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TERMOMECANICA

Sección I NOCIONES TERMOMECANICAS Capitulo 1 SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO LAS SIETE VIRTUDES…………………….. SIN PECADO Un perfecto sistema de aire acondicionado, es decir aquel que es capaz de controlar adecuadamente las condiciones higrotermicas de un ambiente, debiera reunir las siguientes 7 virtudes Humectación Calefacción Distribución Filtrado Renovación higiénica Enfriamiento Deshumectacion, Y ……………………….sin cometer el pecado de hacer ruido. Pero en la práctica son escasos los sistemas que reúnen la totalidad de las virtudes. Así por ejemplo la humectación es casi una rareza y se ve solo en sofisticados sistemas afectados generalmente a procesos industriales, en el otro extremo la deshumectacion se realiza en la serpentina de enfriamiento bajo condiciones de diseño calculadas, pero no hay un control sobre si es mucha o poca la deshumectacion efectuada. Por otra parte es mucho más común el uso de sistemas de calefacción con la segunda y tercera o a veces la cuarta de las que hemos llamado virtudes, en realidad funciones. Los sistemas de refrigeración por sus mayores costos operativos y de inversión inicial son de hecho menos frecuentes

La expresión aire acondicionado de manera habitual la referimos a la refrigeración, pero ello no es correcto, puesto que también debiera referirse a la calefacción, siempre que se traten (acondicionen) todos o algunos de los parámetros del aire de la atmósfera. Lo que ocurre es que cuando se desarrollaron equipos que podían enfriar, para su correcto desempeño deshumectan parcialmente y mueven masas de aire importante, pudiendo en el equipo agregarse muy fácilmente y a bajo costo, filtrado y toma de aire

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exterior, y adaptando calefacción por bomba de calor o resistencias eléctricas, por lo que los mismos son en principio mas acordes al tratamiento total. Digamos a manera de anticipo que hay sistemas de calefacción solamente los cuales por la forma de transportar el calor se los divide en sistemas de calefacción por aire y sistemas de calefacción por agua. Existen además sistemas integrados frío-calor y otros llamados que podremos denominar mixtos.

Humectación En invierno, si se calienta el aire sin entregarle humedad, la humedad relativa disminuye por debajo de los valores de confort (30%) y produce un resecamiento de las mucosas respiratorias, un aumento de la electricidad estática notable sobre todo en pisos alfombrados con las consiguientes molestias La función de humectación, se ejecuta en invierno en el modulo humectador que debe colocarse después de la batería de calefacción dado que el aire más caliente tiene la propiedad de absorber mas humedad. Existen aparatos que evaporan agua calentada mediante resistencias eléctricas blindadas contenidas en una bandeja, la producción de vapor es controlada por medio de un humidistato de ambiente o de conducto. En los casos de grandes instalaciones, se recurre a baterías humidificadoras que incorporan al aire agua finamente pulverizada y como cumplen además una función, suelen llamarse también lavadores de aire. Para instalaciones de confort y salvo de casos de climas exteriores muy secos la experiencia demuestra que no es necesario cumplir la función de humectación, teniendo en cuenta que las personas aportan una cierta cantidad de humedad en el ambiente. De hecho, los equipos estándar de confort, no vienen provistos de dispositivos de humectación incorporada. Calentamiento En los sistemas por aire, el calentamiento del aire se efectúa modulo calefacción, por medio de una serpentina de agua caliente vinculadas mediante cañerías a una planta de calderas, En los equipos con serpentina de agua fría puede utilizarse la misma, o bien intercambiadores a gas, o bien una batería de resistencias eléctricas, o también con inversión del ciclo de refrigeración (bomba de calor) véase el inflador de bicicletas y la carga de sifones. En los sistemas por agua, el calor producido en una central es transportado a los locales mediante cañerías e impulsada por bombas, para llegar a los diversos componentes terminales, radiadores, termo zócalos, calo ventiladores, losas radiantes etc.

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Distribución La función de distribución la realizan en los sistemas por aire, el ventilador dado que es necesario un cierto movimiento de aire en la zona de permanencia con el fin de evitar su estancamiento, sin que se produzca corrientes enérgicas que son perjudiciales. Se emplean ventiladores del tipo centrífugo, capaces de hacer circular los caudales de aires necesarios, venciendo las resistencias de frotamiento ocasionadas en el sistema con bajo nivel de ruidos. En los equipos destinados a pequeños locales como el acondicionador de ventana o el fan-coil individual, el aire se distribuye directamente mediante rejas de distribución y retornos incorporados en los mismos. Pero en equipos de cierta envergadura que abastece varios ambientes o recintos amplios debe canalizárselos por medio de conductos, generalmente construido en chapa de hierro galvanizado, convenientemente aislados, retornando mediante rejas y conductos a las unidades. En los ambientes, la inyección de aire se realiza por medio de rejas sobre paredes o difusores sobre los cielorrasos y el retorno se efectúa por rejas colocada en la parte inferior de los locales, con el objetivo de conseguir un adecuado movimiento de aire en la zona de vida del local en cuestión, que se encuentra en un plano ubicado a 1.50 m sobre el nivel del piso. En los sistemas por agua, son las bombas las encargadas de la distribución del fluido por medio de cañerías. Véase agua que nos has de beber déjala correr

Filtrado La función de filtrado se cumple en la batería de filtros. Consiste en tratar el aire mediante filtros adecuados a fin de quitarle polvo, impurezas y partículas en suspensión. El grado de filtrado necesario dependerá del tipo de instalación de acondicionamientos a efectuar. Para la limpieza del aire se emplea filtros que normalmente son del tipo mecánico, compuestos por substancias porosas que obligan al aire al pasar por ellas, a dejar las partículas de polvo que lleva en suspensión. En las instalaciones comunes de confort se usan filtros de poliuretano, lana de vidrio, microfibras sintética o de metálicos de alambre con tejido de distinta malla de acero o aluminio embebidos en aceite. En las instalaciones industriales o en casos particulares se suelen emplear filtros especiales que son muchos más eficientes. El filtro es el primer elemento a instalar en la circulación del aire porque no solo protege a los locales acondicionados sino también al mismo equipo de acondicionamiento. Véase también “lo que el viento se llevo”

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Renovación higiénica o Ventilación La función de ventilación, consiste en la entrada de aire exterior, para renovar permanentemente el aire en recirculación del sistema en las proporciones necesarias a fin de lograr un adecuado nivel de pureza, dado que como el resultado del proceso respiratorio, se consume oxígeno y se exhala anhídrido carbónico, por lo que debe suministrarse siempre aire nuevo a los locales para evitar que se produzcan viciamientos y olores. El aire nuevo del edificio o aire de ventilación penetra a través de una reja de toma de aire, en un recinto llamado pleno de mezcla, en él se mezcla el aire nuevo con el aire de retorno de los locales, regulándose a voluntad mediante persianas de accionamiento manualmente o eventualmente automáticas.

Enfriamiento y deshumectación La función de refrigeración y deshumectación, se realiza en verano en forma simultánea en la batería de refrigeración, dado que sino se realiza, el porcentaje de humedad relativa aumenta en forma considerable, provocando una sensación de molestia y pesadez. La humedad contenida en el aire que circula se elimina por condensación, porque se hace trabajar la serpentina a una temperatura inferior a la del punto de rocío del retorno al equipo (la temperatura de confort del local en definitiva)

………………………….Un pecado que frecuentemente cometen los sistemas de aire

acondicionado es hacer ruido, cuando lo razonable sería no hacerlo, pero

debemos hacernos las preguntas que es ruido y hasta que nivel resulta

aceptable.

Ruido. (Del lat. rugĭtus). (Diccionario Real Academia Española)

1. m. Sonido inarticulado, por lo general desagradable.

Algunos autores afirman que en uno de cada cuatro de los problemas de los llamados edificios enfermos, la causa está en el nivel de ruido. Si bien el ruido generado por el aire al pasar por las rejas y difusores, no es la única fuente de ruido en los sistemas de aire acondicionado y estas otras fuentes de ruido en caso de no ser debidamente tratadas o atenuadas causan el problema. La disminución de los problemas de ruido es siempre más fácil de lograr en la fase de proyecto que después de concluida la instalación. El equipamiento mecánico, en la mayoría de los casos, es la principal fuente de ruido en un edificio.

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El ruido generado en una sala de maquinas “viaja” hasta el interior del ambiente por varios caminos. (vease grafico 1) A y B2 ruido transmitido por el conducto de inyección a través del difusor o reja. B1 ruido de “fuga”, irradiado por el propio conducto del ambiente u otros conductos de paso o próximos.

GRAFICO 1

C y C1 ruido por el retorno C y C2 ruido transmitido a través de la pared. D ruido transmitido por las estructuras. Siempre que el aire pasa por un conducto, un dámper, difusor etc. Crea un ruido propio o ruido de regeneración que deberá ser tenido en cuenta en cálculos más precisos. Las barreras a la propagación del ruido están entonces constituidas por los caminos B1, C, C1, C2, y D. Para considerar A y B2 el dimensionamiento adecuado de los conductos, componentes varios y elección apropiada de los elementos finales de distribución de aire y si fuera necesario la utilización de atenuadores de ruido. Teniendo en cuenta fundamentalmente los conductos de retorno, pues constituyen el camino critico en la mayoría de las veces sobre todo en plenos de retorno.

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C y C2 esta vía se ha convertido en los últimos tiempos, con la aparición de los sistemas de cerramiento por vía seca, en una de las más frecuentes causas de problemas acústicos, por la transmisión directa entre ambientes o bien a través de corredores cuando estos se usan como retornos, mas aun cuando el cerramiento de las salas de maquinas se propone con estos materiales. Qué nivel de ruido es aceptable o no en una instalación?. Lo que el oído humano siente es la presión sonora que le llega y que se mide en valores absolutos en micro pascales con un mínimo de 20 y hasta 1.000.000 de micro pascales que puede producir un cohete Saturno de la NASA , como los valores de semejante escala carecen de sentido habitualmente se usan escalas logarítmicas referidas a una fuente conocida. Un conocimiento más preciso sobre el tema es abordado en el próximo nivel de la carrera en Instalaciones III. Por ahora bástenos decir que existen varios criterios para definir el nivel de ruido en un ambiente, siendo las más usuales las curvas NC (noise criteria), en el interior y el ruido dB(A) en el exterior. Las curvas NC no dan una idea de la cualidad del ruido pudiendo ser este concentrado en las bajas frecuencias, originando el efecto de retumbe (rumble

effect) o bien en las altas frecuencias produciendo un efecto de silbido (hiss

effect) .

