Una fuente de calor, dos terminales: ¿por qué la calefacción por suelo radiante no se calienta?

Parte 5: Flujo de agua del sistema insuficiente

En un sistema de bomba de calor aire-agua que sirve tantocalefacción por suelo radiante y fancoils, una de las quejas más comunes es:

"La bomba de calor está funcionando y el agua que sale está caliente, pero la calefacción por suelo radiante todavía no puede calentar las habitaciones adecuadamente".

Al solucionar este problema, muchas personas sospechan inmediatamente que la capacidad de la bomba de calor es insuficiente.

Sin embargo, es posible que la bomba de calor esté produciendo suficiente calor.

El verdadero problema puede ser mucho más simple:

El sistema hidrónico no hace circular suficiente agua.

El flujo de agua insuficiente es uno de los problemas hidráulicos más comunes en los sistemas de bombas de calor aire-agua y calefacción por suelo radiante. Puede deberse a tuberías de tamaño insuficiente, caída excesiva de presión, demasiados accesorios, instalación deficiente, selección incorrecta de la bomba, ubicación inadecuada de la bomba o una arquitectura de sistema inadecuada.

EnParte 5 de nuestra serie de solución de problemas "Una fuente de calor, dos terminales", explicamos cómo el flujo insuficiente del sistema afecta el rendimiento de UFH y cómo los ingenieros deben diagnosticar el problema.

1. Por qué es importante el flujo de agua en un sistema de calefacción con bomba de calor

Un sistema de calefacción hidrónico transfiere calor a través de agua en circulación.

La relación básica es:

$$Q = punto {m} por c_p por Delta T$$

Dónde:

• q= tasa de transferencia de calor

• metro= caudal másico de agua

• CP= capacidad calorífica específica del agua

• ΔT= diferencia de temperatura del agua de suministro/retorno

Para cálculos prácticos de HVAC utilizando agua:

$$Q(kW) aproximadamente 1,163 veces Flujo (m³/h) veces Delta T(K)$$

Por lo tanto:

$$Flujo(m³/h)=frac{Q(kW)}{1.163vecesDelta T(K)}$$

Esta ecuación explica un principio importante:

La capacidad de calefacción por sí sola no garantiza el suministro de calor. El sistema también debe proporcionar suficiente flujo de agua para transportar ese calor a las terminales.

2. Un ejemplo sencillo: bomba de calor de 20 kW a ΔT = 5°C

Supongamos que una bomba de calor aire-agua proporciona:

Capacidad de calefacción de 20 kW

con una diferencia de temperatura de diseño de suministro/retorno de:

5ºC

El caudal requerido es aproximadamente:

$$Flujo=frac{20}{1.163times5}$$ $$Caudal aproximado 3,44 m³/h$$

Por lo que el sistema hidrónico debe ser capaz de circular aproximadamente:

3,4 m³/h

bajo la resistencia real del sistema.

Si las tuberías y la bomba sólo pueden suministrar 2,0 m³/h, el problema no se puede resolver simplemente diciendo:

"La bomba de calor tiene 20 kW, por lo que debería ser suficiente".

El calor puede generarse en la fuente, pero no puede transportarse eficazmente al suelo.

3. El caudal y el cabezal de la bomba son diferentes

Ésta es una distinción importante.

Al seleccionar una bomba de circulación, los ingenieros deben considerar ambos:

Tasa de flujo

Cuánta agua debe circular por el sistema.

Generalmente expresado como:

• m³/h

• l/min

• l/s

Cabezal de bomba

Cuánta resistencia hidráulica debe superar la bomba a ese caudal.

Generalmente expresado como:

• metros de columna de agua

• kPa

En teoría, una bomba puede proporcionar suficiente flujo con baja resistencia, pero no logra alcanzar el flujo requerido una vez conectada al sistema real.

Por lo tanto, no es suficiente seleccionar una bomba únicamente según el caudal nominal.

Necesitamos encontrar el punto de operación requerido en:

Curva de bomba × Curva de resistencia del sistema

4. El diámetro de la tubería es una de las primeras cosas que hay que comprobar

Un problema muy común es que la tubería de distribución principal sea demasiado pequeña.

El instalador podrá conectar varios colectores a una tubería principal sin calcular:

• flujo total de diseño;

• velocidad del agua;

• pérdida de presión;

• demanda operativa simultánea;

• longitud de tubería equivalente.

A medida que aumenta el flujo a través de una tubería pequeña, aumenta la velocidad del agua.

Al mismo tiempo, la caída de presión aumenta rápidamente.

Esto puede resultar en:

Alta resistencia → Flujo reducido → Transferencia de calor insuficiente → Zonas frías UFH

Esto es especialmente importante en casas grandes y edificios de varias plantas.

5. No seleccione el tamaño de la tubería principal únicamente por experiencia

Un instalador puede decir:

"Normalmente utilizamos este tamaño de tubería para calefacción por suelo radiante".

Esta no es una base de ingeniería suficiente.

El tamaño de la tubería principal debe basarse en los requisitos hidráulicos reales.

Un cálculo profesional debe considerar:

Capacidad de calefacción requerida

↓

Diseño ΔT

↓

Flujo de agua requerido

↓

Diámetro de la tubería

↓

Velocidad del agua

↓

Pérdida por fricción de la tubería

↓

Accesorios y válvulas

↓

Caída de presión total

↓

Selección de bomba

Omitir estos cálculos es una de las razones por las que algunos sistemas funcionan bien en proyectos pequeños pero fallan cuando se copia el mismo método de instalación en edificios más grandes.

6. La longitud de la tubería es sólo una parte de la resistencia

Un error común es calcular sólo la longitud de la tubería recta.

La resistencia real del sistema también proviene de:

• codos;

• camisetas;

• válvulas;

• coladores;

• válvulas de retención;

• colectores;

• intercambiadores de calor;

• tanques de compensación;

• válvulas de control;

• reductores;

• otros accesorios.

Estos componentes creanpérdidas de presión locales.

Por lo tanto:

$$Caída de presión total = Fricción de la tubería + Pérdidas locales$$

Los ingenieros suelen convertir los accesorios enlongitud de tubería equivalentepara cálculos simplificados.

Por ejemplo, un codo brusco de 90° crea considerablemente más resistencia que un cambio suave de dirección.

Es por eso que un buen diseño hidrónico debe evitar accesorios innecesarios y cambios bruscos de dirección.

7. Por qué demasiados codos de 90° pueden convertirse en un problema

En instalaciones reales, las tuberías rara vez siguen un recorrido perfectamente recto.

Pero cada codo innecesario añade resistencia.

Cuando sea posible, el diseño de las tuberías debe utilizar:

• enrutamiento más fluido;

• curvas de radio largo;

• racores apropiados de 45°;

• menos cambios de dirección innecesarios.

Esto se vuelve cada vez más importante cuando:

• la tubería principal es relativamente pequeña;

• el oleoducto es largo;

• el caudal requerido es elevado;

• Varios pisos se suministran desde una sala de máquinas.

Normalmente, un codo por sí solo no destruirá un sistema diseñado adecuadamente.

El problema esPérdida de presión acumulada en todo el circuito hidráulico..

8. La instalación de tuberías de PPR puede crear restricciones ocultas

Incluso cuando el diámetro de la tubería de diseño parece correcto sobre el papel, la calidad de la instalación puede cambiar el rendimiento hidráulico real.

Esto es particularmente relevante paraTubería de PPR.

Durante la instalación por fusión por calor, la inserción excesiva o la mala mano de obra pueden reducir parcialmente el paso del flujo interno en una junta.

Externamente, la tubería puede parecer completamente normal.

Internamente, sin embargo, el diámetro efectivo puede llegar a ser mucho menor.

Esto crea una restricción oculta.

Los síntomas pueden incluir:

• bajo flujo del sistema;

• gran suministro/retorno ΔT;

• flujo débil en colectores distantes;

• pobre desempeño de la HNF;

• bomba funcionando a alta velocidad sin mejoras.

Ésta es una de las razones por las que las mediciones de puesta en servicio son esenciales.

Un dibujo correcto no garantiza una correcta instalación.

9. Un ΔT de suministro/retorno grande puede ser una señal de advertencia

Supongamos que la bomba de calor produce agua caliente normalmente.

