MÁQUINAS Y EQUIPOS TÉRMICOS

CICLO FORMATIVO DE GRADO MEDIO

TÉCNICO DE PRODUCCIÓN DE CALOR

1º CURSO

UNIDAD 2: CÁLCULO DE CARGAS

TÉRMICAS

I.E.S. DON PEDRO GARCÍA AGUILERA - MORATALLAPROFESOR: Antonio J. Alcaraz

CURSO: 2011-2012

CALEFACCIÓN Y CLIMATIZACIÓN. GENERALIDADES.

• Calefacción: Proceso por el que se controla solamente la temperatura del aire de los espacios con carga negativa (norma UNE 10000:1997, apartado 3.24).

Por extensión, también se denomina como calefacción al sistema utilizado para calentar el aire y elevar así la temperatura del ambiente en el interior de un local o recinto cerrado.

- Sólo invierno. - Hay que disponer de fuente de energía ó combustible y de un fluido

transmisor. - Es necesario canalizar y distribuir el calor generado. - No permite variar la humedad.

• Climatización: Acción y efecto de climatizar, es decir de dar a un espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad relativa, pureza del aire y, a veces, también de presión, necesarias para el bienestar de las personas y/o conservación de las cosas (norma UNE 100000:1997, apartado 3.29).

Se trata, por tanto, de crear un clima artificial caracterizado por ciertas condiciones ambientales del aire, que también pueden incluir (aunque no lo abordaremos aquí) el aislamiento sonoro y el control de luminosidad. Algunos autores prefieren entonces hablar de “acondicionamiento de aire”.

Según la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) el acondicionamiento de aire es “un proceso de control simultáneo de los factores que influyen a la vez en el estado físico y químico de la atmósfera ambiente”.

Se requiere, por tanto, disponer de sistemas que renueven el aire viciado inyectando aire nuevo, cuya composición, pureza, humedad y temperatura estén perfectamente controladas. El nuevo aire regulará la composición atmosférica en el interior del local climatizado, evacuará el exceso de humedad, o lo aumentará si es necesario, aumentará la temperatura en invierno y la disminuirá en verano.

• Hay que tener en cuenta multitud de factores:

Tª exterior y Tª del local. (temperaturas de diseño).

Insolación del lugar.

Situación geográfica y climática.

Dimensiones del local.

Orientación de las paredes y ventanas, y material del que están hechas.

Velocidad del viento.

Ocupación: número de ocupantes y actividad que realizan.

Otras fuentes caloríficas (iluminación, ...)

Ventilación requerida (cantidad y tipo: forzada o natural, intermitente o permanente, etc.)

• Normativa:

Código Técnico de la Edificación : Para diseñar los edificios y las contribuciones de energía solar.

RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios) , sus Instrucciones Técnicas (IT), y en las normas UNE de referencia: Para diseñar instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria.

Reglamento Instalaciones Frigoríficas 2011 : Para el diseño de instalaciones frigoríficas.

RITE (REGLAMENTO DE INSTALACIONES TÉRMICAS EN LOS EDIFICIOS)

------- PARTE I -------

CAPÍTULO I. Disposiciones generales

Artículo 1. Objeto.

El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios, en adelante RITE, tiene por objeto establecer las exigencias de eficiencia energética y seguridad que deben cumplir las instalaciones térmicas en los edificios destinadas a atender la demanda de bienestar e higiene de las personas, durante su diseño y dimensionado, ejecución, mantenimiento y uso, así como determinar los procedimientos que permitan acreditar su cumplimiento.

Artículo 2. Ámbito de aplicación.

Se consideran Instalaciones Térmicas las instalaciones fijas de climatización (ventilación, refrigeración y calefacción) y de producción de agua caliente para usos sanitarios, destinadas a atender la demanda de bienestar e higiene de las personas en cualquier tipo de edificio, incluso edificios de uso industrial.

El RITE no será de aplicación para las instalaciones térmicas destinadas a procesos industriales, agrícolas o de otro tipo.

