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TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE EL SUELO
El rendimiento térmico desde las
cimentaciones del edificio ha sido en gran medida ignorado. Sin embargo, a
comienzos de los años 70 se estimó que el 10 % de la energía usada en las casas
de Estados Unidos se atribuía a la transferencia de calor a través de sus
cimentaciones. Desde entonces, el rendimiento térmico de los elementos del
edificio por encima del nivel del suelo ha mejorado significativamente, por lo
que la contribución del calor desde el suelo representa un porcentaje superior.
Un estudio llevado a cabo en 1983 estimó que la transferencia de calor desde unas
cimentaciones no aisladas en Ohio, podía representar hasta el 67 % de la carga
térmica de la envolvente del edificio.
Método de cálculo simplificado
La
herramienta para calcular pérdidas de calor a través de las cimentaciones fue
diseñada por Krarti y Chuangchid (1999). La herramienta de diseño es fácil de
usar y ello requiere los parámetros de entrada correctos con valores variables
continuamente, incluyendo tamaño de la cimentación, valores R de aislamiento,
propiedades térmicas del suelo, y temperaturas de interior y exterior. El
método simplificado proporciona una serie de ecuaciones convenientes para
estimar las pérdidas de calor estacional y anual de una losa o cimentación como
una función de un amplio rango de variables.
Cuando la temperatura interior
del edificio se mantiene constante, la transferencia de calor acoplada al suelo
q(θ) varía con el tiempo de acuerdo
con la siguiente ecuación:
Donde:
qmean=
Pérdida de calor media anual /ganancia, W
qmean=
Pérdida de calor/amplitud de ganancia, W
θ = tiempo, s
ω = frecuencia angular anual (ω=1.992 x 10-7 rad/s)
ϕ
= retraso de fase entre pérdida de calor de placa total
COMPONENTES DEL
SISTEMA SECUNDARIO
Los sistemas
HVAC secundarios incluyen todos los elementos del sistema de energía del
edificio entre un calentador central y una planta de enfriamiento y las zonas
del edificio. La definición precisa depende profundamente del diseño del
edificio. Un sistema secundario típicamente incluye equipos de manejo de aire;
sistemas de distribución de aire con conductos asociados; trampillas;
ventiladores; y calefacción, enfriamiento, y equipo de acondicionamiento de
humedad. También incluye sistemas de distribución de líquidos entre la planta
central y la zona y equipo de manejo de aire, incluyendo tuberías, válvulas y
bombas.
Aunque el diseño exacto de
sistemas secundarios varía dramáticamente entre los edificios, realmente están
compuestos de un número genérico de componentes HVAC. Estos componentes
incluyen componentes de distribución (ej. bombas/ventiladores,
tuberías/conductos, válvulas/trampillas, cabezales/plenums, accesorios) y
componentes de transferencia de masa y calor (ej., serpentines de calefacción,
refrigeración, serpentines de deshumidificación, intercambiadores de calor de
líquidos, intercambiadores de calor de aire, enfriadores evaporativos,
inyectores de vapor). La mayoría de los sistemas secundarios pueden describirse
simplemente conectando estos componentes para formar el sistema completo.
La estimación de energía a través
de la simulación del computador a menudo imita la construcción modular de los
sistemas secundarios usando elementos de simulación modular. En la extensión
que el sistema secundario consume energía y transfiere energía entre el edificio
y la planta central, puede realizarse un análisis de energía caracterizando el
consumo de energía de los componentes individuales y la energía transferida
entre los componentes del sistema. En realidad, pocos componentes secundarios
consumen energía directamente, excepto ventiladores, bombas, hornos, paquetes
de aire acondicionado de expansión directa con calentadores a gas y
calentadores en linea. Los componentes secundarios se dividen en dos
categorías: componentes de distribución y componentes de transferencia de masa
y calor.
Sistemas de ventiladores, bombas y distribución
El sistema de distribución de un sistema HVAC
afecta la consumición de energía de dos formas. Primero, ventiladores y bombas
consumen energía eléctrica directamente, basándose en el caudal y presión bajo
la cual el dispositivo opera. Conductos y trampillas, o tuberías y válvulas, y
las estrategias de control del sistema afectan al caudal y la presión en el
ventilador o bomba. Segundo, la energía térmica a menudo se transfiere a (o del
fluido) por (1) transferencia de calor a través de tuberías y conductos y (2)
entrada eléctrica a ventiladores y bombas. El análisis de los componentes de un
sistema, por lo tanto, tendría en cuenta tanto el consumo de energía eléctrica
como la transferencia de energía térmica.
