RESUMEN INSTALACIONES CON DISTRIBUCIÓN POR AGUA

1. SISTEMAS CENTRALIZADOSLas instalaciones centralizadas se utilizan en grandes edificios de uso residencial, comercial o administrativo, como hoteles, centros comerciales.

En lugar de instalar numerosos equipos autónomos, es preferible separarla instalación en las fases siguientes:

Producción: son los equipos encargados de generar la potencia calorífica necesaria en el conjunto de la instalación, ya sea frío, calor, o ambas.

Distribución: en este apartado se distribuye la energía calorífica generada por las diferentes estancias del edificio, mediante un fluido calor portador o frigorífero (agua, gas, aire), y unas tuberías.

Unidades terminales: equipos encargados de climatizar cada estancia, cediendo o absorbiendo las calorías del fluido al ambiente.

2. CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS SEGÚN EL FLUIDO

La denominación de los equipos consta de dos palabras, que se refieren a:

- La primera es el fluido fuente de calor o sumidero.

- La segunda palabra es el fluido receptor.

Un sistema centralizado puede ser del tipo siguiente:

Aire-Agua: equipo con batería exterior refrigerada por aire, y parte interior que cede o absorbe calor a un circuito de agua.Agua-Agua: equipos condensado por agua (que es refrigerada por una torre de recuperación) y parte interior que cede o absorbe calor a un circuito de gua. También se llaman sistemas “todo agua”.Aire-Aire: equipo con baterías interiores y exterior ventiladas por aire.Agua- Aire: equipos condensados por agua, con la parte interior formada por baterías de aire.Tierra- Agua o Tierra aire: se instalan unas tuberías enterradas de bastantelongitud, para que absorban o cedan el calor del terreno. (Geotermia).

3. CIRCUITOS PRIMARIO Y SECUNDARIO

Intercambiadores de calorLos intercambiadores de calor permiten la transferencia de calor de un fluido a otro, mediante transmisión o convección.Siempre que exista un intercambiador de calor aparecen dos circuitos:Al circuito de la parte generadora se le llama “circuito primario”.

1

Al circuito de la parte receptora se le llama “circuito secundario”.Si tenemos una caldera que calienta un circuito de agua mediante un intercambiador de placas, al circuito de la caldera lo llamamos primario, y al circuito de agua caliente sanitaria circuito secundario.

Los circuitos primario y secundario normalmente son circuitos separados, es decir los fluidos ceden calor, pero circulan por tuberías distintas, y no se mezclan, ni tampoco un circuito puede contaminar al otro.La circulación de los fluidos es normalmente a contracorriente, para que la entrada del caliente coincida con la salida del secundario, de forma que la caída de temperatura sea la mínima.

Salto térmico es la diferencia de temperaturas del fluido a la entrada y salida.

Caída de temperatura es la diferencia entre las temperaturas del fluido primario y la salida del secundario. Es decir, la pérdida de temperatura debida al intercambio.Si tenemos la temperatura siguiente:Fluido primario:Temperatura de entrada T1. Temperatura de salida T2.Fluido secundario:Temperatura de entrada t1. Temperatura de salida t2.

DefinimosSalto térmico en primario: T2 – T1Salto térmico en secundario: t2 – T1Caída de temperatura: T1 – t2

4. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN DE CALOR O FRIO

4.1 Equipos aire-agua

En los equipos aire-agua el equipo productor enfría o caliente el agua de un circuito cerrado, que se distribuye por el edificio mediante tuberías, hasta los equipos terminales, que se denominan fan-coils.

Estos equipos se denominan también enfriadoras de agua.Son equipos compactos que se instalan en el exterior del edificio, en patios o sobre la cubierta del mismo. Tienen una gran batería de intercambio de aire en los laterales o en forma de V, y en su interior alojan todo el equipo frigorífico, hidráulico y de control, de

2

forma que sólo se precisa su instalación y conexión a la alimentación eléctrica, y al circuito de distribución de agua.

Si funciona como enfriadora, toma las calorías del circuito de agua, y la disipa por la batería exterior de aire. En su funcionamiento como bomba de calor toma las calorías del aire ambiente, y las cede al circuito de agua.

