suelo radiante
A pesar de que el calefacción radiante de gran superficie con aire caliente en los canales del suelo es conocido desde hace más de dos milenios, respectivamente el calefacción radiante de gran superficie con agua caliente con tuberías de calefacción incrustadas en la estructura de construcción (cielorraso, pared y suelo) desde hace casi 100 años, en la realización prevalecen claramente los sistemas de calefacción con cuerpos de calefacción tradicionales - radiadores y con una transferencia de calor convectiva al interior.
Así que la pregunta básica es: ¿por qué calefacción convectiva y no radiante?
CALEFACCIÓN RADIANTE
En la calefacción radiante de interiores se utiliza el flujo de calor radiante de la superficie de calefacción (cuerpo), mediante el cual se calientan directamente, es decir, sin la intervención del aire interior, las estructuras de construcción interiores circundantes y solo una pequeña parte del flujo de calor se transmite por convección directamente al aire del interior calentado (es decir, lo contrario de la calefacción convectiva de interiores con cuerpos de calefacción convectiva). Por eso también las temperaturas de las superficies interiores de las estructuras de construcción que forman el interior son mayores que la temperatura del aire en el interior calentado de esta manera (de nuevo lo contrario de la calefacción convectiva de interiores).
Los rayos de calor que emite (irradia) la superficie de los cuerpos sólidos calientes (superficies de calefacción radiante) son en realidad ondas electromagnéticas con una longitud de onda de 0,78 a 400, es decir, en el rango de la parte infrarroja del espectro de ondas electromagnéticas, que se propagan a una velocidad de 300 000 km.s-1.
PROPAGACIÓN DEL CALOR EN LA CALEFACCIÓN RADIANTE
En la resolución teórica de los sistemas de calefacción en interiores de edificios terrestres, siempre hay que determinar la potencia de calefacción, es decir, el flujo de calor necesario para garantizar el confort térmico deseado para el ser humano - el usuario.
En la sistemas de calefacción, la potencia de calefacción se calcula con frecuencia a partir de las condiciones de equilibrio térmico del espacio calefactado (interior, habitación, etc.) y en estado estacionario. Precisamente en este cálculo hay que distinguir claramente entre la calefacción convectiva (donde el cuerpo de calefacción transmite al interior calefactado un flujo de calor principalmente por convección) y la calefacción radiante, es decir, podlahové kúrenie (donde la superficie de calefacción transmite el flujo de calor al interior calefactado principalmente por radiación).
De las consideraciones mencionadas se deduce que en el modo de calefacción radiante, la superficie de calefacción transmite el flujo de calor por radiación - sin la intervención del aire del interior a las superficies circundantes del interior enfriadas, y se cumple que la temperatura efectiva (es decir, la temperatura media de las superficies circundantes) es mayor que la temperatura del aire.
Por tanto, es evidente que en la calefacción radiante una parte sustancial del calor se propaga por radiación y solo una pequeña cantidad del flujo de calor se transmite por convección. Por lo tanto, en el cálculo de la potencia de calefacción, hay que determinar:
- el equilibrio térmico de la superficie de calefacción radiante,
- el equilibrio térmico del aire,
- el equilibrio térmico de la superficie de calefacción radiante y del aire,
- el equilibrio térmico del espacio calefactado.
TIPOS DE CALEFACCIÓN RADIANTE
Actualmente podemos dividir la calefacción radiante de la siguiente manera:
- calefacción de gran superficie (superficies de calefacción en el techo, paredes y suelo), conocida como podlahové kúrenie
- calefacción general mediante paneles radiantes colgantes,
- calefacción individual mediante placas cercanas (paneles radiantes),
- calefacción mediante emisores infrarrojos.
De esta división se puede ver que, en principio, la superficie de calefacción radiante puede estar situada en la estructura de construcción como parte inseparable de ella (sistemas de calefacción de gran superficie) o puede crearse como una superficie de calefacción independiente colocada libremente en el espacio (paneles radiantes, placas de calefacción, emisores infrarrojos).
Si partimos de esta diferencia constructiva, entonces hay diferencias fundamentales también en cuanto a la temperatura superficial de las superficies de calefacción, lo que a continuación influye en la elección del medio de transporte de calor y su temperatura y finalmente también en el rendimiento térmico específico de la superficie de calefacción radiante asociado a ello.
CALEFACCIÓN RADIANTE DE GRAN SUPERFICIE
La superficie de calefacción en la calefacción radiante de gran superficie es normalmente una de las paredes que delimitan el espacio calefactado y puede ser el techo, la pared o el suelo.
La temperatura superficial de la superficie de calefacción debe ser relativamente baja (40 a 45 °C en el techo, 55 a 60 °C en la pared y 25 a 30 °C en el suelo), lo que implica que también la temperatura del medio será baja. La superficie de calefacción puede calentarse:
- con agua caliente (lo más frecuente),
- con aire caliente,
- eléctricamente (por resistencia).
