cargas termicas ejercicio

7/25/2019 cargas termicas ejercicio

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CALCULO DE CARGAS TRMICAS

EJEMPLO: SALN DE CLASE

Considere un saln de clase de dimensiones 6 x 6 metros y 3 metros de altura ubicado en Caracas,Venezuela. La nica pared que da al exterior esta orientada hacia el Nor-Este (NE). Esta pared tieneadems una ventana panormica de 2,5 x 4 metros. El vidrio de la ventana es sencillo, claro, de3mm de espesor y con marco de aluminio fijo y esta dotada de persianas internas oscuras. Elespacio estar ocupado por 20 personas entre 8:00 a.m. y 5:00 p.m. cada persona utilizar uncomputador con pantalla plana y se accionar adicionalmente un proyector (video beam). El aireacondicionado se acciona a las 7:00 a.m. y se apaga a las 6:00 p.m. La velocidad del viento en lazona es de 2 m / s

Los espacios contiguos al saln de clase y en el piso superior tendrn un ambiente acondicionado ala misma temperatura de la sala.

El aula se ilumina con tres lmparas fluorescentes de 120 W empotradas.

Las paredes estn compuestas de bloques de concreto de 100 mm de espesor, una capa aislante de20 mm (k=0,52 W/m K), el recubrimiento interna es una capa de estuco de 10 mm y las paredesexternas tienen una fachada de bloques de ladrillo de 50 mm de espesor. El techo da a un pisosuperior y esta compuesto bsicamente de bloques de concreto de 100 mm de espesor. El edificiotiene 10 aos de antigedad.

Determine la capacidad de un sistema de aire acondicionado para ste espacio.

SOLUCIN

CONDICIONES Y DIA DE DISEO

Da de Diseo

De acuerdo a la orientacin de la nica pared soleada es posible determinar que el da crtico es el21 de junio a las 10:00a.m. (por lo general una o dos horas despus de la hora de mxima radiacin)(diapositiva 74).

Condiciones Internas

De acuerdo a la informacin de la diapositiva 75 se escogen como condiciones internas:

5,0%50

21int

CT

Se debe determinar la humedad absoluta del aire en las condiciones escogidas, esto puede hacerse

por 2 procedimientos.

Procedimiento 1


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Debe calcularse la presin de saturacin del agua a 22 C con la ecuacin de la diapositiva 10:

kPaxpsat 64,210611,0 )22237/(22*5,7

Luego se calcula la humedad absoluta con la ecuacin de la diapositiva 11:

aire

vapor

aire

vapor

kg

g

kg

kg3,80083,0

64,25,0100

64,25,0622,0int

Procedimiento 2

Utilizar la carta Psicomtrica o programa de psicrometra.

Condiciones externasDe acuerdo a la aplicacin se tendr lo crtico de escoger la temperatura externa de diseo, mientrasmenor sea el valor, mas riesgo se corre de que en condiciones extremas la temperatura del ambienteacondicionado se caliente por encima de lo que pueda manejar la mquina de acondicionamiento deaire.

En el caso de un saln de clase no se corre ningn riesgo si el rea acondicionada se calienta unpoco (a diferencia de espacios como laboratorios o salas de control), por lo que de la diapositiva 77se escoge el porcentaje de 2,5 % para la ciudad de Caracas, por lo tanto:

CText 6,29

La variacin diaria de temperatura es (diapositiva 77):

CTdiario 7

De la diapositiva 78se toma la humedad relativa promedio para caracas:

%80ext

Para determinar la humedad absoluta se pueden seguir los mismos procedimientos descritosanteriormente:

Procedimiento 1

kPaxpsat 63,510611,0 )35237/(35*5,7


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aire

vapor

aire

vapor

extkg

g

kg

kg4,290294,0

63,55,0100

63,58,0622,0

Procedimiento 2

Utilizar la carta Psicromtrica o programa de psicrometra.

Peso por unidad de rea del saln y la pared irradiada

De las diapositivas 56 y 57 se toma la densidad de los materiales y se multiplica por el volumenocupado por cada material.

