CATEDRA ING. JAVIER ROSCARDI

Transcripción

1 CONFORT TERMICO CONCEPTOS GENERALES El concepto de confort o bienestar es muy amplio y tiene en cuenta factores físicos y psíquicos de las personas que habitan una región. Existen distintas definiciones de organismos internacionales ( OIT ONU etc.) o de asociaciones internacionales dedicadas específicamente al tratamiento de este tema A los fines de dar un concepto global, desde un punto de vista integral y tecnológico, diremos que el confort esta ligado con condiciones térmicas, acústicas, lumínicas etc., que dependen de la actividad a desarrollar en el lugar de estudio.- Cabe aclarar que en forma común la idea de confort se aplica a las condiciones térmicas (confort térmico) que debe cumplir un lugar habitado por personas, pero también es aplicable este concepto (desde el punto de vista técnico) para un lugar habitado por animales o plantas, para la conservación de un producto, de un sistema o para la realización de un proceso de fabricación.- Refiriéndonos estrictamente al aspecto térmico, los parámetros principales a tener en cuenta para definir confort térmico son: TEMPERATURA HUMEDAD VELOCIDAD DEL AIRE SALUBRIDAD DEL AIRE Los valores de estos parámetros para las condiciones de confort térmico adecuado para el lugar en estudio dependen de un gran número de consideraciones a tener en cuenta, entre las principales podemos citar: TIPO DE ESPACIO (Exterior o Interior) TIPO DE TAREA A DESARROLLAR EPOCA DEL AÑO A EVALUAR ( Verano o Invierno) UBICACIÓN GEOGRAFICA CARACTERISTICAS DE LAS PERSONAS Y / O MATERIALES En general en todo el análisis que sigue, solo nos referiremos (salvo expresa aclaración) a espacios interiores destinados a ser habitados por personas.- ES MUY IMPORTANTE ENTENDER QUE LA IDEA DE ESTABLECER LAS CONDICIONES DE CONFORT CON GRAN UTILIZACION DE ENERGÍA ESTA DIRECTAMENTE RELACIONADA CON LA FALTA DE CONSIDERACIONES (MALAS PAUTAS) DE ESTE CONCEPTO A LA HORA DE RESOLVER EL PROYECTO Y DE CONCRETAR LA OBRA DE ARQUITECTURA. POR ESTO QUEDA CLARO, QUE SE DEBEN APLICAR LOS CONOCIMIENTOS PARA LA OPTIMIZACION DE LOS RECURSOS CONSTRUCTIVOS CON EL FIN DE LOGRAR EL MENOR USO DE ENERGÍA POSIBLE CONJUNTAMENTE CON LA MENOR AGRESION AL MEDIO AMBIENTE.- CONDICIONES Y ANALISIS DE CARGAS TERMICAS EN INVIERNO Acondicionar térmicamente un local en invierno, significa suministrarle la cantidad de calor necesaria para lograr las condiciones de bienestar o confort térmico establecidas para ese local. La cantidad de calor a suministrar es igual a las perdidas de calor hacia el exterior (ya que en invierno la temperatura interior es mayor que la exterior). La humedad en el proceso de calefacción es un parámetro a tener en cuenta (especialmente en aquellos sistemas de calefacción que funcionan por convección del aire interior) ya que al calentar el aire puede bajar la humedad relativa a valores no aceptables y por eso en algunos casos se debe humidificar el aire calefaccionado para darle condiciones aceptables. Para las condiciones de algunas regiones de nuestro país (alta humedad relativa) en general este problema no es relevante.- Página 1 de 10