De lo mencionado se deduce que los sistemas de calefacción radiante de gran superficie trabajan con temperaturas más bajas del medio de transporte de calor. Estos sistemas de baja temperatura son adecuados para aprovechar la energía obtenida de fuentes energéticas de baja potencia, como son las aguas geotérmicas, la energía solar, posiblemente el calor residual y el calor ambiental. La superficie de calefacción en la calefacción de gran superficie es una de las paredes que delimitan el espacio calefactado. Según la superficie utilizada, dividimos los sistemas de gran superficie en:
- cielorraso
- paredes.
De la calefacción convectiva con cuerpos de calefacción, la calefacción radiante de gran superficie se diferencia por el modo de transferencia de calor y por las relaciones térmicas en la habitación. En la calefacción convencional, el cuerpo de calefacción calienta el aire de la habitación, que transmite calor a las paredes. La temperatura del aire interior es mayor que la temperatura de las paredes. En la habitación se crea un flujo característico de aire y como consecuencia de ello una diferencia relativamente grande de temperatura del aire bajo el techo y cerca del suelo.
En la calefacción de gran superficie, la transferencia de calor se realiza por radiación y convección. La proporción del calor radiante en la calefacción del techo es del 80%, en la calefacción de las paredes del 65% y en la calefacción del suelo del 55%.
El acabado constructivo de la superficie de calefacción es muy variado. En principio distinguimos dos soluciones básicas:
- la superficie de calefacción está integrada, es decir, es una parte inseparable de la estructura de construcción,
- la superficie de calefacción es independiente, es una placa calentada, que:
- o bien está fijada a alguna de las estructuras de construcción,
- o bien se coloca libremente en el interior calefactado.
En el primer caso, la superficie de la estructura de construcción se calienta con agua caliente que fluye por tubos (registros), cuyos tubos están incrustados en la estructura de construcción. En la ejecución de la calefacción radiante, los tubos de calefacción se cuelgan posteriormente, en la construcción terminada, debajo del techo portante y se cubren con una capa de yeso en el falso techo. Las placas de calefacción radiante, que se colocan en las estructuras de construcción de la habitación (o también libremente en el espacio), son normalmente metálicas, cerámicas o de vidrio. Estas placas se calientan normalmente eléctricamente.
GRAN SUPERFICIE DE SUELO RADIANTE
Si el tubo de calefacción (registro) es parte del suelo del interior dado, hablamos de suelo radiante de gran superficie. Actualmente se trata de un sistema de calefacción que, debido a sus múltiples propiedades positivas, vive cierta renacimiento y cada vez se utiliza más en la construcción residencial (especialmente en viviendas unifamiliares), en objetos de equipamiento civil (guarderías, escuelas infantiles, gimnasios, piscinas, etc.), así como también en grandes salas (garajes colectivos, fábricas industriales, construcciones agrícolas).
El suelo radiante de gran extensión se utilizaba en el pasado como complemento del calefacción por techo, cuando el área del techo no era suficiente para cubrir las pérdidas térmicas. El desarrollo más amplio del suelo radiante fue obstaculizado por la exigencia de una temperatura baja de la superficie del suelo, lo que se relacionaba con una baja potencia térmica. Las nuevas construcciones, los diseños arquitectónicos, la mejora de las propiedades térmicas de los edificios y los materiales constructivos progresivos para la fabricación de sistemas de calefacción permiten hoy en día la aparición de muchos sistemas de calefacción por suelo radiante.
La elección del suelo radiante está determinada en primer lugar por el propio edificio. Este debe cumplir con las propiedades térmicas tales que la pérdida térmica promedio deba ser menor de 20 W.m-3, o bien el consumo anual promedio de calor menor de 70 a 80 kWh.m-2. De lo expuesto se deduce claramente que el mínimo consumo energético está en primer lugar causado por el propio edificio, seguido por el régimen de operación con posibilidad de acumulación de calor en el suelo con una inercia térmica aproximada de 4 a 8 h y con un alto grado de autorregulación.
El estado térmico óptimo de los interiores con calefacción por suelo radiante suele estar garantizado con temperaturas resultantes 2 a 4 K más bajas que con la calefacción convectiva, al mismo tiempo que casi ideal es el gradiente vertical y horizontal de temperatura.
CALEFACCIÓN POR SUELO RADIANTE CON TUBERÍAS
De lo anteriormente constatado es evidente que la calefacción por suelo radiante con tuberías pertenece a los sistemas de calefacción radiantes, aunque la proporción de la componente radiante en la transferencia total de calor desde la superficie de calefacción es solo ligeramente superior al flujo de calor por convección (55 % : 45 %). Al mismo tiempo esto influye mutuamente muy favorablemente en las ventajas de ambos métodos de transferencia de calor al interior.
La calefacción por suelo radiante con tuberías es al mismo tiempo de gran extensión, es decir, las tuberías de calefacción son parte de la construcción del suelo. Debido a las exigencias higiénicas que se relacionan con la temperatura limitada de la superficie del suelo, y por tanto con relativamente menores potencias térmicas específicas de la calefacción del suelo, las tuberías de calefacción están casi siempre colocadas bajo toda la superficie del suelo. Esto influye positivamente en la uniformidad de la transferencia de calor en el interior y ayuda a crear un ambiente térmicamente homogéneo, ya sea en el sentido vertical o horizontal.
