CALEFACCIÓN POR SUELO RADIANTE

CALEFACCIÓN POR SUELO RADIANTE — ASPECTOS INNOVADORES
Jordi Escuain Sanz
Departamento técnico de ALB, S.A.
Introducción
«El indescriptible confort de sentir el calor desde abajo»
Así describía hace casi un siglo su impresión el arquitecto americano Frank Lloyd Wright,
cuando «descubrió» en el Japón la calefacción por el suelo.
La calefacción por suelo radiante no es un desarrollo moderno; cretenses, turcos, romanos
y coreanos se beneficiaron de las ventajas de un sistema técnica y científicamente
inmejorable.
La historia sumió por siglos en casi total olvido esta gran idea. Los artífices del progreso
tecnológico la recuperaron hace poco menos de un siglo; los espectaculares avances de
nuestra época han convertido este antiguo y genial concepto en un sistema eficaz y
ventajoso: la calefacción por suelo radiante permite hoy día dotar a cualquier hogar o
edificio colectivo del nivel de confort más saludable, ahorrando al mismo tiempo ese bien
precioso que es la energía.
Principio físico
Todo cuerpo emite energía al exterior en forma de radiación infrarroja, en función de su
temperatura —a mayor temperatura, mayor emisión—; esta radiación es energía en forma
de radiación electromagnética, de la misma naturaleza que la luz o las ondas de radio, pero
con una frecuencia por debajo de la frecuencia de la luz roja —de ahí su nombre—, de
modo que es invisible para el ojo humano; no obstante, el cuerpo humano la percibe como
una sensación de calor. Cualquier objeto que recibe radiación infrarroja de suficiente
intensidad se calienta, aumentando su temperatura. La radiación infrarroja puede viajar por
el vacío, es decir, no precisa vehículo o materia portadora.
Calefacción por radiación
El sistema de calefacción por suelo radiante se basa en la emisión de calor desde el suelo;
esta emisión se consigue caldeando el suelo. Al alcanzar el suelo una cierta temperatura, su
superficie emite radiación infrarroja, transmitiendo calor a los ocupantes de la estancia y a
las paredes.
La intensidad de la radiación emitida por el suelo disminuye según se aleja de la superficie;
así, el calor recibido por los ocupantes y por las paredes es menor a mayor altura. Las
paredes aumentan de temperatura por el calor recibido, pero en menor grado a mayor
altura; en razón de la misma emiten también radiación infrarroja, de intensidad decreciente
con la altura.
Radiación primaria y radiación secundaria en una estancia
El efecto combinado de la radiación del suelo y de la radiación de la pared genera por lo
tanto distintos niveles de radiación en la estancia, de menor intensidad según aumenta la
altura. El resultado para el ocupante es una percepción de más calor en la zona de los pies y
menos calor en la zona de la cabeza. Operando con los valores de energía y temperatura
adecuados, este perfil se sitúa en valores alrededor de los 25 ºC en la zona inferior —zona
de los pies— y 19 ºC en la zona superior —zona de la cabeza—. Esta repartición del calor
resulta la más apropiada para las necesidades térmicas del cuerpo humano.
«Pies calientes y cabeza fría»
El perfil de temperatura que proporciona el suelo radiante —más en la zona de los pies y
menos en la zona de la cabeza— se corresponde con las necesidades del cuerpo humano.
Las zonas por las que se pierde más calor son la cabeza y los pies; normalmente, la pérdida
por la cabeza no se acusa con la misma intensidad debido a que la regulación de la
temperatura corporal la mantiene a temperatura constante, compensado dicha pérdida —el
cerebro es el último órgano del cuerpo en el que se disminuye el riego sanguíneo—; no
obstante, en los pies se acusa rápidamente la pérdida de calor, produciéndose una
incómoda sensación de «pies fríos», que para muchas personas provoca la pérdida de toda
sensación de confort.
Considerando el caso inverso, un exceso de calor ambiental se percibe mayormente en la
zona de la cabeza y las vías respiratorias; la sensación es de opresión, sofoco y sequedad en
las mucosas —el aire caliente puede contener más humedad, es más «seco», y al ser
inhalado absorbe más humedad de las mucosas—.
Por lo tanto, el perfil proporcionado por la calefacción por suelo radiante compensa estos
efectos: un nivel de temperatura más elevado en la zona de los pies, donde su sufre más el
frío, y una temperatura más moderada en la zona de la cabeza, donde el exceso molesta, y
donde en realidad conviene permitir una mayor disipación de calor. La situación de confort
que se consigue se puede definir como “pies calientes y cabeza fría”.
