CALCULO DE CARGAS TERMICAS

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CLCULO DE CARGAS TRMICAS En este trabajo presenta algunas condiciones a evaluar en diseos de sistemas de Aire Acondicionado. Se presenta algunos mtodos de clculo publicados para este fin a nivel internacional por la ASHRAE. GLOSARIO ASHRAE Sociedad Americana de Ingeniera para Aire Acondicionamiento, Calefaccin y Refrigeracin, ASHRAE, es una organizacin internacional con ms de 50,000 personas en captulos por todas partes del mundo. Se organiza la Sociedad con el propsito de buscar avances en las ciencias y artes de la calefaccin, ventilacin, aire acondicionado y refrigeracin, para el beneficio del pblico a travs de la investigacin, escritura de las normas, educacin continua y publicaciones.

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 evaporndolo se necesita muchsimo calor, Este calor se llama calor latente de evaporacin. ENTALPIA En un cambio de estado donde se intercambia una cantidad de calor, que para calcularse muchas veces se presenta como calor total...

Clculo de cargas trmicas DEFINICIN DE CARGA TRMICA:

Tambin nombrada como carga de enfriamiento, es la cantidad de energa que se requiere utilizar dentro de un rea para mantener determinadas condiciones de temperatura y humedad para una aplicacin especfica (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. INTRODUCCIN, INFORMACION GENERAL: Para realizar el estimado de la carga de enfriamiento requerida con la mayor exactitud posible en espacios cerrados, se evalan las siguientes condiciones:

Condiciones atmosfricos del lugar.

La caracterstica de la edificacin, dimensiones fsicas.

La orientacin del edificio, la direccin de las paredes del espacio a acondicionar.

El momento del da en que la carga llega a su pico.

Espesor y caractersticas de los aislamientos y o paredes.

La cantidad de sombra en los vidrios.

Mxima concentracin de personar en el local.

Las fuentes de calor internas.

La cantidad de ventilacin requerida.

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Existen diferentes mtodos o procedimientos para calcular la carga de enfriamiento en un rea determinada. CONSIDERACIONES Las variables que afectan el clculo de cargas trmicas son numerosas, frecuentemente difciles para definir en forma precisa, y no siempre estn en cada momento mutuamente relacionadas. Muchas variables de cargas de enfriamiento cambian extensamente en magnitud durante un perodo de 24 horas. Los cambios de estas variables pueden producirse en momentos diferentes unos de otros, por ello deben analizarse detalladamente cada rea para establecer la carga de enfriamiento necesaria. 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 clculo de carga de enfriamiento, es determinante el uso de valores adecuados para aplicarlos en un procedimiento determinado. La variacin en los coeficientes de transmisin de calor de los materiales y montajes compuestos en edificio tpicos, la forma de construccin, orientacin del edificio y la manera en cual el edificio opera son algunas de las variables que imposibilitan un clculo numricamente preciso. Mientras que los procedimientos sean usados en forma razonable por el diseador para incluir estos factores, l clculo es aceptado como correcto, pero todava es solamente una estimacin buena de la real carga de enfriamiento. Los modos de ganancia de calor pueden ser como:

1. Radiacin solar a travs de fuentes transparentes, 2. Conduccin de calor a travs de paredes exteriores y techos, 3. Conduccin de calor a travs de divisiones internas, techos y pisos, 4. Calor generado en el espacio por los ocupantes, luces y aplicaciones, 5. Energa transferida como resultado de ventilacin e infiltracin de aire del exterior o 6. Aumentos de calor miscelneos.

La ganancia de calor es directamente agregada a espacios acondicionados por conduccin, convencin, radiacin eventualmente el factor acumulacin. CONSIDERACIONES INICIALES DE DISEO Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio, se requiere informacin de diseo detallada de la edificacin e informacin climtica a las condiciones de diseo seleccionados. Generalmente, los siguientes pasos deben ser seguidos: Caractersticas de la Edificacin. Materiales de construccin, tamao de los componentes, colores externos de fuentes y formas son normalmente determinados a partir de los planos de la edificacin y especificaciones. Configuracin:

Determine la ubicacin, orientacin y sombra externa de la edificacin 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 clculos.

