ANEXO A INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE DEL SISTEMA …

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ANEXO A

INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE DEL SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO

AMBIENTAL DEL LABORATORIO DE LUMINOTECNIA DEL INER

MEMORIA TÉCNICA

SISTEMA HVAC – CLIMATIZACIÓN, VENTILACIÓN Y AIRE ACONDICIONADO.

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Conductividad térmica de los materiales. ............................................................... 7 Tabla 2. Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. VERANO ............. 9 Tabla 3. Influencia porcentual carga térmica aislada y no. VERANO. Fotogoniómetro. .... 10 Tabla 4. Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. INVIERNO ......... 10 Tabla 5. Influencia porcentual carga térmica aislada y no.INVIERNO. Fotogoniómetro. .... 11 Tabla 6. Resumen Determinación del U en paredes aislada y sin aislar. VERANO ........... 14 Tabla 7. Influencia porcentual carga térmica aislada y sin aislar. VERANO. Sala Esfera. . 14 Tabla 8. Resumen Determinación del U en paredes aislada y sin aislar. INVIERNO ......... 15 Tabla 9. Influencia porcentual carga térmica aislada y sin aislar. INVIERNO. Sala Esfera. 15 Tabla 10. Procedimiento de cálculo para cargas térmicas. ................................................ 15 Tabla 11. Balance Térmico INER Fotogoniómetro y Sala Esfera. ...................................... 15 Tabla 12. Consumo energético de equipos bajo condiciones actuales. ............................. 15

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Localización estaciones meteorológicas. ................................................... 4

Figura 2. Temperatura en la ciudad de Quito. ........................................................... 4 Figura 3. Distribución temporal de precipitación y temperatura. ................................ 5 Figura 4. Vista de planta área de fotogoniómetro. ..................................................... 6

Figura 5. Vista de planta área aislada de fotogoniómetro. ........................................ 8 Figura 6. Vista de planta área de esfera. ................................................................ 11

Figura 7. Vista de planta área aislada de esfera. .................................................... 13

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1.- ANTECEDENTES

La Subsecretaría de Energía Renovable y Eficiencia Energética (SEREE), entidad ejecutora del proyecto, con el apoyo del PNUD como agencia implementadora del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (GEF por sus siglas en inglés), requiere la “Adquisición e instalación de los equipos y accesorios para implementar dos (2) sistemas de climatización en las áreas de ensayos del Laboratorios de Luminotecnia del INER. Los sistemas de climatización deberán implementarse acorde a los diseños de ingeniería descritas en el presente documento. 2.- OBJETIVO GENERAL

Elaborar la ingeniería básica y de detalle del sistema de climatización y acondicionamiento ambiental del laboratorio de Luminotecnia del INER ubicado en Quito, sector Carapungo.

3.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Realizar el análisis del diseño y condiciones de funcionalidad del sistema de climatización para el Laboratorio de Luminotecnia del INER en Quito.

Definir los aspectos de ingeniería básica (diseño y dimensionado de equipos y definición de materiales), y de ingeniería de detalle (selección de elementos auxiliares, prescripciones de montaje, pruebas de funcionamiento).

Apoyar al establecimiento de laboratorios adecuados para cumplir con la verificación y desarrollo de estándares de eficiencia energética (EE).

Contribuir al diseño y aplicación de estándares de eficiencia energética para equipos eléctricos.

4.- IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN

Lograr el adecuado uso energético en el diseño del sistema de climatización con equipos de alta eficiencia energética (SEER), con certificaciones internacionales tal como AHRI, UL, ISO. La eficiencia energética consiste en el ahorro y uso inteligente de la energía sin pérdidas ni desperdicios, utilizando la mínima energía y manteniendo la calidad de bienes y servicios, para conservar el confort. Las organizaciones que son consumidores directos de la energía pueden reducir su consumo energético para la disminución de costos y promover la sustentabilidad económica y ambiental. Las fuentes de energía son limitadas, por lo tanto, su correcto uso mediante medidas e inversiones a nivel tecnológico y de gestión se presenta como una necesidad del presente para que se pueda seguir disfrutando de ellas en el futuro.

4.1.- DEFINICIONES Y ABREVIATURAS

Contratista: Empresa encargada de proveer un servicio.

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HVAC: Del ingles HVAC Heat, Ventilation and Air Conditioning Systems. Significa Sistemas de calefacción, ventilación, aire acondicionado

Ambiente: Área cerrada, localidad o habitación a climatizar con HVAC con o sin personas.

Nivel de confort: Son los niveles de temperatura, humedad, limpieza, olores y velocidad de aire agradables para las personas en el ambiente y niveles de ruido que no perturben a las personas.

Fluido de trabajo: Líquido o gas refrigerante cuya función es tomar cargas térmicas de un lugar de mayor temperatura a otro de menor temperatura.

QA / QC: Quality Assurance / Quality Control / (Aseguramiento de calidad / Control de calidad).

