Instalaciones Termomecnicas

Instalaciones Termomecnicas2013

ndiceIntroduccin1Balance Trmico.1Objeto del balance trmico1Confort trmico1DIAGRAMA DE CONFORT DE ASHVE2Temperaturas efectivas recomendadas y aceptables4CONDICIONES DE DISEO INTERIORES.5Temperatura:5Humedad:5Velocidad6Pureza.6CONDICIONES DE DISEO EXTERIORES.7CARGA, GANANCIA Y EXTRACCION DE CALOR7Caudal de aire a circular8CLCULO DE CARGA TRMICA TOTAL DE VERANO (QR)9Carga trmica por Conduccin QC10Carga trmica por ventilacin Qa11Carga trmica solar Qs12Carga trmica por fuentes internas Qo13DATOS DE PARTIDA13Tablas para obtencin de coeficientes15Obtencin de carga trmica20Instrucciones a seguir20Ejemplo de aplicacin21

Introduccin

El clculo de la carga de verano e invierno, de un acondicionamiento de aire de un local, es un problema complejo por la diversidad de factores variables a tener en cuenta. Todo acondicionamiento de aire es un proceso a seguir para tratar ese aire a fin de conseguir un grado de confort en las personas que ocuparan el local acondicionado.Esa sensacin de confortabilidad varia, indudablemente, segn las personas, su metabolismo, edad, sexo, estado fsico, ropa que usan, actividad que desarrollan en el local, condiciones atmosfricas de la localidad, estacin del ao, caractersticas de edificacin del local etc.

Balance TrmicoObjeto del balance trmico El objeto de una instalacin de aire acondicionado es mantener un cierto espacio en condiciones particulares, diferentes de las exteriores. Bsicamente hablamos de condiciones de temperatura y humedad. Para mantener esas condiciones ser necesario un intercambio energtico, realizado por medio de un equipo acondicionador, que agregar o extraer calor del ambiente. Llamamos Balance Trmico al Conjunto de clculos que se realiza para determinar la capacidad de los equipos y desarrollo de la instalacin de aire acondicionado.

Confort trmico La valoracin del confort y del estrs trmico revisten cada da mayor importancia y son mltiples laspublicaciones que abordan el tema. Un ambiente trmico inadecuado causa reducciones de los rendimientosfsico y mental, y por lo tanto de la productividad; provoca irritabilidad, incremento de la agresividad,de las distracciones, de los errores, incomodidad al sudar o temblar, aumento o disminucin dela frecuencia cardaca, etc..., lo que repercute negativamente en la salud e incluso, en situaciones lmite,puede desembocar en la muerte.Es comn que la presentacin del anlisis del microclima se haga mediante ndices evaluativos, omitiendoel proceso de desarrollo y anlisis, lo que hace difcil la comprensin y la posterior toma de decisiones.Con frecuencia la lectura de los artculos cientficos que abordan el tema impide tener una visin deconjunto, ya que habitualmente se presenta el resultado final obviando el proceso de creacin (la teoraen que se apoya el ndice) y el anlisis, planteando nicamente la fase de evaluacin, lo que a nuestromodo de ver agudiza un problema acuciante, la falta de conocimiento de qu se est haciendo y lleva alergnomo, al ingeniero, o al higienista a tomar decisiones mediatizadas por las previsiones sugeridas porlos autores de los ndices analizados.Con este libro se pretende no slo abordar la problemtica del ambiente trmico en el mbito laboral,sino tambin ayudar a comprender el complejo problema de la interaccin entre ste y la persona.A travs de los diferentes captulos tratados el lector podr ahondar en un ndice determinado, reflexionarsobre la complejidad de la termorregulacin humana, resolver un problema concreto o, mediante elprograma informtico Spring 3.0, modelar diferentes situaciones y analizar resultados divergentes enfuncin de los cambios en algunas de las variables que definen y configuran el microclima que rodea a lapersona y que potencia o limita sus capacidades de accin y toma de decisiones.La proporcin de trabajadores que desarrollan su actividad en el sector de servicios es cada vez msnumerosa, y son frecuentes los problemas creados por la falta de confort trmico, por lo que es de graninters disponer de criterios de valoracin y mtodos de control para estas situaciones.Mientras tanto, los estados crticos de estrs trmico se siguen manteniendo no slo en la industriasiderometalrgica, vidrio y hornos en general, sino tambin en la agricultura, la pesca y la construccin,por citar los sectores productivos ms significativos.El inters por la valoracin del microclima laboral no es nuevo y desde principios de siglo los especialistashan procurado encontrar un ndice que resuma en un slo valor una situacin microclimtica dada.En Espaa la normativa vigente que regula las condiciones trmicas de los trabajadores se recoge en elanexo III del R.D. 486/1997 sobre disposiciones mnimas de seguridad y salud en los lugares de trabajoincluido en el anexo 2 de este libro.De todas formas la proliferacin de ndices es un argumento ms que razonable para poner en duda laeficacia absoluta de stos. ltimamente diferentes normas ISO han sido publicadas y recogidas comocuerpo de doctrina en el campo del estrs y el confort trmico. En esta obra se presentan diferentesndices recogidos por ISO y se analizan los aspectos ms relevantes de stos.Las tablas 1.1 y 1.2 recogen los ndices de confort y estrs ms importantes que han aparecido histricamente,as como los autores y los aos de publicacin.TABLA 1.1 ndices de confort ms importantes

