REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA DE INGENIERA MECNICA NCLEO MARACAIBO

Programa Interactivo para el Diseo de Sistemas de Acondicionamiento Ambiental en Oficinas de Atencin al Pblico

Trabajo Especial de Grado, presentado ante la ilustre Universidad del Zulia, para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico

Por los Bachilleres: Andrade V., Francisco J. Marn P., Henry J. Tutor Acadmico: Ing. Gonzlez., Juan J. Maracaibo, Julio del 2004

Este jurado aprueba el Trabajo Especial de Grado titulado: PROGRAMA INTERACTIVO PARA EL DISEO DE SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO AMBIENTAL EN OFICINAS DE ATENCIN AL PBLICO que los bachilleres: Andrade V., Francisco J. y Marn P., Henry J., presentan al Consejo de Facultad de Ingeniera, en cumplimiento con los requisitos sealados en la seccin II del Capitulo III del Reglamento de la Facultad, para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico.

Maracaibo, Julio del 2004

Jurado Examinador:

_______________________ Profa. Isabel Gandica

______________________ Prof. Carlos Araujo

_____________________ Prof. Juan Jos Gonzlez Tutor Acadmico

AGRADECIMIENTO

A Dios por ser quin nos dio la vida y gracias a l cumplimos nuestras metas. A nuestros Padres por el apoyo incondicional que nos han brindado. Muchas gracias a nuestros tutores, la Ingeniera Nastia Almao y el Ingeniero Juan Jos Gonzlez, quienes hicieron posible la realizacin de cada uno de los objetivos planteados en este trabajo. Agradecemos tambin la colaboracin del ingeniero Rafael Hoiro Urbina y la Ingeniera Isabel Gandica.

Francisco Andrade Henry Marn

DEDICATORIAA Dios por permitir que alcance las metas que me he propuesto en mi vida, por darme buena salud, bienestar, alegra y la felicidad que siento. A mi padre por su gran esfuerzo y sacrificio para facilitarme todo lo que he necesitado. A mi mam por ser una excelente madre, por su preocupacin, sacrificio y apoyo cuando ms lo he necesitado, por todo su amor y cario para conmigo. A Mara Virginia, la persona que ha estado a mi lado, apoyndome, respetndome y ensendome cada da ms, a crecer como persona con todo su amor. TQMsimo. A mis amigos, que de alguna manera han estado a mi lado, brindndome su apoyo.

Francisco Javier Andrade Villegas

DEDICATORIAA DIOS por dejar escoger mi camino. A mi Madre y Hermanos, motivos de mi superacin. A mi abuela Antonia, quien fue mi gran apoyo en toda mi formacin acadmica. A mi ta Roco y la Familia Morales Palmar, quienes creyeron en mi y brindaron su respaldo. A mis grandes amigos, que sobre todas las cosas fueron las personas que estuvieron siempre ah. A todos GRACIAS!!!

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RESUMENAndrade V., Francisco J. y Marn P., Henry J. PROGRAMA INTERACTIVO PARA EL DISEO DE SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO AMBIENTAL EN OFICINAS DE ATENCIN AL PBLICO. Maracaibo, Estado Zulia; Facultad de Ingeniera. Universidad del Zulia. 2004. 232 pginas. TRABAJO ESPECIAL DE GRADO La Unidad de Ahorro Energtico de la Alcalda de Maracaibo fomenta el uso eficiente de la energa de los entes centralizados y descentralizados de la corporacin. En dichas entidades el acondicionamiento ambiental representa al menos el 70% del consumo elctrico de la edificacin. En este sentido, la U.A.E., tiene la necesidad de crear un programa didctico e interactivo que permita disear sistemas de acondicionamiento ambiental en oficinas pblicas. El programa llamado CEDCO, bajo ambiente VISUAL BASIC V.6. Permite calcular la carga trmica o carga de enfriamiento de forma rpida y amigable. Basado en el mtodo del TETD para las cargas de la envolvente de la edificacin y el CLF para las cargas interiores, esta diseado para realizar los clculos a cualquier hora del da, es decir, las 24 horas y para una temperatura interior del espacio en un rango de 22 C a 26 C, temperaturas basadas en el confort humano. CEDCO tambin permite hacer el diseo del sistema de distribucin de aire, esto incluye: dimensionamiento de los conductos de aire, utilizando el mtodo de igual friccin; seleccin de difusores y rejillas para los conductos de suministro y retorno; seleccin de rejillas de retorno, evaluacin de la prdida de presin total del sistema y seleccin del ventilador. Se puede afirmar que CEDCO, es una herramienta til, ya que es muy verstil a la hora de trabajar con l y ofrece resultados completamente vlidos en poco tiempo, convirtindose en un recurso de gran ayuda para la realizacin de las auditorias energticas en oficinas. Palabras Claves: Carga de Enfriamiento y Distribucin de Aire.

CONTENIDO Pgina de Aceptacin Agradecimiento Dedicatorias Resumen Contenido Lista de Figuras Lista de Tablas Introduccin CAPTULO I : PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del Problema 1.2. Justificacin del Estudio 1.3. Alcance y Delimitacin 1.4. Objetivos Generales 1.5. Objetivos Especficos 1.6. rea de Ubicacin CAPTULO II : FUNDAMENTOS TERICOS 2.1. Antecedentes de la Investigacin 2.2. Definicin de Trminos Bsicos 2.3. Carga Trmica 2.3.1. Principios de la Carga de enfriamiento 2.3.1.1. Tcnicas para el Clculo de Carga de Enfriamiento de los Espacios 2.3.1.2. Consideraciones de Diseo Iniciales 2.3.1.3. Conceptos del Clculo de la Ganancia de Calor 2.3.1.4. Fuentes de Calor en Espacios Acondicionados 2.3.1.5. Ganancia de Calor por Infiltracin y Ventilacin 2.3.2. Mtodos para el Clculo de Carga de Enfriamiento 2.3.2.1. Mtodo Funcin de Transferencia (TFM) 2.3.2.2. Mtodo del Diferencial de Temperatura y del Factor de Carga de Enfriamiento (CLTD/CLF) 2.3.2.3. Mtodo del Diferencial de Temperatura Equivalente Total (TETD) 2.4. Sistema de Distribucin de Aire 2.4.1. Ventilacin 2.4.1.1. Bases y Objetivos de la Ventilacin Mecnica 2.4.2. Componentes del Sistema 2.4.3. Pasos a Considerar 2.4.4. Normas Preestablecidas

Pg. ii iii iv vi vii x xii 1 2 3 4 5 5 5 6 7 8 11 14 14 17 21 23 25 27 28 28 29 31 33 34 34 35 35 36

2.4.5. Diseo de Conductos 2.4.5.1. Mtodos de Diseo 2.4.5.1.1. Mtodo de Igual Friccin 2.4.5.1.2. Mtodo de Reduccin de Velocidad 2.4.5.1.3. Mtodo de Recuperacin Esttica 2.4.5.2. Procedimiento para el Diseo de Conductos 2.4.7. Ventilador CAPTULO III: FUNDAMENTOS COMPUTACIONALES 3.1. Clculo de Carga Trmica 3.1.1. Condiciones de Diseo 3.1.2. Cargas Sensibles 3.1.2.1. Cargas A Travs de techos y Paredes Exteriores 3.1.2.2. Cargas A Travs del Suelo 3.1.2.3. Cargas A Travs de Ventanas y/o Vidrios 3.1.2.4. Cargas A Travs de Superficies Interiores 3.1.2.5. Cargas Generadas por Fuentes de Calores Interiores 3.1.2.6. Cargas A Travs de Cambios de Aire 3.1.3. Cargas Latentes 3.1.3.1. Cargas Generadas por Fuentes de Calores Interiores 3.1.3.2. Cargas A Travs de Cambios de Aire 3.1.4. Carga Trmica en el Espacio 3.2. Diseo del Sistema de Distribucin de Aire 3.2.1. Dimensionamiento de los Conductos 3.2.2. Seleccin de Difusores 3.2.3. Seleccin de Rejillas de suministro 3.2.4. Seleccin de Rejillas de retorno 3.2.5. Prdida de Presin Total del Sistema de Distribucin de Aire 3.2.6. Seleccin del Ventilador 3.3. Diagramas de Flujo 3.3.1. Diagrama de Flujo para el Clculo de la Carga Trmica 3.3.2. Diagrama de Flujo para el Diseo del Sistema de Distribucin de Aire CAPTULO IV: RESULTADOS 4.1. Carga Trmica 4.1.1. Clculo de la Carga Trmica de Forma Manual 4.1.2. Clculo de la Carga Trmica Utilizando el Programa CEDCO 4.1.3. Resultados Obtenidos de La Comparacin del Clculo Manual y del Clculo con CEDCO 4.2. Sistema de Distribucin de Aire

36 37 37 37 37 38 38 40 41 42 43 43 44 45 47 47 49 50 51 51 52 53 54 59 60 60 61 64 65 65 66 67 68 68 90 98 99

4.2.1. Diseo del Sistema de Forma Manual 4.2.2. Diseo del Sistema Utilizando el Programa CEDCO 4.2.3. Resultados Obtenidos de la Comparacin del Clculo Manual y del Clculo con CEDCO CAPTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5.1. Conclusiones 5.2. Recomendaciones APENDICE A: Tablas APENDICE B: Figuras APENDICE C: Manual del Usuario BIBLIOGRAFA ANEXOS

100 121 127 129 130 131 132 195 204 226 227

LISTA DE FIGURASFIGURA DESCRIPCION 1 Sistema de HVAC secundario simplificado para una sola zona. 2 Diagrama de flujo para el clculo de carga trmica 3 Diagrama de flujo para el diseo del sistema de distribucin de aire 4 Vista de planta de las oficinas 5 Formulario Carga trmica, ficha Condiciones de Diseo, datos del proyecto. 6 Ficha Carga Trmica, sub-ficha Carga Trmica Exterior, datos del espacio 1. 7 Ficha Carga Trmica, sub-ficha Carga Trmica Interior, datos del espacio 1. 8 Ficha Resultados, espacio 1. 9 Ficha Resultados, espacio 2. 10 Ficha Resultados, espacio 3. 11 Ficha Resultados, espacio 4. 12 Ficha Resultados, espacio 5. 13 Ficha Resultados, espacio 6. 14 Ficha Resultados, espacio 7. 15 Ficha Total, resultados totales del proyecto. 16 Layout de los conductos del sistema 1. 17 Layout de los conductos del sistema 2. 18 Ficha Distribucin de Aire, sub-ficha Ductos de Suministro, datos del sistema 1. 19 Ficha Distribucin de Aire, sub-ficha Ductos de Suministro, datos del sistema 2. 20 Ficha Informe, Sistema 1. 21 Ficha Informe, Sistema 1. 22 Ficha Informe, Sistema 1. 23 Ficha Informe, Sistema 2. 24 Ficha Informe, Sistema 2. 25 Ficha Informe, Sistema 2. 26 Presentacin de CEDCO 27 Pantalla Principal de CEDCO 28 Men Archivo 29 Men Totalizar 30 Ventana de Inicio 31 Abrir Proyecto 32 Formulario Carga Trmica, ficha Datos Generales 33 Formulario Carga Trmica, ficha Condiciones de Diseo 34 Formulario Carga Trmica, ficha Carga Trmica 35 Opciones para TECHOS, PAREDES Y VENTANAS Y/O VIDRIOS Pg. 35 65 66 68 91 92 93 94 94 95 95 96 96 97 97 99 99 122 123 124 125 125 126 127 127 204 205 205 206 207 208 209 210 210 211