U: Coeficiente global de transferencia de calor. Btu/h/ft2 °F

K: Conductividad Térmica. Btu/h-in/ft2 °F

CLTD: Cooling Load Temperature Difference. Diferencia de Temperatura para carga de enfriamiento.

4.2.- UNIDADES

Temperatura. Grados Fahrenheit (°F), Grados Celsius (°C).

Presión absoluta. Pulgadas por columna de agua (pulgadas c.a), Pascal (Pa).

Presión diferencial. Pulgadas por columna de agua (pulgadas c.a), Pascal (Pa).

Longitud. Pies (ft), metros (m)

Diámetro. Pies (ft), metros (m)

Densidad. Libras por pie cúbico (lb/ft3), kilogramo por metros cúbicos (kg/m3). Inverso del v, volumen específico.

Velocidad. Pie por minuto (fpm), metros por segundo (m/s), metros por minuto (m/min).

Flujo de aire. Pies cúbicos por minuto (CFM), metros cúbicos por hora (m3/h).

Calor. Unidades térmicas británicas por hora (Btu/h), Kilovatio (kW).

Potencia. Horse power (HP), Vatio (W).

Conductividad térmica. (Btu/h in / ft2 °F)

Coeficiente global de transferencia de calor. (Btu / h* ft2*°F) 5.- INGENIERÍA BÁSICA

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5.1.- DOCUMENTOS

5.1.1.- BALANCE TÉRMICO

Para un óptimo funcionamiento de un laboratorio es absolutamente necesario el control de las condiciones ambientales y su estabilidad temporal dentro de estrechos rangos de tolerancia. La calidad del servicio del laboratorio, entendida como la exactitud (veracidad y precisión) de los resultados, está fuertemente influenciada por las magnitudes de influencia externa, en el caso dimensional la fuente de mayor incidencia es la temperatura en la sala de medición y los gradientes térmicos temporales. Las características del área bajo estudio están bajo la influencia de las condiciones adversas de la naturaleza; por la acción de los vientos variables y condiciones climáticas. Además, las características de los materiales de construcción de la edificación tienen un rol fundamental a la hora de determinar la vía más eficiente en el diseño del sistema de climatización y acondicionamiento.

Entendido lo anterior, este estudio explica cómo se comportan térmicamente los materiales que componen las paredes y techo del Área 1 “Sala fotogoniómetro” y Área 2 “Sala esfera” del Laboratorio de Luminotecnia del INER. Estas áreas cuentan con sistemas de climatización y acondicionamientos independientes. Se plantea dos alternativas factibles que permitirán evidenciar al final del estudio cuál de ellas es la mejor en consumos anuales de operación y mantenimiento. La primera alternativa evalúa el comportamiento térmico de cada área con paredes hacia el exterior existente (sin aislamiento térmico), mientras que la segunda alternativa propone la colocación de una cámara aislada térmicamente (fibra de vidrio con paredes de gypsum). Para la realización del presente estudio es necesario conocer las condiciones ambientales exteriores y las condiciones deseadas de confort térmico dentro del área de interés; la temperatura máxima registrada en exterior del lugar es de 28 °C y la mínima es de 8 °C, estos datos han sido obtenidos del anuario meteorológico del INHAMI del año 2012. Las condiciones de confort térmico son; temperatura en el interior de 21°C y humedad relativa del 50 %. Temperatura interior de diseño:

T = 21° C, 50% HR Condiciones exteriores: Temperatura máxima. Verano: 28°C (82.4°F) Temperatura mínima. Invierno: 8°C (46.4°F) Temperatura punto de rocío. 8.7 °C (47.66 °F). Humedad Relativa máx. Verano: 100% HR Humedad Relativa min. Invierno: 34% HR Humedad relativa anual. 74% HR Velocidad máxima. 14 m/s - NE

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Velocidad promedio. 4.2 m/s Datos tomados del INHAMI, Anuario Meteorológico 2012, p. 31. Para el presente diseño se ha tomado la estación meteorológica M0024 QUITO-IÑAQUITO tomando el mes de septiembre las temperaturas máximas, media mensual y la humedad relativa media.

Figura 1. Localización estaciones meteorológicas.

Fuente: INHAMI Anuario Meteorológico 2012. p. 31

Figura 2. Temperatura en la ciudad de Quito.

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Figura 3. Distribución temporal de precipitación y temperatura.


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5.1.1.1. Cálculo del U. Coeficiente Global de Transmisión de Calor Fotogoniómetro. Se considera el cálculo térmico tanto de enfriamiento como de calefacción, para el Área de Fotogoniómetro, considerando las condiciones meteorológicas en la ciudad de Quito, que al ser variantes en alta temperatura en Verano (28°C) y en invierno muy bajas (8°C), puesto que el área debe mantenerse permanente en las condiciones de trabajo de 21°C y 50% HR. De acuerdo a lo indicado en los numerales anteriores se presenta el estudio térmico de paredes y techo sin aislar y aislados. Alternativa 1: Áreas actuales sin aislamiento térmico. Cálculo térmico en paredes sin aislar.

