Diseño de Un Sistema de Climatización Para Una Casa Ubicada en La Cañada

8/18/2019 Diseño de Un Sistema de Climatización Para Una Casa Ubicada en La Cañada

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Universidad de Cienfuegos

“Carlos Rafael Rodríguez”

Facultad de Ingeniería

Maestría: Eficiencia Energética

Estudio de un sistema de climatización ara

una casa u!icada en la Ca"ada#

Coro $ Edo% Falcón

&utores:Ing% María Medina C%I%:'(%)*+%'),

Ing% &le-andro Rodríguez C%i%:'+%'..%/+.

Ing% 0osé C1irinos C%I%: (%,23%(3)

Ciudad de Coro# Falcón

Marzo de *2',


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El presente estudio, tiene como objetivo obtener la carga térmica necesaria para laclimatización, de una casa localizada en la cañada, Coro Edo. Falcón (ver figura 1 con elfin de conseguir la m!"ima eficiencia energética# teniendo en cuenta una serie decondiciones indispensables para conseguir la ma#or eficiencia, tales como el diseño deledificio considerado en su orientación, materiales empleados en su construcción, tipo de

instalación e"istente, infiltraciones # ventilación, actividad a realizar por los usuarios, entreotros.

Fig '% Fac1adas e4ternas casa a realizar el estudio

$us paredes est!n %ec%as de blo&ues de 1' cm de espesor, posee ventanas construidacon l!minas de acero de ) mm de espesor # el tec%o de l!minas de acero galvanizadoo"idado, el d*a )1 de +arzo se realizó una visita, realizando mediciones en situ, #obteniendo los valores &ue se adjuntan en la tabla 1.

5a!la '% Temp. Medidas 21 Marzo 2015

urante la mencionada inspección, se observó la presencia de -) aires compactos, decapacidad distintas, uno de 1)--- tu/% # el otro de '--- tu/%, donde se evidenció &ueuno de ellos se encuentra en mal estado # el otro con déficit de mantenimiento # en elcableado eléctrico conectado al brea0er, los dueños de la propiedad manifestaron &uedesde &ue ten*an los ) aires trabajando en su m!"ima capacidad, mu# escasamente se

6escricion5em%

Interior 7C

5em%

E4terior 7C

ared23orte 'ared2$ur 'ared2Este 4 4-ared25este 67entana12Este 4 47entana)2Este ' 87entana2$ur ' 9uerta25este 6 6:ec%o 49 49


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lograba una temperatura agradables, entre las causas de esta problem!tica, inicialmentese presume &ue corresponden a;

< =as cuatro paredes reciben el sol directamente, encontr!ndose ma#or incidenciaen las localizadas en las coordenadas

< =as puertas # ventanas no est!n adecuadamente selladas lo &ue posibilita lasfiltraciones de aire

< =os lugares donde se encuentran localizados los aires, no se encuentrandebidamente sellados, presentando inevitables filtraciones de aire

< Filtros sucios # e&uipos con falta de mantenimiento.< =os e&uipos instalados no poseen una alta calificación de eficiencia energética.

Fig *% 8ocalización de la casa a realizar el estudio

:omando en cuenta la localización de la vivienda # por tanto, los valores de altitud # latitudde la misma, señalados en la figura anterior se obtuvieron las condiciones clim!ticas delaire e"terior, como es el caso de temperatura, velocidad del viento, %umedad relativa,irradiación directa, difusa # total, cu#os valores se pueden observar en la siguiente tabla.