36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77

Opciones para SUELOS Botones para agregar, eliminar y desplazarse entre paredes y ventanas y/o vidrios TECHOS PAREDES SUELO VENTANAS Y/O VIDRIOS PERSONAS Botones para agregar, eliminar y desplazarse entre luminarias y artefactos ILUMINCIN ARTEFACTOS Y/O EQUIPOS CAMBIOS DE AIRE Ficha Carga Trmica, sub-ficha Resultados Ficha Carga Trmica, ficha Total Ficha Carga Trmica, ficha Informe Formulario Distribucin de Aire, ficha Datos Generales Formulario Sistema de Distribucin de Aire, ficha Distribucin de Aire DUCTO A LA SALIDA DEL VENTILADOR DUCTO de la sub-ficha Ductos de Suministro. DUCTO A LA ENTRADA DEL VENTILADOR DUCTO de la sub-ficha Ductos de Retorno. Ficha Distribucin de Aire, sub-ficha Seleccin del Ventilador. Formulario Sistema de Distribucin de Aire, ficha Informe. Difusor de 1 va Modelo 1R Difusor de 1 va Modelo 1S Difusor de 1 va Modelo 1 Difusor de 2 vas Modelo 2 Difusor de 2 vas Modelo 2F Difusor de 2 vas Modelo 2H Difusor de 2 vas angular Modelo 2B Difusor de 2 vas angular Modelo 2BR Difusor de 2 vas angular Modelo 2BL Difusor de 3 vas Modelo 3B Difusor de 3 vas Modelo 3L Difusor de 4 vas Difusor de 4 vas rectangulares Accesorio 1: Codo de radio rectangular Accesorio 2: Codo recto rectangular Accesorio 3: Tee racta Accesorio 4: Tee de radio Accesorio 5: Doble codo, W = H y R/H = 1,25 Accesorio 6: Doble codo, W = H y R/H = 1,25 Accesorio 7: Doble codo, W = H y R/H = 1,25

211 211 212 213 213 213 214 214 215 216 216 217 217 218 219 220 221 222 223 223 224 225 195 195 195 195 196 196 196 196 197 197 197 197 198 198 198 198 199 199 199 199

78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

Accesorio 8: Doble codo, W = H y R/H = 1,25 Accesorio 9: Codo de radio circular, R/D = 1,5, W = H y R/H = 1,25 Accesorio 9: Codo de radio circular, R/D = 1,5, W = H y R/H = 1,25 Accesorio 9: Codo de radio circular, R/D = 1,5, W = H y R/H = 1,25 Accesorio 12: Codo circular 3 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 13: Codo circular 3 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 14: Codo circular 3 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 15: Codo circular 4 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 16: Codo circular 4 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 17: Codo circular 4 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 18: Codo circular 5 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 19: Codo circular 5 piezas, R/D = 1,5 Accesorio 20: Codo circular 5 piezas, R/D = 1,5

200 200 200 200 201 201 201 201 202 202 202 202 203

LISTA DE TABLASTABLA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 DESCRIPCION Condiciones de Diseo Interior, Humedad Relativa de 55%. Condiciones de Diseo Exterior Configuraciones de Techos Coeficientes de Transferencia de Calor Global (U) para Techos Diferenciales de Temperaturas Equivalentes Totales (TETD, K) para Techos Configuraciones de Paredes Coeficientes de Transferencia de Calor Global (U) para Paredes Diferenciales de Temperaturas Equivalentes Totales (TETD, K) para Paredes Ajuste por Color Tipos de Vidrios Coeficientes de Sombra (CS) y Coeficientes de Transferencia de Calor Global (U) para Vidrios, Sin Sombra Interior Factores de Ganancia de Calor Solar Mximos por Factores de Carga de Enfriamiento (FGCSmax.CLF) Coeficientes de Sombra (CS) y Coeficientes de Transferencia de Calor Global (U) Para Tragaluces Configuraciones de Entrepisos Ganancias de Calor por Personas (Basada en ASHRAE 1989a). Ganancias de Calor por Aparatos o Equipos (Basada en ASHRAE 1997). Factor de Carga de Enfriamiento para Calor Sensible de Personas. Factor de Carga de Enfriamiento para Calor Sensible de Aparatos. Factor de Carga de Enfriamiento para Luces. Factor de Carga de Enfriamiento para Luces Cambios de Aire, (Basada en Tabla 13. del Formato RHU-151000). Aire Fresco para Ventilacin. Condiciones Interiores de Diseo, Humedades Relativas %, (Basada en Tabla 3. del Formato RHU-15-1000). Factores de Rugosidad en Conductos, (Basada en ASHRAE 1997). Velocidades Mximas Recomendada para Sistemas a Bajas Velocidades (pies/min). Dimensiones de Conductos Rectangulares Equivalentes (pulg). Velocidades Recomendadas a la Salida de Rejillas y Difusores de Suministro Difusores Rejillas de Suministro VH o HV con o sin Control de Volumen. Pg. 132 132 133 135 136 138 139 139 151 152 153 153 154 154 154 155 155 156 156 158 158 159 159 159 160 160 172 173 176

30 31 32 33 34 35 36 37

Velocidades Recomendadas para las Rejillas de Retorno. Datos de Rendimiento de las Rejillas de Retorno. Longitudes Equivalentes y Coeficientes de Prdidas Dinmicas Ventiladores. Comparacin de resultados de la carga trmica. Resumen de los resultados del clculo manual. Datos suministrados del sistema 1, para el diseo con CEDCO. Datos suministrados del sistema 2, para el diseo con CEDCO.

179 179 180 180 98 120 121 122

INTRODUCCINLa Unidad de Ahorro Energtico de la Corporacin Alcalda de Maracaibo fomenta el uso eficiente de la energa y brinda la oportunidad de una mejor calidad de vida a los habitantes del municipio, planificando y ejecutando las actividades de asesora, capacitacin y seguimiento; a fin de establecer el Marco Legal requerido para el alcance de sus objetivos; entre ellos estn, las auditorias y estudios energticos de las entidades; lo cual hace necesario contar con herramientas eficientes. En este trabajo especial de grado se presenta un programa para el diseo de sistemas de acondicionamiento ambiental en oficinas pblicas, un programa didctico, interactivo y amigable para el usuario, el cual esta en la capacidad de determinar la carga de enfriamiento para cualquier hora del da y para mltiples espacios, basado en las condiciones climticas del mes de agosto de la ciudad de Maracaibo. Tambin esta en la capacidad de disear el sistema de distribucin de aire, el cual comprende: Dimensionamiento de los conductos de suministro y retorno, seleccin de los difusores y rejillas y la seleccin del ventilador; con la finalidad de facilitar y realizar de manera ms eficiente los estudios energticos.

CAPTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLENA

1.1. Planteamiento del Problema El Ministerio de Energa y Minas (M.E.M.) durante el taller de capacitacin en Ahorro de Energa Elctrica para funcionarios pblicos, dictado por el Instituto de Energa (INDENE) de la Universidad Simn Bolvar, conjuntamente con el Instituto de Desarrollo Experimental de la Construccin (IDEC), seala que el consumo elctrico en edificios se encuentra entre 40% y 50% de la energa total que consumen las ciudades Venezolanas, agregando que esto obedece a los inadecuados patrones de diseo de los mismos y al excesivo consumo por parte de las personas que viven o laboran dentro de ellos. Igualmente aade, que el uso inapropiado de los sistemas de aire acondicionado y los altos niveles de iluminacin representan hasta un 40% y 20%, respectivamente, de la demanda elctrica. Ante esta situacin, el M.E.M dise un rgimen econmico, como parte de un programa de ahorro de energa, segn lo establecido en el decreto presidencial 1629, publicado en gaceta oficial N 37.377 de fecha 01 de febrero de 2002, el cual est dirigido a incentivar a largo plazo, un cambio de conducta en relacin al uso eficiente de los recursos. Atendiendo este decreto, La Alcalda de Maracaibo, asume la implantacin del referido instructivo presidencial a travs de la creacin de la Unidad de Ahorro Energtico, con el propsito de racionalizar los recursos energticos y el gasto pblico por consumo de energa elctrica, de los entes centralizados y descentralizados de la corporacin. Para el alcance de este propsito, surge la necesidad de realizar el estudio energtico de las instalaciones de dichas entidades a fin de elaborar planes de ahorro. En este sentido, la U.A.E. ha desarrollado; formatos para la recopilacin de informacin; hojas de clculos para el procesamiento de la informacin recopilada; estndares de consumo para la unificacin de criterio, entre otras herramientas de trabajo. As, en la bsqueda de mejorar e incrementar la plataforma de informtica de la U.A.E., se propone el diseo de un software interactivo aplicado al

acondicionamiento ambiental de espacios cerrados, con la finalidad de facilitar el anlisis del rubro que representa el mayor consumo de energa elctrica dentro del gasto pblico en la ciudad de Maracaibo. 1.2. Justificacin del Estudio En Venezuela el consumo energtico es cada vez mayor, por otro lado el nivel de la represa del GUR ha disminuido, siendo esta la planta hidroelctrica de mayor fuente de suministro de energa elctrica, es por ello que resulta importante hacer uso racional de la energa elctrica, utilizar equipos de alta eficiencia, disear adecuadamente las edificaciones de tal forma que respondan al criterio bioclimtico adecuado a nuestro pas, obteniendo as, ndices elevados de confort al menor costo. En base al funcionamiento de las edificaciones de nuestro pas y muy en especial en la ciudad de Maracaibo, se han podido identificar varias causas del alto consumo elctrico: hbito inadecuado en el uso de equipos e instalaciones; arquitectura inadecuada a las variables geoclimticas; cambios de uso; aumento del nmero de ocupantes; aumento en la demanda energtica por cambios tecnolgicos; uso de equipos e instalaciones ineficientes; esquemas tarifarios inadecuados a la demanda real; ausencia de planes de mantenimiento, etc. La Unidad de Ahorro Energtico (U.A.E.) de la Alcalda de Maracaibo en trabajo conjunto con la empresa suministradora del servicio elctrico ENELVEN, a travs del Centro de Optimizacin Energtica (C.O.E.), han realizado estudios de consumo cuyos resultados arrojaron que en espacios cerrados, el acondicionamiento ambiental representa al menos, el 70% del consumo elctrico total, motivo por el cual se hace necesario disear, a corto, mediano y largo plazo, un programa apropiado de ahorro energtico tomando en cuenta estas causas para aplicar las medidas correctivas necesarias. En tal sentido, para la evaluacin del consumo elctrico por acondicionamiento ambiental, U.A.E. ha implementado formatos de auditorias y hojas de clculos (Excel) para el clculo de carga trmica, siendo estos mecanismos poco interactivos y didcticos para el usuario, surge la necesidad de disear un programa interactivo

para el anlisis de carga trmica y distribucin de aire para el acondicionamiento ambiental de espacios cerrados, que permita poseer informacin tcnica ms rpida e interactiva para la planificacin y adecuada ejecucin. 1.3. Alcance y Delimitacin La investigacin estar orientada a la elaboracin de un software interactivo para el diseo del sistema de acondicionamiento ambiental, bajo el lenguaje de programacin Visual Basic. Se enfocar especficamente en el clculo de carga trmica, basado en las condiciones climticas de la ciudad de Maracaibo, y el diseo de sistemas de distribucin de aire, para oficinas. 1.4. Objetivos Generales Disear un software interactivo, bajo el ambiente Visual Basic, para el clculo de carga trmica y para el diseo del sistema de distribucin de aire en oficinas pblicas del Municipio Maracaibo. 1.5. Objetivos Especficos Clculo de carga trmica hora a hora, para multizonas en oficinas pblicas de la ciudad de Maracaibo. Utilizando el mtodo del TETD para la envolvente de la edificacin y el mtodo del CLF para las cargas interiores, bajo las condiciones climticas correspondientes al mes de Agosto, de la ciudad de Maracaibo. Diseo del sistema de distribucin de aire. Dimensionamiento de los conductos de suministros y retornos, seleccin de rejillas y difusores de suministro, seleccin de las rejillas de retorno y seleccin del ventilador.

