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Han colaborado en la versión castellanaJosé Alarcón Creus, autor de “Tratado práctico de Refrigeración Automática”Josep Mª Boixareu Vilaplana, Dr. Ing. Ind., Consejero Técnico de MARCOMBO, S.A.

Con la colaboración especial y coordinación deÁngel L. Miranda Barreras, Catedrático de la Universidad Politécnica de CataluñaLuis Jutglar Banyeras, Profesor Titular de la Universidad de Barcelona

Esta obra ha sido publicada en estrecha conexión con

INTERNATIONAL LIMITED

Título de la obra original

“HANDBOOK OF AIR CONDITIONINGSYSTEM DESIGN” por Carrier Air Conditioning Co.Publicada por McGRAW-HILL, New York

© Reservados todos los derechos de publicación,reproducción, préstamo, alquiler o cualquierotra forma de cesión del uso de este ejemplarde la presente edición en español porMARCOMBO, S.A. 2009Gran Via de les Corts Catalanes, 59408007 Barcelona

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ISBN 978-84-267-1499-2Depósito Legal Impreso en España – Printed in Spain

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1. INTRODUCCIÓN

La función principal del acondicionamiento de airees mantener, dentro de un espacio determinado, con-diciones de confort y sanitarias (conservación de lasalud y prevención de enfermedades), o bien lasnecesarias para la conservación de un producto opara un proceso de fabricación. Para conseguirlodebe instalarse un equipo acondicionador de capaci-dad adecuada y mantener su control durante todo elaño. La potencia del equipo se determina de acuer-do con las exigencias instantáneas de la máxima car-ga real o efectiva; el tipo de control a utilizar depen-derá de las condiciones que deben mantenersedurante las cargas máxima y parcial. Generalmente,es imposible medir las cargas reales máxima o par-cial en un espacio dado, por lo que es preciso hacerun cálculo estimativo de dichas cargas. En la prime-ra parte de este libro se han reunido los datos ytablas necesarias para evaluarlas.

Antes de hacer la estimación de la carga es necesa-rio realizar un estudio completo que garantice laexactitud de evaluación de las componentes de car-ga. Si se examinan minuciosamente las condicionesdel local y de la carga real instantánea, podrá proyec-tarse un sistema económico, de funcionamiento uni-forme y exento de averías.

"Ganancia o pérdida de calor" es la cantidad ins-tantánea de calor que entra o sale del espacio a acon-dicionar. "Carga real o efectiva" es, por definición, lacantidad instantánea de calor añadida o eliminadapor el equipo. La ganancia instantánea y la carga realrara vez serán iguales debido a la inercia térmica oefecto de almacenamiento o acumulación de calor enlas estructuras del edificio que rodean el espacioacondicionado.

Los capítulos 2, 4, 5, 6 y 7, de la primera parte, con-tienen los datos que servirán para el cálculo aproxi-mado de la ganancia o pérdida instantáneas de calor.El capítulo 3 proporciona los datos y forma de apli-car los factores de almacenamiento a las correspon-dientes ganancias de calor que dan lugar a la cargareal o efectiva. El capítulo 8 se relaciona la carga tér-mica con las condiciones de temperatura del aire y

proporciona los criterios para seleccionar las caracte-rísticas y condiciones de trabajo del equipo de clima-tización.

En cada capítulo aparecen tablas y gráficos, expli-cándose las bases que les sirven de fundamento, asícomo su aplicación mediante ejemplos numéricos,dándose también una explicación de cómo se relacio-nan las diferentes ganancias y las cargas.

