com es calcula la càrrega térmica?

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Presentación
iii
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Índice general
1
Instalación de Aire acondicionado........................................................... 9
1.1
Introducción. .......................................................................................... 9
1.2
Condiciones iniciales. .......................................................................... 10
1.3
Cálculo de la carga térmica. ................................................................ 11
1.4
Método de cálculo de la carga sensible. .............................................. 12
1.5
Método de cálculo de la carga latente ................................................. 21
1.6
Cálculo de las partidas del aire de ventilación. .................................... 22
1.7
Cálculo de las cargas totales. .............................................................. 23
Índices
v
Índice de ilustraciones
¡Error! No se encuentran elementos de tabla de
ilustraciones.
Índices
vi
Índice de tablas
Tabla 1 Radiación solar unitaria. .............................................................................. 13
Tabla 2 DTE de muros. ............................................................................................ 15
Tabla 3 DTE en techos. ............................................................................................ 16
Tabla 4 Corrección de la DTE. ................................................................................. 16
Tabla 5 Calor emitido por las personas en kcal/h. .................................................... 19
Índices
vii
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1
Instalación de Aire acondicionado.
1.1 Introducción.
En este capítulo se exponen los cálculos necesarios y las soluciones adoptadas para
la instalación de aire acondicionado de refrigeración.
Este acondicionamiento se hace necesario ya que en la zona de producción y
en los almacenes es necesario conservar los productos a una temperatura
adecuada.
Instalación de aire acondicionado
9
1.2 Condiciones iniciales.
Se denominan condiciones de proyecto las que tomamos como fijas y constantes a
lo largo del mismo. En este caso, las condiciones fijas de las que hay que partir para
llevar a cabo los cálculos son:

Localidad: Municipio de Agaete.

Temperatura exterior: 24 ºC

Humedad relativa exterior: 65%

Variación diaria de la temperatura, o excursión térmica diaria: 4 ºC

Temperatura interior de proyecto: 21 ºC

Humedad relativa interior de proyecto: 50%

La hora solar del proyecto: 15’00 h

Salto térmico (t), que es la diferencia entre la temperatura exterior y la
temperatura interior de proyecto: 3 ºC

Diferencia de humedades absolutas (W). Diferencia entre humedades
absolutas en las condiciones del exterior y las del interior, expresadas en
g de agua/kg de aire seco: 7,1 g/kg aire (se han calculado con la ayuda
del diagrama psicrométrico representado a continuación).
Representar diagrama psicométrico.
Los datos iniciales como superficie del local, potencia de iluminación etc. se
pueden observar en las tablas de cálculo.
Instalación de aire acondicionado
10
1.3 Cálculo de la carga térmica.
La carga térmica es el calor por unidad de tiempo que, por diferentes conceptos,
entra y se genera en un local cuando mantenemos en éste una temperatura inferior
a la del exterior y una humedad diferente, generalmente inferior, a la del exterior.
El calor que entra como consecuencia de la diferencia de temperatura se llama
calor sensible, y el que entra como consecuencia de la diferencia de humedades se
llama calor latente.
Los agentes que son origen en las cargas térmicas pueden enumerarse como
sigue:
 CONSTRUCCIÓN DEL EDIFICIO Y SU ORIENTACIÓN.
o Cerramientos opacos: muros, tejados, cubiertas y tabiques.
o Cerramientos semitransparentes: vidrio principalmente
o Efecto solar. Ganancia de calor por radiación solar.

Ocupantes. Calor desprendido por los ocupantes de un local.

Iluminación. Aparatos de alumbrado.

Equipos eléctricos (motores, hornillos, etc.).

