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7.4. CALEFACCIÓN

La calefacción es el medio por el cual nuestro hogar y nuestro lugar de trabajo alcanzan el agradable bienestar que supera las inclemencias de las bajas temperaturas. Por fortuna resulta para todos algo habitual y ya imprescindible en nuestra vida.

Por lo tanto, característica típica de una adecuada calefacción, es la temperatura interior de confort (ti) alcanzada, la cual va a depender de las actividades que se realicen en el local o vivienda en cuestión. Así, en un local donde se realicen trabajos con esfuerzos físicos notables se necesitará una temperatura inferior a la de una vivienda donde nos encontremos en situación de descanso.

Con el fin de dar una idea de las temperaturas interiores de confort, exponemos la siguiente tabla, bien entendido que la temperatura de "confort" depende de muchos factores, tales como la edad, situación física en la que nos encontremos, grado de humedad ambiente, etc..

TEMPERATURAS INTERIORES RECOMENDADAS

Tipo de local	Temperatura şC
Viviendas	21-25
Locales de espectáculos	20-24
Hospitales	23-26
Residencias de ancianos	23-27
Almacenes y comercios	20-24
Oficinas	22-24
Talleres y fábricas	17-22

La temperatura exterior (te) es un factor que interviene de una manera decisiva en el cálculo de las necesidades caloríficas de un local o una vivienda, ya que para unas condiciones determinadas será este valor quien determine la potencia calorífica máxima necesaria.

Naturalmente, la temperatura exterior a aplicar en un determinado cálculo de la potencia calorífica máxima, depende de la situación geográfica de donde se halle el local o la vivienda en cuestión. En nuestro caso haremos referencia al mapa de zonificación dado en la NBE CT-79 en el cual España esta dividida en cinco zonas climáticas, que determinan lo que más adelante llamaremos "grados/día anuales con base 15-15".

Estas zonas climáticas dan idea de las temperaturas mínimas que tienen los distintos puntos de nuestra geografía, de tal manera que podemos asegurar que las temperaturas mínimas dadas en la tabla corresponden a valores cuya media no es superior a 10 días al año con temperaturas iguales o inferiores a la indicada.

Zona	Temperatura exterior	Grados/día anuales. 15-15
Zona A	3	Ł 400
Zona B	1	401a800
Zona C	-1	801a1300
Zona D	-4	1300a 1800
Zona E	-6	>1800

Por supuesto este no es el único criterio utilizado para determinar la temperatura mínima de calculo de una calefacción. Cualquier otro puede resultar también lo suficientemente bueno si está razonablemente justificado.

7.4.1. COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DE CALOR K

Hablar de calefacción sin antes hablar de aislamiento resultaría incongruente, ya que ambos conceptos deben ir íntimamente ligados. Para calcular las necesidades de calor de un local o una vivienda, lo primero que tendremos que examinar es el grado de aislamiento que posee para que de esta manera podamos determinar las pérdidas caloríficas.

Desgraciadamente se piensa poco en el aislamiento, aunque posteriormente al realizar los cálculos de la potencia calorífica necesaria, nos demos cuenta de su extremada importancia.

Cada uno de los cerramientos de que se compone un local o vivienda tiene unas características específicas respecto al "coeficiente de transmisión del calor K" o número de kilocalorías que se pierden por hora, metro cuadrado de superficie expuesta, y por grado centígrado de temperatura (kcal / h m2 şC ). Con el fin de hacernos una idea del valor que en cada caso tiene dicho coeficiente, en la siguiente figura exponemos los casos más comunes.

De esta manera, si suponemos una superficie cualquiera de valor S, coeficiente de transmisión K, temperatura exterior te y temperatura interior ti , las pérdidas de calor que en ella se producen, tendrán un valor:

Q = S K (ti - te )

donde:

Q es el calor perdido en kcal/h.
S es la superficie de pérdidas en m2.
K es el coeficiente de transmisión en kcal/h m2 şC.
ti y te son las temperaturas interior y exterior en şC.

7.4.2. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN GLOBAL KG.

Según NBE-CT79

Puesto que de lo que se trata es de calentar un recinto en el que la temperatura exterior es inferior a la del interior, y tiene unas superficies a través de las cuales se va perdiendo el calor, iniciemos el proceso determinando el "coeficiente de transmisión global del calor KG". A primera vista puede parecer sencillo, pero no lo es, ya que en un edificio existen zonas con pérdidas notablemente diferentes, en cuanto al coeficiente K y sobre todo, en cuanto al tratamiento de la temperatura exterior, sobre ciertas superficies.