La configuración constructiva de las paredes y techo de la sala fotogoniómetro se muestra en la figura 4.

Figura 4. Vista de planta área de fotogoniómetro.

Fuente: El Autor

Se determina el coeficiente global de transferencia de calor para las paredes indicadas en el gráfico, tomando de la tabla 1 los coeficientes de transmisión de calor K. Se debe indicar que únicamente las paredes 3 y 4 están al exterior y se considera su aislamiento térmico, las paredes interiores 1 y 2, no se consideran porque térmicamente no influyen en la carga energética del sistema de acondicionamiento de aire.

7

Pared 1: Ladrillo espesor = 200 mm; K= 5.0 (Btu/h-in / ft2 °F) Pared 2: Gypsum espesor = 100 mm; K=1.1 (Btu/h-in / ft2 °F) Pared 3: Ladrillo espesor = 200 mm; K=5.0 (Btu/h-in / ft2 °F)) Pared 4: Ladrillo espesor = 200 mm; K= 5.0 (Btu/h-in / ft2 °F) Techo: Planchas fibrocemento; K= 5.0 (Btu/h-in / ft2 °F) Para determinar el U, se toma el coeficiente K, con la siguiente relación:

U= 1 / R

R= (L1/K1) + (L2/K2) + (L3/K3)+…+ (Ln-1/Kn-1)+ (Ln/Kn)

Tabla 1. Conductividad térmica de los materiales.

Fuente: Y. Cengel. Transferencia de Calor y Masa; 3ra Edición, p. 880. Pared 1: No influye cálculo térmico es interior. Pared 2: No influye cálculo térmico es interior. Pared 3: Ladrillo 200 mm. Determinación de U (coeficiente global transmisión calor) Ladrillo K= 5 Btu/h-in / ft2 °F, espesor 200 mm (8”).

Aire en movimiento + Ladrillo (200mm) + aire quieto

Aire exterior F1=4

Ladrillo K2=5

Aire quieto F3=1.65

8

Por lo tanto: R= 1/4 + 8/5 + 1/1.65 = 2.46 U = 1/ R = 0.406 Btu / h* ft2*°F U= 0.406 Btu / h* ft2*°F Pared 4: Ladrillo 200 mm

U= 0.406 Btu / h* ft2*°F Techo: Plancha fibrocemento 6 mm

U= 1.11 Btu / h* ft2*°F Alternativa 2: Áreas actuales con aislamiento térmico. Cálculo térmico en paredes con aislamiento. La configuración constructiva de las paredes y techo de la sala fotogoniómetro se muestra en la figura 5.

Figura 5. Vista de planta área aislada de fotogoniómetro.

Fuente: El Autor. Pared 1: No influye cálculo térmico es interior. Pared 2: No influye cálculo térmico es interior. Pared 3: Ladrillo 200 mm. Aislado con cámara de fibra de vidrio de 100 mm Determinación de U (coeficiente global transmisión calor) Ladrillo k= 5 Btu/h-in / ft2 °F, espesor 200 mm (8”) Aire en movimiento + Ladrillo (200mm) + aire quieto

Aire exterior F1=4

9

Ladrillo K2=5

Fibra de vidrio K3=0.3

Gypsum K4=1.1

Aire quieto F5=1.65 Por lo tanto: R= 1/4 + 8/5 + 4/0.3 + 0.625/1.1+ 1/1.65 = 16.36 U = 1/ R = 0.061 Btu / h* ft2*°F U= 0.061 Btu / h* ft2*°F Pared 4: Ladrillo 200 mm. Aislado con cámara de fibra de vidrio de 100 mm Determinación de U (coeficiente global transmisión calor) U= 0.061 (Btu / h* ft2*°F) Techo: Poliuretano 25mm (Panel tipo sánduche) U= 0.143 (Btu / h* ft2*°F) Resumen de las alternativas planteadas: Área 1: Sala Fotogoniómetro En la tabla 2 se muestra los resultados obtenidos en los cálculos anteriores, además, se procede a determinar la carga térmica de las paredes y techo. El área es un dato conocido y el diferencial de temperatura en verano es el resultado de la diferencia entre la temperatura máxima registrada y la temperatura de confort. Considerando DT = 28-21 = 7 °C (12.6 °F). Tabla 2. Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada.

Área del Fotogoniómetro. VERANO

ELEMENTO

ESTRUCTURAL

U COEFICIENTE GLOBAL DE

TRASFERENCIA (Btu / h* ft2*°F)

AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)

CARGA TÉRMICA (Btu/h)

SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIE

NTO

PARED 3 0.406 0.061 337.29 12.6 1,725.44 259.24

PARED 4 0.406 0.061 337.29 12.6 1,725.44 259.24

TECHO 1.110 0.143 408.76 12.6 5,716.92 736.50

CARGA TÉRMICA TOTAL

9,167.8

1,254.98

Fuente: El Autor.