La temperatura del agua de calefacción es normalmente inferior a 50 °C, por lo que podemos hablar simultáneamente de calefacción por suelo radiante con tuberías también como de baja temperatura, lo cual tiene varias ventajas. Por un lado garantiza ahorros sustanciales de energía térmica en la operación, por otro lado permite la aplicación de fuentes energéticas no tradicionales de bajo potencial, como la radiación solar, la energía de aguas geotérmicas, o bien bombas de calor que utilizan el calor del entorno.
Estos hechos sitúan la calefacción por suelo radiante con tuberías entre los sistemas de calefacción progresivos, garantizando los tres aspectos E, es decir, energéticos, ambientales y económicos de la calefacción de edificios. Por otro lado, a pesar de la existencia de este tipo de calefacción ya hace más de 2000 años, su mayor expansión y renacimiento ocurre precisamente hoy en día.
Por ello es necesario definir teóricamente con exactitud los principios para la aplicación práctica de la calefacción por suelo radiante con tuberías, lo cual se relaciona con la elección, cálculo, diseño, evaluación, construcción, instalación, regulación, operación y aplicaciones.
SELECCIÓN DE EDIFICIOS PARA SUELO RADIANTE
Dado que no cada edificio es adecuado para la aplicación del sistema de calefacción por suelo radiante, es necesario garantizar los requisitos:
- térmicos,
- higiénicos,
- energéticos.
DETERMINACIÓN DE LAS CANTIDADES TÉRMICAS DETERMINANTES
Las propiedades térmicas de las construcciones y edificios se garantizan mediante las cantidades:
- de resistencia térmica de las construcciones,
- de amortiguamiento térmico de las construcciones,
- de capacidad térmica de las construcciones del suelo,
- de cantidad de vapor de agua condensado y evaporado en las construcciones,
- de permeabilidad al aire de las construcciones, sus uniones,
- de estabilidad térmica de la habitación,
- de consumo de energía para la calefacción.
Al diseñar las construcciones y edificios definidos por el estado determinado del ambiente interior se exigen los criterios de temperatura mínima del superficie interior según el artículo 3 de la norma STN 73 0540 y del consumo máximo de energía para la calefacción según el artículo 21 de la norma STN 73 0540.
TUBERÍAS DE CALEFACCIÓN
El elemento más importante de la calefacción del suelo son las tuberías de calefacción, por lo que a continuación caracterizaremos con mayor detalle:
- tuberías para calefacción,
- tuberías para suelo radiante.
TUBERÍAS PARA CALEFACCIÓN
Actualmente en la calefacción central utilizamos con mayor frecuencia este material de tubería:
- tuberías metálicas,
- tuberías plásticas,
- tuberías combinadas.
TUBERÍAS METÁLICAS
Se utiliza acero (negro), acero galvanizado, acero inoxidable y cobre. El material de accesorios y conexiones es variado (fundición templada, latón, bronce, hierro rojo, etc.). La diversidad de materiales es causa de la corrosión de contacto, que tiene gran influencia en la vida útil del equipo de calefacción.
a) Tuberías de acero
Pertenecen a los materiales clásicos de tubería. Se utilizan principalmente tuberías de acero lisas sin costura. La unión se ha establecido mediante soldadura y los cambios espaciales en la red de tuberías se crean mediante doblado a caliente. Las uniones roscadas se utilizan únicamente para conectar válvulas y cuerpos de calefacción. Gracias a más de un siglo de experiencia se ha logrado eliminar la mayoría de los defectos. Queda solo la alta exigencia de la actividad de soldadura. Precisamente esta circunstancia impide hoy en día introducir perfiles rectangulares cerrados de acero de pared fina, porque la soldadura espejo no es popular y ya no se maneja comúnmente.
b) Tuberías de acero galvanizado
Las tuberías de acero galvanizado son uno de los materiales más antiguos de tubería, pero requieren un procesamiento artesanal perfecto. La capa de zinc no siempre tiene el mismo espesor y la misma calidad. Al utilizar modernos roscadores, al crear el filete a menudo se produce un considerable debilitamiento local de la parte portante de la tubería. Esta circunstancia junto con la eliminación de la superficie galvanizada es causa de la corrosión por grietas. Debido a que las uniones roscadas requieren profesionalismo y son tiempo consumidas, se sustituyen por soldadura cuando sea posible. Se puede constatar que el uso de tuberías de pared gruesa ya está en declive.
c) Tuberías de acero inoxidable
El aparentemente ideal tubo de acero inoxidable se encontraba en la realización con el problema de la unión. La soldadura en este caso requiere un proceso tecnológico altamente especializado, porque de lo contrario se producen deformaciones transcristalinas no deseadas. Asimismo, al soldar con estaño plateado a menudo surge el peligro de corrosión en la zona de contacto entre el estaño y la superficie inoxidable. Solo a principios de los años setenta tuvo lugar un giro decisivo, cuando la empresa Mannesmann desarrolló la unión de tubos de acero inoxidable mediante bridas de acero inoxidable auténtico.
