DESARROLLO DE CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE ...
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[Escriba texto] DESARROLLO DE CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN HIDRÓNICA PARA CONDICIONES CLIMÁTICAS DE BOGOTÁ. NAIRA ALEJANDRA ESPITIA TORRES ASESOR Rafael Guillermo Beltrán Pulido MSc. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA NOVIEMBRE DE 2013 BOGOTA D.C. – COLOMBIA
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[Escriba texto]
DESARROLLO DE CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN
HIDRÓNICA PARA CONDICIONES CLIMÁTICAS DE BOGOTÁ.
NAIRA ALEJANDRA ESPITIA TORRES
ASESOR
Rafael Guillermo Beltrán Pulido MSc.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
NOVIEMBRE DE 2013
BOGOTA D.C. – COLOMBIA
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DESARROLLO DE CRITERIOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE CALEFACCIÓN
HIDRÓNICA PARA CONDICIONES CLIMÁTICAS DE BOGOTÁ.
PROYECTO DE GRADO PARA POR EL TÍTULO DE
INGENIERA MECÁNICA
Naira Alejandra Espitia Torres
ASESOR
Rafael Guillermo Beltrán Pulido, MSc, PhD.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
NOVIEMBRE DE 2013
BOGOTA D.C. – COLOMBIA
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DEDICATORIA
A Doña Rosa, por quien gracias a sus cuidados y enseñanzas ahora concluyo
exitosamente esta etapa de mi vida; a mis padres por su sacrificio, tiempo y
dedicación, es por y para ellos este logro; y a quien ahora hace parte de mi futuro.
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Diego, mi padre, quien me dio la oportunidad de formarme
profesionalmente; a mis profesores y a mi asesor Rafael Beltrán, quienes me guiaron y
me enseñaron las bases para salir a enfrentar el mundo laboral; al departamento,
operarios y asistentes, quienes estuvieron disponibles a colaborarme durante todo el
pregrado; y a todas las personas que me apoyaron e hicieron parte de este proceso.
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TABLA DE CONTENIDO
1. Introducción ........................................................................................................................ 11
2. Objetivos ............................................................................................................................... 14
2.1. Objetivo General ...................................................................................................................... 14
2.2. Objetivos Específicos .............................................................................................................. 14
3. Calefacción Hidrónica ...................................................................................................... 15
3.1. Sistema básico........................................................................................................................... 16
3.1.1. Unidad de carga ............................................................................................................................... 18
3.1.2. Fuente .................................................................................................................................................. 21
3.1.3. Cámara de Expansión .................................................................................................................... 22
3.1.4. Sistema de Distribución................................................................................................................ 23
3.1.5. Bomba o Sistema de Bombeo ..................................................................................................... 23
4. Delimitaciones del Proyecto .......................................................................................... 25
4.1. Apartamento Modelo.............................................................................................................. 26
4.2. Materiales de Construcción ................................................................................................. 27
4.2.1. Muros divisorios .............................................................................................................................. 28
4.2.2. Entrepisos .......................................................................................................................................... 35
4.2.3. Techos .................................................................................................................................................. 39
5. Estimación de la Carga de Calefacción ....................................................................... 40
5.1. Aspectos de Construcciones Residenciales .................................................................... 40
5.2. Condiciones de Diseño ........................................................................................................... 40
5.2.1. Condiciones Interiores .................................................................................................................. 40
5.2.2. Condiciones Exteriores ................................................................................................................. 41
6
5.3. Resistencia y Conductancia de la Construcción ............................................................ 44
5.3.1. Propiedades de Materiales Seleccionados ............................................................................ 48
5.4. Método RLF (Residential Load Factor) ............................................................................ 50
5.4.1. Componentes de la Carga Sensible .......................................................................................... 51
5.4.2. Componentes de la carga latente .............................................................................................. 52
5.5. Carga térmica de Calefacción .............................................................................................. 53
6. Dimensionamiento de Calefacción .............................................................................. 55
6.1. Configuración y Delimitaciones ......................................................................................... 55
6.2. Calefacción por Radiadores ................................................................................................. 57
6.2.1. Demanda por Zona a Acondicionar ......................................................................................... 58
6.2.2. Número de Elementos por Zona ............................................................................................... 58
6.2.3. Diseño Tubería ................................................................................................................................. 61
6.2.4. Sistema de Bombeo ........................................................................................................................ 63
6.2.5. Fuente de Calor ................................................................................................................................ 65
6.3. Calefacción por Piso Radiante ............................................................................................. 65
6.3.1. Demanda por Zona a Acondicionar ......................................................................................... 65
6.3.2. Localización Colectores ................................................................................................................ 66
6.3.3. Diseño de Circuitos ......................................................................................................................... 67
6.3.4. Temperatura Media Superficial del Suelo ............................................................................. 69
6.3.5. Temperatura de Impulsión del Agua ...................................................................................... 70
6.3.6. Caudal del Circuito.......................................................................................................................... 70
6.3.7. Tubería de Distribución ............................................................................................................... 71
6.3.8. Pérdida de Cabeza........................................................................................................................... 72
6.3.9. Sistema de Bombeo ........................................................................................................................ 73
6.3.10. Fuente de Calor ............................................................................................................................. 73
7
7. Análisis de Inversión ........................................................................................................ 75
7.1. Inversión Inicial ....................................................................................................................... 75
7.2. Mantenimiento y Gastos Operativos ................................................................................. 76
7.3. Resultado ............................................................................................................................................... 77
8. Conclusiones ....................................................................................................................... 79
ANEXO A. NOMOGRAMAS PÉRDIDA DE CARGA UPONOR PEX
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Sistema Hidrónico – Componentes Fundamentales ....................................... 17
Ilustración 2. Panel Radiador .............................................................................................................. 19
Ilustración 3. Funcionamiento Radiador ........................................................................................ 20
Ilustración 4. Configuraciones Tanque de Expansión ............................................................... 22
Ilustración 5. Apartamento Modelo. ................................................................................................. 26
Ilustración 6. Ubicación Espacial del Apartamento Modelo en la Planta del Edifico .... 27
Ilustración 7. Isométrico y Aplicación Ladrillo a la Vista ......................................................... 29
Ilustración 8. Estructura Muro Divisorio sin Aislamiento ....................................................... 30
Ilustración 9.Isométrico y Aplicación Bloque Divisorio (Medidas en cm) ........................ 31
Ilustración 10.Estructura Muro Divisorio Pared Compuesta de Ladrillo .......................... 32
Ilustración 11. Estructura Muro Divisorio Compuesto con Cavidad de Aire .................... 33
Ilustración 12. Estructura Muro Divisorio Aislamiento no Hidrófilo en el Exterior. ... 34
8
Ilustración 13. Estructura Muro Divisorio Aislamiento no Hidrófilo y Cavidad de Aire
............................................................................................................................................................... 35
Ilustración 14. Estructura Entrepiso Alivianado ......................................................................... 36
Ilustración 15. Geometría del METALDECK 2”. ............................................................................ 37
Ilustración 16. Nomenclatura Básica Sección de la Torta de Concreto ............................. 37
Ilustración 17. Estructura Entrepiso Alivianado ......................................................................... 39
Ilustración 18. Estructura Techo Plano ........................................................................................... 39
Ilustración 19. Condiciones de Diseño de Bogotá de la base de datos de la ASHRAE. .. 41
Ilustración 20. Variación de Temperatura a través de una Estructura Compuesta ....... 46
Ilustración 21. Estructura Compuesta ............................................................................................. 47
Ilustración 22. Zonas del a Acondiciondicionar ........................................................................... 56
Ilustración 23. Configuración Bitubo de Radiadores ................................................................. 56
Ilustración 24. Configuración en Espiral Piso Radiante ............................................................ 57
Ilustración 25. Radiador tipo Panel Calidor® de FONDITAL. ................................................. 59
Ilustración 26. Radiador tipo Toallero Calens Dual® de FONDITAL ................................... 59
Ilustración 27. Esquema de la Configutación de Radiadores .................................................. 62
Ilustración 28. Circuito más Desfavorable ..................................................................................... 64
Ilustración 29. Colector UPONOR ...................................................................................................... 66
Ilustración 30. Ubicación de Colector en la Planta ...................................................................... 67
Ilustración 31. Panel Moldeado UPONOR ....................................................................................... 68
Ilustración 32. Diseño Circuitos Independientes. ....................................................................... 69
Ilustración 33. Tubería de Distribución .......................................................................................... 72
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Características del Apartamento Modelo. ..................................................................... 26
Tabla 2. Características Técnicas Placa Estándar Gyplac® de 3/8" .................................... 31
Tabla 3. Tabla de Propiedades Lámina METALDECK 2” ........................................................ 37
Tabla 4. Espesores Totales Mínimos de la Torta de Concreto en el Entrepiso
Alivianado ......................................................................................................................................... 38
Tabla 5.Resumen Temperatura Media Mensual .......................................................................... 42
Tabla 6. Resumen Temperatura Media Horaria Anual .............................................................. 42
Tabla 7. Frecuencia Acumulada para Temperaturas Medias Anuales de Bogotá ........... 43
Tabla 8. Condiciones de Diseño de Calefacción Anuales para Bogotá ................................. 43
Tabla 9. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Muros Divisorios .......... 49
Tabla 10. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Entrepiso Alivianado 49
Tabla 11. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Acabado de Pisos ....... 49
Tabla 12. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Entrepisos ..................... 50
Tabla 13. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Ventana .......................... 50
Tabla 14. Valores de Carga Térmica por Escenario .................................................................... 53
Tabla 15. Valores de Carga Térmica por Zona (85 W/m2) ..................................................... 58
Tabla 16. Tabla de Selección Radiadores Calidor® .................................................................... 60
Tabla 17. Tabla de Selección de Radiadores Calens Dual® ..................................................... 60
Tabla 18. Número de Elementos por Zona..................................................................................... 60
Tabla 19. Cálculo Pérdida de Cabeza por Tramo de Instalación ........................................... 63
Tabla 20. Longitudes de Circuitos Independientes. ................................................................... 68
10
Tabla 21. Áreas Reales y Caudales para cada Circuito .............................................................. 71
Tabla 22. Pérdida de Cabeza en los Circuitos ............................................................................... 73
Tabla 23. Pérdida de Carga Total en el Circuito de Calefacción ............................................. 73
Tabla 24. Valores de Potencias Reales por Circuito y Total del Sistema ............................ 74
Tabla 25. Análisis de Inversión para Calefacción por Radiadores, por Piso Radiante y
Aislamiento Térmico de la Construcción .............................................................................. 77
11
1. Introducción
La producción de calor representa actualmente uno de los principales consumos de
los sectores energéticos, encontrándose igual o por encima de sectores como el de la
electricidad o el transporte, por lo que es necesario optimizarlo al máximo. Hoy en día,
el reto principal para la industria se centra en desarrollar nuevos sistemas de
calefacción que además de presentar eficiencias de conversión de energía altas y
proporcionar condiciones de confort, funcionen a través de energías que representen
un bajo impacto ambiental y sean económicas.