1.6. rea de Ubicacin Departamento de Universidad del Zulia. Unidad de Ahorro Energtico. Corporacin Alcalda de Maracaibo. Energa. Escuela de Mecnica. Facultad de Ingeniera.

CAPTULO II FUNDAMENTOS TERICOS

2.1. Antecedentes de la Investigacin En la Universidad del Zulia se han realizado una serie de trabajos dirigidos hacia el desarrollo de diseos de sistemas de acondicionamiento ambiental, atendiendo a las necesidades de las estructuras fsicas geoclimticas de la ciudad de Maracaibo. Entre stos se encuentran:

Alba (1987), elabor una tesis de grado titulada, Diseo de Sistemas de Aire Acondicionado para el Edificio de Anatoma Patolgica de la Facultad de Medicina de la Universidad del Zulia, cuyo objetivo consisti en determinar las cargas trmicas para diferentes reas del edificio, el cual consta de cuatro pisos, as como tambin los sistemas de suministro y retorno de aire, ductos, ventilacin y la seleccin de equipos, utilizando las normas para la instalaciones de aire acondicionado del ministerio de obras pblicas, normas y recomendaciones de la sociedad norteamericana de ingenieros de calefaccin, refrigeracin y aire acondicionado (ASHRAE) y las normas de la sociedad norteamericana de ingenieros mecnicos (ASME). La estimacin o clculo de carga trmica se bas en las condiciones internas del proyecto, relativo al espacio que se deseaba acondicionar, as como en lo referente a la atmsfera exterior que rodea ese espacio, las cuales son las condiciones mximas externas que aparecen en Maracaibo. Para el sistema de distribucin de aire, los clculos se hicieron en funcin de las limitaciones ya establecidas con el espacio disponible y de acuerdo a los clculos obtenidos, se establecieron las recomendaciones referentes a los equipos mecnicos y especiales, el sistema de ventilacin y normas respectivamente. Del clculo de carga trmica se obtuvo un estimado aproximado de 128 toneladas de refrigeracin para la edificacin. En la actualidad, adems de contar con el diseo de sistemas de aire acondicionado, se han estado implementando el uso de herramientas de computacin para hacer ms dinmicos estos diseos.

Blanco R. German J. (1997), en su tesis de grado titulada, Diseo de un Programa para Determinar el Factor de Ganancia de Calor Solar y Temperatura SolAire para Diferentes Latitudes, desarroll un programa que permite elaborar tablas del factor de ganancia de calor solar (FGCS) y la temperatura sol-aire (Te) para diferentes latitudes y das del ao considerando todas las variables que intervienen en el clculo. El programa permiti hacer un anlisis comparativo de esas tablas con las encontradas en el manual de la ASHRAE para determinadas latitudes, encontrndose un parecido casi exacto (99,5% de exactitud), las pequeas diferencias en algunos casos se originaron porque el manual de la ASHRAE no especifica con exactitud los valores de los datos que utilizaron para la elaboracin de sus tablas, por lo que se utilizaron los valores ms comunes que se implementan en estos casos y gener las tablas con la mismas latitudes para su comparacin. Se dise utilizando el lenguaje DELPHI 2, el cual permite generar tablas del factor de ganancia de calor solar y diferencias entre las temperaturas sol-aire y la temperatura exterior (Te To), para diferentes latitudes, as como tambin realizar un anlisis para determinar si existe o no sobre diseo en los clculos correspondientes a los sistemas de acondicionamiento de aire para cualquier regin. Duerto R. (2000), en su trabajo especial de grado titulado, Software Interactivo para la Resolucin de Problemas de Refrigeracin por Compresin Mecnica, Desarroll un software didctico en el lenguaje Visual Basic v.6.0, para la resolucin de problemas de refrigeracin por compresin mecnica, el cual se orient a servir de apoyo al estudiante de termodinmica II, debido a que permite la resolucin de problemas tpicos de una manera rpida y sencilla. Este programa llamado Zebra, determina las propiedades (temperatura, presin, entalpa, entropa y calidad) en cada estado de la sustancia de trabajo o del refrigerante, as como tambin la capacidad de los equipos, intercambiadores de calor, potencia en los compresores y coeficientes de operacin del ciclo. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios al compararlos con aquellos resueltos manualmente, lo que implica que es confiable. Adems, Zebra est en la

capacidad de graficar el diagrama P-h del problema, hacindolo didctico e interactivo, al permitir leer resultados grficos y numricos simultneamente. Para su uso es imprescindible el uso de un procesador 5x86, 133 MHz o superior, una resolucin de pantalla de 800x600 pxeles (aunque es posible la ejecucin con otras resoluciones). Se recomend tambin realizar una mayor cantidad de pruebas con diferentes problemas de ciclo de refrigeracin para detectar y corregir en versiones posteriores, cualquier falla que tuviese este programa. Por otro lado, se recomend aumentar el nmero de registros posibles de la base de datos y el nmero de refrigerantes disponibles para el usuario, para la precisin del mismo. Hernndez A. (2001), en su trabajo especial de grado titulado, Evaluacin del Comportamiento Trmico de una Vivienda Bioclimtica Utilizando TRNSYS, present la evaluacin del comportamiento trmico de una vivienda bioclimtica prototipo (VBP-1), utilizando el programa TRNSYS. La VBP-1, es una propuesta de vivienda urbana, de bajo costo y cuyo diseo se basa en resultados de trabajos de evaluacin experimental y numrica de sistemas pasivos de enfriamiento y de mecanismos de control de ganancia de calor. TRNSYS (Transient System simulation), fue originalmente desarrollado para el estudio de sistemas de conversin de energa solar, aunque en la actualidad es una potente herramienta que permite la solucin de cualquier tipo de sistema trmico bajo condiciones transitorias. Para lograr la adaptacin se utilizaron modelos fsicos de una sola zona (Mdulo de referencia y Mdulo experimental) de los cuales se dispuso de data experimental para cuantificar el grado de confiabilidad del programa. Luego se realiz la adaptacin de la vivienda cuyo proceso incluy el establecimiento de las condiciones y propiedades involucradas, tales como la preparacin de la data meteorolgica y la configuracin de los modelos fsicos (MODREF, MODEXP y VBP-1), con las caractersticas constructivas de la ciudad de Maracaibo, de acuerdo con el mtodo de solucin de programas.

En los resultados arrojados en la simulacin de los modelos fsicos de una sola zona, se observ un error relativo promedio para la simulacin del mdulo de referencia de 3,96%, siendo el mximo de 5,33% (en horas de la noche) y el mnimo de 1,95% (En la hora 13). Para el mdulo experimental se obtuvo un error promedio de 1,25% siendo el mximo de 2,74% en la media noche, valores aceptables para un programa de simulacin computacional. Con el fin de evaluar los beneficios obtenidos con las estrategias implementadas en la VBP-1, para lograr condiciones de bienestar trmico, se necesitaron los valores de la simulacin de la vivienda sin la aplicacin de dichas estrategias, cuyos resultados sirvieron para evaluar la efectividad del diseo, en trminos de la diferencia de temperatura entre ambos casos. 2.2. Definicin de Trminos Bsicos Aire Acondicionado. Es el aire al cual se le controla, simultneamente, su temperatura, humedad, limpieza y distribucin, para responder a las exigencias del espacio climatizado. Auditoria Energtica. Una auditoria energtica o balance energtico en sitio es la actividad por medio de la cual se determina el flujo de energa, que tipo, cmo y donde se usa, en los procesos productivos o de servicios. Calor Latente. Es el calor que causa un cambio de fase pero no causa cambios en la temperatura. Ocurre cuando se agrega humedad al espacio, por ejemplo el vapor emitido por los ocupantes, equipos y cambios de aire. Calor Sensible. Es el calor que causa un cambio de temperatura. El calor se agrega directamente al espacio acondicionado por conduccin, conveccin y/o radiacin. Carga Externa. La carga externa es la parte de la carga impuesta al equipo acondicionador que se origina en el exterior. Generalmente son comunes a todas las instalaciones.

Carga Interna. La carga interna es la parte de la carga que proviene del espacio acondicionado. La carga interna en el local depende de la aplicacin y pueden provenir de personas, alumbrado, aparatos y/o equipos, etc. Carga Trmica. Es la cantidad de calor sensible y latente que debe extraerse de un local para mantener en l las condiciones deseadas. Conduccin. Transferencia de calor de una regin de alta temperatura hacia una regin de baja temperatura al interior de un medio (slido, lquido o gaseoso), o entre diferentes medios en contacto fsico directo. Confort en Edificaciones. Grado de aceptacin de un ambiente con referencia a diversos parmetros ambientales relativos a la temperatura, la velocidad del aire, la iluminacin, el ruido, etc. Confort Trmico. Es la situacin en la cual los individuos expresan sentirse confortables con las condiciones climticas que los rodea. Conveccin. Transferencia de calor que combina conduccin de calor,

almacenamiento de energa y movimiento de mezcla. Diversidad. Resulta de la poca probabilidad de que se produzcan simultneamente la totalidad de las cargas de enfriamiento estimadas en el diseo. Espacios Cerrados. Ambiente o local que est acondicionado o se desea acondicionar. Infiltracin. Entrada de aire a cualquier tipo de local a travs de grietas e intersticios alrededor de ventanas, puertas, paredes y techos. El aire de infiltracin le aade al espacio una carga sensible y latente.

Prdidas Dinmicas. Las prdidas dinmicas resultan de perturbaciones del flujo, y montajes que cambian el rea y/o la direccin de la trayectoria del flujo de aire. Esos montajes incluyen entradas, salidas, codos, transiciones y juntas. Prdidas por Friccin. Las prdidas de friccin son debido a la viscosidad del fluido y es el resultado del cambio de momento entre molculas en flujo laminar y entre partculas individuales del movimiento de capas de fluidos adyacentes a diferentes velocidades en flujo turbulento. Radiacin. Transferencia de calor de un cuerpo a alta temperatura a un cuerpo a baja temperatura cuando estn separados entre s, an cuando el vaco exista entre ellos. Sistema de Conductos. Se refiere a la distribucin del aire desde la unidad manejadora hasta los distintos espacios que sern acondicionados. Ventilacin. Es aire introducido intencionalmente al espacio a travs del equipo, imponiendo una carga trmica adicional de calor sensible y latente al equipo, pero no al espacio. Visual Basic. Es una plataforma computacional de desarrollo, diseado

especialmente para crear aplicaciones grficas de una forma rpida y sencilla. Incluye una utilidad para diseos grficos y un lenguaje de alto nivel. El contenido que se presenta a continuacin en este capitulo, esta basado en los Fundamentos de la ASHRAE, 1997 y el libro Heating and Cooling of Building, 1994.