AoMtodoAutor

1923Temperatura efectiva, TEHoughton & Yaglogou

1929/36Temperatura equivalenteDufton

1931/48Temperatura resultanteMissenard

1967Temperatura media de la pielGagge

1970ndice valoracin media, IVMFanger

1972Temperatura efectiva estndar, SETGagge

1973Humedad de la pielGonzlez & Gagge

TABLA 1.2 ndices de estrs ms importantes

Termorregulacin del cuerpo humanoEl cuerpo humano es un generador constante de calor. Ya, de por s, una persona sin hacer absolutamentenada y con su gasto energtico al mnimo, es decir, slo para mantener su organismo vivo (metabolismobasal), genera entre 65 y 80 watios de calor, segn su sexo, edad y superficie corporal, mientras que unabombilla elctrica incandescente de 60 W emite, aproximadamente, 55 W de calor.El ser humano produce la energa que necesita para mantener su cuerpo vivo y activo, a partir de losalimentos y del oxgeno que, a lo largo de complejas reacciones qumicas, se va convirtiendo en calor.As, alrededor del 50% de la energa de los alimentos ya desde el inicio del proceso se transforma encalor y el otro 50% en trifosfato de adenosina (ATP), del cual la mayora tambin se convierte en calor alpasar a formar parte de los sistemas metablicos celulares que slo aprovechan una pequea parte de laenerga restante; al final prcticamente toda la energa, de una forma u otra, se transforma en calor dentrodel organismo, excepto una fraccin, generalmente muy pequea, que lo hace fuera a partir del trabajoexterno que realiza el hombre.Un hombre de una complexin fsica normal, descansando genera unos 115 W de calor; caminando poruna superficie plana a una velocidad de entre 3,5 y 5,5 km/h genera de 235 W a 360 W; pero si acelera elpaso a ms de 7 km/h su produccin de calor estar alrededor de los 520 W. En un trabajo muy severo laproduccin de calor puede sobrepasar los 900 W, como es el caso de los deportistas de alto rendimientoque, realizando una actividad muy intensa, pueden alcanzar los 2000 W durante unos minutos.La eficiencia mecnica del hombre es baja, ya que entre el 75% y el 100% de la energa que produce yconsume para realizar sus actividades se convierte en calor dentro de su organismo, segn el tipo deactividad, al que hay que sumar el calor producido por el metabolismo basal necesario para mantenersevivo (figura 1.1).Sin embargo, la generacin continua de calor metablico no siempre garantiza la temperatura internamnima necesaria para la vida y para la realizacin de las actividades cuando las personas se encuentranexpuestas a determinadas condiciones de fro, con lo cual las bajas temperaturas pueden llegar a constituirun peligro. No obstante, por lo general los ambientes de altas temperaturas son mucho ms peligrososque los fros, pues normalmente resulta ms fcil protegerse del fro que del calor.

Trabajo externo 0-25 % (W)Energa metablica (M)Calor 75-100 % (Q)MWE =MW 100 < 25%MQ

Fig. 1.1 Eficiencia mecnica del hombre

La temperatura interna o central, es decir, la de los tejidos profundos del organismo, es el promedioponderado de las diferentes temperaturas de las partes y rganos del cuerpo. Estas temperaturas tomandiferentes valores segn la actividad; la parte del cuerpo y la hora, oscilando con ritmo circadiano, ymantenindose dentro de 0,6 C aproximadamente, salvo enfermedad febril; incluso si el individuoqueda expuesto a temperaturas de bulbo seco tan bajas como 12 C, o tan altas como 60 C.Aunque el intervalo de supervivencia puede extenderse, en algunos casos, desde los 28 C hastalos 44 C de temperatura interna (generalmente con daos importantes en el organismo), la temperaturainterna considerada normal, en la que no deben producirse afectaciones, oscila alrededor de los 37,6 C,dentro de un intervalo de 36 C a 38 C; no obstante, durante actividades fsicas intensas puede llegar aalcanzar los 40 C, lo cual, en circunstancias especficas, es necesario para lograr el rendimientoadecuado.Tambin es frecuente hablar de las temperaturas esofgica, axial, bucal o sublingual, rectal y de la piel ocutnea; esta ltima toma diferentes valores segn la parte del cuerpo, por lo que es necesario estimar latemperatura media cutnea. Los valores de la temperatura tomada en el recto (temperatura rectal) sonaproximadamente 0,6 C mayores que los de la temperatura bucal, cuyo valor normal promedio se hallaentre 36,7 C y 37 C. Mientras que la temperatura media cutnea puede variar en un intervalo msamplio, ya que aumenta y disminuye siguiendo las condiciones ambientales y la actividad metablica;esta temperatura tiene importancia cuando nos referimos a la capacidad de la piel para ceder calor alambiente.Se llega fcilmente a la conclusin de que constituye una condicin indispensable, para la salud y para lavida, mantener la temperatura interna dentro de los estrechos lmites vitales de la sutil diferenciade 4 5 C.El calor generado por el cuerpo (K), puede ser estimado partiendo de las temperaturas rectal y cutneamediante la siguiente expresin:K = 3,48 Pc (0,65tr + 0,35tp) (kilojulios) (1)donde:3,48: calor especfico del cuerpo, kJ/(kg C)Pc: peso corporal, (kg)tr: temperatura rectal, (C)tp: temperatura de la piel, (C)En la figura 1.2 se muestran esquemticamente los valores aproximados de las temperaturas en el cuerpohumano bajo las dos situaciones de fro y calor.

