Levantamiento de cargas térmicas

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Este procedimiento es fundamental para elegir de manera correcta el equipo que se ocupará para un proyecto y encontrar las mejores condiciones para el ahorro de energía eléctrica. El profesional HVACR debe considerar algunas características para realizar un trabajo óptimo.

Lorenzo Cadena

Una carga térmica o carga de enfriamiento es la cantidad de energía que se requiere vencer en un área para mantener determinadas condiciones de temperatura y humedad para una aplicación específica, como el confort humano. Por lo tanto, es la cantidad de calor que se retira de un espacio definido expresada en BTU (la unidad utilizada comercialmente relaciona unidad de tiempo, BTU/hr).

Hay puntos importantes que el mecánico debe considerar para el levantamiento del área que desea acondicionar:

•   Datos atmosféricos del sitio, que dependen de la zona donde se encuentra la obra
•   Las características de la edificación. Conocer las dimensiones físicas, el espesor de las paredes, techos, suelos y tabiques, la posición relativa en la estructura y el material de construcción ayudan a elegir el equipo más conveniente
•   Condiciones de ambiente, como el color exterior de las paredes y techumbre, sombra proyectada por edificios adyacentes y luz solar, áticos con o sin ventilación, por gravedad o ventilación forzada; espacios circundantes acondicionados y temperatura de los espacios no acondicionados, como salas de calderas, cocinas y suelos sobre tierra levantada o sótano
•   La orientación del edificio y la dirección de las paredes del espacio a acondicionar. Esto es muy importante al momento de elegir una vivienda o construir la edificación, pues se debe buscar que no esté expuesto a la luz solar directa o tratar de aislar el lugar donde haya mayor transferencia de calor. También deben considerarse los puntos cardinales, las estructuras permanentes próximas, como los efectos de sombra, y las superficies reflectantes, como el agua, arena o lugares de estacionamiento
•   Dimensiones del local en todas sus extensiones, con la altura del techo de suelo a suelo, de suelo a techo, así como el espacio entre el cielo raso y las vigas
•   Tamaño y profundidad de las vigas
•   El momento del día en que la carga llega a su pico (entre las 12 y 16 horas), que es cuando se genera más calor
•   Espesor y características de los aislamientos, si los tiene
•   Las dimensiones y situación de las ventanas, la cantidad de sombra en los vidrios, el material de los marcos (madera o metal), si es de cristal múltiple o simple, el tipo de persianas, las dimensiones de los salientes de las ventanas y la distancia del marco de la ventana a la cara exterior de la pared
•   La ubicación, dimensiones y frecuencia de empleo de puertas instaladas
•   La temperatura del espacio adyacente de las escaleras y ascensores, así como la potencia de motores y ventiladores de motores, en el caso de escaleras mecánicas
•   Concentración de personal en el local y la naturaleza de su actividad. En algunos casos es preciso estimar los ocupantes con base en el cálculo de metros cuadrados por persona o promedio de circulación
•   Las fuentes de calor internas, como lámparas y otros equipos eléctricos que generen calor. Es necesario conocer la potencia en la hora punta, si el alumbrado es de tipo incandescente, fluorescente, directo o indirecto. Se deben tener previstos el tipo de ventilación y el sistema de salida y alimentación de aire. Si se carece de información exacta se recurrirá a un cálculo de iluminación en vatios por metro cuadrado
•   Es muy importante tomar en cuenta la fecha y hora para hacer el levantamiento
•   La situación, potencia nominal y empleo de los motores, son datos muy importantes que deben valorarse con cuidado, pues la potencia de entrada de los motores eléctricos no es necesariamente igual a la potencia útil dividida por el rendimiento. Con frecuencia los motores trabajan con una sobrecarga, o bien, por debajo de su capacidad nominal
•   La potencia y consumo de equipos eléctricos. Se puede obtener más precisión si se mide el consumo de energía eléctrica o gas durante la hora pico. Los calentadores normales sirven con frecuencia para este objeto, siempre que una parte del consumo del gas o de energía no esté incluida en las aportaciones de calor del local. Es preciso evitar la acumulación de ganancias de calor por distintos conceptos, como un tostador eléctrico que no funcione durante la noche. No todas las máquinas comerciales que hay en un mismo local funcionan de manera simultánea; un equipo electrónico exige su propio acondicionamiento de aire. En estos casos deben seguirse las instrucciones del fabricante en cuanto a variaciones de humedad y temperatura.
•   La relación de ventilación, los metros cúbicos o metros cuadrados por persona, así como el humo excesivo, los olores, extractores de humo, su tipo, tamaño, velocidad y caudal
•   El almacenamiento térmico, que comprende el horario de funcionamiento del sistema (12, 16 o 24 horas al día), con especificaciones de las condiciones punta exteriores, variación admisible de temperatura en el espacio durante el día, alfombras de suelo y la naturaleza de los materiales superficiales que rodean el espacio acondicionado
•   Funcionamiento continuo o intermitente del sistema, es decir, si el sistema funciona todos los días o sólo en ocasiones, como ocurre en las iglesias y salas de baile. Si el sistema es intermitente hay que determinar el tiempo disponible para refrigeración previa o prenfriamiento

