1990. [54]
Las fallas asociadas con la mayoría de las instalaciones se pueden atribuir a negligencia en el lugar de trabajo, errores de instalación y manipulación incorrecta del producto, como la exposición a la radiación ultravioleta. Las pruebas de presión previas al vertido requeridas por las normas de instalación de hormigón [55] y las pautas de buenas prácticas [56] para el diseño, la construcción, el funcionamiento y la reparación de los sistemas de calefacción y refrigeración radiantes mitigan los problemas resultantes de una instalación y un funcionamiento inadecuados.
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 en climas fríos severos, como cubiertas de puentes, plataformas de hangares de aeronaves y plataformas de aterrizaje. El PEX se ha convertido en una opción popular y confiable para el uso en el hogar para la construcción de losas de hormigón nuevas y la construcción de vigas nuevas 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 basados en fluidos típicos. [57] Para la confiabilidad del 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 el fluido, etc.
La ingeniería de los sistemas de calefacción y refrigeración por suelo radiante se rige por las normas y directrices de la industria. [58] [59] [notas 2]
La cantidad de calor intercambiada 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 sistemas de suelo radiante es mucho mayor cuando el sistema funciona en modo de calefacción en lugar de en modo de refrigeración. [60] Normalmente, con la calefacción por suelo radiante, el componente convectivo es casi el 50% de la transferencia de calor total y, en la refrigeración por suelo radiante, el componente convectivo es menos del 10%. [61]
Cuando las tuberías de calefacción y refrigeración o los cables de calefacción 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 para uso doméstico, 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, puede acumularse condensación en la superficie del suelo. Para evitarlo, la humedad del aire se mantiene baja, por debajo del 50 %, y las temperaturas del suelo se mantienen por encima del punto de rocío , 19 °C (66 °F). [62]
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 una calidad de confort térmico [67] con un sistema de manejo de aire separado para la calidad del aire interior . [68] [69] En viviendas residenciales de alto rendimiento de tamaño moderado (por ejemplo, menos de 3000 pies cuadrados (278 m2 ) de superficie total acondicionada), este sistema que utiliza aparatos de control hidrónico fabricados ocuparía aproximadamente el mismo espacio que un baño de tres o cuatro piezas.
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 espaciamientos de los tubos, las profundidades y las temperaturas de los fluidos. Al igual que con todas las simulaciones de FEA, representan una instantánea en el tiempo para un conjunto específico y pueden no ser representativas de todos los conjuntos de pisos 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 cada diseño para la temperatura del fluido, las pérdidas de retorno y la calidad de la temperatura de la superficie. A través de varias iteraciones, es posible optimizar el diseño para la temperatura del fluido más baja en calefacción y la temperatura del fluido más alta en refrigeración, lo que permite que el equipo de combustión y compresión alcance su rendimiento de eficiencia nominal máximo.
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. Se ha adoptado ampliamente 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 cuota 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 radiador junto con un único circulador compacto y un pequeño calentador de condensación controlado con o sin control básico de reinicio de agua caliente [70] . 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 lidiar con las necesidades de refrigeración y calefacción, y a menudo requieren 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 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 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 de distrito alcance la máxima eficiencia. Los principios detrás de la energía de distrito con sistemas de suelo radiante también se pueden aplicar a edificios independientes de varios pisos con los mismos beneficios. [71] Además, los sistemas radiantes de suelo radiante son ideales para fuentes de energía renovables , incluidos los sistemas geotérmicos y solares térmicos o cualquier sistema en el que el calor residual sea recuperable.
En el esfuerzo mundial por lograr la sostenibilidad , la economía a largo plazo respalda la necesidad de eliminar, siempre que sea posible, la compresión para la refrigeración y la combustión para la calefacción. Entonces será necesario utilizar fuentes de calor de baja calidad para las que la calefacción y refrigeración por suelo radiante son adecuadas. [ aclarar ] [ cita requerida ]
El análisis de la eficiencia del sistema y del 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 los tubos/elementos y la profundidad del panel radiante, las temperaturas del fluido operativo y la eficiencia de los cables al agua de los circuladores. [72] 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 objeto de constante debate y no faltan 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 que las calderas de condensación, [73] enfriadores [74] y bombas de calor [75] funcionen en o cerca de su rendimiento de ingeniería máximo . [76] [77] La mayor eficiencia del flujo "cable a agua" en comparación con el "cable a aire" debido a la capacidad térmica significativamente mayor del agua favorece a los sistemas basados en fluidos sobre los sistemas basados en aire. [78] Tanto la aplicación de campo como la investigación de simulación han demostrado ahorros significativos de energía eléctrica con refrigeración radiante y sistemas de aire exterior dedicados basados en parte en los principios mencionados anteriormente. [79] [80]
En las casas pasivas , las viviendas R-2000 o los edificios de energía neta cero, las bajas temperaturas de los sistemas de calefacción y refrigeración radiantes presentan oportunidades significativas para explotar la exergía . [81]
La eficiencia del sistema también se ve afectada por el revestimiento del piso que sirve como capa límite de radiación entre la masa del piso y los ocupantes y otros contenidos del espacio acondicionado. Por ejemplo, las alfombras tienen una mayor resistencia o una conductancia menor que las baldosas. Por lo tanto, los pisos alfombrados deben funcionar a temperaturas internas más altas que las baldosas, lo que puede generar eficiencias menores para las calderas y las 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 dado se puede lograr a través del 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 de la habitación). [82]
La emisividad , reflectividad y capacidad de absorción de la superficie de un suelo son determinantes críticos de su intercambio de calor con los ocupantes y la habitación. Los materiales y tratamientos de superficies de suelos sin pulir tienen una emisividad muy alta (entre 0,85 y 0,95) y, por lo tanto, son buenos radiadores de calor . [83]
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 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 de los tubos, pero no tanto a medida que el sistema pasa a una condición de estado estable . Es importante interpretar las imágenes termográficas correctamente. 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 que se ven en las imágenes mostradas pueden parecer "calientes", pero en realidad están por debajo de la temperatura nominal de la piel y las temperaturas centrales 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 de la izquierda, detalle de la intersección de la esquina), puentes térmicos (imagen de la derecha, montantes) y las pérdidas de calor asociadas con las puertas exteriores (imagen central).
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