CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR. Mario Ramos Cano Curso de Experto Universitario en Mantenimiento de Medios e Instalaciones Industriales. Escuela Politécnica de la Universidad de Sevilla. (Diciembre/2006 – Junio/2007) Coordinación: Sr. D. Antonio Ordóñez ÍNDICE 1.- INSOLACIÓN O RADIACIÓN DIRECTA SOBRE VENTANAS. 2.- TRANSMISIÓN SOBRE EL RESTO DE LAS VENTANAS. 3.- TRANSMISIÓN SOBRE PAREDES 4.- TRANSMISIÓN SOBRE TECHOS 5.- TRANSMISIÓN SOBRE SUELO 6.- MEDIDA DE LA APORTACIÓN DE CALOR SENSIBLE 7.- OCUPACIÓN O NÚMERO DE PERSONAS 8.- CUBICACIÓN 9.- HOJA DE CÁLCULO 10.- CONCLUSIÓN - 2 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR INTRODUCCIÓN Es cierto que a menudo nos encontramos con profesionales que ante los clientes adivinan rápidamente el equipo que necesita simplemente preguntándole los metros cuadrados de la habitación o estancia a refrigerar. La experiencia ha llevado a muchos vendedores a seguir este método, pero evidentemente no es igual refrigerar 20 m2 con un piso edificado encima que con una azotea. Todos y todas podemos comprender esto. Entiendo que el mercado está encaminado a vender el aparato sea como sea en la mayoría de los casos, pero un buen profesional, debe asesorar a la persona de la forma más eficiente. Es conveniente hacer un cálculo lo más aproximado posible de la cantidad de calor que hay en esa habitación que probablemente, sea casi la única en muchos kilómetros a la redonda con esas características. Y, como sabemos, en función de las kilocalorías resultantes sabremos las frigorías necesarias (1 Kcal. = 1 Frig.). Como profesionales, en el cálculo mencionado nos jugamos mucho. El consumo de los aparatos de aire acondicionado ha disminuido mucho en los últimos años debido, sobre todo, al perfeccionamiento de los compresores, pero a pesar de ello, debemos regirnos por las directrices marcadas por un consumo eficiente, es decir, ni más ni menos del que necesitamos y con una catalogación de eficiencia energética lo más cercana a la A. Por otra parte, si el equipo es pequeño para la habitación el termostato nunca detectará la temperatura programada, con lo cual, no enviará al compresor la orden de paro o disminución de sus revoluciones si es inverter. Por consiguiente, el consumo eléctrico se elevará más de lo necesario. Además, como el compresor no desconectará nunca, su vida útil se reducirá notablemente con lo cual el equipo tendrá que ser sustituido en un breve período de tiempo. Nada que ver con el previsto por el fabricante. Ante este problema, además de provocar un consumo innecesario, estaremos perdiendo credibilidad y prestigio profesional ante la persona que confió en nosotros/as. Por otro lado, si el equipo está muy sobredimensionado estaremos incentivando a una adquisición más costosa de la necesaria. Como es sabido, todo cuerpo, incluido el aire, tiende al equilibrio térmico, es decir, un cuerpo con más calor tiende a ceder este calor a otro cuerpo con menos calor. La cesión de calor provoca la bajada de temperatura y por tanto, en ello nos basaremos. Puesto que no podemos medir el frío, mediremos la ausencia de calor. El objeto de este trabajo es conseguir un acercamiento a la realidad en el cálculo de cargas térmicas antes de instalar o adquirir un aparato de aire acondicionado. - 3 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 1.- INSOLACIÓN O RADIACIÓN DIRECTA SOBRE VENTANAS. Por supuesto, para hacer un balance térmico fiable, es recomendable visitar el sitio, es decir, realizarlo in situ. Tomar los datos necesarios del recinto que vamos a acondicionar y en función de ello, recomendaremos el equipo necesario de uno o varios fabricantes con uno o varios presupuestos. Podríamos comenzar por analizar las ventanas o ventanales de vidrio sobre los que incide el Sol en algún momento del día. Anotaremos la orientación de éstas, el tipo de protección de que dispone (toldo exterior, persiana exterior, cortina interior,…) e incluso si dispone de doble acristalamiento en cuyo caso se clasificará como protección exterior. Para ello, podemos valernos de la siguiente tabla: En el coeficiente anotaremos los metros cuadrados de vidrio en la línea de la orientación correspondiente. El factor multiplicador resulta de diversos estudios y comprobaciones realizadas siendo útiles en prácticamente toda España. Se trata de medir la cantidad de calor que atraviesa en una hora, un metro cuadrado de cristal en función de la orientación que se le dé y de cómo incidan los rayos del Sol. El resultado de multiplicar los metros cuadrados por el factor correspondiente, nos dará la cantidad de calor que penetra a través de cada ventana. Es posible que el cambio climático esté aumentando los valores de los distintos factores pero aún no se está teniendo en cuenta y esperemos que no haya que modificar mucho esta tabla. - 4 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 2.