2.3. Carga Trmica La carga trmica o carga de enfriamiento como tambin se le llama, es la cantidad de calor que debe de extraerse de un espacio para mantener en l, las condiciones deseadas, por ejemplo el confort humano. 2.3.1. Principios de la Carga de Enfriamiento Las variables en el clculo de la carga de enfriamiento son numerosas, frecuentemente difciles de definir y siempre relacionadas entre si. Muchas de ellas varan en magnitud, en un amplio rango; en un periodo de 24 horas dando como resultado cambios cclicos en los diferentes componentes de la carga total y desplazados unos de otros. En el clculo de la carga de enfriamiento se requiere de un cuidadoso anlisis para establecer la carga de diseo resultante para todo el conjunto o una zona de l y todos los clculos deben ser basados en el mismo instante. Frecuentemente, el tiempo de la mxima tasa de

Exactitud del clculo.

ganancia de calor no puede ser estimado con exactitud y por lo tanto puede ser necesario efectuar ms de un conjunto de clculos para hallar esta mxima ganancia. La carga trmica vara continuamente y no es solo una funcin del sitio y de las caractersticas del edificio en consideracin, sino que tambin depende de la hora del da, as como del da del ao. Tambin existen un sin nmero de factores, tales como, personas (las cuales pueden estar entrando y saliendo del espacio), actividad realizada por estas (que puede ser diferente de una a otra e incluso cambiar a un modo diferente al supuesto en la determinacin de la carga), da nublado, aparatos que se usan en forma no regular y difcil de definir, etc. Todo esto hace que para el ingeniero represente, que debe emplear una cantidad de tiempo apreciable en disear un sistema apropiado si requiere cumplir con bastante exactitud los requerimientos de la carga del local.

Por lo tanto lo usual es hacer un estimado de la carga trmica del local. Este estimado debe ser lo ms prximo a la realidad. Tasas de flujo de calor. En el diseo de acondicionamiento de aire, hay cuatro tasas de flujo de calor relacionadas, cada una vara con el tiempo, estas deben ser clasificadas en: a. Ganancia de calor en el espacio b. Carga de enfriamiento en el espacio c. Tasa de extraccin de calor en el espacio d. Carga en el serpentn de enfriamiento. a. Ganancia de calor en el espacio Esta tasa instantnea de ganancia de calor es la tasa a la que el calor entra y/o se genera dentro de un espacio en un momento dado. La ganancia de calor es clasificada por el modo en el que entra al espacio y si es una ganancia sensible o latente. Modo de entrada Los modos de ganancia de calor pueden ser: (1) radiacin solar a travs de superficies transparentes; (2) conduccin de calor a travs de techos y paredes exteriores; (3) conduccin de calor a travs de divisiones interiores, cielo rasos y pisos; (4) calor generado en el espacio por ocupantes, luces y aparatos; (5) transferencia de energa exterior. Calor sensible o latente La ganancia de calor sensible es directamente agregada al espacio acondicionado por conduccin, conveccin y/o radiacin. La ganancia de calor latente ocurre cuando se agrega humedad al espacio, por ejemplo del vapor emitido por ocupantes y equipos. Para una humedad constante (vapor de agua) se debe considerar en el aparato de enfriamiento una tasa igual a la tasa agregada dentro del como resultado de la ventilacin e infiltracin de aire

espacio. La cantidad de energa requerida para compensar la ganancia de calor latente es esencialmente igual al producto de la tasa de condensacin y el calor latente de condensacin. En la seleccin del aparato de enfriamiento, es necesario distinguir entre la ganancia de calor sensible y latente. Cada aparato de enfriamiento tiene un mximo en la capacidad de extraccin de calor latente, para condiciones de operacin particulares. b. Carga de enfriamiento en el espacio La carga de enfriamiento en el espacio es la tasa a la cual el calor debe ser removido del mismo, para mantener la temperatura del aire constante. La suma de todas las ganancias de calor instantneas del espacio, en cualquier tiempo dado, no es necesariamente igual a la carga de enfriamiento, para el espacio en ese mismo tiempo. Ganancia de calor radiante La ganancia de calor por radiacin en el espacio, no es inmediatamente convertida a carga de enfriamiento. La energa radiante debe ser primero absorbida por las superficies que cubren el espacio (paredes, piso y techo) y los objetos en el interior (mobiliario, etc.). En cuanto a esas superficies y objetos que llegan a estar ms calientes que el aire del espacio, parte del calor es transferido al aire por conveccin. La capacidad de almacenamiento de calor de esos objetos y superficies determina la tasa en la que esas temperaturas de las respectivas superficies aumenta para una entrada radiante dada, y as gobierna la relacin entre la porcin radiante de ganancia de calor y su parte correspondiente de la carga de enfriamiento del espacio. El efecto de almacenamiento trmico es extremadamente importante, diferenciando entre la ganancia de calor instantnea para un espacio dado y su carga de enfriamiento para ese momento. Predecir la naturaleza y magnitud de este fenmeno evasivo, de tal manera de estimar una carga de enfriamiento realista, para una combinacin

particular de circunstancias, ha sido por mucho tiempo un asunto de gran inters para el ingeniero de diseo. c. Tasa de extraccin de calor en el espacio La tasa a la cual el calor es removido del espacio acondicionado, solo es igual a la carga de enfriamiento del espacio, para el grado en el que la temperatura del aire del cuarto es mantenida constante. Junto con el funcionamiento intermitente del equipo de enfriamiento, las caractersticas del sistema de control, normalmente permiten una variacin cclica menor, o balanceo en la temperatura del cuarto. Por consiguiente, una simulacin apropiada del sistema de control, da un valor ms realista de la extraccin de energa por encima en un periodo de tiempo fijo, que si se usan los valores de la carga de enfriamiento del espacio. Este concepto, es principalmente importante para estimar el uso de energa con el tiempo; sin embargo, no se necesita calcular la cresta de la carga de enfriamiento para la seleccin del equipo. d. Carga en el serpentn de enfriamiento La tasa a la cual la energa es removida en el serpentn de enfriamiento, que abastece a uno o ms espacios acondicionados, es igual a la suma de las cargas de enfriamiento instantneas presentes (o la tasa de extraccin de calor, si se asume que la temperatura no vara), para todos los espacios abastecidos por el serpentn, ms cualquier carga externa, las cuales incluyen ganancias de calor por el sistema de distribucin entre los espacios individuales y el equipo de enfriamiento, calor del exterior y la humedad introducida en el sistema de distribucin a travs del equipo de enfriamiento. 2.3.1.1. Tcnicas para el Clculo de Carga de Enfriamiento de los Espacios a. Principio de equilibrio de calor La estimacin de la carga de enfriamiento para un espacio, involucra clculos convectivos y conductivos a una superficie, balance de calor radiante para cada

superficie del cuarto y un balance de calor convectivo para el aire del cuarto. Algunas veces llamada La solucin exacta, estos principios forman la fundacin para todos los otros mtodos. Calcular directamente la carga de enfriamiento para espacios por procedimientos de balance de calor, requiere una solucin laboriosa de ecuaciones de balance de energa, que involucra, aire del espacio, ventanas, paredes circundantes, infiltracin y ventilacin de aire, as como fuentes de energa interna. Para demostrar el principio del clculo, se considera una muestra de cuarto, conformado por cuatro paredes, un techo y un piso, con infiltracin y ventilacin de aire y fuentes de energa interna. Los clculos que gobiernan el intercambio de energa a cada superficie interior en un momento dado son:m qi , = hci (ta, ti , ) + gij (t j , ti , ).Ai + RSi , + RLi , + REi , j =1, j 1

(1)

Para i= 1, 2, 3, 4, 5, 6 Donde: m = nmero de superficies en el cuarto (seis en este caso). qi,= tasa de calor por conduccin al interior de la superficie i a la hora . Ai= rea de la superficie i. hci= coeficiente de transferencia de calor convectivo de la superficie interior i. gij= factor de transferencia de calor por radiacin entre la superficie interior i y la superficie interior j. ta,= temperatura del aire interior a la hora . ti,= temperatura promedio de la superficie interior i a la hora . tj,= temperatura promedio de la superficie interior j a la hora . RSi,= tasa de energa solar que entra a travs de ventanas y absorbida por la superficie i a la hora . RLi,= tasa de calor radiado de luces y absorbido por la superficie i a la hora .

REi,= tasa de calor radiado de equipos y ocupantes y absorbido por la superficie i a la hora . b. Funciones de transferencia por conduccin Las ecuaciones que gobiernan la conduccin dentro de las seis superficies, no pueden ser resueltas independientemente de la ecuacin anterior, ya que el intercambio de energa ocurre dentro del cuarto, afectando las condiciones de la superficie interior y a su vez la conduccin interior. Consecuentemente, las seis formulaciones deben ser resueltas simultneamente, con las ecuaciones que gobiernan la conduccin dentro de las seis superficies, de manera tal, de calcular la carga de enfriamiento del espacio. Tpicamente, esas ecuaciones se encuentran formuladas con funciones de transferencia por conduccin en la forma de:

qin, = Yk,mto, m+1 Zk,mtin, m+1 +Fmqin, mm =1 m =1 m =1

M

M

M

(2)

Donde: q = tasa de calor por conduccin al interior de una superficie especifica a una hora especifica. in = superficie interior. k = orden de CTF. m = hora de ndice variable. M = nmero de valores CTF diferentes de cero. o = superficie exterior. t = temperatura. = hora. X = valores de CTF exteriores. Y = valores de CTF de cruce. Z = valores de CTF interiores, Fm = tasa de flujo de calor.

c. Balance de energa del aire en el espacio Note que la temperatura de superficie interior, ti, en ecuacin (1) y tin, en ecuacin (2), requieren solucin simultnea. Adems, la ecuacin (3) representa un balance de energa en el aire del espacio que tambin debe ser resuelto simultneamente.

m Ql , = hci (ti , ta, ).Ai + CVl , .(to, ta, ).CVv, .(tv, ta,o ) + i =1 RSa, + RLa, + REa,Donde: = densidad del aire. C = calor especifico del aire.

(3)

Vl, = tasa de flujo del volumen de infiltracin de aire exterior dentro del cuarto a la hora . to, = temperatura del aire exterior a la hora . Vv, = tasa de flujo del volumen de ventilacin de aire a la hora . tv, = temperatura del aire de ventilacin a la hora . RSa, = tasa de calor solar y convectivo entrando a travs de ventanas, dentro del aire del cuarto a la hora . RLa, = tasa de calor solar convectivo de luces dentro del aire del cuarto a la hora . REa, = tasa de calor solar convectivo de equipos y ocupantes dentro del aire del cuarto a la hora . En la Ecuacin anterior, la componente de la ventilacin de aire, es asumida entrando al espacio directamente, ms que a travs de cualquier aparato de enfriamiento asociado. Por otro lado la temperatura del aire del espacio, se asign flotante. Por fijacin de la temperatura del aire del espacio, la carga de enfriamiento no necesita ser determinada simultneamente. Esta aproximacin rigurosa para calcular la carga de enfriamiento, es imprctica sin la rapidez con la que cuenta cualquier computadora digital moderna.

