Cálculo de cargas térmicas




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Cálculo de cargas térmicas


DEFINICIÓN DE CARGA TÉRMICA:

También nombrada como carga de enfriamiento, es la cantidad de energía que se requiere vencer en un área para mantener determinadas condiciones de temperatura y humedad para una aplicación especifica (ej. Confort humano). Es la cantidad de calor que se retira de un espacio definido, se expresa en BTU, la unidad utilizada comercialmente relaciona unidad de tiempoBtu/hr.


INTRODUCCIÓN, INFORMACION GENERAL:

A través de años de trabajo, diversas compañías y organizaciones han evaluado múltiples factores requeridos para determinar las cargas de enfriamiento en diversas aplicaciones. Cuando se utilizan estos factores para el calculo de cargas en espacios y edificios, lo importante es aplicar un buen criteriopara desarrollar algún procedimiento definido.

Para realizar el estimado de la carga de enfriamiento requerida con la mayor exactitud posible en espacios y edificios, las siguientes condiciones son de las más importantes para evaluar:

  • Datos atmosféricos del sitio.

  • La característica de la edificación, dimensiones físicas.

  • La orientación del edificio, la dirección de las paredes del espacio a acondicionar.

  • El momento del día en que la carga llega a su pico.

  • Espesor y características de los aislamientos.

  • La cantidad de sombra en los vidrios.

  • Concentración de personar en el local.

  • Las fuentes de calor internas.

  • La cantidad de ventilación requerida.

Existen diferentes métodos para calcular la carga de enfriamiento en un área determinada, en cualquier caso es necesario evaluar diversas características como las condiciones del lugar (condiciones atmosféricas), tipo de construcción y aplicación del espacio a acondicionar.


CONSIDERACIONES

Las variables que afectan el cálculo de cargas térmicas son numerosas, frecuentemente difíciles para definir en forma precisa, y no siempre están en cada momento mutuamente relacionadas.

Muchas variables de cargas de enfriamiento cambian extensamente en magnitud durante un período de 24 horas. Los cambios de estas variables pueden producirse en momentos diferentes unos de otros, por ello deben analizarse detalladamente para establecer la carga de enfriamiento necesaria para un establecimiento o dividirse este en zonas.

La necesidad de dividir un sistema en zonas, origina mayor capacidad de carga de enfriamiento que un sistema total; pero permite manejar la carga para cada zona en su hora pico.

En el cálculo de carga de enfriamiento, es determinante el uso de valores adecuados para aplicarlos en un procedimiento determinado. La variación en los coeficientes de transmisión de calor de los materiales y montajes compuestos en edificio típicos, la forma de construcción, orientación del edificio y la manera en cual el edificio opera son algunas de las variables que imposibilitan un cálculo numéricamente preciso.

Mientras que los procedimientos sean usados en forma razonable por el diseñador para incluir estos factores, él cálculo es aceptado como correcto, pero todavía es solamente una estimación buena de la real carga de enfriamiento.

TASA DE FLUJO DE CALOR:

En diseño de aire acondicionado existen cuatro (4) tasas relativas de flujo de calor, cada una de las cuales varía en el tiempo y debe ser diferenciada:

  1. Aumento de calor del espacio

  2. Carga de enfriamiento del espacio

  3. Tasa de extracción de calor del espacio

  4. Carga del serpentin.

La ganancia de Calor Espacial (tasa instantánea de aumento de calor) es la tasa a la cual el calor entra y/o es generado internamente en un espacio en un momento determinado. La ganancia de calor es clasificada por (1) El modo en el cual entra en el espacio y (2) Si es una ganancia sensible o latente.

Los modos de ganancia de calor pueden ser como (1) radiación solar a través de fuentes transparentes, (2) conducción de calor a través de paredes exteriores y techos, (3) conducción de calor a través de divisiones internas, techos y pisos, (4) calor generado en el espacio por los ocupantes, luces y aplicaciones, (5) energía transferida como resultado de ventilación e infiltración de aire del exterior o (6) aumentos de calor misceláneos. La ganancia de calor es directamente agregada a espacios acondicionados por conducción, convención, radiación eventualmente el factor acumulación.

