Cálculo de Cargas Térmicas

Física

En este trabajo se trata en forma resumida algunas
condiciones a evaluar y las consideraciones a tomar en cuenta
para diseñar proyectos de
sistemas de
Aire
Acondicionado en locales comerciales. Se nombran
además los diferentes métodos de
cálculo
publicados para este fin a nivel internacional incluyendo
información sobre el método
propuesto por la ASHRAE para utilizarse a partir del año
2001; finalmente se describen los pasos indicados en manual & N 8
publicado por la ACCA para el cálculo de
cargas térmicas.

INDICE

GLOSARIO

1. DEFINICIÓN DE CARGA TÉRMICA

2. INTRODUCCIÓN, INFORMACION GENERAL

3. CONSIDERACIONES

4. TASA DE FLUJO DE CALOR

5. CONSIDERACIONES INICIALES DE DISEÑO

6. MÉTODOS DE
CALCULO

7. MÉTODO
SELECCIONADO

8. DESARROLLO DEL
MÉTODO

CONDICIONES DE EVALUACIÓN

CONDICIONES EXTERIORES DE DISEÑO

MOMENTO DEL DÍA CON CARGA PICO DE
ENFRIAMIENTO

GANANCIA DE CALOR POR
RADIACIÓN SOLAR A TRAVÉS DE
VIDRIOS

GANANCIA DE CALOR A TRAVÉS DE COMPONENTES
ESTRUCTURALES

CONCENTRACIÓN DE PERSONAS COMO BASE DE
DISEÑO

GANANCIAS DE CALOR ORIGINADAS POR EQUIPOS

GANANCIA DE CALOR POR INFILTRACIÓN Y
VENTILACIÓN

TIPOS DE INTERCAMBIO DE AIRE

VENTILACIÓN Y CARGAS
TÉRMICAS

VENTILACIÓN Y CALIDAD DE
AIRE

GLOSARIO

ASHRAE

Sociedad Americana de Ingeniería para Aire
Acondicionamiento, Calefacción y Refrigeración, ASHRAE, es una organización internacional con más
de 50,000 personas en capítulos por todas partes del
mundo. Se organiza la Sociedad con el
propósito de buscar avances en las ciencias y
artes de la calefacción, ventilación, aire
acondicionado y refrigeración, para el beneficio del
público a través de la investigación, escritura de
las normas, educación continua y
publicaciones.

ACCA

La ACCA representa a contratistas para aire
acondicionado en Norte América, una asociación del comercio de
los EE.UU. que interviene en el área de
calefacción, ventilación, aire acondicionado y
refrigeración.

Estos Contratistas son compañías que
diseñan, instalan, realizan mantenimiento
y servicio a los
sistemas HVACR.
Los miembros de la ACCA realizan trabajos para sistemas del
genero
residencial, comercial, industrial, institucional y
gubernamental.

Su misión es
asistir y ayudar a sus miembros a satisfacer sus clientes, a
través del manejo de información técnica y educación; actuando
recíprocamente con fabricantes, comerciantes y otros
sectores de la industria de
HVACR. Como organización se forma en 1914. La ACCA
tiene mas de 4.000 miembros y 64 organizaciones
formadas en capítulo locales.

CALOR SENSIBLE Y LATENTE

Cuando aplicamos calor a una substancia y esta responde
aumentando la temperatura
estamos aplicando calor sensible.

Cuando aplicamos calor a una substancia y esta no
aumenta la temperatura
pero si cambia de estado estamos
aplicando calor latente.

Pero para cambiar de estado un
fluido evaporándolo se necesita muchisimo calor, Este
calor se llama calor latente de evaporación.

ENTALPIA

En un cambio de
estado se intercambian una cantidad de calor, que para calcularse
muchas veces se recurre a la entalpia, digamos que entalpia es
como calor total…

Cálculo de cargas
térmicas

DEFINICIÓN DE CARGA
TÉRMICA:

También nombrada como carga de enfriamiento, es
la cantidad de energía que se requiere vencer en un
área para mantener determinadas condiciones de temperatura
y humedad para una aplicación especifica (ej. Confort
humano). Es la cantidad de calor que se retira de un espacio
definido, se expresa en BTU, la unidad utilizada comercialmente
relaciona unidad de tiempo,
Btu/hr.

INTRODUCCIÓN, INFORMACION
GENERAL:

A través de años de trabajo, diversas
compañías y organizaciones
han evaluado múltiples factores requeridos para determinar
la cargas de enfriamiento en diversas aplicaciones. Cuando se
utilizan estos factores para el calculo de cargas en espacios y
edificios, lo importante es aplicar un buen criterio para
desarrollar algún procedimiento
definido.

Para realizar el estimado de la carga de enfriamiento
requerida con la mayor exactitud posible en espacios y edificios,
las siguientes condiciones son de las más importantes para
evaluar:

• Datos atmosféricos del sitio.
• La característica de la edificación,
  dimensiones físicas.
• La orientación del edificio, la dirección de las paredes del espacio a
  acondicionar.
• El momento del día en que la carga llega a su
  pico.
• Espesor y características de los
  aislamientos.
• La cantidad de sombra en los vidrios.
• Concentración de personar en el
  local.
• Las fuentes de
  calor internas.
• La cantidad de ventilación
  requerida.

Existen diferentes métodos para calcular la carga
de enfriamiento en un área determinada, en cualquier caso
es necesario evaluar diversas características como las
condiciones del lugar (condiciones atmosféricas), tipo de
construcción y aplicación del
espacio a acondicionar.

CONSIDERACIONES

Las variables que
afectan el cálculo de cargas térmicas son
numerosas, frecuentemente difíciles para definir en forma
precisa, y no siempre están en cada momento mutuamente
relacionadas.

Muchas variables de
cargas de enfriamiento cambian extensamente en magnitud durante
un período de 24 horas. Los cambios de estas variables
pueden producirse en momentos diferentes unos de otros, por ello
deben analizarse detalladamente para establecer la carga de
enfriamiento necesaria para un establecimiento o dividirse este
en zonas.