2 El estudio de las pérdidas de calor debido a distintos factores (que mas adelante detallaremos) se cuantifica mediante EL BALANCE TÉRMICO.- Solo a los fines de aclaración y comparación diremos que para verano el balance térmico esta referido a las ganancias de calor del local. Por eso para verano se tienen en cuenta el aporte de ciertas fuentes de calor (iluminación, efecto invernadero, maquinas, etc.), mientras que en balance térmico para invierno estos aportes de calor (mientras que no sean significativos) NO SE TIENEN EN CUENTA ya que se toman como un valor de seguridad.- Por todo lo anterior, se entiende que siempre es necesario hacer un análisis completo de los distintos factores a tener en cuenta para determinar las cargas térmicas, y con este realizar UN BALANCE TÉRMICO CORRECTO.- Como factores fundamentales a tener en cuenta, podemos citar 1. INFORMACION DE LOS LOCALES A CALEFACCIONAR DIMENSIONES- MATERIALES- CERRAMIENTOS- ACCESOS- ESCALERAS, ESTRUCTURA- INSTALACIONES, ETC.- 2. ORIENTACION DEL EDIFICIO UBICACIÓN GEOGRAFICA- ORIENTACION DE LOS DISTINTOS LOCALES- IMPLANTACION URBANA- ETC.- 3. DESTINOS O USOS DE LOS LOCALES OCUPANTES (CANTIDAD Y GRADO DE OCUPACION) ACTIVIDAD A DESARROLLAR (TIPO DE ACTIVIDAD Y HORARIOS DE TRABAJO) SISTEMA DE ILUMINACIÓN MOTORES Y MAQUINARIAS (POTENCIA- UBICACIÓN Y TIEMPO DE USO) VENTILACION (UBICACIÓN NATURAL O FORZADA).- 4. CONDICIONES DE DISEÑO TÉRMICO INTERIOR Y EXTERIOR 5. CONDICIONES TERMICAS DE LOS LOCALES ADYACENTES CONDICIONES DE DISEÑO TÉRMICO EXTERIOR Mediante la consulta del lugar geográfico a analizar al INSTITUTO METEOROLOGICO NACIONAL, se puede saber cual es la TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA EXTERIOR, promedio mensuales y valores extraordinarios ocurridos en los últimos 10 años. Con estos datos se puede realizar un dato estadístico real del lugar LA TABLA Nº1 refleja los datos de temperatura para distintas zonas de nuestro país.- INTERIOR Página 2 de 10

3 Estas condiciones dependen fundamentalmente de la estación del año, en nuestro caso invierno y el destino de uso del local en análisis. En forma orientativa se pueden adoptar los valores de la tabla N 2. La temperatura interior es para personas en reposo (o actividad sedentaria) y a una altura de 1,50 m del NPT (nivel de piso terminado) y a menos de 1 m de las paredes exteriores. ACLARACIÓN: Si se utiliza el sistema de paneles radiantes es conveniente adoptar entre 3 a 5 grados menor que la temperatura del aire de tabla Nº2. Esto es debido a que este sistema transmite gran cantidad de calor por radiación (60 % radiación 40 % convección) al ambiente a calefaccionar. CARGAS TERMICAS : INVIERNO Realizar el análisis de las cargas térmicas en los locales a calefaccionar esta destinado a cuantificar las pérdidas de calor.esta cuantificación se conoce con el nombre de BALANCE TÉRMICO Es importante destacar, que con el resultado del balance térmico, se podrá determinar si es necesario hacer una revisión del proyecto de arquitectura para mejorar el ahorro energético y la relación con el medio ambiente.- Los tipos de cargas térmicas pueden clasificarse POR LA FUENTE - INTERNA - EXTERNA POR LA FORMA - SENSIBLE (CALOR POR CAMBIOS DE TEMPERATURA) - LATENTE (CALOR POR CAMBIOS DE ESTADO) POR EL TIPO - TRANSMISION - ORIENTACION - INFILTRACION - VENTILACION - PERSONAS - ILUMINACIÓN - MOTORES Y ARTEFACTOS - OTRAS FUENTES Recordamos la aclaración que los aportes de calor al ambiente por medio de las personas, el sistema de iluminación, motores y artefactos, siempre y cuando este aporte de calor al ambiente no sea importante, no se consideran como carga térmica en el balance térmico para invierno Por esto, las principales cargas térmicas que se evalúan en el BALANCE TÉRMICO DE INVIERNO SE HACEN SEGÚN SU TIPO y son: 1. TRANSMISION 2. ORIENTACION 3. INFILTRACION 4. VENTILACION ANALIZAREMOS CADA UNA DE ELLAS 1.- PERDIDAS POR TRANSMISION : Se establecen a través de las paredes, techos, pisos, puertas, ventanas PERDIDAS POR ORIENTACION: Se deben a las distintas orientaciones en los cerramientos exteriores. Se evalúan como un porcentaje de las perdidas por transmisión.- 3 y 4.- PERDIDAS POR INFILTRACION Y VENTILACION : Se deben a las pérdidas producidas por las infiltraciones (presion de aire exterior) a través de las carpinterías que dan al exterior y/o por las ventilaciones (natural o forzada) de los locales para conservar las condiciones de salubridad del aire interior. Página 3 de 10

