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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA UNIDAD ACADÉMICA LA RIOJA

NACIONAL

QLT: calor latente total q: ganancias de calor (Kcal/h en Balance Térmico de verano) qm: ganancias a través de muros y techos qo: ganancias parciales de calor por transmisión qr: ganancias parciales de calor por radiación solar qv: ganancias a través de superficies vidriadas QS: calor sensible QSae: calor sensible del aire exterior QSEf: calor sensible efectivo QSi: calor sensible del interior del local QSinf: cargas de calor sensible por infiltraciones de aire (Balance Térmico de invierno) QSt: cargas totales de calor sensible por transmisión (Balance Térmico de invierno) QST: calor sensible total QTae: calor total del aire exterior QTG: calor total general QTi : calor total del interior del local T: temperatura (ºC) THae: temperatura húmeda del aire exterior THam: temperatura húmeda del aire de mezcla THi: temperatura húmeda del interior del local TI: temperatura del aire impulsado al local TPRA temperatura correspondiente al PRA TSae: temperatura seca del aire exterior TSam: temperatura seca del aire de mezcla TSea: temperatura seca a la entrada del aparato TSi: temperatura seca del interior del local TSsa: temperatura seca a la salida del aparato Ve: volumen específico(m3/Kg.)

CÁTEDRA: INSTALACIONES TERMOMECANICAS PROFESOR ADJUNTO: ING LUIS E. CANAVESI

BALANCE TÉRMICO Y USO DEL DIAGRAMA PSICROMETRICO TERMINOLOGÍA : Los términos, que con sus correspondientes abreviaturas se detallan a continuación, corresponden a aquellos parámetros que encontraremos en el Diagrama Psicrométrico, determinados o calculados partir de datos obtenidos del. mismo, o a partir del Balance Térmico. BF: factor de by-pass general (adimensional) FQS: factor de calor sensible (adimensional) FQSEf: factor de calor sensible efectivo FQSi: factor de calor sensible del interior del local FQSTG: factor de calor sensible total general HR: humedad relativa (%) h: humedad especifica (g/kg.) hae: humedad específica del aire exterior hai: humedad específica del aire interior del local hsa: humedad específica del aire a la salida del aparato hea: humedad específica del aire a la entrada del aparato J: entalpía (kcal / Kg) Jea: entalpía a la entrada del aparato Ji: entalpía de aire del interior del local JI: entalpía en el punto de Impulsión JPRA: entalpía del PRA Jsa: entalpía a la salida del aparato m3/h ae: caudal de aire exterior m3/h at: caudal de aire tratado por el aparato m3/h ar: caudal de aire de recirculación PRA: punto de rocío del aparato (ºC) Q: calor (Kcal/h) QL: calor latente QLae: calor latente del aire exterior QLef: calor latente efectivo QLi: calor latente del interior del local

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CONDICIONES DE PROYECTO RECOMENDADAS PARA AMBIENTE INTERIOR* - INVIERNO VERANO

VERANO DE LUJO

TIPO DE APLICACIÓN

Temp. Hum.

INVIERNO

PRACTICA COMERCIAL

Temp. Hum. Variación Temp.

Seca

Relat.

seca

(ºC)

%

(ºC)

Relat. de Temp. seca

%

(ºC)**

CONFORT GENERAL Apartamento, Chalet, Hotel,

CON HUMECTACION

23-24 50-45 25-26 50-45 1 a 2

(ºC)

Variación

Relat. de Temp.

seca

de Temp.

(ºC)

(ºC)***

24-25

-2

23-24

-2

23-24

-2

21-23

-3

%

(ºC)***

-1.5 23-24 35-30 a -2

Oficina, Colegio, Hospital, etc.

-1.5

TIENDAS COMERCIALES (Ocupación corta duración) Bancos, Peluquerías, Grandes

24-26 50-45 26-27 50-45 1 a 2

22-23

35-30 ****

a -2

almacenes, Supermercados, etc. APLICACIONES DE BAJO

-1

CALOR SENSIBLE (Carga latente elevada)

24-26 55-50 26-27 60-50 0,5 a 1 22-23 40-35

a

Iglesia, Bar, Auditorio,

-2

Restaurante, Cocina, etc.

-2

CONFORT INDUSTRIAL Secciones de montaje,

SIN HUMECTACION

Hum. Variación Temp.

