Apunte de Confort y Balance Termico

7/25/2019 Apunte de Confort y Balance Termico

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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES INSTALACIONES 2Facultad de Arquitectura Diseo y Urbanismo

Carrera de Arquitectura CATEDRA ING. JAVIER ROSCARDI

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CONFORT TERMICO

CONCEPTOS GENERALESEl concepto de confort o bienestar es muy amplio y tiene en cuenta factores fsicos y psquicos de laspersonas que habitan una regin. Existen distintas definiciones de organismos internacionales ( OIT

ONUetc.) o de asociaciones internacionales dedicadas especficamente al tratamiento de este temaA los fines de dar un concepto global, desde un punto de vista integral y tecnolgico, diremos que elconfort esta ligado con condiciones trmicas, acsticas, lumnicas etc., que dependen de la actividad adesarrollar en el lugar de estudio.-Cabe aclarar que en forma comn la idea de confort se aplica a las condiciones trmicas (conforttrmico) que debe cumplir un lugar habitado por personas, pero tambin es aplicable este concepto(desde el punto de vista tcnico) para un lugar habitado por animales o plantas, para la conservacinde un producto, de un sistema o para la realizacin de un proceso de fabricacin.-

Refirindonos estrictamente al aspecto trmico, los parmetros principales a tener en cuenta paradefinir confort trmico son:

TEMPERATURA HUMEDAD VELOCIDAD DEL AIRE SALUBRIDAD DEL AIRE

Los valores de estos parmetros para las condiciones de confort trmico adecuado para el lugar enestudio dependen de un gran nmero de consideraciones a tener en cuenta, entre las principalespodemos citar:

TIPO DE ESPACIO (Exterior o Interior) TIPO DE TAREA A DESARROLLAR EPOCA DEL AO A EVALUAR ( Verano o Invierno) UBICACIN GEOGRAFICA

CARACTERISTICAS DE LAS PERSONAS Y / O MATERIALES

En general en todo el anlisis que sigue, solo nos referiremos (salvo expresa aclaracin) a espaciosinteriores dest inados a ser habitados p or person as.-

ES MUY IMPORTANTE ENTENDER QUE LA IDEA DE ESTABLECER LAS CONDICIONES DECONFORT CON GRAN UTILIZACION DE ENERGA ESTA DIRECTAMENTE RELACIONADA CONLA FALTA DE CONSIDERACIONES (MALAS PAUTAS) DE ESTE CONCEPTO A LA HORA DERESOLVER EL PROYECTO Y DE CONCRETAR LA OBRA DE ARQUITECTURA.POR ESTO QUEDA CLARO, QUE SE DEBEN APLICAR LOS CONOCIMIENTOS PARA LAOPTIMIZACION DE LOS RECURSOS CONSTRUCTIVOS CON EL FIN DE LOGRAR EL MENORUSO DE ENERGA POSIBLE CONJUNTAMENTE CON LA MENOR AGRESION AL MEDIO

AMBIENTE.-

CONDICIONES Y ANALISIS DE CARGAS TERMICAS EN INVIERNO

Acondicionar trmicamente un local en invierno, significa suministrarle la cantidad de calor necesariapara lograr las condiciones de bienestar o confort trmico establecidas para ese local.La cantidad de calor a suministrar es igual a las perdidas de calor hacia el exterior (ya que en inviernola temperatura interior es mayor que la exterior).La humedad en el proceso de calefaccin es un parmetro a tener en cuenta (especialmente enaquellos sistemas de calefaccin que funcionan por conveccin del aire interior) ya que al calentar elaire puede bajar la humedad relativa a valores no aceptables y por eso en algunos casos se debehumidificar el aire calefaccionado para darle condiciones aceptables. Para las condiciones de algunasregiones de nuestro pas (alta humedad relativa) en general este problema no es relevante.-