- TRANSMISIÓN SOBRE EL RESTO DE LAS VENTANAS. Puede ocurrir que en todas las ventanas no haya una radiación solar directa. En este caso tendríamos que recurrir a la toma de datos en otro apartado. A pesar de que el Sol no incida directamente sobre el cristal, la radiación difusa y la reflejada nos provocarán un aumento de la temperatura exterior del cristal y por consiguiente, una posterior transmisión hacia el aire interior. Como podemos observar, el factor multiplicador es bastante más pequeño que en los casos anteriores. No obstante, aunque la incidencia directa de los rayos solares sobre un cristal incrementa sensiblemente la temperatura de una habitación, no debemos dejar de tener en cuenta la aportación a través de las ventanas que dan al exterior aunque no reciban dicha radiación directa. Como hemos visto en la introducción, seguiremos buscando cosas, materiales, en cualquiera de sus estados que nos puedan aportar calor al ambiente que queremos acondicionar. Mirando a nuestro alrededor observaremos cuán importante es el ambiente, la decoración, los materiales de construcción, la iluminación, etc. Prácticamente todo es portador de calor y si todo tiende al equilibrio, el calor exterior influirá de manera determinante sobre nuestra vivienda o la habitación protagonista de nuestro cálculo. - 5 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR Según el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios vigente, el bienestar térmico se da en las siguientes condiciones climáticas: Estación Temperatura Velocidad media Humedad operativa ºC del aire m/s relativa % Verano 23 a 25 0,18 a 0,24 40 a 60 Invierno 20 a 23 0,15 a 0,20 40 a 60 En función de esta tabla, aconsejaremos a la hora de elegir un equipo de aire acondicionado. Además, en instalaciones más complicadas como pueda ser el acondicionamiento de locales de pública concurrencia, habría que tener en cuenta la calidad del aire en cuanto a su limpieza, la ventilación, en cuanto a la cantidad de aire aportado desde el exterior, e incluso el ruido generado en la instalación. Las personas que deciden instalar un aparato de aire acondicionado, no tienen que saber todo esto necesariamente, por tanto, deberemos basar nuestra información en el citado reglamento y en determinadas instalaciones, también en el Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas. Por supuesto, a la hora de instalar podremos encontrar la información necesaria en cuanto a líneas de alimentación y condicionantes en el Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión y sus instrucciones técnicas complementarias. - 6 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 3.- TRANSMISIÓN SOBRE PAREDES Continuando con nuestro cálculo, otro coeficiente a tener en cuenta puesto que almacena calor podría ser, las paredes. Sabemos que constituyen la mayor parte de superficie en contacto con el exterior. En los meses de verano, la superficie terrestre no es capaz de ceder durante la noche todo el calor que ha acumulado durante el día. A los edificios les ocurre igual. A medida que nos vamos adentrando en el verano, el calor se acumula en los edificios a pesar de los nuevos métodos de construcción. No hace mucho tiempo, las construcciones en zonas calurosas se llevaban a cabo mediante muros, incluso interiores de 40 a 60 centímetros de espesor, incluso más. Posteriormente, se disminuyó este grosor añadiendo un tabique con un hueco relleno de material aislante entre ambos. Recientemente se ha aprobado un nuevo reglamento de edificación en el que las condiciones para la construcción son bastante más severas, no sólo encaminadas a la protección térmica, sino también fijando como objetivo el aislamiento acústico. Básicamente, encontraremos dos tipos de paredes, los muros y los tabiques interiores. En ellos centraremos nuestro balance térmico de la habitación operando de la misma forma antes descrita. - 7 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 4.- TRANSMISIÓN SOBRE TECHOS No es de extrañar que en la visita necesaria para el actual balance térmico, ante tantas medidas, el cliente o el interesado se quede perplejo. Ya hemos comentado que lo habitual es vender el equipo en el mismo establecimiento y teniendo en cuenta el precio más que su potencia frigorífica. Lo cierto es que esto es lo que hay que hacer y si lo explicamos convenientemente, estaremos poniendo de manifiesto nuestra profesionalidad. Básicamente nos encontraremos con tres tipos de techos, los exteriores, los interiores y los que tienen una cámara de aire. Los exteriores serán aquellos techos que sobre ellos tienen una azotea. Los de cámara de aire serán los que disponen de un tejado con inclinación puesto que esta inclinación la da una cámara de aire. También podemos encontrar