Este tipo de técnica de unión se ha ido extendiendo progresivamente a otros tipos de tuberías (por ejemplo, plásticas, donde se utilizan principalmente bridas de bronce prensadas). Al prensar la brida con una herramienta eléctrica manual especial, se crea un sellado hermético entre la tubería y la brida en aproximadamente 6 segundos. La única debilidad parece ser el anillo de sellado insertado, ubicado en el extremo de la brida, que normalmente está fabricado de caucho butílico. Las opiniones sobre la durabilidad de este material varían entre sí y hasta ahora no se han obtenido experiencias suficientemente prolongadas.
d) Tubos de cobre
El cobre pertenece a uno de los materiales tubulares más nobles. Es necesario cumplir estrictamente con la dosificación del inhibidor en el agua de calefacción. En la reacción del agua con la superficie de cobre se forma tanto una capa protectora de óxido de cobre como también se liberan iones de cobre. Si, debido a la ignorancia o por necesidad, detrás de un tramo de tubería de cobre se coloca una tubería de acero (incluso galvanizada) o aluminio, se produce una corrosión intensa de esta superficie. Aquí puede ayudar un inhibidor adecuado.
Un procedimiento de trabajo muy importante es la unión de tuberías de cobre. Se une muy convenientemente mediante soldadura blanda o dura. La soldadura blanda se realiza a una temperatura de 230 a 240 °C según el tipo de soldadura utilizada y la soldadura dura se realiza a una temperatura de 710 a 730 °C. Estas temperaturas es necesario cumplirlas siempre incondicionalmente. Se utilizan únicamente soldaduras solubles en agua, cuyos residuos se eliminan del tubo mediante un enjuague.
Al cumplir las condiciones de unión y al utilizar cobre desoxidado SF-Cu con un contenido mínimo de cobre del 99,9 %, se garantiza una alta resistencia a la corrosión y una suficiente resistencia incluso de tubos de paredes finas. La instalación es bastante sencilla y rápida. La tubería se puede utilizar a presiones operativas de hasta 4 MPa y temperaturas operativas de hasta 150 °C.
TUBERÍAS DE PLÁSTICO
Entre las tuberías adecuadas para la calefacción central, es necesario distinguir entre los sistemas de suelo radiante y los clásicos. Los sistemas de suelo radiante necesitan una gran flexibilidad de los bucles tubulares y, además, están menos sometidos a esfuerzos térmicos en comparación con los sistemas clásicos de calefacción.
Para el suelo radiante son adecuados los tipos PB, PE-X, PVC-C, PP-R. En este contexto hay que tener en cuenta que para el tipo PVC la temperatura operativa máxima es de solo 60 °C y para el PVC-C la temperatura operativa es permanente de 90 °C y temporal de 110 °C. Un rango similar es válido para PB, PE-X y PP-R. Una posición especial tiene el PVDF, que se puede utilizar en un rango de hasta 140 °C. Los valores se van actualizando progresivamente. Por ejemplo, se sabía que los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo) reaccionan con el PE y provocan cambios moleculares, fragilidad del material y pérdida de resistencia ya a temperaturas de 20 °C. En EE.UU. se ha descubierto ahora que se produce envejecimiento y destrucción del PB tras un uso prolongado debido a la acción del cloro. Este descubrimiento, sin embargo, no se puede aplicar plenamente a nuestras condiciones, ya que la concentración de cloro en el agua es mucho mayor en EE.UU. (hasta 2 ppm).
La principal ventaja de las tuberías de plástico es su instalación sencilla y rápida. Se unen mediante pegado (PVC), soldadura (PB, PE, PP), o mediante bridas y acoples roscados (PB, PE-X, PP).
La principal desventaja de las tuberías de plástico es la baja resistencia a la presión a temperaturas elevadas, la baja rigidez (estabilidad dimensional espacial) y, sobre todo, la gran dilatación térmica longitudinal. En comparación con el acero inoxidable, la dilatación es 10 veces mayor en el PB, 12 veces en el PP, 14 veces en el PE y hasta 23 veces en el PE-LO. Esta circunstancia hay que tenerla en cuenta al resolver el anclaje y el tendido de las tuberías de plástico. Sin soportes intermedios y sin compensación de dilatación, no se debería instalar tubería de plástico en absoluto.
TUBERÍAS MULTICAPA CON INSERTO METÁLICO
Otra dirección del desarrollo partió de la constatación de que una protección del 100 % contra la difusión de oxígeno es el metal. A partir de ello se desarrollaron tuberías plásticas multicapa con inserto metálico. Hasta ahora se han impuesto principalmente dos tipos básicos:
a) Un tipo con un revestimiento de aluminio de unos 0,5 mm de espesor soldado longitudinalmente por dentro. Estas tuberías están compuestas por un revestimiento interior de plástico (PB, PE-HD, PE-X, PP-R), una capa intermedia de componente adhesivo, un revestimiento de aluminio soldado, otra capa intermedia de componente adhesivo y un revestimiento exterior de plástico.
b) Un segundo tipo se desarrolló a partir de una tubería plástica normal, envuelta firmemente con una lámina de aluminio de unos 0,2 mm de espesor, provista bilateralmente de un componente adhesivo y, para la protección exterior, provista de una capa más delgada de plástico.
