AIRE ACONDICIONADO 2 Balance Térmico de Verano Realización Arq. Silvia Balla (con autorización del autor)
1
BALANCE TERMICO DE VERANO Es necesario hacer un estudio de la cantidad de calor que hay que extraer en verano para producir y mantener en el espacio acondicionado cierta temperatura y humedad prefijada cuyo cálculo determinará las características y dimensiones de la instalación. Balance térmico: conjunto de cálculos que nos permiten determinar la capacidad de los equipos de aire acondicionado. Método de cálculo del ASRHAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers) modification de 1997. Los métodos anteriores consideraban a las ganancias de calor, el método actual de cálculo considera las cargas de calor. Diferencia entre ganancia y carga de calor: Ganancia de calor: calor que ingresa al local, puede ser por transmisión a través de muros y techos o por radiación da través de vidrios. Carga de calor: calor que tengo que extraer para mantener constante la temperatura del interior. Si la extracción es mayor a la carga, la temperatura desciende. Es el calor generado en el ambiente debido a varios factores entre los que se encuentra el calor que entrega un muro de alta inercia térmica que se calentó por efecto de la radiación solar o el calor que entrega los pisos y los muebles que se calentaron por la radiación solar que atraviesa los vidrios. Por ejemplo, si tenemos una gran ventana al este, a las 8:00 hs. de la mañana, la ganancia de calor es grande pero la carga de calor es chica por el sol entra por la ventana y calienta el piso, las paredes y los muebles, no calienta el aire ya que el aire no se calienta por radiación sino por convección; una vez que el piso, las paredes y los muebles están calientes disipan el calor al interior. CONDICIONES EXTERIORES DE CÁLCULO No deben coincidir con las máximas registradas en la localidad ya que se presentan pocos días en la estación y son de corta duración por lo que no se justifica su adopción. Conviene promediar las condiciones exteriores que ocurren en un gran número de años y excluir los valores extremos. Para Buenos Aires adoptamos: TBS = 35ºC para las 15:00 hs. HR = 40% La temperatura del exterior es variable según la hora considerada del día. La variación diaria de temperatura exterior para Buenos Aires que puede adoptarse 11ºC entre las 5 de la mañana y las 15:00 hs. El siguiente cuadro contiene las temperaturas exteriores de diseño para las distintas horas para el mes de enero en los 35º latitud sur: HORA 1 2 3 4 5 6
ºC 25,43 24,88 24,44 24,11 24 24,22
HORA 7 8 9 10 11 12
ºC 24,77 25,76 27,19 28,84 30,71 32,47
HORA 13 14 15 16 17 18
CONDICIONES INTERIORES Para asegurar el confort adoptamos: TBS = 25ºC HR = 50%
2
ºC 33,79 34,67 35 34,67 33,90 33,02
HORA 19 20 21 22 23 24
ºC 31,26 30,60 28,62 27,52 32,47 25,98
CARGAS DE CALOR SENSIBLE Son las que producen un aumento de temperatura en el local. a)
Transmisión
b)
Radiación
c)
Personas
d)
Iluminación
e)
Equipos
f)
Ventilación Unidades Todas las unidades se expresan en el Sistema Métrico Legal Argentino (SIMELA), de acuerdo con el Sistema Internacional de unidades (SI), adoptado por nuestro país por la Ley Nº 19.511 del año 1972 y actualizado por Decreto Nº 878 del 22-6-89. La unidad de potencia es el Watt y su equivalencia es: 1W 1 Kcal/h