Los sistemas de calefacción en su mayoría consisten de calentadores y calderas que
generan calor a través de diferentes suministros de energía como son el gas, la
electricidad e incluso el sol. Existen diferentes tipos de calefacción: calefacción
eléctrica que involucra que la electricidad sea convertida en calor; calefacción por gas,
que como su nombre lo indica utiliza gas como fuente de energía; bombas de calor;
calefacción radiante; entre otras.
Para climatizar alrededor del mundo se han implementado diversas tecnologías; las
más comunes: Calefacción a través de radiadores o acondicionamiento de aire
circulante. Sin embargo, dados los combustibles con los que operan, estos equipos han
ido quedando obsoletos en el mercado, siendo remplazados por sistemas de
calefacción que utilicen fuentes de energía renovables.
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El sistema de calefacción escogido para realizar el estudio propuesto para el proyecto
es un sistema de calefacción hidrónica, el cual es un tipo de calefacción por radiación,
es decir, que realiza la transferencia de calor al espacio por medio de radiación del
sistema al ambiente. Gracias a su configuración, los sistemas de calefacción hidrónica
generan bajas pérdidas de calor y bajo consumo energética. Esto combinado con su
eficiencia de conversión de energía es el motivo por el cual ha hecho de la calefacción
hidrónica una excelente opción de climatización.
Aunque la calefacción no ha sido común en el medio Colombiano, en las ciudades de
clima frío se observa una creciente demanda de este tipo de sistemas en la actualidad.
Los ingenieros y diseñadores de aire acondicionado del país no tienen experiencia ni
formación en este campo, por lo que es necesario desarrollar criterios de diseño,
selección e instalación de tales sistemas. En la universidad de los Andes se han
desarrollado algunos proyectos previos en el diseño de sistemas de calefacción
hidrónica, específicamente un proyecto desarrollado junto con la empresa de © Gas
Natural Fenosa de Colombia, el cuál consistía en desarrollar criterios y parámetros
para determinar las pérdidas de calor por unidad de longitud en las tuberías de
sistemas de calefacción.
El desempeño de este tipo de equipos es evaluado de acuerdo a su eficiencia de
conversión de energía, cosa que genera gran competencia en el mercado actual entre
los diferentes fabricantes de equipos de calefacción. Dicha eficiencia es medida de
acuerdo a variables cuantitativas a la hora de operar el equipo, como por ejemplo el
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consumo energético y la homogeneidad de distribución de calor. Durante el desarrollo
de este proyecto se estudiarán y se adecuaran los criterios de diseño de calefacción
hidrónica para edificaciones residenciales de acuerdo a las condiciones climáticas de
la ciudad de Bogotá. Este estudio puede ser utilizado y aplicado por empresas de
construcción y calefacción que operen en la ciudad de Bogotá.
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2. Objetivos
2.1. Objetivo General
Adecuar los criterios y principios internacionales de diseño de calefacción hidrónica
utilizando las condiciones climáticas de Bogotá.
2.2. Objetivos Específicos
Analizar los datos climáticos de la ciudad de Bogotá para establecer temperaturas de
diseño y duración de las cargas mes a mes de acuerdo a la metodología propuesta por
ASHRAE, y los datos existentes sobre temperaturas y precipitación en la ciudad.
Determinar las cargas térmicas para diferentes tipos de construcciones para diferentes
zonas de Bogotá. Se analizará el tipo prevalente de estructura de muros, pisos,
ventanales y techos para diversas construcciones
Adecuar estándares internacionales de diseño de diferentes tipos de calefacción
hidrónica, determinando la configuración tanto física como térmica de cada sistema
para condiciones térmicas de Bogotá.
Desarrollar criterios puntuales de diseño para los diferentes tipos de construcciones en
diversas zonas de la ciudad de Bogotá. Elaborar un manual con recomendaciones para
el diseñador y constructor.
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3. Calefacción Hidrónica
Antes de discutir acerca de lo que es la calefacción hidrónica, es importante tener
claro cómo funciona la calefacción radiante, así como las diferencias entre este y otros
tipos de calefacción.
En la naturaleza existen tres medios de transferencia de calor, la conducción consiste
en la transferencia de calor a través de materiales sólidos, o de un material sólido a
otro cuando se encuentran en contacto. La convección es la forma en la que el calor
fluye de entre un material sólido y un líquido o un gas; agua caliente fluyendo a través
de una tubería transfiere calor hacia la pared interna de la tubería por convección. De
la misma manera, el aire fluyendo a través de un intercambiador de calor dentro de un
salón absorbe calor de las superficies metálicas con mayor temperatura.
La transferencia de calor por radiación se presenta cuando la luz infrarroja viaja desde
la superficie de un objeto hacia la superficie de otro(s) objetos de menor temperatura.
A diferencia de la conducción y la convección, la transferencia de calor radiante no
requiere de un objeto ni líquido ni sólido entre los dos objetos que se está
presentando la transferencia de calor. Sólo necesita de un espacio entre los dos
objetos. La energía radiante sólo se convierte en calor sensible cuando es absorbida
por una superficie.
Los sistemas de agua que transmiten calor desde o hacia espacios o procesos
acondicionados a través de agua caliente son usualmente llamados sistemas
hidrónicos. El agua fluye a través de tubería desde el punto de generación de calor
16
hasta el o los puntos de distribución. La energía radiante emitida por las unidades de
emisión usadas por la calefacción hidrónica es técnicamente radiación infrarroja
electromagnética. La calefacción hidrónica calienta los espacios en su totalidad
mediante la generación de calor suave, continuo y extendido. No trabaja por ciclos,
como sucede en otro tipo de calefacciones que sólo crean escalones de temperatura
que incomodan a las personas con sus lapsos subsecuentes de frío-calor.
Algunas de las ventajas de este tipo de calefacción son que los espacios son
climatizados de manera individual, bajando el consumo de energía y por ende los
costos de operación; además, no existe circulación de polvo ni movimiento de aire,
haciendo de este un sistema silencioso y limpio.
Los sistemas de calefacción hidrónica son sistemas hidráulicos cerrados, es decir, sólo
cuentan con un punto de contacto entre un gas compresible o la superficie y el fluido
de trabajo, el agua. El diseño de sistemas de agua efectivos y económicos se ve
afectado por las relaciones entre los componentes del sistema. La temperatura de
diseño del agua, la tasa de flujo, la configuración de la tubería, el sistema de bombeo
seleccionado, el tipo de unidad de emisión y el método de control se encuentran todos
interrelacionados.
3.1. Sistema básico
En la ilustración 1 se muestran los componentes fundamentales de un sistema
hidrónico cerrado. Generalmente los sistemas cuentan con componentes adicionales
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como válvulas, reguladores, etc., pero no son esenciales para los principios básicos del
sistema.
Ilustración 1. Sistema Hidrónico – Componentes Fundamentales
Los componentes fundamentales son:
Fuente de calor
Unidad de emisión
Cámara de expansión
Sistema de recirculación
Sistema de distribución
Teóricamente, un sistema hidrónico podría operar solamente con estos cinco
elementos.
Los componentes están subdivididos en dos grupos, componentes térmicos y
componentes hidráulicos. Los componentes térmicos son la unidad o terminal de
distribución, la fuente y la cámara de expansión. Los componentes hidráulicos son
el sistema de distribución, el sistema de recirculación y la cámara de expansión. La
cámara de expansión es el único componente que sirve cómo componente térmico
e hidráulico.
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3.1.1. Unidad de carga
La unidad de carga o terminal de emisión es el instrumento que hace que el calor fluya
fuera del sistema hacia el espacio o proceso acondicionado; es la variable
independiente a la cual es sistema debe responder. El calor que fluye desde el sistema
hacia el entorno caracteriza el sistema de calefacción, en capítulos posteriores se
explicará el método para calcular la cantidad de calor que debe este debe generar.
Entre las configuraciones de terminales de carga más comunes se encuentran
3.1.1.1. Radiadores
Los radiadores son unidades emisoras de calor las cuales transmiten el calor al
ambiente por medio de convección natural y radiación.
Los radiadores se pueden clasificar de acuerdo de acuerdo al material del que son
hechos, por ejemplo, hierro fundido, acero, aleaciones de aluminio entre otros. Hoy en
día, los radiadores más utilizados en el mercado por su facilidad al instalar y bajo peso
son los radiadores de aluminio, es por eso que para este trabajo sólo se describirán los
radiadores hechos en aluminio.
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Ilustración 2. Panel Radiador
Los radiadores en aluminio están formados por el ensamble de elementos
independientes entre sí fabricados por fundición inyectada a presión. Algunas de las
ventajas de utilizar este tipo de emisores son su relativo bajo costo, livianos (de 70% a
75% menos que en los radiadores hechos en hierro fundido).
Su capacidad, es decir, la potencia entregada por el radiador, viene determinada por el
número de elementos ensamblados, cada uno de estos entrega una potencia nominal
específica y el número de elementos ensamblados dependerá de la carga térmica a
suplir. En este tipo de radiadores se pueden ensamblar de 3 a 14 elementos por panel.
El agua caliente entra al radiador y recorre el circuito interno, la cual circula por los
módulos (elementos) del radiador, calentándolo. El aire frío entra por debajo del
radiador y sale caliente por arriba, acondicionando el ambiente. Una válvula de auto-
regulación de temperatura regula la entrada de agua caliente al radiador, permitiendo
controlar el calor de las habitaciones de forma independiente. Un circuito de retorno
lleva el agua que sale del radiador hacia los otros radiadores o de vuelta a la fuente de
calor. (Ilustración 3)
20
Ilustración 3. Funcionamiento Radiador
Deben ser instalados debajo de ventanas o sobre las paredes que dan al exterior con el
fin de superar de manera más eficiente las corrientes de aire frío que pasan por estas
superficies, a 10 – 12 cm del piso y a 4 - 5 cm de la pared.
