Análisis termodinámico de suelo radiante eléctrico

Se presentan los resultados de un estudio de simulación termodinámica, comparando suelos laminados en base madera con suelos de cerámica y gres, calefactados con un sistema de folio radiante eléctrico, para instalaciones en seco y en húmedo.

Análisis termodinámico de suelo radiante eléctrico

Se presentan los resultados de un estudio de simulación termodinámica, comparando suelos laminados en base madera con suelos de cerámica y gres, calefactados con un sistema de folio radiante eléctrico, para instalaciones en seco y en húmedo. Los suelos se han modelizado en la planta intermedia de un edificio destinado a uso residencial, en el clima de Madrid. 

El objetivo del estudio es analizar la respuesta térmica dinámica de los diferentes tipos de suelo y comparar el consumo de energía por calefacción.

Tipologías de suelo

Las tipologías de suelo estudiadas se ven en la siguiente Tabla:

Figura 1: Tipos de suelo y variantes incluidos en el estudio

Modelo de cálculo

Se ha modelizado un edificio plurifamiliar de 4 plantas sobre rasante, con 4 viviendas por planta, de ~ 86 m2 de superficie útil/vivienda, y 342,1 m2 calefactados en total. Se ha modelizado únicamente la planta segunda del edificio. La planta inferior y superior (consideradas como espacios ocupados y calefactados con las mismas condiciones de ocupación) se han modelizado como adiabáticas.

Para las simulaciones, se ha usado la herramienta DesignBuilder, con el motor de cálculo termodinámico EnergyPlus.

Figura 2: Render del modelo completo
Figura 3: Render del modelo con la planta analizada

Los muros exteriores son de doble hoja de ladrillo perforado cara vista de 14 cm, cámara de aire de 5 cm, aislamiento térmico de 6 cm, hoja de ladrillo hueco interior de 9 cm con enyesado (U = 0,39 W/m2·K). Las carpinterías son de aluminio con rotura de puente térmico (Uf = 3,6 W/m2·K) con vidrios dobles con aire en la cámara (Ug = 2,9 W/m2·K y g = 69%). La renovación de aire es mecánica con una tasa de renovación de 0,63 ren/h, con recuperación de calor sensible (η = 70 %). Para las viviendas, las infiltraciones de aire exterior se han considerado N50 = 5/h, convertidas a presión atmosférica y repartidas por zona conforme su área expuesta. Las infiltraciones de la escalera se han modelizado con 1/h.

Se han analizado los consumos energéticos de las 4 viviendas en la planta segunda, con un análisis detallado de la Habitación 1 (al sur oeste).

Sistema de folio radiante eléctrico

Se ha modelizado un sistema de folio radiante eléctrico. Se simulan folios con las siguientes potencias nominales debajo de cada tipo de suelo:

  • Suelo de madera laminada (sistema directo): 75 W/m lineal
  • Suelo de madera laminada, con mortero autonivelante: 116 W/m lineal
  • Suelo de gres/cerámica, con solera seca/mortero autonivelante: 116 W/m lineal

La potencia de folio radiante para cada vivienda y la para la Habitación 1, se muestra en la siguiente Tabla. Se ha modelizado el folio como un componente “ZoneHVAC: Low Temperature Radiant: Electric”, insertado en DesignBuilder mediante un script de EnergyPlus.

Figura 4: Potencias de folio radiante por vivienda

Consignas

Las consignas de calefacción usadas son las que indica el Anejo D “Condiciones operacionales y perfiles de uso” del CTE DB HE 2019:

  • Consigna principal: 20 ºC (07:00 – 22:59)
  • Consigna secundaria: 17 ºC

Resultados

Se han analizado los 3 periodos mostrados en la siguiente Tabla:

Figura 5: Periodos de análisis

Se han analizado los siguientes parámetros:

  • Consumo calefacción [kWh]
  • Potencia máx. folio radiante [kW]
  • Temperatura del suelo [ºC]
  • Temperatura aire interior [ºC]

Instalación seca: transmitancia térmica, resistencia térmica y capacidad térmica interna

La Tabla y Figura inferior muestra la potencia del folio radiante, la transmitancia térmica total (conforme la UNE-ISO 69446), la resistencia térmica de los materiales por encima del folio, y la capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales por encima del folio (conforme la UNE-ISO 13786), de cada tipo de suelo, con instalación seca.

Figura 6: Transmitancia térmica total, resistencia térmica encima del folio & capacidad térmica interna por unidad de superficie encima del folio, instalación seca
Figura 7: Resistencia térmica y capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales encima del folio, instalación seca

Instalación húmeda: transmitancia térmica, resistencia térmica y capacidad térmica interna

La Tabla y Figura inferior muestra la potencia del folio radiante, la transmitancia térmica total (conforme la UNE-ISO 69446), la resistencia térmica de los materiales por encima del folio, y la capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales por encima del folio (conforme la UNE-ISO 13786), de cada tipo de suelo, con instalación húmeda.

Figura 8: Transmitancia térmica total, resistencia térmica encima del folio & capacidad térmica interna por unidad de superficie encima del folio, instalación húmeda
Figura 9: Resistencia térmica y capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales encima del folio, instalación seca

Instalación seca: Planta 2ª, consumo calefacción, 1 octubre-01 marzo

La Tabla y Figura de abajo muestran los resultados de consumos de calefacción para cada tipo de suelo, con instalación seca.

Figura 10: Resultados de consumos de calefacción, instalación seca, 1 oct. – 31 mar.

Los resultados indican que el consumo de calefacción de los suelos 2.1 y 2.2 de gres y cerámica con doble placa de solera seca, es un 20 % más alto que el suelo laminado 1.1 (sistema directo).