37 C

36 C32 C28 C34 C31 Ca) frob) calor

Fig 1.2 Temperaturas aproximadas del cuerpo humano: a) bajo condiciones de fro (20 - 24 C) y b) bajo condiciones de calor (35 C)

En la figura 1.3 puede observarse el ritmo circadiano de la temperatura rectal desde las 8 de la maanahasta las 8 de la maana del da siguiente, segn Ernst Pppel.

Temperatura rectal (C)37,6 36,8 36,081216202448Momento del da (horas)

Fig 1.3 Variacin circadiana de la temperatura rectal en un perodo de 24 horas segn Ernst PppelLas seis variables que definen la interrelacin entre la persona y el ambiente trmico son las siguientes:1) la temperatura del aire,2) la temperatura radiante,3) la humedad del aire,4) la velocidad del aire,5) la actividad desarrollada,6) la vestimenta,las cuatro primeras las aporta el entorno y las dos segundas la persona.La sobrecarga trmica y la tensin trmicaTodo ambiente trmico que provoque tensiones en la persona que activen sus mecanismos de defensanaturales para mantener la temperatura interna dentro de su intervalo normal, constituye una sobrecarga.Las sobrecargas trmicas (por calor o por fro) provocan en el hombre las tensiones trmicas (por caloro por fro).Se define la sobrecarga calrica (Heat Stress) como la causa que provoca en el individuo el efectopsicofisiolgico que se denomina tensin calrica (Heat Strain); mientras que la sobrecarga por fro(Cold Stress) es la causa que provoca en el hombre el efecto psicofisiolgico que se denomina tensinpor fro (Cold Strain).A efectos prcticos, se considera que el ambiente trmico puede ser de cuatro tipos:1) de bienestar o confort;2) permisible;3) crtico por calor;4) crtico por fro.Las condiciones de bienestar o confort son las ptimas, el sujeto se encuentra satisfecho y su organismomantiene el equilibrio trmico, es decir: su temperatura interna se mantiene dentro de los lmites fisiolgicosnormales, sin tener que efectuar para ello ajustes de adaptacin a un medio ms o menos hostil.Incluso las condiciones permisibles obligan a la persona a efectuar determinados ajustes fisiolgicospara alcanzar el equilibrio trmico y conservar su temperatura interna dentro de los lmites normales, loque provoca una tensin trmica ms o menos severa, segn la sobrecarga trmica existente, la ropa, laactividad y sus caractersticas individuales. Estos ajustes, incluso existiendo equilibrio trmico, al menosprovocarn molestias psicolgicas, aunque tericamente, defendern a las personas de la agresinambiental y no provocarn daos fisiolgicos.En las condiciones crticas, ya sea por fro o por calor, no hay equilibrio trmico entre el ambiente y elcuerpo humano. En ambiente crtico por fro la temperatura interna bajar continuamente hasta provocarla muerte si el sujeto permanece expuesto al mismo, mientras que en el ambiente crtico por calor latemperatura interna se elevar continuamente con el mismo resultado fatal, si el individuo permaneceexpuesto el tiempo suficiente.En el grfico que se muestra en la figura 1.4 aparece la curva aproximada que relaciona la sobrecargatrmica con la tensin trmica en un sujeto.Fig. 1.4 Curva de sobrecarga confort-tensin, aproximada, de un sujetoSobrecarga

Tensin por fro Permisibles Vasoconstriccin y temblorest i

crticascrticasVasodilatacint iy sudoracinConfortSOBRECARGASobrecarga por froSobrecarga calrica

Tensin calricaTENSION

Fig. 1.4 Curva de sobrecarga confort-tensin, aproximada, de un sujeto

Sin embargo, no todos los individuos reaccionan igual frente a la misma sobrecarga trmica y lo que paraunos puede constituir un ambiente severo, para otros pudiera no serlo tanto, tal como se observa en la

Fig. 1.5 Grfico con las curvas de sobrecargas y tensiones calricas y por fro de Laura y Carolina

Obsrvese que, ante una sobrecarga calrica (C), Laura reacciona con una tensin calrica (CL ) y Caro- lina con una tensin calrica (CC) mucho mayor que la de Laura ( CC >> CL); mientras que ante la sobrecarga por fro (F), Carolina enfrenta mejor la situacin pues responde con una tensin por fro (FC) y Laura peor, con una tensin por fro (FL) (FC 0), o perdido (si A 0, desequilibrio por condiciones crticas por calor,4) M R C < 0, desequilibrio por condiciones crticas por fro.

En la figura 1.7 se esquematiza la entrega de calor de la piel segn la humedad sea del 30 o del 90 %, mediante R, C y E, bajo determinadas condiciones de sobrecarga calrica (temperatura del aire: 25 C; velocidad del aire: 0,3 m/s), temperatura de la piel: 35 C y un trabajo fsico pesado de 254 W/m2.