= =
0,860 Kcal/h 1,163 W
La unidad de la transmitancia térmica es W/m2ºK y su equivalencia es: 1 Kcal/hm2ºC
=
1,163 W/m2ºK
Aclaración: como los intervalos de ºK son i guales a los de ºC podemos reempla zar ºK por ºC
La unidad de caudal es litros/segundos y su equivalencia es:
1 m3 /min 1 m3 /h
= =
16,6 litros/seg 0,27 litros/seg
COEFICIENTE DE TRANSMITANCIA “K” Es la cantidad de calor en watts que se transcribe en una hora a través de 1 m 2 de superficie, existiendo una diferencia de temperatura de 1ºC entre el ambiente interno y externo. Los coeficientes K para las construcciones normales están tabuladas por la norma IRAM 11.601. Algunos calores son: MATERIAL Pared de ladrillos común de 30 cm de espesor + revoques Pared de ladrillos común de 15 cm de espesor + revoques Losa de hormigón + contrapiso Tejas con cielorraso Piso con 15 cm de hormigón y parquet Vidrio común Vidrio doble Policarbonato transparente 3 mm
K (W/m2ºC) 1,90 2,67 1,75 1,28 2,38 5,82 2,15 5,46
a) Cargas por transmisión (vidrios exteriores - paredes, techos y pisos int)
Qt = K . S . (te - ti) Qt K S te ti
= = = = =
Cantidad de calor que gana el elemento (Watt) Coeficiente de transmitancia total(Watt/m2.ºC) Superficie del elemento(m2) Temperatura del bulbo seco del aire exterior (ºC) Temperatura del bulbo seco del aire interior (ºC) 3
PAREDES Y TECHOS INTERIORES: puede suponerse que un local no acondicionado se encuentra a temperatura de alrededor de 3 a 5ºC menos que la del aire exterior. PISOS SOBRE TIERRA: en verano no se considera transmisión (temperatura de la tierra 17ºC). b) Carga de calor por radiación para vidrios Qr = Cantidad de calor por radiación solar (Watt) Qr = S . Sc . SCL S = Área expuesta al sol (m2) Sc = Coeficiente de sombra SCL = Solar Cooling Load (watt/ m2) Coeficiente de sombra (Sc): es un coeficiente que me indica cuanto mejor es un vidrio comparado con el común. El factor Sc lo obtenemos de la tabla 16. Sc =
Calor que pasa Calor que pasaría si el vidrio fuese común
Para obtener el SCL (Solar Cooling Load):
1. Obtener el SOLAR GLASS que es el tipo de zona usando la siguiente tabla:
Cant. de paredes exteriores del local
Recubrimiento del piso
Tipo de tabiques interiores
Sombra interior
Glass Solar
1o2 1o2 1o2 1o2 1o2 1o2 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4
alfombra alfombra vinílico vinílico vinílico vinílico alfombra alfombra alfombra vinílico vinílico vinílico vinílico alfombra vinílico vinílico
tipo durlock bloques de cemento tipo durlock tipo durlock bloques de cemento bloques de cemento tipo durlock bloques de cemento bloques de cemento tipo durlock tipo durlock bloques de cemento bloques de cemento tipo durlock tipo durlock tipo durlock
nada nada cortina oscura cortina clara cortina oscura cortina clara nada cortina oscura cortina clara cortina oscura cortina clara cortina oscura cortina clara nada cortina oscura cortina clara
A B B C C D A A B B C B C A B C
2. Con ese tipo de zona, la orientación y la hora deseada obtener el SCL con la tabla 36. PAREDES Y TECHOS EXTERIORES: se calcula transmisión y radiación simultáneam ente. Por esto, en lugar de utilizar (te – ti), se utiliza el CLTD (Cooling Load Temperature Diference = diferencia de la temperatura para la carga de frío).
