Aire Acondicionado Clase #5

Ing. Serge Páez

CARGA TÉRMICA

LA CARGA TÉRMICA

También nombrada como carga de enfriamiento, es la cantidad de energía que se requiere

vencer en un área para mantener determinadas condiciones de temperatura y humedad para una

aplicación específica (ej. Confort humano). Es la cantidad de calor que se retira de un espacio

definido, se expresa en BTU, la unidad utilizada comercialmente relaciona unidad de tiempo,

Btu/hr o las Toneladas de Refrigeración (TON).

A través de años de trabajo, diversas compañías y organizaciones han evaluado múltiples

factores requeridos para determinar las cargas de enfriamiento en diversas aplicaciones. Cuando

se utilizan estos factores para el cálculo de cargas en espacios y edificios, lo importante es aplicar

un buen criterio para desarrollar algún procedimiento definido.

Para realizar el estimado de la carga de enfriamiento requerida con la mayor exactitud

posible en espacios y edificios, las siguientes condiciones son de las más importantes para evaluar:

• Datos atmosféricos del sitio.

• La característica de la edificación, dimensiones físicas.

• La orientación del edificio, la dirección de las paredes del espacio a acondicionar.

• El momento del día en que la carga llega a su pico.

• Espesor y características de los aislamientos.

• La cantidad de sombra en los vidrios.

• Concentración de personas en el local.

• Las fuentes de calor internas.

• La cantidad de ventilación requerida.

Las variables que afectan el cálculo de cargas térmicas son numerosas, frecuentemente difíciles

para definir en forma precisa, y no siempre están en cada momento mutuamente relacionadas.

Estas variables pueden variar considerablemente en un lapso de 24 horas, por lo que deben

analizarse detalladamente para establecer la carga de enfriamiento necesaria para un

establecimiento o dividirse este en zonas.

Un sistema dividido en varias zonas, origina mayor capacidad de carga de enfriamiento que un

sistema total; pero permite manejar la carga para cada zona en su hora pico.

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CONSIDERACIONES INICIALES DE DISEÑO

Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio, se requiere información de diseño

detallada de la edificación e información climática a las condiciones de diseño seleccionados.

Generalmente, los siguientes pasos deben ser seguidos:

1. Características de la Edificación: Materiales de construcción, tamaño de los componentes,

colores externos de fuentes y formas son normalmente determinados a partir de los

planos de la edificación y especificaciones. Determine la ubicación, orientación y sombra

externa de la edificación a partir de los planos y especificaciones. La sombra de

edificaciones adyacentes pueden ser determinadas por un plano del sitio o visitando el

sitio propuesto. Su permanencia probable debe ser cuidadosamente evaluada de ser

incluida en los cálculos.

2. Condiciones Exteriores de Diseño: Obtenga información climática apropiada y seleccione

las condiciones de diseño exterior. La condición climática puede ser obtenida de la

estación meteorológica local o del centro climático nacional.

3. Condiciones de Diseño Interior: Seleccione las condiciones de diseño interior tales como

temperatura de bulbo seco interior, temperatura interior de bulbo húmedo y tasa de

ventilación. Incluya variaciones permisibles y límites de control.

4. Rutina de Operación: Obtenga una rutina de iluminación, ocupantes, equipo interno,

aplicaciones y procesos que contribuyan a incrementar la carga térmica interna.

Determine la probabilidad de que el equipo de refrigeración sea operado continuamente o

apagado durante períodos de no ocupación (ej. Noches y/o fines de semana).

5. Fecha y Tiempo: Seleccione el tiempo del día y el mes para realizar los cálculos de la carga

de enfriamiento. Frecuentemente varias horas del día y varios meses son requeridos.

6. Consideraciones Adicionales: El diseño apropiado y el tamaño de los sistemas de aire

acondicionado central requieren más que el cálculo de la carga de enfriamiento en el

espacio a ser acondicionado.

El tipo de sistema de acondicionamiento de aire, energía de ventilación, ubicación del

ventilador, pérdida de calor de los conductos y ganancia, filtración de los ductos, sistemas de

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iluminación por extracción de calor y tipo de sistema de retorno de aire, todos afectan la carga del

sistema y el tamaño de los componentes.

MÉTODOS DE CÁLCULO

La ASHRAE (Por sus siglas en inglés The American Society of Heating, Refrigerating and Air-

Conditioning Engineers) reconoce la vigencia de cuatro métodos de cálculo de cargas térmicas

para seleccionar la capacidad de los equipos de aire acondicionado. [14] Los cuales se nombran a

continuación:

1. Uno de los procedimientos mayormente utilizados es el método de Función de

Transferencia (TFM). Una versión simplificada de este método con aplicaciones para

diferentes tipos de construcción fue publicada en el manual de fundamentos ASHRAE de

1977.