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Condiciones Exteriores de Diseo:

Obtenga informacin climtica apropiada (condiciones ms crticas) y seleccione las condiciones de diseo exterior. Condiciones de Diseo Interior:

Seleccione las condiciones de diseo interior tales como temperatura de bulbo seco interior, temperatura interior de bulbo hmedo, (HR) y tasa de ventilacin. Incluya variaciones permisibles y lmites de control. Rutina de Operacin: Obtenga una rutina de iluminacin, ocupantes, equipo interno, aplicaciones y procesos que contribuyan a incrementar la carga trmica interna. Determine la probabilidad de que el equipo de refrigeracin sea operado continuamente o apagado durante perodos de no ocupacin (ej. Noches y/o fines de semana). Fecha y Tiempo: Seleccione el tiempo del da y el mes para realizar los clculos de la carga de enfriamiento. Frecuentemente varias horas del da y varios meses son requeridos. Consideraciones Adicionales: El diseo apropiado y el tamao de los sistemas de aire acondicionado requieren ms que el clculo de la carga de enfriamiento en el espacio a ser condicionado. El tipo de sistema de acondicionamiento de aire, energa de ventilacin, ubicacin del ventilador, prdida de enfriamiento de los ductos si son ecternos y ganancia, filtracin de los ductos, sistemas de iluminacin por extraccin de calor y tipo de sistema de retorno de aire, todos afectan la carga del sistema y el tamao de los componentes. MTODOS DE CLCULO: La ASHRAE reconoce la vigencia varios mtodos de clculo de cargas trmicas para seleccionar la capacidad de los equipos de aire acondicionado. Los cuales se nombran a continuacin: Mtodo de Funcin de Transferencia-TFM.

Este mtodo 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 operacin.

El mtodo de funcin de transferencia (TFM) es aplicado para el clculo de flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y techos soleados. ASHRAE gener factores de decrecimiento efectivos de calor y perodos de retraso de tiempo para 41 diferentes tipos de pared y 42 tipos de techo, que son presentados para utilizarse como coeficientes de funcin de transferencia. Clculo de Carga por Temperatura Diferencial y Factores de Carga de Enfriamiento (CLTD/CLF). Es el mtodo que debe ser aplicado al considerarse como la primera alternativa de procedimiento de clculo manual.

El mtodo 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. As, la ecuacin bsica para carga de enfriamiento en superficies exteriores es: q = U * A (CLTD).

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El mtodo de clculo de carga por temperatura diferencial se basa en la suposicin de que el flujo de calor a travs de un techo o pared puede ser obtenido multiplicando la temperatura diferencial (exterior-interior) por los valores tabulados U de techos y paredes, respectivamente. Valores de Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio (TETD/TA).

Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio usando la convencin del TETD/TA, aplican los mismos procedimientos generales empleados para el TFM. En este trabajo se desarrollara un procedimiento para el clculo de las ganancias de calor en locales cerrados que pueden utilizar equipos y sistemas de aire acondicionados unitarios. El objetivo de este trabajo es establecer los siguientes puntos: 1. El significado de los trminos utilizados en el clculo de cargas trmicas para Aire

Acondicionado. 2. Las condiciones interiores y exteriores para el diseo. 3. Los requisitos de una ventilacin adecuada. 4. Los procedimientos y factores a utilizar en el clculo de las cargas de enfriamiento.

Carga de diseo Carga impuesta en el equipo mientras este mantiene las condiciones interiores de diseo y cuando las condiciones exteriores de temperatura y humedad estn dentro de los trminos especificado. Condiciones interiores de diseo Son la temperatura interior de bulbo seco y la humedad relativa interior, especificadas para el clculo de una carga de diseo. CONDICIONES DE EVALUACIN:

1) Condiciones exteriores de diseo Son la temperatura exterior de bulbo seco y la humedad relativa exterior del ambiente donde se requiere calcular la carga de diseo. Los sistemas de calefaccin, ventilacin 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). 2) MOMENTO DEL DA CON CARGA PICO DE ENFRIAMIENTO Este momento no es detectable fcilmente, ya que los componentes principales de la carga de enfriamiento no se dan al mismo tiempo. La carga mxima de temperatura exterior se toma como las 1:00 p.m., la mxima ganancia solar a travs de vidrios llega a cualquier hora desde la 7:00 a.m. hasta las 5:00 p.m., dependiendo de la orientacin geogrfica. Las ganancias de calor internas pueden llagar a su pico en cualquier momento. Se hace necesario entonces efectuar un clculo de las ganancias de calor en varios puntos a lo largo del da para poder determinar el pico mximo de la carga de enfriamiento. Debido a la variedad de factores que influyen en el clculo de la carga pico, es recomendable que en los casos en que haya alguna duda; se calcule la carga para varias horas. Las correcciones no solamente afectan la diferencia de temperatura de exterior a interior, sino tambin las diferencias totales equivalentes en las temperaturas de paredes y techos.

