Los radiadores y la eficiencia energética

Si observamos detalladamente todo el proceso de transferencia del calor, desde el fluido caloportador (agua) hasta el ambiente del local (aire), además de los fenómenos de radiación y convección (Fig.2) aparece el de conducción, después de que el agua haya transferido su calor a las paredes metálicas del radiador por convección, atraviesa la pared metálica del radiador por conducción.

Figura 3.

Cada elemento (Fig.4) está formado por una pieza de fundición, aluminio o de chapa de acero hueca y unas columnas en número variable (1, 2, 3, 4, 5 ó 6), con un colector superior y otro inferior en los que se encuentran las conexiones.

La conexión entre los elementos para formar un radiador, a través de los colectores, se realiza mediante un manguito roscado que los mantiene unidos entre sí, garantizando la circulación del agua y la estanqueidad (Fig.5)

Figura 4.

Figura 5.

Los radiadores por elementos se dividen según su número de columnas, su altura, su número de elementos y su longitud.

Los elementos de tubos lisos, en acero o en aluminio, están construidos por dos colectores entre los que se intercalan los tubos, elementos que, en ocasiones, pueden ser provistos de aletas para aumentar su superficie.

Figura 6.

Los radiadores suelen estar colocados en las paredes de las habitaciones formando parte del equipamiento interior de las viviendas e influyendo en su decoración. Por esta razón, actualmente el mercado ofrece una gran variedad de radiadores de diferentes materiales y con diseños que aúnan estética con un mayor rendimiento. A la hora de elegir un radiador, además de las cuestiones estéticas, materiales y potencia, debe tenerse en cuenta la presión a la que estará sometido.

Podemos decir que el rendimiento de un radiador está determinado por todos los elementos empleados en su construcción, así pues, los radiadores consiguen una mayor dispersión del calor con un mayor número de elementos y un menor número de columnas, por lo que su rendimiento será mayor. La forma de cada elemento, dentro de la configuración típica, presenta ligeras variantes según el fabricante, que influyen en la potencia calorífica del radiador. Las variantes de los elementos, normalmente formados por tubos, afectan a la forma, el material y accesorios añadidos a los mismos.

Los radiadores, según su estructura, pueden ser de elementos o planos. Estos, además, se clasifican en radiadores de tubos, de tubos aleteados y paneles, pudiendo haber diferencias en su emisión por radiación entre un 10 y un 30%.

El origen de los primeros radiadores se remonta a mediados del siglo XIX permitiendo el desarrollo de los sistemas de calefacción central, que se empezarían a aplicar a principios del siglo XX en edificios de viviendas. Los primeros radiadores eran de hierro fundido, que siguen teniendo buena aceptación por su mayor durabilidad y por su mayor inercia térmica, que es reconocida por muchas personas como una ventaja. Sin embargo, este es uno de sus inconvenientes, junto a su elevado precio, por su lentitud a la hora de transmitir el calor al ambiente, pero en las últimas décadas han aparecido nuevos materiales.

Los radiadores de aluminio (extrusionado o expandido) están formados, al igual que los de fundición, por elementos, y han sido una de las evoluciones con mayor éxito, puesto que presentan una baja inercia térmica (por lo tanto son más rápidos). Al tiempo, son económicos y con diseños más modernos, que permiten ajustarse a diferentes potencias. Son muchísimo más ligeros que los de fundición y resistentes a la oxidación. Transfieren el calor por convección principalmente, ya que los elementos están aleteados longitudinalmente y el aluminio tiene un coeficiente de radiación muy bajo.

Los radiadores de acero presentan las mismas ventajas que los de aluminio, salvo por su menor resistencia a la corrosión. El número de columnas es variable, según las gamas y modelos, así como las dimensiones de altura, de colectores y altura total.

Este tipo de radiadores pueden están formados por dos chapas de acero estampadas, soldadas eléctricamente por puntos, que al unirse forman unas columnas por las que circula el agua, determinando así una superficie calefactora de muy poca profundidad y de gran área, son los llamados paneles. A veces, al igual que los de aluminio, se añade una superficie adicional para aumentar la emisión de calor por convección al aire desde la cara posterior y en ese caso se suelen denominar paneles convectores. Existen paneles simples, paneles convectores o dobles convectores.

Estos radiadores se definen por su tipo (sencillo, sencillo convector, doble o doble convector) y por su altura y longitud (Fig.7). En el mercado existe además una gran variedad de piezas de unión, purgadores, etc. Su mayor ventaja consiste en que el panel proyecta el calor en la dirección en que se orienta y también en su gran facilidad de integración en la decoración de la vivienda, en este sentido, merecen una especial mención los toalleros, que se pueden encontrar en acero o aluminio y han tenido un gran éxito en los últimos años para su instalación en baños.