Artículo 4. Contenido del RITE.

Con el fin de facilitar su comprensión y utilización, el RITE se ordena en dos partes:

1. La Parte I, Disposiciones generales, que contiene las condiciones generales de aplicación del RITE y las exigencias de bienestar e higiene, eficiencia energética y seguridad que deben cumplir las instalaciones térmicas.

2. La Parte II, constituida por las Instrucciones técnicas, en adelante IT, que contiene la caracterización de las exigencias técnicas y su cuantificación, con arreglo al desarrollo actual de la técnica.

CAPÍTULO II. Exigencias técnicas

Artículo 11. Bienestar e higiene.

Las instalaciones térmicas deberán cumplir requisitos de calidad que sean aceptables por los usuarios, como:

1. Calidad térmica del ambiente, manteniéndose dentro de un intervalo de valores determinados con el fin de mantener unas condiciones ambientales confortables para los usuarios de los edificios.

2. Calidad del aire interior, aportando un caudal suficiente de aire exterior y garantizando la extracción y expulsión del aire viciado.

3. Calidad del ambiente acústico.

4. Higiene: Dotación suficiente y condiciones adecuadas del agua caliente para la higiene de las personas.

Artículo 12. Eficiencia energética.

Las instalaciones térmicas deben diseñarse y calcularse, ejecutarse, mantenerse y utilizarse de tal forma que se reduzca el consumo de energía convencional de las instalaciones térmicas, ..... cumpliendo los requisitos siguientes:

1. Rendimiento energético: los equipos se seleccionarán de forma que sus prestaciones estén lo más cercanas posible a su régimen de rendimiento máximo.

2. Distribución de calor y frío: los equipos y las conducciones de las instalaciones térmicas deben quedar aislados térmicamente.

3. Regulación y control: las instalaciones estarán dotadas de los sistemas de regulación y control, ajustando los consumos de energía a las variaciones de la demanda térmica.

4. Contabilización de consumos: las instalaciones térmicas deben estar equipadas con sistemas de contabilización para que el usuario conozca su consumo de energía.

5. Recuperación de energía: las instalaciones térmicas incorporarán subsistemas que permitan el ahorro, la recuperación de energía y el aprovechamiento de energías residuales.

6. Utilización de energías renovables: las instalaciones térmicas aprovecharán las energías renovables disponibles, con el objetivo de cubrir con estas energías una parte de las necesidades del edificio.

------- PARTE II. INSTRUCCIONES TÉCNICAS -------

IT 1. Diseño y dimensionado.

IT 2 Montaje.

IT 3. Mantenimiento y uso.

IT 4. Inspección.

Apéndice 1. Términos y definiciones.

Apéndice 2. Normas de referencia.

Apéndice 3. Conocimientos de instalaciones térmicas en edificios.

IT 1.1 EXIGENCIA DE BIENESTAR E HIGIENE

IT 1.1.4.1. EXIGENCIA DE CALIDAD TÉRMICA DEL AMBIENTE

La exigencia de calidad térmica del ambiente se considera satisfecha si los parámetros que definen el bienestar térmico, como temperatura seca, humedad relativa, temperatura radiante media del recinto, velocidad media del aire, etc. se mantienen en la zona ocupada dentro de los valores establecidos en esta IT.

Sólo tendremos en cuenta la temperatura y humedad relativa operativas, definidos en la I.T. 1.1.4.1.2 (ver apartado 2 de este tema).

IT.1.1.4.2. EXIGENCIA DE CALIDAD DEL AIRE INTERIOR

Las exigencias impuestas por el RITE sobre calidad del aire interior proceden de la norma UNE-EN 13779.

Los edificios de viviendas dispondrán de un sistema de ventilación para el aporte de suficiente caudal de aire exterior que evite la formación de elevadas concentraciones de contaminantes.