En el diseño de aire acondicionado existen cuatro tasas relativas de flujo de calor, cada una de las cuales varía en el tiempo y deben ser diferenciadas por:

  • Aumento de calor del espacio
  • Carga de enfriamiento del espacio
  • Tasa de extracción de calor del espacio
  • Carga del serpentín

Es necesario conocer las zonas donde se gana calor y la fuente que lo genera. Por ejemplo, la radiación solar a través de ventanas, tragaluces, la conducción de calor a través de paredes exteriores y techos, la conducción de calor a través de divisiones internas, techos y pisos, el calor generado por los ocupantes, luces y equipos que generen calor, la energía transferida como resultado de ventilación e infiltración de aire del exterior o aumentos de calor por otras fuentes de energía. El análisis del local debe incluir también la información que permita seleccionar la situación del equipo y planificar los sistemas de distribución de aire y agua.

Características del local y fuentes de carga térmica
Para una estimación realista de las cargas de refrigeración es fundamental un estudio riguroso de los componentes de carga en el espacio que se va a acondicionar. Es indispensable que el estudio sea preciso y completo, sin subestimar su importancia. Para ello es necesario tener en cuenta los planos de detalles mecánicos y arquitectónicos, los croquis sobre el terreno y, en algunos casos, fotografías de aspectos importantes del local.

Condiciones de instalación
El análisis del local debe incluir información que permita seleccionar la situación del equipo y planificar los sistemas de distribución de aire y agua. Para obtener esta información se recomienda considerar:

1.  Espacio disponible, como los huecos de escaleras, de los ascensores y las chimeneas en desuso, huecos de conductos y montacargas, así como espacios para unidades de ventilación, máquinas de refrigeración, torres de enfriamiento, bombas y servicios.
2. Posibles obstrucciones, como las condiciones eléctricas, cañerías o interferencias situadas en el trazado de los conductos.
3. Situación de las entradas de aire en relación con la calle, otros edificios, dirección del viento, sociedad y desvío de contaminadores nocivos.
4. Suministro de energía eléctrica: situación, capacidad, limitaciones de corriente, tensión, fases y frecuencias, si es de tres o cuatro hilos y si es posible incrementar la energía.
5. Suministro de agua: situación, dimensiones de la tubería, capacidad, temperatura máxima y presión.
6. Refrigeración: se refiere al tipo de sistema, capacidad, temperatura, caudal y presión; si se trata de salmuera o agua fría, en caso de que lo suministre el cliente.
7.  Características arquitectónicas del local para seleccionar las salidas de aire que se impulsarán.
8. Equipo y conducto de aire existente para su posible empleo
9. Desagües y el sitio de montaje, así como la capacidad y disposición de la red de drenaje
10. Requisito de condiciones sonoras y control de vibraciones, la relación entre la situación de los aparatos de refrigeración y ventilación y las zonas críticas
11.  Accesibilidad del equipo al lugar del montaje: ascensores, escaleras, puertas y acceso desde la calle.

Métodos de cálculo de cargas térmicas
La ASHRAE reconoce cuatro métodos de cálculo de cargas térmicas para seleccionar la capacidad de los equipos de aire acondicionado.

•   Función de transferencia (TMF)

Este método tiene como fundamento estimar las cargas de enfriamiento hora por hora, predecir las condiciones del espacio para varios sistemas, establecer programas de control y programas de operación.

El método se utiliza para calcular el flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y techos soleados. Los resultados, debido a las variaciones de construcción, se consideran insignificantes si se toma en cuenta la carga de los componentes normalmente dominantes. La ASHRAE generó factores de decremento efectivos de calor y periodos de retraso de tiempo para 41 diferentes tipos de pared y 42 tipos de techo, que son utilizados como coeficientes de función de transferencia.

 •   Cálculo de cargas por temperatura diferencial y factores de carga de enfriamiento (CLTD/CLF)

Es el método que debe aplicarse como primera alternativa en el cálculo manual. Es simplificado por utilizar un factor U para calcular la carga de enfriamiento para techos y paredes, y presenta resultados equivalentes. Así, la ecuación básica para carga de enfriamiento en superficies exteriores es: q = U * A (cltd).

El método de cálculo de carga por temperatura diferencial se basa en la suposición de que el flujo de calor a través de un techo o pared puede obtenerse al multiplicar la temperatura diferencial (exterior-interior) por los valores tabulados U de techos y paredes, respectivamente.

Valores de temperatura diferencial total equivalente y tiempo promedio (TETD/TA)
Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio a través de la convención del TETD/TA se aplican los mismos procedimientos generales de la función de transferencia (TFM).

El cuarto método es un capítulo especial de cltd/clf, utilizado para cálculo de cargas en residencias.