El concepto de funcin de transferencia, es una simplificacin para el estricto procedimiento de clculo de balance de calor. Al respecto; Mitalas & Stephenson (1967), utilizaron factores de respuesta trmica para cuartos. En cuyos procedimientos; temperaturas de superficie del cuarto y cargas de enfriamientos, fueron calculadas, primero por el riguroso mtodo descrito anteriormente, para distintos tipos de construcciones, representando oficinas, escuelas y construcciones livianas, medias y pesadas. En los referidos clculos, componentes tales como ganancia de calor solar, ganancia de calor por conduccin o ganancia de calor de luces, equipos y ocupantes fueron simulados por pulsos de unidad de fuerza. Las funciones de transferencia fueron entonces calculadas como una constante numrica, representando la carga de enfriamiento correspondiente a la entrada de pulsos de excitacin. Una vez que esas funciones de transferencias fueron determinadas para construcciones tpicas, los autores fueron asumiendo independientemente, pulsos de entradas, permitiendo as determinar cargas de enfriamiento, sin los ms rigurosos clculos. En cambio, los clculos requieren simple multiplicacin de la funcin de transferencia por una representacin de la serie tiempo, de la ganancia de calor y la subsiguiente sumatoria de esos productos, que pueden llevarse acabo en una pequea computadora. 2.3.1.2. Consideraciones de Diseo Iniciales Para calcular la carga de enfriamiento en un espacio, se requiere informacin sobre el diseo de la edificacin y datos del tiempo para seleccionar condiciones de diseo. En este sentido, a continuacin se presentan los pasos que deben seguirse: a. Caractersticas de la edificacin Obtener caractersticas de la edificacin. Materiales de construccin, tamao de los componentes, color de las superficies externas y forma, son normalmente determinadas de las especificaciones y planos de la edificacin.

b. Configuracin Determinar la ubicacin de la edificacin, orientacin y sombreado externo de las especificaciones. El sombreado de las edificaciones adyacentes puede ser determinado por un plano del sitio o visitando el lugar propuesto, pero debe evaluarse cuidadosamente acerca de su durabilidad probable antes de que sea incluido en el clculo. La posibilidad de radiacin solar reflejada en tierra anormalmente alta (Ej. de arena, agua adyacente o parques de estacionamiento), o la carga solar de los edificios reflexivos adyacentes, no debe pasarse por alto. c. Condiciones de diseo exterior Obtener datos del tiempo apropiados y seleccionar condiciones de diseo exterior. Datos del tiempo pueden ser obtenidos de las estaciones de tiempo local, sin embargo las listas de valores para las temperaturas de bulbo hmedo y bulbo seco de diseo pueden variar considerablemente de los datos tradicionalmente usados en distintas reas. Se recomienda utilizar criterios para asegurar que los resultados son consistentes, as como considerar la velocidad del viento y la relacin de un sitio del proyecto a la estacin de tiempo seleccionada. d. Condiciones de diseo interior Seleccione condiciones de diseo interior, tales como temperatura de bulbo seco interior, temperatura de bulbo hmedo interior y tasas de ventilacin, incluyendo variaciones permisibles y lmites de control. e. Horarios de operacin Se debe obtener un horario propuesto de iluminacin, ocupantes, equipos a la carga trmica interior. interiores, artefactos y procesos que contribuyen

Determinando la probabilidad de que el equipo opere continuamente o si estar fuera de servicio durante los periodos desocupados a objeto de calcular la carga.

f. Hora y fecha Seleccione la hora del da y el mes para hacer los clculos de carga de enfriamiento. Frecuentemente, varias horas del da y distintos meses deben ser analizados para determinar la hora de la carga pico. Los meses y das particulares estn frecuentemente dictados por las condiciones solares pico. Para calcular la carga de enfriamiento en un espacio, las temperaturas ms calurosas durante los meses de verano deben ser conocidas. 2.3.1.3. Conceptos del Clculo de la Ganancia de Calor Ganancia de calor a travs de reas de ventanaje. La variable primordial relacionada al tiempo que influye en la carga de enfriamiento para una edificacin, es la radiacin solar. El efecto de la radiacin solar es ms pronunciado e inmediato en su impacto en superficies inopacas expuestas. Ganancia de calor a travs de superficies exteriores. La Ganancia de calor a travs de superficies opacas exteriores, es derivada de los mismos elementos de radiacin solar y gradiente trmico, como lo es para reas de ventanaje. Su primordial diferencia resulta, en que es una funcin de la masa y la naturaleza de la construccin de paredes y techos, ya que esos elementos afectan la tasa de transferencia de calor conductiva a travs de los grupos de compuestos hacia la superficie interior. Temperatura sol-aire. Es la temperatura del aire exterior, que en la ausencia de todos los cambios de radiacin, resulta la misma tasa de entrada de calor al interior de la superficie, como si se diera la combinacin de radiacin solar incidente, intercambiando energa radiante con el cielo y otros medios exteriores, e intercambios de calor convectivo con el aire exterior. Del balance de calor en una superficie soleada, el flujo de calor hacia la superficie q/A resulta como:

q/A = .I t + ho .(t o t s ) .RDonde: = absortancia de la superficie por la radiacin solar. It = incidencia de radiacin solar en la superficie, Btu/(h.pies2).

(4)

ho = coeficiente de transferencia de calor por radiacin de onda larga y conveccin en superficie exterior, Btu/(h.pies2.F). to = temperatura exterior del aire, F. ts = temperatura de la superficie, F. = emitancia hemisfrica de superficie. R = diferencia entre radiacin de onda larga incidente en superficies del cielo y el medio, y la radiacin emitida por un cuerpo negro a la temperatura exterior del aire, Btu/(h.pies2). Asumiendo que la tasa de transferencia de calor puede ser expresada en trminos de temperatura sol-aire (Te).

q/A = ho .(t o t s )De ecuacin (4) y (5)

(5)

Te = t o + .I t / ho .R / ho

(6)

Finalmente, la temperatura sol-aire diaria promedio Tea, puede ser calculada como:

Tea = t oa +Donde:

. ( .R) / ho ho 24

I Dt

(7)

IDt = es la suma de los totales de medio da apropiados de ganancia de calor solar en Btu/(h.pies2).

Ganancia de calor a travs de superficies interiores. Siempre que un espacio acondicionado es adyacente a un espacio con temperatura diferente, la transferencia de calor a travs de la seccin fsica de separacin debe ser considerada. La tasa de transferencia de calor es dada por:

q = UA.(t b t i )Donde: q = tasa de transferencia de calor, Btu/h.

(8)

U = coeficiente de transferencia de calor global entre el espacio acondicionado y el espacio adyacente, Btu/(h.pies2.F). A = rea de la seccin de separacin, pies2. tb = promedio de la temperatura del aire en el espacio adyacente, F. ti = temperatura del aire en el espacio acondicionado, F. La temperatura actual en el espacio adjunto debe ser medida cuando sea posible. Cuando nada es conocido, excepto que el espacio adyacente es una construccin convencional, que no contiene fuentes de calor y no recibe a si misma significativa ganancia de calor solar; tb ti puede ser considerada la diferencia entre la temperatura del aire exterior y la temperatura de bulbo seco de diseo del espacio acondicionado menos 5 F. Pisos. Para pisos directamente en contacto con la tierra, o encima de un basamento subterrneo que no esta ventilado ni acondicionado, la transferencia de calor puede ser no tomada en cuenta para la estimacin de cargas de enfriamiento. 2.3.1.4. Fuentes de Calor en Espacios Acondicionados Personas. Las Tasas representativas a las que el calor y humedad son emitidas por seres humanos en diferentes estados de actividad. A menudo estas ganancias de calor sensible y latente constituyen un fragmento grande de la carga total, incluso

para ocupacin a corto plazo, el calor extra y humedad trada por personas pueden ser significativos. La conversin de ganancia de calor sensible de las personas a carga de enfriamiento es afectada por caractersticas del almacenamiento termales de ese espacio y est as sujeto a la aplicacin de funciones de transferencia en cuarto apropiadas (RTF). Las ganancias de calor Latentes son consideradas instantneas. Luces. Las luces a menudo son el mayor componente de carga en el espacio, se necesita imponer una estimacin exacta de la ganancia de este calor en el espacio. El clculo de este componente de carga no es sincero; la tasa de ganancia de calor en cualquier momento dado puede ser bastante diferente del calor equivalente a la potencia proporcionada instantneamente por esas luces. Slo parte de la energa de las luces est en forma de calor convectivo que es recogido instantneamente por el aparato de acondicionamiento de aire. La porcin restante est en la forma de radiacin, slo afecta al espacio acondicionado despus que ha sido absorbido y radiado por paredes, suelos, mobiliario, etc. Esta energa absorbida contribuye con la carga de enfriamiento en el espacio solo despus de un retraso de tiempo, con parte de tal energa todava presente y radiada despus que las luces se han apagado. Siempre hay retraso significativo entre el tiempo de encender las luces y un punto de equilibrio, donde la radiacin de energa de las luces, es igual que almacenarla instantneamente. El efecto de retraso trmico debe ser considerado al calcular la carga de enfriamiento, ya que la carga en el espacio puede ser considerablemente baja en relacin a la ganancia de calor instantnea generada, y la cresta de la carga para el espacio puede afectarse significativamente. Aparatos. En la estimacin de la carga de enfriamiento, la ganancia de calor de todos los aparatos elctricos y de gas, deben tomarse en cuenta. Debido a la variedad de aparatos, las aplicaciones, horarios, uso e instalaciones, las estimaciones pueden ser muy subjetivas. A menudo, la nica informacin disponible sobre la ganancia de calor del equipo est en su placa. Para equipos elctricos de oficina en particular, Wilkins (1994), encuentra que los datos aportados por placa en

equipos, pueden ser muy sobreestimados, exagerando el uso real normal en mucho ms del 400%. 2.3.1.5. Ganancia de Calor por Infiltracin y Ventilacin Aun cuando la infiltracin y la ventilacin son cargas debido al aire exterior, ellas deben ser calculadas separadamente y consideradas en forma diferente para la carga total. El aire de infiltracin entra al espacio y le aade a este una carga sensible y latente. El aire de ventilacin es introducido intencionalmente a travs del equipo imponiendo una carga adicional de calor sensible y latente a ste, pero no al espacio. La infiltracin de aire exterior es la entrada de aire a

Infiltracin de aire.

