Cálculo y Selección de equipos de Manejo de Aire y Refrigeración.
Para el cálculo de las cargas térmicas de un recinto de forma exhaustiva, es necesario seguir los pasos descritos en el apartado 3. Sin embargo, para éste estu estudi dio o se hará harán n vari varias as simp simplilififica caci cion ones es para para faci facililita tarr los los cálc cálcul ulos os.. Los Los procedimientos de cálculo de cargas térmicas, tablas de valores y coeficientes de corrección ue se explican en este apartado se basan en el método descrito por el !anual de aire acondicionado de la compa"#a $arrier.
%l calor sensible del recinto es debido a las ganancias por insolación a través de las ventanas de la fachada, a la transmisión de potencia térmica a través de la fachada, las paredes internas, el techo y el suelo, a la generación de calor interno del recinto y a la ventilación. Sin embargo, el calor latente sólo es debido a la generación de calor interno del recinto y a la ventilación. Por lo tanto, tanto, para calcular calcular el calor sensible sensible y el calor latente se debe estudiar estudiar por separado cada uno de los términos ue los componen. &stas simplificaciones son de carácter restrictivo atendiendo al hecho ue éste proyecto no pretende satisfacer los cálculos de cargas térmicas de cualuier locali localidad dad y cualui cualuier er tipo tipo de materia materiall constr construct uctivo, ivo, sino ue preten pretende de ser un e'emplo de cómo hacer una estimación de las cargas térmicas, y posteriormente de cómo seleccionar un euipo de acondicionamiento de aire adecuado.
Las simplificaciones a considerar son las siguientes( •
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La localidad de estudio siempre será )arcelona tomando los datos de la estación meteorológica del Prat. *s#, las condiciones climáticas exteriores de proyecto en invierno serán de +, -$ de temperatura seca y ,/ grados de oscilación media diaria. 0 las condiciones en verano serán de 3/ -$ de temperatura seca, +1,1 -$ de temperatura h2meda y ,+ grados de oscilación media diaria. ada la locali4ación de )arcelona, se usarán las tablas correspondientes a 56- de latitud norte, para el cálculo de las ganancias por insolación de las superficies de vidrio. %sta latitud ser#a válida para cualuier localidad de la Pen#nsula 7bérica. ebido a las condiciones climáticas de )arcelona, las mayores cargas térmicas se darán en los meses de verano. Por lo tanto, sólo se reali4arán los cálculos de necesidades térmicas para los meses comprendidos entre abril y agosto ya ue el sistema de condicionamiento de aire se dimensiona en función del caso más desfavorable. Los cálculos de las cargas térmicas se reali4arán en condiciones estacionarias del recinto a estudiar, debido a ue para reg#menes transitorios el dimensionado del sistema de acondicionamiento de aire no ser#a válido ni fiable. %l n2mero máximo de fachadas con diferentes orientaciones del recinto a estudiar es de cuatro. 0 se considerará ue no hay edificios u obstáculos ue impidan la radiación solar directa a las fachadas. Las condiciones del aire del interior del recinto son de +5 -$ y 118 de humedad relativa ue corresponden a unas condiciones de confort óptimas. Los cálculos reali4ados son para el caso más desfavorable para dicha locali4ación, para conocer los valores de caudales de aire para épocas con distintas condiciones exteriores es necesario instalar un higrómetro y un termómetro ue regularán la velocidad de rotación de los ventiladores a fin de proporcionar siempre la temperatura y la humedad deseada en el interior del recinto.