2. ESTUDIO DEL LOCAL. CARACTERÍSTICAS DEL LOCAL Y FUENTES DE CARGA TÉRMICA

Para una estimación realista de las cargas de refrige-ración y de calefacción es requisito fundamental elestudio riguroso de las componentes de carga en elespacio que va a ser acondicionado. Es indispensableen la estimación que el estudio sea preciso y comple-to, no debiendo subestimarse su importancia. For-man parte de este estudio los planos de detallesmecánicos y arquitectónicos, croquis sobre el terrenoy en algunos casos fotografías de aspectos importan-tes del local. En todo caso deben considerarse lossiguientes aspectos físicos:

1. Orientación del edificio y situación del local a acon-dicionar con respecto a:a) Puntos cardinales: efectos de sol y viento.b) Estructuras permanentes próximas: efectos

de sombra.c) Superficies reflectantes: agua, arena, luga-

res de estacionamiento, etc.2. Destino del local: oficina, hospital, local de ven-

tas, fábrica, taller de montaje, etc.3. Dimensiones del local o locales: largo, ancho y alto.4. Altura de techo: de suelo a suelo, de suelo a

techo, espacio entre el cielo raso y las vigas.5. Columnas y vigas: tamaño, profundidad y carte-

las o riostras angulares.6. Estructura de los cerramientos y materiales utili-

zados.7. Condiciones del entorno: edificios o estructuras

vecinos, condiciones térmicas de los espacios orecintos colindantes, cerramientos enterrados ono, etc.

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Capítulo 1. ANÁLISIS DEL LOCAL Y ESTIMACIÓN DE LA CARGA

I_Carrier_Cap tulo 01_FINAL.qxp 11/09/2008 8:58 PÆgina 3

8. Ventanas: dimensiones y situación, marcos demadera o metal, cristal simple o múltiple, tipode persiana, dimensiones de los salientes de lasventanas y distancia situados en la cara exte-rior de la pared.

9. Puertas: situación, tipo, dimensiones y frecuen-cia de empleo.

10. Escaleras y huecos verticales.11. Ocupantes: número, tiempo de ocupación, natu-

raleza de su actividad, alguna concentraciónespecial. Algunas veces es preciso estimar losocupantes a base de metros cuadrados por per-sona o promedio de circulación.

12. Alumbrado: potencia en la hora punta. Tipo:incandescente, fluorescente, directo o indirecto.Si se carece de información exacta se recurre ahacer un cálculo de la iluminación en vatios pormetro cuadrado.

13. Motores: situación, potencia nominal y régimende trabajo. Este último dato es muy importantey debe valorarse cuidadosamente.

14. Equipos y utensilios diversos que funcionan den-tro del recinto (ordenadores, cafeteras, cocinas,etc.). Debe conocerse, con la mayor precisiónposible, sus características de funcionamiento:potencia eléctrica, potencia térmica, emisión devapor de agua, emisión de otros gases o polvo,régimen de trabajo, etc. Los datos concretos se-rán suministrados por el fabricante o bien podránextraerse de la experiencia en casos análogos.

15. Ventilación necesaria en función de la función delrecinto y del nivel de bienestar deseado, respe-tando las condiciones mínimas exigidas por lanormativa vigente. Pueden expresarse en cau-dal por persona o en caudal por metro cuadra-do de superficie ocupada. (Ver capítulo 6).

16. Almacenamiento térmico: comprende el horariode funcionamiento del sistema (12, 16 ó 24 ho-ras al día) con especificación de las condicionespunta exteriores, variación admisible de tempe-ratura en el recinto durante el día, alfombras enel suelo, naturaleza de los materiales superficia-les que rodean el espacio acondicionado. (Ver elcapítulo 3).

17. Funcionamiento continuo o intermitente: si el siste-ma debe funcionar cada día laborable durantela temporada de refrigeración o solamente enocasiones, como ocurre en las iglesias y salas debaile. Si el funcionamiento es intermitente hayque determinar el tiempo disponible para larefrigeración o calefacción previa.

3. SITUACIÓN DEL EQUIPO Y SERVICIOS

El análisis del local debe incluir también la informa-ción que permita al ingeniero seleccionar la situacióndel equipo y planificar los sistemas de distribuciónde aire y agua. A continuación se da una guía paraobtener esta información:

1. Espacios disponibles: situación de los huecos deescalera, de ascensor, chimeneas en desuso,huecos de conductos, montacargas, etcétera, yespacios para unidades de ventilación, máqui-nas de refrigeración, torres de enfriamiento,bombas y servicios. (Ver capítulo 5).