Según las normas NBE (Normas Básicas de la Edificación), en un edificio se deberán considerar cuatro tipos de superficies de pérdidas:

SE Superficies de los cerramientos en contacto con el ambiente exterior

SQ Superficies de cerramientos de techo o cubierta.

SN Superficies de cerramientos de separación con otros edificios o con locales no calefactados.

SS Superficies de cerramientos de separación con el terreno.

La suma de los productos S× K nos darán las pérdidas (kcal/h şC) en cada una de las distintas superficies de pérdidas que forman cada tipo, y dentro de cada tipo, se aplicará un coeficiente de corrección que depende de las condiciones en que se encuentre con respecto a la temperatura exterior:

	En contacto directo con el exterior
	Protegidas del exterior
	Muy poco protegidas del exterior
	Protegidas del exterior

Naturalmente existe un quinto tipo de superficies que no se consideran, ya que se suponen en contacto con locales o edificios calefactados, y por lo tanto, las pérdidas por transmisión son nulas.

Ejemplo de vivienda colindante con diversos tipos de cerramientos

Nota.- Las temperaturas te2 , te3, te4, correspondientes a los casos (2), (3), (4), son estimativas y pueden ser aplicadas según un coeficiente corrector (n), como en el caso de las normas NBE-CT79. También pueden ser aplicadas directamente en las fórmulas de las pérdidas de calor por transmisión, estimando la temperatura a que se encuentran dichos recintos, tal y como se hace en la norma DIN 4701.

Según estos principios, las Normas Básicas de la Edificación CT-79 suministran un impreso para realizar estos cálculos, que mostramos a continuación.

Elemento constructivo	Superf. S m2	Coefic. K kcal/h m2 şC	S K kcal/h şC	Coefic. Correc. n	n S S K kcal/h şC
Apartado E		Tipo	SE	KE	SE KE	1	n S SE KE
Cerramientos en contacto con el ambiente exterior	Huecos exteriores verticales, puertas, ventanas					1
	Cerramientos verticales o inclinados más de 60ş con la horizontal
	Forjados sobre espacios exteriores
Apartado N		Tipo	SN	KN	SN KN	0,5	n S SN KN
Cerramientos de separación con otros edificios o locales no calefactados	Cerramientos verticales de separación con locales no calefactados, o medianerías.					0,5
	Forjados sobre espacios cerrados no calefactados de altura > 1 m.
	Huecos, puertas, ventanas.
Apartado Q		Tipo	SQ	KQ	SQ KQ	0,8	n S SQ KQ
Cerramientos de techo o cubierta	Huecos, lucernarios, claraboyas.					0,8
	Azoteas.
	Cubiertas inclinadas menos de 60ş con la horizontal.
Apartado S		Tipo	SS	KS	SS KS	0,5	n S SSKS
Cerramientos de separación con el terreno	Soleras..					0,5
	Forjados sobre cámara de aire de altura Ł 1 m.
	Muros enterrados o semienterrados
	Superficie total de pérdidas St--------					S total--------

Con estos cálculos ya podremos valorar el coeficiente de transmisión global medio de un determinado recinto o edificio, siendo:

por lo que el calor perdido, será:

Según DIN 4701

Para calcular el coeficiente global de transmisión KG, según normas DIN, vamos a aprovechar el mismo impreso que el utilizado en las normas NBE CT-79, pero con algunas modificaciones ya que ahora en lugar de utilizar un coeficiente reductor de pérdidas para las superficies que no se encuentran directamente expuestas a la temperatura exterior, haremos una valoración estimativa de la temperatura a que se encuentra el recinto colindante, en función de la temperatura exterior, aplicándole luego la fórmula general de pérdidas.

A título orientativo damos algunos valores de temperatura estimadas, en función de la temperatura exterior, para los casos correspondientes a los Apartados 2 y 4, y para el Apartado 3.