HR = 90 %

HR = 30 %R + C74 W/m229 %E180 W/m271 %R + C74 W/m229 %E125 W/m249 %

A = 0 EQUILIBRIO TRMICO

A = 55 W/m2 DESEQUILIBRIO TRMICO

Fig. 1.7 Entrega de calor de la piel segn la humedad

La ecuacin de balance trmico se explicar con ms detalles en el captulo 2, dedicado a ello.ce

DIAGRAMA DE CONFORT DE ASHVE La ASHVE (Sociedad Americana de Ingeniera de Calefaccin y Ventilacin) ha confeccionado, en funcin del diagrama psicomtrico, un Diagrama de Confort y Temperaturas Efectivas, que en la actualidad, presenta variaciones respecto del original (que fue confeccionado con valores de humedad y temperatura para una vestimenta de saco y corbata). Es decir, con el fin de lograr ahorros de energa, se han elevado los valores de temperatura interior, obligando a usar ropa liviana a quienes permanecen en el lugar a fin de alcanzar sensacin de confort.El Diagrama establece una relacin entre las distintas condiciones psicromtricas y el grado de confort o bienestar humano, y se ha elaborado en base a resultados estadsticos provenientes de investigaciones sobre las reacciones de distintas personas sometidas a diferentes condiciones de temperatura, movimiento del aire y humedad. Este diagrama tiene validez para aire en escaso movimiento (de 5 a 8m/min)Conociendo la TBS y TBH de un ambiente determinado, el Diagrama de Confort indica el porcentaje de humedad relativa, la temperatura efectiva1, y qu porcentaje de personas se siente confortable, ya sea en invierno o en verano. El baco de Confort tiene ciertas limitaciones, producto de las hiptesis con las cuales ha sido elaborado, y que deben tenerse presente al momento de su utilizacin. En forma sinttica, ellas son: Los individuos se encuentran vestidos para vida interior. Se ocupan slo en actividades ligeras. El movimiento del aire es pequeo. Se desprecian los efectos de radiacin. Los valores se refieren a periodos de permanencia prolongada dentro de la habitacin. Temperaturas efectivas recomendadas y aceptables En general, de acuerdo a los locales a habitar, se especifican las distintas temperaturas efectivas a considerar, a fin de alcanzar las mejores condiciones de temperatura y humedad, segn sea el caso.

Se observa en el grfico que hay zonas de confort ptimas, segn sea invierno o verano, considerando la modificacin del metabolismo y el mecanismo de control de temperatura del cuerpo. Las distintas industrias requieren a menudo condiciones de temperatura y humedad especficas para cada caso a fin de que se puedan desarrollar correctamente los procesos industriales. Muchas veces no slo la temperatura y humedad del aire deben controlarse, sino tambin la pureza u otras condiciones. Es necesario averiguar exactamente para cada caso las condiciones interiores a mantener. Por ejemplo: Industria Textil: requiere condiciones de elevada humedad para obtener mejores rendimientos en calidad de productos, especialmente en las tejeduras e hilanderas. Industria Alimenticia: requiere pureza del aire y tambin temperaturas y humedades controladas en muchos casos. Industria Farmacutica: es fundamental la pureza del aire. En muchas reas est estrictamente controlada la cantidad de partculas admisibles por unidad de volumen. Adems existen reas estriles y reas de baja humedad, por lo que se hace necesario contar con instalaciones especialmente adecuadas. Industria Microelectrnica: es primordial que el aire est libre de partculas de cualquier tipo.

CONDICIONES DE DISEO.Para comenzar debemos adoptar las condiciones interiores y exteriores para las cuales realizaremos los clculos. CONDICIONES DE DISEO INTERIORES. Los principales parmetros que pretendemos regular en las instalaciones de aire acondicionado, en un relativo orden de importancia, son: Temperatura Humedad Velocidad Pureza La importancia de dichos parmetros depender del tipo de instalacin de que se trate, o sea de los objetivos que se pretenden de dicha instalacin.Temperatura: El parmetro principal a controlar en las instalaciones de aire acondicionado es la temperatura La temperatura del aire en la zona de permanencia de las personas para que stas se sientan confortablemente, depende de la poca del ao, ya sea invierno o verano. Esto se debe al distinto tipo de vestimenta que usamos en cada poca del ao y que el metabolismo del cuerpo humano se adapta a las condiciones climticas externas. Pueden considerarse los siguientes valores: Invierno: de 18 a 22C Verano: de 23 a 27C Estos valores son para actividad sedentaria, se variarn segn el grado de actividad. Humedad: Puede establecerse como lmites de la humedad relativa, entre 30% y 70%, considerndose como valor ptimo tanto en verano como en invierno 50%.Si la humedad relativa disminuye de 30%, se producen resecamiento de las mucosas respiratorias y en invierno la baja humedad hace que nos carguemos de electricidad esttica, particularmente en ambientes alfombrados, lo que produce una sensacin muy desagradable al producirse la descarga de electricidad hacia elementos metlicos. Si la humedad relativa aumenta de 70%, se produce sensacin de pesadez y se afecta la funcin de enfriamiento evaporativo por la piel. Velocidad El aire estanco es desagradable, siempre es conveniente un pequeo movimiento de aire. El movimiento del aire sobre el cuerpo humano incrementa la disipacin de calor por eso es tolerable cuando la temperatura del local es muy alta pero no a bajas temperaturas. La velocidad ideal estar entre 0,1 a 0,2 m/seg. Velocidades mayores generan desconfort. Pureza. Se ve afectada en particular por: Partculas en suspensin Contaminantes gaseosos Olores La pureza es otro factor importante que influye en el confort, debemos evitar los olores, el viciamiento del aire y las partculas slidas en suspensin o polvo. La disminucin de oxgeno y el aumento de anhdrido carbnico, son causas importantes del viciamiento del aire. Esto es generado por la respiracin de las personas y se evita incorporando aire exterior limpio y puro. La partculas de polvo afectan a la salud de las personas y tambin al mismo equipo de aire acondicionado, de ah la necesidad de colocar filtro de aire y mantenerlo limpio. Los olores son difciles de quitar. Hay que usar filtros especiales. Cabe destacar que el producto de la combustin de los equipos debe canalizarse y sacarse al exterior evitando contaminar el ambiente.