Ventilación y/o infiltración. Entrada de aire exterior por rejillas y puertas.
Para facilitar el cálculo de las pérdidas y ganancias de calor es recomendable,
al proyectar una instalación de aire acondicionado, rellenar una tabla en la que se
incluyan todos los datos que puedan afectar al cálculo del intercambio calorífico.
Es bastante frecuente referirse a las cargas en términos de frigorías/hora o
Kcal/h, denominándose carga térmica a cualquier agente cuyo efecto sea el de
modificar la temperatura seca o humedad absoluta del espacio acondicionado.
Instalación de aire acondicionado
11
1.4 Método de cálculo de la carga sensible.
Las partidas que la integran se calculan de la manera siguiente:
Partida A1: Calor sensible debido a la radiación a través de ventanas, claraboyas o lucernarios.
Esta partida tiene en cuenta la energía que llega al local procedente de la radiación
solar que atraviesa elementos transparentes a la radiación. Para calcular esta
partida, hay que saber la orientación de la ventana.
Hay que elegir una hora solar de cálculo, generalmente entre las 12 y las 16,
hora solar, y un día determinado. Con estos datos acudimos a la tabla siguiente y
obtenemos la radiación solar unitaria, R, en kcal/(h·m 2). La hora solar elegida debe
ser la misma para el cálculo de toda la carga térmica.
Evidentemente, en todas las tablas que se van a presentar en este capítulo
aparecían datos referidos a todas las posibilidades que pueden darse en los cálculos
de la instalación, pero por motivos de simplificación, sólo se van a nombrar los que
conciernen a nuestras condiciones de proyecto.
Hora solar
Fecha
23 de julio
Orientación
N
NE
E
SE
S
SO
O
1
13
1
14
1
15
1
16
1
12
3
8
3
8
3
5
3
9
2
8
3
8
3
8
3
5
3
9
2
8
3
8
3
8
3
5
3
9
2
8
1
7
6
8
3
5
3
9
2
76
1
70
1
19
1
0
7
5
3
87
1
22
2
98
2
39
3
22
3
13
3
1
2
3
4
Instalación de aire acondicionado
12
NO
Horizontal
8
16
65
90
44
3
8
3
0
7
79
1
84
2
8
6
10
6
50
5
63
4
41
3
31
Si la ventana tiene marco metálico hay que
multiplicar por 1.17 los valores indicados en la tabla.
Tabla 1 Radiación solar unitaria.
Se calcula ahora la superficie S en m2 del hueco de la ventana, incluido el
marco, no sólo la del vidrio.
Se consultará la siguiente tabla por si se tuviera que aplicar factor de
corrección debido a la utilización de vidrio especial.
Tipo de vidrio
Factor
Vidrio ordinario simple
1
Vidrio de 6 mm
0.94
Vidrio absorbente
(% de absorción)
40-48
0.80
48-56
0.73
56-70
0.62
Vidrio doble ordinario
0.90
Vidrio triple
0.83
Vidrio de color:
ámbar
0.70
rojo oscuro
0.56
azul oscuro
0.60
verde oscuro
0.32
verde grisáceo
0.46
opalescente claro
0.43
opalescente oscuro
0.37
El calor debido a la radiación es sensible y lo llamaremos QSR; valdrá:
Q SR  S  R  f
Instalación de aire acondicionado
13
Partida A2: Calor debido a la radiación y transmisión a través de paredes y techo.
Se habla de radiación a través de paredes opacas porque el calor procedente del sol
calienta las paredes exteriores del local y luego este calor revierte al interior. Para
calcular esta partida hay que aplicar la fórmula:
Q STR  K  S  DTE para cada pared y techo
Este calor es sensible y lo llamaremos QSTR.
K es el coeficiente de transmisión del cerramiento que estamos considerando:
una pared, el techo o el suelo. Se expresa en Kcal
h·m2 ·C
.
S es la superficie de la pared (si hay una puerta se incluye la puerta) y la DTE
quiere decir diferencia de temperaturas equivalente. Se trata de un salto térmico
corregido para tener en cuenta el efecto de la radiación. Para saber la DTE de una
pared se emplea la siguiente tabla. Se necesita saber:
- La orientación del muro o pared
- El producto de la densidad por el espesor (DE) del muro
- La hora solar del proyecto.
Orientación del muro
DE
Hora solar
(kg/m2)
15
100
6.9
300
5.8
500
6.4
700
8.5
100
6.9
300
6.9
500
10.8
700
10.2
100
10.2
300
11.3
NE
E
SE
Instalación de aire acondicionado
14
500
10.2
700
81
100
15.2
300
13.6
500
8.1
700
3.6
100
18.6
300
13.1
500
6.4
700
3.6
100
17.5
300
10.2
500
5.3
700
5.3
100
10.2
300
5.3
500
2.5
700
3
100
6.4
300
4.2
500
1.3
700
0.2
S
SO
O
NO
N
Tabla 2 DTE de muros.
Para saber la DTE del techo, se emplea la tabla que se muestra a continuación.
Se necesita saber:

Si el techo es soleado o en sombra.