En grandes instalaciones se instalan varias unidades en paralelo, para conseguir la potencia total, y tener más seguridad en caso de avería de una de ellas.Son equipos muy interesantes desde el punto de viste energético, ya que con temperaturas mínimas exteriores del orden de 5° C A 10° C tienen una eficiencia de 2,5 a 3, con un coste inferior a una calefacción mediante gasóleo o gas. Además pueden hacer la función de calentar en invierno y enfriar en verano.El utilizar como medio de transporte el agua obedece a que las conducciones son mucho más pequeñas que los conductos de aire, menos ruidosas y más duraderas.Hay que tener en cuenta que los equipos reversibles o bomba de calor bajan notablemente de rendimiento cuando la temperatura exterior desciende de 5° C, por ello hay que tener precaución al instalarlos en zonas muy frías del interior.Las condiciones de trabajo suelen ser:Verano:• Tem. exterior: 32° C.• Tem. Entrada agua: 9,5° C.• Tem. Salida agua: 4,5° C. (Salto térmico 5° C).

Invierno:• Tem. exterior: 5° C.• Tem. Entrada agua: 40° C.• Tem. Salida agua: 45° C. (Salto térmico 5° C).

El salto térmico en el secundario nos permite calcular el caudal de agua:

Dimensiones y pesos: los equipos aire- agua son grandes y pesados, que suelen instalarse en terrazas o cubiertas de los edificios. Por ello hay que calcular el esfuerzo que transmiten a la estructura del edificio, y colocarlas sobre bancadas de reparto.También son equipos voluminosos que provocan un gran impacto visual y posiblemente molestias por ruido. Por ello es preferible ocultarlos tras unos setos o barreras que minimicen estos efectos sobre el entorno.

3

4.2 EQUILIBRADO DEL CIRCUITOComo la pérdida de carga es proporcional a la longitud de la tubería, en los terminales situados a más distancia tendrán una mayor perdida de carga, y los más cercamos una pérdida menor.Como el caudal tiende a circular por el circuito de menor pérdida, resultará que los terminales más cercanos tendrán un caudal excesivo, y los más alejados un caudal de agua insuficiente. El circuito estará entonces desequilibrado. Se puede comprobar midiendo la temperatura de salida del agua en varios terminales, y observando que hay diferencias notables de temperatura.Para equilibrar un circuito de distribución de agua puede realizarse de forma manual en instalaciones reducidas, mediante ajuste de las llaves de regulación o detentores.Deberemos comprobar todos los terminales hasta que la temperatura del agua de retorno sea uniforme con todos en carga. Es decir el salto térmico entrada–salida debe ser igual en todos. Si el salto es grande, hay que aumentar el caudal, y si el salto térmico es pequeño, hay que disminuir el caudal.

4.3. Retorno invertidoPor el por tubo de retorno el agua debe volver hacia la enfriadora, pero el retorno invertido consiste en que en el tubo de retorno circula el agua en sentido opuesto, es decir igual al de ida, y al final el tubo gira 180 grados, y vuelve hacia la enfriadora.De esta forma si sumamos la distancia de ida y retorno, todos los terminales quedan a la misma distancia total del colector de salida, y por lo tanto, todos los terminales quedan equilibrados.

5. COMPONENTES DE UNA ENFRIADORA AIRE-AGUA

Son equipos compactos de forma rectangular, formados por los elementos siguientes:• Batería intercambio de aire de gran tamaño que cubre parte de las paredes verticales del equipos, y en algunos casos es en forma de V.• Varios ventiladores axiales en la parte superior, para descargar el aire en sentido vertical ascendente. Son de pala ancha y bajas revoluciones (950 o 450 R.P.M.) para reducir el ruido al mínimo.• Uno o varios compresores frigoríficos de tipo hermético o semihermético con sus elementos auxiliares: válvulas de expansión, filtros, silenciadores, tomas de presión, etc.• Intercambiador de calor gas-agua: puede ser de dos tubos concéntricos arrollados, o de placas a contracorriente. En el segundo caso se puede desmontar para limpiar la cal que se deposita entre las placas.