La necesidad de dividir un sistema en zonas,
origina mayor capacidad de carga de enfriamiento que un sistema total;
pero permite manejar la carga para cada zona en su hora
pico.

En el cálculo de carga de enfriamiento, es
determinante el uso de valores
adecuados para aplicarlos en un procedimiento
determinado. La variación en los coeficientes de
transmisión de calor de los materiales y
montajes compuestos en edificio típicos, la forma de
construcción, orientación del
edificio y la manera en cual el edificio opera son algunas de las
variables que imposibilitan un cálculo
numéricamente preciso.

Mientras que los procedimientos
sean usados en forma razonable por el diseñador para
incluir estos factores, él cálculo es aceptado como
correcto, pero todavía es solamente una estimación
buena de la real carga de enfriamiento.

TASA DE FLUJO DE CALOR:

En diseño de aire acondicionado existen cuatro
(4) tasas relativas de flujo de calor, cada una de las cuales
varía en el tiempo y debe ser
diferenciada:

1. Aumento de calor del espacio
2. Carga de enfriamiento del espacio
3. Tasa de extracción de calor del
   espacio
4. Carga del serpentin.

La ganancia de Calor Espacial (tasa instantánea
de aumento de calor) es la tasa a la cual el calor entra y/o es
generado internamente en un espacio en un momento determinado. La
ganancia de calor es clasificada por (1) El modo en el cual entra
en el espacio y (2) Si es una ganancia sensible o
latente.

Los modos de ganancia de calor pueden ser como (1)
radiación solar a través de fuentes
transparentes, (2) conducción de calor a través de
paredes exteriores y techos, (3) conducción de calor a
través de divisiones internas, techos y pisos, (4) calor
generado en el espacio por los ocupantes, luces y aplicaciones,
(5) energía transferida como resultado de
ventilación e infiltración de aire del exterior o
(6) aumentos de calor misceláneos. La ganancia de calor es
directamente agregada a espacios acondicionados por
conducción, convención, radiación
eventualmente el factor acumulación.

CONSIDERACIONES INICIALES DE
DISEÑO

Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio, se
requiere información de diseño detallada de la
edificación e información climática a las
condiciones de diseño seleccionados. Generalmente, los
siguientes pasos deben ser seguidos:

Características de la
Edificación.

Obtenga las características de la
Edificación.

Materiales de construcción, tamaño de los
componentes, colores externos
de fuentes y formas son normalmente determinados a partir de los
planos de la edificación y especificaciones.

Configuración:

Determine la ubicación, orientación y
sombra externa de la edificación a partir de los planos y
especificaciones. La sombra de edificaciones adyacentes pueden
ser determinadas por un plano del sitio o visitando el sitio
propuesto. Su permanencia probable debe ser cuidadosamente
evaluada de ser incluida en los cálculos.

Condiciones Exteriores de
Diseño:

Obtenga información climática apropiada y
seleccione las condiciones de diseño exterior. La
condición climática puede ser obtenida de la
estación metereológica local o del centro
climático nacional.

Condiciones de Diseño Interior:

Seleccione las condiciones de diseño interior
tales como temperatura de bulbo seco interior, temperatura
interior de bulbo húmedo y tasa de ventilación.
Incluya variaciones permisibles y límites de
control.

Rutina de Operación:

Obtenga una rutina de iluminación, ocupantes, equipo interno,
aplicaciones y procesos que
contribuyan a incrementar la carga térmica interna.
Determine la probabilidad de
que el equipo de refrigeración sea operado continuamente o
apagado durante períodos de no ocupación (ej.
Noches y/o fines de semana).

Fecha y Tiempo:

Seleccione el tiempo del día y el mes para
realizar los cálculos de la carga de enfriamiento.
Frecuentemente varias horas del día y varios meses son
requeridos.

Consideraciones Adicionales:

El diseño apropiado y el tamaño de los
sistemas de aire acondicionado central requieren más que
el cálculo de la carga de enfriamiento en el espacio a ser
condicionado.

El tipo de sistema de acondicionamiento de aire,
energía de ventilación, ubicación del
ventilador, pérdida de calor de los ductos y ganancia,
filtración de los ductos, sistemas de iluminación
por extracción de calor y tipo de sistema de retorno de
aire, todos afectan la carga del sistema y el tamaño de
los componentes.

MÉTODOS DE CALCULO:

La ashrae reconoce la vigencia de cuatro métodos
de cálculo de cargas térmicas para seleccionar la
capacidad de los equipos de aire acondicionado. Los cuales se
nombran a continuación:

Uno de los procedimientos
mayor utilizados es el método de Función de
Transferencia (tmf). Una versión simplificada de este
método con aplicaciones para diferentes tipos de
construcción fue publicado en el manual de
fundamentos ashrae de 1977.

• Este método tiene como fundamento el estimar
  las cargas de enfriamiento hora por hora, predecir las
  condiciones del espacio para varios sistemas, establecer
  programas de
  control y
  programas de
  operación.

• El método de función
  de transferencia (tfm) es aplicado para el cálculo de
  flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y
  techos soleados. Los resultados debido a las variaciones de
  construcción se consideran insignificantes, se si toman
  en cuenta la carga de los componentes normalmente dominantes.
  La ASHRAE (1988) generó factores de decremento efectivos
  de calor y períodos de retraso de tiempo para 41
  diferentes tipos de pared y 42 tipos de techo, que son
  presentados para utilizarse como coeficientes de función
  de transferencia.

El método de "Cálculo de Cargas por
Temperatura Diferencial y Factores de Carga de Enfriamiento"
(cltd/clf). Es el método que debe ser aplicado al
considerarse como la primera alternativa de procedimiento de
cálculo manual.

• El método de Temperatura Diferencial para
  Carga de Enfriamiento es simplificado, por utilizar un factor
  "U" para calcular la carga de enfriamiento para techos y
  paredes, presentando resultados equivalentes. Así, la
  ecuación básica para carga de enfriamiento en
  superficies exteriores es: q = U * A (cltd).