Peso del especifico del salon:

Bloques de concreto: Presente en todas las paredes de 3 x 6 m y en el techo de 6 x 6 con espesor de0,1 m. Debe considerarse la ventana. Densidad 2240 kg/m3

kgxxxxPesoconcreto 219526645,23641,02240

Estuco: En todas las paredes y techo con espesor de 0,01 m y densidad de 1920 kg/m3:

kgxxxxPesoestuco 6,18816645,236401,01920

Aislante: Presente en todas las paredes y techo con espesor de 20 mm y densidad de 1900 kg/m3:

kgxxxxPesoaislante 37246645,236402,01900

Bloques de ladrillo: Presente en la pared exterior del edificio con densidad de 2400 kg/m3 y espesorde 0,05m:

gxxPesoladrillo 186045,23605,02400

El peso total de la estructura es:

kgPesoestructura 6,31337186037246,1881192021952

El peso total se divide entre el rea del piso para tener el peso por unidad de rea:

2/5,87036/6,31337 mkgArea

Peso


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Peso especfico de la pared irradiada:

kgxxxxxxxxxPesomuro 63,32092940003,044,205,0240002,0190001,019201,0224045,236

3,178

18

63,3209

Area

Pesomuro

Irradiacin Solar

Para determinar la radiacin solar se requiere la informacin relativa a la ubicacin geogrfica de laciudad:

Caracas: Latitud 10 29 = 10,48Longitud 66 54 = 66,9Altitud = 900 msnmHuso Horario GTM4:30 = -4,5

Orientacin de la pared:

Pendiente (Inclinacin): 90 (Pared vertical)

Azimut (ngulo medido desde el sur): 135

Utilizando el programa Geosol con el modelo de Hottel para un clima tropical se obtiene:


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El programa da como resultado el total de energa recibida durante cada hora para pasarlo aPotencia Trmica (Watts) se debe dividir entre el tiempo de exposicin, como una hora tiene 3600segundos. Se escoge la hora de mayor radiacin total, en este caso las 8:00 a.m.

22

/7273600

/62,2mW

s

mMJI

Diferencia de Temperaturas Efectiva (DTE)

La Diferencia de Temperaturas Efectiva se debe calcular segn la ecuacin de la diapositiva 70:

sombrasoleadosombra DTEDTEIt

IbDTEaDTE

En primer lugar se busca en la tabla de la diapositiva 71 el DTE para una pared orientada al NorEste a las 10:00 a.m. ubicada en latitud 40 Norte con temperatura externa de 27 C y diferencia detemperatura diaria de 11 C, con un peso por unidad de rea mayor a 700 kg/m2.


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De esa forma:

CDTE

CDTE

sombra

sol

1,1

3,13

Para el clculo del factor de correccin ase consulta la tabla de la diapositiva 73con la diferenciade temperaturas entre el exterior y el interior y la variacin diaria de temperaturas

CTdiario 7 y CTT inext 6,8216,29

Como la diferencia de temperaturas es 8,6, se toma un valor intermedio entre 1,7 y 3,6 que puede

calcularse como una interpolacin lineal:

27,27,186,8810

7,16,3

a

El factor b depende del color de la superficie irradiada en este caso como no es un color claro setoma b=1.

Falta calcular el factor por correccin de latitud, para esto se debe conocer la radiacin sobre unasuperficie de la misma orientacin y a la misma hora a la que se estimo la mxima radiacin diaria,

pero ubicado en Latitud 40 Norte (It), recurriendo de nuevo al programa GeoSol:


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La hora de la mxima radiacin en latitud 10 N son las 8:00 a.m., para la latitud 40 N la radiacin

a esa hora es:

22

/5973600

/15,2mW

s

mMJIt

La Diferencia de Temperaturas Efectivas es finalmente:

1,13,13597

72711,127,2 sombrasoleadosombra DTEDTE

It

IbDTEaDTE

CDTE 7,18

CARGAS TRMICAS INTERNAS

Personas

Se tiene entonces que el espacio esta ocupado por 20 personas, dado que el espacio se utiliza comosaln de clase, se puede considerar que los ocupantes realizarn trabajo ligero, segn la tabla de la

diapositiva 82 se tiene:

ctividad Calor total [W] Calor Sensible Calor Latente [W]


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Convectado [W]

Sentado (trabajo

ligero)

115 70 45

Carga Sensible:WCT

spersona 14007020

Carga Latente:

WCTLpersona

9004520

Carga Total por Ocupantes:

WCTCTCT LsT personapersonapersona 23009001400

Equipos y Maquinaria

En este caso tendremos como equipos funcionando en la sala las 20 computadoras, 20 monitorespantalla plana y un video beam. Segn lo recomendado se considera la carga termoica el 35% delconsumo de energa nominal de los equipos.