techos con cámara de aire interior, es decir, un falso techo de escayola constituye un aislante térmico. Quedará pues a nuestra interpretación en el conjunto de la habitación, contemplar éste de una u otra forma teniendo en cuenta su factor multiplicador. Por último, podemos encontrarnos con techos interiores. Éstos serán los más habituales en edificios de pisos. Tendrán esta clasificación siempre y cuando en su parte superior tengan construida otra vivienda o planta cerrada en obra. Observemos los factores multiplicadores. Como la lógica nos dirá, una azotea recibe toda la radiación solar directa durante todo el día, por lo tanto, es el tipo de techo que más influirá en la temperatura interior de nuestra habitación. Si comparamos con la tabla de factores de la radiación sobre ventanas veremos que la radiación sobre los materiales de construcción en obra, a pesar de estar más horas expuestos, transmiten menos calor que los cristales. - 8 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 5.- TRANSMISIÓN SOBRE SUELO El cálculo sobre este apartado lo tendremos muy fácil una vez se haya medido la superficie del techo puesto que tendremos el mismo valor. Entenderemos como suelo o como techo aquellos incluidos dentro de la habitación, es decir, las superficies de ambos que estén cerradas al exterior por cualquier medio realizado en obra. A veces nos encontraremos con algún caso excepcional. Se dan casos en los que la superficie del balcón ha sido incluida dentro de la habitación cerrando con ventanales de aluminio, pvc, ladrillos, etc. en estos casos deberemos operar teniendo en cuenta que volumen añadido influirá en la temperatura, por tanto, tomaremos esta construcción como parte de la habitación y tratándola como al resto de los cálculos. No debemos menospreciar este apartado, sobre todo en grandes estancias, a pesar de su baja influencia en el resultado final. Ya hemos visto que la temperatura, de manera natural, no se pierde con la facilidad que se gana. Las muchas horas de Sol en verano y la perpendicularidad de los rayos facilitan el calentamiento. En una habitación de 12 m2 necesitaríamos 72 frigorías/hora de nuestro equipo sólo para extraer el calor que desprendería este suelo. - 9 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 6.- MEDIDA DE LA APORTACIÓN DE CALOR SENSIBLE Como sabemos, el calor sensible es aquel que provoca un aumento de la temperatura. En nuestra vida cotidiana estamos rodeados de intercambios de calor con aumento o disminución de temperatura. El simple hecho de que dos personas se den la mano al saludarse produce, durante el tiempo de contacto un intercambio de calor. Como ya hemos dicho, el cuerpo de mayor temperatura cede calor al cuerpo de menor temperatura por aquello del equilibrio. Todos/as vemos a diario instrumentos o aparatos que ceder calor al ambiente, que calientan el aire que nos envuelve. En una habitación siempre tenemos iluminación. El método de iluminación más tradicional es el de incandescencia. Dado que hasta ahora no hemos conseguido luz sin calor, cada vez que encendemos una lámpara estamos desperdiciando cierta parte de la energía eléctrica consumida en producir calor. Sabemos que en un conductor por el que circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética o de movimiento de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren con las moléculas del conductor por el que circulan (efecto Joule), elevando la temperatura del conductor que a la vez, eleva la temperatura del aire que le rodea. Estamos viendo que si analizamos minuciosamente los fenómenos que se producen a diario en nuestro hábitat, podremos encontrar producción de calor en muchos hechos cotidianos de nuestra vida. Por tanto, eliminar esa calor no debe ser tomado a la ligera. Tomaremos aquí anotaciones de los watios de potencia de cada uno de los aparatos eléctricos que se encuentren en el interior de la habitación así como de los distintos tipos de iluminación. - 10 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 7.- OCUPACIÓN O NÚMERO DE PERSONAS Sabemos que nuestra temperatura corporal está en torno a los 36 º C. Esto no es más que la medida de nuestro calor interno, el calor que llevamos con nosotros allí donde vamos. Esto no lleva al razonamiento de que si entramos en una habitación, llevaremos con nosotros nuestra calor e inmediatamente comenzaremos a influir en la temperatura del ambiente interior. Pero, ¿qué ocurre si venimos corriendo o si venimos con una considerable carga de estrés? Pues que nuestra temperatura no será la misma, será mayor. Es por esto por lo que distinguiremos el tipo de habitación o estancia donde entramos y también el tipo de actividad que se realizará en dicho lugar. Observemos que en función de la actividad a realizar desprenderemos más o menos calor. Cederemos más o menos calor al ambiente que comparten otras personas que pueden o no estar en las mismas circunstancias que nosotros/as. De aquí la diferenciación que se hace a la hora de calcular el calor desprendido en función de la actividad a realizar. Por tanto, distinguiremos entre locales con poca actividad (vivienda), mediana actividad (bares, oficinas, restaurantes) y alta actividad como es el caso de la discoteca donde vamos a movernos con la realización de esfuerzos físicos. - 11 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 8.