Los requerimientos son los establecidos en el CTE, sección HS3. Esta sección se aplica, en los edificios de viviendas, al interior de las mismas, los almacenes de residuos, los trasteros, los aparcamientos y garajes; y, en los edificios de cualquier otro uso, a los aparcamientos y los garajes. Se considera que forman parte de los aparcamientos y garajes las zonas de circulación de los vehículos.

It 1.1.4.2.2. Categorías de calidad del aire interior en función del uso de los edificios.

It 1.1.4.2.3 caudal mínimo del aire exterior de ventilación.

CONCEPTO DE CARGA TÉRMICA

Si un local no dispone de climatización, su temperatura se adaptará a la del ambiente, si hace frío estará helado, y cuando haga calor será caluroso.

En la mayoría de los casos estará más caliente que el ambiente, debido la radiación solar sobre techo, paredes y ventanas, o por el calor desprendido por sus ocupantes e instalaciones interiores.

En el momento que queremos que su temperatura se mantenga en un valor distinto al del exterior, y a voluntad de sus ocupantes, hay que sacar o meter calorías del local al exterior.

Recordemos que el calor fluye del cuerpo más caliente al más frío, y por ello, al crear una diferencia de temperatura entre el local y el exterior, se inicia una transferencia de calor por las paredes, suelos, ventanas, y aire de ventilación, que tiende de nuevo a igualar su temperatura con el exterior.

En verano para enfriar el local con un climatizador, hay que extraer calorías, y la transmisión de calor por las paredes es hacia el interior.

En invierno hay que introducir calorías, y las pérdidas de calor son hacia el exterior.

Al final se alcanza un equilibrio entre la potencia del equipo acondicionador, y las transmisiones que por las paredes, techo, etc., tienden a restablecer la temperatura inicial.

En ambos casos las calorías que entran o salen del local las llamamos “pérdidas de calor”, y hay que calcularlas para determinar la potencia del aparato climatizador a instalar. El total de calor necesario a meter o sacar del local lo denominaremos “demanda térmica” del local.

Vemos que hay al menos tres datos necesarios:

• Temperatura interior, que dependen del uso del local.

• Temperatura exterior, que dependen de la zona en la que se ubique, si es más fría o calurosa.

• Condiciones de las paredes y techos del local, si está más o menos aislado térmicamente.

CONDICIONES HIGROTÉRMICAS

Aunque los seres vivos pueden adaptarse a las condiciones ambientales, incluso aunque sean extremas, existen rangos de temperatura y humedad donde claramente aumenta su confort.

Confort:

Se denomina condiciones de confort al ambiente en que las personas tienen la sensación de bienestar. Las condiciones de confort de las personas dependen de varios factores, pero principalmente de la temperatura, la humedad del aire, y la velocidad del aire.

En general, las zonas de bienestar o confort para las personas están delimitadas por rangos de temperatura entre 19 ºC y 28 ºC y un amplio intervalo de humedades relativas, que dependerán de si nos referimos a la época de verano o de invierno. Existen ciertas condiciones óptimas en verano e invierno: 23 ºC y 50% ó 24 ºC y 40%, por ejemplo. Sin embargo, los valores anteriores dependen de una gran cantidad de factores

En todo caso, a la hora de proyectar sistemas de calefacción, climatización o acondicionamiento de aire para locales habitados por personas habrá que tener en cuenta lo dispuesto en el RITE, especialmente las condiciones impuestas en las IT 1.1.

En particular, según la IT 1.1.4.1.2 la temperatura y humedad relativa operativas, o condiciones interiores de diseño, se definen según la actividad metabólica de las personas, su vestimenta, y el porcentaje de insatisfechos. Los valores medios normales son los que se muestran en la Tabla 1.4.1.1 del RITE.

ESTACIÓN Tª OPERATIVA ºC HUMEDAD RELATIVA %

Verano 23…25 45…60

Invierno 21…23 40…50

Así, la temperatura en la zona ocupada de cualquier local no debe superar los 23 ºC en invierno ni sea inferior a los 23 ºC en verano. La humedad relativa se situará entre el 40% y el 60%, siendo mayor en verano.