2. Posibles obstrucciones: situación de las conduc-ciones eléctricas, tuberías o interferencias engeneral que pueden estar situadas en el trazadode los conductos.

3. Situación de los tabiques y cortafuegos.4. Situación de las entradas de aire exterior: en rela-

ción con la calle, otros edificios, dirección delviento, suciedad y desvío de contaminadoresnocivos.

5. Suministro de energía eléctrica: situación, capaci-dad, limitaciones de corriente, tensión, fases yfrecuencias, tres o cuatro hilos, forma de incre-mentar la potencia en caso necesario y dónde.

6. Suministro de agua: situación, dimensiones detuberías, capacidad, presión, temperatura má-xima.

7. Características arquitectónicas del local: para se-leccionar las salidas de aire que se va a im-pulsar.

8. Equipo y conductos de aire existentes: para su posi-ble empleo.

9. Desagües: situación y capacidad, disposición dela red de drenaje.

10. Soleras, forjados de las plantas y forjados de cubier-ta [26]: para saber si pueden soportar el peso dela maquinaria o deben reforzarse.

11. Requisitos de condiciones sonoras y control de vibra-ciones: relación entre la situación de los apara-tos de refrigeración y ventilación y las zonascríticas.

12. Accesibilidad del equipo al lugar del montaje: ascen-sores, escaleras, puertas, acceso desde la calle.

13. Reglamentación [14], [75], local y nacional: líneasde utilización, desagüe, suministros de agua,ventilación de la refrigeración, construcción delas salas de máquinas, conductos, exutorios,ventilación de los locales en general y de lassalas de máquinas en particular.

4. ESTIMACIÓN DE LA CARGA DE ACONDICIONAMIENTO DEL RECINTO

4.1 Introducción

Debe estimarse la carga de refrigeración o calefacciónde un recinto para poder dimensionar correctamentela instalación: potencia de los equipos, conductos deaire, tuberías de agua, sistema de control, etc.

Para ello deben escogerse unas condiciones interio-res y exteriores de cálculo, que vienen determinadaspor el reglamento de calefacción y refrigeración delpaís, que es de obligado cumplimiento. Deberá po-nerse extremo cuidado en tener en cuenta todas las

ESTIMACIÓN DE LA CARGA TÉRMICAI-4


cargas, tanto interiores como exteriores, régimen defuncionamiento de las instalaciones y utilización delrecinto que debe climatizarse.

Si en algún aspecto, como por ejemplo radiaciónsolar incidente, el reglamento no especifica nada, elproyectista deberá tener en cuenta las condicionesmás desfavorables que puedan presentarse a lo largode la temporada de calefacción o refrigeración. El sis-tema de climatización debe diseñarse de forma tal que,para un día y una hora de máxima carga, sea capaz demantener las condiciones de bienestar deseadas.

4.2 Cargas exteriores

Las cargas exteriores consisten en:1. Radiación solar que entra a través de cerramientos

transparentes. Debe tenerse en cuenta: la radiación incidente,factores de amortiguación debidos a persianaso cortinas y calidad del vidrio y sombras pro-yectadas por elementos exteriores. Debido aque una parte no despreciable del calor solarque entra en el recinto se utiliza para calentar laestructura del mismo y los objetos situados ensu interior, calor que luego se devuelve alambiente interior, en un cálculo más afinado dela carga instantánea puede tenerse en cuenta elefecto de este almacenamiento de calor.

2. Radiación solar sobre cerramientos opacos.En régimen de verano, el calor penetra en lapared a través de su cara exterior debido a laacción combinada del aire exterior y de la radia-ción solar, con lo cual la pared se va calentandoprogresivamente desde fuera hacia dentro ycuando el aporte de calor desde el exterior dis-minuye, la pared se enfría también desde den-tro hacia fuera. En definitiva hay almacena-miento de calor en la pared y un retraso en lallegada de la demanda de calor en el interior,esto hace que la demanda real no coincida conla instantánea calculada a partir de las condicio-nes interiores y exteriores..