4 Se pueden evaluar mediante la forma : a) CALOR SENSIBLE : Calor necesario para calentar el aire que entra al local a la temperatura exterior y llevarlo a la temperatura interior. b) CALOR LATENTE : Es la cantidad de calor que se corresponde con el cambio de humedad específica para llevar el aire exterior a las condiciones de humedad específica del aire interior. Sólo para sistemas de aire caliente. Se debe agregar la cantidad de calor a entregar al aire exterior tomado por el equipo para llevarlo a las condiciones del aire interior. La infiltración en edificios altos por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, efecto invernadero, tiende a aumentar las infiltraciones en los niveles inferiores y disminuirlas en los superiores. CÁLCULO DE LAS PÉRDIDAS POR TRANSMISIÓN Q / T == Cantidad de calor / Unidad de tiempo (que adoptamos por simplificación escribirlo como Q) Q = k Sup ( t interior t exterior ) k = coeficiente de transmisión total en [W / m 2 C] o [Kcal / h m 2 C] 1 W / m 2 C = Kcal / h m 2 C o 1,16 W / m 2 C = 1 Kcal / h m 2 C Sup = Superficie del sistema entre t interior y t exterior en [m 2 ] t interior = temperatura del aire interior t exterior = temperatura del aire exterior en [K] o [ C] en [K] o [ C] Tener en cuenta que no habrá transmisión entre Locales que estén a la misma temperatura. Locales que estén a mayor temperatura (no se consideran ganancias) Se estima la temperatura de locales no calefaccionados que delimitan con el local en estudio en función de sus características y vinculación al exterior. Se adopta Hall pasillos toilettes 12 C (285 K) Escaleras interiores 10 C (283 K) Escaleras exteriores 5 C (278 K) Hall ppal. del edificio 5 C (278 K) Edificios adyacentes 10 C (283 K) Garages 3 C (276 K) En general, para locales NO CALEFACCIONADOS que tengan ELEMENTOS DE CIERRE que NO permita la entrada de Aire Exterior ( t interior + t exterior ) / 2 = t (local No calefaccionado) Página 4 de 10

5 En caso de piso sobre terreno, la pérdida por transmisión se calcula tomando un valor de k = 1.16 W/m 2 C (1 Kcal / h m 2 C) y la temperatura del terreno es la temperatura media anual del lugar o se puede adoptar la temperatura exterior de diseño sumándole 10 C. Una vez calculadas las distintas pérdidas por transmisión se suman y se obtiene la total. ΣQ transmisión = Q total transmisión POR ORIENTACIÓN Se calcula sobre paredes exteriores según su orientación geográfica. Son un porcentaje de las pérdidas de transmisión. Q orientación = % Q transmisión Los porcentajes para nuestro país se pueden adoptar Norte NO NE 0 % Este Oeste 5 % Sur SO SE 10 % POR INFILTRACIÓN Se calcula sobre puertas, ventanas, conductos de ventilación natural, etc. Pueden ser calificados como Sensible Q infiltración sensible = C e x Caudal de infiltración x δ a x ( t interior - t exterior ) C e = Calor específico del aire en [ W h / Kg K ] o en [ Kcal / Kg K ] Caudal de infiltración en [m 3 / h] δ a = densidad del aire en [ Kg / m 3 ] t interior : Temp. interior del local a calefac en [ C ] o [ K ] t exterior : Temp. exterior del local a calefac en [ C ] o [ K ] Latente Q infiltración latente = C LV x Caudal de infiltración x δ a x ( H A interior H A exterior ) C LV : Calor latente de vaporización para la condiciones interiores en [W h / Kg] o [Kcal / Kg] Caudal de infiltración en [m 3 / h] δ a = densidad del aire (para las cond. exteriores) en [Kg / m 3 ] Página 5 de 10

6 t interior : Temp. interior del local a calefac. en [ C ] o [ K ] t exterior : Temp. exterior del local a calefac. en [ C ] o [ K ] EL VOLUMEN DE AIRE INFILTRADO se puede calcular de calcular de dos formas distintas : a) POR HENDIDURAS O RENDIJAS b) POR RENOVACIONES HORARIAS POR HENDIDURAS O RENDIJAS : Se denomina hendidura o rendija, al perímetro de abrir de una ventana o puerta por el cual pueda entrar o salir aire interior debido a la presion del viento exterior Para calcular la longitud (en m) del perímetro de las hendiduras, se debe tener en cuenta los paños móviles de las carpinterías. En la tabla Nº 3 se puede obtener el caudal de infiltración por metro de carpintería, entrando con el tipo de carpintería y la velocidad del viento ( para Bs. As. es de 24 Km / h ) EJEMPLOS DE CALCULO DE PERIMETRO PERIMETRO HENDIDURA = 4 L + 3 H FIJO PERIMETRO HENDIDURA = 3 H + 4 L El caudal total de cada cerramiento es : Caudal de infiltración ventana o puerta = Perímetro HENDIDURA x CAUDAL / metro de hendidura Sumando cada uno de los caudales para las distintas puertas y ventanas se obtiene el caudal total de infiltración POR RENOVACIONES HORARIAS: Este método es menos exacto que el anterior pero mas práctico y rápido (ya que la tabla Nº3 es muy difícil obtenerla para cada tipo de carpintera) Página 6 de 10