3.1.1.2. Piso Radiante
El principio básico del sistema consiste en la impulsión de agua a temperatura media
(en torno a los 40ºC) a través de circuitos de tuberías. Según el sistema tradicional de
calefacción por suelo radiante las tuberías se embeben en una capa de mortero de
cemento. Éste, situado sobre las tuberías y bajo el suelo, absorbe la energía térmica
disipada por las tuberías y la cede al suelo que, a su vez, emite esta energía al local
mediante radiación y en menor grado convección natural.
Los circuitos emisores parten desde los colectores de alimentación y retorno. Desde
allí se equilibran hidráulicamente los circuitos, se regula el caudal impulsado en
función de las necesidades térmicas de cada local.
Más adelanta se explicará más en detalle el funcionamiento y el dimensionamiento de
esta configuración de calefacción hidrónica.
21
3.1.2. Fuente
La fuente es el punto en donde el calor es añadido al sistema. Idealmente, la cantidad
de energía que sale de la fuente es la misma cantidad de energía que emite la unidad
de carga al ambiente. Bajo condiciones estacionarias, la energía de la fuente y de la
unidad de carga son las mismas y opuestas. Cualquier dispositivo que pueda ser usado
para calentar agua bajo condiciones controladas puede ser utilizado como fuente.
Las fuentes de calor más comunes para sistemas de calefacción hidrónica son:
Calderas
Intercambiadores de calor
Paneles solares
Bombas de calor
Las dos consideraciones fundamentales que se deben hacer para seleccionar la fuente
de calor son la capacidad de díselo y la capacidad de carga parcial, también llamada
relación de reducción. La relación de reducción, expresada en porcentaje de capacidad
de diseño, es
Ecuación 1. Relación de Reducción Fuente de Calor
El recíproco de la capacidad de diseño es a veces usado, por ejemplo una capacidad de
diseño del 25% puede ser también expresada como una capacidad de diseño de 4. La
relación de reducción tiene un efecto significante en el desempeño del sistema.
22
3.1.3. Cámara de Expansión
La cámara de expansión (también llamada tanque de compresión o expansión), como
ya se había mencionado anteriormente cumple funciones tanto térmicas como
hidráulicas en el sistema. Como función térmica, la cámara cuenta con un espacio en el
cual el líquido no compresible se puede expandir debido a cambios de temperatura en
el sistema. La cámara cuenta con una interface entre el fluido del sistema y un gas
compresible. Dado que los sistemas hidrónicos son sistemas cerrados, es decir, sólo
pueden tener una interfaz como la descrita, el sistema sólo puede contener una
cámara de expansión.
La cámara de expansión tiene tres configuraciones (Ilustración 4):
a) Un tanque cerrado, el cual contiene un volumen capturado de aire comprimido y
agua, con una interfaz de agua –aire.
b) Un tanque abierto a la atmósfera.
c) Un tanque de diafragma, el cual cuenta con una membrana flexible entre el aire y el
agua.
Ilustración 4. Configuraciones Tanque de Expansión
23
En cuanto a la función hidráulica la cámara de expansión sirve como punto de
referencia de presión del sistema, así como el polo a tierra en un sistema eléctrico. En
el punto en donde el tanque es conectado al sistema de distribución, la presión es
igual a la del aire en el tanque más la presión debido a la cabeza de agua debido a la
diferencia de alturas entre la superficie del líquido en el tanque y la tubería (h).
3.1.4. Sistema de Distribución
El sistema de distribución es la red de tubería que conecta los demás componentes del
sistema. Las consideraciones primaras en diseñar el sistema son (1) dimensionar la
tubería para suplir la capacidad de calefacción requerida y (2) diseñar las líneas de
tubería asegurándose de que el flujo de agua a través de todas la unidades de carga
sea el requerido.
Las tres variables relacionadas en el dimensionamiento de la tubería del sistema son
el caudal, el diámetro y la caída de presión en el sistema. La consideración primordial
que se debe hacer en la selección la caída de presión de diseño es la relación entre el
costo de instalación y los costos de operación.
3.1.5. Bomba o Sistema de Bombeo
Las bombas centrífugas son las comúnmente usadas en los sistemas hidrónicos. Las
bombas de circulación usadas en sistemas hidráulicos pueden variar desde bombas de
capacidad pequeñas entregando 0,3 L/s a una presión alrededor de 20 kPa hasta
bombas que trabajan cientos de litros por segundo, con presiones únicamente
limitadas por las características del sistema. Las condiciones de operación de la
bomba deben empatar con los requerimientos de operación del sistema.
24
3.1.5.1. Curvas de Desempeño y Temperatura del Agua
Las características de desempeño de las bombas centrifugas son descritos en las
curvas de desempeño, las cuales grafican presión de salida en función del caudal de
entrega, así como información de eficiencia y potencia. El punto óptimo de operación
se presenta en el punto de intersección entre la curva de desempeño de la bomba y la
curva del sistema.
25
4. Delimitaciones del Proyecto
La función principal de la calefacción es mantener, dentro de un espacio determinado,
condiciones de confort, las cuales dependen de condiciones externas. La capacidad
del sistema de calefacción a utilizar se determina de acuerdo con las exigencias
instantáneas de la carga térmica. Para una estimación realista de las cargas de
calefacción (anteriormente mencionadas como cargas térmicas) es requisito
fundamental el estudio riguroso de las componentes de carga en el espacio que va a
ser acondicionado tales como dimensiones del lugar; materiales de construcción del
lugar a acondicionar; cantidad y dimensiones de ventanas, puertas; ocupantes; etc.
Debido a que analizar tipos de construcciones en Bogotá abarca un sinfín de variables
y con el fin de garantizar la exactitud del estudio se plantearon las siguientes
delimitaciones para el presente proyecto:
El estudio será dirigido únicamente a construcciones residenciales.,
específicamente en apartamentos y oficinas de estratos medios y altos.
Las áreas para el tipo de construcciones definidas en el ítem anterior son muy
variables y no siguen ningún patrón establecido, por lo cual se delimitara el
área construida a acondicionar entre 120 a 160 m2.
Se definirán materiales típicos para los diferentes componentes de la
construcción.
26
4.1. Apartamento Modelo
Para aterrizar el proyecto se eligió un tipo de construcción específica, la cual cumple
con todas las delimitaciones planteadas. Se eligió un apartamento residencial del
proyecto de apartamentos Rosales 1.78 de la constructora AMARILO®. (Ilustración 5).
Ilustración 5. Apartamento Modelo.
Las características del apartamento escogido son
Tabla 1. Características del Apartamento Modelo.
27
El apartamento se ubica en el último piso de la edificación y espacialmente se
encuentra ubicado en el chaflán de la planta del edificio (Ilustración 6), es decir, que
tiene dos aristas expuestas al exterior.
Ilustración 6. Ubicación Espacial del Apartamento Modelo en la Planta del Edifico
A lo largo del proyecto se mencionará al apartamento modelo y se hará referencia al
apartamento anteriormente descrito. En caso de que se requiera adecuar otro tipo de
construcción, se debe realizar el mismo procedimiento que se describirá a lo largo de
este documento pero modificando las condiciones a las propias del espacio a estudiar.
4.2. Materiales de Construcción
Durante la delimitación del proyecto se realizaron algunas visitas de campo a
ingenieros civiles y arquitectos [3] con el fin de poder definir los materiales típicos
utilizados por las constructoras dueñas de los principales proyectos de edificios
residenciales en Bogotá.
Se deben definir los materiales de 4 principales componentes que aportan ganancia
calorífica en los apartamentos residenciales.
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Muros divisorios
Techos
Entrepisos
Ventanas
La elección de los materiales se realizó bajo el único criterio de fácil acceso a la
información y disponibilidad en el mercado Colombiano. En caso de que se requiera
utilizar otro tipo de materiales se deben adecuar los estándares.
4.2.1. Muros divisorios
Se denominan muros divisorios a los muros que están diseñados para ser ubicados en
la fachada del edificio o también para los muros que dividen espacios dentro del
apartamento o entre apartamentos contiguos.
Durante las visitas de campo que se realizaron se encontró que los tipos de muros
divisorios con los que las constructoras realizan son muy precarios en cuanto
aislamiento se refiere, sin embargo, en algunos proyectos de altas inversiones las
constructoras se preocupan por el confort de los ocupantes y utilizan muros con algún
tipo de aislamiento, siendo el aislamiento con cavidad de aire y asilamiento no
hidrófilo los más comunes en las construcciones en la ciudad de Bogotá.
A continuación se presentan los tipos de muros divisorios en los que se concentrará el
desarrollo de este proyecto. Se plantearon 5 tipos de muros divisorios variando el
nivel de aislamiento con el que estos cuentan.
29
4.2.1.1. Pared sin Aislamiento
Este tipo de muro divisorio es el más sencillo de entre los que se estudiarán para este
proyecto. Está compuesto por (Ilustración 8)
Ladrillo a la vista
Es un tipo de mampostería utilizada para las fachadas de las construcciones. El
ladrillo comercial elegido es el Ladrillo Tolete Gran Formato 11,5 de 5 ± 2 cm
de espesor fabricado por Ladrillera Santafé®.
Ilustración 7. Isométrico y Aplicación Ladrillo a la Vista
Torta de Concreto
Se utiliza una torta de 30 cm de espesor de concreto, resultante de la mezcla
entre piedra caliza, arcilla, agregados y agua. Se usará como referencia
Concreto de Bombeo ARGOS® de 30000 PSI.
Torta de Estuco
30
Es utilizado como acabado interior para muros y paredes. Se estableció como
material de referencia.
Ilustración 8. Estructura Muro Divisorio sin Aislamiento
4.2.1.2. Pared Compuesta de Ladrillo
Este tipo de pared es un poco más robusta, y es el tipo de muros divisorios más común
en el mercado. (Ilustración 9)
Está compuesta por
Ladrillo a la vista
Se usará el mismo para todos los ejemplos de muros divisorios. Ladrillo Tolete
Gran Formato 11,5 de Ladrillera Santafé ®.
Ladrillo Divisorio
Se utilizarán los bloques divisorios Bloque # 4 Liso fabricado por Ladrillera
Santafé®.
31
Ilustración 9.Isométrico y Aplicación Bloque Divisorio (Medidas en cm)
Tabla de Yeso
Los paneles de yeso poseen una superficie lisa, apta para recibir todo tipo de
acabado interior, es por esto que es normal encontrarlo en los muros de
construcciones.
Se utilizará la Placa Estándar Gyplac® de 3/8”.