cualquier espacio a travs de grietas e intersticios alrededor de ventanas, puertas y a travs de los pisos, paredes y techos. La magnitud de la infiltracin depende del tipo de construccin, condiciones del edificio, etc. El flujo de aire de infiltracin a travs de cualquier parte de un local, tambin depende de la diferencia de presin y del rea de la abertura. La principal dificultad se presenta para estimar, con razonable exactitud, la cantidad de aire que entra por infiltracin al espacio en consideracin. Existen dos mtodos para determinar esta cantidad de aire: el mtodo del cambio de aire y el mtodo de grieta. El mtodo del cambio de aire, consiste en asumir un cierto nmero de cambios de aire por hora para cada local del conjunto. El mtodo de grieta, consiste en calcular el flujo de aire debido a la velocidad del viento infiltrndose a travs de grietas alrededor de puertas y ventanas. Es considerado ms exacto que el mtodo anterior, pero es ms complicado en cuanto a su aplicacin. Ventilacin de aire. El proceso de contaminacin en un medio ambiente abierto no es notado en forma fcil, pero en locales cerrados, donde se renen un gran

nmero de personas, se deben remover en forma continua los contaminantes (humos de cigarrillos, olores, etc.) para evitar tener un ambiente contaminado. Para mantener un espacio confortable y agradable es, por lo tanto, necesaria la introduccin de aire fresco exterior para ventilacin. La cantidad de aire exterior requerida vara principalmente con el nmero total de personas en el local, uso del local y nmero de personas fumando. 2.3.2. Mtodos para el Clculo de Carga de Enfriamiento La ASHRAE presenta bsicamente tres mtodos para el clculo de la carga de enfriamiento y a continuacin se dar una breve introduccin de cada uno de ellos. 2.3.2.1. Mtodo Funcin de Transferencia (TFM) Este mtodo se aproxima estrechamente al concepto de equilibrio de calor, se creo en 1972 (manual de principios de la ASHRAE). Basado en dos pasos, primero establece la ganancia de calor de todas las fuentes y luego determina la conversin de tal ganancia de calor en carga de enfriamiento. El mtodo del TFM hace posible estimar la carga de enfriamiento para un espacio acondicionado, en base a hora por hora y predecir condiciones resultantes que pueden esperarse en ese espacio, para varios tipos de sistemas, estrategias de control y horarios de operacin. Este mtodo se satisface particularmente bien, para el uso con una computadora, ya que realiza un anlisis dinmico completo, para considerar los efectos transitorios. Ganancia de calor por conduccin a travs de superficies exteriores. Ganancia de calor sensible: esta aproximacin usa temperatura sol-aire para representar condiciones exteriores y, una temperatura de aire interior constante asumida. Adems, ambos coeficientes de transferencia de calor de superficies exteriores e interiores, son asumidas constantes (Mitalas 1968). As la ganancia de calor es dada por:

dn(qe, n) trc Cn qe , = A. bn (t e, n) A n=1 n =0 n =0

(9)

Donde: qe, = ganancia de calora travs de superficies exteriores, en la hora de clculo . A = rea de la superficie interior. = hora de clculo. = intervalo de tiempo. n = ndice de sumatoria. te, n = temperatura sol-aire a la hora ( n). trc = temperatura interior constante. bn,cn,dn = coeficientes de funcin de transferencia. Coeficientes de funcin de transferencia por conduccin. (CTF) son

generalmente calculados usando la combinacin de coeficientes de transferencia de calor exterior, ho= 3 Btu/(h.ft2.F), coeficientes de transferencia de calor interior, hi = 1,46 Btu/(h.ft2.F) y construcciones de paredes y techos. 2.3.2.2. Mtodo del Diferencial de Temperatura y Factor de Carga de Enfriamiento (CLTD/CLF) Rodoy y Duran a partir de comparar el TFM y TETD, y a travs de datos obtenidos usando el TFM en un grupo de aplicaciones, us el diferencial de temperatura para carga de enfriamiento. El mtodo CLTD/CLF, consiste en el calculo directo de un solo paso de la carga de enfriamiento, procedimiento de clculo manual basado en el mtodo de funcin de transferencia (TFM). Este puede ser usado para aproximar las cargas de enfriamiento correspondientes a los tres primeros mtodos de ganancia de calor (ganancia de calor por conduccin a travs de superficies, tales como: ventanas,

paredes y techos; ganancia de calor solar a travs de ventanajes; y ganancia de calor a travs de luces, personas y equipos). CLTD: Diferencial de temperatura para carga de enfriamiento. CLF: Factor de carga de enfriamiento. Carga de enfriamiento para superficies exteriores (CLTD). Los resultados fueron generalizados para algunas configuraciones, dividiendo la carga de enfriamiento por un factor U para cada pared o techo y los mismos estn en unidades de diferencia de temperatura para carga de enfriamiento total equivalente. Para explicar los principios, la carga de enfriamiento debido a la conduccin por un elemento de la envolvente de rea A y coeficiente U simplemente sera:

q = UA.(t o t i )

(10)

Bajo las condiciones de la esttica, la temperatura interior ti y la temperatura exterior to son ambas constantes. Cuando las temperaturas siguen un modelo peridico, da tras da, Q tambin seguir un modelo peridico. Una vez que Q se ha calculado, uno puede definir un CLTD como diferencia de temperatura que da la misma carga de enfriamiento cuando se multiplica por UA. Si se clasifican tales diferencias de temperatura para la construccin tpica y los modelos de temperatura tpicos, ellos pueden buscarse para la determinacin rpida de la carga. As la carga de enfriamiento conductiva para superficies exteriores es:

q = UA.(CLTD )Donde: q = carga de enfriamiento. U = coeficiente de transferencia de calor. A = rea de la superficie. CLTD = diferencial de temperatura de carga de enfriamiento.

(11)

Factor de carga de enfriamiento (CLF).Se usa para determinar la carga de enfriamiento, debido a las fuentes de ganancia de calor sensible interior producto de personas, luces y aparatos. Este factor de carga de enfriamiento (CLF) se define de

tal manera que la produccin de la carga de enfriamiento a una hora , se obtiene cuando el factor es multiplicado por el mximo diario de la ganancia de calor.

q = Q mx .CLF

(12)

Los CLF considerados para aquellas ganancias radiactivas (solar, luces, aparatos, etc.) son primero absorbidas por la masa del edificio, solo se vuelven una carga de enfriamiento cuando ellos estn transfirindose al aire. 2.3.2.3. Mtodo del Diferencial de Temperatura Equivalente Total (TETD) Para calcular la carga de enfriamiento en un espacio usando la convencin de TETD, se realizan los mismos procedimientos generales para los conjuntos de datos y para el preclculo de aplicacin de anlisis como se realizan para el TFM. Semejantemente, los factores siguientes se manejan de una manera idntica, tales como: Los clculos de ganancia de calor, conceptos bsicos de radiacin solar (ganancia de calor solar y conductivo a travs de las reas del ventanaje, conversin a carga de enfriamiento). La ganancia de calor total a travs de las paredes exteriores y techos (la temperatura sol-aire, ganancia de calor a travs de las superficies exteriores, valores tabulados de temperatura, colores de la superficie, ciclo de temperatura del aire y ajustes, temperatura sol-aire media, temperaturas del aire de cada hora, y limitaciones de los datos). La ganancia de calor a travs de las superficies del interior (espacios adyacentes, suelos). La ganancia de calor a travs de la infiltracin y ventilacin.

Tratamiento de Ganancia de Calor y los Procedimientos de Conversin de Carga de enfriamiento. El mtodo de TETD se orient principalmente como un procedimiento manual. Tablas de tiempos de retrasos precalculados, factores de decremento, y los valores de diferencial de temperatura total equivalentes se listaron

para un nmero de paredes representativas y grupos de techos para el uso en las ecuaciones de ganancia de calor apropiadas. Estos datos fueron basados en una solucin de serie de Fourier de la ecuacin de conduccin unidimensional estado inestable para una tabla de mltiples componentes usados para calcular el flujo de calor a travs de cada uno de las paredes y techos seleccionados para ese propsito. Todos los clculos estaban basados en una temperatura de aire interior de 75F y una temperatura sol-aire en el exterior para las superficies horizontales y verticales de varias orientaciones, a 2-h de incrementos a lo largo de un da de diseo tpico, como perfilado por Stewart (1948) y Stephenson (1962). Tambin se presentaron ecuaciones bsicas para facilitar una solucin en la computadora. Ganancia de calor a travs de las paredes y techos. Los resultados de los clculos anteriores se generalizaron dividiendo los valores de ganancia de calor de cada hora derivados por el factor U para cada techo y pared tpica. La cantidad obtenida de esta generalizacin se llama el diferencial de temperatura equivalente total (TETD). Esto establece la ecuacin de ganancia de calor bsica para las superficies exteriores como: q = UA(TETD) (13)

Donde: q = la ganancia de calor, Btu/h, U = el coeficiente de transferencia de calor, Btu/(hpies2 F) A = el rea de superficie, pies2, TETD = diferencial de temperatura equivalente total Flujo de calor a travs de una pared o techo similar (en masa trmica as como el factor U) puede ser obtenido multiplicando el TETD listado en tablas por el factor U de la pared o techo de inters. Cualquier error introducido por este acercamiento depende de la magnitud de las diferencias entre la construccin en cuestin

(componentes, clasificacin segn el tamao, color, y configuracin) y la usada para calcular el TETD. TETD como funcin de decremento y factores de retraso de tiempo. Los resultados de ganancia de calor para representar paredes y techos tambin se generalizaron de otra manera. Los factores de decremento eficaz y tiempo de retraso se han determinado para cada grupo de paredes y techos, tal que los diferenciales de temperatura equivalentes y las temperaturas sol-aire correspondientes estn relacionadas por: TETD = tea ti + (te tea) Donde: tea = la temperatura sol-aire promedio diaria, incluyendo la consideracin para color de la superficie. ti = la temperatura de aire interior. = el factor de decremento eficaz. te, = temperatura sol-aire antes de la hora del clculo. Esta relacin permite el clculo aproximado de la ganancia de calor a travs de cualquiera de las paredes o los techos tabulados, o sus equivalentes cercanos, durante cualquier ciclo de temperatura sol-aire. 2.4. Sistema de Distribucin de Aire El aire es el medio usado en la mayora de los sistemas de HVAC, para acondicionar muchos tipos de espacios, el aire puede ser suministrado desde una planta central. En cualquier evento el aire es un medio de transferencia de calor final usado para acondicionar una edificacin. Los primeros mtodos para enfriamiento en una edificacin usaron ventilacin natural o mecnica con aire exterior. (14)

2.4.1. Ventilacin La ventilacin se define como el suministro o remocin de aire desde un espacio por medios mecnicos o naturales. 2.4.1.1. Objetivos y Bases de la Ventilacin Mecnica La ventilacin sirve para los siguientes propsitos: Llevar el aire desde el equipo de enfriamiento hasta el o los espacios que se desean acondicionar; Hacer regresar el aire al equipo de enfriamiento y suministrar aire fresco para reunir requerimientos de salud. En la figura (1), se muestra el tipo de sistema que comnmente es usado para suministrar aire, para propsitos de enfriamiento o calentamiento en edificaciones. Este es un sistema bsico, el cual para ciertos propsitos presenta muchas carencias, pero para propsitos de discusin en este punto este sistema simple servir adecuadamente. Cuando el sistema de la figura (1), es usado para enfriamiento, el aire despedido del serpentn de enfriamiento (conectado al sistema primario del enfriador), esta cerca de 55F o 13C en sistemas convencionales, tambin algo de deshumidificacin es llevado a cabo en el serpentn de enfriamiento y para este caso el serpentn de calentamiento estara inactivo. El suministro de aire debe ser acondicionado por el tiro del ventilador de aire a travs del serpentn y las causas para el flujo en el espacio. Segn la conservacin de masa, la cantidad de aire suministrada al espacio debe adems ser removido del mismo, excepto por diferencias que pueden ser causados por infiltracin o fuga. El ducto de retorno de aire y el ventilador sirven para remover el aire de la zona, en vez de descartar este aire despus de un simple paso a travs del espacio, una porcin puede ser reusada, este es el propsito del ducto de retorno. La cantidad de aire del cuarto que debe ser descartada, depende de los requerimientos del suministro de aire fresco.

