Cálculo de cargas térmicas, Apuntes de Eficiencia Energética

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MÓDULO SEIS INSTALACIONES DE

CLIMATIZACIÓN Y VENTILACIÓN

U.D. 5 CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS

M 6 / UD 5

• Introducción.................................................................................. ÍNDICE
• Objetivos
• 1. Concepto de carga térmica
• 2. Condiciones interiores de confort
     • según RITE 2.1. Fijación de las condiciones interiores de confort,
     • según Norma europea 2.2. Fijación de las condiciones interiores de confort,
• 3. Condiciones exteriores de cálculo
  • 3.1. Según UNE 100-014-85. Nivel percentil
    • para cálculo 3.2. Condiciones interiores y exteriores recomendadas
• 4. Repaso de psicrometría del aire.............................................
  • 4.1. El aire húmedo.............................................................
  • 4.2. Humedad absoluta.......................................................
  • 4.3. Humedad relativa.........................................................
    • la temperatura 4.4. Cambio de la humedad relativa al cambiar
  • 4.5. Volumen específico del aire
  • 4.6. Entalpía del aire húmedo............................................
  • 4.7. Concepto de calor latente y calor sensible
• 5. El ábaco psicrométrico
     • condiciones dadas 5.1. Encontrar la humedad absoluta para unas
  • 5.2. Temperatura húmeda
  • 5.3. Punto de rocío..............................................................
• 6. Procesos de cambio de aire
  • 6.1. Enfriamiento en una batería de un climatizador.......
  • 6.2. Calentamiento en una batería de calor
  • 6.3. Mezcla de aires
• 7. Datos de partida para un estudio de cargas de climatización
  • 7.1. Localización..................................................................
  • 7.2. Características del local
  • 7.3. Ocupación
  • 7.4. Uso
  • precisión necesaria.................................................................. 8. Métodos de cálculo de la demanda térmica:
• 9. Cálculo simplificado, por superficie y uso del local..............
• 10. Cálculo de la demanda térmica con hoja de carga simple...
  • 10.1. Insolación en la ventana más expuesta.......................
  • 10.2. Transmisión por paramentos
  • 10.3. Aparatos
  • 10.4. Ocupantes.....................................................................
  • 10.5. Ventilación....................................................................
  • 10.6. Coeficientes de seguridad
• 11. Cálculo con hoja de carga completa......................................
  • 11.1. Condiciones exteriores e interiores............................
  • 11.2. Ganancias sensibles por radiación
  • 11.3. Sensible transmisión por paramentos.........................
  • 11.4. Sensible aire exterior
  • 11.5. Cálculo sensible interno
  • 11.6. Sensible por ocupantes................................................
  • 11.7. Resumen de calor sensible
  • 11.8. Latente aire exterior
  • 11.9. Latente por aparatos....................................................
  • 11.10. Latente ocupantes........................................................
  • 11.11. Total latente..................................................................
• 12. Cálculo de la carga de calefacción
• 13. Cálculo por programas informáticos
• Resumen
• Anexo. Hojas de datos
• Laboratorio....................................................................................
• Bibliografía

U.D. 5 CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS

INTRODUCCIÓN

Con este tema aprenderemos a calcular el equipo climatizador necesario para un local determinado.

Se describen varios métodos, más o menos complejos, y se aportarán varias tablas y gráficos, con datos de condiciones interiores, exteriores, de paramentos tipo, etc.

También conoceremos valores usuales para distintos tipos de locales, para poder tener un apoyo.

La duración para la unidad didáctica es de 8 horas.

Cálculo de cargas térmicas:

Por cálculo de cargas se entiende el proceso de determinar la cantidad de calor que hay que extraer o aportar a un local de unas determinadas características, y situado en una zona determinada, para mantener su interior en unas condiciones de confort para las personas.

OBJETIVOS

El alumno al finalizar está unidad didáctica será capaz de calcular las necesidades de climatización de un local en sus componentes de refrigeración, calefacción, ventilación y condiciones de humedad que aseguren el estado de confort.

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En invierno hay que introducir calorías, y las pérdidas de calor son hacia el exterior.

