02_psicrometria_procesos de tratamiento y acondicionamiento de aire_calculo de cargas termicas

Técnico en Montaje y Mantenimientode Instalaciones de Frío,

Climatización y Producción de Calor

2Psicrometría, Procesos de Tratamiento

y Acondicionamiento de Aire.Cálculo de Cargas Térmicas

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CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

MÓDULO

Instalaciones de Climatización y Ventilación

Título del Ciclo: TÉCNICO EN MONTAJE Y MANTENIMIENTO DE INSTALACIONES DE FRÍO, CLIMATIZACIÓN Y PRODUCCIÓN DE CALOR

Título del Módulo: INSTALACIONES DE CLIMATIZACIÓN Y VENTILACIÓN Dirección: Dirección General de Formación Profesional.

Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente.

Dirección de la obra: Alfonso Gareaga Herrera Antonio Reguera García Arturo García Fernández Ascensión Solís Fernández Juan Carlos Quirós Quirós Luis María Palacio Junquera Manuel F. Fanjul Antuña Yolanda Álvarez Granda

Coordinación de contenidos del ciclo formativo: Javier Cueli Llera

Autor: J. Marcelino Villar Noval

Desarrollo del Proyecto: Fundación Metal Asturias

Coordinación:

Javier Maestro del Estal Monserrat Rodríguez Fernández

Equipo Técnico de Redacción: Alfonso Fernández Mejías Nuria Biforcos Fernández Laura García Fernández María Mera López

Diseño y maquetación: Begoña Codina González Sofía Ardura Gancedo Alberto Busto Martínez María Isabel Toral Alonso

Colección: Materiales didácticos de aula Serie: Formación Profesional Específica Edita: Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Servicio de Formación Profesional y Aprendizaje Permanente ISBN: 978-84-690-8588-2 Depósito Legal: AS-05740-2007 Copyright: © 2007. Consejería de Educación y Ciencia Dirección General de Formación Profesional Todos los derechos reservados. La reproducción de las imágenes y fragmentos de las obras audiovisuales que se emplean en los diferentes documentos y soportes de esta publicación se acogen a lo establecido en el artículo 32 (citas y reseñas) del Real Decreto Legislativo 1/2.996, de 12 de abril, y modificaciones posteriores, puesto que “se trata de obras de naturaleza escrita, sonora o audiovisual que han sido extraídas de documentos ya divulgados por vía comercial o por Internet, se hace a título de cita, análisis o comentario crítico, y se utilizan solamente con fines docentes”. Esta publicación tiene fines exclusivamente educativos. Queda prohibida la venta de este material a terceros, así como la reproducción total o parcial de sus contenidos sin autorización expresa de los autores y del Copyright.

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ad Psicrometría, Procesos de

Tratamiento y Acondicionamiento de Aire. Cálculo de Cargas Térmicas2

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Objetivos .............................................................................................. 4

Conocimientos ....................................................................................... 5

Introducción........................................................................................... 6

Contenidos generales ............................................................................. 6

El confort térmico ................................................................................ 7

Psicrometría......................................................................................... 9

Estimación de cargas térmicas para el diseño de un proyecto de

climatización....................................................................................... 37

Resumen de contenidos ......................................................................... 61

Autoevaluación ...................................................................................... 64

Respuestas de actividades ...................................................................... 65

Respuestas de autoevaluación. ............................................................... 68

Sumario general

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Módulo: Instalaciones de Climatizacióny Ventilación

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Al finalizar el estudio de esta unidad serás capaz de:

Interpretar los fundamentos del acondicionamiento del aire.

Explicar las principales propiedades del aire húmedo así como los términos y con-ceptos más importantes.

Reconocer los factores que influyen en el cálculo de cargas térmicas.

Determinar distintos tipos de cargas térmicas.

Objetivos

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CONCEPTOSS

• Psicrometría.

• Confort térmico.

• Temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo.

• Humedad absoluta, humedad específica, humedad relativa.

• Entalpía, volumen específico.

• Diagrama psicrométrico.

• Cargas térmicas.

PROCEDIMIENTOS SOBRE PROCESOS Y SITUACIONESS

• Situar en el diagrama psicrométrico un punto a partir de dos variables.

• En un diagrama psicrométrico y partiendo de dos variables conocidas obtener el resto de variables presentes.

• Calcular cargas térmicas.

ACTITUDESS

• Analítica respecto a la interrelación de variables de un ambiente climatizado.

• Vigilante en lo que respecta a la seguridad y confort de las personas usuarias de equipos de climatización.

Conocimientos que deberías adquirir

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Contenidos generales

Seguro que en multitud de ocasiones has observado un fenómeno llamado condensa-ción: las gotas de agua que aparecen en las ventanas de aluminio los días fríos de invier-no, cuando se empaña el parabrisas y ventanillas del coche, la niebla como fenómeno meteorológico, etc. Todos estos fenómenos físicos se deben a que la humedad del aire se deposita en forma de gotas por la disminución brusca de la temperatura del aire, o por el contacto con superficies frías.

∂Entonces, contiene el aire vapor de agua? Sí, el aire atmosférico está constituido por una mezcla de gases entre los que se encuentra el vapor de agua. La ciencia que estudia las propiedades de la mezcla de aire y vapor de agua (humedad) se llama psicometría.

En la primera parte de esta unidad vamos a estudiar la distintas variables psicrométricas y los diagramas ideados para el estudio de las propiedades del aire húmedo, así como el uso de estos diagramas para estudiar los procesos a los que se somete el aire en la climatización.

En una segunda parte explicaremos cómo calcular distintos tipos de cargas térmicas y qué factores influyen en el diseño de un proyecto de climatización.

Introducción

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∂Qué factores influyen en el confort de las personas? La temperatura, la humedad, la velocidad de aire, la vestimenta..., todos ellos son elementos que contribuyen en uno u otro sentido al bienestar de las personas.

Los sistemas de aire acondicionado permiten mantener las condiciones de temperatura en valores predeterminados, pero ∂cuáles son los parámetros de confort para la mayoría de las personas?

Cuando se diseña una edificación una de las exigencias primordiales es que las personas que en ella se encuentren se sientan térmicamente confortables. Alcanzarlo es esencial para el bienestar y la productividad. Para lograrlo es imprescindible conocer los fenóme-nos físicos, fisiológicos y psicológicos relacionados con la sensación térmica así como las variables ambientales y de otra índole que la afectan.

∂Cómo se origina el malestar térmico? Esta sensación tiene su origen en la necesidad que tienen los órganos internos del cuerpo de funcionar a la temperatura concreta de 37 oC. Cuando las condiciones ambientales amenazan con cambiarla se activan en el organis-mo mecanismos de adaptación, conscientes o inconscientes, con el fin de mantenerla.

Si la temperatura ambiente es elevada el primer mecanismo que se activa es el de vasodi-latación. Éste consiste en aumentar el caudal de la sangre que fluye por los conductos sanguíneos más cercanos a la superficie de la piel, con el objeto de que ésta transmita calor desde las partes más internas del cuerpo a la piel y desde ésta, por convección, al ambiente. Si la temperatura sigue aumentando se activan las glándulas sudoríparas.

En el caso de ambientes fríos el primer mecanismo que se activa es el de vasoconstric-ción, proceso contrario a la vasodilatación. La vasoconstricción viene normalmente acompañada de una erección de los folículos pilosos, lo cual aumenta la resistencia tér-mica de la piel. Si el frío se acentúa se generan convulsiones en los músculos con la fina-lidad de aumentar el calor metabólico (temblores).

El confort térmico

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Y ∂qué condiciones influyen en la sensación térmica? La sensación térmica varía con arreglo a una serie de parámetros que podemos clasificar como sigue.

Parámetros físicos como la temperatura del aire, la humedad, la velocidad del aire y el entorno radiante.

Parámetros circunstanciales como la actividad, la vestimenta y el tiempo de per-manencia en el ambiente.

Parámetros fisiológicos como la edad, el sexo y otras características de las personas.

Parámetros psicológicos y sociológicos como las expectativas, la condición social y la nacionalidad.

La variación de cada parámetro afecta a la manera de percibir el ambiente, por lo que la posibilidad de lograr confort depende de ellos. En esta unidad didáctica nos centraremos en el estudio de los primeros.

Para acondicionar aire en un espacio, se requieren:

Conocimientos básicos de las propiedades del aire y la humedad (psicrometría).

Manejo de las tablas o carta psicrométrica para el cálculo de cargas de calenta-miento y de enfriamiento.

Conocimiento y manejo de instrumentos, como termómetros de bulbo secoy de bulbo húmedo (psicrómetro), higrómetros...

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La psicrometría es «la ciencia que involucra las propiedades termodinámicas del aire húmedo, y el efecto de la humedad atmosférica sobre los materiales y el confort humano».

En proyectos de climatización con acondicionamiento de aire es imprescindible conocer las propiedades del aire que se va a tratar. Es necesario medir parámetros como la tempe-ratura o la humedad relativa. Existen variados métodos para hacerlo, de forma que se pueden realizar medidas independientes, utilizando termómetros e higrómetros, o em-plear aparatos combinados como el representado en la figura 1.

A partir de estas características es posible deducir otras propiedades del aire:

Humedad absoluta o específica. Entalpía. Temperatura de punto de rocío. Volumen de aire seco.

Para calcular estos parámetros sería necesario utilizar tablas de las propiedades de la mezcla de aire seco y vapor de agua para una presión dada, y realizar operaciones complejas y labo-riosas. Para evitar todos estos cálculos se utilizan los diagramas psicrométricos, que determi-nan cómo varían las propiedades del aire al cambiar las condiciones de humedad o tempera-tura. (Los diagramas psicrométricos del aire están basados en los valores recogidos en las tablas de propiedades del aire y vapor de agua, en función de la presión atmosférica).

Diagrama de Carrier

Los diagramas psicrométricos relacionan varios parámetros relacionados con una mezcla de aire: temperatura, grado de humedad (relativa y absoluta), punto de rocío, entalpía, calor sensible, calor latente y volumen específico. Los datos están obtenidos para un va-lor de presión concreto, habitualmente presión atmosférica a nivel del mar, por lo que su principal inconveniente es que solamente pueden ser utilizados para la presión indicada (con un margen aproximado de un 10% arriba o abajo). Para condiciones de presión distintas es necesario construir los correspondientes diagramas.

Psicrometría

Fig. 1: Termohigrómetro. Testo.

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Existen varios tipos de diagramas psicrométricos, cada uno con sus ventajas. Los más conocidos y utilizados son:

Diagrama de Mollier. Es el más antiguo de los diagramas psicrométricos, ya que fue propuesto por R. Mollier en 1904. Actualmente se utiliza, sobre todo, en Ale-mania y Francia.

Diagrama de Ashrae. Es el diagrama propuesto por la American Society of Heating, Refrigerating and Airconditioning Engineers (ASHRAE) y su empleo se está genera-lizando tanto en América como en Europa.

