Comprensión de las opciones de tubería en la calefacción por suelo radiante

Hace años, un profesor de ciencias de la escuela secundaria le hizo a nuestra clase la siguiente pregunta: si un trozo de madera y una barra de acero se sentaran afuera en un día de 20 grados, ¿cuál estaría más caliente? Mientras la clase reflexionaba sobre la pregunta inescrutable, yo me senté preguntándome: "¿Cuál es el truco?"

Siempre hay una trampa. Algo así como preguntar quién está enterrado en la tumba de Grant. La respuesta estaba en la pregunta.

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En una clase de entusiastas jóvenes de 17 años, hubo quienes corrieron para ser los primeros, coincidiendo con otros en que la barra de acero era más fría. Por supuesto, la respuesta a esa pregunta es la misma ahora que entonces: ambos objetos tienen, de hecho, la misma temperatura.

La pregunta no era cuál estaba más caliente, sino cuál se sentía más caliente. Como ambos estaban afuera en las mismas condiciones, tenían que tener la misma temperatura. Pero el acero se sentiría más frío porque el acero es más conductor; es decir, aleja la energía de nuestras manos más rápido que la madera.

En el mundo de la calefacción por suelo radiante, he encontrado un concepto erróneo similar al hablar de las diferencias entre las opciones de tubería utilizadas en una instalación de suelo radiante. Específicamente, surgen dudas sobre si PEX es más eficiente que EPDM. Dado que PEX utiliza una temperatura de fluido más baja, algunos podrían decir que el sistema con distribución PEX es más eficiente. Pero, ¿la opción de una sola tubería es realmente más eficiente?

Para responder a esto, necesitamos entender cómo se transfiere el calor en ya través de un piso radiante. Lo crea o no, no todo el calor se crea o distribuye por igual. Hay tres métodos de calentamiento: convección, conducción y radiante.

convectivo los sistemas se basan en un medio, generalmente aire, que se mueve de un lugar a otro por algún medio mecánico, generalmente un ventilador. En un sistema hidrónico, el aire se reemplaza con agua y el ventilador se reemplaza con un circulador. El agua mueve la energía térmica de la caldera hacia la zona radiante. Muchos de ustedes saben esto, pero tengo que decirlo de todos modos: el agua es varias veces más conductora que el aire y muchas veces más capaz de mover energía que el aire.

Conductivo La transferencia es cuando dos objetos de diferente temperatura entran en contacto. El objeto más cálido impartirá energía térmica al objeto más frío a través del área de contacto. Piense en su mano en ese poste de acero mencionado anteriormente. El poste, al ser más conductor, permite que el calor salga rápidamente de tu mano, provocando que sientas más frío. En un sistema radiante, la conducción se lleva a cabo en cualquier lugar donde el tubo radiante esté en contacto con un material de piso o subsuelo, o en algunos casos, con la ayuda de una placa de transferencia de calor.

Radiante La transferencia es cuando un objeto más cálido emite energía a un objeto más frío a través de ondas de energía. Un buen ejemplo de esto es una lámpara de calor que cuelga sobre una canasta de papas fritas en el autoservicio local. La lámpara más caliente mantiene calientes las papas fritas frescas. Con el calor radiante, la frase clave a recordar es que el calor pasa de caliente a frío.

Los tres métodos (trabajo en equipo, si le gustan las analogías deportivas) sirven para hacer que un sistema de suelo radiante funcione. Para ayudar a ilustrar la mecánica de la transferencia de calor, analicemos el siguiente ejemplo: una habitación típica de 20 x 20 pies tiene una intensidad de calefacción de 25 Btuh/pie cuadrado y una temperatura ambiente deseada de 70 °F. Nuestros cálculos muestran que la habitación no cumplirá con nuestra carga de calor de diseño si la temperatura de la superficie del piso es inferior a 80 °F.