Aplicar el procedimiento TETD/TA de forma manual, en especial el cálculo de promedio de tiempo, resulta tedioso en la práctica. Esto, y el interés creciente en el TFM, condujo a la ASHRAE a desarrollar el proyecto de investigación RP-158, con el objetivo de comparar las diferencias y similitudes entre el TEDT y TFM y así establecer un procedimiento común para ambos. Se obtuvieron técnicas automatizadas que al utilizar el TETD/TA proveen resultados aproximados a la precisión del TFM, pero con menor esfuerzo en cómputos.

La técnica del CLTD evoluciona como una operación manual que involucra menos cálculos matemáticos y remplaza el procedimiento de TETD/TA para cálculos manuales, pero requiere de tablas de factores precalculados.

Equilibrio de calor (HB). Es el método científico más riguroso y se obtiene de la siguiente manera:

BTU = W x Dt x c = (A x k)(Dt)/X
BTU = cambio de calor
W = peso (en libras)
Dt = diferencia de temperatura
c = calor específico de la sustancia
A = área seccional (en pies)
K = conductividad térmica (BTU/h)(pie2)(F)
X = espesor del material (en pulgadas)

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Nota: Las condiciones mostradas en esta tabla pueden variar según: – Número de ventanas y orientación – Número de personas en la habitación – Material de construcción – La ubicación del área por acondicionar – Si el área a enfriar es la cocina

Como apoyo, existen tablas de zonas para calcular el área que se va a enfriar.

La zona 1 comprende los estados de Aguascalientes, Colima, Guanajuato, Jalisco, Nayarit, Tlaxcala y Zacatecas.

En la zona 2 se encuentran el Distrito Federal, Estado de México, Hidalgo, Michoacán, Morelos, Puebla y Querétaro.

A la zona 3 pertenecen Baja California Sur, Guerrero, Oaxaca, San Luis Potosí, Tamaulipas y Veracruz.

La zona 4 incluye Baja California Norte, Campeche, Chiapas, Chihuahua, Coahuila, Quintana Roo, Sinaloa, Sonora, Tabasco, Durango, Yucatán y Nuevo León.

Factores de cálculo

Es necesario calcular la cantidad de aire que debe suministrar el equipo y la cantidad de calor que se debe remover para mantener el espacio bajo las condiciones esperadas de diseño. Para realizar el cálculo se parte de las condiciones ambientales exteriores críticas. El primer factor a considerar es el de diseño, que se divide en interiores y exteriores. Los factores exteriores son los siguientes:

  • Temperatura de bulbo seco: 30 grados Celsius
  • Temperatura de bulbo húmedo: 21 grados Celsius

Las condiciones interiores se expresan de la siguiente manera:

  • Temperatura de bulbo seco: 22 grados Celsius
  • Humedad relativa: 50%

Las ganancias de calor del local (según el aforo de carga calórico):

  • Calor sensible del local (RSH) 23.576 kcal/h
  • Calor latente del local (RLH) 3.995 kcal/h

El segundo factor corresponde al calor sensible del área (RSHF). Nos indica sobre el diagrama psicométrico y la evolución que tiene el aire acondicionado al interior del local.

El tercer factor a considerar está relacionado con las variaciones de temperatura:

  • Temperatura seca, registrada por un termómetro ordinario
  • Temperatura húmeda, indicada por un termómetro cuyo bulbo está cubierto por una mecha húmeda y expuesto a una corriente rápida de aire
  • Temperatura de rocío, donde comienza la condensación de humedad cuando el aire se enfría.

Los diferentes tipos de temperaturas y la humedad relativa están relacionados de forma que, cuando se conocen dos de ellas, pueden determinarse las restantes. Cuando el aire está saturado, las temperaturas seca, húmeda y de rocío son iguales.

Por consiguiente, debe considerarse la humedad relativa, entendida como relación entre la presión del vapor de agua contenida en el aire y la presión de vapor saturada a la misma temperatura, así como la humedad específica o contenido de humedad, que es el peso de vapor de agua expresado en gramos por kilo de aire seco.

Otros factores relevantes
Entalpía, referida a la cantidad de calor contenido en el aire, a partir de los cero grados celsius. Cualquiera que sea la temperatura considerada, la entalpía se supone en la saturación. Para el aire no saturado se tendrá que corregir con la línea de variación de entalpía, en casos donde es necesaria una gran precisión. En casos normales de acondicionamiento de aire se puede prescindir de esta corrección. Viene dada en kcal/kg del aire seco.

Volumen específico, entendido como los metros cúbicos de aire húmedo que corresponden a un kilo de aire seco

Factor de calor sensible, como la relación entre los calores sensible y total

Punto de referencia, situado a los 26.7 grados Celsius y 50 por ciento de humedad relativa. Se emplea junto con la escala de factores de calor sensible para dibujar las líneas del proceso de aire acondicionado.

Kilos de aire seco, que constituyen la base de todos los cálculos psicométricos y permanecen constantes durante todos los procesos.