El intercambiador de agua es una parte importante de la enfriadora, y de la calidad de este elemento depende la vida del equipo, pues en caso de corroerse, el agua pasa al circuito frigorífico produciendo el agarrotamiento del compresor, filtro, válvula de expansión, etc., precisando de una limpieza a fondo de todo el circuito frigorífico. 4

Lo mejor es que el intercambiador sea de acero inoxidable o titanio. Otra avería frecuente es que por falta de anticongelante o por bajo caudal de agua, se congele el agua en su interior, y se deformen o agrieten los tubos, con resultado igual al caso anterior. El intercambiador se aísla totalmente con coquilla por el exterior, de forma que parece una caja negra.

• Equipo eléctrico de control:Contiene presostatos, termostatos, temporizadores, contactores, relés térmicos, pilotos y mandos.Recientemente incorporan un autómata con un programa en memoria ROM que gobierna y permite modificar los parámetros de consigna del equipo.Las conexiones eléctricas se realizan en un bornero con fichas para conectar la línea de alimentación eléctrica, y otras para el control a distancia (termostato o caja de control).

• Módulo hidráulico:Para forzar la circulación del agua pueden incorporar un módulo hidráulico que está formado por:- Bomba circuladoras de agua, de tipo cerrado de calefacción, que puede tener varias velocidades.- Vaso de expansión, de tipo membrana, calculado para un volumen acorde a la potencia.- Depósito de inercia, o tanque de acumulación de agua colocado en serie con el circuito de agua de la enfriadora, y que sirve para que el equipo no realice arranques demasiado frecuentes.- Válvula de retención, para evitar corrientes contrarias al flujo normal.

- Interruptor de flujo, que detecta si el caudal de agua es suficiente para que arranque el equipo frigorífico.Esta protección es fundamental, y en caso de no llevarla el equipo que instalemos, deberemos instalarlo en el circuito de agua exterior a la enfriadora.

5

6. SECUENCIA DE ARRANQUE DE UNA ENFRIADORA DE AGUA

En el caso de una única enfriadora:El mando de la instalación pone en marcha la bomba de circulación de agua y el circuito comienza a moverse. El interruptor de flujo se activa al detectar caudal de agua, y da señal de arranque a los compresores y circuito frigorífico de la enfriadora.Posteriormente, el termostato situado en el retorno del circuito de agua indica si el agua retorna desde el edificio demasiado fría, y para uno o todos los compresores. La bomba de circulación de agua no para mientras existan estancias conectadas.

En caso de varias enfriadoras:La conexión de varias enfriadoras en paralelo es muy frecuente, y el problema surge en arrancar y parar las distintas unidades para adaptarse a la demanda de calorías de la instalación.Al aumentar de la demanda de potencia de la instalación, el agua retorna a mayor temperatura, y si disminuye la demanda, el agua retorna más fría.Un sistema sencillo es instalar un termostato en cada enfriadora, y graduarlos en cascada, pero en este caso unos equipos tendrán más desgaste que otros, y deberemos alternarlos mediante un conmutador periódicamente.Los equipos más recientes incorporan un sistema electrónico de gestión con más inteligencia y conectados mediante un sistema de bus, el cual se encarga de distribuir el trabajo de las enfriadoras de forma uniforme.

7. CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA CALIENTE O FRÍA

La energía producida en la enfriadora la distribuimos a los receptores del edificio mediante un fluido que normalmente es el agua, en un circuito cerrado, y con un salto térmico de 6° C a 7° C, es decir el agua se envía por la tubería de “ida”, y vuelve por al tubería de “retorno”, 6° C ó 7° C más fría o más caliente. Para evitar congelaciones, a menudo se le añade al agua un porcentaje de glicol, que hace descender el punto de congelación del fluido a –15° C.El circuito precisa de varios elementos, como bombas de impulsión, tuberías y válvulas de corte o equilibrado.