Tabla 2. Características Técnicas Placa Estándar Gyplac® de 3/8"
32
Ilustración 10.Estructura Muro Divisorio Pared Compuesta de Ladrillo
4.2.1.3. Pared Compuesta con Cavidad de Aire
Como se mencionó, comúnmente es utilizado el aire como aislante térmico ya que
impide el paso del calor por conducción, gracias a su baja conductividad térmica y por
radiación gracias a su coeficiente de absorción. Este tipo de muros divisorios son
usados por algunas constructoras, pero se limita a proyectos de estratos altos.
Este tipo de muro divisorio está compuesto por
Ladrillo a la Vista
Ladrillo Tolete Gran Formato 11,5 de Ladrillera Santafé ®.
Cámara de Aire
En este caso se establece una cavidad de aire estándar de 20 cm de ancho, es la
dimensión estándar utilizada por los diseñadores.
Bloque Divisorio + Concreto
33
Bloque Divisorio # 4 Liso fabricado por Ladrillera Santafé® conformado por
una torta de Concreto de Bombeo ARGOS® de 30000 PSI.
Tabla de Yeso
Se utilizará la Placa Estándar Gyplac® de 3/8”.
Ilustración 11. Estructura Muro Divisorio Compuesto con Cavidad de Aire
4.2.1.4. Pared con Aislamiento no Hidrófilo en el Exterior
Aunque no es prioridad, algunas constructoras se preocupan por la penetración de
agua en las fachadas y métodos de aislamiento térmico. Este tipo de muros divisorios
es mucho más centralizado y no es tan común encontrarlos en las construcciones de
Bogotá.
Está compuesto por
Ladrillo a la vista
Ladrillo Tolete Gran Formato 11,5 de Ladrillera Santafé ®.
Poliuretano Expandido R-11
34
Este material es un aislante derivado del petróleo y del gas natural, es un
excelente aislante térmico y posee una alta resistencia a la absorción de agua.
Para este proyecto se eligió una lámina de poliuretano de 1” de espesor de la
marca Sanitarias e Hidráulicos S.A.
Bloque Divisorio + Concreto
Bloque Divisorio # 4 Liso fabricado por Ladrillera Santafé® conformado por
una torta de Concreto de Bombeo ARGOS® de 30000 PSI.
Torta de Estuco
Es utilizado como acabado interior para muros y paredes. Se estableció como
material de referencia.
Ilustración 12. Estructura Muro Divisorio con Aislamiento no Hidrófilo en el Exterior.
35
4.2.1.5. Pared con Aislamiento no Hidrófilo y Cavidad de Aire
Este tipo de estructura no es común en el mercado, sin embargo se planteó un
escenario en el cual se contara con un gran porcentaje de aislamiento.
Está compuesto por
Ladrillo a la vista
Cámara de aire
Poliuretano Expandido R-11
Bloque + Concreto
Torta de Pañete
Ilustración 13. Estructura Muro Divisorio con Aislamiento no Hidrófilo y Cavidad de Aire
4.2.2. Entrepisos
Para la determinación de la carga de calefacción (procedimiento que se explicará más
adelante) las componentes fundamentales para el aporte de energía son aquellos los
cuales están expuestos al exterior, principalmente los muros divisorios, es por esto
36
que para los escenarios que se plantearán para los componentes como techos,
entrepisos y ventanas sólo se analizará una configuración únicamente.
Se entiende por entrepisos como las estructuras que reciben en forma primara las
cargas de uso de los espacios. Son estructuras cuya superficie superior es transitable y
horizontal o de muy suave inclinación. Debido a su fuerte acogida en el mercado, se
utilizará el sistema de losa tipo “Composite Steel Floor Deck” (Tablero de piso en
acero para comportamiento compuesto), que consiste en una lámina de acero
preformada sobre la cual se hace un vaciado en concreto. Para este estudio se utilizará
el sistema de losa METALDECK de ACESCO®.
Ilustración 14. Estructura Entrepiso Alivianado
Los entrepisos alivianados se componen de
Lámina METALDECK®
37
El hecha de acero laminado en frío (CR) y galvanizado, con un esfuerzo de
fluencia mínimo nominal de 40 ksi. Para este caso en particular, se utilizarán
láminas METALDECK® 2” de calibre 22.
Ilustración 15. Geometría del METALDECK 2”.
Tabla 3. Tabla de Propiedades Lámina METALDECK 2”
Concreto
El recubrimiento mínimo (tc) y el espesor de la losa de concreto (h) se
especifican a continuación. La resistencia mínima a la compresión especificada
para el concreto es de 3ksi. Por lo cual se utilizará el Concreto de Bombeo
ARGOS® de 30000 PSI.
Ilustración 16. Nomenclatura Básica Sección de la Torta de Concreto
38
Tabla 4. Espesores Totales Mínimos de la Torta de Concreto en el Entrepiso Alivianado
Refuerzo de Retracción y Temperatura
La malla de acero de refuerzo que se recomienda colocar en el sistema tiene
como propósito fundamental el absorber los efectos de la retracción del
concreto y los cambios térmicos que ocurren dentro del sistema. Este refuerzo
está conformado por mallas electro soldadas de alambrón. La mínima
especificación recomendada para el sistema METALDECK de ACESCO® es una
malla cuadrada de 150mm x 150mm de 4mm de diámetro. El refuerzo se debe
ubicar 2,5cm por debajo de la superficie de la torta de concreto.
Acabados
Se conoce como acabados, revestimiento o recubrimientos a todos aquellos
materiales que se colocan sobre la superficie de obra gris o bruta. Es decir, son
los materiales a la vista en los entrepisos. Para este caso de estudio, se
definirán de acuerdo a la zona en la que estarán ubicados
-Áreas Comunes, Habitaciones, Estudios: Para las áreas comunes se buscaron
materiales élite y que además tuvieran gran demanda en el mercado nacional.
Adicional a esto se delimitó la búsqueda a materiales de tráfico 31 (tráfico
comercial moderado) para asegurar una mayor resistencia al desgaste. Se
usarán láminas de madera Krono Swiss® con una base de 8mm sobre una base
de fibras comprimidas de aproximadamente 7mm.
39
-Cocinas y Baños: Se debe elegir un material de fácil limpieza y resistente a la
humedad, por lo que se determinó que se usarán baldosas cerámicas de tráfico
comercial moderado. Se utilizará la baldosa Piso Pietra Cucine Blanco de
Corona® con espesor nominal de 7,6cm. En cuanto a los baños se utilizará el
Piso Fortaleza Blanco de Corona® con espesor nominal de 7,1 cm.
Tabla de Yeso
Se utilizará la Placa Estándar Gyplac® de 3/8”
Ilustración 17. Estructura Entrepiso Alivianado
4.2.3. Techos
Para los techos se utilizará el mismo tipo de estructura de entrepiso alivianado, la
única diferencia es que va a tener un acabado exterior diferente. Se definió para el
acabado exterior tejas de arcilla.
Ilustración 18. Estructura Techo Plano
40
5. Estimación de la Carga de Calefacción
Esta sección del documento contiene un procedimiento para el cálculo de la carga de
calefacción para construcciones residenciales. Este procedimiento estará en base a las
dimensiones y características presentadas anteriormente del apartamento modelo
elegido para el estudio. En caso de que se requiera estudiar otro ejemplo de
construcción, se debe tomar este estudio como base pero teniendo en cuenta que se
deben adecuar los cálculos a las especificaciones de la nueva edificación.
5.1. Aspectos de Construcciones Residenciales
El cálculo de las cargas térmicas en construcciones residenciales se diferencia de
otros tipos de construcciones en que las ganancias internas son menores, aquellas
ganancias aportadas por ocupantes y luces; las viviendas son normalmente
acondicionadas como una única zona o por mucho un par de ellas, típicamente un
termostato ubicado en un cuarto controla la entrega de varios cuartos; y por lo
general las cargas térmicas son menores.
5.2. Condiciones de Diseño
El paso inicial en el cálculo de la carga térmica de calefacción es el seleccionar las
condiciones de diseño tanto interiores como exteriores. Las condiciones de diseño
fueron definidas en base a las directrices estipuladas por la ASHRAE en su manual de
Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración [2].
5.2.1. Condiciones Interiores Las condiciones de diseño asumidas dependen del uso de la edificación, el tipo de
ocupantes y los requerimientos del mismo. Después de la recolección de información
41
en las visitas de campo, la temperatura de diseño interior típica en la práctica es de
20ºC.
5.2.2. Condiciones Exteriores
Las condiciones de diseño exteriores se deben seleccionar de acuerdo a los datos
climáticos específicos del local que se encuentran en la base de datos de la ASHRAE,
donde se encuentran los datos para las condiciones de diseño de calefacción anuales
para algunas ciudades del mundo.
Ilustración 19. Condiciones de Diseño para Bogotá de la base de datos de la ASHRAE.
Según el manual, se debe usar la condición indicada al 99% de las temperaturas de
calefacción indicado en la hoja de datos extraída de la base de datos de la ASHRAE.
Como se puede ver en la ilustración 19, la condición de diseño de calefacción para el
99% es de 4ºC, la cual es una temperatura extremadamente baja para las
temperaturas promedio en Bogotá. Debido a esto, se decidió hacer el estudio de
frecuencia de las temperaturas anuales de Bogotá y determinar un valor más
aterrizado para las condiciones de diseño exteriores.
5.2.2.1. Temperatura Anual Bogotá
Como primer paso, se adquirieron las temperaturas media horaria mensuales de los
últimos 4 años registrados por el IDEAM®. [1]
42
Se muestran a continuación la tabulación y gráficas de los resúmenes
Tabla 5.Resumen Temperatura Media Mensual
Tabla 6. Resumen Temperatura Media Horaria Anual
Gráfica 1. Temperatura Media Horaria Mensual
5.2.2.2. Análisis de Frecuencia Acumulada
Para determinar la condición de temperatura al 99% de ocurrencia, se realizó un
análisis de frecuencia acumulado a los datos de temperatura obtenidos de la base de
datos del IDEAM.
43
Tabla 7. Frecuencia Acumulada para Temperaturas Medias Anuales de Bogotá
A partir del análisis de frecuencia acumulado, se obtienen los siguientes datos de
diseño exteriores
Tabla 8. Condiciones de Diseño de Calefacción Anuales para Bogotá
44
De acuerdo al manual de la ASHRAE y de los resultados obtenidos después de realizar
el análisis de frecuencias acumulada, la temperatura de diseño exterior es de 7,8ºC.