Más recientemente se han comenzado a utilizar los RC (room crieria), con énfasis en bajas frecuencias. La siguiente tabla da una idea aproximada de los valores máximos aconsejables y que se utilizan a la hora de elegir rejas y/o difusores, en los catálogos de selección de rejas los fabricantes incorporan los valores de NC o RC (si el folleto tiene NC tómese sin riesgo los valores aconsejados de RC)

RECINTOS VALORES DE RC Viviendas aisladas rurales o urbanas, santuarios 20 a 30

Viviendas aisladas urbanas, salas de banquetes, habitaciones privadas de clínicas y hospitales, oficinas ejecutivas, salas de conferencias, bibliotecas, aulas 25 a 30

Habitaciones privadas de hoteles, guardia de clínicas, Oficinas privadas, cines, teatros, auditorios de TV, Laboratorios, hall de ventas de pasajes 30 a 35

Recepción y corredores de hotel y hospitales, quirófanos, Salas de espera o lectura, vestíbulos de iglesias o escuelas Baños y toilettes, restaurants, venta de ropa, gimnasios 35 a 40

Áreas de servicio de hoteles, hospitales, garajes, centros de cómputos, cocinas, almacenes, supermercados, Natatorios, salas de espera de actividades deportivas 40 a 45

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Recordando que el ruido generado en la reja o difusor A, va a llegar al usuario por dos caminos el directo que no necesita mayor explicación y el indirecto por reflexión en los cerramientos, por ende las dimensiones, materiales, configuración geométrica del ambiente influyen sobremanera en la atenuación que el ruido puede tener por esta vía y por lo tanto el resultado de confort o dis-confort que se obtenga. A mayor tamaño del local en general se atenúa, pero apareciendo otros problemas acústicos (reverberación) que verán más adelante (Instalaciones III)

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CAPITULO 2 NOCIONES DE CALOR

NO CONFUNDIR GORDURA CON HINCHAZON

En la vida diaria usamos y confundimos las palabras calor y temperatura

como sinónimos, por ejemplo, cuando la temperatura ambiente es elevada

exclamamos “¡Uf, qué calor hace!”. Pero en física debemos ser muy cuidadosos al emplear

estos términos, pues significan cosas muy distintas, aún cuando están estrechamente

relacionados.

Calor. (Del lat. calor, -ōris). (Diccionario de la Real Academia Española)

6. m. Fís. Energía que pasa de un cuerpo a otro y es causa de que se equilibren sus temperaturas.

Temperatura. (Del lat. temperatūra). (Dic R.A.E.)

1. f. Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los cuerpos o del ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es el kelvin (K).

Parece ser que en la naturaleza el calor siempre fluye en el sentido del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Por lo menos nunca nadie ha visto que espontáneamente de dos cuerpos que están inicialmente en equilibrio térmico, después de un tiempo, uno de ellos empiece a calentarse y el otro a enfriarse. Del mismo modo, es natural ver caerse un vaso del borde de una mesa y quebrarse en el suelo, pero nunca esperaríamos que los pedazos de vidrio de un vaso roto en el suelo se reconstruyeran y luego el vaso salte hasta quedar situado sobre la mesa. En nuestro universo el tiempo transcurre en un solo sentido y ello está determinado por el modo en que se suceden procesos como los indicados. Para entender la diferencia mencionada inicialmente, supongamos que ponemos en contacto dos objetos (A y B) cuyas temperaturas iniciales (TiA y TiB respectivamente) son diferentes (por ejemplo TiA > TiB). Después de algún tiempo, alcanzarán la misma temperatura final de equilibrio (TfA = TfB).

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Diremos entonces que del cuerpo A ha pasado calor al cuerpo B. En otras palabras, entenderemos el calor como energía en tránsito que fluye de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura. En este sentido, el “frío” no existe como entidad física. Es interesante recordar que los físicos pensaron alguna vez que el calor era realmente una sustancia, que denominaron “calórico”, y que fluía de los cuerpos calientes a los más fríos, pero todos los intentos por ponerla de manifiesto (medir su masa, por ejemplo) fracasaron. Hoy sabemos que es simple energía mecánica que se traslada de un cuerpo a otro. Según nuestro modelo cinético molecular, las moléculas del cuerpo A se mueven o vibran con mayor rapidez que las del B y, al interactuar, reducen su rapidez e incrementan las del cuerpo B. Debe entenderse entonces que los objetos no poseen calor. Tampoco se debe confundir el calor con la energía interna (12) de un cuerpo. Dos objetos pueden poseer la misma temperatura y energías internas muy diferentes. Otra diferencia evidente entre temperatura y calor son las unidades y procedimientos con que se miden. Como sabemos, la temperatura se mide con termómetros en escalas como la Celsius o la Kelvin; el calor, en cambio, se mide en calorías y no hay un instrumento que lo mida en forma directa. Para reflexionar: si lo anterior es cierto, entonces, ¿cómo hacen los equipos de aire acondicionado o la simple heladera para enfriar el aire o los alimentos?

CALOR: Es una manifestación de la energía que poseen los cuerpos, provocada por el movimiento de sus moléculas. Esta característica es posible medirla a partir de dos magnitudes básicas: . Intensidad de Calor y . Cantidad de Calor

Intensidad de Calor o Temperatura: Es un parámetro que nos indica la velocidad media con que se mueven las moléculas dentro de una sustancia. Arbitrariamente se han establecido diferentes escalas que permiten indicar, en forma comparativa, el Nivel Térmico que tienen los cuerpos. Son las llamadas Escalas de Temperatura.

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Podemos decir entonces que un cuerpo cuyas moléculas se mueven a mayor velocidad, manifestará mayor nivel térmico que otro en el cuál sus moléculas se mueven más lentamente, esto es, que el primero tiene más temperatura que el segundo. Para medir estas diferencias comparativas de temperatura se utilizan los termómetros con diferentes escalas, siendo la más común la Centígrada o Celsius, que toma como punto de referencia la temperatura de fusión del hielo, fijando allí el 0 ºC, y el punto de ebullición del agua a presión atmosférica normal, fijando allí el nivel de los 100 ºC, dividiendo la escala en 100 partes iguales, siendo cada una de éstas la unidad de temperatura, el Grado Centígrado (ºC). Cantidad de Calor: Representa la Cantidad de Energía que se encuentra acumulada en un cuerpo o una sustancia, es decir, la capacidad que tiene ese cuerpo para realizar un trabajo. Como la energía no se crea ni se pierde, sino que solamente se transforma, para aumentar la temperatura de un cuerpo hay que agregarle energía, proveniente de otro cuerpo o sustancia, calentándolo. Esta energía adicional quedará acumulada en él, en condiciones de ser devuelta posteriormente. A su vez, si este cuerpo cede energía a otro cuerpo, perderá temperatura, enfriándose. Esta transferencia de energía se produce únicamente cuando existe entre dos cuerpos una diferencia de temperatura, esto es, cuando entre ambos existe un diferente nivel térmico.

UNIDADES

Las unidades utilizadas en nuestros cálculos son las siguientes: Kcal (Kilocaloría): Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC (de 14,5 º a 15,5) la temperatura de 1 kg. de agua, a presión atmosférica normal. Ce (Calor Específico): De una sustancia, es el número de Kilocalorías que son necesarias para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 Kg. de la misma. (Ce del agua = 1) Clf (Calor latente de fusión): Es la cantidad de calor que hay que agregar a una masa de 1Kg. de hielo para lograr su fusión y convertirla en 1 Kg de agua. (80 Kcal/Kg.) Clv (Calor latente de vaporización): Es la cantidad de calor que hay que agregar a una masa de 1 Kg de agua para convertirla totalmente en vapor. (539 Kcal/Kg)

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Kcal / h (Flujo de Calor): Es la cantidad de calor que se propaga o transmite en una hora, entre dos cuerpos, y se expresa en Kilocalorías/hora. Kcal / h m2 (Densidad de Flujo): Es el flujo de calor que se transmite por unidad de superficie y se expresa en Kilocalorías / hora m2. Frig. (Frigoría): Es una unidad equivalente a la Kilocaloría/hora, y expresa la cantidad de calor que hay que extraer de una masa de 1 Kg. de agua para disminuir su temperatura en 1 ºC, a presión atmosférica normal, utilizándose generalmente esta unidad en las especificaciones de los equipos de refrigeración familiares. 1 Frig. = 1 Kcal/h Tr (Tonelada de Refrigeración): Es la unidad habitualmente usada para medir la capacidad de refrigeración de los equipos de aire acondicionado de gran potencia, representa la cantidad de calor que se deberá extraer a una tonelada de agua para convertirla en hielo, en un lapso de 24 horas, y es igual a 3024 Kilocalorías /hora. 1 Tr = 3024 Kcal/h 1 Tr = 3024 Frigorías

CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE

Podemos reconocer dos formas de manifestación del calor, de acuerdo a los

efectos que este produce.

Calor Sensible: Es aquel que suministrado a una sustancia o eliminado de ella,

produce un efecto sensible en la misma, como por ejemplo una variación de

su temperatura, mensurable con un termómetro.

Calor Latente: Es aquel que suministrado o eliminado de una sustancia,

produce en ella un cambio de estado, sin variación de su temperatura.

Para una mejor comprensión de estos dos nuevos conceptos señalados

anteriormente, analizaremos los cambios que se producen en una sustancia a

la que se le agregará energía, en forma de calor suministrada por una fuente

externa.

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Supongamos un recipiente que contiene 1 Kg. de hielo a – 20 ºC (Fig. 1 A).

Por medio de un gráfico (Fig. 2) con un par de ejes de coordenadas representamos:

- Sobre el eje de absisas la Cantidad de Calor (Kcal./h), suministrado al sistema. - Sobre el eje de ordenadas las variaciones de Temperatura (ºC) que sufre la sustancia en ensayo, indicadas por el termómetro.

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Si a este recipiente le agregamos calor en forma constante por medio de la fuente externa, podremos observar en el termómetro que la temperatura, a partir del punto A ( -20 ºC ) se leva a razón de 1 ºC por cada 0,5 Kcal aportada. Esto significa que el Calor Específico del hielo es de 0,5 Kcal/Kg ºC. Cuando hayamos agregado 10 Kcal, la temperatura habrá llegado a 0 ºC (punto B del gráfico). A este calor aportado al hielo, que se tradujo en un aumento de su temperatura, se lo denomina Calor Sensible. Si continuamos aportando calor al hielo, a partir del punto B, observaremos

que su temperatura no varía, y si en cambio su masa comienza a cambiar de

estado, de sólido a líquido. El termómetro continuará marcando 0 ºC hasta

tanto todo el hielo se funda (punto C), debiéndose aportar para ello 80 Kcal

adicionales.