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El estudio de las prdidas de calor debido a distintos factores (que mas adelante detallaremos) secuantifica mediante EL BALANCE TRMICO.-Solo a los fines de aclaracin y comparacin diremos que para verano el balance trmico esta referidoa las ganancias de calor del local. Por eso para verano se tienen en cuenta el aporte de ciertas

fuentes de calor (iluminacin, efecto invernadero, maquinas, etc.), mientras que en balance trmicopara invierno estos aportes de calor (mientras que no sean significativos) NO SE TIENEN EN CUENTAya que se toman como un valor de seguridad.-

Por todo lo anterior, se entiende que siempre es necesario hacer un anlisis completo de los distintosfactores a tener en cuenta para determinar las cargas trmicas, y con este realizar UN BALANCETRMICO CORRECTO.-Como factores fundamentales a tener en cuenta, podemos citar

1. INFORMACION DE LOS LOCALES A CALEFACCIONAR DIMENSIONES- MATERIALES- CERRAMIENTOS-

ACCESOS- ESCALERAS, ESTRUCTURA- INSTALACIONES, ETC.-

2. ORIENTACION DEL EDIFICIO UBICACIN GEOGRAFICA- ORIENTACION DE LOS DISTINTOS LOCALES- IMPLANTACION URBANA- ETC.-

3. DESTINOS O USOS DE LOS LOCALES OCUPANTES (CANTIDAD Y GRADO DE OCUPACION) ACTIVIDAD A DESARROLLAR (TIPO DE ACTIVIDAD Y HORARIOS DE TRABAJO) SISTEMA DE ILUMINACIN MOTORES Y MAQUINARIAS (POTENCIA- UBICACIN Y TIEMPO DE USO) VENTILACION (UBICACINNATURAL O FORZADA).-

4. CONDICIONES DE DISEO TRMICO INTERIOR Y EXTERIOR

5. CONDICIONES TERMICAS DE LOS LOCALES ADYACENTES

CONDICIONES DE DISEO TRMICO

EXTERIORMediante la consulta del lugar geogrfico a analizar al INSTITUTO METEOROLOGICO NACIONAL, se

puede saber cual es la TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA EXTERIOR, promedio mensuales yvalores extraordinarios ocurridos en los ltimos 10 aos. Con estos datos se puede realizar un datoestadstico real del lugarLA TABLA N1 refleja los datos de temperatura para distintas zonas de nuestro pas.-

INTERIOR


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Estas condiciones dependen fundamentalmente de la estacin del ao, en nuestro caso invierno y eldestino de uso del local en anlisis.En forma orientativa se pueden adoptar los valores de la tabla N 2.La temperatura interior es para personas en reposo (o actividad sedentaria) y a una altura de 1,50 m del NPT(nivel de piso terminado) y a menos de 1 m de las paredes exteriores.

ACLARACIN: Si se utiliza el sistema de paneles radiantes es conveniente adoptar entre 3 a 5 gradosmenor que la temperatura del aire de tabla N2.Esto es debido a que este sistema transmite gran cantidad de calor por radiacin (60 % radiacin 40 %conveccin) al ambiente a calefaccionar.

CARGAS TERMICAS : INVIERNO

Realizar el anlisis de las cargas trmicas en los locales a calefaccionar esta destinado a cuantificar lasprdidas de calor .Esta cuantificacin se conoce con el nombre de BALANCE TRMICOEs importante destacar, que con el resultado del balance trmico, se podr determinar si es necesariohacer una revisin del proyecto de arquitectura para mejorar el ahorro energtico y la relacin con elmedio ambiente.-Los tipos de cargas trmicas pueden clasificarse

POR LA FUENTE- INTERNA- EXTERNA

POR LA FORMA- SENSIBLE (CALOR POR CAMBIOS DE TEMPERATURA)- LATENTE (CALOR POR CAMBIOS DE ESTADO)