El piso en este caso es un panel radiante y está transfiriendo energía a la habitación porque tiene una temperatura elevada de 80 °F (recuerde, lo caliente se convierte en frío). ¿Importa cuál es el revestimiento del suelo? No, no desde la perspectiva de la habitación. Lo único que le importa a la habitación es tener una superficie que tenga la temperatura adecuada. ¿El revestimiento del piso afecta la pérdida de calor de la habitación? No otra vez. La pérdida de calor de la habitación está dictada por la construcción general: valor R de la pared, área de la ventana, longitud de la pared expuesta, etc. En este caso, la habitación tendrá una carga de 25 Btuh/pie cuadrado y debe tener una superficie de piso de 80 °F temperatura independientemente del revestimiento del suelo.

Lo mismo se aplica a la construcción de pisos. Podemos tener una losa, una losa delgada o un piso de marco y los mismos requisitos son válidos: la temperatura de la superficie del piso debe ser de 80 °F para satisfacer la pérdida de calor de 25 Btuh/pie cuadrado.

Ahora, eso no quiere decir que la construcción de pisos o los revestimientos de pisos no sean importantes, lo son. La construcción del piso dictará la ruta (dirección de menor resistencia térmica) que tomará la energía desde la tubería radiante hasta la superficie del piso y afectará el tiempo de respuesta general. Cuanta más masa (es decir, losa), más tiempo tardará un sistema en responder en condiciones cambiantes. Pero, para nuestro ejemplo, mantengamos todo igual y solo concentrémonos en los cambios en los tubos.

Los revestimientos para pisos son parte de la construcción del piso y, por lo tanto, parte del valor R general del piso. Cambiar los revestimientos del piso afectará las temperaturas de los fluidos. Las cubiertas más conductoras permitirán temperaturas de fluido más bajas mientras se mantiene la misma temperatura superficial.

Recuerde, el calor se mueve hacia el frío de una manera muy predecible. Cuanto mayor sea el cambio de temperatura (delta T o ∆T), mayor será el movimiento de energía a través de un material determinado. Tener un revestimiento de suelo o una construcción más restrictiva exige más energía. O, más bien, cuanto mayor es la resistencia del material, mayor debe ser el ∆T para transferir la misma cantidad de energía a través del material.

Si cambiamos el revestimiento del piso en nuestra habitación de ejemplo de alfombra a loseta, la energía requerida sigue siendo la misma (25 Btuh/pie cuadrado) y la temperatura de la superficie aún debe ser de 80 °F. Aunque las condiciones de diseño son las mismas, la construcción no lo es. Desde que cambiamos el revestimiento del piso por baldosas, la resistencia general del material disminuyó, lo que aumentó el valor de conductividad general del piso.

Todavía necesitamos una temperatura de la superficie del piso de 80 °F, pero ahora podemos lograr la intensidad de calentamiento requerida con un ∆T más pequeño (una temperatura de fluido de suministro más baja) entre la superficie del piso de 80 °F y la tubería, asumiendo que el resto de la construcción del piso sigue siendo el mismo.

Entonces, ¿qué sucede con nuestro diseño si cambiamos las opciones de tubería? Para comprender mejor este cambio, debemos sumergirnos en la mecánica de lo que sucede entre el fluido dentro de la tubería y el piso.

Necesitamos identificar la eficiencia: la relación entre la energía utilizable y la energía total proporcionada. Esta energía total incluye no solo la energía suministrada a la habitación, sino también la energía perdida por diversas fuentes, denominadas pérdidas de retorno y de borde (el área debajo y al costado de nuestro panel radiante).

Ya hemos concluido que la intensidad de calefacción de la habitación es la misma ya que la carga la dicta la construcción de la habitación, no el piso. Lo que afecta la eficiencia ahora es la pérdida en la parte trasera y en los bordes, que se ve afectada directamente por la temperatura de la superficie, o la temperatura superficial, de la tubería radiante. Cuanto mayor sea la temperatura de la piel, mayor será la pérdida de la espalda y los bordes. Si la temperatura de la piel es la misma, entonces las pérdidas en la parte posterior y en el borde son las mismas.