25-27 55-45 26-29 60-50 2 a 3

20-22 35-30

a -3

Salas de máquinas, etc. *

La temperatura seca de proyecto para el ambiente interior debería ser reducida cuando hay paneles radiantes calientes, adyacentes a los ocupantes, e incrementada cuando aquellos son fríos, a fin de compensar el incremento o disminución con el calor radiante intercambiado desde el cuerpo. Un panel frío o caliente puede ser una superficie de cristal sin sombras, o muros exteriores vidriados (calientes en verano y fríos en invierno) o tabiques delgados con espacios adyacentes calientes o fríos. Un suelo directamente sobre tierra y muros por debajo del nivel del suelo son paneles fríos durante el invierno y co n frecuencia también en verano. Tanques calientes, hogares y máquinas son paneles calientes. ** La variación de temperatura es por encima del termostato durante la máxima carga térmica en verano *** La variación de la temperatura es por debajo del termostato durante la máxima carga térmica en invierno (sin luces, ocupantes o aportaciones solares. **** La humectación durante el invierno se recomienda para tiendas de confección, para conservar la calidad del género.

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a- BALANCE TERMICO DE INVIERNO La carga total de calefacción de un equipo de aire acondicionado, está determinada por dos elementos fundamentales: 1) Pérdidas de calor que se producen por conducción (transmisión) a través de las superficies que limitan el ambiente a acondicionar (muros, piso, techo, ventanas, puertas) 2) Las originadas por el ingreso de aire exterior, el cual deberá ser calentado hasta la condición del aire interior. Además del aire que ingresa al ambiente por efecto del viento a través de rendijas de aberturas que dan al exterior, es generalmente necesario hacer ingresar más aire nuevo, para proceder a ventilar el ambiente que estamos acondicionando. Ambos caudales de aire frío generan cargas que es necesario compensar. 1. Cargas (Pérdidas) de calor sensible por transmisión El calor total que cede un ambiente debido al mecanismo de transmisión o conducción, se puede determinar según la siguiente fórmula: QSt = Qo ( 1 + Zd + Zh + Zc) donde Qo =  qo ( calor total, es igual a las sumatorias de las cargas parciales), y qo = K. A. ( Tsi - Tsae), calor cedido por transmisión por cada superficie del ambiente a acondicionar que esté sometida a una diferencia de temperaturas (sea interior o exterior), donde: K : coeficiente de transferencia de calor por conducción Kcal/h m2 ºC A : área sometida a una diferencia de temperaturas, en m2 Tsi : Temperatura seca del interior acondicionado, en ºC Tsae: Temperatura seca del aire exterior, en ºC Zd : suplemento o calor adicional que hay que suministrar a un ambiente a acondicionar hasta que la temperatura del mismo esté en régimen. a) Servicio disminuido durante la noche pero ininterrumpido.....................Zd = 7% b) Servicio interrumpido durante 8 a 12 horas.............................................Zd = 15% c) Servicio interrumpido durante 12 a 16 horas.......................................... Zd = 25% Zc : suplemento por pérdidas de aire y calor en las cañerías de calefacción. Depende de la calidad de los conductos y de la aislación térmica ...........5 al 10% Zh : suplemento por orientación de las superficies exteriores a) orientación E u O,..................................................................................Zh = 0 (cero) b) orientación N, NE y NO. .....................................................................Zh = - 5% c) orientación S, SE y SO..........................................................................Zh = + 5% 2. Cargas de calor sensible por infiltraciones de aire exterior Depende de la hermeticidad de las aberturas, y de la diferencia de presión entre el interior y el exterior. Se determina por el número de renovaciones horarias, es decir el número de veces que el volumen V del ambiente (en m3), se renueva por hora. Sin paredes exteriores.......................................................................................0,5 renov/h Una pared exterior con ventana normal............................................................1 “ Dos paredes exteriores con una ventana normal y una puerta ventana............1,5 “ Más paredes exteriores con aberturas...............................................................2 “ Calor para compensar cargas por infiltraciones: QSinf =0,29. nº de renov/h. V.(TSi - TSae)

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3. Cargas de calor sensible por ventilación, Tablas extraidas del Manual Quadri Se establece el caudal de aire necesario para ventilar un ambiente en función de las características del local y como un porcentaje del caudal de aire total de circulación a través del equipo. m3/h ae = % m3/h ac Locales con muchas personas..........................................................................25 al 30% Locales para edificios de oficinas.....................................................................15 al 25% Locales para edificios de viviendas..................................................................10 al 20% Hospitales, salas de infecciosos..............................................................................100% Porcentaje mínimo..................................................................................................10% Requerimientos de aire nuevo mínimo en m3/h por persona, según el uso del local Lugares de trabajo en general.................................................................................... 30 Restaurantes y afines................................................................................................. 25 Oficinas de uso general...............................................................................................30 Oficinas privadas....................................................................................................... 35 Oficinas privadas con mucha gente fumando...............................................................50 Bibliotecas..................................................................................................................30 Estudios de radiodifusión............................................................................................30 Salas de operaciones.................................................................................................120 Salas de baile, boites, discotecas, etc............................................................................90 Teatros, cines, auditorios.............................................................................................35 El valor mínimo de aire de renovación necesario para ventilar un local, es de 25 m3/h por persona. El Calor que el equipo deberá generar para compensar las cargas por ventilación (será Calor Sensible si no se prevé humectación), estará dado por la siguiente fórmula: QSae = 0,29. m3/h ae. (Tsi - Tsae) CALOR TOTAL DE CALEFACCIÓN El calor total que el equipo deberá compensar, es la suma de las cargas de calefacción debidas a pérdidas por transmisión, por infiltraciones y por ventilación. QST = QSt + QSinf + QSae CAUDAL TOTAL DE AIRE EN CIRCULACIÓN (balance térmico de invierno) El caudal total de aire de circulación, asumiendo que el aire entra al aparato a una T=Tsi y sale del mismo con una Tssa tal que el T sea de 31 ºC, y con las siguientes simplificaciones: que el equipo no tenga humectador por lo que las cargas de aire nuevo son solo de Calor Sensible, y que no haya caudal de aire de by-pass a través del aparato, será igual al caudal de aire tratado, y se calcula según: QST m3/h ac = m3/h at = 0.29. (TSsa - TSi) 4

QST  9

b-BALANCE TÉRMICO DE VERANO - MÉTODO GENERAL A) Cálculo de las ganancias las 15 Horas (03:00 PM. Las ganancias de calor del local a acondicionar, son la sumatoria de: (1), las ganancias interiores por conducción y radiación a través de muros, techos y superficies vidriadas; (2), las ganancias interiores producidas por ocupantes y artefactos y (3), las ganancias exteriores debidas al ingreso de aire de renovación. Ganancias interiores: QTi = qm + qv + qi, donde QTi = ganancias totales del interior del local (Kcal/h) qm = sumatoria de ganancias por conducción y radiación solar en muros y techumbres qv = sumatoria de ganancias por conducción y radiación en superficies vidriadas. qi = otras ganancias internas (personas, aparatos, pérdidas) 1.1 Ganancias internas a través de muros verticales y techos horizontales Las ganancias de calor a través de muros y techos, qm, la calcularemos a partir de la fórmula qm = qom + qrsm, donde qom = S K.A . t representa la ganancia por conducción siendo K = coeficientes de transmisión (Kcal/h.m2)ºC), para cada muro o techo del ambiente considerado, A = superficie en m2 de cada muro o techo, t= diferencia entre la temperatura exterior de cada superficie del ambiente a acondicionar, y la temperatura a la que acondicionaremos el ambiente (25ºC). Ejemplo: muro exterior, temperatura seca exterior de cálculo para La Rioja: 40 ºC, temperatura seca interior: 25 ºC, T = (40 - 25) = 15 ºC. Muro interior, lindero con un ambiente no acondicionado, temperatura externa del muro 35 ºC, T = 10 ºC. Muro lindero con otro ambiente acondicionado, T = 0 ºC, y qrsm= S A . I . s, representa la ganancia por radiación solar, siendo A las áreas ya determinadas anteriormente teniendo en cuenta que se deberán considerar solamente los muros y los techos exteriores, que reciban la luz solar en forma directa, I = Intensidad de radiación solar ( Kcal/h m2) , y s = coeficiente de absorción de paredes o techos (adimensional) El coeficiente I se determina con las tablas 6.III del manual de Quadri, Pág. 80, 81 y 82, tanto para paredes como para techo. En el caso de las paredes, influye la orientación . En el caso de techos horizontales, es independiente de la orientación. NOTA: cuando se calculan las ganancias por radiación a través de paredes verticales o techos horizontales, se debe tener en cuenta la inercia térmica de los materiales. La radiación solar que calienta exteriormente una superficie, ingresará en forma de ganancia térmica al interior del local un cierto tiempo después, dependiendo de las características del muro considerado. El retardo en el ingreso del calor, puede tomarse según estos datos: Pared de ladrillo de 0.10 m de espesor, tiempo de retardo.........................................2hs. Ídem de 0.15 m de espesor,.......................................................................................3hs. 5

Ídem, de 0.30 m de espesor,......................................................................................5hs. Por ejemplo, si quisiéramos determinar las ganancias de calor por transmisión a través de muros y techos en La Rioja a las 15 horas, y si ambos tuvieran 0,30 m de espesor, el cálculo sería el que resulte de considerar un t = (40 ºC - 25ºC) = 15ºC, ya que la temperatura exterior estimada para las 15 hs. es de 40ºC, y la interior de diseño 25ºC. Pero para calcular el calor ganado por radiación a través de muros y techos a la misma hora (15 hs.), deberemos considerar los coeficientes I que correspondan a las 10 hs. y no a las 15 hs., al estimar un retardo de 5 horas por inercia térmica.. La temperatura exterior de cálculo que corresponda a la hora corregida , se obtiene del Cuadro 5-III, Pág. 78 del Manual de Quadri. Conociendo la temperatura exterior y la HR a las 15 hs., y la variación diaria de temperatura en la zona, se determina la temperatura corregida. Esta es la temperatura que se empleará al calcular las ganancias por radiación en muros y techos. El coeficiente s está dado en función del color de las superficies expuestas. Superficies muy claras (blancas, crema, marfil, etc.).................................................0,017 Superficies claras ( gris, amarillo, madera, revoque, etc.).........................................0,030 Superficies oscuras ( rojo, azul, gris oscuro, tejas, ladrillos, etc.).............................0,035 Superficies muy oscuras ( negro, asfalto)........................................................ .......0,042 En el caso de tener una superficie inclinada, se deberán extraer de la Tabla 6-III los valores de I correspondientes a superficies verticales (Iv) y los correspondientes a superficies horizontales (Ih). Notar que para una hora determinada, hay distintos coeficientes Iv según la orientación de la superficie, pero el que corresponde a superficies horizontales Ih es uno solo. Si la superficie está inclinada un ángulo  con respecto al plano horizontal, el coeficiente I se calcula según : I = Ih cos  + Iv sen 

I

Siendo : Iv = Intensidad de radiación solar sobre la superficie vertical (kcal/h.m2) Ih = Intensidad de radiación solar sobre la superficie horizontal  = ángulo de inclinación

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1.2 Ganancias por infiltración solar a través de superficies vidriadas En el caso de superficies vidriadas, el calor ingresa a los ambientes a climatizar de la misma forma que vimos para paredes y techos, es decir mediante los mecanismos de transmisión y de radiación. La diferencia es que las ganancias por radiación a través de superficies vidriadas no están afectadas por la inercia térmica, no hay retardo. La ganancia total a través de vidrios, se expresa como : qv = qov + qrsv , donde qov =  K . A . t = K . A . (TSae - Ti), ganancia por conducción , siendo: TSae la temperatura seca del aire exterior, Ti la temperatura interior asumida para el cálculo, y qrsv =  A . I . c , ganancia por radiación solar a través de vidrios, donde c es un índice que tiene en cuenta la protección contra los rayos solares que tengan las superficies vidriadasValores de c: Vidrio transparente:......................................................................................................1 Vidrio esmerilado o grabado.....................................................................................0,80 Vidrio transparente con cortinas exteriores color claro.............................................0,30 Vidrio transparente con cortinas interiores claras.......................................................0,50 Toldo de lona............................................................................................................0,20 Parasoles...................................................................................................................0,20 Los coeficientes K, e I, se determinan mediante las tablas mencionadas anteriormente, y con las mismas consideraciones. A, es el área de la superficie vidriada, en m2 . 2. Otras Ganancias internas Son varios los factores que intervienen a saber: 2.1 Ganancias debida a los ocupantes La cantidad de calor cedida por un cuerpo humano, depende de su tamaño, actividad, y otros factores. Los mecanismos que un cuerpo humano utiliza para ceder Calor Sensible al ambiente son: conducción, radiación, y convección, y también cede Calor Latente a través de la respiración y de la exudación La disipación de calor de una persona media de 70 Kg., 1,75 mts de altura puede estimarse para una temperatura seca del aire de 25ºC según lo indicado en el Cuadro 9-III del Manual de Quadri, Pág. 88. 2.2 Disipación de calor por artefactos eléctricos a) Lámparas. Incandescentes : 0,86 Kcal/h por Watt de potencia instalado. Fluorescentes: 1,032 Kcal/h por Watt instalado. Aquí influyen las reactancias de los artefactos, por eso el calor es mayor.

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b) Máquinas impulsadas con motor. En función de la potencia de los motores, la relación es la siguiente: 1 CV = 736 Watts 1 CV = 736 x 0,86 = 630 Kcal/h Este sería el equivalente térmico del trabajo realizado por el motor. A ese valor hay que sumarle la pérdida de calor por disminución del rendimiento del motor. Existen casos en que el motor no se encuentra dentro del local acondicionado. En la práctica se adoptan tres diferentes casos: - Motor y trabajo en el ambiente acondicionado:............