Tipos de distribuciones:

6

En general son preferibles las distribuciones en distribución horizontal, en paralelo, y con retorno invertido. En algunos casos se realizan dos circuitos, uno de agua fría y otro de agua caliente, y los fancoils tienen dos baterías, una de frío y otra de calor. Esto se llama instalación a cuatro tubos. (debido a los distintos saltos térmicos 5 º C en verano, 12 en invierno)

El circuito de calor se alienta desde calderas de calefacción, y el de frío desde enfriadoras de agua (sin bomba de calor).Este circuito tiene la ventaja de poder suministrar en cualquier terminal frío o calor al mismo tiempo.

8. CÁLCULO DEL CIRCUITO DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA

Para calcular el circuito de distribución de agua debemos de realizar los pasos siguientes:

8.1 EsquemaDibujar un esquema de la red de tuberías con los terminales y su potencia térmica. Numerar los tramos ordenadamente. (letras o números):

8.2. Cálculo de caudales

Calcular el caudal de cada unidad terminal, mediante la expresión:

Q = P / ∆t

Siendo: P = Potencia frigorífica en Kcal/h de la unidad.∆t = Salto térmico en °C (normalmente 5 °C).

7

Recordemos que siempre que cambie el caudal, es un tramo distinto.Siempre aparecen dos nuevos tramos tras una derivación: uno en la rama principal y otro en la rama derivada.

8.2 Tabla

Tramo Caudallitros/hora Diámetro Velocidad

m/sLongitud+ acceso

(m)

Perdidasmmca

(por m tubería) Perdidas

acumuladasmca

teórica real

8. 4. Asignación de diámetros y velocidad

Con las gráficas, partiendo del caudal de la potencia, adjudicamos una pérdida de carga unitaria Ji de 30 mm.c.a por metro, y obtenemos el diámetro de la tubería. Hay que tener en cuenta también que la velocidad de circulación debe estar entre 0,5 y 1,5 m/s.

8.5. Longitud más accesorios Calcular con la ayuda de las tablas de perdidas la longitud equivalente en las T, codos, válvulas., etc y calculamos la longitud equivalente total

8.6. Pérdida de carga parcial y total

Hemos fijado una pérdida de carga unitaria Ji de 30 m.m.c.a/m, para todos los tramos, pero la perdida real por metro dependerá del diámetro elegido: este dato se lee en la parte inferior de la gráfica (bajando en vertical)

Para averiguar la pérdida de un tramo simplemente multiplicaremos la longitud total equivalente del tramo por la perdida real en ese tramo. En este punto hay que tener en cuenta las perdidas en el Fan-coil y en la batería enfriadora.

- fan-coil 1 m.ca- Batería 3 m.ca.

La pérdida total de la instalación será la del tramo más alejado, y nos servirá para elegir la bomba impulsora del circuito.Hay que comprobar que la bomba de la enfriadora pueda proporcionar la presión requerida. Lo equipos comerciales con módulo hidráulico incorporado disponen de una presión entre 10 y 20 m.c.a.

9. BOMBA IMPULSORA Y ACCESORIOS

8

9.1 Cálculo y selección de la bombaPara elegir la bomba que impulsará el agua por las tuberías del circuito tenemos que partir de dos datos:

• Caudal del circuito.• Presión a vencer o pérdida de carga total del circuito

El caudal hemos visto que se obtiene de dividir la potencia frigorífica por el salto térmico del agua:

Q (L/h) = P (kcal/h) / (T2 – T1)

La pérdida de carga del circuito la tendremos que hallar según lo descrito en el punto 8.6 , partiendo del caudal anterior.

La selección de una bomba centrífuga es similar a la de un ventilador, es decir utilizaremos la curva caudal - presión de la bomba, o del grupo de bombas de un catálogo comercial.

SelecciónLas bombas de circulación para climatización son similares a las de calefacción.Las pequeñas están formadas por un sólo cuerpo cerrado que engloba el motor eléctrico y la bomba centrifuga. El motor se refrigera por el caudal del circuito.En las bombas grandes el motor eléctrico está separado de la bomba, y el eje de transmisión se sella por una estopada o cierre mecánico, que impide la fuga de agua.A partir de 100 kW térmicos de la enfriadora, las bombas suelen ser dobles, formadas por dos bombas gemelas en paralelo, para tener más seguridad en caso de avería de una de ellas.Las bombas pequeñas hasta 1 kW suelen ser monofásicas, con condensador permanente.