El producto de la densidad por el espesor (DE) del techo.

La hora solar del proyecto.
Hora solar
DE
Kg/m
Techo soleado
50
2
15
20.8
Instalación de aire acondicionado
15
Techo en sombra
100
19.7
200
18.12
300
16.91
400
5.2
100
6.9
200
5.3
300
3
Tabla 3 DTE en techos.
El valor de la DTE obtenido de las tablas anteriores no es el definitivo. En la
tabla que se presenta bajo estas líneas, en función de la variación o excursión
térmica diaria y el salto térmico, se dan unos valores que sumaremos o restaremos,
según el signo, al valor de la DTE que hemos obtenido antes. Este nuevo valor es el
definitivo.
Temperatura
exterior menos
temperatura
interior, t
Excursión
térmica diaria
(ET)
3
-5
4
-4
5
-3
6
-2
7
-1
8
0
9
1
10
2
Tabla 4 Corrección de la DTE.
Instalación de aire acondicionado
16
Partida A3: Calor debido a la transmisión (sólo transmisión) a través de paredes y techo no
exteriores.
Si una pared o un techo no son exteriores hay que contarlos aquí. También se
incluyen las superficies vidriadas, ya que en la A1 sólo se ha calculado la radiación y
también tenemos transmisión. Así pues, hay que incluir en esta partida:

Paredes interiores.

Techos interiores.

Suelos (siempre son interiores).

Superficies vidriadas y claraboyas.
Las puertas generalmente no se cuentan; su superficie se incluye en la de la
pared. Este calor, que es sensible también, lo llamaremos QST. Se calcula mediante
la expresión:
Q ST  S  K  t
donde:
S es la superficie del elemento en m2.
K es el coeficiente global en Kcal/h·m2·º C.
t es le salto térmico en º C.
Si se trata de una pared o un techo colindante con un local refrigerado, esta
pared o techo no se cuenta. Si son colindantes con un local no refrigerado, el salto
térmico que se utiliza se rebaja en 3º C.
Partida A4: Calor sensible debido al aire de infiltración.
El local que se acondiciona debe estar exento de entradas de aire caliente del
exterior. Sin embargo, cuando se abren puertas o ventanas, o bien a través de las
Instalación de aire acondicionado
17
fisuras, es inevitable que algo de aire exterior entre en el local. Para valorar la
cantidad de aire que entra por las puertas puede utilizarse la tabla siguiente.
Volumen en m3/h por persona y puerta
Tipo de local
Sin vestíbulo
Con vestíbulo
BANCOS
13.5
10.2
PELUQUERÍAS
8.5
6.5
BARES
12
9
ESTANCOS
51
38
PEQUEÑOS COMERCIOS
13.6
10.2
TIENDA CONFECCIONES
4.3
3.2
FARMACIAS
11.9
9
6
4.4
SALA DE TE
8.5
6.5
RESTAURANTES
4.3
3.2
6
4.4
HABITACIÓN HOSPITAL
COMERCIO EN GENERAL
Una vez calculado el valor del caudal total aplicamos la formula siguiente:
Vi  valor de la tabla  nº de puertas nº personas
Qsi  Vi  ( t )  0,29
siendo: Vi = volumen de infiltración en m3/h.
Δt = salto térmico en ºC.
Qsi = calor sensible debido a las infiltraciones, viene dado en kcal/h.
Partida A5: Calor sensible generado por las personas que ocupan el local.
Las personas que ocupan el recinto generan calor sensible y calor latente debido a
la actividad que realizan y a que su temperatura (unos 37º C) es mayor que la que
debe mantenerse en el local. Cuando hablamos de las personas que ocupan el local,
Instalación de aire acondicionado
18
nos referimos al número medio de personas que lo ocupan, no a las personas que
pueda haber en un instante determinado.
En la tabla encontramos la información que necesitamos, según la temperatura
del local y el tipo de actividad que realice la gente en él.
Cuadro
actividad
28º C
de
27º C
26º C
24º C
Sensible
Latente
Sensible
Latente
Sensible
Latente
Sensible
Latente
Sentado en reposo
45
45
50
40
55
35
60
30
Sentado trabajo
ligero
45
55
50
50
55
45
60
40
Oficinista con
actividad
moderada
45
70
50
65
55
60
60
50
Persona de pie
45
70
50
75
55
70
65
60
Persona que
pasea
45
80
50
75
55
70
65
60
Trabajo sedentario
50
90
55
85
60
80
70
70
Trabajo ligero
taller
50
140
55
135
60
130
75
115
Persona que
camina
55
160
60
155
70
145
85
130
Persona en trabajo
penoso
115
250
120
250
125
245
130
230
Tabla 5 Calor emitido por las personas en kcal/h.
El valor obtenido en la tabla bastará multiplicarlo por el número de personas
del local. Esta partida la llamaremos QSP, en kcal/h.
Instalación de aire acondicionado
19
Partida A6: Calor generado por la iluminación del local.
La iluminación produce calor que hay que tener en cuenta. Si la iluminación es
incandescente, se multiplica la potencia eléctrica de iluminación, en kW, por 860 y
tendremos el calor generado en kcal/h.
Si la iluminación es fluorescente, además hay que multiplicar por el factor 1.25.
Llamaremos QSIL a esta partida, así pues:

Incandescente:
Q SIL  PILUMINACIO N ·860

Fluorescente
Q SIL  PILUMINACIO N ·860·1,25
Partida A7: Calor generado por máquinas.
En el caso de que hubiese una máquina, la partida A7 se calcula a partir de la
potencia nominal de la máquina, en kW por 860, multiplicada por 1-, siendo  el
rendimiento de la máquina en tanto por uno. Obteniendo el valor en kcal/h.
Q SM  P  1  
Partida A8: Calor sensible producido por cualquier otra causa.
Esta partida depende del calor que produce cualquier otra fuente de calor no
considerada.
Carga sensible total:
Qs  QSR  QSTR  QST  QSI  QSP  QSIL
Instalación de aire acondicionado
20
1.5 Método de cálculo de la carga latente
Estas partidas se calculan de la manera siguiente:
Partida B1: Calor latente debido al aire de infiltraciones.
Con el mismo caudal de infiltraciones Vi aplicamos la formula:
Qli  Vi ( AW )  0.72
Siendo:
Vi = caudal de aire de infiltraciones en m3/h.
Qli = partida en kcal/h.
ΔW = diferencias de humedades absolutas.
Partida B2: Calor latente generado por las personas que ocupan el local.
Esta partida es muy similar a la A5. En la tabla correspondiente aparece el dato del
calor latente generado por persona. Bastará multiplicar por el número de personas.
Esta partida la llamaremos QLP, en kcal/h.
Partida B3: Calor latente producido por cualquier otra causa.
Esta partida tiene el mismo significado que la partida A8.
Carga latente total:
QL  QLI  QLP
Instalación de aire acondicionado
21
1.6 Cálculo de las partidas del aire de ventilación.
Estas partidas se calculan mediante las fórmulas siguientes:
Partida A9: Calor sensible procedente del aire de ventilación
Esta partida la designaremos por QSV, en kcal/h y se obtiene aplicando la fórmula:
QSV  0.29  f  VV  t
donde:

VV es al caudal volumétrico de ventilación en m3/h (véase la tabla).

t es el salto térmico en º C.

f es un coeficiente de la batería de refrigeración, llamado factor de bypass.
m3/h por persona
Tipo de local
Aconsejado
Mínimo
Apartamentos
35
17
Bancos
17
13
Peluquerías
25
17
Oficinas
85
35
Bares
68
43
Almacenes
13
8.5
Farmacias
17
13
Fábricas
17
13
Clínicas
Quirófano
*
*
Urgencias
50
43
Pabellones
35
25
Instalación de aire acondicionado
22
Hoteles
50
Cocinas
restaurante
de
43
72 m3/h, por m2 de pavimento
Bar
20
17
Comedor
25
20
Aulas
25
17
Teatros
25
17
Partida B4: Calor latente procedente del aire de ventilación.
Esta partida es la latente correspondiente al aire de ventilación. Se calcula con una
fórmula análoga:
QLV  0.72  f  VV  W
donde:

QLV es la denominación de esta partida en kcal/h.