POR EL TIPO- TRANSMISION

- ORIENTACION- INFILTRACION- VENTILACION- PERSONAS- ILUMINACIN- MOTORES Y ARTEFACTOS- OTRAS FUENTES

Recordamos la aclaracin que los aportes de calor al ambiente por medio de las personas, el sistema deiluminacin, motores y artefactos, siempre y cuando este aporte de calor al ambiente no sea importante, no seconsideran como carga trmica en el balance trmico para inviernoPor esto, las principales cargas trmicas que se evalan en el BALANCE TRMICO DE INVIERNO SE HACENSEGN SU TIPO y son:

1. TRANSMISION2. ORIENTACION3. INFILTRACION4. VENTILACION

ANALIZAREMOS CADA UNA DE ELLAS

1.- PERDIDAS POR TRANSMISION : Se establecen a travs de las paredes, techos, pisos, puertas, ventanas.-

2.- PERDIDAS POR ORIENTACION: Se deben a las distintas orientaciones en los cerramientos exteriores. Seevalan como un porcentaje de las perdidas por transmisin.-

3 y 4.- PERDIDAS POR INFILTRACION Y VENTILACION : Se deben a las prdidas producidas por lasinfiltraciones (presion de aire exterior) a travs de las carpinteras que dan al exterior y/o por las ventilaciones(natural o forzada) de los locales para conservar las condiciones de salubridad del aire interior.


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Se pueden evaluar mediante la forma :

a) CALOR SENSIBLE : Calor necesario para calentar el aire que entra al local a latemperatura exterior y llevarlo a la temperatura interior.

b) CALOR LATENTE : Es la cantidad de calor que se corresponde con el cambio de

humedad especfica para llevar el aire exterior a las condiciones de humedadespecfica del aire interior.

Slo para sistemas de aire caliente. Se debe agregar la cantidad de calor a entregar al aire exterior tomado por elequipo para llevarlo a las condiciones del aire interior.

La infiltracin en edificios altos por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, efecto invernadero,tiende a aumentar las infiltraciones en los niveles inferiores y disminuirlas en los superiores.

CLCULO DE LAS PRDIDAS

POR TRANSMISIN

Q/ T== Cantidad de calor / Unidad de tiempo (que adoptamos por simplificacin escribirlo como Q)

Q = k Sup ( tinteriortexterior)

k= coeficiente de transmisin total en [W / m2C] o [Kcal / h m2 C]

1W / m2C = 0.864 Kcal / h m2 C o 1,16 W / m2C = 1 Kcal / h m

2 C

Sup= Superficie del sistema entre tinterior y texterior en [m2]

tinterior= temperatura del aire interior en [K] o [C]

texterior = temperatura del aire exterior en [K] o [C]

Tener en cuenta que no habr transmisin entre Locales que estn a la misma temperatura. Locales que estn a mayor temperatura (no se consideran ganancias)

Se estima la temperatura de locales no calefaccionados que delimitan con el local en estudio en funcin desus caractersticas y vinculacin al exterior.

Se adoptaHallpasillostoilettes 12 C (285 K)Escaleras interiores 10 C (283 K)Escaleras exteriores 5 C (278 K)Hall ppal. del edificio 5 C (278 K)Edificios adyacentes 10 C (283 K)Garages 3 C (276 K)

En general, para locales NO CALEFACCIONADOS que tengan ELEMENTOS DE CIERRE que NO permitala entrada de Aire Exterior

( tinterior+ texterior ) / 2 = t (local No calefaccionado)


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En caso de piso sobre terreno, la prdida por transmisin se calcula tomando un valor de k= 1.16 W/m2C(1 Kcal / h m2C) y la temperatura del terreno es la temperatura media anual del lugar o se puede adoptar latemperatura exterior de diseo sumndole 10 C.

Una vez calculadas las distintas prdidas por transmisin se suman y se obtiene la total.

Qtransmisin = Qtotal transmisin

POR ORIENTACIN

Se calcula sobre paredes exteriores segn su orientacin geogrfica. Son un porcentaje de las prdidas detransmisin.

