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Características y ventajas de las instalaciones radiantes en edificación
SOSTENIBILIDAD Y EFICIENCIA ENERGÉTICA
SISTEMAS RADIANTES DE CLIMATIZACIÓN EN EDIFICIOS NZEB: CONFORT TÉRMICO Y EFICIENCIA
123RF
� Dr. Fco. Javier Rey
Martínez
Catedrático de la Escuela de Ingeniería Industrial de UVa � Dr. Javier M. Rey
Hernández
Profesor contratado doctor en la Escuela Politécnica Superior (UEMC)
Dado que el sector de la edificación en la UE representa más del 40% del consumo medio de la energía final de todos los estados miembros, es evidente que el fomento de la eficiencia energética constituye una importante base en el conjunto de políticas y medidas necesarias para cumplir el EU Green Deal. Uno de los sistemas de climatización para el acondicionamiento térmico de los edificios nZEB, tanto nuevos como ya existentes, son los sistemas radiantes.
La Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo define “edificio de consumo de energía casi nulo” (nZEB) como un edificio con un nivel de eficiencia energética muy alto, donde la cantidad casi nula o muy baja de energía requerida debería estar cubierta, en muy amplia medida, por energía procedente de fuentes renovables. En España, el Código Técnico, Documento Básico DB-HE “Ahorro de Energía”, aprobado en diciembre de 2019, considera como edificio de consumo de energía casi nulo, nZEB, aquel que cumple los valores límites del indicador de consumo de energía primaria no renovable y consumo de energía primaria total. Como hemos comentado, uno de los sistemas de climatización para el acondicionamiento térmico de los edificios nZEB son los sistemas radiantes. Se puede definir el sistema de superficie radiante como “sistema de calefacción/refrigeración por el suelo, techo o paredes en el que los tubos de plástico que transportan agua como fluido calefactor/refrescante están ocultos bajo dicha superficie”. Los sistemas más utilizados son el suelo radiante para proporcionar calefacción, techo frío para refrigeración y suelo radiante/refrescante cuando puede proporcionar calefacción en invierno y refrigeración en verano.
PRINCIPALES VENTAJAS
Las principales ventajas que presentan los sistemas radiantes en climatización son: l Consiguen un elevado confort térmico. l Los elementos emisores radiantes no ocupan espacio en las zonas del edificio a climatizar. l Permiten utilizar fluidos caloportadores con niveles térmicos bajos para calefacción y niveles térmicos altos para refrigeración, que se pueden alcanzar con sistemas de generación térmica más respetuosos con el medio ambiente y mediante energías renovables. l El consumo energético es más reducido que el de otros sistemas de climatización convencionales, por lo que hacen que sean una de las alternativas técnicas más contempladas en la actualidad. l Sistemas de climatización sostenibles y permiten alcanzar en el edificio un elevado nivel de descarbonización.
Las instalaciones radiantes que se realizan en los edificios son de dos tipos: la superficie radiante eléctrica y la superficie radiante por agua caliente o fría. � La superficie radiante eléctrica es un sistema de calefacción eléctrica consistente en un conductor eléctrico (hilo radiante) alojado en el suelo, generando la energía mediante efecto Joule. Puede aprovechar la inercia térmica del suelo, por sus características de operación dispone de un sistema de control muy sencillo y es de fácil instalación, pero presenta los inconvenientes comunes al resto de los sistemas de calefacción eléctrica que utilizan el efecto Joule para la generación de energía térmica. � Los sistemas radiantes activados por agua caliente o fría, que son los más habituales en este tipo de instalaciones, se utilizan para el calentamiento/refrigeración de locales de edificios. Cuando se utiliza agua caliente, se conocen con el nombre de calefacción radiante. La misma aplicación, pero utilizando agua fría en el sistema de distribución por suelo o techo, se conoce como suelo refrescante o techo frío. Estos sistemas se basan en controlar la temperatura de alguna de las superficies internas de un edificio, suelo, techo o pared. Tienen como objetivo contrarrestar el calor o frío que penetra, transmitiéndose a través de los cerramientos del edificio, a través de renovaciones e infiltraciones del aire exterior, por generación interna de calor, y por ganancia radiante de origen solar. La superficie establece los intercambios de calor por radiación con el cuerpo humano y con el resto de superficies dentro de ese espacio, contrarrestando de esta manera, las cargas internas del local. Asimismo, existirá un intercambio de