5a!la *% Condiciones Clim9ticas ara el día *' Marzo *2',

6escrición Cantidad Unidad

:emp. >mbiente E"terior (:e 6,--- Celsius7elocidad del 7iento -,?-- m/s:emp. @nterna de la Aabitación ,--- CelsiusAumedad Belativa 6?,--- %=atitud 11,4-- Grados=ongitud 69,69' Grados@rradiación irecta 1)pm2,19+/mD) ??6,11- W/m^2 @rradiación ifusa 1)pm2-,)1+/mD) '?,- W/m^2 @rradiación :otal 1)pm2,4+/mD) 944,44- W/m^2 :emp. @nterior eseada (:i )4,--- Celcius7olumen del Becinto '8,)? m^3

Fig . Coordenadas para cada pared


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6,1 m

3,7 m

Oeste

Este

Sur Norte

:abla . imensiones de paredes, ventanas, puerta, tec%o # piso

6escricion8argo

m;&ltom; &nc1o

&reaFrontalm


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método de cargas instant!neas, el segundo el alance :érmico &ue, a pesar de ser unode los m!s engorrosos por el nGmero de fórmulas a utilizar, es el m!s e"acto.

Método &>C ara el c9lculo de frigorías:

$e realizó el c!lculo con este método, con el fin de conocer la necesidad de capacidad derefrigeración del aire a instalar, sin tomar en cuenta el material del tec%o, de modo tal detener una referencia.

>.< Hrea de la casa;$e utiliza la siguiente fórmula, #a &ue el tec%o de la casa es a un agua

A=52∗area

área=6,1m∗3,7 m=22,6m2

A=52∗22,6m2=1173,64 Frigorias

.< ared m!s e"puesta al sol;=a pared m!s e"puesta al sol es la &ue se encuentra en la coordenada este, la longitud deesta es de 6,1 m.

B=74∗long

B=74∗6,1m=451,4 Frigorias

C.< 5tras paredes;

C =

25∗

Largo total

C =25∗(3,7+6,1+3,7 ) m=337,5 Frigorias

.< 7entanas e"puestas al sol;=as ventanas se encuentran en la pared localizada en la coordenada del este, # adem!sno poseen cortinas, por ello;

D=270∗area vent

D=270∗1,56m2=421,4 Frigorias

E.< 5tras ventanas;En la pared &ue se encuentra en la coordenada sur

E=43∗area vent total

E=43∗0,78m2=33,5 Frigorias


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F.< Factor de corrección por luces # aparatos;En la casa, los Gnicos artefactos eléctricos presentes son un televisor de 1- I # unbombillo

F =0,86∗ Potencia

F =0,86

∗(100

+130

) wC!lculo de frigor*as total;

Q= A+B+C + D+ E+ F

Q=(1173,6+451 ,4+337,5+421,4+33,54+197,8 ) Frigorias

Q=2615,2 Frigorias

Q=2615,2

Frigorias∗1watt 0,86 Frigorias

∗3,41214 Btu/h

1watt =10376,08Btu/h

> partir de este resultado se puede, observar &ue sin tomar en cuenta el material deltec%o, ventanas, # las condiciones interiores # e"teriores del ambiente, la capacidad delacondicionador de aire &ue se necesita es de casi 11--- tu/%, sin embargo,actualmente, se tienen instalados 18--- tu/% # aun as* no alcanzan el confort térmico, aningGn %ora del d*a. or ello, no se considera v!lidos los resultados de este método,procediendo a usar el método del balance térmico, #a &ue es m!s e"acto.

Método >alance térmico:

=a carga térmica total de climatización o acondicionamiento se puede determinar pormedio de la siguiente e"presión;

Qtotal=Qs+Ql ,

ondeQs ; es la carga térmica sensible (I

Ql ; Carga térmica latente (I.

ara el c!lculo de la carga térmica sensible ( Qs se emplea la siguiente e"presión;

Qs=Q sr+Qstr+Qst +Q si+Q sai JIK ónde;

Qsr Carga sensible por la radiación solar a través de las superficies acristaladas JIK


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Qstr Carga sensible por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores

JIKQst Carga sensible por transmisión a través de paredes, tec%os, suelos, puertas #

ventanas interiores JIKQsi Carga sensible transmitida por infiltraciones de aire e"terior JIK

Qsai Carga sensible debida a aportaciones internas JIK

C!lculo de carga sensible por la radiación solar a través de las superficies acristaladas;Qsr=S·R·F JIK (1

$ $uperficie traslGcida o acristalada e"puesta a la radiación Jm)KB Badiación solar &ue atraviesa la superficie correspondiente a la orientación, mes #latitud del lugar considerado JI/m)KF Factor de corrección de la radiación solar

Como se puede observar en la figura 1, las ventanas de la casa, son de metal, por lo tantola carga sensible por la radiación solar a través de las superficies acristaladas, se suponeigual a cero.