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La influencia porcentual de la carga térmica en verano de cada elemento estructural se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Influencia porcentual de la carga térmica en paredes sin aislar y aislada. Área del Fotogoniómetro. VERANO

ELEMENTO ESTRUCTURAL


CARGA TÉRMICA (%)

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

PARED 3 1,725.44 259.24 18.82 20.66

PARED 4 1,725.44 259.24 18.82 20.66

TECHO 5,716.92 736.50 62.36 54.68

CARGA TÉRMICA

TOTAL

9,167.8

1,254.98

100%

100%

Fuente: El Autor

Los resultados de carga térmica en invierno se muestran en la tabla 4. El diferencial térmico es el resultado de la diferencia entre la temperatura de confort y la mínima registrada en invierno. Considerando DT = 21-8 = 14 °C (23.4 °F). Tabla 4. Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada.

Área del Fotogoniómetro. INVIERNO

ELEMENTO ESTRUCTUR

AL



AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 337.29 23.4 3204.39 481.45

PARED 4 0.406 0.061 337.29 23.4 3204.39 481.45

TECHO 1.11 0.143 408.76 23.4 8760.77 1128.64


15,169.55

2,091.54

Fuente: El Autor

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La influencia porcentual de la carga térmica en invierno de cada elemento estructural se muestra en la Tabla 5.

Tabla 5. Influencia porcentual de la carga térmica en paredes sin aislar y aislada. Área del Fotogoniómetro. INVIERNO



CARGA TÉRMICA (%)

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

PARED 3 3204.39 481.45 21.12 23.02

PARED 4 3204.39 481.45 21.12 23.02

TECHO 8760.77 1128.64 57.76 53.96


15169.55

2091.54

100

100

Fuente: El Autor Cálculo de U Coeficiente total Transferencia de Calor. Sala Esfera. Alternativa 1: Áreas actuales sin aislamiento térmico. Cálculo térmico en paredes sin aislar.

La configuración constructiva de las paredes y techo de la sala esfera se muestra en la figura 6.

Figura 6. Vista de planta área de esfera.

Fuente: El Autor

Se determina el coeficiente global de transferencia de calor U, para las paredes indicadas en el gráfico, tomando de la Tabla 1 los coeficientes de transmisión de

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calor K. Se debe indicar que únicamente la pared 3 está al exterior y se considera su aislamiento térmico, las paredes interiores 1,2 y 4 no se consideran porque térmicamente no influyen en la carga energética del sistema de acondicionamiento de aire.

Pared 1: Ladrillo espesor = 200 mm; K= 5.0 (Btu/h-in /ft2 °F) Pared 2: Gypsum espesor = 100 mm; K= 1.1 (Btu/h-in /ft2 °F) Pared 3: Ladrillo espesor = 200 mm; K= 5.0 (Btu/h-in /ft2 °F) Pared 4: Gypsum espesor = 100 mm; K= 1.1 (Btu/h-in /ft2 °F) Techo: Planchas fibrocemento; K=1.11 (Btu/h-in /ft2 °F) Para el cálculo térmico se ha usado la siguiente ecuación:

U= 1 / R

R= (L1/K1) + (L2/K2) + (L3/K3)+…+ (Ln-1/Kn-1)+ (Ln/Kn)

Pared 1: No influye cálculo térmico es interior.

Pared 2: No influye cálculo térmico es interior.

Pared 3: Ladrillo 200 mm. Determinación de U (coeficiente global transmisión calor) Ladrillo K= 5 Btu/h-in / ft2 °F, espesor 200 mm (8”).

Aire en movimiento + Ladrillo (200mm) + aire quieto

Aire exterior F1=4

Ladrillo K2=5

Aire quieto F3=1.65 Por lo tanto: R= 1/4 + 8/5 + 1/1.65 = 2.46 U = 1/ R = 0.406 Btu / h* ft2*°F U= 0.406 Btu / h* ft2 °F Techo: Plancha fibrocemento 6mm Aire en movimiento + Fibrocemento (6 mm) + aire quieto + Gypsum (15 mm) + Aire quieto

Aire exterior F1=4

Fibrocemento K2=1.11

Aire quieto F3=1.65

Gypsum K4=1.11

Aire quiero K5=1.65 Por lo tanto: R= 1/4 + 0.25/1.11 +1/1.65 + 0.625/1.11 + 1/1.65 = 2.25 U = 1/ R = 0.444 Btu / h* ft2*°F U= 0.444 Btu / h* ft2 °F

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Alternativa 2: Áreas actuales con aislamiento térmico Cálculo térmico en paredes con aislamiento. La configuración constructiva de las paredes y techo de la sala esfera se muestra en la figura 7.

Figura 7. Vista de planta área aislada de esfera.