• El método de cálculo de carga por
  temperatura diferencial se basa en la suposición de que
  el flujo de calor a través de un techo o pared puede ser
  obtenido por multiplicar la temperatura diferencial (exterior –
  interior) por los valores
  tabulados "U" de techos y paredes, respectivamente.

Otro procedimiento usado para el cálculo de
cargas térmicas es el de "Valores de
Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio"
(tetd/ta). La primera presentación de este
método se hizo en el manual de fundamentos ashrae de 1967,
este procedimiento es recomendado para usuarios
experimentados.

• Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio
  usando la convención del tetd/ta, aplican los mismos
  procedimientos generales empleados para el tfm.

El cuarto método publicado es un capitulo
especial de cltd/clf, utilizado para cálculo de cargas en
residencias.

El aplicar el procedimiento TETD/TA en forma manual,
especialmente el cálculo de promedio de tiempo, resulta
tedioso en la práctica. Este hecho más el interés
creciente en el TFM condujo a la ASHRAE a desarrollar el proyecto de
investigación RP-158, con el objetivo
original de comparar las diferencias y similitudes entre estos
métodos (TEDT y TFM), para establecer un procedimiento
común para ambos. Se obtuvieron técnicas
automatizadas, que al utilizar el TETD/TA provee resultados
aproximados a la precisión del TFM con menor esfuerzo en
cuanto a cómputos se refiere.

La técnica del CLTD evoluciona como una
operación manual que involucra menos cálculos
matemáticos y reemplaza el procedimiento de TETD/TA, para
cálculos manuales; pero
requiere el uso de tablas de factores precalculados. Proyectos de
investigación subsiguientes (ASHRAE 1984, 1988)
aclaran el alcance de aplicación efectiva de los factores
utilizados para el método de CLTD.

Actualmente está en desarrollo la
"Aprobación experimental del Cálculo de Cargas
térmicas por Balance de Calor / RTS
(1117-TRP)"

Motivo para el desarrollo de este trabajo
experimental

Motivado a que el Manual actual de Normas de la
ASHRAE, en el Capítulo 28 incluye la discusión de
cuatro metodologías de cálculo de cargas
térmicas (Equilibrio de
Calor, TFM, CLTD/CLF y TETD/TA) está confundiendo a los
usuarios del Manual, la ASHRAE ha sometido una Propuesta de la
Investigación para desarrollar un método
alternativo de cálculo de ganancias de calor bajo el
Título "Aprobación experimental del
Cálculo de Cargas térmicas por Balance de Calor /
RTS (1117-TRP)".

El Equilibrio de
Calor (HB) es el método científicamente más
riguroso. En la descripción de este método en el
Manual de Fundamentos ASHRAE del año 2.001 se
extenderán totalmente en el procedimiento. Un nuevo y
único método simplificado, el RTS (Serie de Tiempo
Radiante), derivado del método de equilibrio de calor,
también será incluido en el Manual. Todos los otros
métodos simplificados (TFM, CLTD/CLF, y TETD/TA)
quedarán anulados en este manual.

El proyecto de
investigación ASHRAE 875 (RP-875) ha documentado el
método de HB y ha desarrollado el Método de RTS.
Los resultados han estado impresos en una nueva
publicación de ASHRAE titulado, "PRINCIPIOS de
CALCULO de CARGA." Se usarán datos de este
proyecto para
hacer revisiones posteriores al Manual de Fundamentos de
año 2.001.

Este cambio en
metodologías será la culminación de 20
años de investigación y debate de la
ASHRAE. Casi todos estas investigaciones
son basadas en simulaciones de computadoras.

El proyecto "Aprobación experimental del
Cálculo de Cargas térmicas por Balance de Calor /
RTS (1117-TRP)" proporcionará la aprobación del
método, debido a que ninguna aprobación
experimental de gran potencia hasta
ahora a tenido la completación del
método.

Justificación.

Aunque los principios de
ganancias de calor incluyeron en el método de equilibrio
de calor bien conocido, ningún edificio se ha construido
basado en cálculos que usan ese método. Para lograr
aceptación extendida del nuevo, las metodologías
entre practicar una serie de experimentos
deben completarse medidas de carga térmicas. La
aprobación experimental requiere que proporcione evidencia
de confianza en edificios, bien al diseñador que usa este
procedimiento del cálculo de carga para la primera vez.
Los análisis de sensibilidad dirigieron como la
parte de este proyecto ayudará a todos los
diseñadores a entender el impacto de las decisiones
hicieron rutinariamente como parte de la carga que estima un
proceso.

Objetivo

El objetivo de
este proyecto es proporcionar aprobación experimental del
equilibrio de calor y la serie de tiempo radiante a la metodología de cálculo de cargas
térmicas y para mantener la inclusión de datos en el
Manual de Fundamentos.

Cronograma

Este esfuerzo es crítico al proceso de la
revisión para Capítulo 28 del Manual de
Fundamentos. La aprobación debe estar completa a su debido
tiempo para la inclusión de resultados preliminares y
dirección en ese capítulo. Basado en
esta necesidad, el cronograma estimado por la ASHRAE es el
siguiente:

Enero, 2000, Resultados del informe de
Literatura e
Investigación. Finalización de cualquier
modificación necesaria para aprobar el plan
construcción del modelo.

Mayo, 2000,

Completar la construcción del edificio de prueba
e inicio de pruebas.

Junio, 2000,

Revisar progreso de las pruebas y
análisis de resultados en Reunión
del contratista con representantes de la ASHRAE.

Septiembre, 2000,

Culminar las Prueba.

Octubre, 2000,

Informe de resultados del proyecto y comparación
con cálculos de "equilibrio de calor y RTS". De esto
depende la entrada al Capítulo 28 del proyecto.

Enero, 2001,

Presentación y aprobación del documento
técnico y metodológico, y revisión con
representantes de la ASHRAE.