Diagrama de Carrier. Es el más usado en climatización (junto con el diagrama ASHRAE). Es el que utilizaremos en esta unidad (ver fig. 2).

El diagrama de Carrier se utiliza como herramienta para determinar cómo va-rían las propiedades del aire en los procesos de climatización, permite a partirde dos condiciones del aire previamente medidas, conocer otras propiedades.

Fig. 2: Diagrama psicrométrico de Carrier.

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Aunque en apariencia aparenta ser muy complicado, vamos a explicar cómo se interpre-ta toda la información que contiene.

o Temperatura

La temperatura es el parámetro que más comúnmente se utiliza como índice del estado térmico de un ambiente. Sin embargo, a pesar de ser fundamental, en la práctica es insu-ficiente para explicar la sensación térmica que cabría esperar en un lugar determinado. Como mínimo deberíamos combinarla con otros parámetros físicos, especialmente la humedad.

En psicometría se manejan varios conceptos de temperatura:

Temperatura de bulbo seco (bs). En el acondicionamiento de aire, la temperatura medida por termómetros ordinarios recibe el nombre de temperatura de bulbo se-co: cuando decimos que la temperatura del aire es de 21 oC, nos estamos refiriendo a temperatura bs, de bulbo seco.

En el diagrama de Carrier la temperatura de bs está representada mediante las líneas que parten del eje de abscisas X (ver fig. 3).

Fig. 3: Líneas de temperatura de bulbo seco en el diagrama de Carrier.

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Temperatura de bulbo húmedo (bh). Básicamente, un termómetro de bulbo húme-do no es diferente de un termómetro ordinario, excepto que tiene una pequeña mecha o pedazo de tela alrededor del bulbo (puedes verlo en la figura 6). Cuando la mecha se expone al aire, (el aire debe fluir con cierta velocidad) parte del agua se evapora, consumiendo inicialmente calor del paño y produciendo un descenso de la temperatura del termómetro. La temperatura de termómetro de bulbo húmedo depende de la humedad que contenga el aire.

En el diagrama de Carrier las líneas correspondientes a la temperatura de bulbo húmedo son las indicadas en la figura 4.

Temperatura de punto de rocío. La temperatura de punto de rocío, es la temperatu-ra a la cual el aire húmedo comienza a condensarse por un proceso de enfriamien-to. La escala para las temperaturas de punto de rocío es idéntica a la escala de temperaturas de bulbo húmedo. Sin embargo, en el diagrama psicrométrico las lí-neas de temperatura de punto de rocío corren horizontalmente de izquierda a de-recha (figura 5), no en diagonal como las de bulbo húmedo.

Fig. 4: Líneas de temperatura de bh en el diagrama de Carrier.

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Aparatos de medida

En psicrometría se utilizan habitualmente los psicrómetros. Éstos son aparatos utilizados para medir la humedad del aire mediante la me-dida de la temperatura de bulbo seco, bs, y la temperatura de bulbo húmedo, bh. Su fundamen-to se esquematiza en la figura 6.

Cuanto más seco esté el aire mayor será la diferen-cia entre las dos lecturas de temperatura pues la evaporación será más rápida y el enfriamiento más pronunciado. Obviamente, en un ambiente satura-do (HR=100%) las temperaturas de bulbo húmedo y bulbo seco serán iguales, pues no se evaporaría el agua (ya que el aire no admitiría más vapor).

Fig. 5: Líneas de temperatura de punto de rocío en el diagrama de Carrier.

Fig. 6: Representación de un psicrómetro.

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Hay distintos tipos de psicrómetro:

Psicrómetro de onda. Es el más utilizado en psicometría (figura 7). Está constituido por dos termómetros, uno de bs y otro de bh, in-sertados en un mismo aparato. Para asegurar que el flujo de aire sobre el bulbo húmedo es el adecuado, el aparato se hace girar du-rante unos 30 segundos y a continuación se toman las lecturas de bs y bh. La operación se debería realizar al menos cinco veces.

Psicrómetro de Asmann. Su fundamento es el mismo, contiene los dos tipos de termómetro, con la diferencia de que el aire que circula por los ellos se impulsa mediante un pequeño ventilador que le proporciona una velocidad de 5 m/s (figura 8).

o Humedad

La humedad es un término utilizado para describir la presencia de vapor de agua en el aire. Este vapor de agua proviene de los océanos, lagos y ríos cuando se trata de espacios a la intemperie y de los cuartos húmedos (cocina, baño...), máquinas, personas, etc. cuando se trata de locales de una casa, edificio o fábrica. En consecuencia, la cantidad de humedad en el aire en un lugar y tiempo determinados, puede variar considerable-mente. ∂Qué efectos tiene la humedad? Influye en gran medida sobre el confort de las personas, la salud, conservación de las propiedades de alimentos, cualidades de materia-les de construcción, etc.

Influencia de la humedad en el confort. Cuando el grado de humedad en el am-biente es bajo, se produce una evaporación de la humedad de la piel creando una sensación de enfriamiento en el cuerpo. En estas circunstancias aunque elevemos la temperatura del local donde nos encontremos, seguirá aumentando el proceso de evaporación en la piel y se mantendrá la sensación de frío.

Un exceso de humedad produce el efecto contrario, el cuerpo humano no es capaz de eliminar el exceso de calor mediante la evaporación y aparece la sensación de calor (bochorno). La presencia de electricidad estática es también un indicador de bajos niveles de humedad.

Fig. 7: Psicrómetro de onda.

Fig. 8: Psicrómetro de Asmann.

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Influencia de la humedad en la conservación de materias. El aumento o reducción del grado de humedad, afecta drásticamente las cualidades, dimensiones y peso, de los materiales higroscópicos (madera, algunos materiales de construcción, papel, telas, etc.). Los materiales de construcción ante un exceso o defecto de humedad se agrietan, se deforman, pierden la capacidad de aislamiento y/o varían su resistencia y durabilidad; pueden además aparecer manchas, moho y condensaciones.

Influencia de la humedad en la salud. Un bajo nivel de humedad afecta principal-mente a las fosas nasales y garganta, produciendo su desecamiento y provocando la aparición de catarros y problemas respiratorios.

Existen varias formas de expresar el grado de humedad:

Humedad absoluta.

Humedad específica.

Humedad relativa.

A continuación describiremos cada uno de estos términos.

Humedad absoluta (ha). El término hume-dad absoluta, ha, se refiere al peso del va-por de agua por unidad de volumen y se expresa en gramos de agua por unidad de volumen (g/m3).

Supongamos que encerramos en un recipiente hermético 1m3 de aire a presión atmosférica.

A continuación extraemos el vapor de agua y lo acumulamos condensado en otro recipiente.

La cantidad de agua extraída del aire y que hemos acumulado en el otro recipiente corresponde a la humedad absoluta que conte-nía el aire húmedo que había-mos encerrado en el primer recipiente. El aire que permane-ce en éste primer recipiente será ahora aire seco. Si hemos extraí-do 9,2 g de agua, la humedad absoluta es de 9,2 g/m3.

Fig. 9: Recipiente con aire húmedo.

Vapor de aguaAire

1 m3 de aire

Recipiente hermético

Aire a presión atmosférica

Fig. 10: Extracción de la humedad y obtención de aire seco.

Vapor de aguaAire

1 m3 de aire

Recipiente hermético

Aire seco

Vapor de agua condensado

ha = 9,2 g/m3

9,2 g de agua

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Humedad específica (he). La humedad específica mide la masa de agua que se en-cuentra en estado gaseoso contenida en un kilogramo de aire húmedo, y se expresa en gramos por kilogramo de aire (g/kg). Como puedes comprobar el concepto de humedad específica es muy similar al de humedad absoluta, diferenciándose en la magnitud en que se miden.

Es la magnitud que aparece en el diagrama psicrómetro con el que estamos trabajando.

Como puedes ver en la figura 11, las líneas de humedad específica, corren horizon-talmente de derecha a izquierda, y son paralelas al eje de abscisas X.

La humedad específica es uno de los parámetros representados en el diagramapsicrométrico del aire.

Fig. 11: Representación de humedad específica en el diagrama.

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Humedad relativa (hr). Indica la humedad que contiene una masa de aire, en rela-ción con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensa-ción en las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. Esta es la for-ma más habitual de expresar la humedad ambiental. Se expresa en tanto por ciento.

En los diagramas psicrométricos las líneas de hr se representan mediante unas cur-vas que se van separando según avanzamos hacia la derecha y hacia abajo en el diagrama (figura 12).

La humedad relativa es la magnitud que comúnmente se mide y se utiliza enpsicrometría.

Fig. 12: Representación de humedad relativa en el diagrama.

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Veamos cómo se relacionan todos estos parámetros en un diagrama psicrométrico. Supongamos que el aire de un local a una temperatura bs de 23 oC tiene unahumedad específica máxima de 18 g de vapor de agua por kg de aire. En estecaso el aire se dice que esta saturado de vapor de agua. ∂Cuál sería la hr de esa misma muestra de aire si en vez de 18 g/kg de he, tuviese7,2 g/kg de he? Podemos calcularlo con una sencilla regla de tres: he =18 g/kg hr = 100% he = 7,2 g/kg hr = X O podemos leerlo en el diagrama psicrométrico. Trazamos una línea vertical a partir del valor de temperatura bs 23 oC hasta cortarcon la curva correspondiente a hr 100%. Desde ese punto trazamos una líneahorizontal hasta el eje de ordenadas, donde obtenemos un valor de he de 18 g/kg.De esta forma comprobamos los datos que nos da el enunciado. Veamos ahora cómo se relacionan los datos de la segunda situación. Trazamos lalínea vertical correspondiente a la temperatura bs 23 oC y la horizontal correspon-diente a una he de 7,2 g/kg. Comprobamos sobre qué curva de hr está situado elpunto de corte de ambas líneas y que efectivamente es del 40%. En este caso elaire a 23 oC puede contener como máximo un 40% de humedad (relativa).

Ejemplo

hr 40%18

1007,2X =

×=

Valor de he para hr 100%. Valor de he siendo la hr del 40%

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Aparatos de medida

Ya hemos comentado que conocer el valor de la humedad en el aire es importante en una amplia gama de aspectos prácticos. Es necesario, por tanto, disponer de instrumentos de medida de la humedad que permitan una lectura cómoda y que proporcionen una exactitud suficiente. En la siguiente tabla se indican distintos tipos de aparatos utilizados para medir la humedad, clasificados según el método de medida que utilizan.

TIPOS DE APARATO MÉTODO

Psicrómetro Termodinámico

Higrómetro de cabello u otros materiales Higroscópico

Higrómetro eléctrico Variación de propiedades eléctricas

Psicrómetro. Ya hemos explicado su fundamento con anterioridad. La medida de humedad no es directa ya que es necesario la utilización de un diagrama psicromé-trico para averiguar el valor de humedad ambiental.

Higómetro de cabello u otros materiales. Se basan en que los cabellos se expanden y contraen según sea la hume-dad relativa. Más concretamente, Saussure, su inventor, encontró que un cabello humano puede llegar a variar su longitud en un 2,5% cuando se produce una variación del 100% en la humedad relativa.