CONDICIONES EXTERIORES.

Las condiciones exteriores de temperatura y humedad deben ser convenientemente elegidas a la hora de realizar cálculos. Estas condiciones son variables según la latitud, altitud, orientación, hora solar, día del mes y mes del año que se tome como referencia.

En cualquier caso, tenemos que conocer la localidad donde va a instalarse el sistema de climatización. Y así podremos utilizar la norma UNE 100001 que contiene unas tablas que fijan las condiciones exteriores.

Para el cálculo de CALEFACCIÓN utilizaremos las condiciones exteriores de cálculo en invierno. En las tablas aparecen 2 valores en temperatura:

• Percentil del 99 % Hospitales, clínicas, residencias de ancianos.

• Percentil del 97,5 % Resto de casos: Vivienda…

Como ya sabemos, la humedad no es relevante en los cálculos de calefacción.

El percentil del 97,5 % quiere decir que el 97,5 % de las horas de mes, de Diciembre a Febrero, la temperatura exterior será mayor a la que me da la tabla.

Para el cálculo de CLIMATIZACIÓN utilizaremos las condiciones exteriores de cálculo en verano. En las tablas aparecen 3 valores en temperatura y humedad:

• Percentil del 1 % Hospitales, clínicas, residencias de ancianos.

• Percentil del 2,5 % Edificios de especial consideración: Colegios…

• Percentil del 5 % Resto de casos: Vivienda…

El percentil del 5 % quiere decir que el 5 % de las horas de verano, la temperatura y humedad exterior serán mayores a la que me da la tabla.

Por ejemplo para Santander tenemos:

CARGA TÉRMICA

Cuando a un instalador le encargan la climatización de un local, una de las cosas que precisa realizar es el cálculo de la carga térmica del mismo, es decir de la potencia térmica que precisa para mantener las condiciones de confort. Una vez calculada la carga térmica, podremos elegir el equipo climatizador adecuado para el local.

• Para determinar dicha potencia es necesario establecer un balance de pérdidas y ganancias de calor. Estas pérdidas o ganancias se denominan “cargas térmicas” y de su correcta evaluación dependerá el correcto diseño de la instalación y de su rendimiento, así como de conseguir un consumo energético razonable.

• Una vez que se ha alcanzado la temperatura óptima o temperatura artificial del local es necesario que se mantenga durante un cierto tiempo (a veces durante todo el día). En el equilibrio debe cumplirse, por tanto, que el calor aportado sea igual que el calor que se pierde o se extrae.

• 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.

Normalmente no se calculan como energía, sino como energía/unidad de tiempo, expresándose en W, kW ó kcal/h.

Además, habrá que tener en cuenta si las cargas son:

Cargas sensibles: debidas a variaciones de temperatura o provocadoras de variaciones de temperatura.

Cargas latentes: debidas a la humidificación o deshumectación del aire.

En el cálculo de las cargas térmicas hay que tener en cuenta una gran cantidad de factores. En este tema no incluiremos todos los factores, ya que resulta excesivamente complejo, aunque sí los más importantes, evaluados generalmente en las condiciones más desfavorables (condiciones extremas de verano e invierno).

En concreto, estudiaremos las siguientes:

Cargas sensibles:

o Sensible Radiación: Ganancia sensible por radiación solar a través de acristalamientos.

o Sensible Transmisión: Pérdidas o ganancias de calor por transmisión en paramentos.

o Sensible aire exterior: Variación de temperatura por ventilación e infiltraciones.

o Sensible interno: Aumento de la temperatura por iluminación, motores, ordenadores, etc.

o Sensible por Ocupantes: Variación de temperatura por presencia de personas y animales.

Cargas latentes: variaciones de la humedad del aire por ventilación y por ocupación.

o Latente aire exterior: variaciones de la humedad del aire por ventilación e infiltraciones.

o Latente por aparatos: variaciones de la humedad del aire por vapor desprendido de ciertos aparatos.

o Latente por Ocupantes: variaciones de la humedad del aire por presencia de personas y animales.