Carga por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores;

=a carga por transmisión # radiación &ue se transmite a través de las paredes # tec%os&ue limitan con el e"terior (Lstr se calcula como sigue;

Qstr= K S (! ec−! i) JIKM ()

ónde; K ; Coeficiente global de transmitancia térmica del cerramiento JI/m)NCK

S ; $uperficie del muro e"puesta a la diferencia de temperaturas Jm)K

! i ; :emperatura interior de diseño del local JOCK

! ec ; :emperatura e"terior de c!lculo al otro lado del local JOCK

=os coeficientes globales de transmitancia térmica de los materiales de las paredes,7entanas # pisos, fueron obtenidos de la p!ginaIeb;%ttp;//.cric#t.edu.ar/la%v/pruebas/conductancia/principal.%tm, la cual tiene lacapacidad de insertar las distintas capas del sistema constructivo, # as* obtener loscoeficientes correspondientes.

Fig 4. Coeficiente de transmitancia total paredes (w/m2 K)


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El material con &ue fueron realizadas las paredes, son blo&ues %uecos de arena, deespesor 1' cm, sin revestimiento ni interior, ni e"terior, segGn la figura 4, el coeficiente de

transmitancia es de K =

1

0,395m2

K /w=2,532w /m2 K

.

Fig 5. Coeficiente de transmitancia o!ras de mam"oster#a (w/m2 K)

El piso fue realizado con %ormigón con agregados livianos, con un espesor de 1' cm, por

lo tanto de K =

1

0,75m2

K /w=1,333w /m2 K

.

:abla 4. Caracter*stica térmica de c%apas de acero galvanizadas

Fuente; agPs >.M @salgue >. ()-1)

:abla '. Coeficiente de transmitancia de puertas # ventanas de acero en e"teriores?uertas

e acero en e"teriores 6.4-

Fuente; %ttp;//.mundo%vacr.com.m"/mundo/)--?/-8/calculo


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:abla 6. Besumen de coeficientes de transmitancia global para paredes, ventanas, puerta,piso # tec%o.

Material5ransmitancia

5érmica@Am*B;

lo&ue 1'cm ),'lo&ue 1'cm ),'lo&ue 1'cm ),'lo&ue 1'cm ),'

=amina de >cero )mm 6,4-=amina de >cero )mm 6,4-=amina de >cero )mm 6,4-=amina de >cero )mm 6,4- >cero Qalvanizado

(C@nc o"idado6,-6

Concreto 1,

ara obtener el valor de la temperatura e"terior de c!lculo (:ec se parte de la llamadatemperatura e"terior de diseño (:e, esta se calcula teniendo en cuenta la temperaturamedia del mes m!s c!lido (:me # la temperatura m!"ima del mes m!s c!lido (:m!" dellugar, a partir de la siguiente e"presión;

! e=0,4 ·!me+0,6 ·!má" [# C ] (

:omando en cuenta los datos del @name%, &ue posee los datos de las temperaturasm*nimas, m!"imas # medias, desde el año 19'6 %asta el )--4, se estima como

! me=31,5 # C # !má"=

39 # C , por lo tanto ! e=36# C . =a temperatura e"terior de c!lculo (:ec se calcula finalmente a partir de la temperatura e"terior de diseño (:e #de la orientación &ue tenga la instalación &ue se est! considerando, a partir de lasiguiente tabla;

:abla 8. :emperatura e"terior de c!lculo5rientación :emperatura e"terior de

c!lculo (:ec en NC:ec (NC

3orte -,6:e )1,6-$ur :e 6,--

Este -,?.:e )?,?-5este -,9.:e ),4-:ec%o :eR1) 4?,--$uelo (:eR1'/) )','-aredesinteriores

:e.-,8')8,--


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$e tomó como :emperatura interior de diseño del local, el valor de ))NC, #a &ue es latemperatura en la &ue se alcanza el confort térmico. Conforme, a estos datos, se calculóla carga por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores, utilizandopara ello la fórmula ), como se muestra a continuación para el caso de la pared &ue seencuentre en la pared al 5este, obteniendo los valores &ue se muestran en la tabla ?.