A pesar del nombre genérico de higrómetros de cabello, actualmente en su construcción se utilizan fibras sintéti-cas, cintas de madera, membranas diversas, etc. Los apa-ratos se construyen de forma que permitan medir exactamente la longitud del ele-mento utilizado, y deben ser calibrados para diferentes grados de humedad.

Higómetro eléctrico. Estos higrómetros basan su funcio-namiento en que algunas sustancias (óxido de aluminio, algunos polímeros, etc.) varían su resistencia eléctrica superficial o su capacidad eléctrica en función de la humedad relativa del aire que les rodea. Permiten reali-zar medidas de forma cómoda y rápida, además pueden adaptarse para volcar datos en un ordenador.

Tabla 1: Aparatos de medida de humedad.

Fig. 13: Higrómetro de cabello.

Fig. 14: Higrómetro elec-trónico, KIMO.

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o Entalpía

Cuando se calienta o se enfría una masa de aire pueden suceder dos tipos de fenómenos:

Que varíe su temperatura.

Que se modifique su grado de humedad. Recuerda que habitualmente el aire es en realidad una mezcla de aire y vapor de agua, y la retirada o aplicación de calor provoca que el agua se condense o se evapore.

Por el efecto que tiene su aplicación se habla de dos tipos de calor:

Calor sensible: aquél que aplicado se emplea en modificar la temperatura de la materia a la que se aplica. La cantidad de calor que es necesario aplicar a un kilo-gramo de aire seco para elevar su temperatura en 1 oC es de 0,24 kcal.

Calor latente: aquél que aplicado se emplea en cambiar el estado físico de la mate-ria a la que se aplica. La cantidad de calor que es necesario aplicar a un kilogramo de agua para evaporarlo en su totalidad es de 539 kcal. Así mismo, en un proceso de climatización, cuando un kilogramo de vapor de agua se condensa, libera aproximadamente 539 kcal que debe absorber el equipo de enfriamiento.

Mientras una materia está cambiando de estado, no se produce cambio de tempe-ratura. El calor latente no provoca nunca cambios de temperatura.

Sabemos que en climatización es necesario conocer la humedad y la temperatura del aire que queremos tratar, pero también es necesario saber cuánto hemos de calentar o enfriar esa masa de aire. En ese sentido debemos conocer otro dato: su entalpía.

La entalpía en términos sencillos la podemos definir como el calor total contenido en un cuerpo y se corresponde con la suma de las energías aplicadas a ese cuerpo.

Una carta psicrométrica tam-bién contiene líneas de entalpía constante; éstas son meramente extensiones de las líneas de temperatura de bulbo húmedo; puesto que el calor total del aire, depende de la temperatura de bulbo húmedo. La escala del lado izquierdo, indica el calor total del aire en kJ/kg (kilojulios por kilogramo) de aire seco.

Fig. 15: Líneas de entalpía en el diagrama.

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o Volumen específico

Se define como el volumen ocupado por la unidad de masa del fluido. En el diagrama psicro-métrico las líneas de volumen específico figuran en un ángulo de 60o respecto al eje de las X.

Cómo utilizar el diagrama psicrométrico

Veamos ahora como utilizar el diagrama psicrométrico para conocer las distintas propie-dades de una masa de aire. Primero hemos de definir las condiciones del aire mediante dos de las magnitudes que se recogen en el diagrama, es decir, debemos conocer al me-nos dos datos (bs, bh, temperatura de rocío, he, hr, entalpía, volumen específico). Con ellos podemos situar un primer punto en el diagrama y a partir de él movernos a lo largo de las respectivas líneas constantes correspondientes a las otras propiedades del aire y leer los valores en las escalas respectivas.

Normalmente es fácil medir las siguientes magnitudes y utilizarlas como punto de partida:

Temperatura bs y hr, mediante un termohigrómetro.

Temperaturas bs y bh, mediante un psicrómetro.

Imaginemos entonces que hemos realizado una medida con un termohigrómetro y que hemos obtenido los siguientes datos:

bs = 23 oC

hr = 45%

Situamos en el diagrama el punto correspondiente a esas condiciones.

Fig. 16: Líneas de volumen específico en el diagrama.

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1. A partir del eje X, temperatura de bs, trazamos una línea perpendicular a és-te, correspondiente a 23 oC.

2. Dibujamos la curva equidistante a las cur-vas de 40% y 50% de humedad relativa. Ob-tenemos así la corres-pondiente al 45%. Marcamos el punto de corte de esta curva con la línea de temperatura anterior. Éste es el punto que buscamos.

A continuación veremos cómo se obtienen el resto de las propiedades que aparecen en el diagrama psicrométrico a partir de un punto.

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3. A partir del punto trazamos una línea horizontal hasta el eje de ordenadas, donde nos indicará la temperatura de bs. Comprobamos que el resultado es 8 g/kg.

4. A partir del punto tra-zamos una línea parale-la a las líneas de tem-peratura de bh y ental-pía. La línea cruza la escala de temperatura bh, dando un valor de 15,3 oC aproximada-mente, y la escala de entalpía obteniendo un valor de 43 kJ/kg.

5. A partir del punto trazamos una línea horizontal hasta la curva de punto de rocío. Así obtenemos un valor de temperatura de punto de rocío de 10 oC.

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6. A partir del punto trazamos una línea paralela a las líneas de volumen de aire seco, obteniendo un valor de 0,85 m3/kg.

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a Supongamos que una muestra de aire tiene una temperatura debulbo seco de 32 oC y temperatura de bulbo húmedo de 23 oC. a. Sitúa el punto correspondiente a estos datos en el diagrama

psicrométrico. b. Indica cuáles serán las demás propiedades del aire.

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Operaciones básicas elementales

El uso de la carta psicrométrica no se limita solamente a determinar las propiedades de una muestra de aire. Cuando se acondiciona el aire de un local, en algunos casos el aire se somete a un único proceso (calentamiento, enfriamiento, humidificación, etc.), aun-que con frecuencia son varios (calentamiento mas humidificación, mezcla de aire, etc.). El fin último, en cualquier caso, es que las personas que ocupan el local tengan una sensación de confort.

PROCESOS PROCEDIMIENTOS Calentamiento sensible Mediante un serpentín, batería, etc.

Enfriamiento sensible Mediante un serpentín, batería, etc.

Humidificación Mediante pulverización de agua o vapor, al aire.

Deshumidificación Mediante una batería fría. Mediante procedimientos químicos.

Mezcla de dos caudales de aire húmedoMediante cajas de mezcla de unidades de tratamiento de aire (UTA).

Veamos la aplicación de los diagramas psicrométricos en estos procesos.

o Calentamiento o enfriamiento sensible

Son procesos en los que se modifica la temperatura del aire sin que se produzca evaporación o condensación. En estos casos se mantiene constante la cantidad de vapor presente en el aire.

Puesto que la aplicación o retira-da de calor sensible al aire no afecta a la cantidad de agua que contiene, es decir, a su humedad, este tipo de cambio se representa en el diagrama psicrométrico paralelo a las líneas constantes de humedad específica. También hemos de tener en cuenta que el peso total del aire en kg perma-nece constante, pero su volumen específico (m3/kg) cambia, puesto que el aire se contrae o se dilata al enfriarse o calentarse.

Tabla 2: Procesos para el acondicionamiento del aire.

Fig. 17: Representación en el diagrama de calentamiento y enfriamiento sensible.

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Un calentamiento sensible va acompañado de una disminución de la humedad relativa, aumentando, por tanto, la capacidad del aire para secar los materiales con los que entre en contacto. En los locales calefactados ha de considerarse este fenómeno pues puede provocar problemas de desecación de mucosas, irritaciones de la faringe, etc.

El enfriamiento produce, por el contrario, un aumento de la humedad relativa, pero sin llegar a la saturación.

Un ejemplo de estos procesos es el que ocurre en un intercambiador de calor en el que una corriente de aire se calienta o se enfría intercambiando calor con un segundo fluido, como agua caliente o un gas refrigerante. Siempre habrá que tener en cuenta que, en el caso del enfriamiento, la superficie que se pone en contacto con el aire debe tener una temperatura superior a la de rocío, para evitar la condensación del agua y por tanto, la deshumidificación del aire.

Fig. 18: Procesos de calentamiento y enfriamientoen un serpentín.

Queremos calentar el aire de un local que está a una temperatura de bs de 15 oC,por medio de un serpentín, hasta elevar la temperatura del aire hasta los 24 oC.

Ejemplo

Se trata de un proceso de calenta-miento sensible. Donde observamosque la he no varía, la hr baja del45% al 24,1% y la cantidad de ener-gía necesaria para calentar este airesería 37 kJ/kg √ 27 kJ/kg = 10 kJ/kg.Como vemos el volumen del aireaumenta de 0,82 a 0,85 m3/kg.

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o Humidificación

En los procesos de humidificación se produce un aumento de la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Dicho aumento de humedad está provocado por la adición ex-presa de agua al aire (por ejemplo para acondicionar el aire en un clima seco, o para conseguir una humedad relativa determinada en cámaras de conservación de frutas y hortalizas).

Los procesos de humidificación pueden ir acompañados o no de aportación de energía con intercambio de calor. Cuando no existe aportación de energía el proceso correspon-de a una humidificación adiabática, cuando sí se aporta calor, hablamos de humidifica-ción con calentamiento.

A. Humidificación adiabática

En un proceso de humidificación adiabática ocurre un aumento de la humedad específi-ca y de la humedad relativa a la vez que disminuye la temperatura, sin que exista apor-tación de energía.

En el diagrama psicrométrico, la evolución del aire sigue las líneas de entalpía que, en primera aproximación (diagrama Carrier) coincidirán con las de termómetro húmedo, es decir, que Th permanece prácticamente constante durante el proceso.

Fig. 19: Proceso de humidificación adiabática.

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La humidificación adiabática puede conseguirse mediante:

Humidificadores de evaporación (fig. 20). El agua en fase líquida toma la energía ne-cesaria para vaporizarse del propio aire que se humidifica En los humectadores de evaporación modernos se hace pasar el agua y el aire en flujos cruzados por un panel de gran superficie interior donde el contacto aire-agua es de larga duración y el proceso de evaporación es máximo. Este proceso se suele denominar ≈enfriamiento evaporativo∆.

Humidificadores de atomización (fig. 21). En estos equi-pos el agua se incorpora en el aire tras pulverizarla en partículas tan pequeñas como sea posible, es decir se generan aerosoles. Esto se consigue mediante boquillas alimentadas con agua a presión (lavador de aire), discos giratorios a gran velocidad con una corona dentada pe-rimetral contra la que chocan las gotas de agua despla-zadas por la fuerza centrífuga (atomizador centrífugo), o mediante el desprendimiento de partículas de agua por la vibración a muy alta frecuencia de un cristal piezoe-léctrico (humectadores de ultrasonidos).