CONDICIONES DE DISEO EXTERIORES. Para la realizacin del Balance Trmico necesitamos contar con las condiciones de diseo exteriores. Bsicamente necesitamos conocer la temperatura exterior, la humedad, la claridad del cielo (si hay smog o nieblas o nubosidad frecuente), los vientos dominantes y su frecuencia e intensidad, la altura sobre el nivel del mar y cualquier otro dato que pudiera ser de inters. El problema es que todos estos datos son muy variables con el da del ao y con la hora del da. Al hacer nuestro Balance de verano queremos calcular un equipamiento que nos permita mantener las condiciones todos los das del verano, incluyendo los ms clidos. Pero si tomamos la temperatura mxima absoluta, ella slo ser superada muy poco tiempo y seguramente no todos los aos. Es razonable pensar que puedo tomar una temperatura algo inferior, aunque s que puede ser superada algunas horas del verano. El Servicio Meteorolgico Nacional brinda informacin al respecto para numerosas localidades del pas. Existen publicadas estadsticas meteorolgicas, que en general se basan, para localidades pequeas, en una medicin de mnima y una de mxima por da.

CARGA, GANANCIA Y EXTRACCION DE CALORComo vimos, en verano, est entrando calor al ambiente a travs de los distintos cerramientos, y tambin se genera calor en su interior. Para clarificar los siguientes trminos debemos considerar por un lado el aspecto geomtrico del local considerado, como espacio delimitado por los cerramientos, y por otro el aire interior. Llamamos ganancia instantnea de calor, o simplemente ganancia (heat gain), al calor que en un instante dado entra a travs de las superficies internas de muros, vidrios, techo y piso, ms el calor generado en el interior del local. Llamamos carga de calor o carga de enfriamiento (cooling load) al calor que en un instante dado hay que extraer del aire para mantener constantes su temperatura y humedad. Dicho de otro modo la carga de calor es la cantidad de calor que est recibiendo el aire del ambiente en un instante dado. La ganancia de calor sensible est formada por varios componentes: el calor que entra a travs de los muros y techos, el calor radiante que atraviesa los vidrios, el calor generado en la iluminacin, el calor generado por las personas, etc. En todos estos casos puede hablarse de una cierta fraccin de calor radiante y otra de calor convectivo. El calor radiante atraviesa el aire, que es transparente al mismo, y llega directamente al mobiliario, piso muros, etc.. Slo despus de un tiempo, ese calor que es absorbido por el ambiente, comienza a pasar al aire por conveccin. Por esta razn, en un instante dado, la carga de calor es diferente de la ganancia, y esa diferencia puede ser tanto mayor cuanto mayor sea la proporcin de calor radiante de la ganancia. Debe tenerse en cuenta que si bien la mayor cantidad de calor radiante proviene de la radiacin solar (de acuerdo al tipo de vidrios), tambin las ganancias internas y a travs de muros pueden tener un componente de radiacin, toda vez que existan diferencias de temperaturas.Caudal de aire a circularPara determinar el caudal de aire necesario a introducir al espacio para lograr las condiciones interiores establecidas, puede partirse de la ecuacin bsica de la cantidad de calor. As:QSi=Ce.Gh.(tA-ti)Donde: QSi: cantidad de calor sensible que gana el interior del local (Kcal/h);Ce: calor especifico del aire de impulsin (Ce=0,24 kcal/kgC);Gh: cantidad de aire por hora a introducir en el local (kg/h);tA: temperatura del aire del ambiente (C);ti: temperatura del aire a impulsar en el local (C)Para medir la cantidad de aire horario o gasto horario Gh en kg/h, se utiliza en la prctica el caudal C en m3/min. Entonces:Gh = C . . 60C: caudal de aire a introducir en el local (m3/min);: peso especfico del aire (para aire normal a 15C se suele tomar: 1,2 kg/m3);60: minutos/hora.Por ello: QSi = Ce . C . . 60 .(tA-ti)QSi = 0,24 x 1,2 x 60 C .(tA-ti)Al valor 0,24 x 1,2 x 60 17, se lo adopta como constante en los clculos practicos, sin muchos errores. De esa manera, para el caso de aire, la ecuacin bsica de la cantidad de calor se simplifica en la forma: QSi=17 C .(tA-ti)Despejando el caudal queda: C= (m3/min)

CLCULO DE CARGA TRMICA TOTAL DE VERANO (QR)CARGA TRMICA TOTAL DE VERANO QR: La ecuacin general para obtener la carga trmica de verano es la sgte:

Donde:QR= Carga trmica total en WQc = Carga trmica por conduccin a travs de la envolvente en WQa = Carga trmica por ventilacin aportado por el aire exterior en WQs = Carga trmica solar en WQo = Carga trmica por fuentes internas (personas + equipamiento + iluminacin) en W

Carga trmica por Conduccin QC Tendremos que la ganancia de calor por conduccin parcial qc a travs de la envolvente del local ser:

Donde:K = Transmitancia trmica del cerramiento (muro, techo, piso, ventana, etc) en (W /m.K).S = Superficie del cerramiento en mte = Temperatura exterior de diseo en C (Ver Tabla 11)ti = Temperatura interior en C (Ver Tablas 3 y 4)Tendremos as que la sumatoria de todas las prdidas parciales qC por conduccin a travs de la envolvente nos dar las prdidas totales por conduccin QC, segn la siguiente ecuacin:

Carga trmica por ventilacin QaEn la determinacin de la carga trmica por ventilacin se supondr al edificio cerrado hermticamente donde un porcentaje del aire interior ser renovado por el equipo de refrigeracin para mantener una aceptable calidad del aire interior. Este porcentaje ser variable en funcin del tipo e intensidad de actividad que se realice en su interior. Esta hermeticidad redundar en una reduccin de las infiltraciones y en el ahorro de energa. Debe preverse un sistema de ventilacin natural en el perodo del da en que no se utilice el edificio para mejorar la calidad del aire interior ya que de lo contrario se genera una acumulacin de contaminantes que es necesario evitar.Esto implica que es necesario ventilar una parte o la totalidad del aire interior, as tendremos que introducir al ambiente interior una parte de aire nuevo que implica una masa de aire caliente y hmeda que el equipo de aire debe acondicionar. Este aire de renovacin y recirculado contiene humos, partculas en suspensin y olores que deben ser eliminados para una adecuada calidad del aire interior.Este aire introducido tiende a crear una sobre-presin interior en los locales que reduce el ingreso de aire exterior por infiltracin por rendijas y paos mviles de puertas y ventanas. As podramos decir que cuando un local posee un sistema de aire acondicionado el aire fluye de adentro hacia afuera y el aire ingresado para ventilacin es filtrado, deshumectado y enfriado hasta alcanzar el estndar requerido. As la carga trmica por ventilacin se calcular con la siguiente expresin:

Donde:Q : Carga trmica por ventilacin, aportado por el aire exterior en WCAR: Cantidad de aire a renovar en m /h 3CAR= Npers x CavpNpers : cantidad de personas que ocupan la vivienda o edificio de viviendas (ver tabla 8)Cavp: caudal de aire de ventilacin por persona en m /h.pers (ver tabla 10) 30,25: constante que resulta del cociente entre el calor especfico del aire hmedo a 21C y 50% HR y el volumen especfico de la misma mezcla de aire; en W / m3 C0,25 = Ce x nCe : calor especfico del aire (21C y 50%): 0,211 W/kg.Cn : volumen especfico del aire (21C y 50%): 0,845 m3/kg0,61: constante que resulta del cociente entre el valor medio de la cantidad de calor cedida por la condensacin de un gramo de vapor de agua y el volumen especfico de la misma mezcla de aire; en W / m3 g0,61 = Cv x nCv : calor cedido por condensacin de 1 g vapor agua: 0,516 W/kg gn : volumen especfico del aire (21C y 50%): 0,845 m3/kgDt: te - tite : temperatura exterior diseo (C) (Ver TDMX en tabla 11).ti : temperatura interior confort (C) (Ver tabla 3 y 4).w e : humedad especfica del aire exterior (g/kg)wi : humedad especfica del aire interior (g/kg).

Carga trmica solar QsCuando existen superficies vidriadas en el local una parte de los aportes se deber a la radiacin del sol que al atravesar el cristal ingresa al local calentndolo. La radiacin del sol vara con cada hora del da solar y tambin a lo largo de los meses del ao. Algunos autores consideran que la totalidad de la radiacin del sol atraviesa el vidrio y esto no es tan as. Los vidrios de nuestro pas contienen impurezas de hierro que al verlo de lado muestra una tonalidad verdosa. Esto hace que aproximadamente solamente el 86% de la radiacin lo atraviese y que llevado a un factor de transparencia es 0,86. As el 14% de la radiacin recibida o ser absorbida por la masa del vidrio calentndolo o ser reflejada. Para el factor de exposicin solar Fes se toma como referencia un vidrio comn de 3 mm transparente como Fes= 1,00 y el resto de los vidrios o protecciones resultarn con valores de Fes menores.La expresin general para el clculo de la carga debida al sol es:

Donde:QS = cantidad de calor por radiacin solar (W).S = superficie vidriada (m2).IS = Radiacin solar a las 13 hs en (W/m ) (Ver Tabla 12). 2F ES = Factor de exposicin solar del vidrio o la carpintera (Ver Tabla 5)Carga trmica por fuentes internas Qo En verano el aporte interno no es despreciable y en el caso de una oficina puede llegar a representar el 35 % de la carga total, siendo la suma del calor total por personas, ms el calor sensible de la iluminacin artificial, ms el calor sensible de los artefactos de oficina (computadoras, impresoras, fotocopiadoras, etc). En su clculo usaremos la siguiente expresin:

Donde:QO : carga de calor interno por fuentes internas (W).Npers : cantidad de personas en el local (ver Tabla 8)qpers : disipacin de calor por persona segn actividad, sensible + latente (W/persona).Cilum : cantidad de artefactos de iluminacin semejantesPilum : potencia del artefacto de iluminacin (W).Nota: tambin puede considerarse la potencia en iluminacin surgida de un clculo luminotcnico o multiplicarse la superficie del local por un valor de las Tablas 6 y 7.Cequip: cantidad de equipos o artefactos semejantesPequip : potencia del artefacto o equipo (de Tabla 9) (W).

