Cálculo de cargas térmicas (cuarta parte)
Condiciones interiores de diseño
Son la temperatura interior de bulbo seco y la humedad relativa interior, especificadas para el cálculo de una carga de diseño.
Condiciones de Evaluación
5) Concentración De Personas Como Base De Diseño
Las personas que ocupan el espacio que debe ser acondicionado contribuyen con cantidades importantes de calor sensible y calor latente, que aumenta la carga total de enfriamiento de dicho espacio.
El cálculo debe basarse en el número promedio de personas dentro del espacio durante el período de la máxima carga de enfriamiento de diseño. La cantidad de calor debida a las personas, que va a aumentar la carga total de enfriamiento, debe estar de acuerdo a la actividad desarrollada por estás personas como indica la Tabla "Ganancias de calor por persona". La tabla publicada en el manual N de la ACCA titulada "Concentración de personas estimados" muestra valores estimados en pies cuadrados por personas para ser usados cuando no se disponga de datos más exactos.
6) Ganancias de calor originadas por equipos instalados en el interior de un espacio a acondicionar
Entre las fuentes de calor dentro del espacio que será condicionado están las luces, las maquinas de oficina, equipos de computación, los electrodomésticos y los motores eléctricos. La tablas anexas que muestran la ganancia de calor generada por algunos de estos aparatos son, "Ganancias de calor por motores eléctricos" y "Ganancias de calor por electrodomésticos" y "Ganancias de calor generado por equipos de oficinas", del manual N publicado por la ACCA.
Cuando los equipos que producen calor están cubiertos por una campana de extracción, debe calcularse la carga adicional debida al aire fresco que se debe introducir para compensar el aire extraído por la campana. Esto se calcula en la secuencia de Ganancias de calor por infiltración y ventilación.
Con respecto al alumbrado, el mismo constituye una fuente de calor sensible. Este calor se emite por radiación, convección y conducción. Un porcentaje del calor emitido por radiación es absorbido por los materiales que rodean el local, pudiendo también producirse estratificación del calor emitido por convección. Las ganancias de calor reales se determinan aplicando los valores mostrados en la tabla "Ganancias debidas al alumbrado".
Las lámparas incandescentes transforman en luz un 10 % de la energía absorbida, mientras el resto la transforman en calor que se disipa por radiación, convección y conducción. Un 80 % de la potencia absorbida se disipa por radiación, y solo el 10 % restante por conducción y conducción.
Los tubos fluorescentes transforman un 25 % de la energía absorbida en luz, mientras que otro 25 % se disipa por radiación hacia las paredes que rodean el local, y el resto por conducción y convección. Debe tenerse en cuenta, además, el calor emitido por la reactancia o resistencia limitadora, que representa un 25 % de la energía absorbida por la lámpara.
Tabla ganancias debidas al alumbrado
| Tipo | Ganancia de calor sensible en BTU/h |
|---|---|
| Fluorescente Incandescente | Potencia útil en watt por 4,1 Potencia útil en watt por 3,4 |
Generalmente la placa de identificación de los equipos darán la información necesaria para obtener el dato aproximado del calor generado por el aparato. En la placas que se especifique la potencia consumida, ésta se puede tratar del mismo modo que las luces incandescentes, multiplicando los watt por 3,4 para obtener Btu/h. Si lo especificado es la potencia del motor, puede usarse la tabla "Ganancias de calor por motores eléctricos" para obtener Btu/h. Si solo se especifican el voltaje y los amperios consumidos a plena carga, se multiplica el voltaje por el amperaje por un factor de utilización razonable (se recomienda 0,6 para motores pequeños y 0,9 para motores grandes) y por 3,4 para obtener Btu/h. En todos los casos, aplique un factor de utilización.
7) Ganancia De Calor Por Infiltración Y Ventilación
El aire del exterior que fluye a través de una edificación, ya sea como aire de ventilación, o no intencionalmente como infiltración (y exfiltración) es importante por dos razones. El aire del exterior es utilizado muchas veces para diluir contaminantes en el aire del interior y la energía asociada con calentamiento o enfriamiento de este aire exterior es una significativa carga de relación espacio - acondicionamiento. La magnitud de estos valores de flujo de aire debe ser conocida a máxima carga para calcular adecuadamente el tamaño de equipo y en condiciones promedio, estimar adecuadamente el consumo de energía promedio y estacionario. Deben conocerse también los valores de intercambio de aire para asegurar un adecuado control de los niveles de contaminantes en el interior. En grandes edificaciones deben ser determinados el efecto de infiltración y ventilación en distribución, y los patrones de flujo de aire interzonal, los cuales incluyen patrones de circulación de humo en caso de incendio.
El intercambio de aire entre el interior y las afueras está dividido en: ventilación (intencional e idealmente controlada) e infiltración (no intencional y descontrolada). La ventilación puede ser natural y forzada.
La ventilación natural: es un flujo de aire sin energía a través de ventanas abiertas, puertas y otras aberturas intencionales de una edificación.