En estos procesos la entalpía del aire aumenta un poco, debido al aporte de agua, pero en la práctica puede considerarse que tanto la entalpía como la temperatura de termóme-tro húmedo permanecen constantes.

Fig. 20: Interior de un enfriador evapora-tivo. Fuente J.S. humidificadores.

Fig. 21: Humidificadorpor atomización. Fuente J.S.humidificadores.

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B. Humidificación con calentamiento

En este tipo de procesos se produce un aumento de la humedad con intercambio de calor. Aumentan por lo tanto la temperatura y la humedad relativa. La evolución del aire en el diagrama psicrométrico no sigue ninguna línea determinada, como ocurre en los casos de humidificación adiabática.

Este proceso es el que sufre el aire en invierno, en un climatizador, que es calentado y posteriormente humidificado, antes de ser introducido en un local. De esta forma se evita el descenso de hr del aire calentado previamente.

La humidificación con calentamiento se puede conseguir mediante humidificadores de vapor (fig. 22). En este método, la energía necesaria para vaporizar el agua líquida se cede directamente a ella, de forma que se produce vapor que posteriormente se emite al aire. El humectador dispone de un depósito de agua y mediante resistencias calefactoras o electrodos, calienta el agua generando vapor.

o Deshumidificación

La deshumidificación es la extracción del vapor de agua presente en el aire. La combina-ción de enfriamiento y deshumidificación, se da en prácticamente todos los sistemas de aire acondicionado.

Existen diferentes métodos para remover la humedad del aire, éstos son:

Por enfriamiento, hasta alcanzar una temperatura por debajo del punto de rocío, lo cual causa la condensación.

Poniendo en contacto un desecante con el aire, con lo cual, la humedad del aire migra hacia el desecante.

Fig. 22: Humidificador por vapor. Fuente J.S.humidificadores.

Fig. 23: Procesos humidificación con agua adistintas temperaturas.

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Humidificación por enfriamiento

Expliquemos el proceso de deshumidificación por enfriamiento ya que es el más habitual en climatización.

Los equipos de aire acondicionado enfrían al aire a una temperatura por debajo de la temperatura del punto de rocío, lo que provoca la condensación de parte del vapor de agua presente en el aire.

Observa el siguiente ejemplo. Se hace pasar por una masa de aire con las siguientes carac-terísticas: bs = 26 oC y bh = 19 ≥C, por un serpentín (por ejemplo el evapora-dor de un equipo de aire acondiciona-do). La temperatura en la superficie de los tubos del serpentín es de 10 oC.

En estas condiciones parte del vapor de agua que contiene el aire se conden-sará al entrar en contacto con la superfi-cie del serpentín que está a una tempe-ratura por inferior punto de rocío.

Veamos cómo se interpreta el proceso sobre le diagrama psicrométrico (fig. 24).

1. El aire de entrada al serpentín se encuentra situado dentro del diagrama en el punto 1 (bs = 26 oC, bh = 19 oC).

Fig. 23: Proceso de deshumidificación del aire.

Fig. 24: Proceso de deshumidificación representado en el diagrama psicrométrico.

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2. La temperatura de punto de rocío de esa masa de aire es de 15 oC (punto 2) y su he es de 11g/kg.

3. La temperatura del serpentín esta representado en el diagrama por el punto 3.

4. Desde el punto 2 al punto 3 el aire se va a enfriar perdiendo humedad.

5. El punto 4 nos indica las condiciones con que va a salir el aire del serpentín, bs = 12 oC, bh = 11,5 oC y he = 8,2 g/kg.

6. El aire no va a salir nunca a las condiciones del punto 3, ya que va a depender de las características constructivas del serpentín, así como de la velocidad de paso del aire.

7. La cantidad de humedad extraída en este proceso sería de 11 - 8,2 = 2,8 g/kg.

o Mezcla de caudales de aire

Esta operación se realiza con frecuencia en sistemas de aire acondicionado comercial. La mezcla de corrientes de aire se produce en aquellas instalaciones donde el acondicio-namiento de aire se realiza por medio de una climatizadora o unidad de tratamiento de aire (UTA), ver fig. 25.

En la fase inicial del proceso se mezcla aire exterior (recuerda que en todos los locales se requiere introducir cierto volumen de aire exterior fresco) con el aire de recirculación (procedente del local), para luego proceder a tratarlo. (Hemos de tener en cuenta que introducir el 100% de aire exterior no sería rentable).

Fig. 25: Esquema básicode un sistematodo aire.

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Fíjate en el esquema de la figura 25. Los tres flujos de aire de la caja de mezcla( entrada de aire exterior, entrada de aire de retorno y salida de mezcla de aire) tendrán propiedades psicrométricas distintas, y por lo tanto cada una de ellas estará representada por un punto en el diagrama psicrométrico. El diagrama nos permitirá, conociendo las propiedades de las corrientes de aire de entrada, averiguar las condiciones de la corriente de salida.

Para conocer las condiciones de la mezcla de aire:

1. En primer lugar representamos en el diagrama los puntos correspondientes a la co-rriente de aire exterior y a la de aire de recirculación.

2. Después trazamos una línea que una los dos puntos. El punto correspondiente a la mezcla estará situado en algún punto de esta línea. Su posición va a depender de la proporciones de cada tipo de aire.

Fig. 26: Representación gráfica de la mezcla de dos corrientes de aire.

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Imagina una unidad de tratamiento de aire similar a la representada en la figura 25.Hasta la caja de mezcla llegan: 42,6 m3/h de aire exterior, con bs = 35 oC y bh = 24 oC 127,2 m3/h de aire de retorno, con bs = 27 oC y bh = 19 oC Primero situamos en el diagrama los puntos correspondientes a las dos masas de aire.

Ejemplo

Después unimos los dos puntos mediante una línea, y consideramos que la distanciaentre los dos puntos corresponde al 100% del volumen total de la mezcla de aire. El caudal total de la mezcla de aire es:

42,6 m3/h + 127,2 m3/h =169,8 m3/h

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El caudal de aire exterior, 42,6 m3/h corresponde pues al 25% del caudal total demezcla y el de aire recirculado 127,2 m3/h al 75% de ese caudal total. Para calcular la temperatura de la mezcla aplicamos la siguiente fórmula en laque multiplicamos el porcentaje de la cantidad de aire que se encuentra a mayortemperatura (25%) por la diferencia de temperatura y sumamos el valor obtenidoal valor de temperatura más bajo (en este ejemplo 27 oC).

T≤ mezcla bs = (35-27) x 0,25 + 27 = 29 ≥C Para situar el punto de la mezcla resultante sobre el diagrama, buscamos el pun-to de corte de la línea de temperatura bs constante 29 ≥C y la línea de la mezcla.Ese punto nos permite conocer el resto de condiciones de la mezcla.

Ejemplo (continuación)

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Condiciones de confort

Cualquier punto ubicado dentro del diagrama psicrométrico representa un estado higrotérmico del aire (humedad + temperatura). La conjunción de la temperatura y la humedad da idea de cuál es la sensación térmica que cabría esperar en un ambiente.

Estudios estadísticos y experimentales han permitido situar en los gráficos las zonas donde la mayoría de las personas se encuentran más confortables. La mayoría de la gente se siente confortables en una atmósfera con valores de humedad relativa entre el 30% y el 70%, y temperatura entre 20 y 27 oC. En la figura 27 se marcan sobre el diagrama las zonas correspondientes a este tipo de ambiente. Dentro de esa zona han de considerarse además las condiciones más adecuadas de invierno y verano (fig. 28).

Fig. 27: Clasificación climática y zona confort.

Fig. 28: Carta de confort.

Como se puede observar el manejo de el diagrama psicrometrico es sencillo, aunque losresultados pueden variar dependiendo de la pericia a la hora de interpolar resultados o en el trazado de las líneas dentro del diagrama. Actualmente podemos encontrar herramientas informáticas como hojas de cálculo o programas como Psycho tool o Psicro (entre otros) que nos pueden facilitar la obtención de las propiedades del aire de un punto a partir de dos datos, así como el calculo de las distintas operaciones a realizar con el aire.

En nuestro caso hemos utilizado en algunas imágenes el Psycho tool, y para el cálculo de operaciones elementales el Psicro.

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a En un proceso típico de acondicionamiento de aire (fig. 25 dela unidad) tenemos lo siguiente:

Condiciones del local: bs = 17 oC y hr =90%.

Caudal de aire de retorno que entra al climatizador =42,86 m3/h, con una temperatura bs = 27 oC y una tempe-ratura bh = 18 o C.

Caudal de aire exterior que entra al climatizador = 17,14 m3/h,

con temperatura bs = 34 oCy temperatura bh = 24 oC. Calcula: a. El punto de mezcla de aire resultante. b. El punto de salida del aire del climatizador. Indica. c. El tipo de operaciones básicas que se producen en este ca-

so de acondicionamiento de aire. d. Indica el resto de propiedades de aire, correspondiente al

aire que se encuentra en el local.

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Estimación de cargas térmicas para el diseñode un proyecto de climatización

Con el fin de mantener en un local las condiciones termohigrométricas se debe de extraer del local la misma cantidad de calor que se produce en él más la cantidad de calor que se incorpora en el mismo desde el exterior.

En climatización las cargas térmicas son función de los valores de tempera-tura y humedad tanto en el interior como en el exterior del local.

Cuando se proyecta una instalación, las condiciones de diseño han de ajus-tarse a las reales para evitar un sobredimensionado innecesario, y por lo tan-to instalaciones más caras y costosas de mantener.

Cuando las condiciones reales sobrepasan a las de diseño (en verano), o son muy inferiores (en invierno), las ganancias/pérdidas de calor son superiores a las calculadas y, en consecuencia, el rendimiento de los equipos es menor y peligra su correcto funcionamiento.

Condiciones del proyecto

Denominamos condiciones del proyecto a los componentes o variables que pueden influir en el estudio de las cargas térmicas del espacio acondicionado.

Los aspectos a considerar para realizar un cálculo de cargas térmicas van a ser:

Las condiciones climatológicas exteriores.

Las características constructivas y de situación del edificio.

Las condiciones interiores del local.

o Condiciones exteriores

El primer paso para realizar un proyecto de climatización es fijar las condiciones iniciales de diseño, para lo cual debemos considerar los datos climáticos de la localidad donde se va a realizar el proyecto.

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En las tablas, donde se recogen estos datos, figuran condiciones externas de temperatura y humedad en verano, así como la temperatura a tomar en las condiciones de invierno. Estos datos (tabla 3) pueden usarse como una primera aproximación y son valores relativos a:

Temperatura exterior:

• Verano.

• Invierno.

Humedad relativa.

Variación diaria de temperatura o excursión térmica diaria.

Altitud de la localidad.

Latitud de la localidad.

Otro tipo de tablas, más exactas (tabla 4), son las que figuran en la Norma UNE 100-001 (condiciones exteriores según los valores climáticos anuales), donde aparecen entre otros datos:

Grados día (GD), es la suma de diferencias de temperatura entre una temperatura base de 15 oC y la temperatura media de un día a lo largo de un periodo de 1 año.