Enero, 2001,

Revisiones finales al Manual capítulo 28
aprobado. La aprobación experimental y el análisis
de sensibilidad se estima pueda tomar aproximadamente 24 persona/mes de
esfuerzo.

MÉTODO SELECCIONADO:

En este trabajo se desarrollara un procedimiento para el
cálculo de las ganancias de calor en locales comerciales
que pueden utilizar equipos y sistemas de aire acondicionados
unitarios. El procedimiento no es utilizable para el caso de
grandes edificios en los que se recomiendan sistemas centrales.
La información se basa en el manual N publicado por la
ACCA, que es un procedimiento reconocido como válido por
la ASHRAE, siendo equivalente al método de "Cálculo
de Cargas por Temperatura Diferencial y Factores de Carga de
Enfriamiento" (cltd/clf).

El objetivo de este trabajo es establecer los siguientes
puntos:

1. El significado de los términos utilizados en
el cálculo de cargas térmicas para Aire
Acondicionado.

2. Las condiciones de diseño interiores y
exteriores.

3. Los requisitos de una ventilación
adecuada.

4. Los procedimientos y factores a utilizar en el
cálculo de las cargas de enfriamiento.

El procedimiento debe ser interpretado como un
conjunto de prácticas recomendadas.

DESARROLLO DEL MÉTODO:

Carga de diseño

Carga impuesta en el equipo mientras este mantiene las
condiciones interiores de diseño y cuando las condiciones
exteriores de temperatura y humedad están dentro de lo
especificado.

Condiciones interiores de
diseño

Son la temperatura interior de bulbo seco y la humedad
relativa interior, especificadas para el cálculo de una
carga de diseño.

CONDICIONES DE EVALUACIÓN:

1)Condiciones exteriores de
diseño

Son la temperatura exterior de bulbo seco y la humedad
relativa exterior del ambiente donde
se requiere calcular la carga de diseño.

Los sistemas de calefacción, ventilación y
aire acondicionado (HVAC), deben contrarrestar las fuerzas del
tiempo cuando la temperatura al aire libre (temperatura del
ambiente
exterior) o humedad se mueve en un rango aceptable en favor de la
seguridad y
comodidad (confort). Por consiguiente, un entendimiento claro del
comportamiento
del tiempo es útil para diseñadores y operadores de
estos sistemas. Limitaciones en esa comprensión son a
menudo la raíz de problemas, que
envuelve calidad del aire
interior pobre y deterioro prematuro de la edificación y
del equipo.

Ingenieros, técnicos de servicio y
operadores de la construcción constantemente analizan y
localizan fallas en problemas
normales de sistemas HVAC (siglas en ingles). A menudo, conocer
las condiciones del tiempo presentes y recientes pueden ayudar a
explicar la causa de un problema, y lleva a una rápida
solución. Recientemente, el World Wide Web (mundo
virtual en internet) ha llegado a ser
una fuente para observaciones actuales.

Uno de los desafíos más grandes para un
diseñador consiste en la total comprensión del
clima en una
localidad desconocida, el
conocimiento acerca del comportamiento
del clima local
está menos disponible para el diseñador en
localidades remotas, a veces con consecuencias costosas. Un
procedimiento standard para seleccionar equipo de
refrigeración para un restaurante en Chicago no
aplicaría para el mismo restaurante establecido en
Puerto Rico,
con carga latente diez veces más grande.

Como información general, este dato puede tomarse
de observatorios climatológicos locales que contengan esta
información como base de datos a
lo largo de los años, sin embargo, una de las
publicaciones internacionales con mayor información al
respecto es el manual de fundamentos de la ASHRAE que en la
edición de 1.997 en capitulo 26, incluye parte esencial de
los resultados del proyecto de investigación 890-RP de la
ASHRAE, que definió nuevas condiciones pico de
diseño para equipos viscoso. La revisión y
extensión de la información representa un progreso
significativo sobre la información antigua contenida en el
manual de 1.993, algunas de las cuales se obtuvo por medio de
interpolación de gráficas de un lapso de tiempo tan
pequeño como cinco años de datos.

El manual de 1.997 refleja la intención de la
sociedad de
hacer una organización más internacional. La
cobertura fuera de los Estados Unidos y
Canadá han extendido desde 243 localidades a 801,
desdichadamente, algunas localidades previamente listadas
quedaron fuera en el manual nuevo, motivado a que datos recientes
disponibles a la ASHRAE para esas localidades no coincidieron con
las normas nuevas uniformes para integridad, a lo largo de sus
períodos de registro.

En los datos contenidos en el manual 1993 y en ediciones
más antiguas se estimó en momentos diferentes
usando metodología diferente. Por ejemplo se
basó la información en el extremo para la
estación del verano la cual consta de junio, julio y
agosto. Para asegurar uniformidad para cálculos mundiales,
en el de 1.997 los datos se basan en extremos anuales en lugar de
estacional o picos de un solo mes.

Por ejemplo manuales
anteriores mostraron que la temperatura de bulbo seco excede en
1% de las horas durante los períodos del verano. Ahora,
las del manual de 1.997, muestra que la
temperatura se excede en 0.4% de las observaciones para el
año completo. Igualmente, el viejo 99% de bulbo seco de la
estación invernal para calentamiento se ha substituido por
el nuevo 99.6% valor del
anuario. Los porcentajes de 0.4, 1 y 2.5% para enfriamiento y
99.6% y 99% para calefacción se eligieron porque producen
valores que, para la mayoría de las estaciones,
correspondió estrechamente al extremo estacional
más antiguo. Así los valores
del anuario nuevos son cercanos, pero raramente el mismo como el
extremo estacional antiguo. El usuario puede esperar que resulten
más variaciones de los métodos de cálculo
diferentes en lugar de cualquier cambio del clima
significativo.

Esta metodología nueva es especialmente
útil a la luz de los
compromisos de la ASHRAE para con sus miembros internacionales en
climas tropicales en densas poblaciones. Las estaciones verano e
invierno cerca del ecuador suceden
durante meses diferentes comparado a estaciones en localidades
continentales como Canadá y Argentina. Por
eso, anuarios en lugar de cálculos estacionales son
más adecuados por una uniforme metodología
mundial.