Este método tiene como fundamento el estimar las cargas de enfriamiento hora por hora,

predecir las condiciones del espacio para varios sistemas, establecer programas de control

y programas de operación.

El método de función de transferencia (TFM) es aplicado para el cálculo de flujo

unidimensional de transferencia de calor en paredes y techos soleados.

Los resultados debido a las variaciones de construcción se consideran insignificantes, si se

toman en cuenta la carga de los componentes normalmente dominantes. La ASHRAE

(1988) generó factores de decremento efectivos de calor y períodos de retraso de tiempo

para 41 diferentes tipos de pared y 42 tipos de techo, que son presentados para utilizarse

como coeficientes de función de transferencia.

2. El método de "Cálculo de Cargas por Temperatura Diferencial y Factores de Carga de

Enfriamiento" (cltd/clf). Es el método que debe ser aplicado al considerarse como la

primera alternativa de procedimiento de cálculo manual.

3. El método de Temperatura Diferencial para Carga de Enfriamiento es simplificado, por

utilizar un factor "U" para calcular la carga de enfriamiento para techos y paredes,

presentando resultados equivalentes. Así, la ecuación básica para carga de enfriamiento

en superficies exteriores es: q = U * A (cltd).

El método de cálculo de carga por temperatura diferencial se basa en la suposición de que

el flujo de calor a través de un techo o pared puede ser obtenido por multiplicar la

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temperatura diferencial (exterior - interior) por los valores tabulados "U" de techos y

paredes, respectivamente.

4. Otro procedimiento usado para el cálculo de cargas térmicas es el de "Valores de

Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio" (tetd/ta). La primera

presentación de este método se hizo en el manual de fundamentos ashrae de 1967, este

procedimiento es recomendado para usuarios experimentados.

Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio usando la convención del tetd/ta,

aplican los mismos procedimientos generales empleados para el TFM.

Existe un quinto método que actualmente está en desarrollo conocido como "Aprobación

experimental del Cálculo de Cargas térmicas por Balance de Calor / RTS (1117-TRP)"

DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LAS CARGAS TÉRMICAS

El calor en un ambiente lo vamos a separar en dos tipos:

A.- CARGA TERMICA POR CALOR SENSIBLE:

Entra al ambiente como consecuencia de la diferencia de temperatura, bien sea por adición o

substracción de calor, viene dado por:

A1.- Radiación solar a través de ventanas, claraboyas o lucernarios:

Tiene en cuenta la energía que llega al local procedente de la radiación solar que atraviesa

elementos transparentes a la radiación. Hay que definir tanto la orientación de la ventana como la

hora de diseño, la cual debe ser la misma para el cálculo de toda la carga térmica.

Se debe calcular la superficie en metros cuadrados de todo el hueco de la ventana,

incluyendo el marco y aplicar los factores de corrección debido a persianas u otros atenuadores en

caso de que existan.

El calor debido a esta carga sensible viene dado por:

fxFCxAASQ vvv ×=& Ec. 5.1

Donde:

VQ& (W): flujo de calor a través del vidrio.

AV (m2): área de transferencia de calor a través del vidrio.

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ASV(kcal/h m2

): aportación solar a través del vidrio.

FC: Factor de conversión de kcal a W.

f: Valor de los factores de corrección.

A2.- Radiación y transmisión a través de paredes y techos:

El calor procedente del sol caliente las paredes exteriores de una vivienda o local y este se

revierte al interior, la ganancia de calor por las paredes y techos, se calculan a la hora de máximo

flujo térmico, y se deben, no solo a la diferencia entre las temperaturas del aire que van en sus

caras interiores y exteriores, sino también al calor solar absorbido.

)()/()()( 22 TiTexmWxUmAWQTecho −=&

Donde:

TechoQ& (W): flujo de calor a través del techo o pared.

A (m2): área de transferencia de calor a través de piso, pared o techo.

U (W/m2 ºC): coeficiente de transmisión total de transmisión de calor, pared o techo.

Te (°C): Temperatura exterior.

Ti (°C): Temperatura interior.

Para el cálculo del ∆TE=Te-Ti de la pared es necesario conocer:

1.- La orientación del muro o pared.

2.- Producto de la densidad por el espesor del muro o pared.

3.- Hora solar del proyecto.

Para el cálculo del ∆TE=Te-Ti del techo, es necesario saber:

1.- Si el techo es soleado o a la sombra.

2.- El producto de la densidad por el espesor del techo.

3.- Hora solar del proyecto.

Si una pared y un techo no son exteriores, entran dentro de esta partida. También se incluyen

las superficies vidriadas, ya que en el punto (A1) se ha calculado el calor por radiación de vidrios,

claraboyas o lucernarios y estos también tienen transmisión. Por lo tanto se debe considerar para

este cálculo:

Ec. 5.2

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1.- Paredes interiores.

