tema 4-2 cargas termicas

8/10/2019 Tema 4-2 Cargas Termicas

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4.2.- CARGAS TÉRMICAS

4.2.1.- Tipología de las cargas térmicas.

4.2.2.- Transmisión a través de muros.

4.2.3.- Transmisión a través de cristales.

4.2.4.- Cargas internas aportadas por las personas que ocupan los locales.

4.2.5.- Cargas internas aportadas por la iluminación.

4.2.6.- cargas debidas al propio sistema de la instalación.

CURSO SOBRE REALIZACIÓN DE PROYECTOS DE CLIMATIZACIÓN CARGAS TÉRMICAS: Hoja 1Colegio Oficial de Ingenieros Industriales de la Comunidad Valenciana Mayo-J unio 2.009



4.2.- CARGAS TÉRMICAS.

Como se explicó en el apartado de Fundamentos del Aire, variables psicrométricas, entodo sistema se ponen en juego los siguientes balances:

Fuente: Ashrae Fundamentals

Asimilamos el sistema como:

• Subíndices 1 : Aire de impulsión

• Subíndices 2 : Aire del local o de retorno

Balance de Energías:

Generalmente en un sistema de climatización nos encontraremos un régimenestac ionario, por lo que se cumplirá que:

• W = 0.• mi = ml • m = Caudales másicos del fluido puesto en juego.




En un sistema de climatización se cumple además que:

• Q = Q s + Q l ,,donde• Qs = Calor sensible• Q l = Calor Latente

Balance de Masas de Vapor:

Donde:

• W = Masa de agua puesta en juego, y• m i = m l • m = Caudales másicos del fluido puesto en juego.

Las dos ecuaciones de los balances de energía y masas de vapor de agua, seencuentran formuladas en base a los caudales másicos del fluido circulante. Pero enlos sistemas de climatización, es mas usual referirnos a Caudales Volumétricos, por loque:

Donde:

• ρ = Densidad del fluido, expresada en kg/m3 • m = masa del fluido, en kg.• V = volumen del fluido, en m3.

Expresando las ecuaciones anteriores en términos de caudales volumétricos, podemosllegar a:




Donde:

• V = Volumen de movimiento del aire, expresado en m3/h.• hl, hi = Entalpías del fluido en los puntos l y i.

Representando en el diagrama psicrométrico, los valores energéticos puestos en juegorelativos a los caudales másicos:

Escala de Temperaturas

L

I O

E s c a l a d e H u m e d a d e s

Qs/ m =

hi - ho

Ql/ m =

hl - ho

Fuente: Propia

Las igualdades obtenidas nos ofrecen las siguientes expresiones:

Sobre el eje de Temperaturas:




Donde:

• V = Caudal de aire de impulsión, expresado en m3/h.• Δ T = Diferencia de temperaturas, en ºC.

Sobre el eje de Humedades:

Donde:

• V = Caudal de aire de impulsión, expresado en m3/h• ΔW = Diferencia de humedades, en g/ kg a .s. (aire seco)

Como resumen, se detalla que:

• El calor total puesto en juego en un balance térmico del aire, se desarrolla en

térmicos energéticos de diferenc ias de entalpías H.• Sin embargo, el calor sensible que se da en un balance térmico, se desarrolla

solamente en términos de diferenc ias de temperatura T, y

• El calor latente, tiene que ver con la diferencia de humedades ( W )existentesentre dos puntos.

En resumen, las ecuaciones que regirán las condiciones de las transformacionespsicrométricas, obedecen a las siguientes formulaciones:




TIPO ENERGÍA FORMULACION MAGNITUD CARACTERISTICA

CARGA TOTAL ENTALPIA h Varían tanto t comow

CARGASENSIBLE

TEMPERATURA t Eje X diagramapsicro.Solo varia la t

CARGALATENTE

HUMEDAD w Eje Y diagramapsicroSolo varía la w

4.2.1.- TIPOLOGIA DE LAS CARGAS TÉRMICAS.

Como conclusión de lo comentado hasta ahora, podemos resumir que toda cargatérmica que entra en juego en un sistema de climatización, podrá estar compuesta poruna componente de carga sensible y otra componente de carga latente.

