Calculo termico de las instalaciones de aire

CÁLCULO TÉRMICO DE LAS INSTALACIONES DE AIRE
ACONDICIONADO
CONDICIONES
EXTERIORES
DE
PROYECTO;
DATOS
NECESARIOS APARA EL CÁLCULO; CÁLCULO DE LA CARGA
TÉRMICA DE VERANO; CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA
DE INVIERNO Y CARGAS TÉRMICAS ESPECIALES.
Autor: MIGUEL ÁNGEL TOMÉ FERNÁNDEZ
D.N.I: 45.299.889-D
INTRODUCCIÓN
Se ha redactado el presente trabajo para el módulo de Máquinas y Equipos Frigoríficos
que se imparte en el primer curso del Ciclo Medio de Técnico en Instalaciones y
Mantenimiento de Equipos Térmicos y de Fluidos.
1. Condiciones exteriores de proyecto.
Son las condiciones termohigronométricas del ambiente exterior que se adoptan para
realizar el proyecto de climatización. Habrá unas condiciones para verano y otras para
invierno.
En España, se obtienen de las publicaciones de organismos e instituciones cualificadas.
Como el Ministerio de Industria, en sus comentarios del RITE 97, el Instituto Eduardo
Torroja o el Servicio Nacional de Meteorología.
Estas condiciones vienen publicadas en función de la latitud del local a climatizar. Los
valores para verano se publican para el mes de julio a las 3 horas solar y los valores para
invierno se publican para el mes de diciembre a las 3 horas solar. Estas fechas son las
más representativas para invierno y para verano, ya que son los meses en los que se
producen las temperaturas máximas y mínimas anuales.
Además, las publicaciones también distinguen entre valores normales y valores
máximos de temperatura para verano.
Cuando el técnico elige los valores de temperatura húmeda y seca para el verano debe
tener en cuenta el uso al que está destinado el local. Así, para locales de uso sanitarios
(ej. Hospitales, residencias de ancianos, etc.) se adoptan los valores máximos. Para
locales de usos generales se usan valores normales con el fin de no desperdiciar energía.
Puede ocurrir que en el mes de julio no se den los valores termohigronométricos
característicos del emplazamiento donde se ubica el local normalmente porque la
radicación solar es mayor en otros meses u otras horas del día. Para ello, tanto el
Instituto como el RITE han elaborado tablas para la corrección de los valores en función
de la hora y del mes.
Para corregir la hora es necesario calcular la variación diaria de temperatura que será la
diferencia entra la temperatura máxima y la mínima al día, y acudir con este valor a la
tabla.
Para corregir el mes hay que calcular la diferencia anual de temperatura que será la
diferencia entre el valor de proyecto en verano y el valor del proyecto en invierno, y
acudir con este dato a la tabla.
Por tanto, para asegurarnos hacer un buen cálculo térmico de las instalaciones debemos
realizar varios esos cálculos de ganancias o pérdidas térmicas para diferentes meses y
horas, y luego adoptar el valor de la media ponderada.
2. Datos necesarios para el cálculo.
Para realizar el cálculo primero debemos identificar el local, conociendo la localización,
las dimensiones, las condiciones termohigronométricas exteriores e interiores, el uso del
local y el tiempo de funcionamiento de la climatización.
En segundo lugar tendremos que calcular el calor aportado desde el exterior, por lo que
tendremos que calcular los valores de radicación solar y de transmisión térmicas a
través de los cerramientos. Para ello debemos conocer previamente la latitud,
orientación, día y hora de máxima radiación, dimensiones y constitución de ventanas,
paredes, lucernario, voladizos, dimensiones y constitución de los cerramientos
exteriores y de los que dan a locales adyacentes, condiciones termohigronométricas de
estos locales, etc.
Por último habrá que calcular el calor que se aporta desde el interior, por lo que
debemos conocer el número de personas, la actividad que se desarrolla, la potencia de
los receptores eléctricos, la potencias o en su caso las superficies de intercambio de
otras fuentes de calor como las cafeteras, planchas, etc.
3. Cálculo de cargas térmicas de verano
El cálculo se realiza para conocer la cantidad de calor que es necesario evacuar para
mantener las condiciones de confort que previamente hemos establecido para el
proyecto.
Este calor será la suma del calor sensible y del calor latente. A continuación analizamos
cada uno de ellos.
Para calcular el calor sensible que existirá en el local debemos conocer y cuantificar las
fuentes de calor sensible:
La radiación solar, es el calor que se cuela por las ventanas y lucernarios y que procede
directamente del astro Rey. Existen dos tipos, la radiación directa y la difusa. Su valor
depende de la localización geográfica del local, de la orientación de la ventana o
lucernario, del día y la hora, de la constitución y dimensiones de ventanas y lucernario y
de la existencia o no de cortinas.
Para su cálculo se utiliza las tablas publicadas por la Corporación Carrier o en el RITE
98 y se utilizan unos factores de corrección en función de la absorción térmica del
vidrio y la existencia o no de pantallas interiores.
Hay que precisar que el valor de la radiación solar supone el mayor aporte calorífico en
el local a climatizar por lo que para ahorrar energía es necesario disminuir esta radiación
mediante la generación de sombras sobre las ventanas. La Corporación Carrier ha
desarrollado unas tablas para calcular las dimensiones de la sombra generada cuando
colocamos unas pantallas horizontales, que será función del ángulo de altitud solar y de
extensión de la pantalla, y cuando colocamos unas pantallas verticales, que será función
del ángulo acimutal de la pantalla con respecto al ángulo acimutal solar.