El perfil térmico proporcionado por el suelo radiante (línea azul) es el
que más concuerda con el perfil ideal para el cuerpo humano
(línea roja), en comparación con los perfiles proporcionados
por los sistemas de aire caliente (línea verde)
Seguridad
Una ventaja significativa del sistema de suelo radiante es la disponibilidad de una gran
superficie radiante, que permite obtener el nivel de emisión térmica suficiente a partir de
una temperatura superficial moderada.
Ello garantiza la seguridad y salubridad del sistema: la temperatura de la superficie del suelo
se sitúa en valores cercanos a los 27 ~ 28 ºC —dentro del intervalo de 19 ºC a 29 ºC
definido como conveniente para el confort de las personas—, y con estos niveles se evitan
efectos nocivos sobre el organismo humano, como las varices o la flebitis, dolencias de las
que se intenta tachar al suelo radiante como causante.
Calidad del aire
Al trabajar a baja temperatura, el diferencial térmico entre el suelo y el entorno es muy
reducido, y la emisión de calor desde el suelo al aire por conducción y posterior convección
es muy pequeña. No se produce por lo tanto un sobrecalentamiento del aire, ni corrientes
de convección relevantes. El aire se mantiene en unos niveles de temperatura y de
humedad relativa apropiados para las personas, y no se producen corrientes de aire ni los
consecuentes arrastres de polvo, ácaros, etc., que afectan a personas sensibles o alérgicas;
en definitiva, la calidad del aire es superior.
Caldeo del suelo
El primer paso en el proceso de calefacción por suelo radiante es caldear el suelo. El caldeo
del suelo se puede realizar por uno de tres métodos: a) mediante resistencias eléctricas, b)
mediante aire caliente o c) mediante agua caliente.
El sistema de calentamiento eléctrico consiste en una red de resistencias eléctricas
calefactoras soterrada en el suelo. Resulta sencillo y económico de instalar, pero su coste de
explotación es elevado debido al precio de la energía eléctrica. Además, no permite cambiar
de fuente de energía.
El sistema por aire caliente consiste en una red de tubos soterrados que conduce el aire por
el interior del suelo. También resulta económico de instalar, pero no resulta muy eficiente,
dada la poca capacidad térmica del aire como vehículo transmisor del calor.
En el sistema por agua caliente también se conduce el agua por el interior del suelo
mediante una red de tubos. Aunque resulta algo más costoso en su instalación, es muy
eficiente desde el punto de vista energético, resultando incluso más económico que otros
sistemas de calefacción convencional.
Suelo radiante por agua caliente
Este sistema permite emplear distintos tipos de generación, e incluso cambiarlos en
cualquier momento. Además, al trabajar a baja temperatura permite aprovechar sistemas
de generación que en otros sistemas no resultan eficaces en la misma medida, como
colectores solares térmicos, bombas de calor, o energía geotérmica.
Ahorro energético
Diversos aspectos del sistema de suelo radiante lo hacen más eficiente desde un punto de
vista energético, y por lo tanto más económico en su explotación.
Se consigue la misma sensación de confort con suelo radiante alcanzando una temperatura
ambiente de 20 ºC, que con un sistema por aire caliente a 22 ºC.
Con el suelo radiante, la aportación de calor se realiza mayoritariamente por radiación, en
lugar de por convección; con el mecanismo de radiación, el calor transmitido queda
acotado en la zona de necesidad, y se aprovecha mejor; con el mecanismo de convección el
calor se desplaza por el interior del edificio, disipándose en zonas en las que no resulta útil,
y alcanzando más fácilmente superficies de pérdida térmica, como ventanas y techos.
Para caldear el suelo a la temperatura adecuada se emplea agua a temperaturas que oscilan
normalmente entre 35 ºC y 45 ºC —por criterios de seguridad, se contempla un límite
máximo de 50 ºC—. Ello implica un ahorro energético, dado que los procesos de
calentamiento y mantenimiento resultan más eficientes a baja temperatura que a alta
temperatura, y también se reducen las pérdidas.
Condicionantes arquitectónicos
Al hallarse concentrada la emisión de energía en la zona de ocupación, y ser irrelevante la
convección, la altura del techo no influye prácticamente en el rendimiento del suelo
radiante, a diferencia de lo que sucede con otros sistemas.
Por ello, es particularmente adecuado para naves industriales, construcciones con huecos
que comunican distintos niveles, etc.
El factor estético, de por sí importante para cualquier usuario, cobra mayor peso en
edificios con valor histórico-arquitectónico y de diseño. La instalación de calefacción por
suelo radiante queda totalmente oculta en la propia estructura del edificio, sin elementos
físicos que ocupen espacio habitable; por tanto, se eliminan las interferencias con el propio
edificio, con elementos del mobiliario y con la decoración.