Algo que se evidenció durante las visitas de campo, es que los arquitectos trabajando
con una temperatura de diseño interior entre los 6 hasta los 8ºC, por lo que la
temperatura de diseño obtenida es razonable.
5.3. Resistencia y Conductancia de la Construcción
Como se mencionó anteriormente, una parte importante de los insumos de calor en
los espacios acondicionados es el referente a las ganancias a través de paredes, techos,
ventanas y demás partes de la estructura, por esto la importancia de definir con
exactitud los tipos de materiales. Estos flujos de calor se deben a diferencias de
temperatura entre los ambientes externo e interno, así como a los efectos de la
radiación solar al caer sobre las paredes o transmitirse a través de las ventanas.
Para el análisis transitorio de los flujos de calor a través de una estructura se debe
realizar un análisis de estado permanente para la estructura, para así luego modificar
los flujos convenientes de acuerdo a la estructura en particular que se vaya a usar. [7]
El calor en la estructura fluye en la dirección en la cual disminuye la temperatura (del
más alto al más bajo) y este flujo de calor es igual a través de cualquier superficie.
Dicha transferencia de calor se puede realizar por los mecanismos de radiación,
convección o por conducción. La conducción depende de diferencias de calor dentro
del material sólido; la convección de diferencias de calor entre un fluido y la superficie
en contacto y la radiación térmica depende de la diferencia de temperaturas elevada a
la cuarta potencia. A continuación se muestra la forma de calcular la cantidad de calor
45
emitida por unidad de área para cada uno de los anteriores métodos (Convección 5.1,
conducción 5.2, radiación 5.3)
( ) (5.1)
(5.2)
(
) (5.3)
En donde,
En la figura 20 se observa un material sólido compuesto el cual está en contacto con
ambientes a temperaturas T1 y T6.
46
Ilustración 20. Variación de Temperatura a través de una Estructura Compuesta
Estableciendo una analogía entre el flujo de corriente de un conductor eléctrico y el
flujo de calor, entre la diferencia de voltajes entre dos puntos del conductor y la
diferencia de las temperaturas, y la resistencia eléctrica al paso de calor; para viajar de
una superficie a otra el calor debe vencer las resistencias de cada uno de los
materiales que componen la estructura. La resistencia total es igual a la suma en serie
de las resistencias unitarias de cada uno de los materiales. En este caso la resistencia
total está compuesta por las resistencias de las capas de aire de cada uno de los
extremos (Resistencia convectiva = Rconvección)
(5.4)
La resistencia de conducción de los materiales que componen la estructura
(5.5)
∑ (5.6)
Se puede definir, en forma alternativa la conductancia térmica total dada por
∑ (5.7)
Entonces la tasa de transferencia de calor estaría dada por
(5.8)
47
Para simplificar los cálculos, los valores de resistencias y conductancias térmicas se
darán por unidad de área de pared; además, el concepto de resistencia térmica
permite estudiar materiales compuestos de diversas capas como lo es en el presente
estudio.
En algunas estructuras, como es el caso de la construcción escogida para el presente
estudio, el flujo de calor no solo ocurre en serie sino también en paralelo, es decir, que
una parte del calor fluya por una parte de la construcción y la otra por otra parte de la
misma.
Ilustración 21. Estructura Compuesta
En la ilustración 21 se muestra una pared compuesta por varios materiales diferentes,
los cuales forman un “sándwich”, como lo son las paredes estudiadas en este proyecto.
En este caso, el calor tiene dos trayectorias paralelas compuestas por diferentes
resistencias, de manera que
(5.9)
( ) (
∑
∑ ) (5.10)
48
5.3.1. Propiedades de Materiales Seleccionados
Con el fin de conocer las conductancias térmicas de la estructura es necesario conocer
las propiedades de los materiales escogidos, por ejemplo la densidad, el coeficiente de
calor específico, la conductividad térmica y el espesor; para así conocer la
conductancia térmica de toda la estructura. Los valores de las conductividades y/o
conductancias térmicas unitarias de los materiales de construcción fueron tomados
del Handbook of Fundamentals de ASHRAE de valores tabulados de propiedades para
estructuras típicas para un espesor determinado. Para determinar la conductancia
térmica de las estructuras de este proyecto, se debe multiplicar el valor tabulado por
la relación Espesor Tabulado/ Espesor Deseado.
Se muestra a continuación el valor de las conductancias para cada estructura y la
resistencia total de cada elemento.
49
Tabla 9. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Muros Divisorios
Tabla 10. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Entrepiso Alivianado
Tabla 11. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Acabado de Pisos
Murosdivisorios
Superficieexterna 34,00 0,03
Ladrilloalavista 0,10 2,27 0,10 0,08
Ladrillodivisorio 0,10 1,25 0,20 0,07
Capadeaire 0,02 1,03 0,02 0,17
TabladeYeso 0,01 2,22 0,01 0,08
Pañete 5,00 0,01 0,00
Supercifieinterior 8,33 0,12
Superficieexterna 33,33 0,03
Ladrilloexterior 0,10 1,25 0,10 0,14
Espaciodeaire 5,85 0,17
Bloque+Concreto 0,10 1,25 0,20 0,07
EspaciodeAire 5,92 0,17
TabladeYeso 0,01 2,22 0,01 0,08
Superficieinterior 8,33 0,12
Superficieexterna 0,03
Ladrilloalavista 0,08
Concreto 0,10 1,41 0,29 0,04
Pañete 5,00 0,01 0,00
Superficieinterior 0,12
SúperficieExterna 34,00 0,03
Ladrilloalavista 0,10 2,27 0,10 0,08
Cemento 7,98 0,01 0,01
PoliuretanoexpandidoR-11 0,19 0,04 0,00
Bloquecerámico+concreto 0,10 1,25 0,20 0,07
Pañete 5,00 0,01 0,00
Superficieinterior 8,33 0,12
Superficieexterna 34,00 0,03
Ladrilloalavista 0,10 2,27 0,10 0,08
Cámaradeaire 0,02 1,03 0,03 0,11
Pañetedeyeso 0,01 3,12 0,01 0,16
PoliuretanoexpandidoR-11 0,19 0,04 0,00
Bloque+Concreto 0,10 1,25 0,20 0,07
Pañete 5,00 0,01 0,00
Superficieinterior 8,33 0,12
0,78
0,27
0,31
0,58
1,81
1,28
3,65
3,18
1,73
Espesor[m]R
[m2°C/W]Rtotal
[m2°C/W]
Utotal
[W/m2ºC]
0,55
Paredcompuestaconcavidad
deaireyasilamientohidrófilo
Espesor
tabulado[m]
k
[Btu-in/ft2hF]C
[Btu/ft2h°F]
CoefConvech
[W/m2°C]Descripción
ParedsólidadeLadrillo
ParedCompuestaconCavidad
deAire
ParedsinAislamiento
Aislamientonohidrófiloenel
exterior
AcabadodePisos
Superficieinterior 8,33 0,12
Acabadodepisos
Concretosuperior 0,10 1,41 0,10 0,13
METALDECK 314,1 0,03
Mallaelectrosoldada 314,1 0,18
Espaciodeaire 0,10 1,18 0,10 0,15
Pañete 0,01 1,61 0,01 0,28
Superficieinterior 8,33 0,12
Espesor[m]R
[m2°C/W]
MirarTabladeAcabadodePisos(Tabla11)
Espesor
tabulado[m]
k
[Btu-in/ft2hF]
C
[Btu/ft2h°F]
CoefConvech
[W/m2°C]Descripción
AcabadodePisos
Láminademadera 0,02 1,28 0,02 0,15
Tapeteyláminafibrosa 1,00 0,48 1,00 0,37
Baldosacerámica 1,00 20,00 0,07 0,01
Espesor[m]R
[m2°C/W]
Espesor
tabulado[m]
k
[Btu-in/ft2hF]
C
[Btu/ft2h°F]
CoefConvech
[W/m2°C]Descripción
50
Tabla 12. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Entrepisos
Tabla 13. Conductividades, Conductancias y Resistencias para Ventana
5.4. Método RLF (Residential Load Factor)
El procedimiento utilizado para el cálculo de la carga térmica de calefacción es el
método RLF (Residential Load Factor Method) creado por la ASHRAE. El método RLF
se basa en la idea de aporte calórico de componentes independientes evaluados por
separado y luego sumados para así obtener una carga total.
En el RLF, las superficies tienen asociados un factor de carga o contribución calorífica
por unidad de área. Dichos factores dependen de la superficie de la fuente, las
temperaturas a las que se encuentra y en algunos casos la orientación de la superficie.
El cálculo de la carga de calefacción residencial involucra el estimar las pérdidas de
calor máximas de cada cuarto o espacio a ser calefaccionado.
En el cálculo de las cargas de calefacción el método propone usas suposiciones
conservativas, ignorando las ganancias solares, internas y asume que no existe
almacenamiento de calor en el edificio. Esto conlleva a que el cálculo de la carga de
Entrepisos
Zona Rtotal[m2°C/W] Utotal[W/m2°C]
Áreascomúnes 1,16 0,87
Bañosycocinas 1,02 0,98
Cuartos,salasdeestar 1,38 0,73
Ventanas
Superficieexterna 0,00 34,00 0,03
Vídriode6mm 0,01 0,00 0,01 0,06
Capadeaireinterno 1,00 0,02 0,10 0,12
Espesor[m]R
[m2°C/W]
Espesor
tabulado[m]
k
[Btu-in/ft2hF]
C
[Btu/ft2h°F]
CoefConvech
[W/m2°C]Descripción
51
calefacción por medio de este método se reduzca a un cálculo simple de transferencia
de calor en estado estacionario.
Los procesos de acondicionamiento de aire normalmente involucran la transferencia
de calor por movimiento o fuga de aire. El calor total transferido por el aire en un
volumen, será la carga térmica total de calefacción a suplir (5.11)
(5.11)
Para el cálculo de la carga térmica de calefacción se deben tener en cuenta las
pérdidas de calor a través de las paredes del edificio que están expuestas al exterior y
el calor necesario para compensar las entradas de aire exterior, producidas por
infiltración o necesarias para la ventilación.
5.4.1. Componentes de la Carga Sensible
Los componentes de calor sensible son aquellos que hacen calentar el espacio, es
decir, aumentar la temperatura de este. Como se había explicado anteriormente, para
el cálculo de la carga de calefacción se asumen suposiciones conservativas, es decir las
ganancias por radiación solar, internas y conservación de calor se ignoran. Se
consideraron:
5.4.1.1. Transmisión de Calor a Través de Paredes Exteriores
La ganancia de todas las superficies expuestas a las condiciones de intemperie
(Paredes, puertas, ventanas, etc.) se calcula de la siguiente manera
(5.12)
Donde A es el área de la pared expuesta al exterior, el delta de temperaturas interior y
exterior y U la conductancia de la estructura a través de la cual esté fluyendo el calor.