Qstr$orte=2,53w /m2

# C ∗9,40m2∗(33−35)# C

Qstr$orte=−57,06 w

:abla ?. Carga por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores

Qstr(% )

ared 1


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Qventana 1 Este ),98 W

Qventana 2 Este ),98 W

Qventana 3Sur 6-,-- W

Q &uerta'este ?4,)1 W

e"t

vent ¿Q¿

19),14

W

Carga transmitida or infiltraciones de aire e4terior Gsi

=a carga transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior (Lsi se determinacomo;

Qsi=( ) C e, aire *! JIKM ónde

7 Caudal de aire infiltrado # de ventilación Jm/sKU ensidad del aire, de valor 1,1? 0g/m

C e,aire Calor espec*fico del aire, de valor 1-1) /0gOCM

V: iferencia de temperaturas entre el e"terior e interior.

ara el c!lculo del caudal de aire infiltrado # de ventilación, se utilizaron dos métodos;

1. +étodo de calidad de aire interior (@>;ara el cual se escogió un @>4, &ue corresponde a un tipo de aire de calidad baja,

por lo tanto el caudal de aire es 5+m3/s por persona, obteniendo &ue;

( DA=5+m

3/s∗ &ers1+m

3 /s∗0,001

m3

s ∗3 Personas=0,015m3/ s

). +étodo indirecto de caudales de aire e"terior por persona

$ = 57,328m

3

0,015m3/s∗3600 s

=1,06 renovaciones &or hora

( n+irect =( ∗ $

( n+irect =57,328m

3∗1,063600 s

=0,017m3/ s


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Qsi=0,017m3/s∗1,18-g/m3∗1012. /-g/C ∗(36−24 )# C =241,89w

5a!la '2% Calor latente sensi!le desrendido or ersona en HcalA1&ctividad

realizada

*) C *. C *3 C *+ C

Densi!le 8atente Densi!le 8atente Densi!le 8atente Densi!le 8atente Dens

$entado en reposo(Escuela

4' 4' '- 4- '' ' 6- -

Carga sensible debida a las aportaciones internas del local ( Qsai

=a ganancia de carga sensible debida a las aportaciones internas del local, se determinaa su vez como suma de las siguientes tipos de cargas &ue se generan dentro del mismo,

ganancia interna de carga sensible por la iluminación interior del local, ganancia internade carga sensible por los ocupantes del local, ganancia interna de carga sensible por lose&uipos e"istentes en el local.

Qsai=120% + (125% ∗0,9 )+3∗60 Kcal/h1 Kcal /h

∗1,163% =441,39w

Estos datos corresponden a dos l!mparas incandecente de 6- cada una, un televisor de1)' de potencia, adem!s se toma un factor de simultaneidad de -,9, #a &ue no seencuentra todo el tiempo encendido, se tomó como calor sensible desprendido por persona, 6- 0cal/% debido a la activad &ue se realiza es un trabajo sedentario # dedescanso, para personas.

$umando cada uno de los resultados obtenidos es posible determinar la carga sensibletotal.

Qs=(3952,32+360,22+192,14+241,89+441,39 ) w=5187,96w

C!lculo carga latente

El c!lculo de la carga latente (Ll se obtiene empleando la siguiente e"presión;Ql=Qli+Ql& JIKM ónde;

Qli Carga latente por infiltraciones # ventilación de aire e"terior JIK

Ql& Carga latente debida a la ocupación del local JIK


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Carga latente transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior WLliW=a carga latente transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior se determinamediante la siguiente e"presión;

Qli=( ) C l,agua *w X JIKMonde

( Caudal de aire infiltrado # ventilación Jm/sK ) ensidad del aire, de valor 1,1? 0g/m