Apartado	Recinto considerado	Temperatura exterior considerada şC
1	Cerramientos en contacto directo con el exterior	te
		3	0	-4
2 y 4	Locales no calefactados Sótanos no calefactados Muros enterrados o semienterrados Forjados sobre espacios cerrados	15	13	12
3	Huecos, lucernarias, claraboyas Azoteas, y áticos sin recubrimiento	8	7	6

A continuación exponemos la tabla que nos servirá para calcular de una forma racional las calorías necesarias, de manera análoga a como se hizo para NBE CT-79, pero en este caso, interviniendo las temperaturas.

Elemento constructivo			Superf. S m2	Coefic. K kcal/h m2 şC	S K kcal/h şC	Temp.Int. şC	Temp. Ext. şC	Pérd. Trans. kcal/h şC
Apartado 1		Tipo	S1	K1	S1 K1	ti1	te1	S S1K1(ti-te1)
Cerramientos en contacto con el ambiente exterior	Huecos exteriores verticales, puertas, ventanas
	Cerramientos verticales o inclinados más de 60ş con la horizontal
	Forjados sobre espacios exteriores
Apartado 2		Tipo	S2	K2	S2 K2	ti2	te2	S S2 K2(ti-te2)
Cerramientos de separación con otros edificios o locales no calefactados	Cerramientos verticales de separación con locales no calefactados, o medianerías.
	Forjados sobre espacios cerrados no calefactados de altura > 1 m.
	Huecos, puertas, ventanas.
Apartado 3		Tipo	S3	K3	S3 K3	ti3	te3	S S3 K3(ti-te3)
Cerramientos de techo o cubierta	Huecos, lucernarios, claraboyas.
	Azoteas.
	Cubiertas inclinadas menos de 60ş con la horizontal.
Apartado 4		Tipo	S4	K4	S4 K4	ti4	te4	S S4K4(ti-te4)
Cerramientos de separación con el terreno	Soleras.
	Forjados sobre cámara de aire de altura Ł 1 m.
	Muros enterrados o semienterrados
	Superficie total de pérdidas St------					S Sn Kn (ti-ten)---------

A la vista de los resultados, podemos deducir que las pérdidas por transmisión son, en este caso:

Q = S Sn Kn (ti-ten)

Estas pérdidas, para un coeficiente global medio de transmisión KG y para una superficie total de pérdidas St, será:

Nota.- Obsérvese como el coeficiente global medio de transmisión obtenido, en el caso NBE no depende de la temperatura , mientras que en el caso DIN, sí depende. Esto es completamente lógico ya que en el caso NBE, para simplificar, se utilizan coeficientes de reducción en lugar de los incrementos de temperatura.

7.4.3. PÉRDIDAS SUPLEMENTARIAS

Hasta aquí hemos calculado las pérdidas de calor debido a las distintas superficies, pero no es este el único concepto a tener en cuenta en el cálculo de potencia calorífica total necesaria. Seguidamente vamos a ver algunos de los principales conceptos que también intervienen con mayor o menor importancia.

Suplemento por orientación.- La orientación del local o vivienda tiene su importancia como consecuencia de la ganancia o pérdida de calorías debido a la aportación solar con respecto a una orientación media (E , O) de referencia . Según la Norma DIN 4701 el suplemento a aplicar será el indicado en la siguiente tabla:

Orientación	Suplemento ZO %
SE S SO	-5
E O	0
NO N NE	+5

Suplemento por arranque y pared fría.

El normal funcionamiento de una instalación de calefacción lleva consigo el funcionamiento a marcha reducida, a ciertas horas del día, y las lógicas interrupciones marcha-paro del servicio conforme marca el correspondiente termostato de control. Con el fin de conseguir la temperatura de régimen después de una interrupción, es conveniente incrementar en un determinado tanto por ciento el valor de la potencia calorífica a aportar.

El suplemento por pared fría tiene como finalidad el compensar la menor temperatura de las paredes directamente expuestas a la temperatura exterior, amortiguando en lo posible el efecto de una temperatura radiante demasiado fría.

La suma de estos dos conceptos, arranque y pared fría, los englobamos en un único suplemento ZAP , suma de los dos suplementos citados, y cuyo valor suele estar comprendido entre un 7 y un 20%

Pérdidas por ventilación e infiltración.

La ventilación es un concepto muy importante, digno de tener presente en los modernos sistemas de calefacción y refrigeración. Consiste en la renovación del aire viciado por otro limpio y menos contaminado procedente del exterior.

Las pérdidas por ventilación se pueden calcular mediante la fórmula

Qv = 0,307 r V (ti-te )

Donde

Qv son las pérdidas por ventilación en kcal/h

0,307 es el calor específico del aire en kcal/m3 şC

r es el número de renovaciones hora.

V volumen del espacio considerado en m3.

ti y te temperatura interior y exterior consideradas.

El número de renovaciones/hora depende de la utilidad que se le dé al volumen a calentar, bien sea vivienda, bares, discotecas, fábricas, ect. . La tabla adjunta nos dará una idea del número de renovaciones a aplicar en cada caso.

Tipo de local	Renov./hora
Viviendas	0,5 a 1,5
Bares	1,5 a 2,5
Fábricas	2 a 4

Las pérdidas por infiltración corresponden a una ventilación natural no provocada, y se originan como consecuencia de la falta de hermeticidad de las uniones de los diferentes elementos que componen una determinada construcción. Estas pérdidas son muy difíciles de calcular y solamente la experiencia nos podrá dar idea de su valor real.

7.4.4. PÉRDIDAS TOTALES DE CALOR

Las pérdidas totales de calor, iguales a la potencia calorífica necesaria, será la suma de las pérdidas por transmisión, incrementadas con los correspondientes suplementos, más las pérdidas por ventilación e infiltración:

Un dato muy interesante y que más adelante utilizaremos es el correspondiente a las pérdidas globales por unidad de volumen

en la que

Gv son las pérdidas globales por unidad de volumen en kcal/h m3.

Qt es la potencia calorífica necesaria en kcal/h

V es el volumen de la vivienda o local en m3

En ocasiones también se suele utilizar el valor de las pérdidas por unidad de volumen y grado de temperatura, es decir:

7.4.5. CONSUMOS DE LOS DISTINTOS SISTEMAS DE CALEFACCIÓN.

Para obtener las calorías necesarias al objeto de compensar las pérdidas totales en una instalación, tendremos que utilizar los combustibles tradicionales, desechando todos aquellos que no resultan prácticos, económicos o excesivamente contaminantes.

En nuestro caso no vamos a polemizar sobre cual es el mejor sistema, pero sí determinaremos los distintos consumos y seguidamente haremos una valoración global de los distintos gastos anuales, utilizando los combustibles más ampliamente utilizados.

Estos combustibles quedan expuestos, junto con sus correspondientes calorías, rendimientos y precios aproximados, en la siguiente tabla.

Combustible	Poder Calorífico Pc	Rendimiento h	Precio Pts
Electricidad	860 kcal / kWh	1	17
Bomba de calor	2.150 kcal / kWh	"1"	17
Gasóleo C	8.400 kcal / l.	0,68	75
Gas ciudad	3.700 kcal / m3	0,71	26
Gas propano	11.400 kcal / kg	0,71	86
Gas butano	10.900 kcal / kg	0,71	84

Para obtener los consumos para cada uno de ellos, aplicaremos la siguiente fórmula:

en la que

C es el consumo del combustible utilizado

Qt la potencia calorífica que necesitamos obtener.

Pc es el poder calorífico del combustible.

h es el rendimiento del sistema utilizado para obtener las calorías.

Comparativamente, para hacernos una idea de lo que cuesta la utilización de cada uno de estos combustibles, lo más intuitivo es valorar el costo de la obtención de 1.000 kcal útiles para cada uno de los combustibles en estudio.

Así, por ejemplo, para el gasóleo, teniendo en cuenta su rendimiento, las calorías útiles que se pueden obtener por litro, son:

8.400 ´ 0,68 = 5.512 kcal/l y como cuesta 75 Pts litro

las 1000 kcal costarán

75´ 1000 : 5712 = 13,1 Pts

Repitiendo estos cálculos para el resto de los combustibles, obtendremos:

Combustible	Poder Calorífico	Precio
Resistencias eléctricas	1.000	19,70 pts
Bomba de calor	1.000	7,90 pts
Gasóleo C	1.000	13,1 pts
Gas ciudad	1.000	9,90 pts
Gas propano	1.000	10,60 pts
Gas butano	1.000	10,80 pts

Según estos cálculos la electricidad aplicada a la bomba de calor es el sistema de calefacción más económico, mientras que la electricidad convencional (calor por efecto Joule) es el más caro. No obstante esto no puede ser definitivamente excluyente del resto de los sistemas, ya que deberemos de tener en cuenta otros factores cuya importancia habrá que valorar en cada caso particular.