Fuente: El Autor

Pared 3: Ladrillo 200 mm. Aislado con cámara de fibra de vidrio de 100 mm Determinación de U (coeficiente global transmisión calor) Ladrillo k= 5 Btu/h-in / ft2 °F, espesor 200 mm (8”) Aire en movimiento + Ladrillo (200mm)+ Fibra de vidrio (100mm) + aire quieto

Aire exterior F1=4

Ladrillo K2=5

Fibra de vidrio K3=0.3

Gypsum K4=1.1

Aire quieto F5=1.65 Por lo tanto: R= 1/4 + 8/5 + 4/0.3 + 0.625/1.1+ 1/1.65 = 16.36 U = 1/ R = 0.061 Btu / h* ft2*°F U= 0.061 Btu / h* ft2 °F Techo: Poliuretano 25 mm (Panel tipo sánduche) y fibra de vidrio de 38 mm

Aire en movimiento + Poliuretano sánduche (25 mm) + aire quieto + Fibra de vidrio (38 mm) + Gypsum (15 mm). Aire quieto

Aire exterior F1=4

Poliuretano sánduche K2=0.17

Aire quieto F3=1.65

14

Fibra de vidrio K4 =0.3

Gypsum K5=1.11

Aire quiero K6=1.65 Por lo tanto: R= 1/4 + 1/0.17 + 1/1.65+1.5/0.3+0.625/1.11 + 1/1.65 = 12.907 U = 1/ R = 0.077 Btu / h* ft2*°F U= 0.077 Btu / h* ft2 °F Resumen de las alternativas planteadas: Área 1: Sala esfera

En la tabla 6 se muestra los resultados obtenidos en los cálculos anteriores, además, se procede a determinar la carga térmica de las paredes y techo. El área es un dato conocido y el diferencial de temperatura en verano es el resultado de la diferencia entre la temperatura máxima registrada y la temperatura de confort.

Tabla 6. Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. Sala Esfera. VERANO

ELEMENTO

ESTRUCTURAL

COEFICIENTE GLOBAL DE TRASFERENCIA

(Btu / h* ft2*°F)

AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 179.64 12.6 918.97 138.07

TECHO 0.444 0.077 382.02 12.6 2,137.17 370.64


3,056.14

508.71

Fuente: El Autor

La influencia porcentual de la carga térmica en verano de cada elemento estructural se muestra en la tabla 7.

Tabla 7. Influencia porcentual de la carga térmica en paredes sin aislar y aislada. Sala Esfera. VERANO



CARGA TÉRMICA (%)

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

PARED 3 918.97 138.07 30.07 27.14

TECHO 2,137.17 370.64 69.93 72.86

CARGA TÉRMICA

TOTAL

3,056.14

508.71

100

100

Fuente: El Autor

Los resultados de carga térmica en invierno se muestran en la tabla 8. El diferencial

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térmico es el resultado de la diferencia entre la temperatura de confort y la mínima registrada en invierno.

Tabla 8. Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. Sala Esfera. INVIERNO

ELEMENTO ESTRUCTU

RAL

COEFICIENTE GLOBAL DE


AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 179.64 23.4 1706.65 256.42

TECHO 0.444 0.077 382.02 23.4 3,969.03 688.32


5,675.68

944.74

Fuente: El Autor

La influencia porcentual de la carga térmica en invierno de cada elemento estructural se muestra en la tabla 9.

Tabla 9. Influencia porcentual de la carga térmica en paredes sin aislar y aislada.

Sala Esfera. INVIERNO



CARGA TÉRMICA (%)

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

PARED 3 1706.65 256.42 30.07 27.14

TECHO 3,969.03 688.32 69.93 72.86

CARGA TÉRMICA

TOTAL

5,675.68

944.74

100

100

Fuente: El Autor 5.1.1.2. Cálculo de cargas térmicas. Calculo cargas de enfriamiento y calefacción:

Varios son los factores a tener en cuenta para el cálculo de cargas térmicas los mismos se relacionan a continuación:

Condiciones climáticas internas y externas (humedad y temperatura)

Características de las paredes exteriores y cubierta (tipo de material)

Características de las ventanas (cantidad y tipo de ventana)

Iluminación (cantidad, modo de uso y potencia de lámparas)

Equipos eléctricos (cantidad, modo de uso y potencia)

Personas (cantidad de personas y actividad que realizan)

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Caudal de aire (cantidad de renovaciones de aire exterior) 5.1.1.3 Método de cálculo. Teniendo en cuenta los parámetros anteriormente mencionados se procede a realizar el cálculo de cargas térmicas para cada laboratorio utilizando lo descrito en la norma ASHRAE GRP 158 (Cooling and Heating Load Calculation Manual). (Tabla 10).

Tabla 10: Procedimiento de cálculo para carga térmicas.

Fuente: ASHRAE (Cooling and heating Load Calculation Manual, 1980). p. 26

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Cargas por conducción a través de paredes, ventanas, techo y piso.

Las ganancias de calor por conducción que se dan a través de paredes, techos, ventanas, pisos, que dan al exterior y se calculan con la siguiente ecuación:

Q= U*A*CLTD Dónde: Q = Ganancia neta del recinto por conducción a través del techo, paredes o vidrio. U = Coeficiente general de transferencia de calor para el techo, paredes o vidrios. A = Área del techo, paredes o vidrios. CLTD = Diferencia de temperatura para carga de enfriamiento.