A este calor que se debió aportar al hielo, que le produjo un cambio de estado, sin aumento de su temperatura, lo denominamos Calor Latente. En el ejemplo que estamos considerando, se necesitan 80 Kcal para convertir 1 Kg. de hielo a 0 ºC, en 1 Kg. de agua a la misma temperatura. A partir del punto C, si continuamos aportando calor al recipiente (Fig. 1 B), notaremos que el termómetro comenzará a indicar un aumento de la temperatura, a razón de 1 ºC por cada Kcal agregada. Esto significa que el Calor Específico del agua igual a 1. A este calor, que se manifiesta con un incremento de temperatura, lo denominaremos también Calor Sensible. Cuando el termómetro alcance los 100 ºC (punto C), habremos aportado 100 Kcal adicionales y veremos que comienzan a formarse burbujas de vapor de agua, es decir que se produce un nuevo cambio de estado de la sustancia, de líquida a gaseosa. Si continuamos agregando calor, observaremos que en ese momento la temperatura indicada por el termómetro deja de aumentar, manteniéndose constante hasta que toda la masa de agua de convierta en vapor (punto E), requiriéndose 539 Kcal para vaporizar completamente 1 Kg. de agua a 100 ºC.

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A este calor utilizado para cambiar el estado del agua se lo denomina también Calor Latente. Resulta importante destacar en este punto que para incrementar de 0 a 100 ºC la temperatura de 1 Kg. de agua, fueron necesarias solamente 100 Kcal., en cambio, para vaporizar esa misma masa se hicieron necesarias 539 Kcal. Esto significa que para lograr el cambio de estado de un cuerpo, se requerirá una mayor cantidad de calor que para elevar su temperatura, Si a partir de este punto E continuamos agregando calor, el termómetro indicará nuevamente un aumento de temperatura (Calor Sensible) de vapor sobrecalentado (punto F). El ejemplo considerado anteriormente permite diferenciar netamente las características de los dos tipos de calor existentes:

- Calor Sensible, que se manifiesta por un incremento en la temperatura de los cuerpos.

- Calor Latente, que se manifiesta por un cambio en el estado de los cuerpos. Este proceso analizado tiene la característica que puede ser revertido, esto es, que si a una masa de vapor de agua, le extraemos calor, lograremos que cambie de estado, hasta que se condense totalmente convirtiéndose en agua (le estamos quitando Calor Latente). Si a partir de ese punto continuamos quitándole calor, observaremos que disminuye su temperatura, hasta llegar a 0 ºC (le estamos quitando Calor Sensible). A partir de ese momento, y si continuamos extrayendo calor de su masa, la temperatura se mantendrá constante en 0 ºC , mientras el estado del agua pasa de líquido a sólido (estamos quitando nuevamente Calor Latente). Estos conceptos resultan muy importantes para entender su posterior aplicación en el cálculo de los sistemas de calefacción y refrigeración que veremos más adelante en este curso. Transferencia de Calor En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o

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conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Conducción En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Convección Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. Radiación La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica.

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Capitulo 3 COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSMITANCIA TERMICA

TERMODINAMICA DE LA PIZZA

En una primera aproximación una pizza sin cocer consiste en tres discos superpuestos: A, B, C, el disco A es una masa de harina y levadura y tiene un espesor a, el disco B se compone principalmente de puré de tomate y su espesor es b, el disco C es mozzarella y su espesor es c, y en general a siempre es más grande que b y c. Este compuesto triliminar se mete en un recipiente isotérmico a 533 grados Kelvin (bah un horno pizzero a 260 grados centígrados), cuando la estructura de discos apilados se equilibra a la elevada temperatura se producen tres cambios de estado, la masa se convierte en pan (de semilíquida a solido crujiente), el puré de tomate se deshidrata y tercero la mozzarella sufre una compleja transformación que incluye la desnaturalización de las proteínas y lípidos desde el estado semisólido regular hasta un estado mas desordenado (estado fluente sabroso). Tras sacar la pizza del horno se corta en porciones triangulares siguiendo los radios del disco, se mete en una caja plana de cartón que se cierra inmediatamente. Los cortes no impiden que el queso vuelva a insertarse en las ranuras por lo que desde el punto de vista térmico podemos considerar a la pizza como un plano infinito y reducir el problema de la transmisión de calor a una dimensión representada por un vector normal a la superficie. Nos queda ahora un conjunto cuya primer capa es el cartón del fondo de la caja, la segunda una capa muy buena como aislante debido a las diminutas cámaras de aire que se han producido durante la cocción y prácticamente sin agua, la tercera podríamos despreciarla por su escaso espesor después de la deshidratación sufrida, la siguiente obviamente la causa del trauma del paladar si se la come muy caliente ya que densa y con calor especifico que desconocemos, pero presumimos alto, es siempre la de mayor temperatura, luego una capa de aire y por último la capa de cartón de la tapa que suele calentarse sobremanera, lo que nos indica que en este caso el calor fluye en sentido vertical ascendente. La perdida de calor almacenado en la mozzarella debe responder a los tres mecanismos, hacia abajo por conducción, pero es bajo ya que el pan es buen aislante y hacia arriba por radiación y convección, siendo esta ultima muy baja también por cuanto el espesor de la cámara de aire hasta la tapa suele ser muy bajo, por lo tanto inferimos que aun cuando podamos tomar el triángulo de pizza con la mano (por el pan) el queso puede estar caliente todavía…… Fragmentos del libro termodinámica de la pizza del biofísico Harold Morowitz

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Coeficiente Global de Transmitancia Térmica K

Los diversos cerramientos que componen la obra de arquitectura, permiten en mayor o menor medida el paso de calor a través de los mismos, y en tanto la temperatura exterior varía con relación a la temperatura interna que consideramos de confort, vamos a necesitar conocer la cuantía de ese flujo de calor en uno u otro sentido (verano o invierno). No todos los materiales permiten de igual manera ese paso de calor, y ese valor característico de cada material lo llamamos conductividad térmica.

Coeficiente de Conductividad Térmica (Lambda ()

Conductividad. (Dic. R.A.E.)

2. f. Fís. Propiedad que tienen los cuerpos de transmitir el calor o la electricidad. La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que está en contacto. La inversa de la conductividad térmica es la resistencia térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del CALOR Wikipedia

Esta característica propia de cada material, se la denomina Coeficiente de Conductividad Térmica y expresa la cantidad de calor (Kcal) que pasa por conducción, en una hora, a través de un metro cuadrado ( 1 m2 ) de superficie de un cuerpo de material homogéneo, de un metro de espesor, cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es de un grado centígrado. Este coeficiente, se lo ha determinado experimentalmente y clasificado en la Tabla Nº 1 del anexo de tablas del presente apunte. Cuando menor sea este coeficiente, mejor aislante térmico será el material. 1 La inversa de la Conductividad se denomina Resistividad R = ----------

Este coeficiente representa la oposición que cada material ofrece para el paso del calor a través de su masa, conociendo el espesor e de un material y

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su coeficiente , podremos determinar el valor de R correspondiente a una capa homogénea de ese material: e R = ---------- ( h ºC m2 / Kcal )

Donde e es el espesor de la capa analizada

Y donde es el coeficiente de conductibilidad térmica del material de la capa analizada Cálculo de K El Cálculo de K es un método analítico que permite determinar la cantidad de calor que ha de atravesar un cerramiento compuesto, incluyendo entre las capas consideradas, los materiales sólidos, las cámaras de aire y unas delgadas capas de aire inmediatamente adheridas sobre ambas caras del cerramiento, que ofrecen también resistencia al paso de calor, llamadas resistencia pelicular interior y exterior. Este cálculo supone un plano infinitamente extendido, aunque el valor que se determina lo es para un metro cuadrado, y con un flujo de calor normal la plano analizado, pero téngase en cuenta que en la práctica los edificios tienen encuentros de muros en donde para una pequeña superficie interior hay una gran superficie exterior resultando ángulos muy fríos en invierno y muy calientes en verano, situación que se agrava en los triedros donde se encuentran dos muros con un techo, puntos clave donde se manifiestan primero los problemas de condensación y aparición de manchas negras por hongos que se desarrollan en superficies pintadas al látex (material biológico) Para un cerramiento compuesto, el valor de K será igual a la inversa de la sumatoria de los valores de R de cada una de las capas que lo componen De manera que deberemos encontrar en primer lugar el valor de la resistencia total Rt que el cerramiento ofrece al paso del calor:

Rt = e R = Rsi + Rse + R1 + R2 + .......Rn

Donde Rsi y Rse son los llamados coeficiente pelicular interior y exterior determinados experimentalmente Y donde R1, R2, Rn son las resistencias de capa que como hemos visto

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e 1 e2 en R1 = ----- y R2 ------- ………Rn ------

n Y como dijimos que K es la inversa de la Rt, tendremos: 1 1 1 K ( Kcal / h ºC m2 ) = ----- = -------- = ----------------------------------------

Rt eR Rsi + e1 + e2 + .. en + Rse

n Para realizar el cálculo se utiliza una planilla elaborada por la Cátedra Estos resultados no deben superar los valores máximos de K admitidos por la Norma IRAM 11.605, (ver Tablas), para que el cerramiento analizado cumpla con las condiciones mínimas de habitabilidad establecidos por la Secretaría de Vivienda de la Nación para cada zona bioclimática de nuestro país. En la Guía de Trabajos Prácticos, se incluyen: la planilla a utilizar para la realización de todos los cálculos para determinar el valor de K, y Ejercicios Modelo de resolución. También podrán encontrar en las tablas las que tienen características de los

diversos componentes que pueden constituir un cerramiento

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Capitulo 4 PSICROMETRIA

LO QUE MATA ES LA HUMEDAD, VIO?

Y tiene razón doña Rosa, si para una misma temperatura aumentamos el porcentaje de humedad, percibimos una temperatura mayor que puede llegar a ser molesta. Veamos un ejemplo concreto, si estamos realizando una tarea sedentaria en un ambiente sin corrientes de aire, con ropa liviana de verano, la mayoría de las personas (97%) se sentirán confortables con una temperatura de 26.5 ºC y el 50% de humedad relativa, si experimentalmente producimos un aumento de la humedad relativa sin variar la temperatura nuestra sensación será de mayor temperatura, así si la HR (humedad relativa) la llevamos al 60%, nos parecerá que la temperatura ha subido a 28.5 ºC, y si la llevamos la HR al 70% nos parecerá que la temperatura es de 30 ºC

PSICROMETRÍA

En razón de que el aire del ambiente que rodea al cuerpo humano es el medio natural mediante el cuál se efectúa la transferencia de calor, se hace necesario conocer algunos conceptos básicos sobre este medio y sus características, con el fin de utilizarlos posteriormente para el cálculo de los equipos de acondicionamiento.

Decimos entonces que PSICROMETRÍA es la ciencia que estudia las

características físicas del aire, en especial aquellas relativas a su temperatura

y al vapor de agua contenido en él.

El aire atmosférico está constituido por una mezcla de Vapor de Agua y Aire Seco, y éste último a su vez está conformado por Nitrógeno (77%), Oxigeno (22%) y una pequeña proporción de gases raros (1%).