Vientos dominantes.

Latitud, longitud y altura de la localidad.

Oscilación media diaria (OMD), es la diferencia entre las temperaturas media de máximas y temperaturas media de mínimas.

En esta Norma se proporcionan los datos climáticos anuales para 27 observatorios españoles, donde se recogen las condiciones exteriores de cálculo en invierno y teniendo en cuenta:

El nivel normal es el indicado en la columna con un 97,5%.

Utilizar la temperatura de la columna del nivel 99% para el caso de hospitales, clí-nicas, residencias de ancianos, centros de cálculo y cualquier otro espacio que el técnico proyectista considere necesario.

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Para las condiciones exteriores de cálculo para el verano, referidas a las temperaturas secas y húmedas coincidentes (TS y TH en la tabla), la Norma indica seleccionar los siguientes niveles percentil:

Nivel del 1% para hospitales, clínicas, residencias de ancianos, centros de cálculo y cualquier otro espacio que el técnico proyectista considere necesario.

Nivel del 2,5% para edificios y espacios que sean de especial consideración.

Nivel del 5% como condiciones generales de diseño para cualquier tipo de espacio climatizado.

Tabla 3: Condiciones exteriores del proyecto.

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CONDICIONES DE INVIERNO CONDICIONES DE VERANO

TS (oC) GD Viento dominante (año)

TS y TH media coinci-dente (oC) TH (oC) LOCALIDAD

LONGITUD LATITUD ALTURA (S.N.M)

99% 97,5% anuales dir V 1% 2,5% 5% 1% 2,5% 5%

OMD (oC)

Teruel (Calamocha)

1o 17´ W 40o 53´ N

884 m -7,2 -6,1 2.324 N - 32,5/18,7 30,9/18,5 29,0/18,1 20,3 19,4 18,4 17,3

Valencia (Manises)

0o 28´ W 39o 29´ N

50 m -0,2 1,0 741 W 6,3 31,8/22,8 30,3/22,6 29,2/22,5 24,6 24,0 23,4 10,8

Valladolid (Ciudad)

4o 59´ W 41o 39´ N

715 m -5,6 -4,4 1.920 W - 33,2/19,1 31,6/18,3 30,0/18,1 19,6 19,0 1834 15,2

Vigo (Peinador)

8o 38´ W 42o 13´ N

250 m 0,0 0,8 1.288 S 3,2 28,9/22,8 27,0/21,7 25,0/20,5 23,6 21,9 20,8 9,5

Zaragoza (sanjurjo)

1o 1´ W 41o 40´ N

240 m -3,4 -2,3 1.337 WNW 7,4 34,9/22,5 33,3/21,8 31,5/21,1 23,4 22,5 21,6 13,1

A partir de estos datos deberíamos tener en cuenta la temperatura exterior según la hora solar, ya que las temperaturas que figuran en estas tablas nos dará un valor medio del día. Para ello utilizaríamos otro tipo de tabla con correcciones de temperaturas según la hora.

o Condiciones interiores

Las condiciones interiores son una suma de factores que influyen en el confort humano: temperatura, humedad, velocidad del aire, actividad que se va a realizarº Y dependen de una gran cantidad de elementos: constitución, peso, edad, sexo, actividad que realiza, vestimenta, etc.

La determinación y cuantificación de la influencia de cada uno de estos componentes resulta muy complejo, aunque es posible encontrar algunos diagramas o tablas que nos van a dar unos valores generales, como condiciones higrotérmicas interiores (tabla 5), a conseguir.

ESTACI‡N TEMPERATURA OPERATIVA (OC) HUMEDAD RELATIVA (%)

Verano 23 ..... 25 45 ..... 60

Invierno 21 ..... 23 40 ..... 50

Según el RITE, nos dice que ≈La exigencia de calidad térmica del ambiente se considera satisfecha en el diseño y dimensionado de la instalación térmica, si los parámetros que definen el bienestar térmico, como la temperatura seca del aire y operativa, humedad relativa, temperatura radiante media del recinto, velocidad media del aire en la zona ocupada e intensidad de la turbulencia se mantienen en la zona ocupada dentro de los valores establecidos a continuación.∆

Tabla 4: Condiciones exteriores del proyecto según Norma UNE 100-001.

Tabla 5: Condiciones interiores de diseño. Fuente RITE.

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Siendo:

La temperatura operativa, se define como la temperatura de bulbo seco de un re-cinto uniforme y sin corrientes de aire en el cual una persona intercambiaría la misma cantidad neta de calor por convección y radiación que en el recinto real considerado (el cual pudiera presentar corrientes de aire).

La temperatura radiante, se define en términos aproximados, como el promedio de las temperaturas de las superficies del entorno real. Un determinado entorno tende-rá a producir una sensación de calor si la temperatura de las superficies de los objetos que lo conforman fuese mayor que la temperatura de la piel y de en-friamiento si fuese menor.

Las condiciones internas de un local que influyen en el confort humano son:

Temperatura. La temperatura ambiente ejerce una gran incidencia sobre la sensa-ción de bienestar de los ocupantes.

Vestimenta. La ropa actúa como resistencia térmica del calor del cuerpo humano al exterior o viceversa.

Actividad. La temperatura del cuerpo humano no depende exclusivamente de las condiciones de su entorno. Todo individuo está constantemente quemando los alimentos, generando con ello calor. Mientras más agitada sea la actividad que rea-lice mayor será el calor producido. Esta generación de calor se conoce como calor metabólico.

Humedad. Como hemos comentado en psicometría la humedad es un parámetro muy importante a considerar. Un ambiente seco (<30% de hr) da lugar a problemas respiratorios, mientras que un ambiente húmedo (>70% de hr) causa problemas de traspaso de calor por evaporación del sudor, debido a la elevado humedad relativa del aire.

Estos dos parámetros los incluimos a nivel informativo, debido a lo complejo de losconceptos y cálculos.

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o Condiciones del local

También es necesario conocer las características del local, tales como:

Características constructivas y orientación de las fachadas.

• Características de los cerramientos.

• Influencia de los edificios colindantes.

• Superficie acristalada y protección solar.

• Superficie del local y volumen.

Horarios de funcionamiento.

Ocupación y actividad que se va a realizar.

Iluminación, maquinaria.

Renovación de aire.

Una vez que se han señalado las condiciones del proyecto procederemos a calcular las cargas térmicas.

Tipos y cálculo de cargas

Cuando se diseña una instalación térmica es necesario determinar, lo más exactamente posible, la potencia térmica o frigorífica necesaria para cubrir la posible demanda o el exceso de calor.

Para determinar dicha potencia es necesario establecer un balance de pérdidas y ganan-cias de calor. Estas pérdidas o ganancias se denominan cargas térmicas y de su correcta evaluación dependerá el correcto diseño de la instalación, su rendimiento y el poder alcanzar un consumo energético razonable.

Por lo tanto, podríamos definir la carga térmica como la cantidad de energía que se debe aportar o retirar en un área para mantener determinadas condiciones de tempe-ratura y humedad.

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El calor que entra al local debido a la diferencia de temperatura, se llama calor sensible y el calor que entra debido a la diferencia de humedades se llama calor latente. A continuación vamos a ver cuales son los factores que influyen en modificar el calor sensible y latente.

o Tipos de cargas térmicas

Las cargas térmicas suelen dividirse en dos grandes grupos según la situación del foco de calor:

Cargas externas: pérdidas o ganancias de calor por transmisión, radiación solar a través de acristalamientos, ventilación, infiltraciones, etc.

Cargas internas: aportaciones de calor por ocupación, iluminación, etc.

Además, habrá que tener en cuenta si las cargas son sensibles, es decir, debidas a varia-ciones de temperatura o provocadoras de variaciones de temperatura, o cargas latentes, debidas a la humidificación o deshumidificación del aire.

Cargas sensibles: pérdidas o ganancias de calor por transmisión, radiación solar a través de acristalamientos, variación de temperatura por ventilación e infiltraciones (ventilación sensible), variación de temperatura por presencia de personas y anima-les (ocupación sensible), y aumento de la temperatura por iluminación.

Cargas latentes: variaciones de la humedad del aire por venti-lación y por ocupación.

NOTA: Las cargas térmicas que se van a estudiar en este apartado son las que se consi-deran necesarias para el cálculo de refrigeración de un local, cuyas exigencias son mu-cho mayores que para el cálculo de calefacción, donde algunas de ellas se desprecian.

Fig. 29: Tipos de cargas térmicas.

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A. Carga a través de los cerramientos

Una importante carga sensible y externa es la debida a la transmisión de calor a través de las paredes, el suelo y el techo de los locales. Como ya sabemos, la diferencia de tempe-raturas entre el lado interno y el externo de una superficie produce una transferencia de calor por radiación, conducción y convección. El sol calienta los elementos exteriores (paredes, techos, ventanas, puertas etc.) y posteriormente el calor se transmite por los materiales al interior del local.

Este calor que se transmite por los cerramientos es calor sensible y se expresa:

Para hallar K, iremos a tablas que nos proporcionan este valor dependiendo del tipo de cerramiento. A continuación vemos un ejemplo de tabla (tabla 6) para valores de K.

Q = K x S x DTE

Donde:

Q: calor que se transmite por los cerramientos.

K: coeficiente de transmisión del cerramiento, es el flujo de calor que se trans-mite por las paredes, por unidad de superficie y por diferencia de temperatura.

S: superficie del cerramiento.

DTE: diferencia de temperatura equivalente, es aquella (tablas 7 y 8) quetiene en cuenta el efecto de radiación del sol y asimismo:

• La orientación del cerramiento.

• Tipo de pared.

• Hora solar.

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Para hallar K, iremos a tablas que nos proporcionan este valor dependiendo del tipo de cerramiento. A continuación vemos un ejemplo de tabla (tabla 6) para valores de K.

Tabla 6: Valores K en kcal/h x m2 x oC, según el tipo de cerramientos exteriores. Fuente ISOVER.