Equipo Consumo de Potencia Carga Trmica

Computador 160 W 0,35*160= 55 W

Monitor 200 W 0,35*200= 70 W

Video Beam 300 W 0,35*300= 105 W

En el caso del saln de clase podemos considerar que todos los computadores estarn encendidosdurante todo el da, por lo tanto:

1

1

uso

div

f

f

Por lo tanto la carga trmica por equipos se estima como:

WCTequipos 2605105705520

Iluminacin

Para determinar la carga trmica por iluminacin deben determinarse los factores de diversidad yalmacenamiento. Como se trata de un saln de clase que estar ocupado durante todo el da, elfactor de diversidad se considera uno:


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1divf

Para determinar el factor de almacenamiento debe conocerse el peso por unidad de rea de la

estructura.Factor de almacenamiento:

Considerando que la estructura tiene un peso por unidad de rea de 870,5 kg/m2, que el aireacondicionado funciona 10 horas al da y son lmparas fluorescentes empotradas. Considerandoadems que las luces se encienden a las 7:00 a.m. y la hora de diseo son las 10:00 a.m. (tres horasde diferencia) se consulta la tabla de la diapositiva 81como se indica a continuacin:


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Por lo tanto el factor de almacenamiento para la luminaria es:

9,0almf

Por lo tanto las cargas trmicas por iluminacin es:

WffWCT divalmalnoluces 32419,01203min

CARGAS EXTERNAS

Renovacin de aire

Se tiene que la tasa de renovacin de aire es 10 m3/h por persona para salones, por lo que serecomienda la siguiente tasa de renovacin de aire (diapositiva 85):

hmpersonah

mpersonasCvent /2001020

33

La carga sensible por renovacin de aire es:

WTTCCT inextventvents 6,567216,2940033,033,0

La carga latente por renovacin de aire es:

WCCT inextventvents 8,35443,84,2940084,084,0

La carga total por renovacin de aire es:

WCTvent 4,4112

Infiltracin

Dado que la construccin es relativamente reciente puede considerarse tpica segn estndaresmodernos, por lo tanto el rea unitaria de infiltracin es (diapositiva 88):

2/8,2 mcmAui El rea expuesta hacia el exterior es una pared de 6 x 3 m, por lo tanto:

21836 mAex El rea de infiltracin es (diapositiva 87):


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24,50188,2 cmAAA exuiL

La fuerza de infiltracin se calcula con la formula de la diapositiva 87:

035,01000

216,29338,025

1000

38,025 int

TTH

IDF ext

La cantidad de aire que entra por infiltracin es (diapositiva 87):

hmIDFAC L /35,6035,04,506,36,3 3

inf

Las cargas trmicas por la infiltracin se estiman con las ecuaciones de la diapositiva 89:

WTTCCTinextvents

11,19216,2935,633,033,0inf

WCCT inextvents 54,1123,84,2935,684,084,0inf

La carga total por infiltracin es:

WCT 65,13154,11211,19inf

Ventanas

La carga trmica a travs de ventanas se divide en cargas por radiacin y cargas por conduccin.

Carga por conduccin:

DTEUACT aUven tan

De la diapositiva 103 se toma el coeficiente global de transferencia de calor para ventanas simplesde 3 mm de espesor con marco de aluminio fijo:

Tipo de VidrioSoloVidrio

Marco Operable Marco Fijo

Aluminio MaderaAluminioMadera

Simple de 3,2 mm 5,91 7,24 5,05 6,42 5,5

Simple 6,4 mm 5 6,49 4,51 5,6 4,75

UR ventventaven CTCTCT tan


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Doble VidrioInterespacio 6,4 mm

3,12 4,93 3,25 3,94 3,17

Doble VidrioInterespacio 12,7 mm

2,73 4,62 3,00 3,64 2,84

Por lo tanto la carga trmica de la ventana por conduccin es:

WCT aUven 18,40328,645,242,6tan

Carga por Radiacin

El factor de ganancia de calor por radiacin se toma de la diapositiva 96para las caractersticas de

la ventana:

Tipo deVidrio

Espesor[mm]

ColorMarco de Aluminio Otros MarcosFijo Operable Fijo Operable

Simple SR 3 Claro 0,75 0,78 0,64 0,75

Simple SR 6 Claro 0,71 0,74 0,60 0,71

Simple SR 3 Bronce 0,64 0,67 0,54 0,64

Simple SR 6 Bronce 0,54 0,56 0,46 0,54

Simple SR 3 Verde 0,62 0,64 0,52 0,61

Simple SR 6 Azul 0,55 0,57 0,46 0,54Simple SR 6 Verde 0,53 0,55 0,45 0,53Simple RA8%

6 Claro 0,18 0,18 0,15 0,17

Simple RA14%

6Claro /Verde

0,23 0,24 0,19 0,22

Por lo tanto:

75,0FGCI

El factor por elemento de sombra, se tiene una persiana interior color oscuro:

Elemento desombra

Persiana interior Persiana Exterior Cortina

Claro Oscuro Claro Oscuro Claro Oscuro

fsom 0,58 0,80 0,20 0,20 0,30 0,40

8,0

somf El factor de almacenamiento se toma de la diaposit iva 95:

almsomsolarvent fffFGCIAICT R


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El factor de almacenamiento es por lo tanto:

33,0almf

La carga trmica por radiacin en ventanas es:

WCT aRven 6,143933,08,075,045,2727tan

La carga trmica total a travs de las ventanas es:

WCT aven 78,184218,4036,1439tan

Paredes y Techos

Para calcular el calor que se transmite a travs de paredes y techos es necesario calcular loscoeficientes globales de transferencia de calor.

Pared externa:

Coeficiente convectivo externo, de la diapositiva 52:

KmWVh viento2/3,1328,37,58,37,5

Coeficiente convectivo interno, de la diapositiva 52:

KmWh 2/3,5


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De las diapositivas 56 y 57se toman las conductividades trmicas de los materiales:

mL

mKWk

mL

mKWk

mL

mKWk

mL

mKWk

estuco

estuco

aislante

aislante

concreto

concreto

ladrillo

ladrillo

01,0

/4,1

02,0

/58,0

1,0/92,0

05,0

/79,0

Se calcula ahora la resistencia total a la transferencia de calor diapositivas de 51 a 55:

inthkkkkhtot RRRRRRR

estucoconcretoaislantelad rilloext

int

11

hk

L

k

L

k

L

k

L

hR

estuco

estuco

concreto

concreto

aislante

aislante

ladrillo

ladrillo

ext

tot

WKmRtot

2

48,03,51

4,101,0

92,01,0

58,002,0

79,005,0

3,131

El coeficiente global de transferencia de calor es:

KmWR

Utot

2/08,248,0

11

La carga trmica por conduccin a travs de la pared externa es:

WDTEUACTU 07,3117,1845,23608,2

Como el resto de las paredes dan a espacios acondicionados a la misma temperatura no existirncargas trmicas a travs de esas paredes.

CARGA TRMICA TOTAL EN EL SALN DE CLASE

personasequiposlucesventavenUTotal

CTCTCTCTCTCTCTCT inftan


19/19

WCTTotal 9,11626230026053244,411265,13178,184207,311

hBTUTONkWWCTTotal /396003,363,119,11626

Se redondea el valor hacia el valor comercial que se encuentre por encima, por lo

que podra instalar se un aire acondicionado de 4 Toneladas o 48.000 BTU/h.

Es importante comparar la carga total sensible de la carga total latente:

Sensible:

spersonasequiposlucessventsavenUsTotal CTCTCTCTCTCTCTCT inftan

WCT sTotal 6869140026053242,113511,1978,18425,104

Latente:

WCTCTCTCTLpersonasLventLLTotal 9,47559008,354407,311inf

Se observa que las cargas latentes son un poco menores que las sensibles. Es importante que elsistema de aire acondicionado maneje adecuadamente los niveles de humedad para evitar situacinde disconfort por humedad y averas de los equipos electrnicos.

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