Cargas por radiación a través de vidrios. La energía radiante del sol pasa a través de materiales transparentes como el vidrio y se transforma en ganancias de calor del recinto. Su valor varía con la hora, la orientación, el sombreado y el efecto de almacenamiento. Las ganancias netas de calor se pueden calcular mediante la siguiente ecuación:

Q = FGCS*A*CS*FCE Dónde: Q = Ganancia neta por radiación solar a través del vidrio. FGCS = Factor de ganancia máxima de calor solar. A = Área del vidrio. CS = Coeficiente de sombreado. FCE = Factor de caga de enfriamiento para el vidrio.

Cargas por iluminación y aparatos eléctricos

Las ganancias de calor por iluminación y aparatos eléctricos se calculan a través de la siguiente ecuación:

Q = 3.4*W*FB*FCE Dónde:

Q = Ganancia de calor debida al alumbrado. W = Capacidad de alumbrado. FB = Factor de balastra. FCE = Factor de enfriamiento para la iluminación.

Cargas por personas. Las ganancias de calor por personas se dan a través de la actividad que se realice dentro del recinto y ocasionan una ganancia de calor, tanto sensible como latente y se calcula con las siguientes ecuaciones:

Qs= qs*n*FCE Ql= ql*n

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Dónde: Qs, Ql = Cargas de calor sensible y latente, Btu/h. qs, ql = Ganancia de calor sensible y latente por persona. n = número de personas. FCE = Factor de carga de enfriamiento para las personas.

Cargas por ventilación e infiltración de aire La infiltración de aire a través de fisuras en las ventanas o puertas ocasiona una ganancia de calor, tanto sensible como latente del recinto y se calcula con las siguientes ecuaciones:

Qs= 1.08*CFM*∆T Ql= 4,840 * CFM*(We – Wi) Ql= 0.68 * CFM*(we – wi)

Donde:

Qs, Ql = Cargas de calor sensible y latente debido al aire de ventilación, Btu/h. CFM = flujo de aire de ventilación ∆T = Diferencia de temperatura entre el aire exterior e interior (°F) We, Wi = Relación de humedad exterior e interior (lbagua / lbaire) we, wi = Relación de humedad exterior e interior (granos agua/granos aire). 7,000 granos/lb

Cargas por ductos

El aire acondicionado que pasa por los ductos gana calor a los alrededores. Si el ducto pasa a través de espacios acondicionados, la ganancia de calor ocasiona un efecto útil de enfriamiento, pero para los ductos que pasan por lugares no acondicionados representa una pérdida de calor sensible. La ganancia de calor se calcula mediante la siguiente ecuación:

Q = U*A*∆T Dónde: Q = Ganancia de calor del ducto. U = Coeficiente general de transferencia de calor. A = Área del aislamiento. ∆T = Diferencia de temperatura entre el aire en el ducto y los alrededores.

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Balance Térmico. INER Fotogoniómetro y Sala Esfera

Tabla 11. Balance Térmico. INER Fotogoniómetro y Sala Esfera.


CARGA TÉRMICA (Btu/h). ENFRIAMIENTO

CARGA TÉRMICA (Btu/h). CALEFACCIÓN

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

SIN AISLAMIENTO

CON AISLAMIENTO

Fotogoniómetro

52,778

16,403

29,310

10,936

Esfera

25,423

13,336

16,138

9,243

Fuente: El Autor Descripción: El sistema de aislamiento propuesto consiste en aumentar una capa de lana o fibra de vidrio de 100 mm en la parte interior de las paredes de gypsum existentes, en las paredes de ladrillo se adicionara una pared compuesta de gypsum+fibra de vridrio,espesor de plancha gypsum 5/8” (15 mm); además se propone el cambio de la cubierte existente por una cubierta de techo aislado tipo sánduche de 25 mm de espesor de poliuretano expandido en lámina metálica de 0.4 mm, para de esta manera disminuir las perdidas de calor en el ambiente.

5.1.2.- CÁLCULO DE CAUDALES

FOTOGONIÓMETRO: Caudal nominal: 2,000 CFM Con 4 (cuatro) difusores de suministro de 14”x12”, cada uno SALA ESFERA: Caudal nominal: 1,200 CFM

5.1.3.- CONSUMOS ENERGÉTICOS

Tabla 12: Consumo energético de equipos bajo condiciones actuales

ÁREA EQUIPO CAPACIDAD

(Btu/h)

CONSUMO ELÉCTRICO

(kW)

TIEMPO DE TRABAJO MES (h)

COSTO UNITARIO (USD/kW)

COSTO TOTAL (USD)

FOTOGONIÓMETRO UP-1 60,000 3,80 224 0,07 59,58

ESFERA UP-2 36,000 3,04 224 0,07 47,67

Fuente: El Autor

20

Tabla 13: Consumo energético de equipos cuartos aislados

AREA EQUIPO CAPACIDAD

(Btu/h)

CONSUMO ELECTRICO

(kW)

TIEMPO DE TRABAJO MES (h)