- CUBICACIÓN Cuando hemos venido hablando de ambiente, estamos dando por hecho que formando parte de ese ambiente se encuentra el aire que nos rodea. Cuando entramos en un lugar cerrado rápidamente percibimos si está a mayor o menor temperatura que el lugar de donde venimos. Es algo así como si cambiáramos de medio sumergiéndonos de pronto en una piscina. Percibimos la temperatura del agua que entra en contacto con nuestro cuerpo inmediatamente, mejor dicho, percibimos la diferencia de temperatura existente entre los dos medios. Por todo ello debemos ser conscientes de que el aire a nuestro alrededor nos influye de manera determinante y que este aire, a su vez, es influido de manera recíproca por todo lo que está en contacto con él. Esto nos lleva a que existe un continuo intercambio de calor con sus consiguientes cambios de temperatura. Habitualmente este intercambio de calor se produce mediante conducción. Para instalaciones como la que no ocupa, la más simple y menos complicada, nos ceñiremos a la primera línea que sólo se ocupa de la infiltración en viviendas o lugares que no requieran una ventilación forzada. En este apartado obtendremos la cantidad de calor que vendrá con el aire proveniente de las infiltraciones que se produzcan por huecos de puertas, ventanas, etc para lo cual sólo tendremos que cubicar la habitación a acondicionar. En este cálculo se da por supuesto que las ventanas y puertas están cerradas o con una pequeña abertura. Con puertas o ventanas abiertas, no tiene sentido realizar muchos cálculos puesto que el equipo no va a parar nunca. También podremos utilizar este formato para el cálculo de instalaciones centralizadas que conllevan muchas más especificaciones aparte de las cargas térmicas. - 12 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 9.- HOJA DE CÁLCULO - 13 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. POTENCIA FRIGORÍFICA DEL EQUIPO A INSTALAR 10.- CONCLUSIÓN A menudo solemos encontrar información de los requisitos necesarios a la hora de elegir un aparato de aire acondicionado, pero no es habitual que nos faciliten información de cómo calcular la capacidad del mismo con objeto de aproximarnos lo más posible a las condiciones reales de trabajo. De hecho, en varios cursos sobre climatización y frío industrial que he realizado, nunca se ha expuesto un método para calcular. Ante la pregunta de cómo hacerlo, siempre quedaba para otro curso o la respuesta era que “había que tener en cuenta muchos factores”. Sólo en un curso muy básico para instaladores electricistas autorizados nos explicaron la importancia de estos cálculos y cómo hacerlos. Se pretende concienciar a los alumnos que se van iniciando en el tema de la climatización de la importancia que tiene saber cuánto calor existe en un lugar, antes de elegir una máquina para combatirlo de tal forma que la o las personas que se encuentren en el interior de dicho lugar se encuentren en un ambiente cercano al confort. Sabemos que el mundo del frío, en el que se incluye el aire acondicionado o la climatización, es un mundo muy complejo en el que se dan la mayor parte de los fenómenos físicos los cuales deben ser estudiados para saber en qué momento del proceso nos encontramos en cada momento. Por propia experiencia puedo decir desde mi modesto punto de vista, que a pesar de ser un tema muy complejo, es, a la vez, atractivo en su estudio ya que a diario iremos observando y comprobando lo que se va aprendiendo. Hoy en día, el control de una cámara frigorífica es tarea de un autómata programable. Pero ese autómata tiene que ser programado por una persona y esta persona debe saber de varias materias para regular el ciclo de una cámara frigorífica. El mundo del frío requiere una actualización casi constante, tanto en conocimientos como en reglamentación. Obliga a estar al día en innovaciones tecnológicas, en muchos casos y cada vez más, encaminadas a la eficiencia energética. Por otra parte, faltan profesionales. Sobre todo, profesionales concienciados y respetuosos con el Medio Ambiente. Desde estas letras me gustaría animar a todos aquellos que sienten curiosidad y buscan un futuro profesional seguro, a entrar en el MUNDO DEL FRÍO. - 14 - CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS. 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