CONSIDERACIONES INICIALES DE DISEÑO

Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio, se requiere información de diseño detallada de la edificación e información climática a las condiciones de diseño seleccionados. Generalmente, los siguientes pasos deben ser seguidos:

Características de la Edificación.

Obtenga las características de la Edificación.

Materiales de construcción, tamaño de los componentes, colores externos de fuentes y formas son normalmente determinados a partir de los planos de la edificación y especificaciones.

Configuración:

Determine la ubicación, orientación y sombra externa de la edificación a partir de los planos y especificaciones. La sombra de edificaciones adyacentes pueden ser determinadas por un plano del sitio o visitando el sitio propuesto. Su permanencia probable debe ser cuidadosamente evaluada de ser incluida en los cálculos.

Condiciones Exteriores de Diseño:

Obtenga información climática apropiada y seleccione las condiciones de diseño exterior. La condición climática puede ser obtenida de la estación metereológica local o del centro climático nacional.

Condiciones de Diseño Interior:

Seleccione las condiciones de diseño interior tales como temperatura de bulbo seco interior, temperatura interior de bulbo húmedo y tasa de ventilación. Incluya variaciones permisibles y límites de control.

Rutina de Operación:

Obtenga una rutina de iluminación, ocupantes, equipo interno, aplicaciones y procesos que contribuyan a incrementar la carga térmica interna. Determine la probabilidad de que el equipo de refrigeración sea operado continuamente o apagado durante períodos de no ocupación (ej. Noches y/o fines de semana).

Fecha y Tiempo:

Seleccione el tiempo del día y el mes para realizar los cálculos de la carga de enfriamiento. Frecuentemente varias horas del día y varios meses son requeridos.

Consideraciones Adicionales:

El diseño apropiado y el tamaño de los sistemas de aire acondicionado central requieren más que el cálculo de la carga de enfriamiento en el espacio a ser condicionado.

El tipo de sistema de acondicionamiento de aire, energía de ventilación, ubicación del ventilador, pérdida de calor de los ductos y ganancia, filtración de los ductos, sistemas de iluminación por extracción de calor y tipo de sistema de retorno de aire, todos afectan la carga del sistema y el tamaño de los componentes.

MÉTODOS DE CALCULO:

La ashrae reconoce la vigencia de cuatro métodos de cálculo de cargas térmicas para seleccionar la capacidad de los equipos de aire acondicionado. Los cuales se nombran a continuación:

Uno de los procedimientos mayor utilizados es el método de Función de Transferencia (tmf). Una versión simplificada de este método con aplicaciones para diferentes tipos de construcción fue publicado en el manual de fundamentos ashrae de 1977.

  • Este método tiene como fundamento el estimar las cargas de enfriamiento hora por hora, predecir las condiciones del espacio para varios sistemas, establecer programas de control y programas de operación.

  • El método de función de transferencia (tfm) es aplicado para el cálculo de flujo unidimensional de transferencia de calor en paredes y techos soleados. Los resultados debido a las variaciones de construcción se consideran insignificantes, se si toman en cuenta la carga de los componentes normalmente dominantes. La ASHRAE (1988) generó factores de decremento efectivos de calor y períodos de retraso de tiempo para 41 diferentes tipos de pared y 42 tipos de techo, que son presentados para utilizarse como coeficientes de función de transferencia.

El método de "Cálculo de Cargas por Temperatura Diferencial y Factores de Carga de Enfriamiento" (cltd/clf). Es el método que debe ser aplicado al considerarse como la primera alternativa de procedimiento de cálculo manual.

  • El método de Temperatura Diferencial para Carga de Enfriamiento es simplificado, por utilizar un factor "U" para calcular la carga de enfriamiento para techos y paredes, presentando resultados equivalentes. Así, la ecuación básica para carga de enfriamiento en superficies exteriores es: q = U * A (cltd).