Hay varias opciones de tubería en el mercado hoy en día, y cada una requerirá una condición de diseño ligeramente diferente según la aplicación de calefacción dada. Nuestra habitación de ejemplo requiere una carga de 25 Btuh/pie cuadrado y un requisito de temperatura de la superficie del piso de 80 °F. Lo primero que debemos hacer es determinar la temperatura de la piel requerida para calentar adecuadamente esta habitación. A partir de ahí, podemos determinar la temperatura del fluido necesaria y, finalmente, la eficiencia general del panel.

Para determinar la temperatura de la piel requerida, debemos trabajar desde el revestimiento del piso hasta la tubería. En nuestra habitación de ejemplo, la temperatura de la superficie del piso requerida es de 80 °F. Teniendo en cuenta que la construcción del piso tiene un valor de conductividad conocido, la tubería radiante integrada tendrá una temperatura superficial fija. Esta es la misma temperatura exterior necesaria para mantener la temperatura requerida en la superficie del piso, independientemente de la opción de tubería utilizada.

Por lo tanto, los sistemas que usan tubería de EPDM necesitarían la misma temperatura superficial que un sistema que usa PEX o PE-RT. Si la temperatura de la piel fuera diferente, entonces la temperatura de la superficie del suelo resultante sería diferente.

Sin embargo, la misma temperatura de la piel no significa la misma temperatura del fluido de suministro. El motivo está directamente relacionado con el ∆T a través de la pared de la tubería, el valor de conductividad del material de la tubería y, hasta cierto punto, el diámetro de la tubería utilizada. La Figura 1 muestra varias características de cuatro tuberías utilizadas en un sistema típico de calefacción por suelo radiante. El cobre se muestra como referencia de control.

Figura 1

Los valores de resistencia térmica de las tuberías se calculan utilizando las ecuaciones que se encuentran en el Capítulo 6: Calefacción y refrigeración de paneles, Manual de ASHRAE 2000-Sistemas y equipos HVAC. Una vez que se calcula el valor de conductividad de la tubería equivalente, se puede determinar la caída de temperatura correspondiente a través de la pared de la tubería.

Figura 2

La tubería de EPDM requerirá una temperatura de suministro más alta porque tiene una resistencia térmica del material y un espesor de pared ligeramente más altos. En comparación con PEX, EPDM requerirá aproximadamente 8,68 °F (13,0980 – 4,418 = 8,68) de temperatura de fluido más alta que PEX en la misma aplicación.

Un ∆T fijo entre la temperatura de la piel y el suelo evita que el sistema suministre más o menos energía de la necesaria. Un problema aquí resultaría en que la habitación se sobrecalentara o subcalentara. El sistema debe tener la misma temperatura superficial ya sea que usemos EPDM, PEX o PE-RT. La misma temperatura superficial indica la misma pérdida en la parte posterior y en el borde, lo que significa que las eficiencias del panel siguen siendo las mismas, aunque la temperatura del fluido de suministro varíe.

El resultado final: es importante diseñar un sistema radiante para los componentes que se utilizan y, lo que es más importante, instalar de acuerdo con el diseño especificado.

Entonces, como la pregunta que me hizo mi profesor de ciencias de la escuela secundaria sobre el trozo de madera y la barra de acero, ¿cuál es la respuesta a "¿Qué tubería es más cálida en un piso radiante?" La respuesta: todas las tuberías tienen la misma temperatura.

Kolyn Marshall ha estado en Watts y ha estado activo en el mercado de los radiantes hidrónicos desde 1995. Durante su permanencia en Watts, ocupó varios roles, comenzando su carrera en ventas externas y migrando a varios roles de liderazgo dentro del soporte técnico, el marketing estratégico y la gestión de productos. . Durante este tiempo, Kolyn ha escrito el manual técnico Comprensión de los sistemas radiantes para RSES. Kolyn tiene una licenciatura en ingeniería mecánica de la Universidad de Missouri en Columbia.