I2a 21

ÁBACO PSICROMÉTRICO

La Psicrometría, como ciencia que estudia las características del aire atmosférico y su humedad, es muy interesante en si misma, pero adquiere importancia para nosotros por la aplicación directa en el acondicionamiento del aire, ya que mediante la modificación de las características del mismo, actuaremos sobre los componentes más importantes del bienestar térmico. Los procesos básicos de acondicionamiento de aire pueden ser mejor

comprendidos sobre el Ábaco Psicrométrico o Carta Psicrométrica.

Este es un gráfico en el que se encuentran representados todos los

parámetros físicos de una mezcla de aire húmedo.

A partir de dos cualesquiera de dichos parámetros, podremos precisar las

demás condiciones del aire que estamos analizando. Sobre este gráfico

efectuaremos las operaciones que nos permitan resolver los problemas que

se nos presenten.

Para una más fácil interpretación del ábaco, describimos a continuación la

forma en que es construido, señalando así también cada uno de los siete

parámetros que se encuentran representados en el mismo:

- Temperatura de Bulbo Seco ( Tbs ).

- Humedad Específica ( he ).

- Humedad Relativa ( Hr ).

- Temperatura de Punto de Rocío ( Tpr ).

- Temperatura de Bulbo Húmedo ( Tbh ).

- Entalpía (Ht ) .

I2a 22

- Volúmen Específico ( Ve ).

A esto debemos agregar también la escala de Factor de Calor Sensible.

Temperatura de Bulbo Seco ( Tbs ; ºC )

Es aquella que se mide mediante un termómetro común de bulbo, y se

expresa en ºC (grados centígrados). Se representa en una escala graduada

sobre el eje horizontal (fig. 6).

Humedad Específica ( he ; gr/Kg )

El aire atmosférico no contiene siempre la misma cantidad de humedad

(vapor de agua), dependiendo esta cantidad de las condiciones atmosféricas

reinantes en el momento. Para una misma temperatura la masa de aire puede

contener distintas cantidades de vapor de agua.

0

Temperatura de Bulbo Seco ( Tbs ) ºC

Hu

med

ad

Esp

ecíf

ica (

he

) g

r./K

g.

5

10

15

20

25

5 10 15 20 25 30 35 40 45-5

Figura 6

I2a 23

Definimos entonces a la Humedad Específica diciendo que:

Es la cantidad absoluta de vapor de agua, expresada en gramos, que contiene

una masa de 1 Kg. de aire seco. Se representa en gr./Kg., mediante una escala

graduada sobre el eje vertical (fig. 6).

Peso del vapor de agua ( gr ) he ( gr/Kg ) = ------------------------------------------- Peso del aire seco ( Kg. )

Humedad Relativa ( Hr ; % ); Temperatura de Punto de Rocío

La cantidad de vapor de agua que una masa de aire puede contener no es infinita, sino que reconoce valores máximos, que dependen de la temperatura ambiente. Esto significa que para cada valor de temperatura, la máxima cantidad de vapor que el aire puede contener en forma de vapor será un valor constante, expresado en gr/Kg. de he, superado dicho valor, si aumentamos la cantidad de humedad, la masa de aire ya no la puede contener y el vapor excedente comenzará a condensarse, convirtiéndose en agua. Hemos llegado entonces al denominado Punto de Condensación, de Saturación o de Rocío. Experimentalmente se han determinado esos valores y si en nuestro ábaco marcamos los puntos de máxima he posible para cada temperatura, uniendo duchos puntos trazaremos una curva que llamaremos Línea de Saturación, de Punto de Rocío o del 100 % de Humedad Relativa (fig. 7).

I2a 24

Por lógica, si la cantidad de vapor de agua que el aire contiene es variable, podremos entonces trazar en el ábaco una curva que nos represente una masa de aire que contiene solamente la mitad del máximo permitido para cada temperatura. A esta nueva curva la denominamos Línea del 50 % de Humedad Relativa, porque nos está indicando justamente la cantidad de vapor de agua que contiene con relación al máximo posible y de la misma manera podremos encontrar líneas intermedias entre los valores máximo y mínimo (fig. 7). Definimos entonces a la Humedad Relativa como: La cantidad de vapor de agua que una masa de aire contiene, a una cierta temperatura, con relación al máximo que puede contener a esa misma temperatura, expresado como porcentaje ( % ). Decimos también que la Temperatura de Punto de Rocío ( Tpr ), es la temperatura a la que hay que enfriar el aire, para que comience la condensación del vapor de agua contenido en su masa, expresado en ºC. Temperatura de Bulbo Húmedo ( Tbh ; ºC ) Si tomamos un termómetro común y envolvemos su bulbo con una tela muy fina (muselina) o una gasa, a la que mantenemos húmeda permanentemente, cuando procedamos a leer la temperatura que nos indica este denominado termómetro de Bulbo Húmedo, podremos observar que casi siempre que

25

Tbs ºC

-5 100 5 15 20

he

gr.

/Kg.

4030 35 45

5

10

15

20

25

Figura 7

línea

desa

tura

ción

o de

l10

0 %

de H

r

línea

del 50

%

de H

r

I2a 25

dicho valor resultará menor que el leído en un termómetro común (de bulbo seco). Esto se produce por cuanto el agua contenida en la muselina, para evaporarse (cambiar de estado), toma calor del bulbo del termómetro, y éste indicará por consecuencia, una menor temperatura. Este fenómeno será más acentuado cuanto menor sea la humedad relativa del aire, y por el contrario, cuando el aire esté saturado de vapor de agua, no admitirá la evaporación del agua de la muselina, y por lo tanto la temperatura leída será entonces igual en ambos termómetros. Para realizar esta medición se utiliza, un dispositivo llamado Psicrómetro, que dispone de dos termómetros iguales, montados sobre una base, que puede hacerse girar mediante una manivela (fig. 8), uno de ellos tiene el bulbo envuelto en una gasa húmeda. Al girar el Psicrómetro, el movimiento provoca la evaporación del agua que contiene la gasa, lo que dependerá de la proporción de vapor de agua que contenga el aire que se está midiendo. Si el aire del ambiente no estuviera saturado, tenderá a absorber el agua de la gasa que rodea al bulbo, que para evaporarse deberá tomar calor del mercurio contenido en éste bulbo. En consecuencia este termómetro marcará una temperatura menor que la del otro con el bulbo seco. Si el aire en cambio estuviera saturado, no absorberá vapor de agua de la gas, marcando en este caso los dos termómetros la misma temperatura. Por lo tanto, la diferencia entre las lecturas de ambos termómetros nos permite establecer el Porcentaje de Humedad Relativa ( hr ) del aire del ambiente. Decimos entonces que Temperatura de Bulbo Húmedo ( Tbh ), expresado en ºC, es aquella que se obtiene de un termómetro cuyo bulbo se encuentra humedecido (fig. 9).

Entalpía ( Ht ; Kcal/Kg) La cantidad de calor contenida en una masa de aire se llama Calor Total o Entalpía, se expresa en Kcal. por Kg. de aire seco ( Kcal/Kg. ), siendo la misma

I2a 26

la suma del calor Sensible del aire seco, más el calor Sensible del agua contenida como vapor, más el calor Latente de vaporización de dicha agua.

Ahora bién, si pretendemos trazar líneas de Entalpía constante o Calor Total constante, a partir de las condiciones de saturación, resulta lógico pensar que si tomamos otra condición de saturación, pero a una mayor temperatura, como la cantidad de calor sensible del aire debió aumentarse, para mantener constante la cantidad de calor total de su masa, deberá disminuir la cantidad de calor sensible y latente del agua contenida en ella, o sea, resulta necesario

una disminución de la he. Por lo tanto concluimos que : Para igual Entalpía, a mayor temperatura, menor humedad específica.

Si repetimos la operación varias veces obtendremos esas líneas inclinadas de igual Entalpía y que por conveniencia se representan a partir de la línea de saturación, prolongando las líneas de Tbh. Por claridad y para no confundir, la escala de Entalpía se dibuja por fuera de la línea de saturación (fig. 9).

movimiento derotación

Tbs

Tbh

Figura 8

PSICROMETRO

I2a 27

Volúmen Específico (Ve ; m3/Kg. ) Hasta aquí hemos descripto 5 familias de líneas, que permiten representar 6 condiciones del aire. Veamos la sexta familia de líneas que coexisten en el ábaco, siendo ellas las que representan el Volúmen Específico ( Ve ), que se expresa en m3 por Kg. de aire, es decir, el volumen que ocupa un Kilogramo de aire a una temperatura dada, por cuanto sabemos que a medida que aumenta la temperatura de los gases, aumenta su volumen. Pero además, como el volumen que ocupa el aire seco es distinto que el del vapor de agua, las líneas resultan ligeramente inclinadas, según que, a mayor cantidad de vapor de agua, mayor volumen para una misma temperatura (fig. 10). Volumen del aire ( m3 ) Ve ( m3/Kg. ) = --------------------------------------- Peso del aire ( Kg.)

he

g

r./K

g.

25

Tbs ºC

Figura 9

-5 0 15105 20

5

30 35 40 45

15

10

25

20

línea d

e E

nta

lpía

en s

atu

raci

ón ( H

t )

línea de Tbh o de Entalpía constante

0

6

12

15

18

21

I2a 28

Podemos decir que Volumen Específico del Aire es el volumen que ocupa un Kilogramo de aire a una temperatura dada, expresado en m3/Kg.

Factor de Calor Sensible ( FCS ). Ubicación de la escala en el Ábaco

Por último, sobre el lateral derecho del ábaco, paralelo a la escala de he, se agregó una escala, denominada Factor de Calor Sensible, ( F.C.S., Fig. 10), correspondiente a una grilla (no trazada para no complicar aún más el gráfico), cuyo centro está marcado por el punto PA, ubicado sobre la curva del 50 % de Hr, aproximadamente a los 26,5 ºC Tbs, y cuya utilidad será vista más adelante, al tratar el tema Estimación de las Cargas Térmicas. En la página siguiente tenemos representado el Ábaco Psicrométrico completo, con todos sus parámetros, tal como lo utilizaremos en nuestras futuras aplicaciones.

10

he

gr.

/Kg.

Figura 10

Tbs ºC

25201550 10-5 453530 40

5

20

15

25

línea d

e V

olu

men E

specífico

1,00

0,50

0,40

0,35

Escala

de

F

acto

r de

Ca

lor

Sensib

le (

F.C

.S.)

P. A.

0,8

5 m

3 / K

g.

0,9

0 m

3 / K

g.

0,8

0 m

3 / K

g.