El cálculo de cargas suele realizarse estimando la peor situación posible, es decir, estimando la demanda máxima de calor. De esta forma puede satisfacerse cualquier demanda energética. Sin embargo, esta máxima demanda será normalmente puntual, siendo necesaria durante un breve intervalo de tiempo. Quiere esto decir que durante la mayor parte del tiempo la calefacción no estará

funcionando a su máxima potencia, y que, posiblemente, pudiera haberse ahorrado costes si se hubiese seleccionado un equipo calefactor menos potente, que además requerirá menor coste de mantenimiento.

El estudio de la demanda térmica en distintas horas, en distintos días o meses debe permitir un adecuado fraccionamiento de potencia. Actualmente se tiende a no sobredimensionar los cálculos y a compensar las posibles deficiencias mediante técnicas de calefacción pasiva, es decir, con mejores aislamientos, orientación de las paredes, aprovechamiento de la energía solar, etc.

DATOS DE PARTIDA PARA EL CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS

LOCALIZACIÓN

o La carga térmica depende de la situación del local. No es lo mismo la carga de verano de un local en Sevilla que en Bilbao.

o Cada provincia vimos que tenía unas temperaturas exteriores de cálculo diferentes.

o Por otra parte, dentro de una misma provincia o localidad hay zonas más y menos calurosas, expuestas al sol, al viento, etc.

CARACTERÍSTICAS DEL LOCAL

o Plano a escala del local, o al menos las dimensiones principales de largo, ancho y alto. Orientación del norte.

o Situación y dimensiones de ventanas y puertas.

o Características constructivas de:

Paredes exteriores e interiores.

Suelo y techo. Si hay cubierta de teja, terraza, otro espacio, etc.

Ocupación de los espacios contiguos.

o Tipo de ventanas, cristal simple o doble, persianas o toldos, si entra o no el sol.

o Potencia eléctrica de los aparatos, iluminación, motores, cafeteras, etc.

OCUPACIÓN

o La ocupación es la cantidad de personas que puede haber como máximo en el local.

USO

o El uso del local nos indica el nivel de actividad de sus ocupantes: sentados, de pie, bailando…, cuanto más actividad hagan los ocupantes, mayor será el calor que generen.

o El uso también nos condiciona el caudal de ventilación necesario, si hay o no fumadores. A mayor ventilación, mayor carga para el equipo, pues estaremos tirando frigorías a la calle.

o Otro factor que se deduce del local es el horario de funcionamiento:

Durante el día, o noche.

Continuo o intermitente.

CÁLCULO DE LA CARGA SENSIBLE

Cargas sensibles Radiación:

Ganancia sensible por radiación solar a través de acristalamientos, como ventanas o claraboyas.

Siendo:

R = Valor unitario de radiación [w/m2] (ver tabla siguiente).

S = Superficie de la ventana [m2].

f = Factor corrector de atenuación por persiana, cortinas o toldos.

Cargas sensibles Transmisión:

Pérdidas o ganancias de calor por transmisión en paredes, techos, suelo.

Siendo:(Text – Tint) = Salto térmico exterior e interior del local [° C]l.S= Superficie.[m2]K = Coeficiente de transmisión térmica del cerramiento. [w/m2.° C]

Si el local contiguo es interior (esté o no climatizado), como valor de (Text – Tint) tomaremos la mitad que si es exterior.

El coeficiente de transmisión de calor K depende del material con que esté construida la pared. Usaremos la tabla siguiente:

Para el cálculo de calefacción (invierno) se considera la temperatura del suelo a 10 ºC.

Cargas sensibles aire exterior:

Variación de temperatura por ventilación e infiltraciones.

Siendo:

Q = Potencia en Watios.

V = caudal en m3/h.