Datos del tiempo característico de cada hora para
localidades fuera de los Estados Unidos,
Canadá y Europa no
están fácilmente disponibles al dominio
público. Como un sustituto para datos
característicos, las Observaciones Internacional
Superficiales del Tiempo (INSWO) contiene registros
actuales de cada hora para 1,500 sitios, que están
disponible a través del Centro Nacional de Datos
climáticos de U.S. además, algunos programas
(software)
comercialmente disponibles para el análisis de la
energía para construcción incluyen 8,760 horas de
registros
actuales para localidades Latinoamericanas y asiáticas
incluidos en el programa, pero
estos datos patentados no están disponibles como archivos
separados. Una investigación en desarrollo por la ASHRAE
contendrá registros típicos de cada hora para 200
localidades no norteamericano y se publicarán dentro de
dos años.

Extremos de Humedad Correctos.

Algo sorprendente (quizá a causa del
énfasis en controlar temperatura en lugar de humedad), los
manuales de la ASHRAE anteriores a 1.997 no incluyeron
descripción de datos extremos de humedad. El de 1.993 y
los manuales anteriores mostraron sólo el promedio de la
humedad durante períodos de temperatura extrema. Esos
valores no representan la humedad extrema, que ocurre a
temperaturas moderadas durante temporales o durante la
mañana cuando el rocío se evapora.

La mala impresión o información sobre la
humedad produjo que en la temperatura superior a menudo era
bastante significante el margen de error. Se puede ver un ejemplo
en la inscripción por Huntsville, Ala.. La temperatura
pico de bulbo seco es 94°F (34.4°C) con un promedio de
temperatura de bulbo húmedo (MWB) de 75°F
(23.9°C). Esos valores pico de bulbo seco producen la
impresión que la relación de la humedad extrema es
14.3 gr./Kg. De hecho, la humedad del pico real es muy superior a
19.3 g/ kg., por tener un 0.4% en las columnas del punto del
rocío. Estas columnas también muestran que la
humedad pico ocurre a un promedio de temperatura de bulbo seco
(MDB) de 83°F (28.3°C) en lugar de a 95°F (35°C).
Esto representa una reducción significante en la
relación del calor sensible para un espiral refrescante
del aire externo, y probablemente sugiere una selección
del equipo diferente para tales aplicaciones.

Contar con datos correctos de la humedad pico debe
significar mejorías en los equipos y sistemas para la
deshumidificación.

2) MOMENTO DEL DÍA CON CARGA PICO DE
ENFRIAMIENTO

Este momento no es detectable fácilmente, ya que
los componentes principales de la carga de enfriamiento no se dan
al mismo tiempo. La carga máxima de temperatura exterior
se toma como las 3:00 p.m., la máxima ganancia solar a
través de vidrios llega a cualquier hora desde la 7:00
a.m. hasta las 5:00 p.m., dependiendo de la orientación
geográfica. Las ganancias de calor internas pueden llagar
a su pico en cualquier momento. Se hace necesario entonces
efectuar un cálculo de las ganancias de calor en varios
puntos a lo largo del día para poder
determinar el pico máximo de la carga de
enfriamiento.

Debido a la variedad de factores que influyen en el
cálculo de la carga pico, es recomendable que en los casos
en que haya alguna duda; se calcule la carga para varias
horas.

Un aspecto importante del cálculo de cargas de
enfriamiento a horas diferentes de las 3:00 p.m. y que algunas
veces es obviado, es la corrección que debe hacerse a la
temperatura exterior de diseño de bulbo seco para cada
momento del día en particular. Obviamente si la
máxima temperatura exterior de bulbo seco se presenta
todos los días a las 3:00 p.m., en cualquier otro momento
debe ser menor. Por consiguiente, la temperatura interior y la
exterior de bulbo seco a otras horas distintas de las 3:00 p.m.
será menor que en las condiciones de diseño que se
presentan a las 3:00 p.m.

Las correcciones no solamente afectan la diferencia de
temperatura de exterior a interior, sino también las
diferencias totales equivalentes en las temperaturas de paredes y
techos.

3) GANANCIA DE CALOR POR RADIACIÓN SOLAR A
TRAVÉS DE VIDRIOS

Fenestraje o ventanaje se refiere a cualquier abertura
vidriada en la envoltura de la edificación. Los
componentes del fenestraje incluyen: (1) Material vidriado ya sea
vidrio o plástico.
(2) Marcos, divisiones, etc. (3) Dispositivos externos de
sombreado. (4) Dispositivos internos de sombreado. (5) Sistemas
integrales de
sombreado (entrevidrios).

El diseñador debe considerar los siguientes
factores a la hora de seleccionar ventanas: (1)
arquitectónicas: identificando las opciones de
diseño y su capacidad de lograr conservación de
energía, incluyendo el posible uso de iluminación
eléctrica y luz del
día con controles para reducir la luz eléctrica
automáticamente cuando la luz del día esté
disponible; (2) Térmico: Diseñando para
pérdidas de calor y/o ganancia para el confort de los
ocupantes y conservación de la energía. (3)
Económico: evaluando los costos y los
costos de ciclos
de vida de los diseños de ventanas alternativas. (4) La
necesidad humana determinando el deseo psicológico o la
necesidad física
para ventanas y los estándar de iluminación
apropiada para el proyecto de uso del espacio, para el confort de
los ocupantes y aceptación.

Sombreado de ventanas con aleros

Cuando una ventana está sombreada con un alero,
la porción del vidrio que no
recibe el sol
está sujeta a la mínima ganancia de calor solar que
recibe una ventana según la tabla de "Ganancias de calor
por radiación solar a través de vidrios", del
manual N publicado por la ACCA.