calor convectivo entre la superficie y el aire ambiente. Ofrece la posibilidad de calentar agua a baja temperatura, mediante una caldera de Gas Natural (GN) de condensación o por fuente de energía renovables como caldera de biomasa, bomba de calor aire/agua, agua/agua geotérmica y energía solar térmica. También ofrece la posibilidad de enfriar agua a alta temperatura mediante una máquina frigorífica condensada por aire o por agua. Este agua se hace circular vía tuberías de plástico embutidas en las superficies, con apoyo de bombas hidráulicas. Con ello se permite el uso de esta tecnología para la climatización, manifestándose como una calefacción o refrigeración muy confortable, de bajo consumo energético y sostenible, alcanzando un alto nivel de descarbonización del edificio. La posibilidad de usar la misma red de tuberías dentro del pavimento para calefacción y refrigeración por radiación hace que este sistema de climatización integrado sea cada vez más interesante. Desde el punto de vista práctico, son más fáciles de utilizar los sistemas radiantes por suelo o techo que el de paredes, ya que estos sistemas presentan como inconveniente que no pueden quedar cubiertos con muebles u otros elementos. El techo radiante es algo menos eficiente dado que las tuberías no se embuten en el mortero, sino que se montan en una cámara de aire, que es la que intercambia calor con el material de construcción, y el intercambio de calor mediante el mecanismo convectivo es más desfavorable. No obstante, en algunos locales específicos la utilización de techos radiantes es una de las pocas soluciones que se puede utilizar para el aporte de calor. Por el contrario, los sistemas de techos fríos proporcionan un mejor comportamiento que el suelo refrescante a causa del intercambio de calor radiante. El intercambio convectivo es mejor, pues el aire frío desciende por la zona ocupada.
Tres tipologías fundamentales
La mayoría de diseños de sistemas radiantes responden a tres tipologías fundamentales: � Paneles radiantes sobre los que se dispone una malla de conductos de agua y que son incorporados en los falsos techos o instalados mediante configuraciones colgantes. Habitualmente se trata de superficies metálicas (aluminio preferentemente) o placas de yeso. Disponen, además, de una capa de aislamiento en la parte posterior para reducir las pérdidas de calor. Se aplican fundamentalmente en techos de grandes espacios abiertos de oficinas, almacenes, etc., o como sistemas de apoyo de sistemas embebidos para permitir un comportamiento dinámico más rápido. � Sistemas superficiales embebidos montados sobre la estructura del edificio, pero desacoplados térmicamente de esta. Existen distintas variantes en función de la composición de las capas del sistema, y la posición de los tubos. Las configuraciones más habituales
son aquellos sistemas de suelo, con los tubos embebidos en una capa niveladora de mortero, o bien colocados directamente sobre el aislante bajo dicha capa. � Elementos estructurales activados (Thermal Activated Builiding Systems, TABS), basados en conductos de agua, embebidos directamente en la propia estructura edificatoria, lo cual provoca un fuerte acoplamiento térmico entre sistema y edificio. Sus características permiten separar la producción y la demanda energética, empleando la estructura como elemento de almacenamiento térmico. Esta gran inercia térmica es aprovechada para reducir los picos de demanda y optimizar las prestaciones de eficiencia en los sistemas de generación.
En cualquier caso, todos los conceptos presentados anteriormente se rigen por los mismos fenómenos físicos, en los que a la transferencia de calor desde las superficies radiantes hacia el ambiente ocupado se refiere. En este sentido, de uno u otro modo se dispone de una superficie fría o caliente en el suelo, techo, o paredes del habitáculo que, en función de su temperatura y de las condiciones de su entorno (tanto del aire como del resto de superficies), proporciona una determinada capacidad de disipación térmica. Según la norma europea EN 15377-1, es posible considerar una curva característica para determinar la energía transferida por una configuración determinada, independientemente de la tipología de sistema considerada. Los valores de potencia de calefacción o disipación obtenidos de la curva pueden emplearse posteriormente para el cálculo de otros parámetros de diseño particulares del sistema radiante concreto (posición del mallado de tubo, diámetro de tubo, espaciado entre tubos, etc.). La metodología de dimensionado de estos sistemas se presenta en la DTIE 9.09 Climatización radiante publicada por Atecyr.