Las bombas mayores son trifásicas, y a partir de 10 kW deben arrancar mediante algún sistema que limite su intensidad, como estrella-triángulo o arranque lento por variador.

9

MontajeLas bombas de circulación deben de instalarse con:

• Una llave de corte a ambos lados de la bomba, para poder aislarla sin tener que vaciar todo el circuito.• Un filtro de malla antes de la aspiración (y después de la llave), para retener partículas que pueda arrastrar el agua del circuito. Este filtro debe limpiarse tras los primeros días de funcionamiento de la instalación. También pueden instalarse dos tomas de manómetro antes y después del filtro, para poder ver la diferencia pérdida de carga del mismo, y saber si precisa limpiarse.• Tomas para presión antes y después de la bomba, para verificar su funcionamiento.Los acoplamientos de las bombas pequeñas suelen ser mediante un enlace roscado desmontable, y a partir de 2" mediante bridas normalizadas con tornillos y juntas de goma.Las bombas grandes instaladas entre bridas, deben tener un carrete de desmontaje, o trozo de tubería telescópica de longitud ajustable.

En general, siempre debemos instalar la bomba de forma que pueda desmontarse y sustituirse con facilidad, ya que es un elemento mecánico móvil sometido a desgaste.

10. Depósitos de inercia

Si tenemos una enfriadora de agua de 100.000 Kcal/h en un edificio, en el que sólo hay demanda de frío en uno o varios locales pequeños, que suman 5.000 Kcal/h, se presenta el problema de que la máquina arranca y en 6 minutos cubrirá la demanda, y parará. A los 6 minutos volverá a arrancar y así sucesivamente. Es decir, el número de arranques a la hora será de 60 minutos/hora / 12 minutos = 5 arranques a la horaLas enfriadoras grandes sólo permiten un número reducido de arranques a la hora (de 2 a 4), pues pueden estropear, o acortar su vida útil.Para evitar esto, lo más sencillo es aumentar el volumen de agua circulando por la instalación, de forma que cuando la enfriadora pare, la masa de agua enfriada sea la que continúe proporcionando calorías a las unidades terminales, y la enfriadora tarde en arrancar.

Para ello instalamos un depósito aislado en serie con el circuito primario.La cantidad de Kcal almacenadas en el agua la obtenemos de:

Q = m.Ce.(T2 – T1).

Ejemplo: si un circuito de agua funciona entre 12° C y 6°C, y el volumen de agua es de 5.000 L. Calcular la inercia del mismo.

Solución: Q = 5000 x 1 x (12 – 6) = 30.000 Kcal.

Si la enfriadora más pequeña es de 60.000 Kcal/h, calcular el número de arranque a la hora cuando no hay ninguna demanda de calor.

Solución: 60.000 Kcal/h / 30.000 Kcal = 2 arranques/hora

10

Mínimo 30 litros por Kw

11.Depósitos de expansión El depósito de expansión tiene la función de absorber las variaciones de volumen del fluido contenido en un circuito al variar su temperatura, manteniendo la presión entre límites preestablecidos e impidiendo, al mismo tiempo, pérdidas y reposiciones de la masa de fluido. (1)Los depósitos de expansión pueden ser abiertos o cerrados, según estén o no en contacto con la atmósfera. Los depósitos de expansión que se utilizan en redes hidráulicas para sistemas de climatización suelen ser cerrados. Estos funcionan al comprimir una cámara de aire situada en el interior del mismo que está separada del agua de la instalación por una membrana flexible. Cuando el agua de la instalación aumenta su volumen por efecto de la temperatura, se produce un aumento de presión en el circuito que es absorbida por el vaso de expansión. Cuando el volumen disminuye al disminuir la temperatura del sistema, el depósito devuelve el agua cedida a la instalación.Por lo tanto, en los sistemas hidráulicos, los objetivos de un sistema de control de presión son:

Limitar la presión de todos los equipos para permitirles trabajar a sus presiones nominales.