Las ganancias por insolación a través de las ventanas sólo generan calor sensible. *l calcular estas ganancias, es necesario conocer la orientación de la fachada para encontrar cuales son las aportaciones solares a través del vidrio, esto genera una serie de valores dependiendo del mes de cálculo y de la hora solar. 9ambién es necesario conocer los metros cuadrados de ventana del recinto y el tipo de marco ue tiene. *simismo, se debe conocer ué espesor de vidrio tiene la ventana y el color del vidrio. :inalmente, se debe indicar si tiene cortina o no, y donde se encuentra ubicada.
onde( ;insol (
?. ginsol ( *portación solar a través de vidrio sencillo = >@Am+ de ventanaB ?. *Cent ( !etros cuadrados de ventana de la fachada = m+ ?. f/ ( :actor corrector adimensional debido al marco de la ventana. Siendo su valor /,/ si no tiene marco o es metálico, y de / si el marco es de madera o plástico. f+ ( :actor corrector adimensional debido al espesor del cristal. Siendo su valor / si es un vidrio sencillo y de 6, si el vidrio es doble. f3 ( :actor corrector adimensional debido al color del cristal. Siendo su valor / si es transparente, de 6,3 si es de un color claro y de 6,1 si es de un color oscuro. f5 ( :actor corrector adimensional debido a las persianas de la ventana. Siendo su valor / si no tiene persiana, de 6,D1 si la persiana es interior y de 6,/1 si la persiana es exterior. La ecuación anterior debe aplicarse para cada valor de la tabla de aportaciones solares a través de vidrio sencillo lo cual generará una matri4 de valores en función del mes y de la hora solar para una orientación dada. Eo se puede tomar simplemente el valor máximo de esta matri4 porue no siempre coincide el valor máximo de ganancia térmica por insolación con el valor de ganancia térmica máxima del recinto, por lo tanto, es necesario guardar todos los valores para compararlos con el resto de ganancias térmicas. Eo se han considerado las sombras proyectadas por edificios adyacentes debido a ue es una condición dif#cil de automati4ar ya ue depende del tama"o y forma del edificio adyacente, de la hora solar y de la incidencia de los rayos. e igual modo, se ha simplificado la variedad de factores de corrección mostrando sólo los más comunes. Las ganancias debidas a la insolación y convección con la cara externa de la fachada se transmiten al interior del recinto pero de igual modo ue en el apartado 5.3 sólo genera calor sensible. Para calcular esta ganancia, es necesario conocer el material constructivo ue compone la fachada, ue indicará el coeficiente global de transmisión y la orientación. %stos dos datos permiten conocer la diferencia euivalente de temperaturas a través de las tablas. 9ambién es necesario conocer el color de la fachada y los metros cuadrados de fachada sin ventanas.
onde( ;9ransF:achada ( ?.
*:achada ( !etros cuadrados de fachada sin ventanas = m+ ?. G9rans ( $oeficiente de transmisión global del muro. %n él se engloban los coeficientes de convección del aire exterior con el exterior de la fachada, el coeficiente de conducción a través del muro y el coeficiente de convección de la cara interior del muro con el aire del recinto = > @ A m+ H G B ?. 9%$orregido ( iferencia euivalente de temperatura corregida. %s la diferencia entre las temperaturas de aire interior y exterior ue resulta del flu'o calor#fico total a través de la estructura, originado por la radiación solar variable y la temperatura exterior = -$ ?.
onde( 9% ( iferencia euivalente de temperatura sin corregir. Sólo es válido cuando la temperatura exterior es de 31-$, la temperatura interior es de +-$ y la variación de la temperatura exterior en +5 horas es de //-$ = -$ ?. aB
$orrección de la diferencia euivalente de temperaturas. Eecesaria para a'ustar la variación de la temperatura exterior en +5 horas a las adecuadas a nuestro caso, y para a'ustar la temperatura exterior menos la temperatura interior para el mes de estudio = -$ ?.
bB $oeficiente adimensional ue considera el color de la cara exterior de la fachada. Siendo su valor / cuando el color es oscuro, de 6,I1 para colores intermedios y de 6,1 para colores claros. La segunda ecuación debe aplicarse para cada valor de la tabla de diferencias euivalentes de temperatura lo cual genera una matri4 de resultados ya corregidos. La suma de esta matri4 con la matri4 de la tercera ecuación dará una matri4 cuyo valor máximo será la potencia térmica máxima ue entrará al recinto a través de la fachada tanto por transmisión como por insolación a través de las ventanas. Sólo se han tenido en cuenta los valores de los coeficientes globales de transmisión para muros con pesos por metro cuadrado de 366 Jg@m+ y de 166 Jg@m+ , ue corresponden a muros de fachada normales y térmicamente aislados respectivamente. Eo se han considerado infiltraciones por ventanas o rendi'as, as# como tampoco se ha tenido en cuenta la difusión de vapor de agua a través del muro ni las condensaciones de vapor de agua.