4) GANANCIA DE CALOR A TRAVÉS DE COMPONENTES
ESTRUCTURALES

La conducción es el modo de transferencia de
calor por el cual se verifica un intercambio de energía
desde una región de alta temperatura hacia otra de baja
temperatura, debido al impacto cinético o directo de
moléculas.

La ley de fourier de la conducción de
calor establece que la rapidez de flujo por conducción
en un sentido dado es proporcional al gradiente de temperatura en
ese sentido y al área normal a la dirección del
flujo de calor.

Es decir, el flujo de calor en la dirección x,
qx, está dado por la
ecuación:

qx= k.A (¶
T/¶ x)

Donde A es el área normal al flujo de calor,
¶ T/¶ x es el gradiente de temperatura y k es la
conductividad térmica del material.

El calor fluye por conducción térmica,y su
valor es
expresado por la ecuación: Q = U * A * DT; esta es la
misma ecuación definida en la ley de fourier de
la conducción de calor para calcular la rapidez de flujo
por conducción.

Donde:

Q= velocidad a
la que el calor pasa a través de un componente en
Btu/hr.

U= factor general de transmisión de calor para
el componente estructural en Btu/hr por pie2 por
grado F de diferencia de temperatura entre la superficie
exterior y la superficie interior del componente.
(Btu/hr.pie2 .°f).

A= área del componente estructural que queda
expuesto a la temperatura interior y la temperara exterior en
pie2.

DT= diferencia de temperatura entre el interior y el
exterior en grado Fahrenheit.

Para el cálculo son utilizadas las tablas que
contienen los Factores de transmisión de calor (valores
U) para vidrios, paredes, techos y pisos comúnmente
utilizados en construcción, del manual N publicado por la
ACCA.

Diferencias equivalentes de
temperaturas

Es muy importante tener en cuenta la diferencia de
temperatura equivalentes, que se aplican a paredes y techos;
efectos de la radiación solar, efecto de retardo o efecto
de almacenamiento y
diferencias en la temperatura del aire.

Esta diferencia de temperatura se produce realmente por
la acción simultánea de la Conducción,
radiación y convección, se muestran en las tablas
"Diferencias de temperaturas equivalentes para paredes
sombreadas y soleadas" y "Diferencias de temperaturas
equivalentes para ganancias de calor a través de techos
planos". Estos factores dan las diferencias de temperaturas
equivalentes para varios tipos de construcciones en distintos
momentos del día para techos y paredes respectivamente,
estan incluidas en el del manual N publicado por la
ACCA.

.

5) CONCENTRACIÓN DE PERSONAS COMO BASE DE
DISEÑO

Las personas que ocupan el espacio que debe ser
acondicionado contribuyen con cantidades importantes de calor
sensible y calor latente, que aumenta la carga total de
enfriamiento de dicho espacio.

El cálculo debe basarse en el número
promedio de personas dentro del espacio durante el periodo de la
máxima carga de enfriamiento de diseño. La cantidad
de calor debida a las personas, que va a aumentar la carga total
de enfriamiento, debe estar de acuerdo a la actividad
desarrollada por estás personas como indica la Tabla
"Ganancias de calor por persona". La tabla publicada en el
manual N de la ACCA titulada "Concentración de personas
estimados" muestra valores
estimados en pies cuadrados por personas para ser usados cuando
no se disponga de datos mas exactos.

6) GANANCIAS DE CALOR ORIGINADAS POR EQUIPOS
INSTALADOS EN EL INTERIOR DE UN ESPACIO A
ACONDICIONAR

Entre las fuentes de calor dentro del espacio que
será condicionado están las luces, las maquinas de
oficina,
equipos de computación, los electrodomésticos y
los motores
eléctricos. La tablas anexas que muestran la ganancia de
calor generada por algunos de estos aparatos son, "Ganancias
de calor por motores
eléctricos" y "Ganancias de calor por
electrodomésticos" y "Ganancias de calor generado
por equipos de oficinas", del manual N publicado por la
ACCA.

Cuando los equipos que producen calor están
cubiertos por una campana de extracción, debe calcularse
la carga adicional debida al aire fresco que se debe introducir
para compensar el aire extraído por la campana. Esto se
calcula en la secuencia de Ganancias de calor por
infiltración y ventilación.

Con respecto al alumbrado, el mismo constituye una
fuente de calor sensible. Este calor se emite por
radiación, convección y conducción. Un
porcentaje del calor emitido por radiación es absorbido
por los materiales que
rodean el local, pudiendo también producirse
estratificación del calor emitido por convección.
Las ganancias de calor reales se determinan aplicando los valores
mostrados en la tabla "Ganancias debidas al
alumbrado".

Las lamparas incandescentes transforman en luz un 10% de
la energía absorbida, mientras el resto la transforman en
calor que se disipa por radiación, convección y
conducción. Un 80% de la potencia
absorbida se disipa por radiación, y solo el 10% restante
por conducción y conducción.

Los tubos fluorescentes transforman un 25% de la
energía absorbida en luz, mientras que otro 25% se disipa
por radiación hacia las paredes que rodean el local, y el
resto por conducción y convección. Debe tenerse en
cuenta, además, el calor emitido por la reactancia o
resistencia
limitadora, que representa un 25% de la energía absorbida
por la lampara.

Tabla Ganancias debidas al
alumbrado

Generalmente la placa de identificación de los
equipos darán la información necesaria para obtener
el dato aproximado del calor generado por el aparato. En la
placas que se especifique la potencia consumida, esta se puede
tratar del mismo modo que las luces incandescentes, multiplicando
los vatios por 3,4 para obtener Btu/hr. Si lo especificado es la
potencia del motor, puede
usarse la tabla "Ganancias de calor por motores
eléctricos" para obtener Btu/hr. Si solo se
especifican el voltaje y los amperios consumidos a plena carga,
se multiplica el voltaje por el amperaje por un factor de
utilización razonable (se recomienda 0,6 para motores
pequeños y 0,9 para motores grandes) y por 3,4 para
obtener Btu/hr. En todos los casos, aplique un factor de
utilización.