COSTO UNITARIO (USD/Kw)

COSTO TOTAL (USD)

FOTOGONIOMETRO UP-1 22,471 1,42 224 0,07 22,32

ESFERA UP-2 19,259 1,22 224 0,07 19,13

Fuente: El Autor

5.1.4.- ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Se indica en el Anexo A, de este documento. 5.1.5.1 Tipos de sistema Sistema de climatización mediante equipo tipo Paquete Bomba de Calor, de 60,000 Btu/h para Fotogoniómetro y 36,000 Btu/h para Sala de Esfera, significa con descarga del aire hacia abajo por el piso falso, se debe indicar que está cotizado un piso falso. El equipo de Climatización paquete Bomba de Calor, además dispondrá de control de humedad y el monitoreo a través de un sensor de temperatura, humedad; y un software especial para aplicaciones de climatización (KMC Controls). Los cuales distribuyen el aire por rejillas y difusores por un sistema de ductos metálicos galvanizados recubiertos con aislamiento térmico elastomérico tipo rubatex de una pulgada de espesor. Con estos controles permite controlar el enfriamiento, calefacción, humedad relativa, con alto FCS (factor de calor sensible), dispone de software de control y monitoreo especial de T y HR, alarmas de los tipos visuales y sonoros ante una falla de cualquiera de estas variables. 5.1.5.2 Condiciones de diseño Para el proyecto de los laboratorios del INER, se utilizará la siguiente distribución isotérmica. La misma que se encuentra dentro del rango 19.5 – 21.3, para lo cual se realizó el estudio de cargas térmicas.

Figura 9: Mapa anual de isotermas

21


Figura 10: Ubicación laboratorios INER

Fuente: (Google Maps, 2016)

Coordenadas INAMHI estación M0024 Latitud. 0° 59' 20” S Longitud. 78 º 29 ' 0” W Altitud. 2850 msnm Cantón Quito INAMHI – Anuario Meteorológico 2012. p. 31

22

5.1.5.3 Normativas de diseño Las siguientes Normas y Estándares han regido el diseño, así como deberán aplicarse para los sistemas HVAC como mínimo:

INEN 2495: Ventilación 2012.

RTE INEN 035 y la RTE INEN 2206.

NEC-10 Norma Ecuatoriana de la Construcción. Parte 9-1 Instalaciones electromecánicas

ASHRAE GRP 158: Cooling and Heating Load Calculation Manual.

ASHRAE 2011: HVAC APPLICATIONS

ASHRAE 62 1 2007: Ventilación y calidad del aire interior.

ASHRAE 15: Estándar de seguridad para sistemas de refrigeración.

ASHRAE 34: Definición y clasificación de refrigerantes.

ASHRAE ESTÁNDAR 90.1 – 2010 ENERGY STANDAR FOR BUILDING EXCEPT LOW RISE RESIDENTIAL BUILDING (ANSI – APPROVED). El propósito de esta norma es establecer los requisitos mínimos para obtener eficiencia energética en el diseño de edificios.

SMACNA: Sheet Metal and Air Conditioning Contractors National Association.

AMCA: Air Movement and Control Association

AHRI: Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute

NFPA 90B: Standard for the Installation of Warm Air Heating and Air-Conditioning Systems.

Industrial Ventilation.

Manual de Carrier.

Manual de Aire Acondicionado. Autor Edward Pita. 5.1.5.4 Funcionamiento del sistema Se trata de equipos paquete bomba de calor (enfriamiento y calefacción), equipo de alta eficiencia con certificación AHRI, UL, ISO, SEER mínimo 13. Además debe contar un humidificador de 10 lbv/h, todo esto controlado por un sensor de temperatura y humedad (KMC Controls) y un software compatible y con dirección IP y conexión BACnet. Capacidad de 60,000 Btu/h para el área de Fotogoniómetro y 36,000 Btu/h para Esfera. El equipo distribuye el aire por rejillas y difusores a través de ductos metálicos galvanizados aislados externamente con material eslastomérico tipo rubatex de una pulgada de espesor. Equipo con alta relación de factor sensible, debido a que los equipos disipan mucho calor seco y debe controlarse con rapidez para controlar y mantener estables las condiciones de temperatura y humedad relativa.

23

5.1.5.5 Tipos de materiales - Equipo de Aire Acondicionado tipo paquete Bomba de Calor. Capacidad mínima

de 60,000 Btu/h (Fotogoniómetro) y mínimo de 36,000 Btu/h (Esfera). Capacidad de enfriar, calentar, humidificar o deshumidificar.

Dispone de: • Unidad de Climatización de Paquete bomba de calor Exterior. Tipo Carrier

modelo 50HCQ. • Expansión directa a R-410A • Compresor hermético Scroll • Ventilador centrífugo de acople directo • Unidad de control electrónico (sensor de temperatura y humedad) KMC

Controls • Unidad de programación y control con software especializado para aire

acondicionados. • Humidificador • Centro de cargas (eléctrico 5.1.5.6 Sistema de control

Unidad de control electrónico (sensor de temperatura y humedad) KMC Controls

Unidad de programación y control con software especializado para aire acondicionados.