Mantener una presión mínima para todo el rango de temperaturas de trabajo. Conseguir los objetivos anteriores con la menos cantidad de agua añadida posible. Evitar problemas de cavitación

Debemos conocer el volumen de agua contenido en tuberías y la temperatura media del agua de primario en el circuito de calefacción.Verificaremos en primer lugar que el vaso de expansión está bien dimensionado.

En instalaciones convencionales de radiadores podemos estimar el contenido en agua en tuberías en un orden de magnitud de unos 15 litros de agua por 1000 kcal/h de potencia instalada.Para instalaciones dimensionadas con temperaturas de ida de 90º y retorno de 70 °C, el volumen mínimo del vaso de expansión (Vexp) viene dado por:

Vexp = Volumen total / 36Para temperaturas de ida de 75º y retorno de 60 °C: Vexp = Volumen total / 41Para temperaturas de ida de 50º y retorno de 40 °C: Vexp = Volumen total / 110

12. UNIDADES TERMINALES

La unidad terminal transfiere la energía térmica que transporta el agua al ambiente del local.En el caso de equipos de frío, absorben calorías del local y las pasan al agua del circuito, que aumenta de temperatura.

Las unidades terminales más frecuentes son:• Radiadores.• Aerotermos.• Ventilo-convectores o fan-coils.• Unidades de tratamiento de aire.• Circuitos de suelo radiante.

11

• Circuitos de techo frío.

11. 1EL FANCOILUn fancoil consiste básicamente en una batería de intercambio agua- aire, y un electro-ventilador. El aire de la habitación es forzado a atravesar el intercambiador agua-aire o batería de agua, se enfría y es lanzado de nuevo a la habitación.Si lo que enviamos al fancoil es agua caliente, entonces funcionará como un radiador de

calefacción.

Los componentes de un fancoil son:• Carcasa o chasis que sostiene el resto de elementos. Realizada en chapa de acero.• Cubierta o mueble embellecedor que oculta sus componentes. Caja exterior con diseño decorativo realizada en chapa pintada o plástico, con rejilla para orientar la descarga del aire.• Batería enfriadora de cobre con aletas de aluminio, con conexiones hidráulicas de roscar para conectarlo al circuito de distribución.• Ventilador centrífugo o tangencial, con motor eléctrico monofásico de espira en sombra o condensador permanente, con dos o tres velocidades. Siempre son de bajo nivel sonoro.• Batería de recogida de condensados, con salida a tubo de desagüe.• Filtro de aire, situado en la entrada. De fácil desmontaje• Caja de conexiones eléctricas, y mando termostato, en el propio mueble o a distancia.• Válvula de tres vías (si se instala, para cortar la circulación de agua en la batería).

Conexiones

Los fancoils se pueden conectar a la red de distribución de agua mediante dos simples llaves de corte.De esta forma el agua circula siempre por la batería, haya demanda o no de calorías.Pero es preferible intercalar una válvula de tres vías, para que cuando no haya demanda de calor en la estancia, cortar el flujo de agua a la batería, y evitar seguir transmitiendo calor por convección natural.

12

Si el fancoil es de 4 tubos, es decir con una batería de frío y otra de calor, se necesitarán obligatoriamente dos válvulas de tres vías, una para cada batería.No deben poder conectarse ambas baterías a la vez.

Esquema de control de un fancoilLos fan-coils se controlan desde un mando a distancia – termostato independiente de la unidad.Aunque hay diversos fabricantes, los mandos suelen seguir un esquema común de acuerdo con el tipo de control:• Termostato sobre el ventilador: el termostato arranca o para el ventilador del fan-coil. Un interruptor apaga el equipo, y un conmutador invierte el contacto del termostato en verano-invierno.En verano el ventilador permanece encendido al mínimo cuando el termostato ha cortado, y en invierno para.• Termostato y mando sobre ventilador y válvula de agua: igual, para alcanzar la temperatura se corta la electroválvula de paso de agua a la batería (o válvula de tres vías).• Mando proporcional sobre válvula de tres vías modulante: el caudal de agua se ajusta a la demanda de calor. No es muy común.

Estos equipos son similares a las unidades aire-aire interiores en cuantoa instalación, conexión con los conductos, alimentación eléctrica, etc.

13

14