2.- Suelos (Siempre son interiores).

3.- Techos interiores.

4.- Superficies de vidrio, claraboyas y lucernarios.

Nota: las puertas generalmente no se cuentan, se incluyen dentro de las paredes.

Si la pared o techo está colindante con un local refrigerado, esta pared o techo no se cuenta.

Si son colindantes con un local no refrigerado, la diferencia de temperatura se rebaja en 3°C.

A4.- Aire de infiltraciones.

Se debe tratar que el ambiente que se acondiciona, esté exento de entradas de aire caliente

del exterior. Sin embargo, cuando se abren puertas o ventanas, o a través de fisuras, es inevitable

que algo de aire exterior ingrese al local. Una vez calculado el valor del caudal total de las

infiltraciones, Vi, el cual es igual a:

Vi= valor de la tabla x numero de puertas exteriores o ventanas.

Se aplica la fórmula:

)(60)()( TiTeDensidadCpaViWQ SenA −××××=& Ec. 5.3

Donde:

Vi: caudal inyectado o extraído (m3/s).

Cpa: Calor específico del aire, en (J/kg ºC)

Densidad: Densidad del aire a temperatura exterior, en (kg/m3).

Te: Temperatura exterior, en (ºC).

Ti: Temperatura interior, en (ºC).

A5.- Personas que ocupan el local.

Las personas que ocupan un ambiente generan calor sensible y calor latente, debido a las

actividades que realizan y a que su temperatura (aproximadamente 37 °C) es mayor que la debe

mantenerse el local. Se debe hacer el cálculo en base a la cantidad promedio de personas en el

ambiente, no al valor mínimo o máximo que pueden estar en un momento determinado. El valor

de la carga térmica sensible viene dado por:

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METSpersonasNWQ SP ×= º)()(&

Ec. 5.4

Donde:

QPS: Calor sensible Total por las personas.

N°: número de personas.

METS: Calor sensible generado por las personas.

A6.- Iluminación del local.

La iluminación produce calor que debe ser tomado en cuenta. Si la iluminación es

incandescente, se toma directamente la potencia eléctrica de iluminación, en W. Si la iluminación

es fluorescente, se debe multiplicar por un factor de corrección el cual es 1,25. El valor de la carga

térmica producto de la iluminación viene dado por.

lucesNFCEcapH uilso××××= 2 Ec. 5.5

Donde:

ilsH : Carga sensible por iluminación (h

Kcal)

up : Potencia útil (W)

2a : Factor multiplicador, tiene un valor de (1) para luces incandescentes, para

fluorescentes es 1,25.

c: Factor de conversión para transformar de W a h

Kcal. C = 0,86

FCE : Factor de carga de enfriamiento. Cuando las luces funcionan el mismo número de

horas que el equipo de acondicionamiento, se utiliza FCE =1.

Otra forma de calcular el calor por iluminación es en función del área del ambiente:

)/()()( 22 mWmAWQI α×=& Ec. 5.6

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Donde:

QI (W): Calor por Iluminación en W.

A: es la superficie iluminada en metros cuadrados.

α: es el factor de iluminación en W/m2.

A7.- Máquinas (si existen) en el interior del local.

Se calcula a partir de la potencia nominal de la máquina y se expresa en W, multiplicada

por 1-n, siendo n la eficiencia o rendimiento de la máquina. Generalmente este cálculo se obvia en

el cálculo de carga térmica para viviendas, locales y oficinas.

)1()()( nWPotWQSM −×=& Ec. 5.7

Donde:

QSM (W): Calor por máquinas en W.

Pot: Potencia del motor en W.

n: eficiencia del motor.

A8.- Aire de ventilación (si existiera).

Se aplica la ecuación 5.3 pero con el caudal de aire que se está suministrando al ambiente.

B.- CARGA TERMICA POR CALOR LATENTE:

Es el calor, que sin afectar la temperatura, es necesario adicionar o substraer a una

sustancia para el cambio de su estado físico, entra al ambiente producto de la diferencia de

humedades y viene dado por:

B1.- Aire de infiltraciones.

De igual manera que con el cálculo de calor sensible, una vez obtenido el valor del volumen

de infiltración Vi, procedemos a calcular el calor latente por infiltración con la siguiente ecuación:

fgieLatA hwwDensidadViWQ ×−×××= )(60)()(& Ec. 5.8

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METLpersonasNWQ LP ×= º)()(&

Donde:

QALati: Calor latente por aire de infiltración.

Vi: Caudal de aire de infiltración en m3/s.

Densidad: Densidad del aire a temperatura exterior, en (kg/m3).

we: Humedad absoluta exterior, en (kg/kg).

wi: Humedad absoluta interior, en (kg/kg).

hfg: Entalpía del vapor de agua saturado, en (kJ/kg).