Q orientacin = % Q transmisin

Los porcentajes para nuestro passe pueden adoptar

NorteNONE 0 %EsteOeste 5 %SurSOSE 10 %

POR INFILTRACIN

Se calcula sobre puertas, ventanas, conductos de ventilacin natural, etc. Pueden ser calificados como

SensibleQinfiltracin sensible = Cex Caudaldeinfiltracin x a x( tinteriortexterior)

Ce= Calor especfico del aire en [ W h / Kg K] o en [ Kcal / Kg K]

Caudaldeinfiltracin en [m3/ h]

a= densidad del aire en [ Kg / m3]

tinterior : Temp. interior del local a calefac en [ C ] o [ K ]

texterior: Temp. exterior del local a calefac en [ C ] o [ K ]

Latente

Qinfiltracin latente = CLVx Caudaldeinfiltracin x a x( H A interiorH A exterior)

CLV : Calor latente de vaporizacinpara la condiciones interiores en [Wh /Kg] o [Kcal /Kg]

Caudaldeinfiltracin en [m3/ h]

a= densidad del aire (para las cond. exteriores) en [Kg / m3

]


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tinterior : Temp. interior del local a calefac. en [C ] o [K ]

texterior: Temp. exterior del local a calefac. en [C ] o [K ]

EL VOLUMEN DE AIRE INFILTRADO se puede calcular de calcular de dos formas distintas :

a) POR HENDIDURAS O RENDIJAS

b) POR RENOVACIONES HORARIAS

POR HENDIDURAS O RENDIJAS :Se denomina hendidura o rendija, al permetro de abrir de una ventana opuerta por el cual pueda entrar o salir aire interior debido a la presion del viento exteriorPara calcular la longitud (en m) del permetro de las hendiduras, se debe tener en cuenta los paos mviles delas carpinteras. En la tabla N 3 se puede obtener el caudal de infiltracin por metro de carpintera, entrandocon el tipo de carpintera y la velocidad del viento ( para Bs. As. es de 24 Km / h )

EJEMPLOS DE CALCULO DE PERIMETRO

El caudal total de cada cerramiento es :

Caudaldeinfiltracin ventanao puerta= Permetro HENDIDURA x CAUDAL / metro de hendidura

Sumando cada uno de los caudales para las distintas puertas y ventanas se obtiene el caudal total de infiltracin

POR RENOVACIONES HORARIAS:Este mtodo es menos exacto que el anterior pero mas prctico yrpido (ya que la tabla N3 es muy difcil obtenerla para cada tipo de carpintera)

PERIMETRO HENDIDURA= 4 L + 3 H

FIJO

PERIMETRO HENDIDURA= 3 H + 4 L


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En este caso el caudal total por infiltracin se determina por medio de la cantidad de renovaciones horariassegn el tipo y uso del local. Este valor ( N de renovaciones horarias ) se obtiene de la tabla N4, entonces

Caudaldeinfiltracin = Volumen de renovacin x N de renovaciones horarias

De ambos mtodos explicados para el clculo de Caudaldeinfiltracin , se adopta el mayor y este valor seutiliza para calcular las perdidas por infiltracin

OTROS FACTORES QUE PRODUCEN PERDIDAS DE CALOR SON :

ESTRATIFICACION DEL AIRE CALIENTE.- INTERMITENCIA o REDUCCION NOCTURNA DEL SERVICIO.-

ESTRATIFICACION DEL AIRE CALIENTE.: Esto se debe a que el aire caliente flota en el aire fro por tenermenor peso especifico (principio de ARQUIMEDES) por lo cual el aire caliente se ubica en los estratossuperiores, produciendo una acumulacin no deseada.-Este efecto es despreciable hasta una altura de 3 mEsta estratificacin se presenta en