El rendimiento de la regulación de una instalación se define como la diferencia entre el calor que necesita aportar al ambiente y el que suministra la caldera, descontando las pérdidas en distribución. Por lo tanto, si no se ajusta la generación de calor a las necesidades de confort, podemos tener, durante más del 80% del tiempo, un exceso de suministro, aumentando el gasto energético y sobrecalentando el ambiente calefactado. Podemos regular la potencia de los radiadores variando el caudal que éstos reciben, la temperatura del agua distribuida o por ambos sistemas a la vez.

Se puede controlar el caudal de entrada a cada radiador mediante válvulas termostatizables (Fig.8) de doble reglaje, que permiten limitar el caudal máximo de forma permanente y adaptar el caudal instantáneo necesario en ese momento, mediante un cabezal termostático que modifica el caudal de cada radiador continuamente, reduciéndolo cuando la temperatura ambiente esté acercándose a la de consigna, llegando a cerrar completamente el paso de agua al radiador cuando dicha temperatura haya sido alcanzada y volviendo a abrirse cuando la temperatura del local esté por debajo de la de consigna. La regulación del caudal trae consigo enormes problemas de desequilibrio en la distribución, con peligrosas reducciones de caudal que dejarían emisores sin circulación, generación de ruidos, etc. Por ello, debe adaptarse la instalación a un modo de funcionamiento que además de evitar estos desequilibrios permite mejorar notablemente la eficiencia de las instalaciones. También se puede actuar sobre la temperatura de impulsión de la instalación mediante el empleo de centralitas de regulación.

Para ello es necesario conocer la temperatura media del agua contenida en un radiador, la temperatura ambiente deseada, las condiciones de aislamiento de la estancia, zona climática y su orientación.

Se denomina salto térmico a la diferencia entre la temperatura media del radiador y la temperatura ambiente del local o estancia que pretende calentar. Los fabricantes de radiadores facilitan tablas para la elección del tamaño adecuado de los mismos en función de dicho salto térmico.

Los diferentes sistemas de calefacción destinados a las viviendas también influyen en el tipo de radiadores a seleccionar y se pueden concentrar en dos grandes grupos o sistemas de calefacción: individual y central. La individual dispone de un generador de calor en cada vivienda y es totalmente independiente del resto de viviendas del edificio. En cambio, la calefacción central consiste de un sistema de generación de calor común para uno o varios edificios de viviendas, distribuyendo el fluido caloportador por una red de tuberías que llegan a todas las estancias de las viviendas. Los sistemas centralizados son más racionales en su funcionamiento, concentran todos los puntos problemáticos y de riesgo (sala de calderas, combustibles, evacuación de humos, distribución, etc.) y la normativa es más exigente respecto a eficiencia y seguridad.

Las razones estéticas, de espacio o incluso precio, deben estar supeditadas a conseguir cubrir la demanda máxima que hemos calculado en función de la zona climática, de las condiciones de aislamiento del local, orientación y tipo de instalación, puesto que un radiador mal dimensionado puede incrementar el gasto de calefacción o no ser capaz de aportar suficiente calor en el local.

La potencia calorífica emitida por un radiador se expresa:

Q = U × A? × DTLM

Donde

Q: emisión calorífica (Kcal/h).

U: coeficiente global de transferencia (Kcal/h × ºC × m²).

DTLM: Diferencia de temperatura logarítmica media (ºC).

A_e: superficie exterior del radiador (m²)

Es función del coeficiente de película hi₍₁₎ del agua hacia la superficie interior del radiador, de la resistencia de conducción desde la superficie interior en contacto con el fluido caloportador a la superficie exterior y del coeficiente convectivo-radiante hcv+rad de la superficie exterior del mismo, función de la convección y de la radiación. A título cualitativo se aproxima este modelo de estudio a una placa plana.

Pero para la mayoría de los radiadores del mercado, que tienen formas más complejas, la potencia se determina mediante ensayos térmicos, que realizados según norma UNE-EN 442 han permitido confeccionar unas tablas de emisión en función del salto térmico para cada modelo de radiador, que son próximas a las de trabajo.

La incorrecta identificación de un solo radiador hace que el reparto de toda la comunidad sea erróneo, en un porcentaje que dependerá, además de los factores ya mencionados, del porcentaje de unidades respecto al total de la comunidad y del tiempo que ese error se mantenga.

Por ejemplo, se van a instalar repartidores de costes en una comunidad equipada originalmente con radiadores de hierro fundido, de la misma marca y modelo, pero de diferentes alturas. La altura es un indicador clave, por lo que el factor de corrección será diferente para cada radiador y no se podrá deducir puesto que no existe una relación proporcional entre el tamaño y la potencia.

⁽¹⁾ El coeficiente de película hi, coeficiente de convección o coeficiente de transmisión superficial, representado habitualmente como h, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección.