Cálculo de cargas térmicas (tercera parte)
Carga de diseño
Carga impuesta en el equipo mientras este mantiene las condiciones interiores de diseño y cuando las condiciones exteriores de temperatura y humedad están dentro de lo especificado.
Condiciones interiores de diseño
Son la temperatura interior de bulbo seco y la humedad relativa interior, especificadas para el cálculo de una carga de diseño.
Condiciones de Evaluación
1) Condiciones exteriores de diseño
Son la temperatura exterior de bulbo seco y la humedad relativa exterior del ambiente donde se requiere calcular la carga de diseño.
Los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), deben contrarrestar las fuerzas del tiempo cuando la temperatura al aire libre (temperatura del ambiente exterior) o humedad se mueve en un rango aceptable en favor de la seguridad y comodidad (confort). Por consiguiente, un entendimiento claro del comportamiento del tiempo es útil para diseñadores y operadores de estos sistemas. Limitaciones en esa comprensión son a menudo la raíz de problemas, que envuelve calidad del aire interior pobre y deterioro prematuro de la edificación y del equipo.
Ingenieros, técnicos de servicio y operadores de la construcción constantemente analizan y localizan fallas en problemas normales de sistemas HVAC (siglas en ingles). a menudo, conocer las condiciones del tiempo presentes y recientes pueden ayudar a explicar la causa de un problema, y lleva a una rápida solución. Recientemente, el World Wide Web (mundo virtual en Internet) ha llegado a ser una fuente para observaciones actuales.
Uno de los desafíos más grandes para un diseñador consiste en la total comprensión del clima en una localidad desconocida, el conocimiento acerca del comportamiento del clima local está menos disponible para el diseñador en localidades remotas, a veces con consecuencias costosas. Un procedimiento standard para seleccionar equipo de refrigeración para un restaurante en Chicago no aplicaría para el mismo restaurante establecido en Puerto Rico, con carga latente diez veces más grande.
Como información general, este dato puede tomarse de observatorios climatológicos locales que contengan ésta información como base de datos a lo largo de los años, sin embargo, una de las publicaciones internacionales con mayor información al respecto es el manual de fundamentos de la ASHRAE que en la edición de 1.997 en capitulo 26, incluye parte esencial de los resultados del proyecto de investigación 890-RP de la ASHRAE, que definió nuevas condiciones pico de diseño para equipos viscoso. La revisión y extensión de la información representa un progreso significativo sobre la información antigua contenida en el manual de 1.993, algunas de las cuales se obtuvo por medio de interpolación de gráficas de un lapso de tiempo tan pequeño como cinco años de datos.
El manual de 1.997 refleja la intención de la sociedad de hacer una organización más internacional. La cobertura fuera de los Estados Unidos y Canadá han extendido desde 243 localidades a 801, desdichadamente, algunas localidades previamente listadas quedaron fuera en el manual nuevo, motivado a que datos recientes disponibles a la ASHRAE para esas localidades no coincidieron con las normas nuevas uniformes para integridad, a lo largo de sus períodos de registro.
En los datos contenidos en el manual 1.993 y en ediciones más antiguas se estimó en momentos diferentes usando metodología diferente. Por ejemplo se basó la información en el extremo para la estación del verano la cual consta de junio, julio y agosto. Para asegurar uniformidad para cálculos mundiales, en el de 1.997 los datos se basan en extremos anuales en lugar de estacional o picos de un solo mes.
Por ejemplo manuales anteriores mostraron que la temperatura de bulbo seco excede en 1 % de las horas durante los períodos del verano. Ahora, las del manual de 1.997, muestra que la temperatura se excede en 0,4 % de las observaciones para el año completo. Igualmente, el viejo 99 % de bulbo seco de la estación invernal para calentamiento se ha substituido por el nuevo 99,6 % valor del anuario. Los porcentajes de 0,4, 1 y 2,5 % para enfriamiento y 99,6 % y 99 % para calefacción se eligieron porque producen valores que, para la mayoría de las estaciones, correspondió estrechamente al extremo estacional más antiguo. Así los valores del anuario nuevos son cercanos, pero raramente el mismo como el extremo estacional antiguo. El usuario puede esperar que resulten más variaciones de los métodos de cálculo diferentes en lugar de cualquier cambio del clima significativo.
Esta metodología nueva es especialmente útil a la luz de los compromisos de la ASHRAE para con sus miembros internacionales en climas tropicales en densas poblaciones. Las estaciones verano e invierno cerca del ecuador suceden durante meses diferentes comparado a estaciones en localidades continentales como Canadá y Argentina. Por eso, anuarios en lugar de cálculos estacionales son más adecuados por una uniforme metodología mundial.
Datos del tiempo característico de cada hora para localidades fuera de los Estados Unidos, Canadá y Europa no están fácilmente disponibles al dominio público. Como un sustituto para datos característicos, las Observaciones Internacional Superficiales del Tiempo (INSWO) contiene registros actuales de cada hora para 1,500 sitios, que están disponible a través del Centro Nacional de Datos climáticos de U.S. además, algunos programas (software) comercialmente disponibles para el análisis de la energía para construcción incluyen 8,760 horas de registros actuales para localidades Latinoamericanas y asiáticas incluidos en el programa, pero estos datos patentados no están disponibles como archivos separados. Una investigación en desarrollo por la ASHRAE contendrá registros típicos de cada hora para 200 localidades no norteamericano y se publicarán dentro de dos años.
Extremos de Humedad Correctos
Algo sorprendente (quizá a causa del énfasis en controlar temperatura en lugar de humedad), los manuales de la ASHRAE anteriores a 1.997 no incluyeron descripción de datos extremos de humedad. El de 1.993 y los manuales anteriores mostraron sólo el promedio de la humedad durante períodos de temperatura extrema. Esos valores no representan la humedad extrema, que ocurre a temperaturas moderadas durante temporales o durante la mañana cuando el rocío se evapora.
La mala impresión o información sobre la humedad produjo que en la temperatura superior a menudo era bastante significante el margen de error. Se puede ver un ejemplo en la inscripción por Huntsville, Ala. La temperatura pico de bulbo seco es 94 °F (34,4 °C) con un promedio de temperatura de bulbo húmedo (M.W.B.) de 75 °F (23,9 °C). Esos valores pico de bulbo seco producen la impresión que la relación de la humedad extrema es 14,3 g/kg. De hecho, la humedad del pico real es muy superior a 19,3 g/kg, por tener un 0,4 % en las columnas del punto del rocío. Estas columnas también muestran que la humedad pico ocurre a un promedio de temperatura de bulbo seco (MDB) de 83 °F (28,3 °C) en lugar de a 95 °F (35 °C). Esto representa una reducción significante en la relación del calor sensible para un espiral refrescante del aire externo, y probablemente sugiere una selección del equipo diferente para tales aplicaciones.
Contar con datos correctos de la humedad pico debe significar mejorías en los equipos y sistemas para la deshumidificación.
2) Momento Del Día Con Carga Pico de Enfriamiento
Este momento no es detectable fácilmente, ya que los componentes principales de la carga de enfriamiento no se dan al mismo tiempo. La carga máxima de temperatura exterior se toma como las 3:00 p.m., la máxima ganancia solar a través de vidrios llega a cualquier hora desde la 7:00 a.m. hasta las 5:00 p.m., dependiendo de la orientación geográfica. Las ganancias de calor internas pueden llagar a su pico en cualquier momento. Se hace necesario entonces efectuar un cálculo de las ganancias de calor en varios puntos a lo largo del día para poder determinar el pico máximo de la carga de enfriamiento.
Debido a la variedad de factores que influyen en el cálculo de la carga pico, es recomendable que en los casos en que haya alguna duda; se calcule la carga para varias horas.
Un aspecto importante del cálculo de cargas de enfriamiento a horas diferentes de las 3:00 p.m. y que algunas veces es obviado, es la corrección que debe hacerse a la temperatura exterior de diseño de bulbo seco para cada momento del día en particular. Obviamente si la máxima temperatura exterior de bulbo seco se presenta todos los días a las 3:00 p.m., en cualquier otro momento debe ser menor. Por consiguiente, la temperatura interior y la exterior de bulbo seco a otras horas distintas de las 3:00 p.m. será menor que en las condiciones de diseño que se presentan a las 3:00 p.m.