El consumo de los suelos 3.1 y 3.2 de gres y cerámica con 1 placa de solera seca, son un 5% y 4% más alto que suelo laminado 1.1. Estas diferencias caen dentro del margen de incertidumbre en los cálculos (alrededor de un 10 %).

Figura 11: Resultados de consumos de calefacción, instalación seca, 1 oct. – 31 mar.
  1. El consumo de kWh/m2 esta referenciado a la superficie total calefactada de 342,10 m2

Instalación húmeda: Planta 2ª: consumo calefacción, 1 octubre-01 marzo

La Tabla y Figura de abajo muestran los resultados de consumos de calefacción para cada tipo de suelo, con instalación húmeda.

Figura 12: Resultados de consumos de calefacción, instalación húmeda, 1 oct. – 31 mar.

Los resultados indican que el consumo de calefacción de los suelos 4.1 y 4.2 de gres y cerámica con mortero autonivelante, es un 10 % y 9 % más bajo respectivamente que el suelo laminado 1.2 con mortero autonivelante. Estas diferencias caen dentro del margen de incertidumbre en los cálculos (alrededor de un 10 %).

Figura 13: Resultados de consumos de calefacción, instalación húmeda, 1 oct. – 31 mar.

Instalación seca: Habitación 1, temperatura del suelo & aire interior, potencia folio radiante, y ganancias solares, 14 enero

Las Figuras de abajo muestran la evolución de la potencia del folio radiante, las ganancias solares, la temperatura del suelo, y la temperatura del aire durante el día del 14 enero, para cada tipo de suelo, con instalación seca.

Se indica la potencia máxima del folio radiante y la hora en la que ocurre, y la temperatura máxima del suelo y la hora en la que ocurre (antes de los efectos de la radiación solar).

El rango de consignas de calefacción (20 ºC de 7:00 – 23:00 y 17 ºC el resto de horas) se indica para entender el encendido y apagado del folio radiante. Se muestran las ganancias solares para apreciar las subidas repentinas de la temperatura del aire interior y del suelo cuando el folio esta apagado.

Figura 14: 1.1 Madera, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. aire
Figura 15: 2.1 Gres, 2 placas, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 16: 2.2 Cerámica, 2 placas, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. aire
Figura 17: 3.1 Gres, 1 placa, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 18: 3.2 Cerámica, 1 placa, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 19: Todos los suelos, instalación seca, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 20: Resumen de potencia máx. folio radiante, temp. max. suelo y desfase temporal, instalación seca

Las Figuras y la Tabla de arriba indican que el desfase temporal entre la potencia máxima del folio radiante y la temperatura máxima del suelo, es de aproximadamente 4 horas para el suelo de madera 1.1, aproximadamente 6 horas para los suelos de gres y cerámica con 2 placas de solera seca y aproximadamente 5 horas con 1 placa de solera seca.

Esto se debe principalmente a que la resistencia térmica y capacidad térmica del suelo de madera 1.1 (sistema directo) es menor que los suelos de gres y cerámica con placa de solera seca, por lo que tarda menos tiempo en calentarse y transmitir calor a la estancia.

Instalación húmeda: Habitación 1, temperatura del suelo & aire interior, potencia folio radiante, y ganancias solares, 14 enero

Las Figuras de abajo muestran la evolución de la potencia del folio radiante, las ganancias solares, la temperatura del suelo, y la temperatura del aire durante el día del 14 enero, para cada tipo de suelo, con instalación húmeda.

Se indica la potencia máxima del folio radiante y la hora en la que ocurre, y la temperatura máxima del suelo y la hora en la que ocurre (antes de los efectos de la radiación solar). Para el suelo de madera 1.2 se ha considerado que la máxima temperatura del suelo debido al calor emitido por el folio ocurre a las 12:00, y que, a partir de esa hora, el aumento de temperatura del suelo se debe a las ganancias solares.

Figura 21: 1.2 Madera con mortero, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. aire
Figura 22: 4.1 Gres, mortero auton., día invierno, pot. folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 23: 4.2 Cerámica, mortero auton., día invierno, pot. folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 24: Todos los suelos, instalación húmeda, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temp. suelo & temp. Aire
Figura 25: Resumen de potencia máx. folio radiante, temp. max. suelo y desfase temporal, instalación húmeda

Las Figuras y la Tabla de arriba indican que el desfase temporal entre la potencia máxima del folio radiante y la temperatura máxima del suelo, para los suelos de madera, gres y cerámica con mortero autonivelante, es de aproximadamente 5 horas en los tres casos.

Aunque la capacidad térmica de los materiales encima del folio de los suelos 4.1 y 4.2 es mucho mayor que el suelo laminado 1.2, la resistencia térmica de estos materiales es mucho menor, por lo que la respuesta dinámica de los suelos y consumo de calefacción es similar.

Conclusión

Para las instalaciones en seco analizadas en el estudio, los resultados indican que el suelo laminado tiene un consumo energético menor (entre un 4 % y un 20%) y una respuesta térmica ligeramente más rápida, con los otros tipos de suelo analizados. En el caso de los suelos con instalación húmeda, los resultados indican que el suelo laminado tiene un consumo energético ligeramente mayor (entre un 9% y un 10%) y una respuesta térmica similar a los otros tipos de suelo analizados. En ambos casos, dado el margen de incertidumbre del cálculo, las diferencias son mínimas.

Agradecimientos

Este estudio fue financiado por FINSA.

Agradecemos a Germán Campos de Aurea Consulting por su colaboración.

Imagen de portada: enchux

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