Tu mides:

Agua de suministro: 42°C

Agua de retorno: 32°C

Entonces:

$$Delta T=10°C$$

Si el sistema fue diseñado para aproximadamente 5°C, este ΔT mayor de lo esperado puede indicar un flujo de agua insuficiente.

La relación es sencilla:

Para una tasa de transferencia de calor dada,

Flujo más bajo → ΔT más grande

y:

Flujo más alto → ΔT más pequeño

Esto no significa que cada ΔT grande sea automáticamente un problema de la bomba.

Significa que ΔT debe investigarse junto con:

• flujo real;

• demanda terminal;

• salida de la bomba de calor;

• posiciones de válvulas;

• punto de funcionamiento de la bomba.

10. Las largas distancias de distribución aumentan el problema

Otra situación común se da en grandes villas o edificios comerciales.

La bomba de calor y el depósito de inercia pueden instalarse lejos de los terminales de calefacción.

Las tuberías más largas significan:

• mayor pérdida por fricción;

• más accesorios;

• más pérdida de calor;

• mayor requisito de cabezal de bomba.

Si las tuberías también son de tamaño insuficiente, el efecto es mucho peor.

También se debe considerar el aislamiento de las tuberías.

Una tubería de calefacción larga sin aislamiento o mal aislada puede perder una cantidad significativa de calor útil antes de que el agua llegue al colector de calefacción por suelo radiante.

Por lo tanto, para sistemas hidrónicos de larga distancia, los ingenieros deben evaluar ambos:

Pérdida Hidráulica + Pérdida Térmica

11. Los edificios de varios pisos necesitan atención especial

Considere una villa de tres pisos.

Un arreglo común es:

Bomba de calor → Tanque de compensación → Tubería de distribución principal → Colectores de piso

Si se espera que una bomba de circulación central dé servicio a todos los pisos simultáneamente, el equilibrio hidráulico puede resultar difícil.

El circuito más cercano puede recibir demasiado flujo mientras que los circuitos distantes reciben muy poco.

Los síntomas incluyen:

• primer piso cálido;

• pisos superiores fríos;

• algunos colectores reciben un flujo fuerte;

• otros reciben un flujo débil;

• Las habitaciones se calientan de manera desigual.

Simplemente instalar una bomba más grande no siempre es la mejor solución.

12. Una bomba más grande no significa automáticamente una mejor calefacción

Este es otro malentendido común.

Cuando el suelo no calienta adecuadamente, algunos instaladores reemplazan inmediatamente la bomba de circulación por una más grande.

A veces esto ayuda.

A veces crea nuevos problemas.

Una bomba sobredimensionada puede causar:

• velocidad excesiva del agua;

• ruido hidráulico;

• consumo innecesario de electricidad;

• ruido de válvula;

• autoridad de control deficiente;

• desequilibrio hidráulico.

El objetivo correcto no es:

"Instale la bomba más grande posible".

Es:

Seleccione una bomba que entregue el flujo de diseño requerido con la resistencia calculada del sistema.

13. Bomba de circulación versus bomba de refuerzo

Estos dos conceptos no deben confundirse.

Bomba de circulación

Su objetivo principal es hacer circular agua alrededor de un circuito hidrónico cerrado.

Bomba de refuerzo

Su propósito principal es aumentar la presión disponible cuando la presión existente es insuficiente para las condiciones de distribución requeridas.

En los sistemas de bomba de calor, la selección y ubicación de la bomba deben seguir la arquitectura hidráulica real.

Agregar una bomba sin comprender el sistema puede crear una interacción de presión en lugar de resolver el problema.

14. La ubicación de la bomba importa

La posición de instalación de la bomba puede afectar significativamente el comportamiento del sistema.

Por ejemplo, si un tanque de compensación proporciona separación hidráulica, el lado de la bomba de calor y el lado del terminal deben analizarse como circuitos hidráulicos separados.

Un arreglo típico podría ser:

Circuito primario

Bomba de calor → Tanque de inercia → Bomba de calor

y:

Circuito secundario

Tanque de inercia → Bomba de circulación → UFH/Fan Coils → Tanque de inercia

Esto es fundamentalmente diferente a simplemente colocar varias bombas en serie al azar.

Cada bomba debe tener una responsabilidad hidráulica claramente definida.