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HORA SOLAR ORIENTACI‡N DEL MURO

DE (KG/M2) 12 13 14 15 16

100 7,4 6,9 6,4 6,9 7,4 300 10,8 8,1 5,3 5,8 6,4 500 8,5 8,1 7,4 6,4 5,3

NE

700 3 5,3 7,4 8,5 7,4 100 17,4 10,8 6,4 6,9 7,4 300 16,9 10,2 7,4 6,9 6,4 500 13,1 13,6 13,1 10,8 9,7

E

700 5,3 8,1 9,7 10,2 9,7 100 15,2 14,1 13,1 10,2 8,5 300 15,2 14,1 13,6 11,3 9,7 500 8,5 9,2 9,7 10,2 9,7

SE

700 3 5,8 7,4 8,1 8,5 100 11,9 14,7 16,4 15,2 14,1 300 6,4 10,8 13,1 13,6 14,1 500 1,9 4,1 6,4 8,1 8,5

S

700 1,9 1,9 1,9 3,6 5,3 100 3 10,2 14,1 18,6 21,9 300 0,8 4,2 6,4 13,1 17,5 500 3 3,6 4,2 6,4 7,4

SO

700 3 3 3 3,6 4,2 100 3 7,4 10,8 17,5 21,9 300 1,9 3,6 5,3 10,2 14,1 500 3 3,6 4,2 5,3 6,4

O

700 4,2 4,7 5,3 5,3 5,3 100 3 5,3 6,4 10,2 13,1 300 0,8 3 4,2 5,3 6,4 500 1,9 1,9 1,9 2,5 3

NO

700 3 3 3 3 3 100 1,9 4,2 5,3 6,4 7,4 300 -0,3 1,3 3 4,2 5,3 500 -0,3 0,2 0,8 1,3 1,9

N

700 -0,3 -0,3 -0,3 0,2 0,8

HORA SOLAR

DE (KG/M2) 12 13 14 15 16

50 8,1 13,1 17,5 20,8 23,6 100 8,5 12,5 16,4 19,7 22,5 200 8,5 12,5 15,2 18,1 0,8 300 8,5 11,9 14,7 16,9 9,2

Techo soleado

400 8,5 11,9 14,1 5,2 17,5 100 3 4,7 6,4 6,9 7,4 200 0,8 2,5 4,2 5,3 6,4 Techo en sombra 300 -0,3 0,8 1,9 3 4,2

Tabla 7: DTE de paredes, donde se tiene en cuenta la orientación, DE densidad del cerramiento y hora solar.

Tabla 8: DTE de techos, donde se tiene en cuenta la orientación, DE densidad del cerramiento y hora solar.

Unid



47

Además de estos valores, tendremos que tener en cuenta la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior del local y, también, la variación de temperatura que se pro-duce durante el día en el exterior.

VARIACI‡N TÉRMICA DIARIA SALTO

TÉRMICO 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 3 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 -4,5 -5 -5,5 -6 -6,5 -7 -7.5

4 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 -4,5 -5 -5,5 -6 -6,5

5 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 -4,5 -5 -5,5

6 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5 -4 -4,5

7 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5 -3 -3,5

8 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2 -2,5

9 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5 -1 -1,5

10 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 -0,5

11 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5

12 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5

13 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5

14 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5

15 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5

16 11,5 11 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 5,5

Tabla 9: Corrección DTE, teniendo en cuenta el salto térmico, ∆ térmico, y la variación de temperatura.

Calcular la cantidad de calor que se transmite por una pared orientada al sur conuna densidad de 500 kg/m2, una superficie de 60 m2 y un coeficiente K (según tabla 6 de 0,39 kcal/h m2 oC), a las 13:00 hora solar con una diferencia de tem-peratura de 10 oC y una variación de 12 oC. Respuesta:

Según la tabla 7 una pared orientada al sur con una densidad de 500 kg/m2

a las 13:00 horas le corresponde una DTE de 4,1 oC. Según la tabla 8, con un ∆ térmico de 10 oC y una variación de temperatura

de 12 oC, la corrección es 1,5. Por lo tanto:

DTE = 4,1 oC + 1,5 oC = 5,6 oC Q = K x S x DTE Q = 0,39 kcal/h m2 oC x 60 m2 x 5,6 oC = 131,04 kcal/h

Los techos se calcularían de la misma forma empleando los valores de DTE de la tabla 8. Las puertas se consideran cerramiento. En caso de paredes interiores se calcula de la misma forma y en este apartado se incluiría las paredes interiores, techos interiores, suelos interiores y cierres vidriados.

Q = K x S x ∆t En este caso si el local adyacente esta refrigerado la pared común no se calcula,y en el caso contrario se rebajaría la temperatura del local contiguo en 3 oC.

Ejemplo

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B. Carga a través de superficies acristaladas

Tenemos que considerar que este tipo de carga alcanza unos porcentajes elevados, ya que existe una tendencia a aumentar la superficie acristalada en los edificios.

Es una carga sensible y su cálculo se efectúa aplicando la siguiente fórmula:

La carga a través de superficies acristaladas es la carga debida a la energía solar que incide sobre el cristal, y es la suma de la energía que se transmite a través del vidrio causada por los rayos solares más la debida a la transferencia de calor del ambiente exterior al interior.

Fig. 30: Carga térmica transmitida por una ventana.

Q = K x S x f

Siendo:

R: la radiación solar en kcal/h m2 a través del vidrio (tabla10).

S: la superficie acristalada.

f: factor de corrección que influyen en la atenuación de la carga.

Unid



49

HORA SOLAR FECHA ORIENTACI‡N 12 13 14 15 16

N 38 38 38 35 32 NE 38 38 38 35 32 E 38 38 38 35 32 SE 92 38 38 35 32 S 146 119 94 51 32

SO 92 192 268 301 295 O 38 119 257 385 439

NO 38 38 81 198 303

21 de Junio

Horizontal 642 629 569 485 363 N 38 38 38 35 32 NE 38 38 38 35 32 E 38 38 38 35 32 SE 113 40 38 35 32 S 187 170 119 70 35

SO 113 222 298 339 322 O 38 116 265 390 444

NO 38 38 70 179 284

23 de Julio

Horizontal 631 610 550 463 341 N 38 38 38 35 29 NE 38 38 38 35 29 E 38 38 38 35 29 SE 179 67 38 35 29 S 276 263 241 138 65

SO 179 290 377 396 374 O 38 122 273 393 439

NO 38 38 43 124 222

24 de Agosto

Horizontal 580 556 501 406 271

El factor f nos indica factores de corrección y/o atenuación para otro tipo de vidrios (tabla 11) o para el empleo de persianas (tabla 12).

TIPO DE VIDRIO FACTOR TIPO DE VIDRIO FACTOR

Vidrio ordinario simple 1 Ambar 0,70 Vidrio de 6 mm 0,94 Rojo oscuro 0,56

40-48% 0,80 Azul oscuro 0,60 48-56% 0,73 Verde oscuro 0,32

Vidrio absorbente, con un % de absorción

56-70% 0,62 Verde grisáceo 0,46 Vidrio doble ordinario 0,90 Opalescente claro 0,43 Vidrio triple 0,83

Vidrio de color

Opalescente oscuro 0,37

Tabla 10: Radiación solar R en kcal/h m2 para ventanas de vidrio ordinario de 1 m2 , latitud 40≥Norte. Si el marco es metálico, multiplicar por 1,17.

Tabla 11: Factor de corrección según el tipo de vidrio.

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FACTOR CON PERSIANAS

PERSIANA VENECIANA INTERIOR

PERSIANA VENECIANA EXTERIOR TIPO DE VIDRIO

Color claro

Color medio

Color oscuro Color claro

Vidrio ordinario simple 0,56 0,65 0,75 0,15

Vidrio de 6 mm 0,56 0,65 0,74 0,14

40-48% 0,56 0,62 0,72 0,12

48-56% 0,53 0,59 0,62 0,11 Vidrio absorbente

Porcentajes de absorción

56-70% 0,51 0,54 0,56 0,10

Vidrio doble ordinario 0,54 0,61 0,67 0,14

Vidrio triple 0,48 0,39 0,64 0,12

C. Carga por ocupantes

Las personas que ocupan el local, habrá que considerarlas, porque constituyen auténticas fuentes de calor y de vapor de agua.

Tabla 12: Factor d de atenuación debido a persianas.

Indicar la cantidad de calor que se transmite a través de una ventana de 3,5 m2, orientada al SE, compuesta de un vidrio doble ordinario y protegida por una per-siana veneciana interior de color claro (el cálculo se debe realizar para la fechade 23 de julio a las 14:00 horas). Respuesta: El factor R según la tabla 10 corresponde a 38 kcal/h m2. De acuerdo con la tabla 11, aplicamos el coeficiente 0,90, y según la tabla 12 el factor de atenuación es 0,54. Así pues: Q= R x S x f Q= 38 kcal/h m2 x 3,5 m2 (0,90 x 0,54)= 64,64 kcal/h m2

Ejemplo

Unid



51

Las principales contribuciones de estos ocupantes son:

Radiación. Ya que la temperatura media del cuerpo es superior a la de los objetos que le rodean.

Convección. Ya que la superficie de la piel se encuentra a mayor temperatura que el aire que la rodea, creándose pequeñas corrientes de convección que aportan ca-lor al aire.

Conducción. Por contacto del cuerpo con otros elementos que le rodeen.

Respiración. Aportando calor por el aire exhalado, que se encuentra a mayor tem-peratura. Aquí se produce también un aporte de vapor de agua que aumentara la humedad relativa del aire

Evaporación cutánea. Este aporte de calor puede ser importante en verano.

La carga por ocupación tiene, por tanto, un componente sensible y otro latente, debido éste último a la respiración y transpiración. En ambos casos habrá que tener en cuenta el número de ocupantes de la estancia.

En la tabla 13 vamos a encontrar los valores de calor latente y sensible desprendido por una persona según la actividad y temperatura existente en el local.

28 OC 27 OC 26 OC 24 OC

ACTIVIDAD REALIZADA Sensible Latente Sensible Latente Sensible Latente Sensible Latente

Sentado en reposo. Escuela. 45 45 50 40 55 35 60 30

Sentado trabajo ligero. Instituto. 45 55 50 50 55 45 60 40

Oficinista, actividad ligera. 45 70 50 65 55 60 60 50

Persona de pie. Tienda. 45 70 50 75 55 70 65 60

Persona que pasea. Banco. 45 80 50 75 55 70 65 60

Trabajo sedentario. 50 90 55 85 60 80 70 70

Trabajo ligero taller. 50 140 55 135 60 130 75 115

Persona que camina. 55 160 60 155 70 145 85 130

Persona que baila. 70 185 75 175 85 170 95 155

Persona en trabajo penoso. 115 250 120 250 125 245 130 230

Tabla 13: Calor emitido por la persona en kcal/h.

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El cálculo de carga por ocupantes se realizará empleando la fórmula:

D. Carga generada por la iluminación

La energía eléctrica que alimenta a una lámpara de iluminación se transforma una parte en energía luminosa y otra en energía térmica. La proporción entre ambos tipos de ener-gía depende de la clase de lámpara empleada (incandescente o fluorescente). Sin embar-go, como la energía luminosa luego incide sobre el local, se supone que toda la energía eléctrica se transforma en calor sensible.

Si la iluminación es incandescente es necesario multiplicar la potencia eléctrica total del local en kw por 860 para convertirla a kcal/h.

En caso de que la iluminación fuese fluorescente además de multiplicar la potencia eléc-trica por 860 hay que aplicar un coeficiente de 1,25 debido a las reactancias.

Qtotal = Qsensible + Qlatente

Donde:

Qsensible = n≥ personas x calor sensible

Qlatentee = n≥ personas x calor latente

Calcular la carga debida a los ocupantes de un aula de un Instituto, teniendo encuenta que el número de alumnos es 20, y la temperatura del local es de 24 oC.