B2.- Personas que ocupan el local.

Es muy similar a la del calor sensible por personas, se aplica la ecuación:

Ec. 5.9

Donde:

QPL: Calor latente Total por las personas.

N°: número de personas.

METL: Calor latente generado por las personas.

B3.- Aire de ventilación (Si existiera).

Se aplica la ecuación 5.8 pero con el caudal de aire que se está suministrando al ambiente.

B4.- Otras causas.

Esta se puede presentar tanto para el calor latente, como para el calor sensible y debe ser

considerada en ambos casos para el cálculo de la carga térmica.

CALCULO DE LA CARGA TOTAL

Una vez obtenido el valor de la cada uno de los factores que forman parte de las cargas

térmicas sensibles y latentes, procedemos a sumarlos entre sí para obtener la carga térmica

sensible total y la carga térmica latente total. De esta manera:

��� =∑ ����� Excepto la Carga Térmica Sensible por aire de Ventilación. Ec. 5.10

��� =∑ ����� Excepto la Carga Térmica Latente por aire de Ventilación. Ec. 5.11

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Cuando se considera el aire de ventilación, los valores de carga sensible y latente se

conocen como carga sensible efectiva parcial y carga latente efectiva parcial y vienen dados por las

siguientes ecuaciones:

��� = ��� + ���(Para la carga sensible) Ec. 5.12

��� = ��� + ���(Para la carga latente) Ec. 5.13

Para el cálculo de la carga térmica es recomendable aplicar un factor de seguridad, el cual

permita garantizar y asegurarnos de haber calculado todas las posibilidades de producción e

ingreso de calor en el ambiente. Es preferible calcular la carga térmica ligeramente por exceso que

por defecto, por lo tanto, se considera de un 5 a 10% de aumento. El valor de la carga sensible

efectiva total y la carga latente efectiva total viene dado por:

���� = (1 +%) ∙ ��� (Para la carga sensible) Ec. 5.14

���� = (1 +%)��� (Para la carga latente) Ec. 5.15

La carga térmica Total de un ambiente viene dada por:

��� = ���� + ���� Ec. 5.16

La carga térmica a nivel de aire acondicionado suele expresarse en BTU/h o TON/Ref, siendo

sus equivalencias:

1 Ton/ref equivale a 12.000 BTU/h.

1 W equivale a 3,44 Btu/h

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EJEMPLO DE FORMATO DE PARA CALCULO DE CARGA TERMICA

AMBIENTES GENERALES: Área Pública y Área Paga

CARGAS SENSIBLES

Estructura m^2 Coef. Global (U) AT (ºC) watios Btu/hr

Placas de concreto, enlucido de arena y pav. 2.950,0 3,22 2,8 26.597,2 90.834,2

Paredes interiores 1.800,0 1,59 2,8 8.013,6 27.367,9

Piso con local debajo 209,0 1,89 2,8 1.105,8 3.776,4

Lucernarias m² D (aport solar) F total watios Btu/hr

Radiación 40,0 583,00 0,69 16.090,8 54.953,0

Iluminacion m^2 Factor (W/m^2) Factor watios Btu/hr

Luces Fluorescentes 2.950,0 27,2 3,42 80.353,3 274.420,8

Aire No Tratado pcm Factor (Btu/(ºF*lb)) AT(ºF) watios Btu/hr

Inyección Mezzanina 4.250,0 0,99 5,0 6.133,6 20.947,3

Extraccion Mezzanina 3.850,0 0,99 5,0 5.556,3 18.975,8

Persona % Nº de personas METS (Btu/h) watios Btu/hr

Caminando o Con poca actividad 60,0 251 250,0 11.024,3 37.650,0

Caminando rápido o Con actividad moderada 40,0 251 375,0 11.024,3 37.650,0

Equipos watios Btu/hr

Equipos y artefactos varios 14.640,5 50.000,0

Total Calor Sensible watios Btu/hr

168.849,8 616.575,3

CARGAS LATENTES

Persona Nº de personas METL (Btu/h) watios Btu/hr

Caminando o Con poca actividad 60,0 251 250,0 11.024,3 37.650,0

Caminando rápido o Con actividad moderada 40,0 251 630,0 18.520,8 63.252,0

Aire No Tratado pcm Factor (Btu/ft^3) (Wo-Wt) watios Btu/hr

Inyección Mezzanina 4.250,0 4.271,2 0,004 21.261,1 72.610,3

Extraccion Mezzanina 3.850,0 4.271,2 0,004 19.260,0 65.776,4

Total Calor Latente watios Btu/hr

70.066,2 239.288,7

Total Calor Mezzanina watios Btu/hr

238.916,0 855.864,0

71,3 T/R