Las correcciones no solamente afectan la diferencia de temperatura de exterior a interior, sino también las diferencias totales equivalentes en las temperaturas de paredes y techos.
3) Ganancia de calor por radiación solar a través de vidrios
Fenestraje o ventanaje se refiere a cualquier abertura vidriada en la envoltura de la edificación. Los componentes del fenestraje incluyen: (1) Material vidriado ya sea vidrio o plástico. (2) Marcos, divisiones, etc. (3) Dispositivos externos de sombreado. (4) Dispositivos internos de sombreado. (5) Sistemas integrales de sombreado (entrevidrios).
El diseñador debe considerar los siguientes factores a la hora de seleccionar ventanas: (1) arquitectónicas: identificando las opciones de diseño y su capacidad de lograr conservación de energía, incluyendo el posible uso de iluminación eléctrica y luz del día con controles para reducir la luz eléctrica automáticamente cuando la luz del día esté disponible; (2) Térmico: Diseñando para pérdidas de calor y/o ganancia para el confort de los ocupantes y conservación de la energía. (3) Económico: evaluando los costos y los costos de ciclos de vida de los diseños de ventanas alternativas. (4) La necesidad humana determinando el deseo psicológico o la necesidad física para ventanas y los estándar de iluminación apropiada para el proyecto de uso del espacio, para el confort de los ocupantes y aceptación.
Sombreado de ventanas con aleros
Cuando una ventana está sombreada con un alero, la porción del vidrio que no recibe el sol está sujeta a la mínima ganancia de calor solar que recibe una ventana según la tabla de "Ganancias de calor por radiación solar a través de vidrios", del manual N publicado por la ACCA.
4) Ganancia De Calor a través De Componentes Estructurales
La conducción es el modo de transferencia de calor por el cual se verifica un intercambio de energía desde una región de alta temperatura hacia otra de baja temperatura, debido al impacto cinético o directo de moléculas.
La ley de Fourier de la conducción de calor establece que la rapidez de flujo por conducción en un sentido dado es proporcional al gradiente de temperatura en ese sentido y al área normal a la dirección del flujo de calor.
Es decir, el flujo de calor en la dirección x, qx, está dado por la ecuación:
qx = k·A·ΔT/Δx
Donde A es el área normal al flujo de calor, ∂T/∂x es el gradiente de temperatura y k es la conductividad térmica del material.
El calor fluye por conducción térmica, y su valor es expresado por la ecuación: Q = U·A·ΔT ésta es la misma ecuación definida en la ley de Joseph Fourier de la conducción de calor para calcular la rapidez de flujo por conducción.
Donde:
Q = velocidad a la que el calor pasa a través de un componente en Btu/h.
U = factor general de transmisión de calor para el componente estructural en Btu/h·pie² por °F de diferencia de temperatura entre la superficie exterior y la superficie interior del componente. (Btu/h·pie²·°F).
A = área del componente estructural que queda expuesto a la temperatura interior y la temperara exterior en pie²
ΔT = diferencia de temperatura entre el interior y el exterior en grado Fahrenheit.
Para el cálculo son utilizadas las tablas que contienen los Factores de transmisión de calor (valores U) para vidrios, paredes, techos y pisos comúnmente utilizados en construcción, del manual N publicado por la ACCA.
Diferencias equivalentes de temperaturas
Es muy importante tener en cuenta la diferencia de temperatura equivalentes, que se aplican a paredes y techos; efectos de la radiación solar, efecto de retardo o efecto de almacenamiento y diferencias en la temperatura del aire.
Esta diferencia de temperatura se produce realmente por la acción simultánea de la Conducción, radiación y convección, se muestran en las tablas "Diferencias de temperaturas equivalentes para paredes sombreadas y soleadas" y "Diferencias de temperaturas equivalentes para ganancias de calor a través de techos planos". Estos factores dan las diferencias de temperaturas equivalentes para varios tipos de construcciones en distintos momentos del día para techos y paredes respectivamente, están incluidas en el del manual N publicado por la ACCA.
Autor: Gustavo José Tudare Prado. Ingeniero Mecánico. Venezuela.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)
Condiciones interiores de diseño.