VV es el caudal de ventilación en m3/h.

W es la diferencia de humedades absolutas (exterior menos interior).

f es el factor de by-pass de la batería.
1.7 Cálculo de las cargas totales.
En primer lugar se calculan las cargas efectivas parciales y luego las totales, como
veremos a continuación.
Instalación de aire acondicionado
23
Carga sensible efectiva parcial.
QSEP, es la carga sensible, QS, más la partida A9, es decir:
QSEP  QS  QSV
Carga latente efectiva parcial.
QLEP, es la carga latente, QL, más la partida B4:
QLEP  QL  QLV
Hemos utilizado la denominación parcial porque no hemos considerado ningún
factor de seguridad aumentativo.
Carga sensible efectiva total QSE y latente efectiva total QLE.
Son las anteriores parciales, aumentadas en un tanto por ciento de seguridad, con el
fin de asegurarnos de haber calculado todas las posibilidades de producción e
ingreso de calor en el local. Es preferible calcular la carga térmica, ligeramente por
exceso que por defecto.
Usualmente se considera de un 5 a un 10% de aumento. Si se considera un
10%, se tiene:
QSE  QSEP  0.10  QSEP 
QLE  QLEP  0.10  QLEP 
Con el fin de simplificar y racionalizar los cálculos de la carga térmica, éstos se
disponen en una hoja, donde las partidas se calculan muy fácilmente, porque ya
vienen indicados los conceptos que se necesitan en las casillas correspondientes.
No existe un modelo único, aunque son todas muy similares. Por lo tanto, una
vez realizados todos los cálculos de la instalación, los datos obtenidos se
Instalación de aire acondicionado
24
representarán en la correspondiente hoja de carga la cual se muestra a continuación
para cada uno de los recintos.
Incluir tablas de Excel.
1.8 Cálculos para selección de la máquina climatizadora
En primer lugar hay que clasificar los parámetros conocidos y lo que es necesario
calcular.
El objetivo es elegir juiciosamente la máquina climatizadora, para lo cual
debemos conocer el caudal de aire, la temperatura de entrada, la temperatura de
salida, la potencia frigorífica y la temperatura de rocío de la máquina. Estas variables
están indicadas en la tabla siguiente:
1.8.1 Oficina.
Parámetros conocidos
Parámetros a determinar
t1  temperatura exterior = 24 °C
V  caudal de aire de suministro
φ1  humedad relativa interior = 50 %
t4  temperatura de rocío de la UAA
t2  temperatura interior = 21 °C
t5  temperatura del aire de suministro
φ1  humedad relativa interior = 50 %
t3  temperatura del aire a la entrada de
la UAA
VV  caudal de ventilación = 255 m³/h
NR  potencia frigorífica de la UAA
Instalación de aire acondicionado
25
QSE  carga sensible efectiva total =
QLE  carga latente efectiva total =
f  factor de by-pass de la batería = 0,20
Temperatura de rocío de la UAA.
Para el cálculo, a esta temperatura la vamos a nombrar como t4. Una vez calculadas
la carga sensible efectiva y la carga latente efectiva, se obtiene el factor de calor
sensible efectivo; FCSE:
FCSE 
QSE
28751.8

 0.97
QSE  QLE 28751.8  920.8
Este valor se señala en la escala del factor de calor sensible, situada a la
derecha del diagrama psicométrico y se traza una recta uniendo el valor señalado en
la escala con el foco. A continuación se traza una paralela que pase por el punto 2
(condiciones del local) hasta cortar la curva de saturación, el punto de corte es el
punto 4. Esta recta que hemos trazado de 2 a 4, paralela a la otra recta, es la recta
de trazos 2-4, llamada recta térmica efectiva del local. La vertical que baja desde el
punto 4 nos da la temperatura de rocío t4 de la UAA.
Todos estos pasos y los posteriores, se representan en el diagrama
psicrométrico de la página siguiente.
Instalación de aire acondicionado
26
Instalación de aire acondicionado
27
Por lo tanto, siguiendo estos pasos tenemos que la temperatura de rocío de la
UAA es 8.2ºC.
Caudal de aire.
Para obtener este dato aplicaremos la fórmula:
V 
QSE
28751.8