52
5.4.1.2. Ventilación e infiltración
Las infiltraciones de aire del exterior producen tanto pérdida de calor sensible como
carga latente, la energía requerida para aumentar la temperatura del aire infiltrado
desde el exterior es el componente sensible de la carga.
Se debe determinar el flujo de aire del aire exterior Qi que entra al local usando la
siguiente ecuación
(
) (5.13)
Donde CAH es el número de cambios del aire por hora y V el volumen del local.
Para este caso se asumió un CAH de 1,5 y para el volumen un área de planta de 123
m3 (A) y una altura del local (h) de 2,5 m.
(5.14)
La pérdida de calor sensible por infiltración está dada por
(5.15)
Donde Cs representa el factor de calor sensible del aire (1.23 W/L s k) y ΔT la
diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior.
5.4.2. Componentes de la carga latente
Los componentes de calor latente son aquellas cargas que con sus aportes caloríficos
modifican el estado del aire del local.
(5.16)
Donde Cl representa el factor de calor sensible del aire (3012 W/Ls) y ΔW representa
la diferencia de la humedad del aire durante el proceso (0,007 Kg/Kg)
53
5.4.2.1. Ventilación e infiltración
Como se había mencionado anteriormente las infiltraciones generan pérdidas de calor
tanto sensibles como latentes, la energía asociada a la pérdida neta de humedad es el
componente de la carga latente.
5.5. Carga térmica de Calefacción
A continuación se presentan los valores calculados para la carga térmica de
calefacción para cada uno de los escenarios propuestos usando el procedimiento
planteado en ítems anteriores.
Tabla 14. Valores de Carga Térmica por Escenario
Qs Ql Qs Ql Qs Ql Qs Ql Qs Ql
Murosexterior 3303,4 0 1629,3 0 1145,9 0 2873,7 0 1557,7 0
Entrepisos 362,8 0 362,8 0 362,8 0 362,8 0 362,8 0
Techo 1007,9 0 1007,9 0 1007,9 0 1007,9 0 1007,9 0
Ventanales 1216,7 0 1216,7 0 1216,7 0 1216,7 0 1216,7 0
Infiltraciones 1928 2708 1928 2708 1928 2708 1928 2708 1928 2708
Total 7818,8 2708 6144,7 2708 5661,3 2708 7389,1 2708 6073,1 2708
TotalCarga[kW]
Carga/área[W/m2]
10,10
81,88
8,78
71,21
Descripción
10,53
85,37
8,85
71,79
8,37
67,87
ESCENARIO2
Flujocalor[W]
ESCENARIO1 ESCENARIO3 ESCENARIO4 ESCENARIO5
9,3
75,6
CargaTérmicaPromedio[kW]
Carga/ÁreaPromedio[W/m2]
54
Gráfica 2. Carga Térmica Promedio y por Escenario
Como se puede ver, según los cálculos, se obtuvo una carga térmica promedio de
q≈85 W/m2. Ya que la idea del proyecto es aterrizar el estudio lo mejor posible a las
condiciones reales de Bogotá, se asume una carga térmica promedio de 85 W/m2 ya
que el promedio anteriormente adquirido incluye escenarios idealmente aislados lo
cual no es una realidad en Bogotá.
Para los próximos cálculos, la carga térmica por unidad de área de referencia será 85
W/m2.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 2 3 4 5
Calor[W
/m2]
Escenario
CargaTérmicaporUnidaddeÁrea
55
6. Dimensionamiento de Calefacción
Una vez calculada la carga térmica requerida para acondicionar el local, se procede a
dimensionar la calefacción necesaria para acondicionar el local. Se dimensionarán los
dos tipos de calefacción hidrónica más comunes en el mercado de Bogotá, por
radiadores y por piso radiante.
6.1. Configuración y Delimitaciones
Puesto que el objetivo principal de este proyecto es el aterrizar los parámetros de
diseño de calefacción hidrónica para las condiciones de la ciudad de Bogotá, antes
realizar el siguiente manual de dimensionamiento de calefacción se realizaron algunas
visitas de campo a algunas empresas prestadoras de servicios de calefacción hidrónica
en Bogotá (RESEGGAS, PROALTECH) [12] [10] con el fin de conocer los parámetros de
diseño utilizados en la ciudad de Bogotá, configuraciones y equipos comerciales.
Lo que se encontró es que estas empresas lo que normalmente recomiendan al
usuario y lo que normalmente acostumbran a hacer es, debido a que la temperatura
en Bogotá no es una temperatura de invierno extrema, es a acondicionar únicamente
las áreas de permanencia, es decir, cuartos, baños y estudios. En la ilustración 22 se
pueden ver las zonas a acondicionar en el presente proyecto.
56
Ilustración 22. Zonas a Acondicionar
El sistema tradicional de radiadores en Bogotá es con una configuración Bitubo. En
este, los radiadores están montados en paralelo, por lo que el agua que llega a cada
radiador desde la caldera retorna directamente a ella. En este tipo de instalación la
temperatura de entrada en todos los radiadores es prácticamente la misma.
Ilustración 23. Configuración Bitubo de Radiadores
La configuración de la tubería será de retorno directo, en la cual el tubo de retorno
parte del radiador más alejado y va recogiendo el agua de los diferentes radiadores
57
hasta devolverla a la caldera. Se estableció un salto térmico del sistema (ΔT =
Talimentación - Tretorno) de 12ºC.
En cuanto a piso radiante, el diseño aconsejado de los circuitos es en espiral. En este
tipo de configuración las tuberías de ida y de retorno siempre son contiguas, estando
además siempre la tubería más caliente próxima a la más fría. Este tipo de diseño
asegura la homogenización de la emisión térmica y es recomendado para locales a
calefactar con formas geométricas sencillas; tiene como ventaja la fácil instalación. Se
estableció un salto térmico del sistema de 10ºC.
Ilustración 24. Configuración en Espiral Piso Radiante
Las horas de uso del sistema de calefacción está a consideración del usuario, pues es él
quien tiene la necesidad en confort y quién acciona el prendido o apagado del sistema.
Para este caso en particular se estableció un horario de uso de [4 – 7 am] y [7 – 11
pm], un total de 9 horas al día.
6.2. Calefacción por Radiadores A continuación se presentarán los pasos a seguir para dimensionar calefacción hidrónica
con radiadores.
58
6.2.1. Demanda por Zona a Acondicionar
Una vez conocida la carga térmica por unidad de área del local y conocidas las
dimensiones de los cuartos a acondicionar, se procede al cálculo de las demandas
térmicas por zona a acondicionar.
*
+ (6.1)
Tabla 15. Valores de Carga Térmica por Zona (85 W/m2)
6.2.2. Número de Elementos por Zona
Como se había explicado, la potencia total que entrega un radiador depende del
número de elementos que lo componen, siendo la suma de las potencias nominales de
cada uno de estos. Para los cuartos se utilizarán radiadores de aluminio inyectado tipo
panel y para los baños se utilizarán radiadores de aluminio inyectado también tipo
toallero. Para realizar la ilustración del dimensionamiento, se eligió el modelo
comercial Calidor® de la marca FONDITAL para los cuartos y para los baños el
modelo Calens dual® de FONDITAL.
Zona Área[m2]
Habitación1 11,74
Habitación2 9,23
Habitación3 10,34
SaladeTV 9,18
BañoPrincp 6,95
Baño2 2,84
BañoSocial 1,51
q[W]
998,1
784,4
878,8
780,3
591,0
241,4
128,0
59
Ilustración 25. Radiador tipo Panel Calidor® de FONDITAL.
Ilustración 26. Radiador tipo Toallero Calens Dual® de FONDITAL
Para la selección de qué tipo de radiador utilizar, se deben establecer dos parámetros,
el delta de temperatura en el radiador y la altura del panel.
El delta de temperatura en el radiador no es el mismo salto térmico del sistema, este
delta representa la diferencia entre la temperatura media del radiador (promedio
entre temperatura de entrada y salida del radiador) y la temperatura ambiente a la
que se encuentra el local. Por sugerencia en las salidas de campo, el ΔTradiador con
mayor eficiencia térmica en Bogotá es de 50ºC.
La altura del panel es elegida únicamente por requisitos de espacio del local a
acondicionar, ya que los radiadores deben ir ubicados debajo de las ventanas y a 12
cm por encima del suelo, la altura elegida para los radiadores es de 60 cm.
60
Tabla 16. Tabla de Selección Radiadores Calidor®
Tabla 17. Tabla de Selección de Radiadores Calens Dual®
Teniendo las tablas de selección del modelo de radiador escogido, se debe entrar con
el ΔTradiador y la altura elegidos, obteniendo la potencia nominal de cada uno de los
elementos. Para hallar el número de elementos por radiador a colocar, basta con
dividir la carga total por zona entre la potencia nominal que emite cada elemento.
Obteniendo
Tabla 18. Número de Elementos por Zona
Local W
Habitación1 998,11
Habitación2 784,44
Habitación3 878,77
SaladeTV 780,28
BañoPrincp 590,97
Baño2 241,42
BañoSocial 127,97
ModeloRadiador W/Panel
600/100 132,6
600/100 132,6
600/100 132,6
600/100 132,6
8/405 362
8/406 362
8/407 362
#TotalPánel
8
6
7
6
2
1
1
61
6.2.3. Diseño Tubería
Una vez conocidos los radiadores a colocar en cada zona, se procede a calcular el
diámetro adecuado de la tubería por tramo de instalación, desde la caldera hasta el
último radiador.
La ASHRAE establece como criterio de diseño de forma que la pérdida de carga en
cada tramo se encuentre entre [40 – 400 Pa/m] y la velocidad no exceda los 2 m/s. Se
estableció como parámetro de diseño que la pérdida de cabeza no sobrepase los 200
Pa/m.
Para la presente instalación se ha previsto instalar tubería de polietileno reticulado
PEX de Uponor®, comúnmente utilizada en las instalaciones de Bogotá ya que posee
un valor de rugosidad muy bajo y es aislada térmicamente. Como punto de partida se
traza la tubería en el local y se obtienen las longitudes correspondientes a los
diferentes tramos, dado que en los proyectos estos datos son obtenidos sobre el
terreno o medidos sobre planos reales de instalación.