DATOS DE PARTIDAAl comenzar a calcular una instalacin de aire acondicionado, es necesario acopiar previamente los siguientes datos, que ahorrarn visitas e inspecciones al local, antes de comenzar el clculo:1. Planos del local: planta, seccin y fachadas.2. Situacin, latitud, altura, tipo de atmsfera (industrial, clara, etc.).3. Tipo de instalacin deseada.4. Tipo de construccin, seccin de paredes, suelos y techos. 5. Tipos y caractersticas de cerramientos: ventanas, puertas, claraboyas, etctera.6. Uso del local. Condiciones interiores: temperatura y humedad en invierno y verano.7. Condiciones interiores de los locales contiguos.8. Densidad de personas por metro cuadrado o nmero exacto.9. Maquinaria y equipamiento instalado con sus horarios de funcionamiento.10. Iluminacin instalada y horario de funcionamiento.11. Otros aparatos como estufas, hornos, etc., y sus caractersticas.12. Fuentes de carga latentes como baos, duchas, depsitos y su temperatura.13. Horario de funcionamiento del local.14. Condiciones exteriores de base: temperatura y humedad en invierno y en verano.15. Grado de tolerancia para la temperatura y humedad interiores.16. Tipo de combustible deseado para la calefaccin.17. Medio disponible para refrigeracin del condensador agua o aire.18. Temperatura del agua disponible y caudal.19. Caractersticas de la energa elctrica, tensin.20. Dimensiones y situacin de la sala de mquinas.21. Renovaciones de aire necesarias.22. Otras observaciones: sombras de otros edificios, uso de persianas o parasoles, color de las cortinas, velocidad del aire en la localidad y direccin ms frecuente, etc.Con todos estos datos, el tcnico proceder al clculo de las aportaciones y prdidas de calor a compensar.Es otro de los datos de partida importantes a fijar en el clculo de un acondicionamiento de aire. Este apartado viene totalmente influenciado por las caractersticas propias del local, dependiendo, como sabemos, de:A. Los ocupantes del local.A-1. Edad y sexo.A-2. Nmero.A-3. Ropa que utilizan normalmente.A-4. Actividad que desarrollan.A-5. Clima del lugar.A-6. Tiempo de utilizacin del local.B. Estudio econmico del confort a obtener.B-1. Mximo confort.B-2. Confort normal.B-3. Mnimo confort.

Tablas para obtencin de coeficientes

Otras cargas trmicas: Existen otros aportes internos debidos a los conductos de inyeccin y retorno de aire acondicionado. Es usual que estos se establezcan como un valor estimado porcentual. La siguiente tabla muestra algunos valores usuales.

Obtencin de carga trmicaInstrucciones a seguirA. La estimacin de la carga de refrigeracin lograda con este procedimiento es apropiada para lograr condiciones de confort mediante acondicionadores de aire, siempre y cuando en el recinto acondicionado no se requieran condiciones especiales y particulares de temperatura y humedad.B. El clculo realizado con este procedimiento se basa en considerar una temperatura exterior de diseo segn normas y obtener la humedad relativa exterior de diseo mediante el diagrama psicromtrico. Se marca el punto correspondiente a la temperatura media del mes ms clido y la humedad relativa media. Luego se traza una lnea a humedad absoluta constante. Sobre la lnea se marca la temperatura mxima de diseo que se obtiene sumando 5,5C a la temperatura mxima media. Puede obtenerse as la humedad relativa para este punto extremo de diseo que ser bastante menor a la humedad relativa media.C. La numeracin de los prrafos siguientes corresponde a la numeracin de los apartados que figuran en las planillas de clculo.i) Multiplicar los metros cuadrados de superficie de ventanas, en cada una de las orientaciones, por el factor correspondiente. Como superficie de ventana se tomar la correspondiente al hueco de la pared donde est instalada. Para ventanas no expuestas directamente al sol, bien por estar a la sombra, bien por estar protegidas por toldos o marquesinas exteriores, bien por tener toldos al exterior o visillos en el interior, sese el factor Toldos al exterior. En el factor Cristal nico, se incluyen todos los tipos de ventanas provistas de un solo vidrio, y en el de "Doble cristal, se incluyen aquellas que provistas de dos cristales dejan entre ambos una pequea cmara de aire; tambin se incluyen en este tipo las formadas por losetas de vidrio. En la columna derecha del apartado 1 deber ponerse solamente un nmero, y ste representar exclusivamente la orientacin o fachada de mayor carga calorfica.ii) Multiplicar los metros cuadrados de superficie de todas las ventanas de la habitacin o recinto por el factor correspondiente.iii) Multiplicar la longitud (metros lineales) de todas las paredes expuestas al exterior por el correspondiente factor. Las puertas debern considerarse como si fueran parte de la pared. Las paredes cuya superficie est orientada al norte se calcularn separadamente de las paredes orientadas a otras direcciones. Las paredes que estn permanentemente a la sombra por hallarse protegidas por otros edificios, se considerarn como paredes expuestas al norte. Los rboles y dems arbustos no se consideran como agentes productores de sombras permanentes. Si las paredes corresponden a locales acondicionados, no se considera este apartado. Una pared sin aislamiento, est construida de albailera o HA, de menos de 20 centmetros de espesor, se considera a los efectos de este impreso como Construccin ligera. Una pared aislada de ms de 20 centmetros de espesor, se considera como Construccin pesada.iv) Multiplicar la longitud total (metros lineales) de las paredes interiores que separan el recinto acondicionado del que queda sin acondicionar por el factor dado.v) Multiplicar el total de metros cuadrados de techo por el factor dado para cada tipo de construccin (ligera o pesada, segn se indica en 3a). Usese una lnea solamente. Si el piso o techo corresponden a locales acondicionados, no se considera este apartado.vi) Multiplicar los metros cuadrados de suelo por el factor dado. Omitir este apartado si el suelo est directamente sobre terreno.vii) Multiplicar el nmero de personas que normalmente van a ocupar el recinto acondicionado por el factor dado. Como mnimo hay que considerar dos personas.viii) Determinar en watios la potencia total absorbida por la iluminacin y equipo elctrico restante que haya en el recinto acondicionado. No debe tenerse en cuenta la potencia absorbida por el acondicionador que se va a instalar. Multiplicar el nmero total de vatios por el factor dado.ix) Multiplicar el ancho total (metros lneales) de puertas o arcos que, estando continuamente abiertos, comunican el recinto acondicionado con el que est sin acondicionar por el factor dado.x) Sumar los ocho apartados anteriores.xi) Multiplicar la CARGA BASE DE CALCULO obtenida en el apartado ix por el factor de correccin que corresponda, segn se deduce del mapa. El resultado obtenido es el TOTAL DE LA CARGA DE REFRIGERACIN EN FRIGORAS/HORA.Para obtener los mejores resultados, debe seleccionarse el acondicionador o acondicionadores a instalar de forma que su potencia se aproxime lo ms posible a la carga de refrigeracin obtenida. En general, un acondicionador de potencia sensiblemente superior a la calculada trabajar intermitentemente; teniendo tiempos de parada bastante largos, dar un resultado mucho menos satisfactorio que una unidad (o varias) ms pequeas, de potencia igual a la calculada, pues sta (o stas) tendr unos tiempos de parada ms reducidos, logrando deshumidificar mejor el aire.