La combinación de plástico con metal no tiene por qué realizarse únicamente con aluminio. En una tubería de acero inoxidable de pared delgada se puede insertar una tubería plástica con un componente adhesivo aplicado, que mediante un posterior tratamiento térmico se prensa al revestimiento de acero. Las tuberías multicapa con inserto metálico reducen la dilatación térmica longitudinal hasta valores que se acercan al aluminio. Son más estables, lo que reduce considerablemente el número necesario de anclajes.
Esta tubería se puede unir mediante acoples roscados, bridas prensadas o mediante prensado directo. La durabilidad de las tuberías depende de dos condiciones fundamentales. Primero, hay que evitar la posible entrada de agua o, respectivamente, de humedad del aire en la superficie de corte de la tubería multicapa (evitar el contacto del agua con el aluminio) y, segundo, hay que evitar la posibilidad de que se produzca corrosión electrostática entre el latón o el bronce rojo y el aluminio.
TUBERÍAS PARA SUELO RADIANTE
De la parte anterior se deduce claramente que la gama de materiales tubulares para calefacción central es muy amplia, pero para el suelo radiante son especialmente adecuados:
- cobre,
- plásticos,
- tuberías combinadas.
TUBOS DE COBRE PARA SUELO RADIANTE
El cobre como material de trabajo ha influido decisivamente en la historia de la cultura. Dado que también se encuentra en estado puro en la naturaleza, como metal se podía trabajar ya desde la antigüedad. En el antiguo Egipto se utilizaba el cobre como medio de pago. Las primeras menciones de suministros de agua con cobre datan del año 2500 a.C., cuando se colocaban láminas de cobre forjado en la tumba de Sahure en Egipto.
Aproximadamente en el año 1900 se comenzó a utilizar el cobre como cubierta de techo de alta calidad, especialmente en edificios representativos y en iglesias. En el año 1933 se prohibió el uso de este material para usos no estratégicos. En Europa occidental este material se desbloqueó para usos de calefacción e instalaciones en el año 1965. Lamentablemente, el bloque del este continuó utilizando este material únicamente para usos estratégicos.
El uso universal del cobre es posible especialmente gracias a la alta calidad del material procesado, al que se le exigen altos requisitos:
- mínimos costes de instalación,
- estabilidad de la seguridad funcional y operativa,
- larga vida útil.
Entre las ventajas más importantes de las instalaciones tubulares de cobre se encuentran:
• alta resistencia a la corrosión, lo que implica una comparación favorable con las tuberías de acero
- mínimos espesores de pared,
- mínima masa por metro,
• gran resistencia del material,
• instalación sencilla y rápida con bajos requisitos de espacio,
• buena posibilidad de adaptación a las condiciones de construcción y por esta razón una especial adecuación también para instalaciones adicionales,
• técnica de unión sencilla y segura (sin necesidad de uniones roscadas),
• efecto bactericida,
• ninguna formación de depósitos en las tuberías (las tuberías de cobre no se tapan), lo que garantiza - altos caudales, pequeñas pérdidas de presión,
- posibilidad de establecer con precisión el diámetro interior de las tuberías,
- buena conductividad térmica,
• sostenibilidad del material (reciclaje al 100 % posible, tecnología sin residuos).
El material del que se fabrican las tuberías de cobre es cobre desoxidado (SF-Cu) con un contenido mínimo del 99,90 % de cobre puro.
En general, distinguimos dos tipos de uniones de tuberías de cobre:
1. Uniones desmontables
• Brida
- cónica/cónica,
- cónica/circular,
- junta plana.
• Brida con anillo de compresión
- junta metálica,
- junta blanda.
• Empalmes tubulares.
• Uniones con brida.
2. Uniones no desmontables
• Soplete blando.
• Soplete duro.
• Prensado.
• Soldadura.
La tubería está especialmente diseñada para distribución en suelo radiante y para la conexión de emisores de calefacción en sistemas de calefacción monotubulares y bimetálicos. La tubería de cobre está revestida con una cubierta protectora de PVC, que permite parcialmente la dilatación y protege la tubería contra influencias físicas y químicas de mezclas de hormigón, respectivamente, de yeso.
Actualmente no hay ningún otro material de instalación en Europa occidental, utilizado en instalaciones domésticas, tan extendido ni con tanta variedad de aplicaciones como el cobre. En Alemania, aproximadamente el 70 % de las instalaciones se realizan con tuberías de cobre, en Gran Bretaña incluso el 90 al 95 %.
TUBERÍAS DE PLÁSTICO PARA SUELO RADIANTE
Los componentes básicos de los plásticos son el carbono C y el hidrógeno H. En la producción se utilizan tres procesos básicos, a saber, polimerización, policondensación y poliadicción.
Por polimerización se obtiene un polímero a partir de monómeros mediante la acción de energía, catalizadores y otras aditivos. Por polimerización se fabrica, por ejemplo, polietileno y polipropileno.
Por policondensación se obtiene una nueva sustancia a partir de un gran número de moléculas de sustancias de bajo peso molecular. Por policondensación se fabrica, por ejemplo, resina fenol-formaldehído. La poliadicción es una polimerización irregular. Por poliadicción se fabrica, por ejemplo, policarbonato.