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I2a 30

Capitulo 5 CONFORT TERMICO

ROPA SUDOR Y ARQUITECTURA

Los humanos nos hemos desarrollado como tales en un ambiente o clima cálido húmedo, desnudos para un trabajo mínimo, sedentario o de recolector, a marcha lenta con una temperatura ambiente rondando los 29 grados y 45% de humedad resultan adecuados, esta evolución de millones de años fue alterada cuando el hombre domino el fuego, busco y fabrico un abrigo de la lluvia, y a partir de allí se proveyó de lo que genéricamente podemos llamar ROPA, este manejo ambiental le permitió una adaptación a otros ambientes que abarcan casi todas las geografías imaginables, la ropa no solo lo protege del frio (que es lo primero que a nosotros nos viene en mente,)si no que también en climas secos y calientes nos permiten con una transpiración SUDOR controlada sobre ropas absorbentes mejorar el confort, que sumado con el control del fuego y habitaciones cada vez mas técnicamente desarrolladas ARQUITECTURA habitar en casi todo el planeta. Con el mismo nombre del título podemos encontrar disponible en biblioteca de la FAU, un libro muy interesante, del Mexicano Fernando Ramón

CONFORT Parte del esfuerzo humano de superación esta dirigido a desarrollar aquellos elementos que le permitan sentirse bien y por ello puede definirse confort higrotérmico (en adelante CH) como la ausencia de malestar térmico. En fisiología se dice que hay confort higrotérmico cuando no tienen que intervenir los mecanismos termorreguladores del cuerpo para una actividad sedentaria y con un ligero arropamiento. Esta situación puede registrarse mediante índices que no deben ser sobrepasados para que no se pongan en funcionamiento los sistemas termorreguladores (sudoración, metabolismo, y otros). El cuerpo humano está preparado para reaccionar ante los cambios climáticos, pero estas reacciones le hacen consumir energía metabólica. La sensación de comodidad surge de la generación de un microclima que evita la reacción del cuerpo ahorrando gastos de energía, que se denomina termorregulación natural en oposición al abrigo ROPA que es un fenómeno de termorregulación artificial.

I2a 31

La temperatura normal del cuerpo es de 37°C. Nuestro cuerpo es muy sensible a los aumentos de su temperatura interior y solo 5 o 6 grados de más pueden causar la muerte. Toleramos aún menos las bajas temperaturas y a los 35°C (hipotermia) comenzamos a sentir somnolencia hasta caer en un profundo letargo. Sentados en una habitación con ropas livianas y realizando una actividad ligera, la sensación de satisfacción térmica se alcanza entre los 18°C y 26°C. La humedad relativa -HR-, a la que usualmente acusamos como causa del disconfort, es menos significativa ya que la tolerancia de nuestro cuerpo es grande, entre 30% y 70%. Nuestro cuerpo es muy sensible a los cambios de radiación. Si la temperatura es inferior a 18°C pero hay buen sol, de inmediato sentimos que la sensación de CH aumenta. Este principio es usado por la calefacción tipo losa radiante, piso radiante y por el sistema de radiadores. Pero así como es agradable que el sol ingrese por una ventana en invierno, se vuelve desagradable en el verano. Para comprender que condiciona el bienestar y su relación con la arquitectura debemos asumir que el cuerpo humano produce calor y lo intercambia con el ambiente que lo rodea. Dentro del organismo se producen transformaciones químicas que nos mantienen con vida produciendo calor, que llamaremos metabolismo Así existe una termodinámica de los organismos vivos. Este flujo permanente de energía se llama metabolismo energético y varía según el nivel de actividad de las personas, según la edad, el sexo y el estado psicológico.

metabolismo base: es la energía necesaria para el mantenimiento de la vida vegetativa (en ayunas o en reposo), aprox. 81 W/h para un hombre de estatura media.

metabolismo de reposo: es el metabolismo mínimo ya que el anterior es experimental; 104 W/h

metabolismo de trabajo: además de las funciones del metabolismo base, comprende los gastos energéticos motrices. Su nivel depende del tipo de actividad; desde 104 W/h para una tarea intelectual a 812 W/h para un esfuerzo físico intenso.

Así, un organismo debe mantenerse en una temperatura constante, para evitar enfriamientos o calentamientos, con este fin posee mecanismos de evacuación del calor residual que son idénticos a los de los edificios. Son los siguientes:

Convección: Es la transmisión de calor de la piel al fluido ambiente o a la inversa. El flujo de calor es proporcional a un coeficiente de convección y a

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la diferencia de temperatura entre el aire y la piel; la rapidez de renovación del aire (viento) acelera la convección (entonces se llama forzada).

Conducción: Es la transmisión de calor entre la superficie del cuerpo y los elementos de contacto. Este flujo de calor depende del coeficiente de conductibilidad térmica de estos elementos.

Radiación: Es la transmisión de calor a través del medio ambiente, principalmente por radiación en el infrarrojo. Este flujo de calor es proporcional a la constante universal de radiación, al poder de absorción de la piel (que es muy elevado) y a la diferencia de temperatura entre la piel y las paredes radiantes.

Evapotranspiración: Es la transmisión de calor unidireccional del organismo hacia el aire ambiente por la evaporación de la transpiración cutánea y respiratoria. Esta pérdida de calor del organismo depende del volumen de aire ambiente ventilado, de su temperatura y de la presión parcial de vapor de agua.

Mientras las tres primeras formas de transmisión se refieren al calor sensible, la evapotranspiración se refiere al calor latente. A fin de que la temperatura interna del hombre permanezca constante, el balance térmico que contempla aportes y pérdidas de calor por convección, conducción, radiación y evaporación debe permanecer constante. La sensación de CH no depende únicamente de la temperatura del aire. Para conseguir este CH deberemos controlar:

la radiación (o falta de ella) de los materiales circundantes y principalmente de las paredes de la envolvente del edificio, es decir, también su temperatura y su capacidad calorífica;

la temperatura ambiente del aire; la velocidad del aire (impedir o provocar una ventilación forzada,

corriente de aire...); la presión parcial de vapor de agua o tensión de vapor del aire

ambiente.

Como podemos ver el CH no se define solamente por una temperatura y humedad relativa fijas cuando un edificio dispone de un sistema de climatización fija el termostato a 23ºC y 50% de humedad relativa. El CH en función de las características del ambiente que rodea a un organismo puede que con este valor de termostato no se sienta en confort. Así desde principios del siglo XX diversos autores fueron elaborando modelos de confort, entre ellos el trabajo más importante quizás sea el de P. O. Fanger en la Kansas University, sea para responder con medios termomecánicos o mediante medios naturales.

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En el primer caso se elaboraron los nomogramas de confort de la Asociación de Ingenieros de los Estados Unidos para avanzar junto a los sistemas de aire acondicionado creados por Carrier y en el segundo para mediante técnicas de diseño pasivas mantener el confort con diseño del edificio y su envolvente.

Fig. 1 Zona termal confortable Las combinaciones de temperatura de bulbo seco y humedad que son confortables para la mayoría de las persona que hacen trabajo sedentario o ligero se muestra en el área sombreada del diagrama psicométrico, en la Fig. 1

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El intervalo de temperaturas de bulbo seco es de 14 a 26 grados centígrados y el intervalo de humedades relativas es de los 35% a los 65%. Se suponen para ello un trabajo sedentario o ligero de ensamblaje, con una velocidad del aire no mayor de 0.2 ms., ropa con un no mayor de 0.6 y sin calor radiado (temperatura radiante media igual a la del ambiente) Para el diseño pasivo, los modelos más aceptados por la comunidad de arquitectos e ingenieros bioclimáticos son los elaborados por los hermanos Olgyay y por Baruch Givoni.

Las condiciones interiores de proyecto pueden obtenerse de la tabla 10

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Capitulo 6 BALANCE TERMICO

LAS NUEVE LECCIONES

Introducción

El presente módulo teórico está estructurado en base a 9 lecciones cortas y resumidas, que permitirán comprender cada uno de los tópicos que normalmente forman parte de las tareas de estimación de las cargas de calefacción y/o refrigeración. Cada una de las lecciones puede ser encarada de forma independiente y al principio de las mismas se indica el nivel de conocimiento previo, necesario para comenzar su estudio.

LECCION 1 CONCEPTOS GENERALES

** En esta lección solo se tratan aspectos generales y básicos de la Estimación de Cargas Térmicas o Balance Térmico. Los homínidos primitivos a partir de los cuales se desarrolló el hombre actual, hicieron su aparición sobre la faz de la tierra en una región cálido-húmeda, y pasaron gran parte del tiempo en esas condiciones ambientales, las que sin duda tenían variaciones de temperatura y humedad, y es así como se fijaron genéticamente los valores que hoy nos resultan confortables. Y fue sin duda el poder de adaptación cultural que le permitió al homínido primitivo expandir el dominio sobre la naturaleza en casi todas las regiones del planeta, éste dominio se basó primero en la vestimenta, luego en el refugio, que con el tiempo derivó en la construcción de un espacio propio a partir de los materiales que tuvo a mano, mientras que paralelamente dominaba el fuego, que le permitiría controlar las condiciones interiores, sobre todo cuando el exterior resultaba frío, hasta que por último, basado en

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el gran desarrollo técnico, logra enfriar los espacios habitables, logrando de esta manera la adaptación a casi todos los climas del planeta. Con el gran desarrollo que tuvo su conocimiento, el hombre está hoy en condiciones de predecir como se comportará térmicamente ese espacio que ha construido o que intenta construir. Para ello es importante comprender previamente los conceptos de Pérdidas y Ganancias de calor: De acuerdo a lo estudiado sobre las formas de transmisión del calor vimos que el 2º principio de la Termodinámica establece que el calor fluye espontáneamente, siempre desde una fuente de mayor temperatura hacia otra de menor temperatura, hasta que ambos niveles térmicos se igualan. Si consideramos un ambiente climatizado, en invierno por ejemplo, la temperatura en su interior será mayor que en el exterior. Es decir que por el principio enunciado anteriormente, el calor tenderá a escapar desde adentro hacia fuera, a través de los cerramientos y cediendo calor al aire frío que ingrese al ambiente. En consecuencia se está produciendo lo que denominamos una PÉRDIDA de CALOR. En verano en cambio se produce el efecto inverso. La mayor temperatura exterior hace que el calor tienda a ingresar al ambiente, también a través de los cerramientos, del aire caliente que ingresa desde el exterior y del calor aportado por las personas y los artefactos que se encuentran en el local. En este caso se estará produciendo lo que denominamos una GANANCIA de CALOR. Para conocer el comportamiento térmico de un local se hace necesario entonces realizar una estimación de las pérdidas y ganancias de calor que se producirán si se dan determinadas condiciones, tanto en el exterior como en el interior. A este trabajo se lo denomina habitualmente BALANCE TÉRMICO, que es un método analítico que permite determinar las Cargas Térmicas, esto es, la cantidad de calor que se deberá suministrar o eliminar del ambiente a

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climatizar, para compensar las pérdidas o ganancias de calor producidas entre el interior y el exterior. Por lo general al Balance Térmico se lo ejecuta para un día de invierno y para otro día de verano, pudiendo de esta manera, si lo cree conveniente, proveer al ámbito de un equipamiento auxiliar, que le permita mantener las condiciones interiores dentro de un rango acotado de temperatura y humedad. En este último caso se deberán fijar las llamadas condiciones exteriores e interiores de proyecto, (ver lecciones 2 y 3), y conocer la actividad que se desarrollará en el ambiente en estudio, así como también el número de personas probables que ocuparán el lugar. Estas ESTIMACIONES de CARGA TÉRMICA suelen realizarse para la situación más desfavorable, ya sea de invierno como de verano, ya que se supone que si el equipamiento auxiliar provisto cubre los requerimientos en esas condiciones, también lo hará en aquellas de menor carga térmica. RECORDEMOS QUE: La Estimación de las Cargas Térmicas se realiza conociendo: . Las condiciones EXTERIORES de diseño. . Las condiciones INTERIORES, . Las PÉRDIDAS de calor en invierno. . Las GANANCIAS de calor de calor en verano.