EL SUELO RADIANTE MODERNO
Tubo multicapa
En el sistema de suelo radiante por agua caliente, el caldeo del suelo se logra haciendo
circular agua caliente por su interior a través de un sistema de tubos soterrados. El tubo
que se emplee debe tener suficiente capacidad de intercambio térmico, cumplir los
requisitos obvios de resistencia mecánica y química, y ser fácil de instalar. Todos estos
requisitos quedan ampliamente cubiertos por el tubo multicapa.
El tubo multicapa es fruto del avance tecnológico en la aplicación de los materiales
plásticos; combina materiales plásticos (normalmente polietileno) y metálicos (aluminio).
Esta configuración proporciona una sinergia de las características de los materiales
utilizados, entre las que cabe destacar las propiedades mecánicas y térmicas, y la plasticidad
(el mantenimiento de la forma después del doblado).
Estructura del tubo multicapa
La conductividad térmica del tubo multicapa se sitúa por encima de la de los tubos
plásticos de una sola capa, y es adecuada para su función transmisora. Como ejemplo, se
indica en la tabla la conductividad de un tubo multicapa de 17 × 2 y la de un tubo de
polietileno reticulado de las mismas dimensiones.
Conductividad térmica
(W/m·K)
Multicapa 17 × 2
PE-X 17 × 2
0,43
0,35
La flexibilidad y memoria de forma facilitan enormemente la labor de instalación: el tubo,
además de poderse doblar a mano en radios muy reducidos con poco esfuerzo, conserva la
forma dada sin retornar a la posición inicial —característica proporcionada por la capa
interna de aluminio—; este factor es particularmente importante en un suelo radiante,
donde se debe cubrir una superficie considerable con el tendido de tubo instalando muchos
metros y realizando muchas curvas. El resultado es un ahorro considerable en horas de
trabajo.
Asimismo, la conexión de los tubos al colector resulta más sencilla, sin ser necesarios
accesorios de montaje como las curvas de guía.
Estanqueidad al oxígeno
En general, los tubos de plástico adolecen de una desventaja que radica en su propia
constitución física. Los plásticos, formados por moléculas de hidrocarburos muy largas
entrelazadas entre sí, presentan intersticios en toda su estructura física; el tamaño de estos
es tal que permite el paso de moléculas de oxígeno, de manera que un tubo plástico
expuesto a la atmósfera está sujeto a la difusión del oxígeno del aire desde el exterior hacia
el interior.
Estructura molecular de un material plástico
Difusión intersticial del oxígeno en un material plástico
El agua posee una cierta capacidad para disolver oxígeno, que aumenta con la temperatura;
en el gráfico se representa cómo la temperatura del agua conducida influye sobre el grado
de difusión del oxígeno a través de la pared de un tubo de polietileno (línea amarilla).
Comparativa de la difusión de oxígeno
En sistemas de calefacción por agua caliente en los que se emplea tubo de plástico —
supuestamente «cerrados»—, la difusión de oxígeno a través del material permite la
renovación del oxígeno libre en el agua, de modo que el proceso de oxidación de los
internos del sistema se mantiene, resultando en la formación de productos de la oxidación
(orín, cascarilla), degeneración de componentes (por ej., poros en cuerpos de caldera), y
daños o averías causados por la interferencia de los productos de la oxidación con
componentes de la instalación (por ejemplo, agarrotamiento de válvulas).
Para paliar este efecto, se dota a los tubos plásticos de una barrera que dificulte la difusión
de oxígeno por su estructura; suele consistir en una fina película de un barniz que cubre la
superficie exterior del tubo. Esta película disminuye notablemente la difusión del oxígeno a
través de la pared del tubo de polietileno (en el gráfico, ilustrado por la línea roja), pero no
la impide totalmente; el proceso de oxidación queda retardado, pero llega a producirse con
los mismos efectos.
En el tubo multicapa, la capa intermedia de aluminio es una barrera total a las moléculas de
oxígeno; no presenta intersticios que permitan su difusión; el gráfico representa con la línea
azul (situada en el valor cero) la total impermeabilidad del tubo multicapa al oxígeno: el
sistema es «cerrado». El tubo multicapa es por tanto una solución eficaz al problema de la
corrosión provocada por la entrada de oxígeno en el sistema, y aumenta la durabilidad de la
instalación. Es un aspecto adicional en lo que se refiere a la escasa necesidad de
mantenimiento de una calefacción por suelo radiante.