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3) GANANCIA DE CALOR POR RADIACIN SOLAR A TRAVS DE VIDRIOS

El efecto ventanaje se refiere a cualquier abertura vidriada en la envoltura de la edificacin. Los componentes del ventanaje incluyen:

1. Material vidriado ya sea vidrio o plstico. 2. Marcos, divisiones, etc. 3. Dispositivos externos de sombreado. 4. Dispositivos internos de sombreado. 5. Sistemas integrales de sombreado (entre-vidrios).

Sombreado de ventanas con aleros Cuando una ventana est sombreada con un alero, la porcin del vidrio que no recibe el sol est sujeta a la mnima ganancia de calor solar que recibe una ventana segn la tabla de Ganancias de calor por radiacin solar a travs de vidrios, del manual N publicado por la ACCA. 4) GANANCIA DE CALOR A TRAVS DE COMPONENTES ESTRUCTURALES La conduccin es el modo de transferencia de calor por el cual se verifica un intercambio de energa desde una regin de alta temperatura hacia otra de baja temperatura, debido al impacto cintico o directo de molculas. La ley de Fourier de la conduccin de calor establece que la rapidez de flujo por conduccin en un sentido dado es proporcional al gradiente de temperatura en ese sentido y al rea normal a la direccin del flujo de calor. Es decir, el flujo de calor en la direccin x, qx, est dado por la ecuacin:

qx= k.A (T/x)

Donde A es el rea normal al flujo de calor,

T/x es el gradiente de temperatura y

k es la conductividad trmica del material. El calor fluye por conduccin trmica, y su valor es expresado por la ecuacin: Q = U * A * DT; Esta es la misma ecuacin definida en la ley de Fourier de la conduccin de calor para calcular la rapidez de flujo por conduccin. Donde: Q= velocidad a la que el calor pasa a travs de un componente en BTU/hr. U= factor general de transmisin 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= rea 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 clculo son utilizadas las tablas que contienen los Factores de transmisin de calor (valores U) para vidrios, paredes, techos y pisos comnmente utilizados en construccin, del manual N publicado por la ACCA.

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5) CONCENTRACIN DE PERSONAS COMO BASE DE DISEO

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 clculo debe basarse en el nmero promedio de personas dentro del espacio durante el periodo de la mxima carga de enfriamiento de diseo. 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 ests personas como indica la Tabla Ganancias de calor por persona. La tabla publicada en el manual N de la ACCA titulada Concentracin de personas estimados muestra valores estimados en pies cuadrados por personas para ser usados cuando no se disponga de datos ms 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 ser condicionado estn las luces, las maquinas de oficina, equipos de computacin, los electrodomsticos y los motores elctricos. La tablas anexas que muestran la ganancia de calor generada por algunos de estos aparatos son, Ganancias de calor por motores elctricos y Ganancias de calor por electrodomsticos y Ganancias de calor generado por equipos de oficinas, del manual N publicado por la ACCA. Cuando los equipos que producen calor estn cubiertos por una campana de extraccin, debe calcularse la carga adicional debida al aire fresco que se debe introducir para compensar el aire extrado por la campana. Esto se calcula en la secuencia de Ganancias de calor por infiltracin y ventilacin. Con respecto al alumbrado, el mismo constituye una fuente de calor sensible. Este calor se emite por radiacin, conveccin y conduccin. Un porcentaje del calor emitido por radiacin es absorbido por los materiales que rodean el local, pudiendo tambin producirse estratificacin del calor emitido por conveccin. Las ganancias de calor reales se determinan aplicando los valores mostrados en la tabla Ganancias debidas al alumbrado. Las lmparas incandescentes transforman en luz un 10% de la energa absorbida, mientras el resto la transforman en calor que se disipa por radiacin, conveccin y conduccin. Un 80% de la potencia absorbida se disipa por radiacin, y solo el 10% restante por conduccin y conduccin. Los tubos fluorescentes transforman un 25% de la energa absorbida en luz, mientras que otro 25% se disipa por radiacin hacia las paredes que rodean el local, y el resto por conduccin y conveccin. Debe tenerse en cuenta, adems, el calor emitido por la reactancia o resistencia limitadora, que representa un 25% de la energa absorbida por la lmpara.