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LECCION 2 CONDICIONES EXTERIORES DE DISEÑO

** En este apartado deberá Usted entender cómo se determinan las Condiciones Exteriores de Diseño. En la lección Nº 1 vimos que el Balance Térmico se ejecutaba para la condición llamada más desfavorable, pues bién, para el caso de las condiciones exteriores esto no debe ser tomado literalmente, ya que no tiene sentido tomar, por ejemplo en invierno, la mínima temperatura registrada históricamente en un lugar, por cuanto esta situación quizás solo se producirá una vez cada 10 o 15 años. La misma consideración se tiene para determinar las condiciones exteriores de verano, por lo tanto, lo más lógico será tomar como valores mínimos o máximos aquellos que permita una razonable disminución de los equipos de calefacción o refrigeración a proveer.

Normalmente se toman como valor promedio para el cálculo temperaturas que excluyan al 5 % de las mínimas o máximas registradas estadísticamente a lo largo de varios años.

Para ello deberá disponerse de registros correspondientes a cada localización, hora por hora, y con ello determinar los valores a adoptar, para invierno y para verano.

Sin duda que dicha tarea escapa al alcance de cualquier persona o profesional que desea estimar una carga térmica. Es por ello que se recurre a valores ya calculados, siendo en nuestro país la Norma IRAM Nº 11603 la que establece los valores medios de temperatura y humedad relativa, para cada localidad.

En el anexo de las Guías de Trabajos Prácticos se encuentra la Tabla Nº 6 de CONDICIONES EXTERIORES DE PROYECTO, que se utilizará para realizar los Trabajos Prácticos.

RECORDEMOS QUE: Las condiciones EXTERIORES de proyecto, nos indican, para cada localidad: . La temperatura y humedad relativa de invierno. . La temperatura y humedad relativa de verano.

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LECCION 3 CONDICIONES INTERIORES DE DISEÑO

** En este apartado deberá Usted comprender cual es el criterio con el cuál se determinan las condiciones de temperatura y humedad en el interior de los locales. Las condiciones interiores, es decir la temperatura en invierno y la temperatura y la humedad en verano, necesarias para el confort de la mayoría de las personas, y los valores requeridos, dependen de varios factores, como ser:

LA ROPA, ya que las personas normalmente no utilizan la misma ropa en verano que en invierno.

LA ACTIVIDAD que se desarrolle, por cuanto a una mayor actividad mayor desprendimiento de calor y en consecuencia, para sentirse con la misma sensación de confort, deberá con la misma ropa (aislación), encontrarse en un medio a menor temperatura.

LA TEMPERATURA RADIANTE MEDIA de los cerramientos, ya que el intercambio de calor por radicación deberá ser en lo posible nulo. En el caso de que la temperatura radiante media sea de hasta 2 grados mayor que la del aire del local, para compensar deberá bajarse la temperatura del aire en la misma proporción.

LA VELOCIDAD DEL AIRE, o mejor dicho, del movimiento del aire dentro del local, ya que si la velocidad supera el valor de 1 metro por segundo, resulta en corrientes molestas, que suelen reconocerse con un lagrimeo en los ojos, y si es menor de 0,1 metro por segundo, produce una sensación de estancamiento, que suele ser propia de los sistemas de cielorrasos radiantes (por suerte poco vistos en nuestro medio). Como puede verse, los factores que influyen son muy variados, por lo que la determinación de los valores de confort resulta muy complicado y ello llevó a que los mismos se hallan realizado experimentalmente. Por lo tanto, los valores ha utilizar en nuestro trabajo se obtienen de tablas confeccionadas para ello CONDICIONES INTERIORES DE DISEÑO, del anexo.(tabla 10)

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A manera de resumen: La tarea de determinar las Condiciones Interiores de Diseño se ve muy influenciada por diversos factores, como por ejemplo la ropa, la actividad que se desarrolla, la temperatura radiante media, la velocidad del aire dentro del ambiente, etc., por lo que los valores prácticos se han establecido experimentalmente. RECORDEMOS QUE: Las Condiciones Interiores de diseño se modifican según: . La ropa que se use habitualmente. . La actividad que se desarrolle. . La temperatura radiante media de los cerramientos. . La velocidad de movimiento del aire.

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LECCION 4 GANANCIAS Y PÉRDIDAS DE CALOR SENSIBLE POR LOS CERRAMIENTOS OPACOS ** En esta lección deberemos comprender la forma en que los cerramientos opacos se comportan ante el flujo del calor. En invierno, las pérdidas de calor sensible a través de los cerramientos opacos reconocen su origen en: * Pérdidas de calor por TRANSMISIÓN (en régimen estable). En verano, las ganancias de calor sensible a través de los cerramientos opacos, pueden ser consideradas de dos maneras: * Ganancias por TRANSMISIÓN (en régimen estable) o bien, de manera más compleja: * Ganancias por TRANSMISIÓN (en régimen variable) Las posibilidades de que el flujo de calor atraviese un cerramiento en mayor o menor cantidad, dependerá, de los siguientes factores: * La resistencia que cada cerramiento ofrezca al paso del calor, de acuerdo a sus características constructivas y las capas de aire inmediatamente adyacentes a sus caras, todo lo cuál queda englobado en el Coeficiente Global de Transmitancia Térmica ( K ), * La superficie de cada cerramiento ( S ), expresado en m2.

* De la mayor o menor diferencia de temperatura ( dt ), entre el aire del

local analizado y su exterior,. ( ya sea éste el exterior propiamente dicho u otro local colindante, no acondicionado ). Las pérdidas o ganancias de calor por Transmisión en régimen estable, como su nombre lo indica, son consideradas de esta manera, simplificadamente, porque la diferencia de temperatura entre ambas caras del cerramiento es constante a lo largo del tiempo, ( el balance térmico lo realizamos a una hora fija, generalmente cuando se producen la Máxima Media y la Mínima Media, vistos en la Lección Nº 2 ).

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En invierno dicha diferencia no es muy grande, y tiene siempre carácter de pérdidas de calor, por lo tanto suele ser de práctica realizar el balance en régimen estable, tanto para cerramientos interiores como exteriores. Pero muy distinto resulta en verano, donde la diferencia de temperatura tiene un rango mucho mas amplio, y además cambiando de signo a lo largo del tiempo, es decir que, durante el día tendremos ganancias de calor ( el flujo de calor es desde afuera hacia adentro ), mientras que de noche podemos llegar a tener pérdidas de calor, si la temperatura exterior resulta menor que la interior ( el flujo de calor en este caso será desde adentro hacia fuera ). Si a esto le agregamos que en verano los cerramientos externos reciben además una fuerte carga de calor por radicación solar, directa o difusa, que es variable durante el día según sea la orientación del cerramiento, y que dicho calor, dependiendo de las características del cerramiento, llegará al interior con mayor o menor velocidad (efecto denominado retardo)y en cantidad también variable (efecto denominado amortiguamiento), podemos deducir que el verdadero valor de la cantidad de calor que gana el local, a través de los cerramientos exteriores, resultará muy complicado de calcular. Una manera simplificada de establecer estos valores se logra reemplazando

los valores de dt por una temperatura ficticia, denominada Diferencia

Equivalente de Temperatura ( DET ), que se obtiene de tablas que han sido confeccionadas teniendo en cuenta los siguientes factores:

Color y textura exterior de los cerramientos.

Ubicación geográfica y orientación.

Variación diaria de la temperatura.

Densidad o valor de K del cerramiento, de los cuales dependerán los valores de retardo y amortiguamiento.

En las tablas Nº 17 a 20, anexas al presente apunte, se adjuntan algunas de las DET realizadas para la ciudad de Córdoba. A modo de resumen parcial, podemos decir: Las ganancias y pérdidas de calor a través de los cerramientos opacos pueden considerarse mediante dos formas, excluyentes la una de la otra:

En forma simple, por Transmisión en régimen constante, aplicando la dt,

para cerramientos interiores (que no estén afectados por la radiación solar directa o difusa).

En forma más compleja, si se tienen en cuenta la radiación, la inercia térmica y la variación diaria de la temperatura exterior, por Transmisión

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en régimen variable, aplicando la DET, para cerramientos exteriores (que estén afectados por la radiación solar directa o difusa).

RECORDEMOS como se comportan los cerramientos opacos: Tienen ganancias y pérdidas de calor POR TRANSMISIÓN, en régimen estable o variable. Si comprendió todo lo anterior, prosiga, si no entendió bien, vuelva a leer desde el principio. Podemos determinar analíticamente la cantidad de calor que un local gana o pierde por transmisión a través de sus cerramientos, sabiendo que dicha cantidad ha de ser directamente proporcional a: 1) la superficie S de cada uno de ellos; 2) la capacidad para transmitir el calor a través de su masa, es decir, de su Coeficiente Global de Transmitancia Térmica K; y 3) la diferencia de temperatura entre sus caras, exterior e interior.

Q cs trans. ( Kcal/h ) = K x S x dt (para régimen estable)

ó Q cs trans. ( Kcal/h ) = K x S x DET (para régimen variable) Donde:

dt : Diferencia de temperatura entre ambas caras, expresado en ºC.

DET : Diferencia Equivalente de Temperatura, expresada en ºC, tablas 17 a 20.