5.1.5.6 Garantías

- La garantía de los equipos ofertados debe ser mayor o igual a la vida útil de los equipos con un mínimo de 3 años. (Adjuntar certificado del fabricante donde se especifique lo solicitado).

- Garantizar la disponibilidad de repuestos, accesorios, partes y piezas del o los equipos a través de la provisión directa, de empresas distribuidoras, de concesionarias, representantes o proveedores locales autorizados. El oferente deberá garantizar su disponibilidad durante el tiempo de vigencia de la garantía técnica. Por un período mayor o igual a la vida útil del o los equipos años. (Adjuntar certificado especificando lo solicitado).

- Procedimientos claros, precisos y efectivos para la ejecución de la garantía técnica, números de contacto y casos específicos en los cuales se garantice la reposición temporal y definitiva de los bienes así como identificación clara de las exclusiones de cobertura de la garantía técnica. (Adjuntar certificado especificando lo solicitado).

- Mínimo 3 AÑOS a partir del acta entrega recepción definitiva.

6 PLANOS En anexo se encuentran los siguientes planos:

24

6.1.3 PLANOS ARQUITECTÓNICOS

6.1.4 PLANOS DE UBICACIÓN GENERAL

6.1.5 PLANOS DE UBICACIÓN DE EQUIPOS

6.1.6 DIAGRAMAS P&ID DEL SISTEMA

8. INGENIERIA DE DETALLE

8.1 SIMULACIONES Presentadas en las tablas 2, 4, 6 y 8, también en el Anexo 8.

8.2 MANUAL DE PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO

- Realizar pruebas de funcionamiento del caudal de aire en el ducto con instrumento verificador tipo tubo pitot.

- El caudal de aire en rejillas y difusores con el instrumento llamado balómero. - Pruebas en el circuito de refrigeración con presión de Nitrógeno a 100 psi,

dejar 24 horas; luego realizar vacío y carga de gas refrigerante.

9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

- El sistema propuesto conlleva un análisis y un estudio térmico de las áreas a acondicionarse. Se puede observar que existe un gran energético con el aislamiento térmico de paredes y techo.

- Una forma de aislar térmicamente las paredes es con lana de vidrio en un espacio de 100 mm y forrando con una plancha de gypsum de 15 mm de espesor, luego la plancha de gyspum se le da una acabado para que logre conjugar con las paredes interiores.

- El aislamiento del techo es muy práctico con planchas tipo sanduche en un lado metal galvanizado y en el otro poliuretano expandido de 25 mm.

- Los equipos de climatización deben cumplir las especificaciones y características técnicas indicadas en la memoria técnica.

- Es fundamental las pruebas de funcionamiento de los equipos para ser recibidos a satisfacción una vez que se hayan generado los informes sin novedad.

25

- Es necesario la implementación de la obra civil y eléctrica, junto con los equipos de climatización para así lograr un gran ahorro energético.

26

ANEXO 1.

Fuente: 2009 ASHRAE Handbook – Fundamentals, Chapter 18, Page 18.27

27

ANEXO 2

ANEXO 3


28

ANEXO 4


ANEXO 5 Tabla de potencia de iluminación por bloques y por ambientes.


29

ANEXO 6


ANEXO 7


30

ANEXO 8

Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. VERANO. INER Fotogoniómetro

ELEMENTO

ESTRUCTURAL



AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 337.29 12.6 1,725.44 259.24

PARED 4 0.406 0.061 337.29 12.6 1,725.44 259.24

TECHO 1.110 0.143 408.76 12.6 5,716.92 736.50


9,167.8

1,254.98

Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. INVIERNO. INER Fotogoniómetro

ELEMENTO

ESTRUCTURAL



AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 337.29 23.4 3204.39 481.45

PARED 4 0.406 0.061 337.29 23.4 3204.39 481.45

TECHO 1.110 0.143 408.76 23.4 8760.77 1128.64

CARGA TÉRMICA TOTAL 15,169.55 2,091.54

Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada.

31

VERANO. INER Esfera

ELEMENTO

ESTRUCTURAL


(Btu / h* ft2*°F)

AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 179.64 12.6 918.97 138.07

TECHO 0.444 0.077 382.02 12.6 2,137.17 370.64


3,056.14

508.71

Resumen Determinación del U en paredes sin aislar y aislada. INVIERNO. INER Esfera

ELEMENTO

ESTRUCTURAL


(Btu / h* ft2*°F)

AREA (ft2)

DIFERENCIAL DE

TEMPERATURA (°F)


SIN AISLAMIE

NTO

CON AISLAMIE

NTO

SIN AISLAMIEN

TO

CON AISLAMIEN

TO

PARED 3 0.406 0.061 179.64 23.4 1,706.65 256.42

TECHO 0.444 0.077 382.02 23.4 3,969.03 688.32


5,675.68

944.74

ANEXO A INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE DEL SISTEMA …

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