Tabla Ganancias debidas al alumbrado

TIPO

GANANCIA DE CALOR SENSIBLE EN

BTU/HR

Fluorescente

Potencia til en vatios x 3,4

Incandescente Potencia til en vatios x 4,1

Generalmente la placa de identificacin de los equipos dar la informacin necesaria para obtener el dato aproximado del calor generado por el aparato. En las 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 elctricos para obtener Btu/hr. Si solo se especifica el voltaje y los amperios consumidos a plena carga, se multiplica el voltaje por el amperaje por un

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factor de utilizacin razonable (se recomienda 0,6 para motores pequeos y 0,9 para motores grandes) y por 3,4 para obtener Btu/hr. En todos los casos, aplique un factor de utilizacin. 7) GANANCIA DE CALOR POR INFILTRACIN Y VENTILACIN El aire del exterior que fluye a travs de una edificacin, ya sea como aire de ventilacin, o no intencionalmente como infiltracin, es importante por dos razones. El aire del exterior es utilizado muchas veces para diluir contaminantes en el aire del interior y la energa asociada con calentamiento o enfriamiento de este aire exterior es una significativa carga de relacin espacio - acondicionamiento. El intercambio de aire entre el interior y las afueras est dividido en: ventilacin (intencional e idealmente controlada) e infiltracin (no intencional y descontrolada). La ventilacin puede ser natural y forzada. La ventilacin natural: es un flujo de aire sin energa a travs de ventanas abiertas, puertas y otras aberturas intencionales de una edificacin. La ventilacin 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 ventilacin.

La infiltracin, es flujo de aire no controlado a travs de grietas, intersticios y otras aberturas no intencionales. Infiltracin, y flujo de ventilacin natural son causados por diferencias de presin debido al viento, diferencia de temperatura interiorexterior y operaciones de aplicaciones o dispositivos. Este trabajo, se enfoca en residencias y pequeas edificaciones comerciales en las cuales el intercambio de aire es debido primeramente a infiltracin. Los principios fsicos tambin son discutidos en relacin a grandes edificaciones en las cuales el intercambio de aire depende ms de ventilacin mecnica que en el rendimiento de la envoltura de la edificacin.

TIPOS DE INTERCAMBIO DE AIRE Los edificios tienen tres diferentes modos de intercambio de aire:

1. Ventilacin forzada; 2. Ventilacin natural 3. Infiltracin.

Estos modos difieren significativamente en como ellos afectan la energa, la calidad del aire y el confort trmico. Tambin ellos difieren en la habilidad de mantener una cuota de intercambio deseada.

La cuota de intercambio de aire asociada con sistemas de ventilacin forzada depende: de la taza de flujo de aire en los sistemas de ventilacin; de la resistencia al flujo de aire asociada con los sistemas de distribucin; de la resistencia del flujo de aire entre las zonas del edificio; y del hermetismo de la envoltura del edificio. Si alguno de estos factores no est a nivel de diseo o no esta propiamente calculado, la taza o cuota de intercambio de aire del edificio puede resultar diferente de sus valores de diseo. La ventilacin forzada proporciona el mayor potencial para el control de la cuota de intercambio de aire y la distribucin de aire dentro de una edificacin a travs de un diseo adecuado. Un sistema de ventilacin forzada ideal tiene una cuota suficiente de ventilacin para controlar los niveles de contaminante en el interior y a la misma vez evita la sobre-ventilacin, adicionalmente mantiene un buen confort trmico. La ventilacin forzada es generalmente obligatoria en grandes edificaciones, donde una mnima cantidad de aire exterior es requerida para la salud y confort de los ocupantes y donde los sistemas mecnicos de expulsin aconsejables son necesarios. La ventilacin forzada generalmente no es utilizada en residencias o en otro tipo de estructuras con envolturas. Sin