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LECCION 5 GANANCIAS Y PÉRDIDAS DE CALOR SENSIBLE POR LOS CERRAMIENTOS TRANSLÚCIDOS ** En esta lección deberemos comprender la forma en que los cerramientos translúcidos se comportan ante el flujo del calor. Las ganancias y pérdidas de calor a través de los cerramientos translúcidos reconocen dos orígenes: * Ganancias o pérdidas de calor por transmisión. * Ganancias por radiación. Ambas formas son simultáneas y coexisten en un mismo momento, así por ejemplo, en invierno y en un día soleado, se perderá calor a través del vidrio por transmisión y simultáneamente se estará ganando calor por radiación. En verano se ganará calor por transmisión (si el aire exterior está a mayor temperatura que en el interior), y simultáneamente se ganará calor por radiación solar durante el día. En cuanto a la cantidad de calor que un local gana o pierde a través del vidrio por transmisión, es de aplicación la ya conocida fórmula vista en la lección

Nº 4 ( K x S x dt ), haciendo notar que siendo el vidrio un muy mal

aislante térmico, el K correspondiente es muy importante y las pérdidas o ganancias significativas. Las ganancias por radiación en los vidrios dependen de : * La Superficie expuesta a los rayos solares ( S ). * Del valor de la Radiación Solar que incide sobre ellos ( RS ). * De la existencia o no de elementos que puedan interferir la llegada de la radiación (cortinas, pantallas, parasoles, etc.), lo que llamamos habitualmente Factor de Reducción ( fr ) .

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El valor de RS resulta difícil de calcular, por cuanto depende de la posición relativa del sol con respecto al cerramiento en cuestión, y esta posición está relacionada con su orientación, con la latitud del lugar y la hora del día, por lo que en la práctica se recurre a tablas de Radiación Solar ya calculadas, valores que encontraremos en la Tabla Nº 16. Los valores del Factor de Reducción ( fr ), han sido determinados empíricamente y sus valores se podrán encontrar en la Tabla Nº 9. A modo de resumen parcial podemos decir: Las ganancias y pérdidas de calor por los cerramientos translúcidos se producen por dos modos distintos de manifestarse.

Por simple transmisión.

Por radiación solar. Y deben calcularse ambos simultáneamente, el primero de ellos con la fórmula de transmisión y el segundo teniendo en cuenta la superficie, la RS que incide y la eventual presencia de obstrucciones o protecciones. RECORDEMOS como se comportan los cerramientos translúcidos: * Tienen ganancias y pérdidas por TRANSMISIÓN, y además, * Tienen ganancias por RADIACIÓN. Si comprendió todo lo anterior, prosiga, si no entendió bien, vuelva a leer. Entendido como se producen las ganancias o pérdidas de calor a través de los cerramientos translúcidos, podemos continuar la lección con el método de cálculo de las mismas. Como se comprenderá, el cálculo deberá realizarse en forma separada para cada uno de los dos modos considerados, ya que si bien son ganancias o pérdidas a través de un mismo cerramiento, reconocen orígenes distintos, debiendo finalmente sumarse ambos valores.

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Para las ganancias o pérdidas por transmisión, resulta de aplicación la ya conocida fórmula:

Q cs trans. ( Kcal/h ) = K x S x dt

Para las ganancias de calor por radiación, se aplicará la siguiente fórmula: Q cs rad. ( Kcal/h ) = RS x S x fr Q cs total ( Kcal/h ) = Q cs trans. + Q cs rad. Donde: Q cs trans. : Cantidad de Calor Sensible por Transmisión, expresado en Kcal/h. Q cs rad. : Cantidad de Calor Sensible por Radiación, expresado en Kcal/h. K : Coeficiente Global de Transmitancia Térmica, expresado en Kcal / h m2 ºC. S : Superficie del cerramiento, expresado en m2.

dt : Diferencia de temperatura entre ambas caras, expresado en ºC.

RS : Cantidad de calor por Radiación Solar por m2 de cerramiento, expresado en Kcal / h m2. ( Tabla Nº 16 ). fr : Factor de reducción ( Tabla Nº 9 ).

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LECCION 6 CARGAS de CALOR LATENTE ** En esta lección deberá Usted comprender que son las cargas térmicas de calor latente. Cuando estudiamos confort vimos que el mismo dependía de la temperatura de bulbo seco del aire y además del contenido de humedad del aire del ambiente. En verano el contenido de humedad tiende a ser mayor del recomendable o deseable, debido a varias razones, entre ellas:

La personas normalmente desprenden vapor de agua a través de la respiración y a través de la piel.

Por otra parte, a veces hay en los ambientes artefactos que pueden desprender o producir vapor de agua en su funcionamiento, por ejemplo una cafetera.

Por último, el aire exterior en verano contiene valores de humedad específica más elevado que el que normalmente resulta confortable.

De manera que podemos deducir que en condiciones normales, resultará necesario secar el aire, es decir, deberemos quitarle al aire parte de su contenido de humedad, y esto último solo se consigue mediante el enfriamiento del aire por debajo del punto de rocío del mismo, ya que a partir de ese punto se produce la condensación del vapor de agua contenido en su masa. Esto puede realizarse mediante una quita de calor, que llamamos CALOR LATENTE, por cuanto no modifica la temperatura y si en cambio, el estado del vapor, de gaseoso a líquido, restándole una importante cantidad de calor Este trabajo de quitar calor ( condensar vapor de agua para así poder eliminarlo por goteo antes de que ingrese al local ), lo realiza el equipo de refrigeración, por lo tanto necesitamos conocer cuánto vapor de agua hay que eliminar y que cantidad de calor ello significa.

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A modo de resumen parcial podemos decir: En verano hay un aumento de la humedad específica (contenido de vapor en el aire), con relación a los valores recomendados, producido por las personas, artefactos y aire exterior. A este exceso de humedad lo debemos eliminar, con el fin de mantener los valores dentro de los parámetros de confort y para ello necesitamos enfriar el aire (quitarle calor), por debajo de su punto de rocío, tarea que estará a cargo del equipo de refrigeración. Por lo tanto, la eliminación de dicho vapor resultará una carga térmica y como este calor sale del cambio de estado (condensación) le llamamos CALOR LATENTE. RECORDEMOS que la humedad del aire proviene de: * Las PERSONAS (por respiración y evapotranspiración). * Los ARTEFACTOS que generan vapor.

* El AIRE EXTERIOR. Si tiene claro el concepto siga adelante, en caso contrario vuelva a leer.

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LECCION 7 GANANCIAS DE CALOR SENSIBLE Y LATENTE por CARGAS INTERNAS

** En esta lección deberá Usted comprender que son las cargas térmicas internas y cuál es su origen.

En la lección Nº 1 vimos que había dos grandes grupos de cargas térmicas que afectaban a un local, las externas y las que consideraremos ahora, es decir, las cargas internas, y estas son, salvo excepción, aportes o ganancias de calor y tienen tres fuentes de origen:

Por las PERSONAS.

Por la ILUMINACIÓN.

Por los ARTEFACTOS. En el primer y tercer caso, las ganancias son de CALOR SENSIBLE y de CALOR LATENTE Con relación a las personas, debemos recordar que a ellas y desde nuestro punto de vista, las consideramos máquinas térmicas, y que debido a su metabolismo, producen calor como residuo de ese proceso, el que será mayor cuando mayor sea la actividad física que realicen. Este calor deberá disiparse en el medio, utilizando para ello el cuerpo humano los mecanismos de conducción, convección y radiación, lo que significa un aporte de Calor Sensible. Pero como estos mecanismos a veces son insuficientes, recurren a utilizar el mecanismo de EVAPOTRANSPIRACIÓN, con lo cuál se aporta vapor de agua al medio, lo que significa en este caso un aporte de Calor Latente. Debemos agregar que en forma permanente, a través del aparato respiratorio, estamos desprendiendo también vapor de agua y por lo tanto, otro aporte más de Calor Latente. En resumen, las personas son: Fuentes de ganancias de Calor Sensible y de Calor Latente.

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Con respecto a la iluminación artificial, recordemos que la luz, como toda energía, termina en esa forma final de la energía que llamamos calor, por lo tanto toda la energía eléctrica que se aporte a un local para iluminación será Calor Sensible, independientemente del tipo de fuente de luz utilizada (incandescente, de descarga gaseosa, etc.). En lo referido a los artefactos, a pesar de la gran variedad de los mismos, siempre podemos reconocer que ellos dependen de una fuente externa de energía (electricidad, gas, vapor, etc.), por lo tanto si conocemos la cantidad de energía consumida, podremos saber cuánto calor estarán aportando al local y que, generalmente, es Calor Sensible, Hay que hacer notar en este punto, que en algunos artefactos, el resultado de su funcionamiento puede llevar a un aporte de vapor de agua (cafeteras, ollas, secadores de cabello, etc.), por lo tanto en estos casos deberemos considerar a éstos artefactos como una fuente de Calor Latente adicional. A modo de resumen parcial podemos decir:

Las cargas internas, que son siempre GANANCIAS DE CALOR, pueden ser debidas a la presencia de personas, a la iluminación y a veces también a la existencia de artefactos, recordando además que dichas cargas pueden ser de Calor Sensible o de Calor Latente.

Las góndolas refrigeradas de los supermercados (que tiene el equipo instalado en el exterior del local), serían la excepción, por cuanto contribuyen a extraer calor del ambiente, significando entonces una pérdida de calor y no una ganancia. RECORDEMOS como se producen las ganancias y pérdidas de: Calor por CARGAS INTERNAS * Por las PERSONAS. * Por la ILUMINACIÓN.

* Por los ARTEFACTOS.

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Si tiene claro cuales son las cargas internas, siga adelante, en caso contrario vuelva a leer desde el principio.

Si Usted comprendió porque las personas, la iluminación y los artefactos son una carga térmica, podemos continuar conociendo el método para calcular dichas cargas de calor sensible y latente. El calor SENSIBLE y LATENTE aportado por las personas, y que depende de la actividad que realicen, ha sido medido experimentalmente y estos valores los podemos recabar en forma directa de la tabla Nº 13, expresados en Kcal/h. En una simple operación, multiplicando el número de personas por los valores de tabla, obtendremos las cantidades de calor Sensible y Latente aportado por éstas. Q cs pers. ( Kcal/h ) = Cant. x Coef. CS Q cl pers. ( Kcal/h ) = Cant. x Coef. CL Donde: Q cs pers. = Cantidad de Calor Sensible aportado por las personas, expresado en Kcal/h. Q cl pers. = Cantidad de Calor Latente aportado por las personas, expresado en Kcal/h.

Cant. = Cantidad de personas que ocupan el local. Coef. CS=Cantidad de calor sensible que aporta cada persona de acuerdo a su actividad, expresado en Kcal/h, (tabla Nº 13 ). Coef. CL = Cantidad de calor latente que aporta cada persona de acuerdo a su actividad, expresado en Kcal/h, (tabla Nº 13 ).

Importante: Dado que en invierno el calor aportado por las personas y los artefactos significa una ganancia de calor para el local, estos valores generalmente no se calculan para esa época del año, ya que resulta un factor

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positivo y si se los calcula en cambio en verano, ya que en este caso puede resultan una importante ganancia de calor. En invierno, estos aportes solamente se los deberá tener en cuenta en el caso de grandes cantidades de personas que realicen una importante actividad física (por ejemplo, en un gimnasio o un salón de baile).