62
Ilustración 27. Esquema de la Configuración de Radiadores
Para establecer qué diámetro es el adecuado y cumple con los parámetros de diseño
establecidos, basta con entrar en el nomograma de Pérdida de Carga – Caudal –
Velocidad (Ver ANEXO A)
La siguiente tabla muestra un resumen de los diámetros elegidos por tramo, al tener
una configuración de retorno directo las dimensiones de las tuberías de ida y de
retorno por tramo son idénticas ya que los caudales en ambas coinciden.
63
Tabla 19. Cálculo Pérdida de Cabeza por Tramo de Instalación
Como se puede ver, ninguno de los tramos supera las condiciones de diseño
previamente establecidas.
6.2.4. Sistema de Bombeo
El siguiente paso es elegir la bomba para alimentar el circuito de calefacción, se debe
seleccionar una bomba capaz de suministrar caudal a toda la instalación y capaz de
vencer las pérdidas de cabeza del circuito más desfavorable.
La pérdida de cabeza del circuito más desfavorable será la suma de la pérdida por
accesorios y las pérdidas en radiadores.
En este caso el circuito más desfavorable es el que va desde la caldera hasta el
radiador 3 como se muestra a continuación
Habitación3 Rad1Habitación2 Rad2
Habitación1 Rad3
SaladeTV Rad4BañoPrincp Rad5
Baño2 Rad4BañoSocial Rad7
Tramo x[mm] W Kcal/h D[mm] V[m/s] Q[L/s] CaídadePresión[Pa/m] Cabeza[Pa]Rad2-Rad3 3855 998,11 1158,92 16,00 0,12 0,02413 24,23 93,40665Rad1-Rad2 3705 1782,55 2069,74 16,00 0,14 0,02815 67,45 249,90225A-Rad1 6975 2661,32 3090,09 16,00 0,32 0,06434 138,86 968,5485
Totaltramo[Pa] 1311,8574
Rad4-Rad5 5962 590,97 686,18 16,00 0,07 0,01407 9,2 54,8504A-Rad4 1432 832,39 966,50 16,00 0,1 0,02011 10,92 15,63744
Totaltramo[Pa] 70,48784
Rad6-Rad7 8492 780,28 905,99 16,00 0,092 0,01850 14,3 121,4356B-Rad6 807 908,25 1054,57 16,00 0,1 0,02011 20,51 16,55157
TotalTramo[Pa] 137,98717
B-A 4338 3493,71 4056,59 20,00 0,46 0,14451 279,7 1213,3386Totaltramo[Pa] 1213,3386
CALD-B 4484 4401,96 5111,16 20,00 0,31 0,09739 90,38 405,26392TotalTramo[Pa] 405,26392
64
Ilustración 28. Circuito más Desfavorable
Observando la tabla 19, puede deducirse que las pérdidas de carga debidas al
rozamiento en las tuberías de impulsión y retorno del circuito Caldera – Radiador 3
son
(6.2)
(6.3)
Las pérdidas de cabeza en los accesorios se estiman en un 150% de la pérdida de
cabeza en los tramos de tubería rectos, entonces la cabeza de la bomba será
(6.4)
65
El caudal que debe suministrar la bomba será la suma del caudal en cada uno de los
tramos
∑ (6.5)
6.2.5. Fuente de Calor
Sumando las potencias de todos los radiadores instalados, la caldera seleccionada
debe ser capaz de suministrar 5,02 kW al circuito de calefacción. Comercialmente, en
la ciudad de Bogotá, no se consiguen calderas que entreguen ese valor de potencia, la
más pequeña ofrecida es una caldera BOSHC Dual de 24 kW. A pesar de que es una
potencia muy grande en relación a la potencia que consumirá el sistema, la ventaja de
este tipo de calderas es que al ser dual puede ser utilizada tanto para calefacción como
para agua sanitaria simultáneamente, por lo cual la potencia que no es consumida por
el circuito de calefacción no se desperdiciará sino que se consumirá en el sistema de
agua sanitaria de la construcción.
6.3. Calefacción por Piso Radiante
Al igual que para la instalación con radiadores, se presentarán a continuación los
pasos a seguir para el dimensionamiento de piso radiante en calefacción hidrónica.
6.3.1. Demanda por Zona a Acondicionar
Al igual que con los radiadores, el primer paso a seguir es determinar la carga térmica
de cada uno de las zonas a acondicionar. Se sigue exactamente el mismo
procedimiento descrito en el apartado 6.2.1.
66
6.3.2. Localización Colectores Los colectores son los accesorios encargados de repartir el fluido desde la caldera
hasta los diferentes circuitos del local.
Ilustración 29. Colector UPONOR
Los colectores se sitúan en un lugar centrado respecto a la zona a acondicionar a la
que dan servicio. Se ha de buscar, dentro del área, una ubicación que no distorsione el
aspecto estético del espacio habitable. El número de circuitos determina el número de
colectores a ubicar, como mínimo se precisa de un colector por planta calefactada.
Cada colector tiene un máximo de 12 circuitos, en el caso de existir más circuitos
emisores se necesita ubicar otro colector.
En la siguiente ilustración se muestra la ubicación del colector.
67
Ilustración 30. Ubicación de Colector en la Planta
6.3.3. Diseño de Circuitos
Como se había especificado al inicio del documento, cada zona será calefactada por
circuitos independientes, para poder regular la temperatura de cada cuarto de forma
independiente.
Lo primero que se debe hacer es definir el paso entre los tubos de ida y retorno (e). La
ASHRAE establece que para locales con cargas térmicas por unidad de área entre los
[50 – 100 W/m2] el paso entre ida y retorno debe estar entre [18 – 30 cm]. Para este
caso, se estableció un paso de e = 20 cm ya que en la ciudad de Bogotá los paneles
moldeados sobre los que va el circuito comercialmente se consiguen para circuitos de
con paso de 20 cm.
68
Ilustración 31. Panel Moldeado UPONOR
Una vez conocidas las áreas que van a calefactar cada uno de los circuitos y el paso de
la tubería, debe medirse la distancia existente entre el área a calefactar y el colector. El
cálculo de la longitud de cada circuito está dada por
(6.6)
En donde A = área a calefactar cubierta por el circuito [m2] y l=distancia entre el área
y el colector.
Tabla 20. Longitudes de Circuitos Independientes.
69
Ilustración 32. Diseño Circuitos Independientes.
Para este caso, al igual que para los radiadores, se establece como referencia tubería
PEX UPONOR de 16 mm x 1,8 mm, puesto que es usual en suelos radiantes para
vivienda en Bogotá utilizar este tipo y diámetro de tubería.
6.3.4. Temperatura Media Superficial del Suelo
La temperatura media superficial del suelo (Tms) es función únicamente de la carga
térmica calculada para el lugar. Para calcular la temperatura media del suelo se realiza
un análisis de transferencia de calor entre el ambiente y la superficie del suelo.
*
+ (6.7)
70
Dónde Ti es la temperatura interna de diseño (20ºC). Obteniendo una temperatura
media del suelo de 26,9ºC.
Según la ASHRAE, por motivos de confort del usuario de la instalación, es conveniente
que la temperatura media superficial del suelo no supere los 30ºC, lo cual se cumple.
6.3.5. Temperatura de Impulsión del Agua
Como ya se había mencionado, el salto térmico entre el agua de impulsión y el de
retorno se fija en 10ºC. Para calcular la temperatura del agua de impulsión (Tma), al
igual que para la temperatura media del suelo, se realiza un análisis de transferencia
de calor por convección, pero esta vez se realiza entre el ambiente y la tubería de
impulsión. Por ende, la temperatura de impulsión depende de la demanda térmica del
local (q), la temperatura interior de diseño (Ti) y la conductancia U de la capa de
material sobre el tubo de impulsión, que se calculó de 62,5 W/m2ºC.
*
+ ( ) (6.8)
Con un salto térmico de 10ºC, se calcula la temperatura de retorno del agua
( ) (6.9)
6.3.6. Caudal del Circuito
El caudal de agua a través de un circuito de calefacción por suelo radiante es función
de la potencia térmica emitida, que se supone igual al valor de la carga térmica q, y el
salto térmico entre la impulsión al circuito y el retorno desde este.
71
Se debe calcular el área real calefactada, la cual es el área del local que calefacta el
circuito, junto con el área del pasillo calefactado en el tramo hasta el colector.
(6.10)
Luego, teniendo el área a calefactar, la carga térmica a suplir y el salto térmico del
sistema se calcula el caudal de cada circuito independiente por transferencia de calor
( ) (6.11)
Una vez calculados los caudales en cada uno de los circuitos independientes, se calcula
el caudal total de todo el circuito
∑ (6.12)
Usando el anterior procedimiento se obtiene para el circuito establecido
Tabla 21. Áreas Reales y Caudales para cada Circuito
6.3.7. Tubería de Distribución
Para el cálculo de la red de tuberías de conexión entre la sala de calderas y el colector
debe conocer el caudal de cada tramo. Una vez conocido este dato se entra en el
nomograma de Perdida de Carga – Caudal de UPONOR (Ver ANEXO []) y se selecciona
la dimensión de tubería PEX UPONOR de acuerdo al límite de perdida de cabeza por
Circuito
Habitación1Habitación2Habitación3SaladeTV
BañoPrincpBaño2BañoSocial
Área[m2] Áreal[m2] Q[L/s]
11,74 15,15 0,0319,23 12,64 0,02610,34 12,64 0,0269,18 10,22 0,021
6,95 9,25 0,0192,84 5,04 0,0101,51 3,01 0,006
QTotal[L/s] 0,14
72
tramo lineal establecido anteriormente [200 Pa/m]. Los accesorios con los que cuenta
este tramo de tubería son codos, derivaciones en T y racores con salida roscada.
Entrando en el nomograma con 0,14 L/s y con una tubería de 25 mm de diámetro
resultan unas pérdidas de cabeza en la tubería de 98,54 Pa/m, lo cual cumple con las
delimitaciones de diseño establecidas para la tubería.
Ilustración 33. Tubería de Distribución
6.3.8. Pérdida de Cabeza
Trazando un esquema de la instalación, la pérdida de carga en esta será la mayor
entre las pérdidas de carga de todas las trayectorias posibles que puede seguir el agua
desde la impulsión del circulador hasta el retorno a este.
Las pérdidas de carga en circuitos emisores y en tuberías de distribución se extraen
de los nomogramas de Pérdida de Carga – Caudal UPONOR (ver ANEXO []).