3. Temperatura del aire exterior.Una temperatura del exterior más alta que ladel interior hace que el calor fluya a través delas ventanas, tabiques y suelos.

4. Presión del vapor de agua.El vapor de agua pasa a través de la mayoría delos materiales utilizados en la construcción deparedes y forjados, y su flujo depende de ladiferencia de su presión parcial a ambos ladosde la pared y circula en el sentido de mayor amenor presión. Imaginemos una situación deverano en que el aire exterior este a elevadatemperatura y alto grado de humedad y el aireinterior de una cámara frigorífica a muy bajatemperatura, la presión parcial de vapor deagua del aire exterior será mucho mayor que ladel aire interior y el vapor pasará desde el exte-

rior al interior si no se instala una barrera que loimpida.

5. Viento que sopla contra una pared del edificio. El viento hace que el aire exterior se infiltre através de las rendijas de puertas y ventanas.Debido a que las condiciones de temperatura yhumedad del aire exterior no coinciden con lasdel interior, esta infiltración se traduce en cargatérmica que puede ser sensible y/o latente. Elcapítulo 6 contiene los datos necesarios parahacer la estimación de esta carga.

6. Aire exterior necesario para la ventilación. Generalmente, se necesita aire exterior para re-novar parte del interior a fin de mantener lascondiciones de salubridad y bienestar. Como enel caso de las infiltraciones, esta sustitución deaire interior por exterior, impone una carga quepuede ser muy importante y que deberá tener-se en cuenta (ver capítulo 8).

4.3 Cargas internas

El capítulo 7 contiene los datos necesarios para haceruna estimación de las ganancias térmicas originadaspor la mayoría de elementos que generan calor en elinterior del espacio acondicionado. La carga internao calor generado en el local depende de la aplicación.En cada caso habrá que aplicar a todas las cargasinternas el correspondiente factor de utilización.

Fuentes de calor internas:1. Personas.

El cuerpo humano, debido a su metabolismo,genera calor en su interior y lo cede por radia-ción, convección y evaporación desde su super-ficie, y por convección y evaporación a travésdel sistema respiratorio. La cantidad de calorgenerado y disipado depende de la temperatu-ra ambiente y del grado de actividad de la per-sona.

2. Iluminación. Los elementos de iluminación convierten la ener-gía eléctrica en calor y en luz. (Ver capítulo 7).

3. Utensilios y herramientas. Los restaurantes, hospitales, laboratorios y de-terminados establecimientos (salones de belle-za) tienen aparatos eléctricos, de gas o de va-por que desprenden calor. En las tablascorrespondientes se dan los valores recomen-dados para el cálculo de su contribución a lacarga térmica interna.

4. Aparatos electrónicos y equipos informáticos. Consultar los datos de fábrica para valorar sudisipación de calor. Si no se conoce, una opciónprudente es aceptar que es igual a la potenciaeléctrica consumida multiplicada por un factorde utilización.

5. Motores eléctricos.Los motores eléctricos constituyen una cargamuy importante en las instalaciones industria-

CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DEL LOCAL Y ESTIMACIÓN DE LA CARGA I-5 Part

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les, por lo que debe hacerse un cuidadoso aná-lisis que tenga en cuenta: potencia, horas defuncionamiento y carga parcial.

6. Tuberías de conducción de fluidos. Por algunos recintos climatizados pueden pasarconducciones a temperatura distinta de la delaire ambiente, en consecuencia cederán o capta-rán calor en función de la diferencia del saltotérmico entre la tubería y el aire y del estado dereposo o movimiento del mismo. En la mayoríade los casos, los conductos que transportan flui-dos a temperatura distinta del ambiente, estánaislados térmicamente y el aporte o absorciónde calor es poco importante.

7. Diversas fuentes de calor. Pueden existir otras fuentes de calor y de hu-medad dentro del espacio acondicionado, comopor ejemplo: escapes de vapor en máquinas delavar y planchar, ventiladores y bombas delpropio sistema de acondicionamiento del aire yotros, que también deberán tenerse en cuentaen el cálculo riguroso de la carga sensible ylatente.