Los polímeros se pueden dividir en dos grupos:
• homopolímeros, cuya cadena macromolecular está compuesta por moléculas idénticas que se repiten regularmente,
• copolímeros, en los que están unidas al esqueleto básico unidades de otro tipo de moléculas. Según el orden espacial de las macromoléculas distinguimos polímeros lineales y ramificados.
Según el modo de procesamiento tecnológico y el comportamiento de los plásticos al calor, los dividimos en termoplásticos, termoestables y elastómeros.
Las propiedades de los termoplásticos se ven influenciadas por el ordenamiento o desordenamiento de las macromoléculas. Los plásticos parcialmente cristalinos son flexibles y maleables. Los plásticos amorfos, por el contrario, son duros y frágiles. Los termoplásticos se pueden procesar y modificar térmicamente de forma reversible.
Los termoestables (termoendurecidos) no se pueden moldear ni soldar con calor. Los representantes típicos de este grupo son las resinas. Entre los termoestables existe un grupo especial de termoelásticos, que conservan la flexibilidad, pero no se pueden moldear ni soldar térmicamente. El representante principal de los termoelásticos es el polietileno reticulado.
Los elastómeros se deforman mecánicamente bajo carga. Tras la descarga vuelven a su estado original. No se pueden moldear térmicamente y son inadecuados para soldadura. A este grupo pertenecen los cauchos sintéticos.
Tipos de plásticos utilizados en calefacción
Los plásticos que se utilizan en nuestro país para instalaciones en calefacción son principalmente PEX, PP-B, PP-R, C-PVC, PB y PVDF.
El polipropileno copolímero bloque PP-B contiene entre un 20 y un 30 % de componente de etileno, lo que permite mayor flexibilidad y maleabilidad a bajas temperaturas (hasta -20 °C). Su resistencia térmica sin presión alcanza los 90 °C. Las tuberías de este plástico están destinadas a suelo radiante. Se unen mediante soldadura o mediante uniones mecánicas.
El polipropileno copolímero estático PP-R fue desarrollado principalmente para la técnica sanitaria. Se caracteriza por una buena resistencia a la presión incluso a temperaturas más altas y se utiliza tanto para suelo radiante como para calefacción central. Su resistencia térmica sin presión supera los 100 °C. Se une mediante uniones mecánicas, soldadura por tope o polifusión.
El polibutileno PB es muy flexible y tiene una alta masa molecular. Al tener una gran resistencia, también se caracteriza por una resistencia a la formación de grietas por tensión. Su resistencia térmica sin presión supera los 100 °C, se vuelve frágil a -18 °C. Se utiliza para distribución de calefacción por suelo y calefacción central. Debido a sus buenas propiedades mecánicas, se fabrica con paredes más finas que las de otros tubos de plástico. Se une mediante uniones mecánicas, soldadura por tope o polifusión.
El cloruro de polivinilo C-PVC tiene un contenido elevado de cloro, que no representa un obstáculo higiénico para el transporte de agua caliente por tuberías de este plástico. Su resistencia térmica sin presión supera los 100 °C. Este plástico se fabrica de varias maneras, por lo que sus propiedades varían parcialmente según los distintos fabricantes. Se une mediante pegamento, y debemos pegar solamente tuberías y accesorios suministrados por un mismo fabricante con su pegamento recomendado.
El polivinilideno difluoruro PVDF tiene una alta resistencia mecánica y una considerable resistencia incluso a altas temperaturas. También es fácilmente procesable. El rango de temperatura de aplicación oscila entre -40 y +140 °C. Es resistente a la radiación UV y a la radiación gamma, lo que le otorga una buena resistencia al envejecimiento. Asimismo, es resistente al desgaste, fisiológicamente inofensivo y difícilmente inflamable. Su precio es bastante elevado. Se une mediante polifusión, mediante rayos infrarrojos, mediante soldadura por tope o mediante uniones mecánicas.
Propiedades de los plásticos
Entre las propiedades de los plásticos que deberíamos prestar atención especial se encuentran la resistencia térmica, la inflamabilidad, la imbibición, la conductividad eléctrica, la conductividad térmica y la dilatación térmica.
El límite de temperatura, en el que el polímero se funde y ablanda sin cambiar de estructura, es el límite de resistencia térmica. Si sometiéramos al plástico a una carga térmica adicional, se producirían cambios en sus propiedades mecánicas y físicas y, progresivamente, también una degradación de los polímeros, lo que los desvalorizaría. Si valoramos la resistencia térmica de tuberías destinadas a instalaciones en calefacción, deberíamos estar parcialmente seguros, ya que al soldar incorrectamente se produce una degradación parcial por calentamiento local.
Para evitar o atenuar el envejecimiento de los plásticos, se añaden estabilizadores, pigmentos y antioxidantes a los polímeros. Entendemos por envejecimiento los cambios irreversibles de las propiedades mecánicas de los plásticos, que están condicionados por la acción del oxígeno, la temperatura y la radiación UV. El envejecimiento transcurre más lentamente que la degradación térmica.