Características técnicas fundamentales
Las características técnicas fundamentales de los sistemas de climatización radiante aplicados a los edificios son: � Suelo radiante para calefacción/refrigeración: l La temperatura superficial máxima para el suelo es de 29 ºC para las zonas definidas como residencias (zona ocupada), permitiéndose alcanzar los 35 ºC en las zonas perimetrales (1 metro en torno a los cerramientos de cada local) y en los cuartos de baño. l La temperatura de trabajo del agua para el suelo radiante está comprendida entre los 30 ºC y 50 ºC, no superando nunca los 55 ºC. Esto permite usar generadores de calor a baja temperatura como pueden ser las bombas de calor aire/agua o agua/agua, geotérmicas, o los paneles solares, así como calderas de baja temperatura o condensación o de biomasa. l Un local calefactado por un sistema radiante posee una temperatura muy uniforme. Las asimetrías radiantes provocadas por zonas frías como grandes ventanales pueden ser compensadas con un aumento de la densidad de tuberías radiantes, reduciendo la distancia de separación entre ejes de tubería, en las zonas donde se encuentren las superficies acristaladas (zona perimetral). l La ausencia en paredes y techos de emisores de calor aumenta el espacio disponible y la estética de la estancia. l La velocidad del aire en los sistemas radiantes no supera los 0,05 m/s, por lo que los movimientos de partículas son muy reducidos. Con ello se busca mejorar la calidad del aire interior, y sin riesgo de disconfort térmico local por corrientes de aire fluctuantes (turbulencias). l Los sistemas radiantes disminuyen la probabilidad de contraer afecciones respiratorias, al no existir corrientes de aire, y evita el dolor de cabeza provocado por aire excesivamente caliente en la zona de la cabeza. l Los sistemas radiantes aplicados a edificios con techos altos -como iglesias, auditorios, teatros, cines, estaciones de trenes, etc.-, al trabajar con temperatura de aire del ambiente inferior al menos en 2 ºC a los sistemas que utilizan exclusivamente aire como fluido caloportador, pueden proporcionar ahorro de energía. Se estima que el ahorro energético de los sistemas radiantes se encuentra entre un 10% y un 20% de energía, respecto a otros sistemas de calefacción. l En el intervalo de temperaturas ambiente de 20 ºC a 28 ºC, el cuerpo humano intercambia un 30% de calor por convección, un 45% por radiación y un 25% por transpiración evaporativa. Calentando o enfriando superficies grandes, aumentaremos la eficacia de los intercambios entre el cuerpo y el entorno. l Las instalaciones de suelo radiante empleadas para refrigeración de un edificio se conocen como suelo refrescante. En los sistemas de generación por bomba de calor aire-agua o agua-agua, máquinas frigoríficas de agua condensadas por aire o agua y máquinas de absorción aire-agua apoyadas con energía solar, existe la posibilidad de proporcionar frío en verano. Cuando se dispone de una instalación para suelo radiante, como emisor de calefacción con agua caliente a baja temperatura, se puede utilizar el sistema con ligeras modificaciones para, impulsando agua fría, proporcionar refrigeración a alta temperatura en verano. En esta situación la temperatura del suelo no puede ser inferior a 19 ºC en ninguna de las zonas (incluida perimetral), y el sistema debe estar equipado con una sonda de humedad que asegure
que la superficie del suelo siempre se encuentra por encima de la temperatura de rocío, evitando lo efectos provocados por condensación no deseada en la superficie fría. l Este sistema no es muy recomendable en lugares donde la temperatura de rocío de los locales sea elevada, bien porque las condiciones climatológicas de la localidad sean de temperatura y humedad elevadas, o porque haya que disipar elevada carga latente del interior de los locales. En estos casos debe de combinarse con sistemas de convección forzada o fancoils. l El ahorro energético que produce un sistema radiante en comparación con otros sistemas que usan el mismo tipo de energía primaria se debe a: - Menor temperatura del agua de distribución. La