La ventilación forzada: es intencional, es un intercambio de aire propulsado por un ventilador y con ventanillas de toma y descarga o escapes que son especialmente designadas e instaladas para ventilación.
La infiltración, es flujo de aire no controlado a través de grietas, intersticios y otras aberturas no intencionales. Infiltración, exfiltración y flujo de ventilación natural son causados por diferencias de presión debido al viento, diferencia de temperatura interior - exterior y operaciones de aplicaciones o dispositivos.
Este trabajo, se enfoca en residencias y pequeñas edificaciones comerciales en las cuales el intercambio de aire es debido primeramente a infiltración. Los principios físicos también son discutidas en relación a grandes edificaciones en las cuales el intercambio de aire depende más de ventilación mecánica que en el rendimiento de la envoltura de la edificación.
Tipos De Intercambio De Aire
Los edificios tienen tres diferentes modos de intercambio de aire: (1) ventilación forzada; (2) ventilación natural (3) infiltración. Estos modos difieren significativamente en como ellos afectan la energía, la calidad del aire y el confort térmico. También ellos difieren en la habilidad de mantener una cuota de intercambio deseada. La cuota de intercambio de aire de una edificación en un momento dado generalmente incluye los 3 modos y todos ellos deben ser considerados aunque uno de ellos sea el predominante.
La cuota de intercambio de aire asociada con sistemas de ventilación forzada depende en la taza de flujo de aire en los sistemas de ventilación, de la resistencia al flujo de aire asociada con los sistemas de distribución, de la resistencia del flujo de aire entre las zonas del edificio y el hermetismo de la envoltura del edificio. Si alguno de estos factores no está a nivel de diseño o no está propiamente calculado, la taza o cuota de intercambio de aire del edificio puede resultar diferente de sus valores de diseño.
La ventilación forzada proporciona el mayor potencial para el control de la cuota de intercambio de aire y la distribución de aire dentro de una edificación a través de un diseño adecuado. Un sistema de ventilación forzada ideal tiene una cuota suficiente de ventilación para controlar los niveles de contaminante en el interior y a la misma vez evita la sobreventilación, adicionalmente mantiene un buen confort térmico.
La ventilación forzada es generalmente obligatoria en grandes edificaciones, donde una mínima cantidad de aire exterior es requerida para la salud y confort de los ocupantes y donde los sistemas mecánicos de expulsión aconsejables son necesarios. La ventilación forzada generalmente no es utilizada en residencias o en otro tipo de estructuras con envolturas. Sin embargo, edificaciones más herméticas requieren mayores sistemas de ventilación para asegurar una adecuada cantidad de aire exterior para mantener una aceptable calidad de aire interior.
La ventilación natural a través de aberturas intencionales es causada por presiones del viento y diferencias de temperaturas interior - exterior.
Flujo de aire a través de ventanas y puertas u otras aberturas de diseño pueden ser utilizadas para proveer una ventilación adecuada para diluir contaminantes y controlar temperaturas. Aperturas no intencionales en la envoltura de la edificación y la infiltración asociada puede interferir con los patrones de distribución de aire de ventilación natural deseada y cargas mayores que la tasa de diseño de flujo de aire. La ventilación natural algunas veces incluye infiltración.
Infiltración es flujo de aire descontrolado a través de aberturas no intencionales producidas por vientos, diferencia de temperaturas y presiones inducidas de aplicación. Infiltración es menos confiable de proveer ventilación adecuada y distribución, ya que este depende de condiciones climáticas y la distribución de aberturas no intencionales.
Es la fuente principal de distribución, en edificios de envolturas dominante y también es un factor importante en edificaciones ventiladas mecánicamente.
Ventilación Y Cargas Térmicas
El aire exterior introducido en una edificación forma parte de la carga de acondicionamiento del espacio, la cual es una razón para limitar la cuota de intercambio de aire en las edificaciones a un mínimo requerido. El intercambio de aire típicamente representa de un 20 % a un 40 % de la carga térmica de la edificación.
El intercambio de aire incrementa la carga térmica de una edificación de 3 maneras:
La primera, el aire entrante debe ser calentado o enfriado desde la temperatura del aire exterior a la temperatura del aire interior. La tasa de consumo de energía está dada por:
qs = Q·e·cp·Δt
Donde:
qs = carga de calor sensible bth/h.
Q = tasa de flujo de aire, ft³/m.
e = densidad de aire, lb/ft³ (aproximadamente 0,075)
cp = calor específico del aire, Btu/lb·°F (aproximadamente 0,24)
Δt = diferencia de temperatura interior-exterior, °F.
Segundo, el intercambio de aire incrementa el contenido de humedad, particularmente en verano y en algunas áreas cuando el aire húmedo del exterior debe ser deshumidificado. El consumo de energía asociada con estas cargas está dado por:
q1 = 60·Q·Hfg·ΔW
Donde:
q1 = carga de calor latente, Btu/h
Hfg = calor latente de vapor a la temperatura del aire apropiado, Btu/lbm (aproximadamente 1.000)
ΔW = radio de humedad de aire interior menos el radio de humedad del aire exterior, lbm·agua/lbm·aire seco.