Qt = K . S . CLTD Qt K S CLTD
= = = =
Cantidad de calor que gana el elemento (Watt) Coeficiente de transmisión total (watt/m2 . ºC) Superficie del elemento (m2) Coolling Load Temperature Diference (ºC) 4
Para obtener el CLTD en techos: 1. Seleccionar el número de tipo de techo con la tabla 31. 2. Con ese número de techo y la hora deseada obtener el CLTD con la tabla 30. Para obtener el CLTD en paredes: 1. Seleccionar código de tipo de pared con la tabla siguiente: PARED 25 mm de revoque 100 mm de ladrillo visto 25 mm de madera 50 mm de madera 100 mm de madera 100 mm de baldosa de arcilla 100 mm de bloques de cemento de baja densidad 100 mm de bloques de cemento de alta densidad 100 mm de ladrillo común 100 mm de hormigón alta densidad 200 mm de baldosa de arcilla 200 mm de bloques de cemento de baja densidad 200 mm de bloques de cemento de alta densidad 200 mm de bloques de cemento de baja densidad (rellenos) 200 mm de bloques de cemento de alta densidad (rellenos)
CODIGO A1 A2 B7 B10 B9 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C17 C18
2. Con ese código de pared y según tipo de terminación y el coeficiente K, se obtiene el número de tipo de pared en la tabla 33A. 3. Con ese número de pared, la orientación y la hora deseada obtener el CLTD con la tabla 32. c) Carga de calor por personas El cuerpo humano produce calor que es disipado al aire que lo rodea como calor sensible y calor latente. Estos valores se pueden obtener de la tabla 3. tomar en este caso el valor de calor sensible (Sensible Heat). Qp = número de personas x watt/personas d) Carga de calor por iluminación Qi = número de watts Para lámparas fluorescentes debe considerarse un factor adicional que es la reactancia. Este factor se considera en un 20% más para la disipación calculada de la manera anterior, o sea: Qi = número de watts x 1,2 Para oficinas puede considerarse una densidad aproximada de 20 a 30 watts/m2 de superficie local. e) Carga de calor por equipos Deben tenerse en cuenta los distintos aparatos que disipan calor en los ambientes. Es importante considerar los datos de consumo y disipación dados por los fabricantes, en caso de motores eléctricos: Qm = número de Hp x 746 watts CARGAS DE CALOR LATENTE Son las que se aportan en forma de vapor de agua, no produciendo aumento de temperatura del local sino de humedad a)
Personas
b)
Equipos
c)
Ventilación 5
a) Carga de calor por personas El cuerpo humano produce calor que es disipado al aire que lo rodea como calor sensible y calor latente. Estos valores se pueden obtener de la tabla 3. Tomar en este caso el valor de calor latente (Latent Heat). Qp = número de personas x watts/personas b) Carga de calor por equipos Deben tenerse en cuenta los distintos aparatos que disipan calor en los ambientes. Es importante considerar los datos de consumo y disipación dados por los fabricantes. DETERMINACION DEL CAUDAL DE AIRE DE MANDO El caudal de aire de mando se calcula de la siguiente manera: CAM Qs Ce Pe Tint - Tiny
= = = = =
CAM =
Qs Ce x Pe x Tint - Tiny
Caudal de aire de mando (m3 /h) Carga de calor sensible (kcal/h) Calor especifico del aire (0,24 kcal/Kg ºC) Peso especifico del aire (1,2/m3) Diferencia de temperatura entre la del interior y la de inyección (10ºC)
DETERMINACION DEL CAUDAL DE AIRE EXTERIOR Debe ser como mínimo un 20% del caudal de aire de mando para generar sobrepresión pero además debe ser suficiente para renovar el oxigeno del local y esto se calcula en función de la cantidad de personas y la actividad que estas realizan. Auditorios, iglesias, teatros (no se fume) Peluquerías, negocios, bancos Viviendas, hotel, restaurantes, oficinas grandes Oficinas privadas, boites (se fuma intensamente)
m3/h personas 8,5 a 12,7 12,7 a 17 17 a 25 34 a 51
CAE = 20% de CAM CAE = número de personas x m3/h persona GANANCIA DE CALOR DEBIDO A LA INTRODUCCION DE AIRE EXTERIOR 1. Calor sensible
Qae = Ce . Pe . CAE . (te - ti) . 1,163 watts/kcal/h Qae Ce Pe CAE te ti 1,163
= = = = = = =
Cantidad de calor por aire exterior (watts) Calor especifico del aire (0,24 kcal/Kg ºC) Peso especifico del aire (1,2/m3) Caudal de aire exterior (m3 /h). mínimo = 20% caudal aire de mando Temperatura del bulbo seco del aire exterior (ºC) Temperatura del bulbo seco del aire interior (ºC) Factor de conversión de kcal/h a watts
2. Calor laten-
te
Qae = Pe . L . CAE . (Heext – Heint) . 1,163 watts/kcal/h Qae Pe L
= = =
CAE
=
Heext Heint 1,163
= = =
Cantidad de calor por aire exterior (watts) Peso especifico del aire (1,2/m3) Calor latente de vaporización (0,59 kcal/gr) Caudal de aire exterior (m 3 /h). mínimo = 20% caudal aire de mando Humedad especifica del aire exterior (gr/Kg) Humedad especifica del aire interior (gr/Kg) Factor de conversión de kcal/h a watts 6
Para finalizar sumo las cargas sensibles y le agrego un 10) de factor de seguridad y sumo las cargas latentes y le sumo un 5). La suma de calor sensible y latente se denomina calor total. Con estos valores selecciono el equipo usando los catálogos que proveen los fabricantes. Hay que prestar especial atención ya que debemos seleccionar la máquina cotejando el calor sensible y el total, ambos valores, es un error solo considerar el calor total.