Qsensible = 20 x 60 = 1.200 kcal/h Qlatente = 20 x 40 = 800 kcal/h Q total = 1.200 kcal/h + 800 kcal/h = 2.000 kcal/h

Como se puede observar la carga debida a los ocupantes, incluso en este ejem-plo con una actividad sedentaria, es considerable.

Ejemplo

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53

E. Carga debida a infiltraciones de aire

La entrada de aire externo, bien sea de forma natural mediante filtraciones (provocadas por la diferencia de presiones y/o temperaturas) o de forma artificial mediante sistemas de ventilación, hace variar la temperatura y modifica la humedad del aire. Por lo tanto, es una carga que afecta a la carga sensible y latente del local.

El cálculo de las filtraciones de aire por ventanas, resulta complicado y debemos de tener en cuenta una serie de factores como son: tipo de ventanas, calidad de las ventanas, su-perficie, velocidad media del viento exterior, tiempo de abertura de las ventanas (si se diese el caso). Además, si consideramos que el caudal de aire de ventilación mantendrá, salvo excepciones, el local en sobrepresión evitando de esta forma las infiltraciones de aire exterior, nos lleva a descartar este caso.

Para el cálculo de aire debido a las puertas se pueden emplear tablas (tabla 14) donde figura el caudal en m3/h por puerta y persona (n≥ de personas medio que hay en el local).

CAUDAL EN M3/H POR PERSONA Y PUERTA TIPO FR LOCAL

Sin vestíbulo Con vestíbulo Bancos 13,5 10,2 Peluquerías 8,5 6,5 Bares, cafeterías. 12 9 Estancos 51 38 Pequeños comercios 13,6 10,2 Tiendas de confección 4,3 3,2 Farmacias 11,9 9 Habitaciones de hospital 6 4,4 Sala de té 8,5 6,5 Restaurantes 4,3 3,2 Comercio en general 6 4,4

En el aula, del ejemplo anterior, tenemos una iluminación compuesta por 16 tubos fluorescentes de 40 w cada uno. Calcular la carga térmica debida a la iluminación.

Qiluminación = 40 w x 16 = 640 w Qkcal/h = 0,640 kw x 860 kcal =550,4 kcal/h

Al ser fluorescente: 550,4 kcal/h x 1,25 = 688 kcal/h

Ejemplo

Tabla 14: Aire de infiltraciones en m3/h por persona y puerta.

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El aire procedente de la ventilación se calcula, como se describe en la unidad didáctica correspondiente, dependiendo de tipo de local.

La carga total es la suma de las cargas sensibles más las latentes.

Como se puede observar las cargas procedentes de la infiltración por puertas y debidas a la ventilación del local son importantes. Por lo tanto, y según el reglamento, habrá que considerar la utilización de sistemas de regulación de caudal de ventilación, además de sistema de enfriamiento gratuito (Free-cooling), la utilización de recuperadores de calor (ya veremos en una unidad próxima estos conceptos), y la utilización de doble puerta en la entrada. Todo ello para evitar lo máximo posible la carga de ventilación.

Qsensible = Caudal x ∆t x 0,29

Qlatente = Caudal x ∆he x 0,72

Qtotal = Qsensible + Qlatente

Calcular la carga térmica debida a ventilación e infiltraciones de aire para unacafetería con una capacidad de 50 personas. Sabiendo que:

T≤ exterior = 35 oC bs T≤ interior = 24 oC bs Hr exterior = 50% Hr interior = 60% Caudal de aire necesario (ventilación): Caudal = 50 per. x 8 dm3/s per. = 400 dm3/s=1.440 m3/h Aire de infiltraciones por puerta (tabla 14): Caudal = 20 per. x 12 m3/h per. =240 m3/h

Qsensible = (1.440 √ 240) m3/h x (35 - 24) oC x 0,29 = 5.359 kcal/h Qlatente = (1.440 + 400) m3/h x (17,7 √ 11,1) g/h x 0,72 = 7.983 kcal/h Qtotal = 5.359 kcal/h + 7.983 kcal/h = 13.342 kcal/h

Las humedades específicas se obtienen del diagrama psicrométrico. El caudal deaire (8 dm3/s per.) se consigue según lo establecido en el RITE.

Ejemplo

Unid



55

F. Carga por equipamiento interno

El funcionamiento de máquinas eléctricas supone una aportación de calor sensible que dependerá de la potencia de los mismos y del lugar de utilización de dichas máquinas.

Existe además una amplia variedad de posibles cargas internas debidas a la presencia de aparatos o equipos domésticos o industriales (aparatos de hostelería, equipos electrónicos (ordenadores, fotocopiadoras, tuberías que atraviesan el local, conductos, etc), que apor-tan tanto calor sensible como latente, y que debemos de tener en cuenta a la hora de realizar el cálculo de cargas térmicas.

Para estos casos existen tablas recomendadas para evaluar estas cargas, donde nos indi-can las cargas producidas por diversos aparatos eléctricos y de gas. En nuestro caso va-mos a considerar un coeficiente, de un 5 %, de la carga sensible total.

G. Coeficiente de seguridad

En función de la fiabilidad de las estimaciones de cargas térmicas, y para poder asegurar-nos todas esas cargas difíciles de calcular, se puede considerar entre un 0% y un 10% de coeficiente de seguridad, tanto para cargas latentes como para las sensibles.

H. Cálculo de la totalidad de cargas térmicas

Para el cálculo de cargas térmicas deberemos de sumar las cargas térmicas totales de todos los apartados anteriores.

Qtotal = Qcerramientos + Qsuperficies acristaladas+ Qocupantes + Qiluminación + Qventilación+ Qequipamiento+ Coeficiente seguridad

En la siguiente tabla vemos un resumen de las cargas térmicas que se han analizado en la presente unidad.

CLASIFICACI‡N DE CARGAS TÉRMICAS Cargas sensibles Cargas Latentes

Cargas por ocupantes X X

Cargas por iluminación X Internas Cargas por equipamiento interno X X

Cargas por cerramientos opacos X

Cargas por superficies acristaladas X Exteriores Cargas por ventilación e infiltraciones X X

Cargas propias de la instalación X

Coeficiente de seguridad X X

Tabla 15: Cargas térmicas.

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o Herramientas para el cálculo de cargas térmicas

Como se puede observar el cálculo de cargas térmicas utilizando este método puede resultar pesado y complejo debido a la gran cantidad de cálculos que hay que realizar. Por eso en nuestro caso nos hemos limitado a explicar los distintos tipos de carga térmica sin entrar en profundidad. Ya que en el mercado existen una gran variedad de tablas, hojas de cálculo y programas informáticos que simplifican el calculo de cargas térmicas.

A continuación y como ejemplo vamos a ver una de estas tablas, que nos servirá para el cálculo de cargas térmicas de pequeños locales.

CARGAS DE CALOR SENSIBLES

CARGAS TÉRMICAS DEBIDAS A: FACTORES 1. Ventanas

Calor ganado por radiación solar.

MEDIDASol Sombra Toldo

ŸREA X FACTOR

FRIG/H

Orientación al NE m2 166 69 55

Orientación al E m2 222 111 69

Orientación al SE m2 208 83 55

Orientación al S m2 208 97 55

Orientación al SO m2 305 125 83

Orientación al O m2 416 180 125

Orientación al NO m2 333 139 97

Orientación al N m2 0 0 0

a) Para vidrios dobles, multiplicar el factor resultante por 0,8. b) Para losetas de vidrio, multiplicar los factores por 0,5. c) Hágase solo uso de la carga mayor de los apartados a y b.

2. Ventanas Calor ganado por transmisión. Total de ventanas.

Un solo vidrio m2 39

Doble vidrio m2 7

3. Paredes

a) Paredes exteriores, incluir longitud de puertas

Construcción ligera

Construcción pesada

Orientación Norte m 25 16

Otras orientaciones m 50 25

b) Paredes exteriores m 25 25

Tabla 16: Hoja de cálculo de cargas térmicas de pequeños locales.

Unid



57

CARGAS DE CALOR SENSIBLES (CONTINUACI‡N)

CARGAS TÉRMICAS DEBIDAS A:

4. Techos o tejados MEDIDA FACTORES

ŸREA X FACTOR

FRIG/H

Tejados sin aislamiento m2 53

Con 0,5 cm m2 22

Con cámara superior m2 8

Con ático aislado m2 11

Con ático sin aislar m2 33

5. Suelos o pisos

Sobre cuartos ocupados m2 8

Sobre sótanos m2 8

Sobre tierra m2 0

6. Número de personas

Considerar como mínimo 2 Pers. 130

7. Potencia eléctrica

Iluminación W 0,75

Aparatos eléctricos W 0,75

Motores W 0,75

8. Aire exterior

Puertas abiertas al recinto sin acondicionar M 250

Carga base de cálculo

9. Carga total de enfriamiento Total Factor geográfico

10. Carga total = Total x factor

Instrucciones para cumplimentar la hoja de cálculo

La estimación de la carga de refrigeración lograda con este impreso es apropiada para lograr condiciones de confort mediante acondicionadores de aire, siempre y cuando en el recinto acondicionado no se requieran condiciones especiales y par-ticulares de temperatura y humedad.

El cálculo realizado con este impreso se basa en considerar una temperatura exte-rior de 35 oC en el termómetro seco y 40 % humedad relativa del aire. Puede ser usado para localidades distintas (cuyas temperaturas no coincidan con las indica-das) aplicando el correspondiente factor de corrección.

Tabla 16: Hoja de cálculo de cargas térmicas de pequeños locales (continuación).

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La numeración de los párrafos siguientes corresponde a la numeración de los apartados que figuran en el impreso.

1. Multiplicar los metros cuadrados de superficie de ventanas, en cada una de las orientaciones, por el factor correspondiente. Como superficie de ventana se toma-rá la correspondiente al hueco de la pared donde esté 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, úsese 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 pequeña cámara de aire; también se incor-poran en este tipo las formadas por losetas de vidrio.

En la columna derecha del apartado 1 deberá ponerse solamente un número, y és-te representará exclusivamente la orientación o fachada de mayor carga calorífica.

2. Multiplicar los metros cuadrados de superficie de todas las ventanas de la habita-ción o recinto por el factor correspondiente.

3a. Multiplicar la longitud (metros lineales) de todas las paredes expuestas al exterior por el correspondiente factor.

Las puertas deberán considerarse como si fueran parte de la pared.

Las paredes cuya superficie esté orientada al norte se calcularán separadamente de las paredes orientadas a otras direcciones. Las paredes que estén permanen-temente a la sombra por hallarse protegidas por otros edificios, se considerarán como paredes expuestas al norte. Los árboles y demás arbustos no se conside-ran como agentes productores de sombras permanentes.

Si las paredes corresponden a locales acondicionados, no se considera este apartado.

Una pared sin aislamiento, esté construida de albañilería o de obra de fábrica, de menos de 20 cm de espesor, se considera a los efectos de este impreso co-mo "Construcción ligera". Una pared aislada de más de 20 cm de espesor, se considera como "Construcción pesada".

3b. Multiplicar la longitud total (metros lineales) de las paredes interiores que separan el recinto acondicionado del que queda sin acondicionar por el factor dado.

