Estudio de simulación termodinámica de suelos con folio radiante por Oliver Style de Praxis

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 pavimentos para climatización radiante

Tipos de suelo y variantes incluidos en el estudio

Modelo de cálculo

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

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.

Izquierda: rénder del modelo completo; derecha: rénder 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 suroeste - hemisferio norte).

Instalación de folio radiante en el castillo de Alaquas, Valencia. Fuente: Cecather.

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 laminado en base madera (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.

Potencias de folio radiante por vivienda.

Consignas de calefacción

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

Simulaciones

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

Periodos de análisis

Se han analizado los siguientes parámetros:

·        Consumo calefacción [kWh]

·        Potencia máx. folio radiante [kW]

·        Temperatura del suelo [ºC]

·        Temperatura operativa interior [ºC]

Instalación seca de folio radiante

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. 

Transmitancia térmica total, resistencia térmica encima del folio y capacidad térmica interna por unidad de superficie encima del folio, instalación seca.

Resistencia térmica y capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales encima del folio, instalación seca.

Resultados de consumos de calefacción para cada tipo de suelo

Los casos de estudio se centran en el consumo de calefacción en una segunda planta, del 1 octubre al 31 marzo (clima continental, otoño-invierno).

Caso de estudio de consumo de calefacción radiante, instalación seca

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

Resultados de consumos de calefacción, instalación seca, 1 octubre al 31 marzo. [1] El consumo de kWh/m2 esta referenciado a la superficie total calefactada de 342,10 m2.

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 en base madera 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 %).

Resultados de consumos de calefacción, instalación seca, 1 octubre al de 31 marzo.

Caso de estudio de consumo de calefacción radiante, instalación húmeda

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

Resultados de consumos de calefacción, instalación húmeda, 1 de octubre al 31 de marzo.

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 en base madera 1.2 con mortero autonivelante. Estas diferencias caen dentro del margen de incertidumbre en los cálculos (alrededor de un 10 %).

Resultados de consumos de calefacción, instalación húmeda, 1 de octubre a 31 de marzo.

Transmitancia térmica según tipo de suelo con instalación húmeda

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. 

Transmitancia térmica total, resistencia térmica encima del folio y capacidad térmica interna por unidad de superficie encima del folio, instalación húmeda.

Resistencia térmica y capacidad térmica interna por unidad de superficie de los materiales encima del folio, instalación seca.

Temperatura del suelo y aire interior, potencia folio radiante y ganancias solares con instalación seca

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 (clima continental, invierno), 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.

Pavimento laminado en base madera, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Pavimento gres, 2 placas, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Pavimento cerámica, 2 placas, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Pavimento gres, 1 placa, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Pavimento cerámica, 1 placa, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Todos los suelos, instalación seca, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Resumen de potencia máxima del folio radiante, temperatura máxima del suelo y desfase temporal, con 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 laminado en base madera, 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 laminado (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. 

Temperatura del suelo y aire interior, potencia folio radiante y ganancias solares con instalación húmeda

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 (clima continental, invierno), 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 h, y que, a partir de esa hora, el aumento de temperatura del suelo se debe a las ganancias solares.

Pavimento laminado con mortero autonivelante, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Pavimento gres, mortero autonivelante, día invierno, potencia del folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Pavimento cerámica, mortero autonivelante, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Todos los suelos, instalación húmeda, día invierno, potencia folio, ganancias solares, temperatura suelo y temperatura aire.

Resumen de potencia máxima del folio radiante, temperatura máxima del suelo y desfase temporal con 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 laminados con base madera, gres y cerámica con mortero autonivelante, es de aproximadamente 5 horas en los tres casos.

Del estudio se concluye que el suelo laminado en base madera tiene un comportamiento óptimo para la instalación de suelo de folio radiante, con un consumo energético menor (entre un 4 % y un 20%) y una respuesta térmica ligeramente más rápida respecto a los otros tipos de suelo analizados con instalaciones en seco. 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.