Figura (1) Sistema de HVAC secundario simplificado para una sola zona 2.4.2. Componentes del Sistema Entre los componentes del sistema se tiene: Conductos de suministro y retorno; Rejillas de suministro y retorno; Difusores y el Ventilador. 2.4.3. Pasos a Considerar a. Dimensionamiento de los conductos de suministro y retornos b. Seleccin de rejillas y difusores de suministro, apropiados para cada salida de aire. c. Seleccin de las rejillas de retorno. d. Determinacin de la prdida total de presin en todo el sistema. e. seleccin del ventilador.

2.4.4. Normas Preestablecidas El sistema de distribucin de aire debe trabajar dentro de ciertos lmites preestablecidos: Velocidad Mxima; Intensidad de ruido; Disponibilidad de espacio. 2.4.5. Diseo de Conductos El objetivo del diseo de ductos, es descargar la cantidad de aire (a las condiciones apropiadas) necesaria para distribuir las cargas en cada zona de la edificacin. El diseo de ductos est limitado por muchos factores, uno de los ms importantes es la disponibilidad del espacio, que frecuentemente est ms all de la responsabilidad del Ingeniero. Otras limitaciones incluyen la necesidad en: reunir cargas en una variedad de zona; Reunir economa; Minimizar operacin de energa sujeta a dos tems y Control del nivel del ruido. La secuencia de eventos en el diseo de ductos es de la siguiente manera, se hace un layout preliminar del sistema, incluyendo todos los miembros estructurales. Una vez hecho el layout, el tamao de los ductos est basado en la cantidad de aire necesaria en cada zona y para cada dispositivo terminal. Se realizan clculos de cada de presin y se selecciona el ventilador. La prxima iteracin del diseo necesitar considerar para los desequilibrios de flujos potenciales en el diseo original, excesiva cada de presin en el recorrido de ductos y problemas de ruido. Despus de una o ms iteraciones para acomodar esos criterios se prepara un grupo de dibujos de diseo final. Cuando el diseo es suficientemente completo, al menos, se debe preparar un costo estimado como parte del proceso de diseo. El diseo de ductos es dividido en dos clases generales, sistemas de baja velocidad, con velocidades menores a 2500 pies/min (13 m/s), y sistemas de alta velocidad, con velocidades por encima de 4500 pies/min (23 m/s). El primero puede ser usado para conductos pequeos, si el espacio es un problema, pero los niveles del potencial del ventilador son altos, tambin requieren de un trabajo especial de ductos (ductos de espiral ovalados o redondos), para control de escapes y confinar

propiamente el aire de alta presin; mientras el segundo es usado si los costos de operacin del ventilador son bajos y si el espacio de construccin es adecuado para la existencia de grandes conductos. 2.4.5.1. Mtodos de Diseo A continuacin se presentan los mtodos utilizados para el diseo de ductos: 2.4.5.1.1. Mtodo de Igual Friccin Este mtodo consiste en mantener el mismo gradiente de presin en todas las partes del sistema. Se basa en dimensionar el sistema de modo que la prdida de presin por unidad de longitud sea igual para todo el sistema. Utilizando este mtodo se requieren pocos clculos para ductos simtricos, ya que todos los caminos tendran aproximadamente la misma resistencia. 2.4.5.1.2. Mtodo de Reduccin de Velocidad Reduce progresivamente la velocidad del aire en los ductos. Consiste en seleccionar una velocidad de salida en la descarga del ventilador y establecer arbitrariamente una serie de reducciones a lo largo del sistema. Estas velocidades no deben exceder los valores recomendados. Se busca la velocidad mxima para ductos principales y tipo de local, luego se va reduciendo la velocidad a medida que se va alejando del ventilador de manera arbitraria y lgica, dependiendo de las longitudes de los ductos y los CFM del espacio. Su desventaja es que requiere considerable experiencia y criterio. 2.4.5.1.3. Mtodo de Recuperacin Esttica Este mtodo est basado en el requerimiento de que el resto de presin esttica del sistema es el mismo a travs de todo un sistema. Especficamente los ductos son

medidos para que el incremento en presin esttica en una seccin del ducto, balancee exactamente la prdida de presin en la prxima seccin del ducto. Esto es acompaado por progresiva reduccin de velocidad en el sistema de ductos. La conversin de presin de velocidad a presin esttica balancea la prdida de presin total debido a la friccin en la seccin del ducto. Presin esttica constante en todo el sistema de ducto es deseable, ya que se simplifica el balanceo del sistema. 2.4.5.2. Procedimiento para el Diseo de Conductos a. Estudiar el plano del edificio para colocar las salidas y retornos en cada espacio, asegurndose de distribuir apropiadamente el aire en cada uno de ellos. b. Determinar las cantidades de aire (CFM), que deben suministrarse y regresar para cada salida o retorno de aire. c. Hacer un esquema del sistema de ductos ms simple y conveniente, que conecte las salidas de suministro y las entradas de retorno con el aparato central. d. Determinar el camino crtico, es decir, el que tiene la mayor resistencia, tanto para el sistema de suministro como el de retorno. e. Calcular las dimensiones de todas las secciones de los conductos usando uno de los mtodos de diseo. f. Seleccionar de catlogos los difusores y/o rejillas de suministro, as como las rejillas de retorno. g. Determinar la prdida de presin total en todo el sistema. Para determinar la prdida de presin en el sistema se debe hallar el camino que tiene la mayor resistencia, es decir, el ms critico, tanto para el sistema de suministro como para el de retorno, por otro lado se debe considerar la recuperacin de presin esttica. 2.4.7. Ventilador El movimiento del aire a travs del sistema HVAC en edificaciones, es causado por fuerzas de presin producidas por ventiladores. De acuerdo a Coad (1989), esto representa cerca del 30% de la electricidad usada en edificaciones comerciales.

El consumo elctrico del ventilador puede ser fcilmente ms grande que el consumo del enfriador, porque los ventiladores operan muchas horas ms por ao, aunque con tasas de potencias ms bajas. Por consiguiente, es muy importante que todos los medios posibles se usen para el control de la potencia del ventilador y para el diseo del sistema de ductos que son energticamente eficientes. El diseador debe adems especificar el motor ms eficiente que sea econmicamente factible para ventiladores usados en sistemas HVAC. Se han desarrollado las leyes de ventiladores, en las cuales gobierna el funcionamiento de ventiladores a distintas condiciones si la eficiencia se mantiene constante. Para propsitos de diseo, se asume que las leyes del ventilador aplican. Esto es igualmente meritorio para enfatizar que los ventiladores son dispositivos volumtricos que causan el flujo de un volumen dado de aire bajo condiciones especficas. Sin embargo, a altas altitudes el flujo de masa producido por ventiladores es bajo, porque la densidad es baja, an estando el flujo volumtrico a la misma velocidad del ventilador. Uno puede imaginar dos sistemas de distribucin de aire idnticos, operando con velocidades del ventilador idnticas a dos altitudes diferentes. El sistema a baja altitud tendr una tasa volumtrica que depender de la capacidad del ventilador, del sistema de ductos y de la densidad del aire. El sistema a alta altitud tendr la misma tasa volumtrica, ya que la velocidad del ventilador es la misma, pero la cada de presin ser proporcionalmente menor por la misma cantidad, porque la densidad es menor (ya que la cada de presin del sistema depende ntimamente de la linealidad de la densidad). Los caballos de fuerza se calculan con la cada de presin (P) y la tasa volumtrica del aire, esto tambin es afectado por la densidad relativa.

CAPTULO III FUNDAMENTOS COMPUTACIONALES

3.1. Clculo de la Carga Trmica De los mtodos descritos en el capitulo anterior, para calcular la carga trmica, se seleccion el mtodo del diferencial de temperatura equivalente total (TETD), para evaluar las cargas en la envolvente de la edificacin y el factor de carga de enfriamiento (CLF), para las cargas debido a las fuentes de ganancia de calor interiores. El mtodo de funcin de transferencias (TFM), est basado en el principio de equilibrio de calor, el cual permite conocer o estimar la ganancia de calor hora a hora, por otra parte estimar la ganancia de calor usando el TFM requiere de un anlisis dinmico completo, lo cual hace ms complejo el estudio. El CLTD es el mtodo ms reciente y de fcil aplicacin, ya que implica un clculo de un solo paso y solo se necesitan los diferenciales de temperaturas precalculados para cada grupo de pared o techo; pero las configuraciones de paredes y techos tabuladas por la ASHRAE, no corresponden con las construcciones tpicas de la ciudad de Maracaibo, ya que la ASHRAE muestra tablas que corresponden a las construcciones tpicas en los Estados Unidos y Canad. Por lo que se necesita estimar la ganancia de calor para las construcciones de la ciudad de Maracaibo y para ello se requiere del TFM y sus respectivos coeficientes de funcin de transferencia; esto sera un proceso complejo y extenso, lo cual va ms all de los objetivos planteados en este trabajo especial de grado. A diferencia del CLTD, el TETD si se cuenta con los valores de para las construcciones tpicas de la ciudad, a travs de estudios previos, realizados por la Prof. Ing. Nastia Almao, (1998). Los TETD se obtuvieron en funcin del decremento eficaz y el factor de retraso, dichos valores se encontraron realizando simulaciones por medio del programa EVITA, (1998) para cada configuracin de paredes y techos de construcciones tpicas en la ciudad de Maracaibo. Siendo EVITA un cdigo basado en la Dinmica de Fluidos Computacional (CFD), que constituye una herramienta til y eficaz para determinar la distribucin de temperaturas en el interior de una edificacin.