LOCALES DE TECHOS ALTOS (industrias, iglesias, salas de espectculos, galerias, etc.) Encima de cielorrasos suspendidos, generalmente con iluminacin indirecta, o retornos de los sistemas

de aire ubicados en el cielorraso. Esto ultimo es contraproducente para los sistemas de calefaccin peroes conveniente para los sistemas de refrigeracin.-

Para tener en cuenta esta estratificacin se debe incrementar la carga de calefaccin con el siguientecriterio,cuando la altura del cielorraso sea

entre 3m y 5 m se incrementa un 2,5 % por cada metro adicional a la altura anterior se incrementa un 2,5 %

LLEGANDOSE A UN MAXIMO ENTRE EL 15 Y EL 18% DE LAS PERDIDAS TOTALES

INTERMITENCIA o REDUCCION NOCTURNA DEL SERVICIO: En la prctica, se tarda un tiempo y se consumeuna energa importante para que el sistema se ponga en marcha y llegue al estado de rgimen la instalacin. Lacantidad de calor puesta en juego y el tiempo necesario para esta fase vara segn el sistema de calefaccin, lacapacidad trmica de los locales, etc.Es muy complicado hacer una valorizacin de la cantidad de calor adicional y el tiempo de puesta en marcha real(esto solo se sabr en forma confiable cuando se monte el equipo y se haga la puesta en marcha y entrada enrgimen),

Teniendo en cuenta lo anterior podemos distinguir tres casos caracteristicos de aplicacin

1. SERVICIO ININTERRUMPIDO: con marcha reducida durante la noche (aplicacin en viviendashospitales ;etc.)2. INTERRUMPIDO DE 8 a 12 Hrs diarias : se aplica en edificios comerciales , oficinas etc.

3. INTERRUMPIDO DE 12 a 16 Hrs diarias : se aplica en fabricas o casos particulares.

por lo cual se da una tabla que se debe tomar solo a los fines indicativos de cmo valorar esta cantidad adicional.

CLASE DE SERVICIO PORCENTAJE DE AUMENTOSERVICIO ININTERRUMPIDO 8 a 12INTERRUMPIDO DE 8 a 12 hrs 12 a 20INTERRUMPIDO DE 12 a 16 hrs 20 a 30


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La necesidad del tipo de rgimen provocara un aumento de la potencia del sistema de calefaccin que deberser muy tenida en cuenta en funcin de sus costos econmicos y el grado de servicio.-

PROCEDIMIENTO (PASOS) PARA EL BALANCE TRMICO

1. Se determina la temperatura de diseo exterior (segn tabla N1)

2. Se determina la temperatura de diseo interior (segn tabla N2)

3. Se calculan las superficies de los pisos, techos, paredes de los locales a calefaccionar

4. Se definen los materiales y se obtienen los distintos coeficientes K de transmisin por norma (IRAM11.601) o por calculo directo.-

5. Se calculan las perdidas por transmisin totales (se recomienda hacer una tabla)

Q total transmisin = k xSup x ( tinteriortexterior)

6. Se calculan las perdidas por orientacin utilizando los porcentajes correspondientes-

Q orientacin = % Q transmisin7. Se calculan los caudales de infiltracin por el mtodo de las hendiduras

8. Se calculan los caudales de infiltracin por el mtodo de las renovaciones horarias

9. Se calcula perdidas por INFILTRACIONES Y VENTILACIONES (se recomienda hacer una tabla) Solotomaremos en cuenta el calor sensible

Qinfiltracin = Cex Caudaldeinfiltracin x a x( tinteriortexterior)

Ce= Calor especfico del aire 0,28 W h / Kg K = 0,24 Kcal / Kg K

a= densidad del aire (exterior) 1,3 Kg / m3 (a 0 C o 273 K)

10. Se calcula la cantidad adicional por estratificacin del aire caliente (si corresponde)

Q estratificacin = % (por la altura) x ( Q total transmisin + Q orientacin + Q infiltracin )

