Guía para calcular las cargas interiores en proyectos de calefacción y aire acondicionado (1ª PARTE)

El cálculo de cargas de calefacción y refrigeración son la base del diseño primario para la mayoría de los sistemas y componentes. Estos cálculos afectan al tamaño de tuberías, conductos, difusores, unidades de tratamiento de aire, calderas, enfriadoras, serpentines, compresores, ventiladores y cada componente de los sistemas que condicionan el ambiente interior. Los cálculos de carga de calefacción y refrigeración pueden afectar significativamente los costes principales de construcción del edificio, el confort y la productividad de los ocupantes, y los costes de operación y consumo de energía.

Si el diseño del sistema de calefacción y aire acondicionado no se afina convenientemente estaremos soportando unos costes de capital superiores y sobre todo un consumo energético bastante más elevado durante toda la vida útil de los equipos.

En el sector de la edificación los cálculos de las cargas de calefacción y aire acondicionado están bastante estandarizados. Esta disciplina está ampliamente extendida y múltiples herramientas están disponibles. Estas herramientas son simplificaciones con utilidad para las aplicaciones más comunes y especialmente fáciles de usar en ambientes climáticos de los países desarrollados. Sin embargo, cuando trabajamos diseñando sistemas de calefacción o aire acondicionado en ambientes como el industrial, o en general en aplicaciones no residenciales, no vamos a poder usar las herramientas más comunes. Ello conlleva que en muchas ocasiones se realizan simplificaciones, especialmente se cae en un exceso de factores de seguridad y en procesos térmicos complejos eso supone derroche energético.

También hemos encontrado que la mayoría de las herramientas de fácil uso se diseñaron para ser aplicadas en ambientes climáticos conocidos (Estados Unidos, Europa, etc) pero no están bien orientadas a trabajar en el hemisferio sur. Si realizamos proyectos en regiones como África o América del Sur nos veremos también obligados a incorporan factores de seguridad adicionales que encarecen el proyecto.

Los conceptos que exponemos en esta guía permiten identificar al diseñador todas las variables que deben ser evaluadas en un proyecto cuando tengamos que analizar necesidades de calefacción y aire acondicionado que van más allá de las aplicaciones residenciales comunes, debemos diseñar aplicaciones que deben funcionar en ambientes particulares (agroindustrial, industrial, etc), o en ambientes climáticos menos conocidos como los que tienen lugar en el trópico.

La consideración correcta de todas las cargas nos permitirá conseguir un consumo eficiente, abarataremos los costes de la inversión inicial y podremos además diseñar equipos que trabajen en condiciones ambientales extremas.

CARGAS DE CALEFACCIÓN Y AIRE ACONDICIONADO

Simplificando, las cargas de calefacción y aire acondicionado son las tasas de entrada (calefacción) o retirada (frío)  de energía requeridos para mantener un ambiente interior a unas determinadas condiciones. Los sistemas de calefacción y aire acondicionado están diseñados, dimensionados, y controlados para considerar esa transferencia de energía. La cantidad de calor o frío requerido en un momento particular varía ampliamente, dependiendo de factores externos (temperatura exterior)  e internos (número de personas ocupando un espacio).

En ambientes particulares como los industriales o el sector comercial, las cargas pueden ser muy variables y tendrán una incidencia apreciable en el sistema de calefacción y aire acondicionado. Las cálculos de la carga de aire acondicionado y calefacción pico buscan determinar la máxima tasa de transferencia de calefacción y aire acondicionado necesaria en cualquier punto en un momento determinado.

En esta breve guía discutimos los elementos comunes de las cargas de aire acondicionado (ej. ganancia de calor interna, ventilación e infiltración, migración de humedad, ganancia de calor) y dos métodos para estimación de las cargas de aire acondicionado: Balance de calor (HB) y series temporales radiantes (RTS).

PRINCIPIOS DE CÁLCULO DE LAS CARGAS DE ENFRIAMIENTO

Las cargas de aire acondicionado resultan de los procesos de transferencia de calor que se producen a través de la envolvente del edificio y de fuentes internas y componentes del sistema. Las cargas que pueden afectar al aire acondicionado son:

• Externas: Paredes, techos, ventanas, claraboyas, puertas, particiones, tejados y suelos.
• Internas: Luces, personas, aparatos y equipos.
• Infiltración: Pérdidas de aire y migración de humedad.
• Sistema: Aire exterior, pérdidas en conductos y ganancias de calor, recalentamiento, ventiladores y energía de bombas, y recuperación de calor.

Tasas de flujo de calor

En los diseños de aire acondicionado, deben diferenciarse, las cuatro siguientes tasas de flujo de calor, que varían con el tiempo.

a)       Ganancia de calor del espacio:

Esta tasa instantánea de la ganancia de calor es la tasa a la que el calor entra en y/o es generado dentro de un espacio. La ganancia de calor se clasifica por su modo de entrada en el espacio y si es sensible o latente.

• Modos de entrada: Incluye (1) radiación solar a través de superficies transparentes; (2) conducción de calor a través de paredes y tejados; (3) conducción de calor a través de techos, suelos, y particiones interiores; (4) calor generado en el espacio por los ocupantes, luz y aparatos; (5) transferencia de calor a través de ventilación directa al espacio e infiltración del aire exterior; y (6) ganancias de calor varias.
• Calor sensible: Es añadido directamente al espacio acondicionado por conducción, convección, y/o radiación.
• Calor latente: Esta ganancia de calor ocurre cuando se añade humedad al espacio por ocupantes y equipos

El ratio de humedad deberá permanecer constante por lo que el vapor de agua añadido por personas y equipos debe condensar y ser eliminado a la misma tasa con la que se añade al espacio. La cantidad de energía requerida para compensar la ganancia de calor latente es igual al producto de la tasa de condensación por el calor latente de condensación.

b)       Ganancia de calor radiante:

La energía radiante debe primero absorberse por las superficies que encierran el espacio (paredes, suelos y techos) y objetos en el espacio. Cuando estas superficies y objetos están más calientes que el aire empieza a transferirse calor al aire por convección.  La capacidad de almacenamiento de calor compuesto por estas superficies y objetos determina la tasa a la que sus respectivas superficies incrementan la temperatura para una entrada radiante dada. El efecto de almacenamiento térmico es crítico para determinar entre la ganancia de calor instantánea para un espacio dado y su carga de enfriamiento en ese momento. Predecir la naturaleza y magnitud de este fenómeno en orden de estimar una carga de enfriamiento realista para unas circunstancias particulares tiene una gran importancia en el diseño.

c)        Carga de enfriamiento del espacio:

Es la tasa a la que debe quitarse calor sensible y latente del espacio para mantener una temperatura y humedad del aire del espacio constante.

d)       Tasa de extracción de calor del espacio.

Las tasas a las que se extrae el calor sensible y latente del espacio acondicionado es igual a la carga de enfriamiento solamente si la temperatura y humedad del aire son constantes. Junto con la operación intermitente del equipo de enfriamiento, los sistemas de control usualmente permiten solo una variación u oscilación cíclica menor en la temperatura de una habitación

e)       Carga del serpentín de enfriamiento

La tasa a la que se extrae la energía en un serpentín de enfriamiento es igual a la suma d elas cargas de enfriamiento del espacio para todos los espacios servidos por el serpentín, además de cualquier carga del sistema.

Ver 2ª PARTE