4.4 Diferencia entre el cálculo de las cargas de refrigeración y la de calefacción

Para el cálculo de la carga de refrigeración de unrecinto, deben tenerse en cuenta todas las cargas de-bidas a fuentes interiores y fuentes exteriores, dife-renciando claramente las cargas sensible, latente ytotal, puesto de la elección del equipo de frigoríficodepende de la carga total y de la relación entre lascargas sensible y latente.

En cambio, en el cálculo de la carga de calefacción,en la mayoría de los casos, solamente suele tenerseen cuenta las cargas de calor sensible debidas a fuen-tes exteriores debido a varias razones:

1. Cargas interiores.En la mayoría de los casos, el aporte de calordebido a fuentes interiores, es mucho menorque la demanda de calefacción del recinto y elno contabilizarlo solo implica un ligero sobredi-mensionado de la potencia del generador decalor. En aquellos casos en que la generacióninterna de calor sea importante, si que deberáconsiderarse.

2. Carga sensible.Debido a las condiciones de bienestar acepta-das y a las condiciones del aire exterior en tem-porada de calefacción, temperatura y hume-dad, la humedad absoluta del aire exterior esmucho menor que la del aire interior, con locual la renovación de aire interior por exterior,que siempre existe, implica pérdida neta de va-por de agua. Generalmente esta pérdida es com-pensada por la ganancia de humedad debida afuentes interiores y puede despreciarse. Si lapérdida de vapor de agua es muy importante,

será necesario aportar vapor para mantener elgrado de humedad necesario para el bienestar oactividad industrial.

3. Potencia del generador de calor.El rendimiento de una caldera, depende de sucarga parcial pero en menor grado que el deuna máquina frigorífica. Además, el coste uni-tario de instalación (euros/kW) de una caldera,es menor que el de una máquina frigorífica. Porambas razones, sobredimensionar ligeramenteuna caldera no comporta un extracoste excesivoy, por otro lado, asegura que será capaz decubrir la demanda de calefacción en condicio-nes muy extremas.

4. Inercia térmica de cerramientos y forjados.Debido a que la diferencia de temperatura laatmosférica y la de bienestar, puede ser consi-derable. Si un edificio no se utiliza la tempera-tura media de sus cerramientos y forjados espróxima a la media atmosférica diaria, en cam-bio, cuando se utiliza, su temperatura aumen-ta hasta niveles más próximos a la de bienestar.Cuando un edificio esta sometido a un régi-men de trabajo intermitente, una escuela porejemplo, deben tenerse en cuenta los datos cli-máticos y el régimen de intermitencia para ga-rantizar el aporte de calor extra necesario du-rante el período de puesta en marcha de lainstalación.

4.5 Cálculo de la carga a grandes alturas

La densidad del aire, como la de cualquier gas, de-pende de su temperatura y humedad. El efecto delavariación de la temperatura, dentro de las condicio-nes ambientales, no es tan importante como el debi-do a la presión. Como la presión atmosférica dismi-nuye al aumentar la altura del punto respecto alnivel del mal, la densidad del aire también disminu-ye en el mismo sentido y esto deberá tenerse en cuen-ta en los cálculos que afecten a caudales, volumétri-cos y másicos.

4.6 Hojas de cálculo

Debe quedar constancia de los cálculos efectuados,de los datos de partida y de los resultados obtenidos,por varias razones entre las cuales, como más impor-tantes, sólo citaremos dos: facilitar la revisión de loscálculos, justificar las decisiones adoptadas, adoptaruna mecánica de cálculo que simplifica el trabajo yacumular datos y conocimientos para proyectos pos-teriores.

Por ello es conveniente utilizar hojas de cálculo dis-tintas para la carga de refrigeración [48] y calefaccióncomo las que se presentan a continuación. (Ver tablas1, 2 y 3).