La corrosión de los plásticos se manifiesta primero en el interior del plástico y más tarde también en la superficie. La corrosión de los plásticos se manifiesta mediante un cambio de composición y de propiedades de los plásticos. El cambio es causado por la acción de influencias químicas y físicas. Algunos materiales metálicos, como el cobre, el cobalto y sus aleaciones, también pueden tener un efecto negativo. Al contacto del metal con ciertos plásticos se produce una termooxidación, que es catalizada por iones metálicos y se manifiesta mediante una alteración de la estructura de los plásticos. Por esta razón, es necesario utilizar uniones y transiciones con una preparación superficial adecuada, recomendadas por el fabricante del tubo de plástico. La corrosión de los plásticos bajo tensión se manifiesta mediante la aparición de pequeñas grietas. En el caso de productos de plástico no es necesario tener en cuenta los cambios de tolerancias dimensionales ni los cambios de propiedades mecánicas causados por la acción de la humedad. Los plásticos son imbibidos con dificultad y su imbibición y humectación son muy bajas. En general, consideramos los plásticos como aislantes, no son conductores eléctricos. Otra realidad es que en el caso de tuberías de plástico por las que se transportan materiales en polvo o gases, aparece una descarga de electricidad estática. La resistencia superficial oscila alrededor del valor de 1014 ohmios y depende del grado de contaminación de la superficie y del porcentaje de humedad del aire.
Desde el punto de vista del diseño de la red de tuberías, es muy importante la dilatación térmica longitudinal. La dilatación térmica es diez veces mayor en los plásticos que en el acero o el cobre. Si el proyectista no respeta plenamente esta propiedad de los plásticos, se causará muchos problemas que solo se podrán eliminar mediante una nueva instalación de la tubería.
El coeficiente de conductividad térmica de los plásticos es muy bajo, este conocimiento no nos autoriza, sin embargo, a rechazar la aislación térmica en tuberías de plástico. La tubería de plástico no puede incluirse entre los aislantes térmicos y muchas instalaciones de tuberías de plástico exigen directamente una protección aislante general.
Datos básicos utilizados al aplicar tuberías de plástico
Un factor importante que influye en el uso de tuberías de plástico es su durabilidad. Antes se hablaba de una vida útil de 50 a 60 años sin importar las condiciones de funcionamiento y el tipo de plástico utilizado. Ahora es evidente que este límite de vida útil debe reducirse y evaluarse muy estrictamente según el tipo de plástico utilizado y según las condiciones de funcionamiento a las que se somete el plástico. Durante la operación, la tubería de plástico está sometida simultáneamente a presión operativa y temperatura operativa. Dado que la acción simultánea de presión y temperatura es una realidad muy significativa, se establece en la práctica una vida útil mínima de la red. Esta vida útil se establece dependiendo de los dos parámetros mencionados anteriormente según curvas isotermas determinadas experimentalmente. El esfuerzo en la pared de la tubería, representado en el eje y, depende directamente del diámetro exterior de la tubería, del espesor de la pared y del sobrepresión interior, e inversamente depende del doble del espesor de la pared.
Las tuberías de plástico se fabrican en esta secuencia: PN2,5 PN4 PN6 PN10 PN12,5 PN16 PN20 PN25.
El número detrás de la abreviatura PN indica la presión operativa máxima (Pa) a una temperatura del agua de hasta 30 °C durante 50 años. De aquí se deduce que para temperaturas proyectadas más altas, se debe elegir una clase de presión más alta para la misma presión y la misma vida útil, ya que con el aumento de la temperatura del agua disminuye la presión operativa máxima permitida.
Las tuberías de plástico se marcan en la escala milimétrica. La marca debe contener: nombre del fabricante, designación del material, dimensión exterior o interior x espesor de la pared, presión/temperatura operativa, fecha de fabricación, nombre de la tubería, posiblemente número de registro.
Se pueden unir entre sí tuberías de plástico, tuberías de plástico con tuberías de otro material, tubos con accesorios, tubos con válvulas o tubos a los aparatos. Para este propósito se utiliza todo un sistema de unión de tuberías. Los empalmes deben cumplir ciertos requisitos, por lo que se controlan desde el punto de vista de la resistencia a la presión, la temperatura o los efectos químicos, requiriendo funcionalidad y estanqueidad del empalme.
Difusión del oxígeno a través de las paredes de las tuberías de plástico
Sobre las tuberías de poliolefina para calefacción se discute con frecuencia, son medidores de la calidad del sistema completo y objetivo de su cuestionamiento. Por eso, merecen una atención aumentada.
Un problema actual al que se presta atención aumentada es la difusión del oxígeno a través de las paredes de las tuberías de plástico.
Se ha descubierto que las moléculas de oxígeno del aire atraviesan la red del plástico hasta llegar al agua de calefacción. El agua de calefacción, constantemente saturada de oxígeno, se vuelve entonces muy agresiva hacia los metales. La cantidad de oxígeno que atraviesa depende del tipo de plástico y de la temperatura. Además, se ha descubierto que los cambios de presión a temperaturas más altas provocan una susceptibilidad al desarrollo de grietas superficiales por fatiga, lo que aumenta la difusión de oxígeno. Dado que una molécula con un radio atómico pequeño se difunde con mayor facilidad en una red formada por átomos con un radio mayor, se llegó primero a la reticulación de los plásticos. Así se logró casi eliminar la formación de grietas por fatiga, pero no se logró evitar completamente la difusión de oxígeno. Por eso, otro rumbo del desarrollo condujo al revestimiento total de las tuberías de plástico con una capa de polímero especial que actúa como barrera de difusión. El porcentaje de rendimiento y la vida útil de esta barrera dependen, sin embargo, del polímero utilizado.