7 En este caso el caudal total por infiltración se determina por medio de la cantidad de renovaciones horarias según el tipo y uso del local. Este valor ( Nº de renovaciones horarias ) se obtiene de la tabla Nº4, entonces Caudal de infiltración = Volumen de renovación x Nº de renovaciones horarias De ambos métodos explicados para el cálculo de Caudal de infiltración, se adopta el mayor y este valor se utiliza para calcular las perdidas por infiltración OTROS FACTORES QUE PRODUCEN PERDIDAS DE CALOR SON : ESTRATIFICACION DEL AIRE CALIENTE.- INTERMITENCIA o REDUCCION NOCTURNA DEL SERVICIO.- ESTRATIFICACION DEL AIRE CALIENTE.: Esto se debe a que el aire caliente flota en el aire frío por tener menor peso especifico (principio de ARQUIMEDES) por lo cual el aire caliente se ubica en los estratos superiores, produciendo una acumulación no deseada.-este efecto es despreciable hasta una altura de 3 m Esta estratificación se presenta en LOCALES DE TECHOS ALTOS (industrias, iglesias, salas de espectáculos, galerias, etc.) Encima de cielorrasos suspendidos, generalmente con iluminación indirecta, o retornos de los sistemas de aire ubicados en el cielorraso. Esto ultimo es contraproducente para los sistemas de calefacción pero es conveniente para los sistemas de refrigeración.- Para tener en cuenta esta estratificación se debe incrementar la carga de calefacción con el siguiente criterio,cuando la altura del cielorraso sea entre 3m y 5 m se incrementa un 2,5 % por cada metro adicional a la altura anterior se incrementa un 2,5 % LLEGANDOSE A UN MAXIMO ENTRE EL 15 Y EL 18% DE LAS PERDIDAS TOTALES INTERMITENCIA o REDUCCION NOCTURNA DEL SERVICIO: En la práctica, se tarda un tiempo y se consume una energía importante para que el sistema se ponga en marcha y llegue al estado de régimen la instalación. La cantidad de calor puesta en juego y el tiempo necesario para esta fase varía según el sistema de calefacción, la capacidad térmica de los locales, etc. Es muy complicado hacer una valorización de la cantidad de calor adicional y el tiempo de puesta en marcha real (esto solo se sabrá en forma confiable cuando se monte el equipo y se haga la puesta en marcha y entrada en régimen), Teniendo en cuenta lo anterior podemos distinguir tres casos caracteristicos de aplicación 1. SERVICIO ININTERRUMPIDO: con marcha reducida durante la noche (aplicación en viviendas hospitales ;etc.) 2. INTERRUMPIDO DE 8 a 12 Hrs diarias : se aplica en edificios comerciales, oficinas etc. 3. INTERRUMPIDO DE 12 a 16 Hrs diarias : se aplica en fabricas o casos particulares. por lo cual se da una tabla que se debe tomar solo a los fines indicativos de cómo valorar esta cantidad adicional. CLASE DE SERVICIO PORCENTAJE DE AUMENTO SERVICIO ININTERRUMPIDO 8 a 12 INTERRUMPIDO DE 8 a 12 hrs 12 a 20 INTERRUMPIDO DE 12 a 16 hrs 20 a 30 Página 7 de 10