Ejemplo de aplicacinComo ejemplo prctico de aplicacin de esta ltima hoja de clculo, vamos a realizar, paso a paso un caso concreto. Se trata de un bar donde se renen todas aquellas facetas ms comunes en una instalacin a calcular.Sus dimensiones se indican a continuacinDatos de partidaComo ya indicbamos anteriormente nos es necesario conocer el mayor nmero de datos acerca del local. Sus caractersticas son:

Las paredes exteriores, de ladrillo de 20 cm. La altura del local de 3 m con cielorraso. Sobre el bar hay un tico por donde se piensa efectuar la distribucin de conductos.Est ventilado bajo techo plano aislado con pared de fibra de vidrio de 5 cm acoplado al cielo raso, siendo el techo del tico de yeso acstico con metal desplegado. La temperatura normal de este tico es de 52C para las condiciones exteriores que sealaremos. El suelo es de mosaicos sobre losa de hormign sobre el terreno. Las dependencias contiguas las supondremos a 31,5C, no considerndolos en el clculo de cargas ya que no se quieren acondicionar. Hemos fijado las siguientes condiciones de humedad y temperatura:En el interiorTemperatura seca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26,5 CTemperatura hmeda.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 CHumedad relativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 %

En el exteriorTemperatura seca. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 CTemperatura hmeda.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 CHumedad relativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 %En la pared este hay una puerta de cristal de 5 mm de 2,5 x 1 m y un ventanal de ladrillo de vidrio de 1 x 2 m. La pared norte es contigua a un local sin climatizar. La pared sur tiene dos ventanas de cristal simple de 1 x 1 m. En la pared oeste hay una ventana de cristal de 2 x 1 m.El nmero de ocupantes del local se estima que ser en las horas punta de 50 personas, considerndose que la actividad a desarrollar por todas ellas es ligera. Esta hora punta ser las 14 horas. La iluminacin del local tiene un consumo total de 1.600 vatios. Tenemos un anafe de dos hornallas y una mquina de hacer caf de un total de 600 vatios por unidad, un calentador de leche de 20 litros de capacidad y unos motores en lascmaras frigorficas con un total de 1,5 Kw.Es recomendado para un bar una aportacin de aire exterior para ventilacin de 30 m3/h por persona lo que representa un total de 1.500 metros cbicos por hora de aire exterior. Comenzamos el clculo: Al final del mismo indicaremos de dnde se pueden obtener los valores. El equipo necesario para acondicionar el local ser capaz de dar 25.000 frigoras por hora o bien dos o ms unidades cuya suma de potencias sea la requerida. Para calefaccin el clculo ser idntico. Es decir, buscar los coeficientes de transmisin, multiplicar por la superficie de paredes, suelos, ventanas, etc. y por la diferencia de temperaturas entre exterior e interior, considerando el mismo volumen de aire.Coeficientes empleados Coeficiente de transmisin (K): Vidrio simple= 5,8 W /m.K; Pared interior 10 cm ladrillo y placa de yeso: 2,35 W/m .K; Pared de 20 cm de ladrillo revocado en ambas caras sin aislacin= 2,3 W/m.K; Techo con 5 cm de aislacin y cielorraso de yeso= 0,60 W/m.K Ocupantes en actividad ligera, sentados o quietos para temperaturas ambiente de 15 a 35C: Calor sensible: 65 W. Calor latente: 46 W. Humedad producida: 71 g/h. Mquina de hacer caf: Calor sensible: 261 W . Calor latente: 64 W. Motor de 1,5 Kw: 1,5 Kw x 998 W = 1497 W.. Ganancias de calor por radiacin solar para vidrios y ventanas: Hora solar: las 14 con latitud 35 Sur en orientacin oeste 246 W/m.

Con este cuadro sntesis puede revisarse el balance trmico para ver donde pueden aplicarse medidas de DAC tendentes a reducir las necesidades de refrigeracin. 24Farconi, Leonardo Martin; Guajardo, Jorge Luis; Luna, Carlos Enrique; Polak, Heber Emanuel | Universidad Tecnolgica Nacional- Facultad Regional San Rafael