7) GANANCIA DE CALOR POR INFILTRACIÓN Y
VENTILACIÓN

El aire del exterior que fluye a través de una
edificación, ya sea como aire de ventilación, o no
intencionalmente como infiltración (y exfiltración)
es importante por dos razones. El aire del exterior es utilizado
muchas veces para diluir contaminantes en el aire del interior y
la energía asociada con calentamiento o enfriamiento de
este aire exterior es una significativa carga de relación
espacio – acondicionamiento. La magnitud de estos valores de
flujo de aire debe ser conocida a máxima carga para
calcular adecuadamente el tamaño de equipo y en
condiciones promedio, estimar adecuadamente el consumo de
energía promedio y estacionario. Deben conocerse
también los valores de intercambio de aire para asegurar
un adecuado control de los niveles de contaminantes en el
interior. En grandes edificaciones deben ser determinados el
efecto de infiltración y ventilación en distribución, y los patrones de flujo de
aire interzonal, los cuales incluyen patrones de
circulación de humo en caso de incendio.

El intercambio de aire entre el interior y las afueras
está dividido en: ventilación (intencional e
idealmente controlada) e infiltración (no intencional y
descontrolada). La ventilación puede ser natural y
forzada.

La ventilación natural: es un flujo de aire sin
energía a través de ventanas abiertas, puertas y
otras aberturas intencionales de una
edificación.

La ventilación forzada: es intencional, es un
intercambio de aire propulsado por un ventilador y con
ventanillas de toma y descarga o escapes que son especialmente
designadas e instaladas para ventilación.

La infiltración, es flujo de aire no controlado a
través de grietas, intersticios y otras aberturas no
intencionales. Infiltración, exfiltración y flujo
de ventilación natural son causados por diferencias de
presión
debido al viento, diferencia de temperatura interior –
exterior y operaciones de
aplicaciones o dispositivos.

Este trabajo, se enfoca en residencias y pequeñas
edificaciones comerciales en las cuales el intercambio de aire es
debido primeramente a infiltración. Los principios
físicos también son discutidas en relación a
grandes edificaciones en las cuales el intercambio de aire
depende más de ventilación mecánica que en el rendimiento de la
envoltura de la edificación.

TIPOS DE INTERCAMBIO DE AIRE

Los edificios tienen tres diferentes modos de
intercambio de aire: (1) ventilación forzada; (2)
ventilación natural (3) infiltración. Estos modos
difieren significativamente en como ellos afectan la
energía, la calidad del aire y el confort térmico.
También ellos difieren en la habilidad de mantener una
cuota de intercambio deseada. La cuota de intercambio de aire de
una edificación en un momento dado generalmente incluye
los 3 modos y todos ellos deben ser considerados aunque uno de
ellos sea el predominante.

La cuota de intercambio de aire asociada con sistemas de
ventilación forzada depende en la taza de flujo de aire en
los sistemas de ventilación, de la resistencia al
flujo de aire asociada con los sistemas de distribución, de la resistencia del flujo
de aire entre las zonas del edificio y el hermetismo de la
envoltura del edificio. Si alguno de estos factores no
está a nivel de diseño o no esta propiamente
calculado, la taza o cuota de intercambio de aire del edificio
puede resultar diferente de sus valores de
diseño.

La ventilación forzada proporciona el mayor
potencial para el control de la cuota de intercambio de aire y la
distribución de aire dentro de una edificación a
través de un diseño adecuado. Un sistema de
ventilación forzada ideal tiene una cuota suficiente de
ventilación para controlar los niveles de contaminante en
el interior y a la misma vez evita la sobreventilación,
adicionalmente mantiene un buen confort
térmico.

La ventilación forzada es generalmente
obligatoria en grandes edificaciones, donde una mínima
cantidad de aire exterior es requerida para la salud y confort de los
ocupantes y donde los sistemas mecánicos de
expulsión aconsejables son necesarios. La
ventilación forzada generalmente no es utilizada en
residencias o en otro tipo de estructuras
con envolturas. Sin embargo, edificaciones más
herméticas requieren mayores sistemas de
ventilación para asegurar una adecuada cantidad de aire
exterior para mantener una aceptable calidad de aire
interior.

La ventilación natural a través de
aberturas intencionales es causada por presiones del viento y
diferencias de temperaturas interior – exterior.

Flujo de aire a través de ventanas y puertas u
otras aberturas de diseño pueden ser utilizadas para
proveer una ventilación adecuada para diluir contaminantes
y controlar temperaturas. Aperturas no intencionales en la
envoltura de la edificación y la infiltración
asociada puede interferir con los patrones de distribución
de aire de ventilación natural deseada y cargas mayores
que la tasa de diseño de flujo de aire. La
ventilación natural algunas veces incluye
infiltración.

Infiltración es flujo de aire descontrolado a
través de aberturas no intencionales producidas por
vientos, diferencia de temperaturas y presiones inducidas de
aplicación. Infiltración es menos confiable de
proveer ventilación adecuada y distribución, ya que
este depende de condiciones climáticas y la
distribución de aberturas no intencionales.

Es la fuente principal de distribución, en
edificios de envolturas dominante y también es un factor
importante en edificaciones ventiladas
mecánicamente.

VENTILACIÓN Y CARGAS
TÉRMICAS

El aire exterior introducido en una edificación
forma parte de la carga de acondicionamiento del espacio, la cual
es una razón para limitar la cuota de intercambio de aire
en las edificaciones a un mínimo requerido. El intercambio
de aire típicamente representa de un 20% a un 40% de la
carga térmica de la edificación.

El intercambio de aire incrementa la carga
térmica de una edificación de 3 maneras:

La primera, el aire entrante debe ser calentado o
enfriado desde la temperatura del aire exterior a la temperatura
del aire interior. La tasa de consumo de
energía esta dada por

q s = carga de calor sensible bth/hr, Donde

Q = tasa de flujo de aire, cfm.

e = densidad de aire,
lbm/ft3 (aprox. 0.075)

c p = calor específico del aire, Btu/lbºf
(aprox 0.24)

D t = diferencia de
temperatura interior – exterior, º F.