C l,agua Calor espec*fico del agua, de valor ))'8 0/0g

*w iferencia de %umedad absoluta entre el ambiente e"terior e interior. Jg/0gK

Figura ). C!lculos de psicometr*a para condiciones internas # e"ternas del aireCondiciones internas Condiciones e"ternas

ara utilizar esta e"presión es necesario obtener la diferencia de %umedad absoluta entreel ambiente e"terior e interior (VI, para ello se %izo usa del programa psicroeb (ver figura );Iinterior Y 9, g/0g para )) OC # '-Z de %umedad relativa.Ie"terior Y )',9 g/0g para OC # 8'Z de %umedad relativa.

$i se conoce la densidad del aire es 1,1? 0g/m # el calor espec*fico del agua ))'8 0/0gla carga latente transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior &uedar*a como;

Qli=0,017m3/s∗1,18 Kg/m3∗2257. /g∗(25,9−9,3 ) gagua/ KgAS=746,26w

Carga latente por ocupación WLlpW=a carga latente por ocupación del local (Llp se determina multiplicando la valoración delcalor latente emitido por la persona


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Ql&=n∗C latente , &ersona JIK ondeM

n 3Gmero de personas &ue ocupan el localC latente ,&ersona Calor latente por persona # actividad &ue realiza

:omando de la tabla 8 el valor del calor latente emitido por persona


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Linfiltraciones 1-1-,6)Le&uipos 11),'-Lluminarias 1)-,--Lpersonas 1,'6Lpiso 6-,))

Carga 5ermica5otal 323'#/3

$e puede observar &ue m!s del 6'Z de la carga térmica total se debe a la carga térmicadel tec%o, # la representada por las infiltraciones en paredes # tec%os, esto se debe a &uelas l!minas de acero galvanizado son mu# buen conductor térmico, desde los distintospuntos de vista de la transferencia de calor, conducción, convección # radiación. eacuerdo a esto se puede observar &ue las ma#ores oportunidades de mejoras,corresponde a la mejora de estas condiciones, tomando en cuenta comorecomendaciones;

< @nstalar toldos o plantar !rboles altos son métodos eficaces para reducir el

calentamiento &ue impiden las radiaciones directas del sol.< $ellar bien las puertas # ventanas, con a#uda de gomas para evitar las fugas de

aire fr*o # la entrada de aire m!s caliente por las puertas< Estudiar la posibilidad de cambiar el material, disposición o uso de materiales

aislantes en las ad#acencias al tec%o.

Fig. Estratificación de carga térmica casa con tec%o galvanizado


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Q_paredes; 11%

Q_techo; 54%

Q_ventanas y puertas; 3%

Q_infltraciones; 16%

Q_equipos; %

Q_luminarias; %

Q_personas; 5% Q_piso; 6%

Carga Termica de la Casa Con techo de acero galvanizado

Q_paredes Q_techo Q_ventanas y puertas

Q_infltraciones Q_equipos Q_luminarias

Q_personas Q_piso

En correspondencia con el alto impacto de la carga térmica del tec%o, se recomiendaagregar un sistema alterno de aislamiento, formado por la mezcla de %ormigón # poliéster,a partir de la siguiente tabla se puede observar &ue esto podr*a provocar un a%orro del41,4Z en energ*a, correspondiente a apro"imadamente 1.4 s.

:abla 1. 7alores obtenidos para la carga térmica tec%o de zinc sin alteración # con unsistema alterno de aislamiento

Criterios Unidad

:otal (Aoras/mes de uso del sistclimatización )4 %oraConsumo energético mensual consist.actual 19'6,6- SI%/mesCarga térmica tec%o con sist. >lterno de

>islam 8?),8 ICarga térmica :otal con sist. >lterno de

>islam '9,- IConsumo energético mensual consist.alterno 1146,6' SI%/mesorcentaje >%orro Energético Aipotético 41,4- Ziferencial de Consumo energeticomensual ?-9,9' SI%/mesCosto sist actual 46,1?-? s


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Costo con sist alterno )-)9,'6'-) s >%orro 14,61'?1 s

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