La difusión del oxígeno se puede limitar aislando los circuitos de calefacción del circuito con la bomba, aumentando el espesor de las paredes de las tuberías o añadiendo un oxidante al agua de calefacción.
Finalmente, hay que mencionar el principio de que la causa de este problema es el estado operativo del sistema de calefacción por suelo radiante, que está permanentemente incrustado en la estructura del suelo. Por esta razón, se intenta convencer al cliente y al usuario de la fiabilidad y seguridad del sistema de calefacción, para que no tenga que preocuparse por posibles destrucciones del sistema de tuberías. Una de las causas tradicionales es la corrosión de las partes metálicas de los accesorios y equipos del sistema de calefacción, ya que las tuberías son de plástico.
La solución encontrada es la siguiente. Empresas reconocidas utilizan partes metálicas fundamentalmente de latón, lo que minimiza la probabilidad de corrosión. Además, para prevenir la posibilidad de transporte de impurezas, especialmente desde la fuente de calor expuesta a la posibilidad de corrosión a baja temperatura, se empieza a promover la conexión del sistema de calefacción a través de un intercambiador de calor, es decir, el aislamiento del circuito primario de la caldera del circuito secundario de la superficie de calefacción por suelo. Y finalmente, para estar completamente seguros, se intenta eliminar la posibilidad de entrada de oxígeno directamente a través de las paredes de las tuberías de plástico, es decir, mediante una capa adicional, la barrera de oxígeno. Se conocen incluso soluciones extremas, donde se añade una tercera capa, basada en material metálico.
Así que el problema de la difusión del oxígeno siempre dependerá principalmente de las condiciones concretas de uso, así como de la solvencia del inversor. En Alemania, donde el suelo radiante es el más utilizado, aproximadamente el 60 % de las empresas ofrece tuberías con barrera de oxígeno.
Es importante, sin embargo, que actualmente, debido a la falta de casos concretos en la práctica, se lleva a cabo constantemente una investigación sobre el no uso de la barrera de oxígeno.
Tendencias en la aplicación de plásticos
UE - el mercado total se estima en aproximadamente 230 millones de metros de tubería, de los cuales más de la mitad es cobre, siendo el plástico más utilizado el polietileno reticulado (70 %), seguido del polipropileno copolímero (15 a 20 %) y del polibuteno (5 a 10 %),
Austria - el acero y el cobre representan más del 55 %, el resto son plásticos,
Suiza - los plásticos representan hasta el 74 % del mercado, se utilizan principalmente para suelo radiante, consumo 4,6 m por habitante (año máximo PEX; PPC y PB son 4 veces menores que PEX),
Países Bajos - plásticos 10 % en la técnica sanitaria, 10 % en calefacción, siendo el PEX 60 %, PP y PB significativamente menos (1 a 2 %).
Al utilizar plásticos en redes de tuberías en edificios, se parte del supuesto de una vida útil de 50 a 55 años, es decir, el cambio de instalaciones una vez durante la vida útil del edificio.
El desarrollo en el mercado de materiales plásticos en la UE, Austria y Suiza confirma la equivalencia total entre las redes de tuberías basadas en materiales metálicos tradicionales y en plásticos, cuyo porcentaje oscila entre el 40 y el 75 %.
La posición dominante en la producción de materiales de tuberías la ocupa generalmente el polietileno reticulado, alrededor del 70 %, mientras que el polipropileno y el polibuteno son equivalentes en el siguiente orden.
TUBERÍAS MULTICAPA PARA SUELO RADIANTE
En los últimos años se empieza a utilizar más la tubería multicapa, es decir, tubería compuesta por materiales distintos. La tubería multicapa se compone de una tubería plástica básica, un revestimiento de aluminio con costura longitudinal soldada y una capa protectora plástica. Una buena adherencia de ambas capas plásticas al film de aluminio se garantiza mediante una capa adhesiva especial.
Las tuberías combinadas compensan la desventaja de las tuberías de plástico en cuanto a la dilatación térmica longitudinal. Los valores de dilatación térmica longitudinal se acercan a los valores indicados para el aluminio, por ejemplo, las empresas indican un valor de 0,025 mm.m-1.K-1. Otra ventaja es que la tubería puede ser fijada a mayor distancia, ya que el pandeo tras el llenado con agua es menor. Estas tuberías se caracterizan por una rigidez relativamente elevada, pero al mismo tiempo conservan una notable flexibilidad. Las tuberías multicapa se unen mecánicamente o mediante soldadura por fusión con accesorios. Antes de la soldadura, es necesario eliminar todas las capas, excepto la tubería plástica base.
Referencias utilizadas:
Dušan Petráš: Calefacción por suelo radiante
Dušan Petráš: Calefacción a baja temperatura y fuentes renovables de energía