Segundo, el intercambio de aire incrementa el contenido
de humedad, particularmente en verano y en algunas áreas
cuando el aire húmedo del exterior debe ser
deshumidificado. El consumo de energía asociada con estas
cargas está dado por:

Donde:

q1 = carga de calor latente, Btu/h

H fg = calor latente de vapor a la temperatura del aire
apropiado, Btu/lbm (aprox. 1.000)

D W = radio de humedad
de aire interior menos el radio de humedad
del aire exterior, lbm agua/ lbm aire
seco.

Finalmente el intercambio de aire puede incrementar la
carga en una edificación, disminuyendo el rendimiento del
sistema de envoltura o aislamiento. El aire fluyendo alrededor y
a través del aislamiento puede incrementar la tasa de
transferencia sobre las tasas de diseño. El efecto de
dicho flujo de aire en el rendimiento del sistema de aislamiento
es difícil de cuantificar, pero debe ser considerado. El
flujo de aire en el sistema de aislamiento puede disminuir
también el rendimiento del sistema debido a la humedad
condensada dentro y sobre el aislamiento.

VENTILACIÓN Y CALIDAD DE AIRE

Los requerimientos del aire exterior han sido discutidos
por más de un siglo, y diferentes estudiosos han producido
estándares de ventilación radicalmente diferentes
(Klauss et al 1970, Yaglou 1936, 1937). Las consideraciones han
incluido la cantidad de aire requerida para remover aire exhalado
y para controlar la humedad interior, dióxido de carbono (CO2)
y olor.

El mantenimiento
de los niveles de dióxido de carbono (CO2)
es un criterio común para determinar la cuota de
ventilación. Una concentración típica
exterior del CO2 es 0.03 %. El estándar 62 de la ASHRAE
especifica la tasa de ventilación requerida para mantener
una aceptable calidad del aire interior para una variedad de usos
de espacios. La forma contiene un requerimiento básico de
15 cfm de aire exterior por persona basado en
un límite de concentración de CO2 de 0,1
%.

Mientras una persona de salud normal tolera 0.5 % de
CO2 sin síntomas desagradables (Mc. Hattie 1.960) y los
submarinos algunas veces operan con 1% de CO2 en la atmósfera a nivel de
0.1 % provee un factor de seguridad para
actividad continua, carga de ocupación inusual,
ventilación reducida y control de olores.

Alternativamente la norma 62 puede ser completada
manteniendo la concentración de ciertos contaminantes
dentro de los límites prescritos por la norma, por medio
de la combinación de control de fuentes, tratamiento del
aire y ventilación.

En caso de fuentes contaminantes de alto nivel,
impracticamente se requieren altos niveles de ventilación
para controlar los niveles de contaminación, ya que otros métodos
de control son más efectivos. Una efectiva forma de
control es la remoción o reducción de fuentes
contaminantes, otra alternativas es especificar materiales de
construcción con bajas cuotas de emisión de
contaminantes.

Selladores pueden ser utilizados en algunas situaciones
para prevenir entrada de gases.
Ventilación del lugar como ventanillas del baño,
rejillas para controlar una fuente determinada es también
efectiva.

Las partículas pueden ser removidas por medio de
filtros de aire. Gases
contaminantes con mayor peso molecular pueden ser controladas con
carbón activo, con pelotillas de alúmina
impregnadas con sustancias como permanganato de potasio. El
capítulo 10 del volumen HVAC de
1.988 tiene información sobre la limpieza del aire. La
norma 62 permite que el aire limpio sea sustituido por aire del
exterior.

La cuota de circulación debe incrementarse pero
debe haber ahorro de
energía al acondicionar aire del exterior. Cada
contaminante y un método apropiado de limpieza debe ser
considerado.

La práctica de ventilación industrial
está bien desarrollada y es discutida en los
capítulos 41 y 43 del volumen HVAC de
1995 y el Manual de Ventilación Industrial ACEIH de
1.986.

MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO

La ventilación natural y la infiltración
son producidas por diferencias de presión causadas por
viento, diferencias de temperatura entre el aire del interior y
el aire del exterior (efecto de chimenea), y la operación
de equipos como dispositivas de combustión y sistemas de ventilación
mecánica.

Las diferencias de presión en una zona depresión
de la magnitud de estos mecanismos de funcionamiento, así
también como de las características de las
aberturas en el diseño de la edificación, su
ubicación y la relación entre las diferencias de
presión y el flujo de aire para cada abertura.

Las diferencias de presión a lo largo de la
estructura de
la edificación están basadas en los requerimientos
de que el flujo de la masa de aire que entra en la
edificación son iguales a las masas que fluyen hacia
fuera. En general la diferencia de densidad entre
las interiores y las exteriores pueden ser descartadas, tal que
la tasa de flujo de aire volumétrico que entra al edificio
se iguala a la tasa de aire volumétrico que sale.
Asumiendo que las diferencias de presión de la envoltura
pueda ser determinada siempre, tal determinación requiere
una gran cantidad de información detallada que
sencillamente es imposible de obtener.

Cuando el viento choca contra una edificación
produce una distribución de presiones estáticas
sobre la superficie exterior de la edificación, la cual
depende de la dirección del viento y de la
ubicación en el exterior de la
edificación.

Cuando existe una diferencia de temperatura interior
– exterior, se impone un gradiente en la diferencia de
presión. Esta diferencia de presión D pi es una función de la altura y la
diferencia de temperatura.

Autor:

Gustavo José Tudare Prado

Edad: 34 años

Ingeniero Mecánico.

Ocupación: Coordinador de obras de
construcción para infraestructura de la industria
Petrolera

Venezolana (empresa
Petróleos de Venezuela
S.A., PDVSA).

Profesor de las cátedras de Aire Acondicionado
y Computación en el programa de
Ingeniería Mecánica

de la Universidad
del Zulia.

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