15. Por qué puede ayudar un tanque de compensación

Un tanque de inercia correctamente diseñado puede proporcionar varias funciones:

• separación hidráulica;

• volumen de agua adicional del sistema;

• funcionamiento más estable de la bomba de calor;

• ciclos cortos reducidos;

• integración más sencilla de múltiples circuitos terminales;

• mayor flexibilidad de zonificación.

en ununa fuente de calor, dos terminalessistema, la bomba de calor puede suministrar ambos:

Calefacción por suelo radiante + Fan Coils

Estos dos tipos de terminales pueden tener características muy diferentes:

• requisitos de flujo;

• requisitos de temperatura del agua;

• lógica de control;

• horarios de funcionamiento.

Por lo tanto, la separación hidráulica puede hacer que el sistema sea más fácil de controlar.

Sin embargo:

Un depósito de inercia no compensa un dimensionamiento incorrecto de las tuberías o una bomba de circulación seleccionada incorrectamente.

Cada circuito todavía necesita un flujo de diseño adecuado.

16. Los sistemas primario-secundario pueden ser mejores para proyectos grandes

Para villas más grandes o proyectos multizona, una arquitectura hidrónica primaria-secundaria puede ser más práctica.

Por ejemplo:

Lado primario

Bomba de calor → Tanque de compensación

Lado secundario

Tanque de Inercia → Bomba de Zona 1 → Planta Baja HNF
Tanque de Inercia → Bomba de Zona 2 → Primer Piso UFH
Tanque de inercia → Bomba de zona 3 → Segundo piso UFH
Tanque de inercia → Circuito separado → Fan Coils

Esta arquitectura permite operar diferentes zonas según la demanda.

Si sólo un piso requiere calefacción, no hay necesidad de forzar el flujo de diseño completo a través de cada circuito terminal.

Esto puede mejorar:

• estabilidad hidráulica;

• zonificación;

• comodidad;

• control;

• eficiencia de bombeo.

17. Por qué el bombeo del lado de retorno se utiliza a menudo en circuitos UFH secundarios

En algunas disposiciones de calefacción por suelo radiante secundaria, la bomba de circulación se instala en el lado de retorno del circuito terminal.

La ubicación exacta de la bomba siempre debe seguir el diseño hidráulico, el punto de conexión del vaso de expansión, las relaciones de presión y los requisitos del fabricante.

El principio importante no es simplemente “el lado de la oferta” versus el “lado del retorno”.

Es:

La bomba debe colocarse de manera que el circuito previsto reciba una presión diferencial estable y un flujo de diseño sin interferir con otros circuitos.

Esto es particularmente importante cuando varias bombas comparten un tanque de compensación o un cabezal común.

18. El equilibrio hidráulico es esencial

Incluso con bombas y tamaños de tubería correctos, un sistema desequilibrado aún puede tener problemas de flujo.

El agua sigue naturalmente el camino de menor resistencia.

Por lo tanto, los circuitos más cortos pueden recibir demasiado flujo mientras que los circuitos más largos reciben muy poco.

El equilibrio hidráulico puede implicar:

• medidores de flujo múltiples;

• válvulas de equilibrio;

• control de presión diferencial;

• bombas de velocidad variable;

• válvulas de zona;

• ajustes de puesta en marcha.

El objetivo no es que todos los circuitos reciban el mismo caudal.

El objetivo es hacer que cada circuito reciba suflujo de diseño.

19. Una secuencia práctica de resolución de problemas

Cuando un sistema de calefacción por suelo radiante no alcanza la temperatura, no aumente inmediatamente el punto de ajuste de la bomba de calor.

Un diagnóstico sistemático es mucho más eficaz.

Paso 1: Confirmar la salida de la bomba de calor

Controlar:

• temperatura del agua de salida;

• temperatura del agua de retorno;

• frecuencia/capacidad de funcionamiento;

• alarmas;

• demanda real de calefacción.

Paso 2: medir ΔT

Compare el ΔT de suministro/retorno real con la condición de diseño.

Un ΔT inusualmente alto puede indicar un flujo bajo.

Paso 3: verificar el flujo real

Usar:

• datos de caudal de la bomba de calor;

• medidor de flujo externo;

• medidores de flujo múltiples;

• instrumentos de puesta en marcha.

No te confíes únicamente de tocar las tuberías.