7
AIRE ACONDICIONADO Anexo Balance Térmico de Verano Realización Arqs. Aníbal Fornari – Liliana Marianetti – Nilda Millo
8
CLASIFICACION DE LAS CARGAS CARGAS EXTERNAS
•
qt: S.K.∆t
•
CARGAS INTERNAS QTi: QSi+QLi
Por transmisión de calor Por radiación, efecto solar
Por diferencia de temperatura entre aire exterior e interior (∆t). Paredes, techos, vidrios.
•
Por personas
Calor sensible (radiación, convección y conducción) y calor latente (exudación y respiración).
•
Por iluminación
Calor sensible. Calor sensible.
•
DEL AIRE EXTERIOR
•
QTe: QSe+QLe
Por artefactos eléctricos u otras fuentes
Por aire exterior que debe ingresar al ambiente por ventilación
Calor latente: artefactos que disipen calor (cafeteras, secadores de ropa, etc). Calor sensible (por diferencia de temperatura). Qse: Ce x pe x Ca x (te-ti) Calor latente (por la humedad del aire que ingresa al sistema). QLe: L x Ca x pe x (Hae-Hai)
CARGA TOTAL DE REFRIGERACION QT: QSi + QLi + QTe qt: Carga externa total S: Superficie K: Coeficiente de transmitancia térmica. ∆t:
Diferencia entre temperatura exterior e interior.
QTi: Carga total interna. QSi: Carga de calor sensible interno. QLi: Carga de calor latente interno. QTe: Carga total del aire exterior. QSe: Carga total calor sensible del aire exterior. QLe: Carga total calor latente del aire exterior. QT: Carga total de refrigeración. Ce y pe: Calor específico y peso específico del aire. Ca: Caudal de aire exterior te y ti: Temperatura exterior y temperatura interior. L: Calor latente de vaporización a la temperatura que se produce la misma por kg de aire seco. Hae: Humedad específica del aire exterior Hai: Humedad específica del aire a la temperatura interior.
9
UNIDADES Unidad básica: watt (W) o vatio (V). Frigoría/h: es la cantidad de calor a sustraer a una masa de 1 kg. de agua para que disminuya su temperatura en 1°K o en 1°C a presión normal. Equivalencia: 1Fr/h: 1 Kcal/h: 1,16 W En el mercado se traducen las ganancias del local a acondicionar calculadas en Kcal/h a Fr/h para especificar la capacidad de sus equipos. Tonelada de refrigeración (Tn): es la cantidad de calor necesaria para transformar en hielo a una temperatura de 273°K (°C) una tonelada inglesa (2000 libras o 907 Kg) de agua a la misma temperatura en 24 horas. Equivalencia: 1 Tn: 3024 Fr/h. En el uso práctico se toma 3000 Fr/h: 3500 W.
CONDICIONES DE DISEÑO EXTERIORES Con la ubicación geográfica y la latitud del local, se obtiene por tabla la TBS (temperatura de bulbo seco) y la TBH (temperatura de bulbo húmedo). Con estos valores se ingresa al Diagrama Psicrométrico y se determinan los demás parámetros del aire como la HR (humedad relativa) y HA (humedad absoluta) de diseño exteriores. INTERIORES De acuerdo a la ocupación del local, se determina por tabla la TBS y HR aconsejables para que el ambiente sea confortable de acuerdo a la actividad que se desarrolle en él.
“…Debe tenerse presente que antes de diseñar un equipo de aire acondicionado más grande a otra hora del día, consumiendo más energía durante toda su vida útil, se debe verificar, corregir o mejorar las protecciones solares y los aislamientos térmicos propios de los edificios. Este es un aspecto primordial dado que el proyecto de la instalación de aire acondicionado y la del edi- ficio deben coordinarse para logra una solución energéticamente adecuadas, en lo posible, coincidente con las variaciones climáticas exteriores…” Ing. Néstor P. Quadri
10
