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Cálculo de Cargas Térmicas

Enviado por tudaregj



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.

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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

TIPO

GANANCIA DE CALOR SENSIBLE EN BTU/HR

Fluorescente

Potencia útil en vatios x 4,1

Incandescente

Potencia útil en vatios x 3,4

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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