  • El método de cálculo de carga por temperatura diferencial se basa en la suposición de que el flujo de calor a través de un techo o pared puede ser obtenido por multiplicar la temperatura diferencial (exterior - interior) por los valores tabulados "U" de techos y paredes, respectivamente.

Otro procedimiento usado para el cálculo de cargas térmicas es el de "Valores de Temperatura Diferencial Total Equivalente y Tiempo Promedio" (tetd/ta). La primera presentación de este método se hizo en el manual de fundamentos ashrae de 1967, este procedimiento es recomendado para usuarios experimentados.

  • Para calcular la carga de enfriamiento de un espacio usando la convención del tetd/ta, aplican los mismos procedimientos generales empleados para el tfm.

El cuarto método publicado es un capitulo especial de cltd/clf, utilizado para cálculo de cargas en residencias.

El aplicar el procedimiento TETD/TA en forma manual, especialmente el cálculo de promedio de tiempo, resulta tedioso en la práctica. Este hecho más el interés creciente en el TFM condujo a la ASHRAE a desarrollar el proyecto de investigación RP-158, con el objetivo original de comparar las diferencias y similitudes entre estos métodos (TEDT y TFM), para establecer un procedimiento común para ambos. Se obtuvieron técnicasautomatizadas, que al utilizar el TETD/TA provee resultados aproximados a la precisión del TFM con menor esfuerzo en cuanto a cómputos se refiere.

La técnica del CLTD evoluciona como una operación manual que involucra menos cálculos matemáticos y reemplaza el procedimiento de TETD/TA, para cálculos manuales; pero requiere el uso de tablas de factores precalculados. Proyectos de investigación subsiguientes (ASHRAE 1984, 1988) aclaran el alcance de aplicación efectiva de los factores utilizados para el método de CLTD.

Actualmente está en desarrollo la "Aprobación experimental del Cálculo de Cargas térmicas por Balance de Calor / RTS (1117-TRP)"

Motivo para el desarrollo de este trabajo experimental

Motivado a que el Manual actual de Normas de la ASHRAE, en el Capítulo 28 incluye la discusión de cuatro metodologías de cálculo de cargas térmicas (Equilibrio de Calor, TFM, CLTD/CLF y TETD/TA) está confundiendo a los usuarios del Manual, la ASHRAE ha sometido una Propuesta de la Investigación para desarrollar un método alternativo de cálculo de ganancias de calor bajo el Título "Aprobación experimental del Cálculo de Cargas térmicas por Balance de Calor / RTS (1117-TRP)".

El Equilibrio de Calor (HB) es el método científicamente más riguroso. En la descripción de este método en el Manual de Fundamentos ASHRAE del año 2.001 se extenderán totalmente en el procedimiento. Un nuevo y único método simplificado, el RTS (Serie de Tiempo Radiante), derivado del método de equilibrio de calor, también será incluido en el Manual. Todos los otros métodos simplificados (TFM, CLTD/CLF, y TETD/TA) quedarán anulados en este manual.

El proyecto de investigación ASHRAE 875 (RP-875) ha documentado el método de HB y ha desarrollado el Método de RTS. Los resultados han estado impresos en una nueva publicación de ASHRAE titulado, " PRINCIPIOS de CALCULO de CARGA." Se usarán datos de este proyecto para hacerrevisiones posteriores al Manual de Fundamentos de año 2.001.

Este cambio en metodologías será la culminación de 20 años de investigación y debate de la ASHRAE. Casi todos estas investigaciones son basadas en simulaciones de computadoras.

El proyecto "Aprobación experimental del Cálculo de Cargas térmicas por Balance de Calor / RTS (1117-TRP)" proporcionará la aprobación del método, debido a que ninguna aprobación experimental de gran potencia hasta ahora a tenido la completación del método.


http://www.monografias.com/trabajos4/cargasterm/cargasterm.shtml

http://www.aloj.us.es/notas_tecnicas/Calculo_cargas_termicas.pdf

http://www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechnica/docsFTP/8545127-132.pdf

http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/frio-industrial-y-aire-acondicionado/materiales-de-clase-1/003%20Cargas%20Termicas.pdf

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