El análisis detallado de un
sistema requiere el equilibrio de presión y caudal entre los componentes, pero
casi todos los métodos de análisis de energía disponibles aproximan el efecto
de las interacciones con curvas de rendimiento de carga parcial. Esto elimina
la necesidad de calcular la caída de presión a través del sistema de
distribución en condiciones fuera de diseño. Las curvas de carga parcial se
expresan a menudo en términos de ratio de entrada de potencia (power input ratio o PIR) como una
función del ratio de carga parcial, definido como el ratio de caudal con carga
parcial respecto al caudal de diseño:
Donde
PIR = Ratio de entrada de potencia
W = Potencia del motor de
ventilador a carga parcial, W
Wfull = Potencia
del motor del ventilador a plena carga, W
Q = Tasa de caudal del
ventilador a carga parcial, cfm
Qfull =Tasa de
caudal del ventilador a carga parcial, cfm
fplr = Función de regresión, típicamente polinómica
La forma exacta de la curva de
carga parcial depende del efecto del control de caudal en la presión y la
eficiencia del ventilador y puede calcularse usando un análisis detallado o
datos de mediciones de campo. Se obtienen curvas representadas por ecuaciones
de regresión polinómica.
Componentes de transferencia de masa y calor
Los sistemas
de HVAC secundarios comprenden los componentes de transferencia de masa y calor
(ej. serpentines de calentamiento de aire basados en vapor, enfriamiento por
agua fría y serpentines de des humidificación, intercambiadores de calor de
líquido de tubo y carcasa, intercambiadores de calor aire-aire, enfriadores
evaporativos, inyectores de vapor). Aunque estos componentes no consumen
energía directamente, su rendimiento térmico dicta interacciones entre cargas
del edificio y componentes primarios consumidores de energía (ej. enfriadoras,
calderas). En particular, el rendimiento de componentes secundarios determina
las condiciones del fluido entrante para los componentes primarios, los cuales
determinan las eficiencias de energía del equipo primario. Los cálculos de
energía exactos no pueden realizarse sin modelos apropiados del calor del
sistema y componentes de transferencia de calor.
Por ejemplo, la carga en una
enfriadora se describe típicamente como la suma de las cargas latentes y
sensibles de zona, más cualquier ganancia de calor de los conductos, plenums,
ventiladores, bombas, y tuberías. Sin embargo, el consumo de energía viene
determinado no solamente por la carga sino también por la temperatura y el
caudal del agua de retorno. La condición del agua de retorno viene determinada
por el rendimiento del serpentín de enfriamiento y por la estrategia de
operación de carga parcial del sistema de distribución de agua y aire. El
serpentín de enfriamiento puede típicamente controlarse para mantener una
temperatura de aire constante modulando el flujo del caudal de agua a través
del serpentín. En tal escenario, el modelo del serpentín de enfriamiento debe ser
capaz de calcular la humedad del aire, la temperatura del agua, y el caudal de
agua dado según las características de diseño del serpentín de enfriamiento y
temperatura de aire entrante y humedad, caudal, y temperatura del agua.
Virtualmente todos los programas
incluyen, y requieren, modelos de componentes de transferencia de masa y calor.
Estos modelos son generalmente relativamente simples. Mientras que un diseñador
puede usar un análisis tubo-a-tubo detallado de transferencia de calor por
conducción y convección en las superficies de las aletas para desarrollar una
combinación de geometría de aletas y tubos, un análisis de energía está más
interesado en determinar cambios en el estado de los fluidos conforme las
condiciones de operación varían durante el año. Adicionalmente, el análisis de
energía es probable que haya limitado los datos de diseño en el equipo y, por
lo tanto, requiere un modelo con muy pocos parámetros que dependen de la
geometría del equipo y características de diseño detallado.
Una aproximación típica para
modelar los componentes de transferencia de masa y calor para los cálculos de
energía se basan en un effectiveness-NTU
heat exchanger model.
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