En cuanto al CLF, es un mtodo de fcil aplicacin y se cuenta con toda la informacin pertinente para calcular las carga interiores. El clculo de la carga trmica en el programa, consistir en evaluar las ecuaciones descritas en este capitulo, las variables de dichas ecuaciones se tomarn de una base de datos diseada con el programa Microsoft Access, la cual contiene las tablas del Apndice A y de la informacin suministrada por el usuario. Las condiciones de diseo y las ecuaciones para calcular las cargas de calor interior, cambios de aire) se presentan a continuacin: 3.1.1. Condiciones de Diseo Las cargas trmicas son determinadas para una hora del da y para una temperatura interior. La hora de clculo u Hora de Diseo, podr ser seleccionada para cualquier hora, es decir, una de las 24 horas del da. La temperatura interior o Temperatura Interior del Espacio ser seleccionada en un intervalo comprendido entre 22C y 26C, permitiendo as, elegir la temperatura de confort deseada en el interior del espacio a acondicionar. Para el clculo de las cargas, han sido supuestas las siguientes condiciones: Absortividad alta para la radiacin solar (oscuro, = 0.8). Radiacin solar para 10,65 de latitud Norte en Agosto. Blanco R. German J. (1997), en su tesis de grado titulada Diseo de un programa para determinar el factor de ganancia de calor solar y temperatura sol-aire para diferentes latitudes, entre los resultados de la investigacin, obtuvieron que en la ciudad de Maracaibo el mes de Agosto, presenta los valores de temperaturas y factores de ganancia de calor solar ms altos, en tal sentido, este programa escoje el mes de Agosto como el de diseo y presenta las siguientes caractersticas: Temperatura exterior mxima, Tomax = 34,87C Temperatura exterior mnima, Tomin = 28,03C Rango diario = 6.84C sensibles (envolvente del espacio, fuentes de calor interior, cambios de aire) y latentes (fuentes

Coeficiente de transferencia de calor convectivo exterior, ho =19,3 W/(m2.K) Coeficiente de transferencia de calor convectivo interior, hi = 8,3 W/(m2.K) Sin ventilacin forzada o conductos de aire en el techo. Humedad relativa interior = 55% Humedad relativa exterior mxima = 84,7% Humedad relativa exterior mnima = 58,9% Las Tablas indicadas en este capitulo, se encuentran en el Apndice A. Todas las condiciones climticas han sido basadas en las condiciones de la ciudad de Maracaibo, en la Tabla (1) se muestran valores correspondientes a las condiciones de diseo interior, temperaturas y humedades especifica interiores y en la Tabla (2) se muestran los valores de las condiciones de diseo exterior, temperaturas, humedades relativas y humedades especificas exteriores. Los datos de temperatura ambiente y humedad relativa fueron medidos y suministrados por la estacin meteorolgica urbana del IFA-LUZ, correspondiente al mes de Agosto, aos 1998 y 1999. 3.1.2. Cargas Sensibles Las cargas sensibles se definen como aquellas que se transfieren al espacio por conduccin, conveccin y/o radiacin. 3.1.2.1. Cargas A Travs de Techos y Paredes Exteriores. La carga de enfriamiento conductiva a la hora de diseo, es calculada utilizando el TETD apropiado en la siguiente ecuacin:

Qc ,cond = U.A.[TETD + (25 t i )].AC

(15)

Donde: Qc,cond = carga a travs del techo o pared, a la hora de diseo, W A = rea de la superficie del techo o pared, m2 U = coeficiente de transferencia de calor global, W/(m2.K) TETD = diferencial de temperatura equivalente total ti = temperatura interior del espacio, C AC = ajuste por color Los valores de U se encuentran en la Tabla (4) para los techos y en la Tabla (7) para las paredes. Los valores de TETD se encuentran en la Tabla (5) para los techos y en la Tabla (8) para las paredes, estas tablas muestran diferenciales de temperatura para ocho orientaciones incluyendo superficies horizontales. Todos los valores estn para una variedad de tipos de construcciones y materiales que corresponden a la ciudad de Maracaibo. En la Tabla (3) se lista la configuracin de 49 techos, ms 18 techos con cielo raso y en la Tabla (6) estn listadas las configuraciones de 23 tipos de paredes. Los valores de TETD listados en las Tablas han sido calculados para una temperatura interior de 25C, es por ello que se utiliza en la ecuacin (15) la expresin (25 ti) para corregir los TETD, debido a que el programa permite calcular las cargas para un intervalo de temperaturas interiores (de 22C a 26C) como se mencion anteriormente. Tambin es necesario realizar la correccin del color de las superficies exteriores a travs de (AC), ya que cuando se calcularon los TETD se asumi una absortividad alta para la radiacin solar (oscura). En la Tabla (9) se muestran los valores de (AC) para una variedad de colores. 3.1.2.2. Cargas A Travs del Suelo La ASHRAE, para el caso de pisos sobre tierra, seala que es posible no estimar la ganancia a travs del suelo para la carga de enfriamiento debido a que no

representa una ganancia de gran magnitud, sin embargo en este programa se ha considerado incluir esta carga. Los resultados de algunos experimentos indican que los valores ms representativos son las mediciones hechas bajo sombra. La placa de concreto o piso hace las veces de sombra sobre el suelo. De datos experimentales, realizados en tierra a unos 90 centmetros de profundidad, se recomienda que la temperatura se tome como, ts = 29,2C y un coeficiente de transferencia de calor global igual a U = 1.384 W/(m2.K), que corresponde a las siguientes capas: 90 centmetros de tierra; 10 centmetros de concreto pesado; 5 centmetros de concreto liviano; resistencia del aire interior. Entonces la ecuacin para evaluar la carga del piso sobre tierra queda como:

Qs = A.U.(t s t i )3.1.2.3. Cargas A Travs de Ventanas y/o Vidrios

(16)

Para las ventanas, se trata la ganancia de calor conductiva y solar, separadamente. Ganancia de valor a travs del vidrio:

Qc,cond ,V = U.A.(t o t i )Donde: U = coeficiente de transferencia de calor global, W/(m2.K). A = rea de la ventana y/o vidrio, m2 to = temperatura exterior, ver Tabla (2)

(17)

Los tipos de vidrios son mostrados en la Tabla (10) y los valores de U en la Tabla (11). Ganancia de calor absorbida debido a la radiacin solar transmitida a travs del vidrio:

Qc,solar ,V = A.CS.FGCSmax.CLFDonde: A = rea de la ventana y/o vidrio, m2 CS = coeficiente de sombra SHGF = factor de ganancia de calor solar mximo, (W/m2) CLFt = factor de carga de enfriamiento a la hora de diseo

(18)

La ganancia de calor solar a travs de ventanas es tratada por el factor de ganancia de calor solar FGCS. Se define como la ganancia de calor instantnea en (W/m2), debido a la radiacin solar a travs del vidrio referencial, discutido en los fundamentos de la ASHRAE 1989. Hay dos componentes en esta ganancia solar: la radiacin transmitida a travs del vidrio y la radiacin absorbida en el vidrio. El ltimo se asume que es totalmente absorbido en el interior de la edificacin, una asuncin razonable en vista del efecto de cavidad. La radiacin absorbida en el vidrio aumenta la temperatura y por eso cambia el flujo de calor conductivo. Para otros tipos de vidrios distintos al vidrio referencial, basta con multiplicar por el coeficiente de sombra, definido como el coeficiente de radiacin solar f del vidrio en cuestin, dividido por el coeficiente de radiacin solar f del vidrio referencial. El CS se encuentra listado en la Tabla (11). Para calcular la contribucin de la carga de enfriamiento; el mximo diario de la ganancia de calor solar, es multiplicado por el factor de carga de enfriamiento CLF. De esta manera se obtendr la carga de enfriamiento real a la hora de diseo. El FGCSmax es el valor de FGCS en la hora cuando la radiacin logra su mximo durante un mes, orientacin y latitud en particular. El CLF toma en cuenta la variacin de la radiacin solar durante el da, as como la dinmica de su absorcin en la masa del edificio y la descarga gradual de este calor. En la Tabla (12) se muestran los valores de FGCSmax.CLF.

Para los techos que contengan tragaluz, se puede calcular la carga a travs de los mismos de igual forma que para las ventanas y/o vidrios, evaluando las ecuaciones (17 y 18). Los valores de U y CS estn listados en la Tabla (13) 3.1.2.4. Cargas A Travs de Superficies Interiores La transmisin de calor, entre un espacio acondicionado y otro adyacente no acondicionado, viene dada por:

Qc ,cond ,ady = A.U.(t b t i )Donde:

(19)

tb = temperatura del espacio adyacente no acondicionado, la cual se toma igual a un valor constante e igual a :

tb = ti +

(t o t i ) 2

(20)

Esta temperatura promedio esta basada en la recomendada por el Formato para Determinar la Carga Trmica. Rafael Hoiro, 2002. to = temperatura exterior, vea Tabla (2) ti= temperatura interior del espacio U = coeficiente de transferencia de calor global, W/(m2.K) Los valores de U estn en las Tablas mencionadas anteriormente para las respectivas configuraciones de techos, paredes y vidrios. Para el caso de los entrepisos se muestran las configuraciones en la Tabla (14) y los valores de U en la Tabla (4). 3.1.2.5. Cargas Generadas por Fuentes de Calores Interiores De manera anloga, se han computado factores de carga de enfriamiento CLF, para las ganancias de calor de las fuentes interiores. Hay factores para cada una de las tres categoras:

Personas

Qocst = N.Qocs .CLFLuces

(21)

Qlt = N.Ql .CLFAparatos y/o equipos

(22)

Qapst = N.Qaps .CLF

(23)

En estas ecuaciones, el Q (W) que esta en el lado derecho, es la tasa de generacin de calor, supuesta constante para un cierto nmero de horas y se supone cero para el resto de las horas. En los ocupantes sera la ganancia de calor sensible generada por los mismos, la cual depende de la actividad que realicen las personas en el espacio, ver la Tabla (15), basada en ASHRAE 1989a. En el caso de las luces seran los vatios generados por la luminaria y para los aparatos ser la ganancia de calor sensible que generan. En la Tabla (16) se muestran algunos artefactos y/o equipos de oficina mostrados por el manual de fundamentos de la ASHRAE (1997). El Qt en el lado izquierdo, es la carga de enfriamiento resultante a la hora de diseo t. Para cada perfil de carga hay un grupo diferente de CLF. En la Tabla (17), se muestran los factores que fueron computados con el total de horas en el espacio, este es el nmero de horas que las personas ocupan normalmente el espacio y las horas despus de cada entrada en el espacio, es decir, el nmero de horas desde que entran las personas hasta la hora de diseo. En la Tabla (18) para aparatos, se computaron los factores con el total de horas operacionales del equipo y las horas despus que el aparato ha sido encendido. En cuanto a las luces, los valores se obtuvieron de una tabla, para 8 y para 12 horas encendidas, a su vez la tabla est conformada segn el mobiliario del espacio, es decir, si es un mobiliario simple u ordinario con o sin alfombra, etc.; segn la masa

del rea del piso y segn la circulacin de aire y tipo de suministro o retorno. Ver Tabla (19), La Tabla (20) para 8 horas encendidas y para 12 horas encendidas, muestra los factores de carga de enfriamiento asumiendo solo los parmetros que corresponden a los requerimientos de este proyecto, con el objetivo de simplificar el manejo de las tablas. En el caso del parmetro masa del rea del suelo se consider para los valores correspondientes a pisos de 150 milmetros de concreto (configuracin comnmente utilizada en las construcciones tpicas de la ciudad y asumida para efectos de este proyecto) y para el caso de la circulacin de aire se tomaron los valores que corresponden a medium, ya que cumple con las condiciones requeridas para este proyecto (para techos no ventilados y una tasa de ventilacin media). El valor de N, es la cantidad de personas, luces, aparatos o equipos que hay en el espacio. 3.1.2.6. Cargas A Travs de Cambios de Aire

Infiltracin Utilizando el mtodo del cambio de aire, el cual consiste en asumir cierto nmero de cambios de aire por hora para cada espacio del conjunto, queda que la carga de enfriamiento debido a la infiltracin es:

QDonde:

ist

=