Al final se alcanza un equilibrio entre la potencia del equipo acondicio- nador, y las transmisiones que por las paredes, techo, etc., tienden a restablecer la temperatura inicial.

En ambos casos las calorías que entran o salen del local las llamamos “pérdidas de calor” , y hay que calcularlas para determinar la potencia del aparato climatizador a instalar. El total de calor necesario a meter o sacar del local lo denominaremos “demanda térmica” del local.

Vemos que hay al menos tres datos necesarios:

• Temperatura interior , que dependen del uso del local.
• Temperatura exterior , que dependen de la zona en la que se ubique, si es más fría o calurosa.
• Condiciones de las paredes y techos del local , si está más o menos aislado térmicamente.

La bomba de calor

Hemos visto que para calentar un local hay que aportar calorías al mismo. Esto podemos hacerlo de varias formas:

• Quemando un combustible como madera, gasóleo, gas.
• Convirtiendo la corriente eléctrica en calor por efecto Joule (estufas eléctricas).
• Con un climatizador, también llamado bomba de calor porque su funcionamiento es mover calorías del exterior al interior y viceversa.

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• Aprovechando la energía solar en instalaciones especiales (energías alternativas).

Descontando las energías alternativas por ser gratuitas y considerando que no en todas las ocasiones es posible usarlas, el proceso más eficiente es el de la bomba de calor, ya que no compramos las calorías que necesitamos, sino que sólo pagamos por moverlas.

Los equipos de aire acondicionado son bombas de calor que extraen calorías del interior del local, y las vierten en el ambiente exterior.

Quede claro pues que para enfriar un local hay que tener un sistema donde verter las calorías sobrantes, pues la energía ni se crea ni se destruye.

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acuerdo con el nivel de actividad física de los ocupantes, a mayor actividad, menor temperatura. También observamos cómo la humedad aumenta la sensación de calor, y en invierno disminuye la sensación de frío. Pensemos que en el desierto se pueden soportar bien temperaturas de más de 40° C, debido a que el ambiente es muy seco.

2.1. Fijación de las condiciones interiores de confort, según RITE

Para proyectar una instalación, deberemos fijar unas condiciones interiores de temperatura y humedad, que nos vienen indicadas en varias normas, de acuerdo con el uso del local:

El RITE, en su instrucción 02.2.1 hace referencia a la norma UNE EN ISO 7730, y la resume en la tabla siguiente, que fija las condiciones de las zonas ocupadas:

La zona ocupada donde se aplica es el volumen comprendido entre:

• 10 cm sobre el suelo a 2 m de alto.
• 1 m de ventanas o 0,50 m de paredes sin ventanas. No son zonas ocupadas:
• Zonas de tránsito
• Zonas cercanas a puertas.
• Zonas cercanas a aparatos productores de calor o rejillas de impulsión.

2.2. Fijación de las condiciones interiores de confort, según Norma europea 1752

La Norma Europea 1752 (ver Anexo1) es una norma más reciente, y por tanto más restrictiva, que establece las condiciones interiores en edificios. También nos indica unos valores de temperatura y humedad según las estancias, en verano e invierno, además de la velocidad máxima del aire, el caudal de aire de ventilación, y el ruido máximo.

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Estación Temperatura interior ° C Velocidad media aire m/s Humedad 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

Resumen y criterios para verano e invierno

De acuerdo con el RITE, estamos obligados a tomar unos valores máximos y mínimos de temperatura en los locales:

Verano:

• En los locales la temperatura de confort en verano puede oscilar entre 23 y 25° C, dependiendo del nivel de actividad en el interior.
• Para locales con personas sentadas, es suficiente 25° C. Si las personas están de pie y paseando, tomar 24° C. En locales con ejercicio físico, tomar 23° C. No es recomendable situarse fuera de estos valores, pues temperaturas inferiores a 23° C provocan resfriados, y las superiores a 25, sudoración.

Invierno:

• La temperatura para la mayoría de actividades es de 20° C, y la de los espacios no ocupados y de servicio, 17° C.
• En hospitales, residencias y hoteles, 21° C.
• Zonas con gran confort, 22° C. No conviene superar los 22° C, pues las personas tienden a abrir las ventanas por exceso de calor, y derrocharemos energía.