Finalmente el intercambio de aire puede incrementar la carga en una edificación, disminuyendo el rendimiento del sistema de envoltura o aislamiento. El aire fluyendo alrededor y a través del aislamiento puede incrementar la tasa de transferencia sobre las tasas de diseño. El efecto de dicho flujo de aire en el rendimiento del sistema de aislamiento es difícil de cuantificar, pero debe ser considerado. El flujo de aire en el sistema de aislamiento puede disminuir también el rendimiento del sistema debido a la humedad condensada dentro y sobre el aislamiento.
Ventilación Y Calidad De Aire
Los requerimientos del aire exterior han sido discutidos por más de un siglo, y diferentes estudiosos han producido estándares de ventilación radicalmente diferentes (Klauss et al 1.970, Yaglou 1.936, 1.937). Las consideraciones han incluido la cantidad de aire requerida para remover aire exhalado y para controlar la humedad interior, dióxido de carbono (CO2) y olor.
El mantenimiento de los niveles de dióxido de carbono (CO2) es un criterio común para determinar la cuota de ventilación. Una concentración típica exterior del CO2 es 0,03 %. El estándar 62 de la ASHRAE especifica la tasa de ventilación requerida para mantener una aceptable calidad del aire interior para una variedad de usos de espacios. La forma contiene un requerimiento básico de 15 cfm de aire exterior por persona basado en un límite de concentración de CO2 de 0,1 %.
Mientras una persona de salud normal tolera 0,5 % de CO2 sin síntomas desagradables (Mc. Hattie 1.960) y los submarinos algunas veces operan con 1 % de CO2 en la atmósfera a nivel de 0,1 % provee un factor de seguridad para actividad contínua, carga de ocupación inusual, ventilación reducida y control de olores.
Alternativamente la norma 62 puede ser completada manteniendo la concentración de ciertos contaminantes dentro de los límites prescritos por la norma, por medio de la combinación de control de fuentes, tratamiento del aire y ventilación.
En caso de fuentes contaminantes de alto nivel, impracticamente se requieren altos niveles de ventilación para controlar los niveles de contaminación, ya que otros métodos de control son más efectivos. Una efectiva forma de control es la remoción o reducción de fuentes contaminantes, otra alternativas es especificar materiales de construcción con bajas cuotas de emisión de contaminantes.
Selladores pueden ser utilizados en algunas situaciones para prevenir entrada de gases. Ventilación del lugar como ventanillas del baño, rejillas para controlar una fuente determinada es también efectiva.
Las partículas pueden ser removidas por medio de filtros de aire. Gases contaminantes con mayor peso molecular pueden ser controladas con carbón activo, con pelotillas de alúmina impregnadas con sustancias como permanganato de potasio. El capítulo 10 del volumen HVAC de 1.988 tiene información sobre la limpieza del aire. La norma 62 permite que el aire limpio sea sustituido por aire del exterior.
La cuota de circulación debe incrementarse pero debe haber ahorro de energía al acondicionar aire del exterior. Cada contaminante y un método apropiado de limpieza debe ser considerado.
La práctica de ventilación industrial está bien desarrollada y es discutida en los capítulos 41 y 43 del volumen HVAC de 1.995 y el Manual de Ventilación Industrial ACEIH de 1.986.
Mecanismo De Funcionamiento
La ventilación natural y la infiltración son producidas por diferencias de presión causadas por viento, diferencias de temperatura entre el aire del interior y el aire del exterior (efecto de chimenea), y la operación de equipos como dispositivas de combustión y sistemas de ventilación mecánica.
Las diferencias de presión en una zona depresión de la magnitud de estos mecanismos de funcionamiento, así también como de las características de las aberturas en el diseño de la edificación, su ubicación y la relación entre las diferencias de presión y el flujo de aire para cada abertura.
Las diferencias de presión a lo largo de la estructura de la edificación están basadas en los requerimientos de que el flujo de la masa de aire que entra en la edificación son iguales a las masas que fluyen hacia fuera. En general la diferencia de densidad entre las interiores y las exteriores pueden ser descartadas, tal que la tasa de flujo de aire volumétrico que entra al edificio se iguala a la tasa de aire volumétrico que sale. Asumiendo que las diferencias de presión de la envoltura pueda ser determinada siempre, tal determinación requiere una gran cantidad de información detallada que sencillamente es imposible de obtener.
Cuando el viento choca contra una edificación produce una distribución de presiones estáticas sobre la superficie exterior de la edificación, la cual depende de la dirección del viento y de la ubicación en el exterior de la edificación.
Cuando existe una diferencia de temperatura interior - exterior, se impone un gradiente en la diferencia de presión. Esta diferencia de presión D π es una función de la altura y la diferencia de temperatura.
Autor: Gustavo José Tudare Prado. Ingeniero Mecánico. Venezuela.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)
Condiciones interiores de diseño.