Resulta de especialísimo interés los siguientes puntos:

1ş) Costo del sistema de almacenamiento del combustible.

2ş) Costo de la caldera o sistema de producción de calor.

3ş) Costo del sistema de distribución del calor.

4ş) Limpieza, seguridad y mantenimiento del sistema elegido.

5ş) Posibilidad de obtener el máximo confort, mediante aire acondicionado.

El gasóleo y el propano son los combustibles cuyo almacenamiento resulta más costoso, sobre todo en viviendas unifamiliares.

Los sistemas eléctricos no precisan de almacenamiento, basta con aumentar la potencia contratada para poder disponer de la potencia que se desee.

La distribución del calor mediante radiadores de agua es el sistema más caro, sin duda alguna mucho más caro que un sistema de distribución por conductos de aire.

Las resistencias eléctricas para calefacción, por cualquiera de los procedimientos, convectores, placas solares, etc., es el sistema más económico de producción y distribución de calor ( hacen las dos funciones simultáneamente ).

El gas ciudad resulta, por su precio, muy interesante en aquellas viviendas comunitarias que disponen de este servicio, sin que ello nos haga olvidar los inconvenientes del gas.

De manera indiscutible, el sistema de calefacción más limpio, más seguro y de menos mantenimiento es el eléctrico.

El sistema de calefacción por aire forzado a través de conductos, es posiblemente el que proporciona un mayor confort, y el único procedimiento que permite distribuir aire frío y caliente (Climatización).

La bomba de calor aire-aire, con un bajo costo de combustible es el único procedimiento para obtener aire frío y caliente.

7.4.6. GASTOS ANUALES EN CALEFACCIÓN

Para poder determinar los gastos anuales de un sistema cualquiera de calefacción, deberemos comenzar por aclarar el concepto de grados-día anuales, cuyo mapa de zonificación se comentaba al inicio de esta exposición.

Para explicar el concepto de grados-día, inicialmente diremos que las calorías necesarias en un periodo de una hora, serán:

Si ahora consideramos un periodo de un día

El sumatorio de las veinticuatro diferencias de temperatura, podemos descomponerlo de la siguiente manera:

sacando factor común la temperatura interior, tendremos:

y teniendo presente que la temperatura media de las veinticuatro horas del día es

De todo esto deducimos que las calorías necesarias en las 24 horas del día serán:

A lo largo del año este consumo diario se ira repitiendo todos los días, siempre y cuando la temperatura exterior sea inferior a la interior, ya que cuando la temperatura exterior sea superior a la interior no se necesitará aportación de calor. Por lo tanto tendremos que el gasto en un año, será:

siendo Gd = S (ti-tm) = grados-día anuales.

Este concepto es el aplicado por las NBE CT-79 para definir los llamados grados-día anuales con base 15/15, es decir, que parte de una temperatura interior base ti de 15şC y una temperatura media exterior tm , que lógicamente no puede sobrepasar los 15şC.

En el mapa de zonificación que se daba al comienzo de esta exposición, divide a España en 5 Zonas climatológicas y da para cada una de ellas los límites máximo y mínimo de los grados-día anuales con base 15/15.

Este valor de los "grados-día anuales" puede parecernos escaso para el cálculo real del consumo anual, ya que se limita la temperatura base a 15şC, y este valor es claramente insuficiente. Nosotros nos limitamos a hacer los cálculos con estos valores, pero si queremos tener un valor más exacto, las Comunidades Autónomas suelen publicar estos datos con más amplitud y suelen incluir los "grados-día anuales" para temperaturas de 18 y 20şC.

Dado que un sistema de calefacción no funciona las 24 horas del día, a esta fórmula del gasto anual le incorporaremos un coeficiente de utilización que tenga en cuenta el tanto por ciento de las horas del día que esta activo, incluso pueda ser aplicado en aquellos casos en los que por la noche se utiliza la calefacción a potencia reducida. Llamando CU al coeficiente de utilización, tendremos el gasto real de calorías en un año:

Para convertir estas calorías al equivalente gasto anual de un determinado combustible (kWh, litros, m3 o kg), basta con dividir esta expresión por la potencia calorífica correspondiente Pc y por su rendimiento h ,

Así obtenidos los gastos anuales de calefacción para cada uno los combustibles considerados, si los multiplicamos por el precio unitario de cada uno de ellos, obtendremos el importe anual en pesetas.

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