temperatura en las tuberías generales es como mínimo 25 ºC inferior a la de los sistemas convencionales, disminuyendo considerablemente las pérdidas de calor. - Temperatura inferior en el techo. El techo de una habitación con suelo radiante puede alcanzar temperaturas inferiores entre 6 ºC a 10 ºC con respecto a otros sistemas, reduciendo las pérdidas por transmisión del cerramiento de techo. - Menor temperatura del aire ambiente. Una calefacción de suelo radiante consigue un confort térmico a una temperatura del aire ambiente alrededor de 20 ºC, mientras que por radiadores el aire debe situarse a unos 22 ºC. � Calefacción/refrigeración radiante por paredes verticales: el sistema es análogo al descrito anteriormente, colocando las tuberías de distribución en las paredes verticales del local a calefactar. Es un sistema que no ha tenido mucha implantación por presentar los siguientes inconvenientes: l Consigue un confort térmico algo inferior que el suelo radiante. l Mayores pérdidas hacia el exterior que otros sistemas, cuando los serpentines se alojan en los cerramientos con el exterior de los locales a calefactor. l Dificultad en las modificaciones del tabicado interior, cuando los elementos calefactores están en los tabiques de separación de los locales. l El sistema tiene como inconveniente que sobre las paredes calefactoras no se pueden colocar muebles, cortinas, etc. Finalmente pueden existir problemas derivados de la posible perforación de los tubos al colocar cuadros, espejos, etc. � Superficies radiantes refrescantes de techo: para conseguir condiciones de confort térmico más favorables en verano, en sistemas de refrigeración, es más adecuado utilizar techos fríos que el de suelo refrescante, a pesar de que en este último caso no se precisa de una nueva instalación al aprovechar la misma que se utiliza para calefacción. Las aplicaciones de superficies radiantes y techos radiantes más habituales en la actualidad aplicadas a climatizar edificios se basan más en colocar paneles que ya disponen de la distribución de tubos instalada, cubriendo el techo o la pared calefactora con los paneles y no tanto colocando serpentines como los utilizados en el suelo radiante. Los paneles pueden tener estructura de serpentín para ser acoplados en serie, o bien estar compuestos por una gran cantidad de pequeños tubos (denominados tubos capilares) de pequeño diámetros (3-4 mm), montados con una disposición equilibrada hidráulicamente que permite no aumentar en exceso la pérdida de carga del sistema, y hace que no existan caminos preferenciales en el recorrido del fluido caloportador.
Thermal Active Building System, TAB´s
Algunos sistemas radiantes de baja temperatura para calefacción y alta temperatura para refrigeración, aplicados a edificios, presentan un elevado componente inercial. Este sería el caso de los TABS a veces denominados CCTC (Concrete Core Temperature Control) o forjados activos. Dentro de los TABS existen todas las posibilidades que la arquitectura permita. Así, resulta habitual el uso en oficinas activando únicamente los forjados del edificio. También es posible utilizar otros paramentos, tales como paredes o estructuras decorativas en centros comerciales, museos, etc. Las instalaciones más habituales utilizan TABS como fuente de control térmico para compensar la carga sensible base de calefacción y/o refrigeración, y la ventilación sensible para aportar el aire fresco y combatir las cargas variables. En recintos singulares, tales como espacios con carga elevada de fachada o de uso, se pueden necesitar sistemas adicionales de refuerzo. El diseño de las capacidades de los sistemas TABS se puede realizar siguiendo las indicaciones de la norma UNE-EN 15377-1. “Sistemas de calefacción en los edificios. Diseño de sistemas empotrados de calefacción y refrigeración por agua”. “Parte 1: Determinación de la capacidad nominal de diseño de calefacción y refrigeración”. Debido a la elevada inercia térmica de estos sistemas, el diseño y sobre todo la regulación pueden presentar singularidades en función del uso de los locales y del horario.