Transmisión de flujo a través de los paramentos. Las causas de esta transmisión son dos,
la generada por la diferencia térmica entre el local y el exterior y/o locales adyacentes, y
la generada por la radiación solar absorbida a través de la estructura del cerramiento.
El cálculo de esta última radiación es archicomplicado ya que además de las
condiciones geográficas, de las condiciones estacionarias y horarias, también depende
de la constitución del paramento. Por lo que se estima su valor por el método de la
diferencia de temperatura efectiva inventado por la Corporación Carrier. Este método se
basa en establecer una diferencia de temperatura que produciría la misma transmisión
térmica que la radiación solar absorbida. Estos valores se obtiene de las tablas
publicadas por Carrier, y con ello calculamos el flujo.
Q = K ⋅ A ⋅ ∆Tefectiva
Para calcular el flujo debido a la diferencia de temperaturas se utiliza la expresión:
Q = K ⋅ A ⋅ ∆T
Donde:
K: coeficiente global térmico del panel (Kw/m² ºC)
1
K
=
1 e1
1
1
e
+ + ... + n +
+
λn Ca hext
hint λ1
A: superficie geométrica del panel. Se calcula, A = Aext ⋅ Aint
Tex: temperatura exterior (ºC)
Tp: temperatura proyecto (ºC)
Calor transmitido por las infiltraciones de aire. Se produce por el paso del aire a través
de las rejillas o rendijas de puertas y/o ventanas. Su valor es:
Q=
q
⋅ ( Hext − H int )
ve
Calor radiado por las personas. Depende de la actividad metabólica que se realice.
Existen tablas que informan del calor generado por la actividad metabólica en función
del trabajo físico que se esté desarrollando. Estas tablas suelen venir en la unidad met,
sabiendo que un met equivale a 50 Kcal/h. Por lo que el calor será:
Q = N ⋅ qp
Calor emitido por los receptores eléctricos. Por la ley de Joule sabemos que el paso de
corriente genera un calor que es función del tiempo de paso. Por lo que necesitamos
conocer la potencia calorífica que desarrolla cada aparato eléctrico y el tiempo de uso en
el local. Si no conocemos la potencia calorífica tendríamos que calcularla a partir de su
resistencia y la intensidad de paso.
Calor emitido por emisores térmicos. Si en el local existen otros emisores térmicos
también es necesario calcular el flujo calorífico que se establecerá, para ello debemos
conocer de los datos que proporciona el fabricante el valor del coeficiente global de
transmisión térmica y la superficie de intercambio.
En cuanto a los calores latentes, las fuentes generadoras son las personas, el aire de
infiltración y otros aparatos generadores de vapor.
Las personas expiramos vapor de agua junto con el dióxido de carbono en la respiración
y liberamos vapor de agua al evaporar el sudor. Así que para calcular el calor latente de
las personas, nos basaremos en tablas publicadas por los organismos anteriormente
citados cuyos valores vendrán en función de la actividad física que se esté desarrollando
en el local.
Para calcular el calor latente procedente del aire de infiltración usaremos:
Q = m ⋅ l c ⋅ ( X ext − X int )
Si existen en el local aparatos generadores de calor, habrá que tener en cuenta cuanta
cantidad de vapor de agua generan y multiplicarlo por el coeficiente de calor latente del
agua.
La suma de todos los calores anteriormente calculados más una aportación de entre un
10 y un 15 % por seguridad, será la carga térmica que debemos evacuar del local y que
usaremos para calcular el equipo frigorífico.
4. Cálculo de la carga térmica de invierno
Los procesos de transmisión térmica en invierno son los mismos que en verano, pero en
este caso no calcularemos la radiación solar, la carga generada por los ocupantes ni por
los receptores, por entender que ayudan a mantener la temperatura de proyecto.
Por lo que las pérdidas de calor serán debido a las pérdidas a través de los cerramientos
debido a las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior y/o locales no
calefactados y las pérdidas por la ventilación del local.
Así la carga será:
Q = K ⋅ A ⋅ (Tint − Text ) ⋅ c1 ⋅ c 2
Donde:
c1 es el coeficiente por orientación del cerramiento y se establece un valor de 1,10 para
la orientación Norte, 1,05 para las orientaciones E y O y 1,00 para la orientación S.
c2 es el coeficiente por intermitencia y se utiliza para compensar la pérdida de calor
cuando se interrumpe la calefacción. Su valor es 1,10 si se produce una parada nocturna
y 1,05 si se produce una reducción nocturna en la calefacción.
El coeficiente global de transmisión térmica es el más complicado de calcular por las
excesivas particularidades que ha establecido en nuevo Código Técnico de la
Edificación.
Así en el caso de una pared exterior se calcula igual que cuando se trata de un proyecto
de aire acondicionado. Pero si el paramento pertenece a una medianera o a una partición
interior hay que tener en cuenta si el local adyacente está habitado, si está calefactado, si
el paramento está aislado y cuál es el grado de estanqueidad del mismo, además que los
coeficientes de convección térmica del aire serán menores y se obtendrán en función de
la posición del cerramiento.
Otra particularidad que hace el CTE es cuando el cerramiento está en contacto con el
terreno, distinguiendo entre:
Suelo apoyado sobre el terreno.
Suelo a una profundidad máxima de 0,5 m.
Muro en contacto con el terreno.
Cubierta enterrada en el terreno.
De cada una de estas distinciones el CTE elabora una tabla con los valores de K que se
deben escoger.
Una vez que hemos realizado el cálculo térmico de las condiciones de invierno, le
añadimos un 15% por seguridad. Este valor es el que usaremos para elegir la bomba de
calor, la caldera, las placas solares u cualquier aparato que realice la calefacción del
local.