 11524.7 m3 / h
0.33 1  f   t2  t4  0.33 1  0.30  19  8.2
Siendo: V: el caudal de aire en m3/h
QSE: la carga sensible efectiva, en W
f: el factor de by-pass de la batería
t2: la temperatura interior del local
t4: la temperatura de rocío de la UAA
Temperatura del aire a la entrada de la UAA.
Se aplica la fórmula:
t3 
VV
85
 t1  t2   t2 
 27  19   19  19.1º C
V
11524 .7
Siendo: t3: la temperatura a la entrada de la UAA
VV: el caudal de aire exterior de ventilación, en m3/h
V: el caudal de aire de suministro, en m3/h
t1: la temperatura exterior
t2: temperatura interior del local
Instalación de aire acondicionado
28
Temperatura del aire a la salida de la UAA.
Para ello se aplica la fórmula:
t5  f  t3  t4   t4  0.3  19.1  8.2  8.2  11.5º C
Siendo: f: el factor de by-pass de la batería
t3: la temperatura de entrada
t4: la temperatura de rocío de la UAA
Potencia frigorífica de la UAA.
Es uno de los datos más importantes. Una vez calculadas las temperaturas t 3 y t5, se
sitúan en el diagrama los puntos 3 y 5. Para ello, primero se traza la recta 1-2 y se
sitúa el punto 3; a continuación se traza la recta 3-4 y se sitúa el punto 5.
Se obtienen las entalpías h3 y h5 en kJ/kg y se aplica la ecuación:
NR  0.33 V  h3  h5   0.3311524.7  37.2  28.5  33087W
Donde: NR: es la potencia frigorífica de la UAA, en W
V: es el caudal del aire, en m3/h
h3 y h5 son las entalpías de los estados 3 y 5, en kJ/kg
Con todos los datos obtenidos ya se puede elegir una máquina climatizadora
adecuada a nuestras necesidades. Los datos fundamentales son los siguientes:
Temperatura de rocío de la UAA
Caudal de aire
Temperatura a la entrada de la UAA
Instalación de aire acondicionado
29
Temperatura a la salida de la UAA
Potencia frigorífica de la UAA
1.8.2 Bazar.
Parámetros conocidos
Parámetros a determinar
t1  temperatura exterior = 24 °C
V  caudal de aire de suministro
φ1  humedad relativa interior = 50 %
t4  temperatura de rocío de la UAA
t2  temperatura interior = 21 °C
t5  temperatura del aire de suministro
φ1  humedad relativa interior = 50 %
t3  temperatura del aire a la entrada de
la UAA
VV  caudal de ventilación = 255 m³/h
NR  potencia frigorífica de la UAA
QSE  carga sensible efectiva total =
QLE  carga latente efectiva total =
f  factor de by-pass de la batería = 0,20
Temperatura de rocío de la UAA.
FCSE 
QSE
28751.8

 0.97
QSE  QLE 28751.8  920.8
Instalación de aire acondicionado
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Instalación de aire acondicionado
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Por lo tanto, siguiendo estos pasos tenemos que la temperatura de rocío de la
UAA es 8.2ºC.
Caudal de aire.
V 
QSE
28751.8

 11524.7 m3 / h
0.33 1  f   t2  t4  0.33 1  0.30  19  8.2
Temperatura del aire a la entrada de la UAA.
Se aplica la fórmula:
t3 
VV
85
 t1  t2   t2 
 27  19   19  19.1º C
V
11524 .7
Temperatura del aire a la salida de la UAA.
Para ello se aplica la fórmula:
t5  f  t3  t4   t4  0.3  19.1  8.2  8.2  11.5º C
Potencia frigorífica de la UAA.
Se obtienen las entalpías h3 y h5 en kJ/kg y se aplica la ecuación:
NR  0.33 V  h3  h5   0.3311524.7  37.2  28.5  33087W
Con todos los datos obtenidos ya se puede elegir una máquina climatizadora
adecuada a nuestras necesidades. Los datos fundamentales son los siguientes:
Instalación de aire acondicionado
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Temperatura de rocío de la UAA
Caudal de aire
Temperatura a la entrada de la UAA
Temperatura a la salida de la UAA
Potencia frigorífica de la UAA
Instalación de aire acondicionado
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Instalación de aire acondicionado
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