Las ganancias térmicas de las paredes interiores del recinto se transmiten al interior del recinto pero sólo aportan calor sensible. Se consideran paredes interiores auellas ue no están en contacto directo con el ambiente y no reciben radiación solar directa, como las paredes divisorias de distintos recintos, o los techos o suelos de recintos en pisos intermedios. Para calcular estas ganancias es necesario conocer los metros cuadrados de paredes interiores y si son paredes aisladas térmicamente o no. 9ambién será necesario saber los metros cuadrados de techo y suelo y si el recinto está entre dos recintos, uno superior y otro inferior. Por 2ltimo también será necesario saber los metros cuadrados de ventanas interiores.
onde( ;ParedF7nt( ?. *7nt( Superficie de las paredes interiores = m+ ?. G7nt( $oeficiente de transmisión global del muro = > @ A m+ H G B?. 9%xt( 9emperatura ambiente del exterior del recinto. %n el caso de )arcelona se tomará una temperatura de 3/ -$. 97nt( 9emperatura del interior del recinto. La temperatura ob'etivo del recinto de este proyecto es de +5 -$. ebido al desconocimiento de la temperatura de recintos adyacentes al recinto de estudio, se ha optado por hacer la simplificación de tomar una temperatura media entre la exterior y la de estudio en ve4 de hacer los cálculos con la diferencia euivalente de temperatura. Eo se han tenido en cuenta infiltraciones, ni difusión de vapor a través de muros, ni condensaciones de vapor. 9ampoco se han tenido en cuenta las variaciones de ganancias térmicas ue puedan generar tuber#as empotradas. Por otra parte, los valores de los coeficientes de transmisión global de los muros son de + >@Am+ HGB y de /, >@Am+ HGB para muros interiores normales y aislados respectivamente. Para techos y suelos ue se encuentren entre otros pisos tendrán un coeficiente de transmisión global de /,3 >@Am+ HGB. 0 para techos o suelos ue sean el piso más alto o el piso más ba'o respectivamente, el valor del coeficiente de transmisión global será de /,/ >@Am+ HGB. Para evitar la sensación desagradable ue produce el aire viciado es necesario introducir una cierta cantidad de aire exterior ue se llama de renovación. %ste aire exterior se me4cla con una parte de aire del interior del recinto ue recircula, la
me4cla se llama aire de ventilación Ao de impulsiónB y deberá ser tratado en las bater#as de enfriamiento del sistema de acondicionamiento de aire. La cantidad de aire exterior ue se utili4a en la me4cla, es el estrictamente necesario para producir una renovación conveniente del aire del recinto. %n el K79% viene regulado por la 79% /./.5.+.3 en función de un concepto llamado 7* Aaire de óptima calidadB definido a partir de( • •
•
7* /( *ire de óptima calidad( hospitales, cl#nicas, laboratorios y guarder#as. 7* +( *ire de buena calidad( oficinas, residencias, museos y similares. 7* 3( *ire de calidad media( edificios comerciales, cines, restaurantes y similares. 7* 5( *ire de calidad ba'a.
%l 7* indica el caudal m#nimo de aire de renovación por persona necesario. Eo es necesario renovar un caudal superior al indicado por el 7* y tampoco es recomendable ya ue el aire ue viene del exterior entra con una temperatura mucho mayor a la del aire de recirculación y supondr#a un gasto energético. %n este proyecto se ha escogido el 7* + y, por lo tanto, el caudal de aire de renovación necesario será de /+,1 l @ As H personaB. %n la %cuación 5.// se indica cómo calcular el caudal de aire de renovación.
onde( ṁ *ireFKenovación
( $audal de aire de renovación procedente del exterior = laire @
s ?. E-Personas( E2mero de ocupantes de forma permanente del recinto =Persona?. %l aire de impulsión. es el aire ue resulta de me4clar el aire renovación Ao exteriorB con el aire de retorno ue se hace recircular desde el mismo recinto.
onde( ṁ9otalF*ire
( $audal de aire de impulsión = l de aire @ s ?