Los tipos de cargas que nos encontraremos en todo sistema de climatización son comomínimo las siguientes:

4.2.1.1.- CARGAS TIPO TRANSMISIÓN POR ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS COMPONENTES:

• TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LOS MUROS DE LA FAC HADA.• TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE LOS CRISTALES DE LA FAC HADA.• TRANSMISIÓN POR CUBIERTA O TECHO DEL EDIFICIO O LOCAL.• TRANSMISIÓN POR EL SUELO DEL EDIFICIO O LOCAL.• TRANSMISIÓN POR PARTICIONES INTERIORES DE LOCALES.

4.2.1.2.- CARGAS TIPO RADIACIÓN SOLAR DIRECTA:

• RADIACIÓN A TRAVÉS DE CRISTALES.• GANANCIA SOLAR DIRECTA A TRAVES DE CRISTALES.

4.2.1.3.- CARGAS TIPO GANANCIAS INTERNAS:

• POR PERSONAS.• POR ILUMINACIÓN.• POR EQUIPOS QUE DESPRENDEN ENERGÍA.

4.2.1.4.- CARGAS DEBIDAS AL SISTEMA:




• CARGAS POR APORTE DE AIRE EXTERIOR DE VENTILACIÓN.• CARGAS POR RECUPERACIÓN DE CALOR.

4.2.2.- TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE MUROS:

La caracterización de los elementos constructivos de transmisión de energía podemosrealizarla como sigue:

Fuente: Handbook of Air conditioning. Shan K. Wang

El presente esquema representa todas las localizaciones, por donde el local quetenemos en estudio pueda verse influenciado por sus alrededores. Todas las superficiesson susceptibles de intercambiar energía con su entorno. Tanto entre muros interiorescomo muros exteriores, suelos o techos.

Cada muro se caracterizará por sus elementos constructivos, dando lugar cada uno deellos a una modelización distinta. A través del Catálogo de Elementos constructivos delCTE (CODIGO TÉCNICO DE LA EDIFICAC IÓN), llegaremos a la caracterización en formade coeficiente global de transmisión.

4.2.2.1.- TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE FACHADA.

La particularidad de la carga de transmisión a través de una fachada vendrá definidapor la variabilidad a lo largo de la hora y el mes en cuestión susceptible de estudio. Unmuro de fachada (exterior) tendrá en su cara externa el sometimiento a lascondiciones variables del ambiente.

Pongamos como ejemplo, un muro exterior (fachada) que podrá tener las siguientescaracterísticas:




Elegimos el tipo de fachada F 1.1, constituido por un aislante de Poliuretano Expandido(EPS) de 15 cm de espesor.




La característica de conductividad del material aislante, la obtenemos del mismocatálogo:

Con lo que el cálculo del coeficiente global de transmisión se realizará mediante:

Fachada F 1.1.

R AT

m W / m . K W / m2 . K

Aislante: Poliuretano Expandido (EPS)

Espesro Aislante 0,150 0,030 0,200

=

U = 1,35 W / m2 . K




El esquema de la transferenc ia de calor a través de una pared plana, se visualizacomo:

Fuente: Cámaras Frigoríficas

Resultando la expresión matemática,

Que en su forma reducida quedaría como:

Donde:• Q = Energía total transmitida, en Kcal/h.m2 .ºC o W/m2.ºC

Siendo por tanto, el coeficiente global U, el resultado de:




Se actuará de la misma forma para cualquier tipo de muro, pared interior, suelo otecho, obteniendo del catálogo de elementos constructivos del CTE , el coeficienteglobal de cada elemento en cuestión.

4.2.2.2.- TRANSMISION A TRAVES DE CUBIERTA

Vendría caracterizado por el siguiente esquema:

4.2.2.3.- TRANSMISION A TRAVES DE SUELO





4.2.2.4.- TRANSMISION A TRAVES DE PARTICION INTERIOR VERTICAL


4.2.2.5.- TRANSMISION A TRAVES DE PARTICION INTERIOR HORIZONTAL





4.2.3.- TRANSMISIÓN A TRAVÉS DE CRISTALES:

Debido a las características termomecánicas de un elemento como el vidrio, albalance de cargas por transmisión térmica, habrá que añadir las cargas por radiac iónsolar direc ta, así como las reflejadas por reflexión.