11. Se calcula la cantidad adicional por interrupcin del servicio (si corresponde)

Q interrupcin = % (por interrupcin) x ( Q total transmisin + Q orientacin + Q infiltracin )

12. Con los clculos realizados se obtiene el valor total de las PERDIDAS TOTALES

Q total = Q total transmisin + Q orientacin + Q infiltracin + Q estratificacin+ Q interrupcin


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Este proceso se debe realizar para todos los locales del edificio que se esta realizando el BALANCE TRMICOEste valor de balance trmico permitir obtener la potencia trmica necesaria para el sistema de calefaccin

LA POTENCIA TERMICA DE LA CALDERA (fuente de produccin de calor) ser mayor que el resultadoobtenido por el balance trmico, ya que se deben tener en cuenta las prdidas en el sistema (canalizaciones demando y retorno, etc.) y el rendimiento de la caldera.-Este valor adicional a agregar es muy difcil de determinar (depende de las caractersticas de las componentesdel sistema, de las condiciones de montaje, de los elementos utilizados para la aislamiento trmica, etc.). Una

estimacin a los fines prcticos de clculo es del orden del 30 % del Q total.Es decir :

Q caldera de calefaccin = 1,3 Q totalSiadems la caldera esta destinada a entregar la cantidad de calor necesaria para a un tanque intermediariopara producir agua calienta sanitaria (ACS) se deber sumar esta cantidad de calor

Q caldera de calefaccin y ACS = 1,3 ( Q total + Q ACS )Donde

Q ACS= Cex Caudal x agua x( t mandot retorno )

Ce= Calor especfico del agua en [ W h / Kg K] o en [ Kcal / Kg K]

Caudal en [m3/ h]

a= densidad del agua en [ Kg / m3]

tmando : Temp. mando delsistema de ACS en [ C ] o [ K ]

t retorno: Temp. retorno delsistema de ACS en [ C ] o [ K ]-------------------------

MTODO DE LOS CUBAJES DE AIRE PARA UN BALANCE TRMICO

Como en general , realizar un anlisis detallado como el explicado para todos y cada uno de loslocales del edificio que se desea calefaccionar es tedioso muy extenso, se suele adoptar un mtodosimplificado y mas rpido ( pero mucho menos exacto y confiable) conocido como el mtodo dellos cubajers de aire.-

LOS PASOS SON LOS SIGUIENTES Se adoptan dos locales como representativos, uno en una situacin mas desfavorable y el otro

en una situacin mas favorable Se calculan las perdidas de cada uno de estos locales, segn lo visto en el balance trmico

anterior Se calcula el VOLUMEN de cada uno de estos locales.- Se obtienen las perdidas por unidad de volumen para cada uno de ellos

en W / m3o en Kcal / h m

3 (COEFICIENTE VOLUMETRICO DE PERDIDAS) Se hace un promedio y se toma como representativo para todo el volumen del edificio a

calefaccionar Se obtiene la cantidad total de prdidas de calefaccin como el volumen total a calefaccionar

multiplicado por el coeficiente volumtrico de perdidas.-


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ESTE METODO ES SOLO APROXIMADOY TIENE LOS SIGUIENTES PROBLEMAS Para un mismo volumen , las superficies de perdidas pueden ser mas o menos importantes Tener diferntes materiales en les paredes exteriores, distintas ventanas, o diversas condiciones

exteriores e interiores

Como valores de referencia podemos decir que para contruccion tradicional el coeficiente puedetomar los siguiente valores ( en Kcal / m3 h) en funcin de los volumenes

Hasta 20m3 es de 55 Kcal / m3 h / entre 20m

3 a 40m

3 es de 40 Kcal / m3 hentre 40m

3 a 70m

3 es de 30 Kcal / m3 h / entre 70m 3 a 120m 3 es de 25 Kcal / m3 h

A medida que aumenta el volumen (a igual forma geomtrica) se puede ver que las perdidas por unidad devolumen disminuyen.-

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