Locales de trabajo o industriales:

Las normas sobre condiciones de seguridad en centros de trabajo también obligan a que la temperatura en talleres e industrias esté dentro de unos márgenes:

• Temperatura de 17 a 27° C.
• Humedad relativa de 30 a 70%.

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3.2. Condiciones interiores y exteriores recomendadas para cálculo

En la tabla de temperaturas recomendadas (Anexo 1), se ofrecen unas condiciones exteriores que son utilizadas ampliamente por los proyectistas de climatización, con valores superiores a los de la norma UNE, que podemos utilizar para una mayor seguridad.

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4. REPASO DE PSICROMETRÍA DEL AIRE

4.1. El aire húmedo

El aire de la atmósfera contiene una cierta cantidad de humedad, proveniente de la evaporación del agua de los océanos, ríos, el vapor de agua exhalado por las personas, animales y plantas.

Al respirar, las personas exhalamos vapor de agua, y también por los poros de la piel al producir sudor.

Por ello, en los ambientes cerrados con personas en su interior, el contenido de vapor de agua en el aire va aumentando.

4.2. Humedad absoluta

El aire que respiramos contiene una cierta cantidad de vapor de agua que oscila de 0 a 26 gramos de vapor de agua por kg de aire (la densidad del aire se toma 1,2 Kg/m^3 ).

Local húmedo

Al contenido de vapor de agua que tiene un kg de aire lo llamamos humedad absoluta , y se expresa en kg de agua / kg de aire.

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Hr = 100 x 7,5/26 = 28,8 %.

Es decir un aire húmedo (Hr=100%), al calentarlo lo hemos convertido en aire muy seco (Hr=28,8%).

Los secadores de pelo que usamos en el baño funcionan con este principio, calientan el aire y al pasar por el pelo absorben con rapidez su humedad, secándolo.

Por el mismo principio, un aire caliente, al enfriarlo se vuelve húmedo, hasta el punto que no puede contener toda la humedad que tiene y empiezan a aparecer gotas de agua, que llamamos condensación.

Este es el fundamento de la lluvia, las nubes son masas de aire muy húmedo, que cuando se enfrían descargan el agua que le sobra en forma de lluvia o nieve.

4.5. Volumen específico del aire

El volumen específico es la relación entre el volumen de un cuerpo y su masa.

El corcho tiene un volumen específico alto, el plomo tiene un volumen específico bajo.

En el caso del aire el volumen de un kg de aire cambia mucho dependiendo de su temperatura, pues el aire caliente se dilata y el frío se contrae.

El aire caliente, como tiene un menor peso por m^3 , tiende a elevarse, y el aire frío tiende a bajar.

Para realizar los cálculos de humedad, etc., se utiliza el aire normalizado, que a 20° C tiene un volumen específico de 1,20 m^3 /kg.

Para pasar un caudal de m^3 /h a kg/h simplemente lo dividiremos por el volumen específico del aire, que es 1,2.

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Saturación de agua

[ ]

[ 3 ]

Masa Kg

Volumenm

Ve =

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4.6. Entalpía del aire húmedo

La Entalpía es la energía total que tiene el aire, y se expresa en Julios o Calorías.

Como el aire está húmedo, la energía total será la suma de la energía del aire más la energía del agua (vapor).

Siendo:

Q (^) SA = Calor sensible del aire seco.

Q (^) SV = Calor sensible del vapor de agua.

Q (^) LV = Calor latente del vapor de agua.

La energía del aire se denomina sensible, y sabemos que se calcula con:

Tomando:

m= masa de aire seco en Kg.

T 1 = Temperatura de referencia = 0° C.

T 2 = Temperatura del aire.

Ce = Calor especifico del aire = 1 kJ/kg °C = 0,239 Kcal/Kg °C.

La energía del vapor de agua será la suma del calor latente y del calor sensible.

Donde:

m= masa de vapor de agua en Kg.

T 1 = Temperatura de referencia = 0° C

T 2 = Temperatura del vapor de agua = Temperatura del aire.

Ce = Calor especifico del vapor de agua = 1, 805 kJ/kg °C =

= 0,431 Kcal/Kg ° C.