8 La necesidad del tipo de régimen provocara un aumento de la potencia del sistema de calefacción que deberá ser muy tenida en cuenta en función de sus costos económicos y el grado de servicio.- PROCEDIMIENTO (PASOS) PARA EL BALANCE TÉRMICO 1. Se determina la temperatura de diseño exterior (según tabla Nº1) 2. Se determina la temperatura de diseño interior (según tabla Nº2) 3. Se calculan las superficies de los pisos, techos, paredes de los locales a calefaccionar 4. Se definen los materiales y se obtienen los distintos coeficientes K de transmisión por norma (IRAM ) o por calculo directo.- 5. Se calculan las perdidas por transmisión totales (se recomienda hacer una tabla) Q total transmisión = Σ k x Sup x ( t interior t exterior ) 6. Se calculan las perdidas por orientación utilizando los porcentajes correspondientes- Q orientación = % Q transmisión 7. Se calculan los caudales de infiltración por el método de las hendiduras 8. Se calculan los caudales de infiltración por el método de las renovaciones horarias 9. Se calcula perdidas por INFILTRACIONES Y VENTILACIONES (se recomienda hacer una tabla) Solo tomaremos en cuenta el calor sensible Q infiltración = C e x Caudal de infiltración x δ a x ( t interior - t exterior ) C e = Calor específico del aire 0,28 W h / Kg K = 0,24 Kcal / Kg K δ a = densidad del aire (exterior) 1,3 Kg / m 3 (a 0 ºC o 273 K) 10. Se calcula la cantidad adicional por estratificación del aire caliente (si corresponde) Q estratificación = % (por la altura) x ( Σ Q total transmisión + Q orientación + Q infiltración ) 11. Se calcula la cantidad adicional por interrupción del servicio (si corresponde) Q interrupción = % (por interrupción) x ( Σ Q total transmisión + Q orientación + Q infiltración ) 12. Con los cálculos realizados se obtiene el valor total de las PERDIDAS TOTALES Q total = Q total transmisión + Q orientación + Q infiltración + Q estratificación + Q interrupción Página 8 de 10

9 Este proceso se debe realizar para todos los locales del edificio que se esta realizando el BALANCE TÉRMICO Este valor de balance térmico permitirá obtener la potencia térmica necesaria para el sistema de calefacción LA POTENCIA TERMICA DE LA CALDERA (fuente de producción de calor) será mayor que el resultado obtenido por el balance térmico, ya que se deben tener en cuenta las pérdidas en el sistema (canalizaciones de mando y retorno, etc.) y el rendimiento de la caldera.- Este valor adicional a agregar es muy difícil de determinar (depende de las características de las componentes del sistema, de las condiciones de montaje, de los elementos utilizados para la aislamiento térmica, etc.). Una estimación a los fines prácticos de cálculo es del orden del 30 % del Q total. Es decir : Q caldera de calefacción = 1,3 Q total Si además la caldera esta destinada a entregar la cantidad de calor necesaria para a un tanque intermediario para producir agua calienta sanitaria (ACS) se deberá sumar esta cantidad de calor Q caldera de calefacción y ACS = 1,3 ( Q total + Q ACS ) Donde Q ACS = C e x Caudal x δ agua x ( t mando t retorno ) C e = Calor específico del agua en [ W h / Kg K ] o en [ Kcal / Kg K ] Caudal en [m 3 / h] δ a = densidad del agua en [ Kg / m 3 ] t mando : Temp. mando del sistema de ACS en [ C ] o [ K ] t retorno : Temp. retorno del sistema de ACS en [ C ] o [ K ] MÉTODO DE LOS CUBAJES DE AIRE PARA UN BALANCE TÉRMICO Como en general, realizar un análisis detallado como el explicado para todos y cada uno de los locales del edificio que se desea calefaccionar es tedioso muy extenso, se suele adoptar un método simplificado y mas rápido ( pero mucho menos exacto y confiable) conocido como el método del los cubajers de aire.- LOS PASOS SON LOS SIGUIENTES Se adoptan dos locales como representativos, uno en una situación mas desfavorable y el otro en una situación mas favorable Se calculan las perdidas de cada uno de estos locales, según lo visto en el balance térmico anterior Se calcula el VOLUMEN de cada uno de estos locales.- Se obtienen las perdidas por unidad de volumen para cada uno de ellos en W / m 3 o en Kcal / h m 3 (COEFICIENTE VOLUMETRICO DE PERDIDAS) Se hace un promedio y se toma como representativo para todo el volumen del edificio a calefaccionar Se obtiene la cantidad total de pérdidas de calefacción como el volumen total a calefaccionar multiplicado por el coeficiente volumétrico de perdidas.- Página 9 de 10

10 ESTE METODO ES SOLO APROXIMADO Y TIENE LOS SIGUIENTES PROBLEMAS Para un mismo volumen, las superficies de perdidas pueden ser mas o menos importantes Tener diferntes materiales en les paredes exteriores, distintas ventanas, o diversas condiciones exteriores e interiores Como valores de referencia podemos decir que para contruccion tradicional el coeficiente puede tomar los siguiente valores ( en Kcal / m 3 h) en función de los volumenes Hasta 20m 3 es de 55 Kcal / m 3 h / entre 20m 3 a 40m 3 es de 40 Kcal / m 3 h entre 40m 3 a 70m 3 es de 30 Kcal / m 3 h / entre 70m 3 a 120m 3 es de 25 Kcal / m 3 h A medida que aumenta el volumen (a igual forma geométrica) se puede ver que las perdidas por unidad de volumen disminuyen.- Página 10 de 10