(Text – Tint) = Salto térmico exterior e interior del local. [° C]

Cargas sensibles interno:

Es el calor generado en el interior de local por aparatos, iluminación, etc. Multiplicar los Watios de los aparatos existentes en el local, luces, motores, ordenadores, y cualquier receptor eléctrico.

QSI = WLUCES + WMOTORES + WORDENADORES

Cargas sensibles por ocupantes:

Variación de temperatura por presencia de personas.

Siendo:

n = Número de personas.

QSP = Calor sensible por persona [w/persona].

La carga sensible que ocasionan las personas del local depende del nivel de actividad física, según la tabla siguiente:

CARGA SENSIBLE TOTAL:

Es la suma de los calores sensibles.

Este es el total de calor necesario para calentar o enfriar el aire.

QS=Coef. Seguridad x Suma de cargas sensibles.

Aplicar el coeficiente de seguridad necesario.

Local zona o edificios muy calurosos: Factor 1,2.

Locales con muchas variaciones de ocupación: 1,2.

Necesidad de gran confort: 1,3.

Utilización por la tarde: 0,8 o noche: 0,7.

CÁLCULO DE LA CARGA LATENTE

Cargas latente aire exterior:

Variación de la humedad del aire por ventilación e inflitraciones.

Siendo:

V = caudal aire ventilación en m3/h (tomar de datos del local).

(WExt – WInt) = diferencia de humedades absolutas en gr/kg (también

de datos del local).

Cargas latente aparatos:

Variación de la humedad del aire por aparatos que desprendan calor.

o Cafeteras: factor 40.

o Planchas: 100.

o Bandejas de alimentos: 50.

Cargas latente por ocupantes:

Variación de la humedad del aire por ocupantes.

Siendo:

n = Número de personas.

QLP = Calor latente por persona [w/persona]

La carga latente que ocasionan las personas del local depende del nivel de actividad física, según la tabla siguiente:

CARGA LATENTE TOTAL:

Es la suma de los calores latentes.

QL=Coef. Seguridad x Suma de cargas latentes.

Aplicar el coeficiente de seguridad necesario.

Local zona o edificios muy calurosos: Factor 1,2.

Locales con muchas variaciones de ocupación: 1,2.

Necesidad de gran confort: 1,3.

Utilización por la tarde: 0,8 o noche: 0,7.

CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA TOTAL

La carga térmica total será la suma de la carga sensible y la carga latente.

QT=QS+QL

La carga térmica se expresará en la siguiente unidad:

CALEFACCIÓN: Kcal/h (Calor a aportar)

CLIMATIZACIÓN: Frig/h (Calor a quitar)

Para ello tendremos en cuenta que:

1 W = 1 J/s = 0,24 cal/s

1 W = 0,86 Kcal/h = -0,86 Frig/h

CALEFACCIÓN

¿Qué cargas se deben tener en cuenta?

Cargas sensibles: ALGUNAS

o Sensible Radiación: NO

o Sensible Transmisión: SI

o Sensible aire exterior: SI

o Sensible interno: NO

o Sensible por Ocupantes: NO

Cargas latentes: NO

o Latente aire exterior: NO

o Latente aparatos: No

o Latente por Ocupantes: NO

CLIMATIZACIÓN

En la climatización se tienen en cuenta todas las cargas externas e internas, que en este caso ambas serán normalmente aportaciones de calor, con alguna excepción como puede ser la pérdida de calor a través del suelo. En cada carga se distinguirá entre carga sensible y carga latente, de manera que se pueda determinar la potencia frigorífica o calorífica necesaria y la cantidad de humedad a aportar o retirar del ambiente.

¿Qué cargas se deben tener en cuenta?

Cargas sensibles: TODAS

o Sensible Radiación: SI

o Sensible Transmisión: SI

o Sensible aire exterior: SI

o Sensible interno: SI

o Sensible por Ocupantes: SI

Cargas latentes: SI

o Latente aire exterior: SI

o Latente aparatos: No

o Latente por Ocupantes: SI