Paso 4: verificar el diámetro de la tubería

Verificar si la tubería de distribución principal puede transportar el flujo total requerido.

Paso 5: Calcule la caída de presión

Incluir:

• tubos rectos;

• codos;

• válvulas;

• coladores;

• colectores;

• intercambiadores de calor;

• guarniciones.

Paso 6: inspeccionar la calidad de la instalación

Buscar:

• válvulas parcialmente cerradas;

• coladores bloqueados;

• restricciones a la fusión del PPR;

• tuberías retorcidas;

• conexiones incorrectas;

• esclusas de aire.

Paso 7: Verifique la selección de la bomba

Compare el punto de funcionamiento requerido con la curva real de la bomba.

Paso 8: Verifique la posición de la bomba

Confirme que la bomba esté dando servicio al circuito hidráulico previsto.

Paso 9: equilibrar el sistema

Ajuste cada circuito a su flujo de diseño requerido.

Paso 10: Vuelva a verificar el rendimiento de la sala

Sólo después de que el sistema hidráulico esté funcionando correctamente se debe evaluar el rendimiento de la calefacción del terminal.

20. Tabla de diagnóstico rápido

21. Un principio de ingeniería importante: el flujo antes que la temperatura

Cuando una habitación está fría, la primera reacción suele ser aumentar la temperatura del agua de salida de la bomba de calor.

Pero si el problema real es un flujo insuficiente, este enfoque no aborda la causa raíz.

Una mejor secuencia de resolución de problemas es:

Demanda de calor

↓

Salida de calor requerida

↓

Flujo de agua requerido

↓

Diámetro de la tubería

↓

Caída de presión del sistema

↓

Punto de funcionamiento de la bomba

↓

Equilibrio Hidráulico

↓

Salida de calor terminal

Sólo después de verificar estos parámetros deberíamos considerar aumentar la temperatura del agua.

22. Por qué el flujo correcto también mejora la eficiencia de la bomba de calor

El diseño hidráulico afecta más que la comodidad.

También afecta el rendimiento de la bomba de calor.

Un flujo insuficiente puede contribuir a:

• temperatura inestable del agua de salida;

• ΔT excesivo;

• transferencia de calor reducida;

• ciclismo frecuente;

• protección contra alta presión en algunas condiciones;

• mala recuperación del descongelamiento;

• reducción de la eficiencia estacional.

Por lo tanto, una bomba de calor aire-agua nunca debe considerarse una máquina aislada.

Es parte de un sistema hidrónico completo.

Una bomba de calor de alta eficiencia conectada a un sistema de agua mal diseñado no puede ofrecer un sistema de calefacción de alta eficiencia.

Conclusión final de ingeniería

por ununa fuente de calor, dos terminalesEn un sistema que combina calefacción por suelo radiante y fancoils, el flujo de agua insuficiente es uno de los problemas más importantes a diagnosticar.

La causa raíz puede ser:

Tubería de tamaño insuficiente

→Caída de presión excesiva

→Cabezal de bomba insuficiente

→Mal equilibrio hidráulico

→Flujo terminal insuficiente

→Transferencia de calor insuficiente

→La habitación no puede alcanzar la temperatura establecida

La solución no es simplemente una bomba de calor o una bomba de circulación más grande.

El enfoque correcto es tratar todo el sistema como una red hidráulica y calcular:

Capacidad + ΔT + Flujo + Tamaño de tubería + Caída de presión + Altura de la bomba + Equilibrio

Cuando todos estos parámetros funcionan juntos, el calor producido por la bomba de calor puede llegar a las habitaciones donde se necesita.

Una fuente de calor, dos terminales: serie de solución de problemas

Este artículo esparte 5de nuestra serie de ingeniería:

Parte 1: Puesta en marcha inicial o parada a largo plazo
Parte 2: Aire atrapado en tuberías de calefacción por suelo radiante
Parte 3: Diseño y disposición deficientes de las tuberías
Parte 4: Área de disipación de calor efectiva insuficiente
Parte 5: Flujo de agua del sistema insuficiente

Más artículos prácticos continuarán examinando las bombas de calor aire-agua, la calefacción por suelo radiante, los fancoils y el diseño de sistemas hidrónicos desde una perspectiva de ingeniería real.

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