El calor SENSIBLE debido a la iluminación se podrá calcular conociendo el consumo en Vatios (W)del local, multiplicado por el coeficiente de conversión a Kcal./h. Q cs ilum. ( Kcal/h ) = W x 0,86

Donde: Q cs ilum. = Cantidad de Calor Sensible aportado por las luminarias, expresado en Kcal/h. W = Potencia total consumida por las luminarias, expresada en Vatios. 0,86 = coeficiente de conversión, de Vatios a Kcal/h. Debe tenerse en cuenta, al calcular la potencia de iluminación, que las lámparas de descarga gaseosa (tubos fluorescentes, lámparas de mercurio y de sodio), consumen una potencia total de aproximadamente el 100 % más de su potencia nominal, por efecto de las reactancias incluidas en los circuitos, valores éstos indicados en la tabla Nº 15. Para las lámparas dicroicas, el incremento sobre la potencia nominal será de un 10 % más. El calor Sensible y/o latente producido por los artefactos podrá recabarse directamente de la tabla Nº 14, donde se indican los valores más comunes.

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LECCION 8 GANANCIAS Y PÉRDIDAS DE CALOR SENSIBLE Y LATENTE debido al ingreso de AIRE EXTERIOR ** En esta lección estudiaremos como determinar el caudal de aire exterior y lo que el mismo representa como carga térmica. El aire exterior que se infiltra a través de las hendijas de los cerramientos móviles, o que nosotros dejamos penetrar voluntariamente a través de las aberturas y tomas especiales, para lograr la necesaria ventilación y renovación del aire de los locales acondicionados, resultará una carga térmica para el equipo, por cuanto el aire ingresará a la temperatura exterior y en consecuencia, deberemos calentarlo o enfriarlo hasta lograr la temperatura interior establecida como condición de confort deseada. Por otra parte, en verano el aire exterior contiene generalmente una cantidad de humedad específica mucho mayor que la requerida en el interior, y por lo tanto deberemos la. (ver lección Nº 6). El principal inconveniente, estriba en estimar la cantidad de aire que deberemos tratar, para luego calcular el calor que esa masa de aire quita o agrega al local ( Calor Sensible ), así como también, en el caso del verano, la humedad adicional que dicho aire incorpora ( Calor Latente ). Para una mejor comprensión del tema, lo dividiremos en:

Aire exterior de infiltración.

Aire exterior para renovación higiénica. Aire exterior de infiltración: Resulta evidente y nuestra propia experiencia nos ayuda a ello, que a través de las aberturas se introduce normalmente aire en el interior de los locales. Esto ocurre entre la hoja y el marco en forma notoria, pero es de señalarse que hay otros espacios por donde el aire se cuela, como ser entre el marco y la pared, donde también puede haber hendijas ( a pesar del tapajuntas), y por

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los taparollos de las cortinas de enrollar, que resultan en algunos caso infiltraciones muy importantes. Aire exterior para renovación higiénica: Como todos sabemos, la presencia de personas en el interior de un local, produce un viciamiento del aire del mismo, ya que por el propio metabolismo se consume el oxigeno y se expele anhídrido carbónico, lo cual da lugar a la necesidad de aporte de aire de renovación, en cantidad similar al consumido, para evitar la contaminación. Con aproximadamente 8 m3 por hora por persona, se cubren las necesidades mínimas para la respiración. Pero las personas desprendemos también un contaminante particular, el olor, siendo el mismo un elemento muy importante en la cultura de nuestro país. Para contrarrestar este efecto, nos vemos a suministrar unos 24 m3 por hora por persona. Por último, las personas que fuman también producen un viciamiento del aire, siendo en este caso necesario una cantidad de 51 m3 por hora y por persona para impedir la acumulación de humo y olor a cigarrillos. Como se puede apreciar, para lograr una sensación de confort en el ambiente, necesitamos una cantidad de aire 6 veces mayor que la mínima (sin fumadores ni el olor de las personas). Esta cantidad de aire para renovación suele ser muy superior al aire que ingresa por hendijas, de modo que generalmente para cubrir los mínimos necesarios, se debe recurrir a una Toma de Aire Exterior ( TAE ). RECORDEMOS como se producen las ganancias y pérdidas de calor por AIRE EXTERIOR: * Por INFILTRACIÓN a través de las hendijas. * Por RENOVACIÓN HIGIÉNICA mediante TAE.

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Los volúmenes de aire de renovación necesarios, los encontraremos en la tabla Nº 12, donde están indicados los valores mínimos y los recomendados, expresados en m3 por hora y por persona. Para calcular el volumen de la Toma de Aire Exterior, en primer lugar calcularemos la cantidad total de aire necesario, multiplicando la cantidad de personas por los valores tomados de la tabla Nº 12. Q aire renov. ( m3 ) = Cant. x Coef. renov. Donde: Q aire renov. = Volumen de aire total a ingresar al local para renovación higiénica, expresado en m3. Cant. = Cantidad de personas que ocupa el local. Coef. renov. = Cantidad de aire por persona y por persona, expresado en m3/h persona, indicado en la tabla Nº 12. El segundo paso consiste en calcular la cantidad de aire que ingresa al local infiltrado por hendijas. Para ello deberemos conocer las características constructivas y las dimensiones de las aberturas a utilizar en el lugar, lo que nos permitirá conocer la longitud de las hendijas. Conocido este dato, recurrimos a la tabla Nº 11, donde están indicados los volúmenes de aire infiltrado por cada metro lineal de hendija, según el tipo de abertura y la velocidad estimada del viento. Q aire hend. ( m3 ) = Long. x Coef. hend. Donde: Q aire hend. = Volumen de aire que ingresa por infiltración a través de las hendijas, expresado en m3/h. Long. = Longitud total de hendijas, expresada en metros lineales.

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Coef. hend. = Cantidad de aire ingresado por metro de hendija, expresado en m3/h, tabla Nº 11. El tercer y último paso para conocer el volumen de la TAE, será simplemente restar, del total calculado primeramente, el volumen que ingresa por hendijas. Q aire TAE ( m3 ) = Q aire renov. - Q aire hend. Repase estos conceptos antes de proseguir con el método de cálculo.

Hasta ahora, solo hemos calculado los volúmenes de aire que deberemos ingresar al local, pero para completar la Estimación de Cargas Térmicas debemos conocer la cantidad de calor SENSIBLE y LATENTE que este aire incorpora al local. Para ello, calcularemos en forma separada los valores aportados por las hendijas y por la TAE, y en cada uno de ellos, a su vez separados también, la cantidad de calor Sensible y Latente que estos volúmenes aportan, utilizando las siguientes fórmulas:

Q cs hend. ( Kcal/h ) = Q aire hend. ( m3 ) x 0,31 x dt

Q cl hend. “ = Q aire hend. “ x 0,71 x dhe

Q cs TAE “ = Q aire TAE “ x 0,31 x dt

Q cl TAE “ = Q aire TAE “ x 0,71 x dhe

Donde: Q cs hend. = Cantidad de calor Sensible ingresado por hendijas, expresado en Kcal/h. Q cl hend. = Cantidad de calor Latente ingresado por hendijas, expresado en Kcal/h.

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Q cs TAE = Cantidad de calor Sensible ingresado por la TAE, expresado en Kcal/h. Q cl TAE = Cantidad de calor Latente ingresado por la TAE, expresado en Kcal/h. 0,31 = Coeficiente de Calor Sensible Volumétrico , expresado en Kcal/m3 h. Es la cantidad de calor que hay que quitar a un metro cúbico de aire para disminuir su temperatura en 1 ºC.

0,71 = Coeficiente de Calor Latente Volumétrico,. Expresado en Kcal/m3 h. Es la cantidad de calor que hay que quitar a un metro cúbico de aire para disminuir en un gramo su humedad específica.

dt = Diferencia de temperatura, entre el interior y el exterior del local.

dhe = Diferencia de humedad específica, que se determina mediante el

Ábaco Psicrométrico, ingresando los valores de temperatura y humedad relativa del aire interior y exterior, tomados de las condiciones de proyecto interior y exterior respectivamente.(ver lecciones Nº 2 y 3).

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LECCION 9 FACTOR DE CALOR SENSIBLE

** En esta lección conoceremos los conceptos básicos de un coeficiente denominado Factor de Calor Sensible, y su aplicación en el diseño de sistemas de Aire Acondicionado En verano, para lograr una correcta condición de confort, se hace necesario, en primer lugar, enfriar el aire que se ingresa a un local para acondicionarlo, pero además por lo general y salvo situaciones muy particulares, se deberá quitarle humedad, hasta llegar a los parámetros establecidos previamente de temperatura y humedad relativa. Esto significa que el aire que insuflaremos al interior del ambiente deberá estar más frío y mas seco que el aire existente en ese local. De manera que no solamente deberemos extraer de la masa de aire interior la misma cantidad de calor total que nuestro local gana (esto es, lograr un balance térmico), sino que debemos conocer exactamente las proporciones de calor Sensible y calor Latente que componen este calor total. Para ello, deberemos determinar la relación existente entre estas dos clases de calor presentes en nuestro cálculo, estableciendo un coeficiente, denominado: FACTOR DE CALOR SENSIBLE ( FCS ). Q cs Q cs FCS = --------------------- = -------------- Q cs + Q cl Q Tot. Donde: FCS = Factor de Calor Sensible, expresado como unidad adimensional. Q cs = Cantidad de calor Sensible ingresado por los Cerramientos y por Cargas Internas, expresado en Kcal/h. Q cl = Cantidad de calor Latente ingresado por Cargas Internas, expresado en Kcal/h.

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Q Tot. = Cantidad Total de calor, sumatoria de Calor Sensible + Calor Latente, expresado en Kcal/h.

Este FCS será utilizado más adelante, cuando estudiemos el cálculo de los caudales de aire y el diseño de los conductos para distribuir éste aire, en una instalación de acondicionamiento

En el ábaco Psicrométrico visto en el tema (lo que mata es la humedad) podemos ver que en el mismo se incluye, a la derecha del mismo, la escala de FCS, que tiene valores menores que la unidad (desde 1 a 0,35).

RESUMEN FINAL

Para finalizar la Estimación de las Cargas Térmicas, deberemos efectuar la sumatoria de las pérdidas y ganancias de calor calculadas en cada uno de los pasos anteriores, obteniendo:

Para INVIERNO:

* Pérdidas de Calor Sensible por: - Transmisión. - Infiltración. - TAE.

Para VERANO:

* Ganancias de Calor Sensible por: * Ganancias de Calor Latente por: - Transmisión. - Cargas Internas. - Radiación. - Aire Exterior. - Cargas Internas. - Aire Exterior. Valores estos que nos permitirán conocer la capacidad de los equipos que deberemos utilizar para acondicionar los ambientes, que es en definitiva, la razón de ser de todo lo visto anteriormente. En las guías para el desarrollo de los trabajos prácticos de Calefacción y de Aire Acondicionado, se incluyen ejercicios resueltos y planillas en blanco para la realización.