Unid



59

4. Multiplicar el total de metros cuadrados de tejado o techo por el factor dado para cada tipo de construcción (ligera o pesada. según se indica en 3a). „sese una lí-nea solamente. Si el piso o techo corresponden a locales acondicionados, no se considera este apartado.

5. Multiplicar los metros cuadrados de suelo por el factor dado. Omitir este apartado si el suelo está directamente sobre terreno.

6. Multiplicar el número de personas que normalmente van a ocupar el recinto acon-dicionado por el factor dado. Como mínimo hay que considerar dos personas.

7. Determinar en watios la potencia total absorbida por la iluminación y equipo eléc-trico 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 número total de watios por el factor dado.

8. Multiplicar la anchura total (metros lineales) de puertas o arcos que, estando con-tinuamente abiertos, comunican el recinto acondicionado con el que esta sin acondicionar por el factor dado.

9. Sumar los ocho apartados anteriores.

10. Multiplicar la CARGA BASE DE CALCULO obtenida en el apartado 9 -por el factor de corrección que corresponda, según se deduce del mapa. El resultado obtenido es el TOTAL DE LA CARGA DE REFRIGERACION EN FRIGORIAS/HORA.

Para obtener los mejores resultados, debe seleccionarse el acondicionador o acondicionadores a instalar de forma que su potencia se aproxime lo más posi-ble a la carga de refrigeración obtenida. En general, un acondicionador de po-tencia sensiblemente superior a la calculada trabajará intermitentemente; te-niendo tiempos de parada bastante largos, dará un resultado mucho menos sa-tisfactorio que una unidad (o varias) más pequeña, de potencia igual a la calcu-lada, pues ésta (o éstas) tendrán unos tiempos de parada más reducidos, lo-grando deshumidificar mejor el aire.

NOTA: Cuando la anchura total (metros lineales de puertas o arcos) sea superior a 1,5metros, la carga real de calor puede exceder del valor calculado. En este caso, ambos espacios comunicados por puertas o arcos en cuestión deberán considerarse como un solo local, y habrá que calcular la capacidad de refrigeración necesaria teniendo en cuenta las nuevas dimensiones.

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Actualmente existen tablas, de estudio previo, donde nos dan una previsión de las frigo-rías que puede necesitar un local. Estas tablas se confeccionan a partir de la experiencia de los técnicos acumulada a lo largo de años. Hay que tener en cuenta que estas tablas no se deben de tomar como un cálculo definitivo.

TIPO DE EDIFICIO O LOCAL Frigorías por m2 Frigorías por persona

Salones, vestíbulos 120

Cafetería Comedores

Hoteles

Dormitorios

200 320

Pequeñas 100 Oficinas

Grandes 120

Totalmente acondicionadas 100 Viviendas

Parcialmente acondicionadas 120

Almacenes (mucho transito) 160 Locales comerciales Poco transito 120

Actualmente se tiende al empleo de sencillas hojas de cálculo Excel, programas informá-ticos proporcionados por los propios fabricantes (Férroli, Saunier Dubai, Roca York, Dai-kin, etc.), así como programas informáticos más complejos para el cálculo de grandes locales a climatizar (DP clima, MC4, Cype, etc.).

Considerar la tabla 16 así como sus instrucciones como un ejemplo de hoja de cargas térmicas más que existen en el mercado.

Esta hoja así como sus instrucciones fueron extraídas de un manual de Carrier ≈Ideas básicas sobre acondicionamiento de aire∆.

Tabla 17: Estimación cargas térmicas. Fuente CARRIER.

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a Realizar un cálculo de cargas térmicas para un local em-pleando el sistema de cálculo que sea adecuado, y analizarlos resultados obtenidos con tu tutor.

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Resumen

El confort térmico

Psicrometría

Estimación de cargastérmicas para el diseñode un proyecto declimatización

El confort humano depende de además de la temperatu-ra de una serie de parámetros físicos, fisiológicos, psico-lógicos y sociales y por lo tanto debemos de conocercomo influyen a la hora de realizar el proyecto de unainstalación de climatización.

La Psicrometría es una rama de la ciencia que trata delas propiedades termodinámicas del aire húmedo y delefecto de la humedad atmosférica sobre el conforthumano.

El diagrama psicrométrico, es una gráfica de las propie-dades del aire, tales como temperatura, hr, volumen,presión, etc. Las cartas psicrométricas se utilizan paradeterminar, cómo varían estas propiedades al cambiar latemperatura y humedad en el aire.

En el diagrama psicrométrico podemos observar cual esla evolución de los procesos que más comúnmente seutilizan en acondicionamiento de aire y que se realizanen climatización.

Denominamos condiciones del proyecto a los compo-nentes o variables que pueden influir en el estudio de lascargas térmicas del espacio acondicionado. Y se puedenclasificar en:

Condiciones exteriores:

• Temperatura exterior: verano, invierno.

• Humedad relativa.

• Variación diaria de temperatura o excursióntérmica diaria.

• Altitud de la localidad.

• Latitud de la localidad.

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Condiciones interiores:

• Temperatura.

• Vestimenta.

• Actividad.

• Humedad.

Condiciones del local:

• Características constructivas y orientación delas fachadas.

• Horarios de funcionamiento.

• Ocupación y actividad.

• Iluminación, maquinaria.

• Renovación de aire.

Se denomina cargas térmicas a las pérdidas o gananciasde calor en un recinto, y se clasifican en:

Cargas externas.

Cargas internas.

Además deberemos tener en cuenta si esas cargas sondebidas a la variación de temperatura, cargas sensibles,y a la variación de humedad, cargas latentes.

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Las cargas térmicas que más comúnmente se calculanson:

Carga a través de cerramientos.

Carga a través de superficies acristaladas.

Carga por ocupantes.

Carga generada por la iluminación.

Carga debida a infiltraciones de aire.

Carga debida a maquinaria diversas

Herramientas para el cálculo de cargas térmicas:

Tablas para el cálculo de cargas térmicas.

Tablas de ≈cálculo rápido∆.

Hojas de cálculo Excel.

Programas informáticos.

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Autoevaluación

1. La sensación térmica varía con arreglo de una serie de parámetros. Indica cuales son.

2. ∂Cuáles son las magnitudes que comúnmente se miden cuando queremos sabercuáles son las condiciones del aire? y ∂ qué tipo de aparatos se utilizan para rea-lizar estas medidas?

3. Una vez realizada la medida de temperatura y humedad relativa del aire de unlocal obtenemos los siguientes resultados:

T≤ de bs 25 oC. Hr 55%.

Indica sobre el diagrama psicrométrico el resto de las propiedades del aire.

4. Representa sobre el diagrama psicrométrico un calentamiento sensible de calefac-ción a partir del siguiente punto:

T≤ de bs 15 oC. Hr 45%.

5. Indica cuál será la temperatura de punto de rocío del ejemplo anterior. 6. Indica las condiciones iniciales de diseño exteriores e interiores (indicar solo tem-

peratura y humedad)de un proyecto de una oficina situada en Oviedo. 7.

a. ∂De qué depende el calor que se transmite a través de los cerramientos?

b. ∂Y el calor que se trasmite a través de las superficies acristaladas?

8. Calcula la carga térmica proporcionada por los ocupantes de una discoteca, te-niendo en cuenta que la capacidad es de 200 personas y la temperatura interior esde 26 oC.

9. ∂Qué tipo de cargas debidas al equipamiento interno se tendrían que contabilizaren un local destinado a oficinas?

10. Calcula la carga térmica debida a ventilación para una cafetería de 150 m2, sin

considerar el aire por infiltraciones. Teniendo en cuenta las siguientes condicionespara el proyecto:

Exterior: 33 oC bs y 60% hr. Interior: 25 oC bs y 50% hr.

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Respuestas Actividades

1. La solución es:

a.

b.

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2. La solución es:

a. Punto de mezcla de aire resultante.

Vtotal = 42,86 + 17,14 = 60 m3/h

%Vext = (17,14 x 100) / 60 = 28,5%

T≤ mezcla = (34 oC √ 27 oC) x 0,285 + 27 = 28,99 oC

b. El punto de salida del aire del climatizador.

c. El tipo de operaciones básicas que se producen en este caso de acondicionamiento de aire.

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d. Indica el resto de propiedades de aire, correspondiente al aire que se encuentra en el local.

Diagrama de temperaturas en la unidad de tratamiento de aire de la fig. 25.

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Respuestas Autoevaluación

1. La respuesta correcta es:

Parámetros físicos. Parámetros circunstanciales. Parámetros fisiológicos. Parámetros psicológicos y sociológicos.

2. Las medidas son: humedad relativa y temperatura de bulbo seco. Los aparatos son:

termómetro+ higrómetro o termohigrómetro. 3. El diagrama psicrométrico es:

4. El diagrama psicrométrico es:

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5. La temperatura de punto de rocío es 3 oC.

6. Según los datos que figuran en la tabla 3, las condiciones exteriores son:

Verano. 26 oC bs, 70% hr. Invierno. -2oC.

7.

a. El calor que se transmite por los cerramientos es calor sensible y depende de:

Coeficiente de transmisión del cerramiento. Superficie del cerramiento. Diferencia de temperatura equivalente. Variación térmica diaria.

b. El calor que se transmite por las superficies acristaladas depende de:

Radiación solar a través del vidrio. Superficie acristalada. Coeficientes atenuadores debidos a:

• Tipo de vidrio. • Elementos de protección de las ventanas (persianas).

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8. El cálculo de carga por ocupantes se realizará empleando la fórmula: Qtotal = Qsensible + Qlatente Donde: Qsensible = n≥ personas x calor sensible Qlatente = n≥ personas x calor latente De acuerdo con los valores que figuran en la tabla 13: Qsensible = 200 x 85 kcal/h = 17.000 kcal/h Qlatente= 200 x 170 kcal/h = 34.000 kcal/h Qtotal = 17.000 + 34.000 = 51.000 kcal/h

9. Las cargas debidas al equipamiento interno que se tendrían que contabilizar en un

local destinado a oficinas son:

Ordenadores. Fotocopiadoras. Impresoras, etc

10.

Según los datos que figuran en la unidad 1, a este tipo de local le corresponde unacategoría IDA 3, o sea 0,55 dm3/s m2 = 1,98 m3/h m2. Caudal de aire necesario = 150 m2 x 1,98 m3/h m2 = 297 m3/h Qsensible = 297 m3/h x (33 √ 25) oC x 0,29 = 689,04 kcal/h Las humedades específicas se obtienen del diagrama psicrométrico. Qlatente = 297 m3/h x (19,11 √ 9,88) g/kg x 0,72 = 1.973, 74 kcal/h Qtotal = 689,04 + 1.973, 74 = 2.662,78 kcal/h

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Notas

Técnico en Montaje y Mantenimientode Instalaciones de Frío, Climatización y Producción de Calor

02_psicrometria_procesos de tratamiento y acondicionamiento de aire_calculo de cargas termicas

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