05 febrero 2012

Guía para calcular la infiltración en proyectos de calefacción y aire acondicionado (1ª PARTE)




INFILTRACIÓN

Cuando sea económicamente factible, algo de aire del exterior debe introducirse en el edificio, creando una presión total ligeramente positiva. En algunos climas, hay también una preocupación porque el agua puede condensar dentro de la envolvente del edificio.

Cuando se asume una presión de aire positiva, la mayoría de los diseñadores incluyen infiltración en los cálculos de carga de enfriamiento para edificios comerciales. Sin embargo, incluir la infiltración puede ser apropiado.

La infiltración también depende de la dirección y magnitud del viento, diferencias de temperatura, tipo y calidad de la construcción, y uso de los ocupantes. Es imposible predecir con exactitud la infiltración. Los diseñadores usualmente predicen tasas de infiltración usando el número de cambios de aire por hora (air changes per hour ach). Una práctica común es estimar ach para condiciones de calentamiento de invierno, y luego usar la mitad del valor para el cálculo de cargas de enfriamiento.

Volúmenes de aire

Debido a que el volumen específico de aire varía apreciablemente, los cálculos son más exactos cuando se hacen sobre la base de la masa de aire en vez del volumen. Sin embargo, a menudo se requiere un caudal volumétrico para seleccionar serpentines, ventiladores, conductos, etc.

MECANISMOS DE TRANSMISIÓN PARA VENTILACIÓN E INFILTRACIÓN

La ventilación natural y la infiltración son impulsadas por las diferencias de presión a través de la envolvente del edificio causadas por las diferencias de densidad de aire y viento debidas a diferencias de temperatura entre el aire interior y exterior. Los sistemas de movimiento de aire mecánicos también inducen diferencias de presión a través de la envolvente de por la operación de aparatos, tales como dispositivos de combustión, sistemas de distribución térmica de aire forzado agrietados, y sistemas de ventilación mecánica. La diferencia de presión interior/exterior en una localización de pende de la magnitud de estos mecanismos de transmisión además de por las características de las aperturas de la envolvente del edificio.

Presión de stack

La presión stack es la presión hidrostática causada por la masa de una columna de aire localizada interior o exterior a un edificio. También puede ocurrir dentro de un elemento de flujo, tal como un conducto o chimenea que tiene separación vertical entre su interior e interior. La presión hidrostática depende de la densidad y la altura de interés encima del punto de referencia.

La densidad del aire es una función de la presión barométrica local, temperatura, y ratio de humedad. No deben usarse condiciones estándar para calcular la densidad. Por ejemplo, un edificio situado a 1500 m tiene una densidad del aire que es aproximadamente un 20 % inferior que si el edificio está al nivel del mar. Un incremento de la temperatura del aire de – 30 a 20 ºC causa una diferencia de la densidad del aire similar. Ambos efectos combinados pueden reducir la densidad del aire en un 45 %. Los efectos de la humedad en la densidad son generalmente despreciables,, así que la densidad del aire seco puede usarse, excepto en climas húmedos, calientes cuando el aire está caliente y próximo a la saturación. Por ejemplo, el aire saturado a 40 ºC tiene una densidad alrededor del 5 % menos que el aire seco.

Asumiendo que la temperatura y presión barométricas son constantes a la altura de interés, la presión stack decrece linealmente conforme la separación por encima del punto de referencia se incrementa. Para una columna de aire, la presión stack puede calcularse como:

Donde:

  •  ps = Presión stack, Pa
  •  pr = presión stack a la altura de referencia, Pa
  • G =aceleración gravitatoria, 9,81 m/s2
  • Ρ = Densidad del aire interior o exterior, kg/m3
  • H = Altura por encima del plano de referencia, m
Las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior causan diferencias de presión stack que impulsa el flujo de aire a través de la envolvente del edificio.

Otra particularidad es que cualquier edificio con una zona simple puede tratarse como una caja simple desde el punto de vista del efecto stack, y sus pérdidas siguen la ley de potencia residencial descrita posteriormente. El edificio está caracterizado por una altura stack efectiva y nivel de presión neutra (NPL) o distribución de pérdidas. Una vez calculado, estos parámetros pueden ser usados en zona simple, física para estimar infiltración.

Despreciando los gradientes de densidad vertical, la diferencia de presión de stack para una pérdida horizontal en cualquier localización viene dada por:

Donde:


  • To = Temperatura exterior, K
  • Ti = Temperatura interior, K
  •  ρo = densidad de aire exterior, kg/m3
  • ρi = densidad de aire interior, kg/m3
  • HNPL = Altura del nivel de presión neutral por encima del plano de referencia sin otras fuerzas de impulsión, m

Por convención, las diferencias de presión stack son positivas cuando el edificio está presurizado con relación al exterior, lo cual causa que el flujo salga del edificio. Por lo tanto, ausentes otras fuerzas de conducción y asumiendo que no hay efecto stack dentro de los elementos de flujo, cuando el aire interior está más caliente que el exterior, la base del edificio está despresurizado y la parte superior presurizada relativa al exterior; cuando el aire interior está más frío que los exteriores, ocurre lo inverso.

Ausentes otras fuerzas de conducción, la localización del NPL está influida por la distribución de pérdidas en el exterior del edificio y por la compartimentación interior. Como resultado, el NPL no necesariamente se localiza a la mitad del edificio; con barreras horizontales efectivas en edificios altos, es posible tener más de un NPL. 

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