La caracterización de los elementos constructivos de transmisión de energía a través decristales, viene dado por el siguiente esquema:

Fuente: Manual del Vidrio Ariño

En la transmisión de energía a través de un vidrio, se dan las características detransmisión tipo:




• Radiación.• Transmisión Directa.

• Conducción.• Re-emisión interior.

Serán función de las características físicas y constructivas del elemento cristal, el pesoponderado de cada uno de estas componentes de transmisión de cargas térmicas.

En la siguiente gráfica se aprec ia con más detalle las especificaciones de cada una deellas:


El balance energético que se produce en un vidrio será:

Donde:• Q isr: Energía solar incidente por radiación.• Qrsr: Energía solar refleja por el cristal.• Qtr: Energía transmitida direc tamente por el cristal al interior.• Qabs: Energía absorbida por el propio cristal, aumento de temperatura.• Q ihf : Energía que el cristal transmite al interior por convección y radiación.• Qohf : Energía que el cristal transmite al exterior por convección y radiación.




En caso de disponer de ventanas con protecciónes laterales y alféizares, se habrá decaracterizar cada una de las ventanas del proyecto, en función del elemento Sombraque estos elementos realmente aporten.

Para ello, se estudian las diferentes soluciones constructivas que se pueden obtener dela instalación de ventanas, con el enfoque matemático de los ángulos solares querealizarán sobre los elementos constitutivos de edificio.

4.2.3.1.- EFECTO DE LAS SOMBRAS SOBRE LA REDUCCIÓN DE SUPERFICIE EFECTIVA DECAPTACIÓN SOLAR.

El esquema que analiza esta situación pone en juego los angulos solares conocidos enlos sistemas solares.


4.2.4.- CARGAS INTERNAS APORTADAS POR LAS PERSONAS QUE OCUPAN LOS LOCALES

En el balance energético de la interacción de las personas con el entorno que lasrodea, aparecen los componentes básicos ya conoc idos.

BALANCE DE CALOR SENSIBLE:




• Radiación: Diferencia de temperaturas entre las personas y lastemperaturas de los elementos que las rodean.

• Convección: Transmisión por la envoltura del cuerpo humano,

interactuando con el aire del ambiente que nos rodea.

BALANCE DE CALOR LATENTE:

• Por la respiración de las personas, interactuamos con nuestro alrededor,intercambiando humedades con el aire ambiente que nos rodea.

En el siguiente esquema queda gráficamente muy bien justificado, los balances

mencionados antes:

Fuente: Regulación y Control. Landis$Staefa.

4.2.5.- CARGAS INTERNAS APORTADAS POR LA ILUMINACIÓN.

En general, toda la potencia instalada en iluminación acaba repercutiendo en elbalance de nuestro calor sensible que será siempre una carga a combatir en el modode refrigeración.




4.2.6.- CARGAS DEBIDAS AL PROPIO SISTEMA DE LA INSTALACION.

4.2.6.1.- DEBIDAS AL SISTEMA DE CLIMATIZACION.

Tal como establece el nuevo reglamento RITE, la ventilación de todo sistema declimatización se realizará mediante métodos mecánicos, estando únicamentepermitida la ventilación natural en los sistema de climatización del tipo doméstico.

Siendo por tanto el balance energético como:

El esquema típico de un sistema de ventilación está representado por el siguienteesquema:


La compuerta de by-pass de ventilación, nunca se encontrará completamentecerrada, determinado por la capacidad mínima exigida por el RITE de ventilación encontinuo.

Del balance de energías puesto en juego, se establece que:

BALANCE DE CALOR SENSIBLE:




• Cambio de nivel de temperatura del aire entre las condicionesambientales exteriores y el valor de la temperatura en el local de referenc ia.

BALANCE DE CALOR LATENTE:

• Cambio de nivel de humedad del aire entre las condiciones ambientalesexteriores y el valor de la temperatura en el local de referencia.


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