Guía para calcular las cargas interiores en proyectos de calefacción y aire acondicionado (4ª PARTE)

Factor U en W/m²K

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FENESTRACIÓN

Las ventanas y en general cualquier otro elemento de fenestración con vidrio son el lugar por donde probablemente más energía estemos perdiendo en un espacio acondicionado para frío o calor. Las ventanas se compran cuando vamos a acabar la obra y estamos más ajustados de presupuesto y muchas veces toda la inversión que hayamos hecho para aislar el edificio la estaremos malgastando. Asimismo, el consumo energético será bastante más elevado que si tomamos la elección.

Si bien existen muchas herramientas de software orientadas al cálculo de ganancia y pérdidas de calor por fenestración, la mayoría sólo son aplicables a proyectos de edificación. Si tenemos que calcular otro tipo de aplicaciones más especializadas deberemos realizar los cálculos manualmente. Para espacios con presurización de aire positivo y neutra, la variable principal que afecta a las cargas de refrigeración es la radiación solar. El efecto de la radiación solar es especialmente pronunciado e inmediato en superficies no opacas y expuestas.  Para el cálculo de la ganancia de calor por fenestración se usan las siguientes ecuaciones:

Ganancia de calor solar por haz directo q_b:

La ganancia de calor solar difusa q_d:

Ganancia de calor conductiva q_c:

Ganancia de calor por fenestración total Q:

Donde:

A = Área de ventana, m²

E_t,b, E_t,d y E_t,r = Irradiancia difusa reflejada en el haz, cielo difuso y difuso reflejado en el suelo.

SHGC (ϴ) = Coeficiente de ganancia de calor solar del haz.

Coeficiente de ganancia de calor solar difusa.

T_in = Temperatura interior, ºC

T_out = Temperatura exterior, ºC

U = Factor U total.

Cálculo de la radiación solar en cielo despejado

La radiación solar en un día claro se define por el haz y componentes difusos. El componente directo representa la parte de la radiación emanando directamente del disco solar, mientras el componente difuso tiene en cuenta la radiación emanando del resto del cielo. Estos dos componentes se calculan como:

Donde:

•  E_b = Irradiancia normal del haz (medida perpendicularmente a rayos del sol).
• E_d = Irradiancia horizontal difusa (medida en superficie horizontal).
• E_o = Irradiancia normal extraterrestre.
•  m = Masa de aire.
• τ_b y τ_d = Profundidad óptica del haz y difusa
• ab y ad = Exponentes de masa de aire difusa y del haz

Los valores τ_b y τ_d son específicos de la localidad, y varían a lo largo del año. Su valores se determinaron en ASHRAE research Project RP-1453 y están tabulados para el día 21 de cada mes en todas las localidades.

Los exponentes ab y ad están correlacionados con τ_b y τ_d a través de las siguientes relaciones empíricas:

ab = 1,219 – 0,043 τ_b – 0,151 τ_d – 0,204 τ_b τ_d

ab = 0,202 – 0,852 τ_b – 0,007 τ_d – 0,357 τ_b τ_d

Irradiancia solar extraterrestre y constante solar

La constante solar tiene un valor de E_sc= 1367 W/m², y a partir de ella calculamos el flujo radiante extraterrestre E_o con la siguiente ecuación (n es el día del año):

Masa de aire

La masa de aire relativa m es el ratio de la masa de la atmósfera en la trayectoria sol/tierra actual a la masa que existiría si el sol estuviese directamente encima. La masa de aire es una función de la altitud β y se obtiene a partir de la siguiente ecuación:

Donde β se expresa en grados.

Cálculo de la irradiancia solar en cielo despejado incidente en la superficie receptora

La irradiancia solar en cielos despejados Et que alcanza la superficie receptora es la suma de tres componentes: El componente del haz E_t,b originado en el disco solar; el componente difuso E_t,d, originado del disco solar; el componente difuso E_t,d, originado del dome del cielo; y el componente reflejado en el suelo E_t,r originado en el suelo en frente de la superficie receptora. Así:

E_t = E_t,b + E_t,d + E_t,r

Componente del haz

El componente del haz se obtiene a partir de la siguiente relación:

E_t,b = E_b cos ϴ

Donde ϴ es el ángulo de incidencia. Esta relación es válida cuando cos ϴ > 0; en otro caso, E_t,b = 0.

Componente difuso

El componente difuso es más difícil de estimar debido a la naturaleza no isotrópica de la radiación difusa. Para superficies verticales el ratio Y de irradiancia difusa en cielos despejados en una superficie vertical respecto a la irradiancia difusa en cielos despejados en la horizontal es una función simple del ángulo de incidencia ϴ:

E_t,d = E_dY

Con

Y = max (0,45 , 0,55 + 0,437 cos ϴ + 0,313 cos² ϴ)

Para una superficie no vertical con pendiente Σ, las siguientes relaciones simplificadas son suficientes para la mayoría de las aplicaciones.

E_t,d = E_d (Y sin Σ + cos Σ)     si Σ ≤ 90 º

Bibliografía:

• F14. Climatic design information. 2009 Fundamentals. ASHRAE
• F15. Fenestration. 2009 Fundamentals. ASHRAE
• F18. Nonresidential cooling and heating load calculations. 2009 Fundamentals. ASHRAE