A las pérdidas de cabeza en las tuberías del trayecto más desfavorable se debe sumar
las pérdidas por accesorios. Entrando en el gráfico para una tubería PEX UPONOR de
16 x 1,8 mm se obtienen las pérdidas de carga en los diferentes circuitos
73
Tabla 22. Pérdida de Cabeza en los Circuitos
De acuerdo a los cálculos, el circuito que mayor pérdida de carga posee es el circuito
ubicado en la habitación 1, por ende este será el valor de referencia para la pérdida de
carga en los circuitos independientes.
Ahora se calculan las pérdidas totales en el circuito de calefacción
Tabla 23. Pérdida de Carga Total en el Circuito de Calefacción
6.3.9. Sistema de Bombeo
Una vez calculada la pérdida del circuito y el caudal total de este, se debe seleccionar
una bomba que sea capaz de suplir un caudal de 0,14 L/s y una cabeza de 1 m.
6.3.10. Fuente de Calor
Se realizó de nuevo el cálculo de la potencia consumida por cada circuito tomando en
cuenta no el área de las zonas sino el área real que se calculó para determinar el
caudal en el circuito de calefacción obteniendo
Circuito D[mm] ΔP[Pa/m] ΔP[KPa]
Habitación1 16 77,91 5,2
Habitación2 16 56,72 3,0Habitación3 16 56,72 3,5
SaladeTV 16 38,71 1,9
BañoPrincp 16 33,31 1,4
Baño2 16 12,5 0,3
BañoSocial 16 12,5 0,2
Tramo Criterio ΔP[KPa]
Circuitos Circuito1 5,24
Colector 7Circuitos/Q=0,123L/s 0,50
Distribución Uponor16m,D=25x10m 0,98
10codosD=25mm 1,00
Accesorios 4ManguitosdeuniónD25mm 0,02
6llavesdecorteD=25mm 1,70
ΔPTOTAL[m] 0,96
74
Tabla 24. Valores de Potencias Reales por Circuito y Total del Sistema
Al igual que en el sistema por radiadores, se debe utilizar una caldera dual de 24 kW.
Circuito
Habitación1Habitación2Habitación3SaladeTV
BañoPrincpBaño2BañoSocial
Áreal[m2] Q[W]
15,15 1288,012,64 1074,312,64 1074,310,22 868,7
9,25 786,55,04 428,43,01 255,5
WTotal[kW] 5,78
75
7. Análisis de Inversión
Así como es importante conocer los parámetros, pasos de diseño y dimensionamiento
de diferentes configuraciones de calefacción hidrónica para la ciudad de Bogotá, es
también importante saber cuánto cuesta instalar un proyecto de calefacción de este
tipo y qué tan viable es en comparación a otras alternativas de solución al confort del
usuario en apartamentos de la ciudad de Bogotá. Para esto, se realizó un simple y
pequeño análisis de inversión comparando el presente proyecto de calefacción
hidrónica tanto con radiadores como con piso radiante, con el proyecto de aislar
térmicamente la construcción.
Los precios reportados en el análisis fueron adquiridos durante las visitas de campo
tanto a las empresas de calefacción, como a los arquitectos consultados.
7.1. Inversión Inicial
El proyecto más barato de calefacción hidrónica por radiadores, incluyendo la caldera,
se encuentra en un rango de [12 – 15 millones de pesos]. Para el proyecto presente, la
cotización realizada por la empresa RESEGGAS Ltda. es de 13’920.000 COP IVA
incluido. El precio incluye una caldera de mural (4’500.000 sin IVA), radiadores de
aluminio inyectado de gama bajada, tubería, accesorios y la instalación de este.
Para la calefacción con suelo radiante, el costo es de aproximadamente 50.000 COP +
IVA por metro cuadrado instalado. A esto se le debe sumar el precio de la caldera de
mural (4’500.000 COP + IVA) los paneles aislantes (42.000 + IVA COP), zócalo
perimetral (4.800 COP/m2 + IVA), kit de colectores (535.900 COP + IVA), accesorios y
la instalación.
76
En cuanto al aislamiento de las construcciones, es muy difícil realizar una cotización
de un valor exacto de lo que podría costar aislar térmicamente la construcción, pues
se necesitan conocer exactamente qué tipo de aislamiento se utilizará, qué materiales,
qué marcas y qué entidad realizará el proyecto. Aislar térmicamente una construcción
cuesta alrededor del [3 – 5%] del valor inicial del apartamento. La recomendación del
arquitecto Jorge Baquero [3] es que lo que podría llegar a costar este apartamento en
particular, con materiales gama media y con la misma constructora (AMARILO) podría
costar el 3.2% del costo del apartamento. Tomar como referencia el costo del
apartamento recién construido sería una suposición errada, puesto que no se estarían
comparando precios en el mismo periodo de tiempo, por lo que se calculó el valor
aproximado de lo que podría estar costando a la fecha este apartamento.
El precio por metro cuadrado de la constructora AMARILO en el sector de rosales está
alrededor de 6’000.000 COP + IVA, según esto el precio del apartamento se encuentra
aproximadamente en 1.010’000.000 COP. Aislar térmicamente este apartamento
costaría entonces 50’460.000 COP.
7.2. Mantenimiento y Gastos Operativos
Los sistemas de calefacción hidrónica, tanto por radiadores como por piso radiante,
no requieren de un mantenimiento además del cuidado y la limpieza de los elementos,
sin embargo representan un constante consumo de gas natural de la caldera. Para
calcular el valor del gas consumido por la caldera, primero se calculó el consumo
aproximado para una caldera dual de 24 kW obteniendo un consumo de 2,5 m3/h.
Como se había establecido al comienzo del proyecto, las horas útiles de uso de la
77
calefacción será de 9 horas diarias, por lo que entonces el consumo de la caldera
diario será de 22,5 m3/h.
El precio del metro cúbico de gas natural según el Gas Natural Fenosa para estrato 6 a
la fecha es de 921.000 COP. Entonces, el costo que representa operar el sistema de
calefacción al año será
(7.1)
Obteniendo un gasto anual en gas natural de 7’563.876,75 COP.
El proyecto de aislar térmicamente la construcción, no representa ningún gasto
operativo significativo.
7.3. Resultado Llevando el proyecto a un plazo de 5 años se obtuvo el siguiente balance, sin tener en
cuenta inflación, tasa de retorno y posibles financiaciones para alguno de los
proyectos.
Tabla 25. Análisis de Inversión para Calefacción por Radiadores, por Piso Radiante y Aislamiento Térmico de la Construcción
Si se tuviera en cuenta únicamente la inversión inicial del proyecto, evidentemente
aislar la construcción es mucho más costoso, por lo que se optaría en primera
Año1 Año2 Año3 Año4 Año5Radiadores 13.920.000,00$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 51.739.383,75$PisoRadiante 15.563.604,00$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 7.563.876,75$ 53.382.987,75$Aislamiento 50.460.000,00$ -$ -$ -$ -$ -$ 50.460.000,00$
CostosOperativosInversión TOTALPROYECTO
78
instancia por instalar calefacción hidrónica en la vivienda. Pero al llevar el proyecto a
un plazo de 5 años, se puede ver que la inversión de la calefacción iguala a la inversión
de asilamiento de la vivienda, y con el paso de los años este valor aumentará
continuamente.
79
8. Conclusiones
Ya que el presente proyecto tenía como objetivo el desarrollar un manual con
parámetros de diseño y dimensionamiento de calefacción hidrónica en la ciudad
Bogotá, no se pueden deducir conclusiones al ser esto una guía de diseño. Sin
embargo, se pueden plantear algunas recomendaciones para los próximos proyectos
afines al tema.
Es cierto que existen algunos parámetros de diseño estipulados para este tipo de
calefacciones por entidades como la ASHRAE, como por ejemplo temperaturas de
diseño; sin embargo, es importante analizar las condiciones del local, del lugar y del
entorno en el cual se realizará el proyecto antes de utilizar los parámetros ya
definidos por este tipo de identidades. Aunque son fuentes de alta confiabilidad, es
necesario corroborar la información y calcular los parámetros de diseño de nuevo,
siendo este el procedimiento que se llevó a cabo a lo largo de este proyecto. Esto con
el fin de no sobredimensionar los proyectos y diseñar una calefacción más eficiente.
En cuanto a si hacer o no calefacción hidrónica en Bogotá, la recomendación a
próximos diseñadores y constructores es considerar la posibilidad de aislar
térmicamente la construcción desde un principio antes de tomar la decisión de
instalar calefacción en un local. Como se pudo ver en el pequeño análisis de inversión,
no sólo aislar térmicamente la edificación es el proyecto más rentable a largo plazo
sino que además de esto, es una solución mucho más amigable con el medio ambiente.
80
La temperatura de Bogotá al no ser una temperatura de invierno extrema, es viable
considerar otras alternativas para brindar confort al usuario, como por ejemplo,
solucionar el problema acondicionando el lugar con aislantes térmicos.
81
9. Referencias
[1] 2013, B. d. (s.f.). Recuperado el Agosto de 2013, de IDEAM: www.ideam.gov.co
[2] ASHRAE. (2001). Handbook of Fundamentals. Atlanta, GA, EE.UU.
[3] Baquero, J. (2013). Visita de Campo Arquistudio S.A.S. (N. Espitia, Entrevistador)
Bogotá.
[4] Bhatia, A. (2007). Design Considerations for a Hydronic Pump System. Nueva York :
CED Engineering.
[5] ClimateMaster. (2011). Essentials of Hydronics for GSHP Professionals. Oklahoma.
[6] Doninelli, M. (1993). Design Principles of Hydronic Heating Systems. Gavirate:
Hanbooks Caleffi.
[7] Kreider, J., & Rabl, A. (1994). Heating and Cooling of Buildings - Design for
Efficiency. McGraw Hill .
[8] Noguera, L. (2013). Visita de Campo PROALTECH Ltda. . (N. Espitia, Entrevistador)
Bogotá.
[9] UPONOR. (2012). Manual Técnico Aplicaciones de Calefacción y Climatización.
Madrid: UPONOR HISPANIA S.A.U.
[10] UPONOR. (2012). Manual Técnico Sistemas de Fontanería y Calefacción . Madrid:
UPONOR HISPANIA S.A.U.
[11] WarmRite Floor. (2004). Manual of Modern Hydronics. Ontario: IPEX.
[12] Zorio, P. (2013). Visita de Campo RESEGGAS Ltda. . (N. Espitia, Entrevistador)
Bogotá.
82
ANEXO A
83