Tamaño
El tamaño estimado como idóneo para instalaciones domésticas refleja el equilibrio de los
diversos factores que concurren en este elemento; el tubo multicapa de 17 × 2, con capa de
aluminio de 0,2 mm, combina las siguientes ventajas:
- Instalación: la flexibilidad de este tamaño facilita el trabajo de tendido, teniendo en
cuenta que un sistema de suelo radiante representa la manipulación y curvado de
muchos metros.
- Pérdida de carga moderada: la sección de paso en este tamaño permite realizar circuitos
con longitudes apropiadas para las instalaciones de suelo radiante domésticas,
manteniendo las pérdidas de carga en valores moderados.
- Economía: el tamaño de la instalación resultante, en cuanto a metraje y colectores,
resulta competitivo.
Elementos aislantes
Para evitar el suelo ceda calor a la estructura del edificio —calor perdido—, se aísla del
forjado mediante paneles aislantes, que son elementos de separación térmica; son delgadas
planchas de un material aislante que se extienden encima del forjado, previo al vertido del
pavimento. Su eficacia depende de la característica térmica del material —su conductividad
térmica, que debe ser muy baja— y de su espesor. Debe poseer al mismo tiempo una
resistencia mecánica adecuada, puesto que debe soportar las cargas del suelo. Normalmente
son de poliestireno expandido, que conjuga muy favorablemente una excelente
característica aislante, facilidad de conformado, resistencia mecánica y bajo coste.
En la actualidad existen dos presentaciones genéricas de panel: liso y con tetones. El panel
liso ofrece una superficie plana, mientras que el otro tipo presenta una serie de
protuberancias moldeadas, distribuidas regularmente por la superficie del panel; su
propósito es proporcionar unos puntos de guía y sujeción del tubo para facilitar su tendido.
Si bien el panel con tetones ofrece cierta ventaja en el tendido de tubo, adolece de algunos
inconvenientes no presentes en el panel liso. Los tetones condicionan el trazado de
circuitos, puesto que obligan al tubo a seguir unas ciertas direcciones y dictan las
separaciones entre tubos que pueden aplicarse; esto afecta especialmente las salidas de
colector, los pasos de puerta, zonas irregulares (chaflanes, pilares, paredes curvas, etc.),
donde la necesidad de desviar los tramos de tubo puede verse obstaculizada por los
tetones; en estos casos, la práctica obliga a cortar los tetones en las áreas afectadas.
Otra desventaja es que una parte no despreciable de la superficie del tubo queda en
contacto con los tetones, es decir, con material aislante; así se reduce la superficie eficaz de
intercambio térmico. Los tetones ocupan también una parte significativa de volumen en
sustitución del mortero, y merman la consistencia y la capacidad térmica del mismo.
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Asimismo, trabajar varias horas sobre panel con tetones produce un especial un cansancio
en tobillos y piernas, que a la larga influye sobre la productividad.
El panel liso permite el libre tendido del tubo, en la orientación y con la separación entre
tramos que convenga a la instalación. Desaparecen las limitaciones del panel con tetones,
otorgando total libertad de trabajo al instalador.
Ejemplo de tendido de tubo multicapa sobre panel liso
Acabado
El acabado del panel es otro factor diferenciador que aporta características adicionales al
sistema.
Ambos tipos de panel se pueden reforzar mecánicamente con una película de polietileno
termosoldada, que aumenta significativamente su resistencia; resulta particularmente valiosa
durante su instalación, el tendido del tubo y hasta la finalización del pavimento. Además, si
un panel con película llega a romperse, normalmente se rompe la base de poliestireno, pero
no la película —resulta muy difícil de romper—, de manera que evita la formación de un
puente térmico durante el vertido del mortero.
Sin película de PE
Con película de PE
Una de las versiones de panel liso desarrolladas incluye una plancha de aluminio, de 0,3
mm de espesor, encolada directamente en la cara superior. Al margen de la mejora en la
resistencia, la principal función de esta lámina es como difusor y reflector térmico. El
aluminio facilita una difusión más homogénea del calor cedido por los tubos al mortero;
además, su superficie lisa proporciona un efecto de reflexión del calor, que se suma a la
característica aislante del panel. Estos efectos permiten trabajar con temperaturas de agua
caliente de impulsión entre 5 ºC y 6 ºC por debajo de lo habitual.
Transmisión de calor sin placa difusora Transmisión de calor con placa difusora
CONCLUSIÓN
El sistema de calefacción por suelo radiante representa la opción más adecuada a los
condicionantes fisiológicos del cuerpo humano; al mismo tiempo permite un ahorro
energético significativo, así como aprovechar fuentes de energía que otros sistemas no
admiten.
El empleo de tubo multicapa y panel aislante liso permiten la realización de una instalación
con mejor rendimiento energético, de una manera más cómoda y rápida.