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embargo, edificaciones ms hermticas requieren mayores sistemas de ventilacin para asegurar una adecuada cantidad de aire exterior para mantener una aceptable calidad de aire interior. La ventilacin natural a travs de aberturas intencionales es causada por presiones del viento y diferencias de temperaturas interiorexterior. Flujo de aire a travs de ventanas y puertas u otras aberturas de diseo pueden ser utilizados para proveer una ventilacin adecuada para diluir contaminantes y controlar temperaturas. Aperturas no intencionales en la envoltura de la edificacin y la infiltracin asociada puede interferir con los patrones de distribucin de aire de ventilacin natural deseada y cargas mayores que la tasa de diseo de flujo de aire. La ventilacin natural algunas veces incluye infiltracin. Infiltracin es flujo de aire descontrolado a travs de aberturas no intencionales producidas por vientos, diferencia de temperaturas y presiones inducidas de aplicacin. Infiltracin es menos confiable de proveer ventilacin adecuada y distribucin, ya que este depende de condiciones climticas y la distribucin de aberturas no intencionales. Es la fuente principal de distribucin, en edificios de envolturas dominante y tambin es un factor importante en edificaciones ventiladas mecnicamente. VENTILACIN Y CARGAS TRMICAS El aire exterior introducido en una edificacin forma parte de la carga de acondicionamiento del espacio, la cual es una razn para limitar la cuota de intercambio de aire en las edificaciones a un mnimo requerido. El intercambio de aire tpicamente representa de un 20% a un 40% de la carga trmica de la edificacin. El intercambio de aire incrementa la carga trmica de una edificacin 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 energa est dada por qs = carga de calor sensible bth/hr, Donde Q = tasa de flujo de aire, cfm. e = densidad de aire, lbm/ft3 (aprox. 0.075) cp = calor especfico del aire, Btu/lbf (aprox 0.24)

t = diferencia de temperatura interior exterior, F. Segundo, el intercambio de aire incrementa el contenido de humedad, particularmente en verano y en algunas reas cuando el aire hmedo del exterior debe ser deshumidificado. El consumo de energa asociada con estas cargas est dado por:

q Qh Wfg1 60 Donde: q1 = carga de calor latente, Btu/h Hfg = calor latente de vapor a la temperatura del aire apropiado, Btu/lbm (aprox. 1.000)

W = cantidad de humedad del aire interior menos cantidad de humedad del aire exterior, lbm agua/lbm aire seco. Finalmente el intercambio de aire puede incrementar la carga en una edificacin, disminuyendo el rendimiento del sistema de envoltura o aislamiento. El aire fluyendo alrededor y a travs del aislamiento puede incrementar la tasa de transferencia sobre las tasas de diseo. El efecto de

q Q o C ts p 60

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dicho flujo de aire en el rendimiento del sistema de aislamiento es difcil de cuantificar, pero debe ser considerado. El flujo de aire en el sistema de aislamiento puede disminuir tambin el rendimiento del sistema debido a la humedad condensada dentro y sobre el aislamiento. VENTILACIN Y CALIDAD DE AIRE

Los requerimientos del aire exterior han sido discutidos por ms de un siglo, y diferentes estudiosos han producido estndares de ventilacin radicalmente diferentes (Klauss et al 1970, Yaglou 1936, 1937). Las consideraciones han incluido la cantidad de aire requerido para remover aire exhalado y para controlar la humedad interior, dixido de carbono (CO2) y olor. El mantenimiento de los niveles de dixido de carbono (CO2) es un criterio comn para determinar la cuota de ventilacin. Una concentracin tpica exterior del CO2 es 0.03%. El estndar 62 de la ASHRAE especifica la tasa de ventilacin requerida para mantener una aceptable calidad del aire interior para una variedad de usos de espacios. La forma contiene un requerimiento bsico de 15CFM de aire exterior por persona basado en un lmite de concentracin de CO2 de 0,1%. En caso de fuentes contaminantes de alto nivel, se requieren altos niveles de ventilacin para controlar los niveles de contaminacin, ya que otros mtodos de control son ms efectivos. Una efectiva forma de control es la remocin o reduccin de fuentes contaminantes, otra alternativas es especificar materiales de construccin con bajas cuotas de emisin de contaminantes. Selladores pueden ser utilizados en algunas situaciones para prevenir entrada de gases. Ventilacin del lugar como ventanillas del bao, rejillas para controlar una fuente determinada es tambin efectiva.

FIN DEL DOCUMENTO