5. SELECCIÓN DEL EQUIPO

Después de hacer la evaluación de la carga, debe ele-girse el equipo cuya capacidad sea suficiente paraneutralizar esta carga. El aire impulsado hacia elespacio acondicionado debe tener las condicionesnecesarias para satisfacer las cargas de calor sensible

y latente que han sido estimadas. En el capítulo 8,"Empleo del diagrama psicrométrico", se exponenlos procedimientos y ejemplos para determinar loscriterios por los que se selecciona el equipo de acon-dicionamiento (cantidad de aire, punto de rocío delequipo, etc.).

CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DEL LOCAL Y ESTIMACIÓN DE LA CARGA I-7 Part

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Tabla 1 - Ejemplo de modelo de datos generales para el cálculo de la carga térmica o frigorífica

Identificación del recinto:Situación geográfica: Zona:Descripción:Función: Horas/día: Días/semana:

Condiciones de cálculo interiores Condiciones de cálculo exteriorest ϕ x h t ϕ x h

(ºC) (%) (g/kg) (kJ/kg) (ºC) (%) (g/kg) (kJ/kg)

Velocidad del viento (m/s): Densidad ρ = kg/m3 Calor específico cp = kJ/kg K

Tabla 2 - Ejemplo de modelo de hoja de cálculo de la carga de calefacción

Pérdida de calor por transmisión a través de cerramientosIdentificación (comentario) S K ∆t Ft (S K ∆t Ft) / 1000

(m2) (W/m2K) (ºC) (kW)

Pérdida de calor por transmisión a través de cerramientos Qc = kWPérdida de calor por aire exterior. ∆t = ºC

Identificación (comentario) S (m2) Fs (m/ s) V = S Fs V ρL (m) Fl (m2/s) V= L Fl (kg/s)

Ventilación forzada N Vr V = N Vr /3600 V ρ(l/h) (m3) (m3/s) (kg/s)

Caudal total de aire exterior Ma = kg/sPérdida de calor por aire exterior Qa = Ma cp ∆t Qa = kWCarga total de calefacción Qtot = Qc + Qa Qtot = kW


Tabla 3 - Ejemplo de modelo de hoja de cálculo de la carga de refrigeración

Local: Fecha: Superficie: Día: HS:Personas: Potencia de iluminación: Infiltraciones:Ventilación: Excursión térmica diaria:

Temp. HR HAºC % kgw /kga

Condiciones ext.

Condiciones int.

Radiación solar S ×× R ×× f Infiltraciones latente 0,83 Vii ∆∆WVentanaVentana Personas latente n ×× Ol

VentanaVentana OtrosClaraboyaRadiación y transmisión S ×× K ×× DTEPared Total latente (4)Pared QLLVV = 0,83 f Vvv ∆∆W (5)ParedPared Suma latente efectiva (4) + (5)Techo 10 % de seguridad (6)Suelo Total latente efectiva (4)+(5)+(6)Transmisión S ×× K ×× ∆∆T Total efectivaVidrio Temperatura estado 4Pared interior Aire de suministro: V = Qes/ 0,34 (1 – f )(t2 – t4)

Paredes interioresTecho Temperatura estado 3 t3 = t2 + (Vv/V)(t1 - t2)

SueloInfiltraciones sensible 0,34 Vii ∆∆t Temperatura estado 5 t5 = t4 + f(t3 - t4)

Personas sensible n × Os Humedad absoluta estado 3Humedad absoluta estado 5

Iluminación Entalpía estado 3Incandescente I Entalpía estado 5

Potencia de refrigeración 0,33 V (h33- h55)

Fluorescente 1,25 I

Otros

Total sensible (1)0,34 f Vvv ∆∆t (2)

Suma sensible efectiva (1) + (2)10 % de seguridad (3)Total sensible efectiva (1)+(2)+(3)

Nota: Esta hoja de carga está preparada no sólo para obtener la carga térmica de refrigeración sino también los parámetros caracte-rísticos del acondicionamiento de verano. El caudal debe expresarse en m3/h, ∆t en oC, ∆W en g/kg, K en W/m2 oC, h en kJ/kg.Las diferentes partidas se expresan en W.



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