E-Kenov( E2mero de renovaciones por hora. $orresponde a la cantidad de veces ue debe renovarse totalmente el aire del recinto cada hora =Kenovaciones @ h?. Col( Columen del recinto = m3 ?.
ebe tenerse en cuenta ue el euipo de acondicionamiento de aire ue se esco'a pueda proporcionar el caudal calculado, y no sólo la potencia reuerida. 0a ue de no ser as#, no se conseguirán las condiciones de confort necesarias en el recinto. %l cálculo de la potencia térmica del euipo de acondicionamiento de aire se puede reali4ar mediante balances térmicos y de masas sobre el sistema compuesto por el recinto y el euipo de acondicionamiento. Para obtener los valores de las incógnitas de dicho sistema es preciso reali4ar sistemas de ecuaciones no lineales por lo ue se necesita un programa de cálculo numérico, este cálculo es largo y complicado. ado ue el fin de este proyecto es obtener una herramienta de cálculo de necesidades térmicas y de elección de sistemas de acondicionamiento de aire adecuados, se ha optado por un cálculo utili4ando valores del ábaco psicométrico del !anual de aire acondicionado de $arrier, fruto de la experiencia de instaladores y fabricantes. %n la siguiente figura se muestra un esuema del recinto y el euipo de acondicionamiento de aire, indicando con n2meros los caudales de aire ue intervienen en el acondicionamiento.
1. Aire de impulsión. %s la me4cla de aire de renovación y de retorno después de
ser tratado en el euipo de acondicionamiento. 2. Aire de retorno. %s el aire del recinto ue se extrae y se hace recircular
me4clándose con el aire de renovación. 3. Aire de salida. %s el aire viciado ue se expulsa al exterior del recinto para
compensar el aire de renovación ue se aporta.
. Aire de reno!ación. %s el aire exterior ue se aporta al recinto con el fin de
renovar el aire del interior. ". Aire me#clado. %s el aire resultante de me4clar el aire de retorno con el aire de
renovación antes de ser tratado en el interior del euipo de acondicionamiento. Los datos conocidos de este sistema son las propiedades termodinámicas de los puntos + y 3, ue corresponden al aire de retorno y al aire expulsado al exterior respectivamente, ya ue tienen las mismas condiciones ue el interior del recinto. 9ambién se conocen las propiedades termodinámicas del punto 5, ue corresponde al aire de renovación, ya ue tiene las mismas condiciones ue el aire del exterior. Para calcular la carga térmica ue supone tratar el aire de impulsión Ame4cla de aire de retorno y aire exteriorB se deben conocer dos parámetros del aire exterior( el volumen espec#fico y la entalp#a espec#fica. %n psicrometr#a, el volumen espec#fico son los metros c2bicos de aire h2medo ue corresponden a un Jilogramo de aire seco. La entalp#a espec#fica es la energ#a en JM ue le corresponde a un Jilogramo de aire seco. e igual modo, se debe conocer la entalp#a espec#fica del aire de retorno siguiendo el mismo procedimiento ue para el aire exterior. %stos valores se obtienen a partir del ábaco psicométrico buscando el punto de intersección entre 3/ -$ de temperatura seca y 68 de humedad relativa para el aire exterior. %n estas condiciones el volumen espec#fico del aire exterior es de 6,II1 m3 aire h2medo @ Jg aire seco, y le corresponde una entalp#a de I/ JM @ Jg aire seco. 0 en la intersección entre +5 -$ de temperatura seca y 11 8 de humedad relativa se puede observar ue la entalp#a espec#fica es de 16 JM @ Jg aire seco. e la resta entre la entalp#a espec#fica del aire exterior y la entalp#a espec#fica del aire de retorno se obtiene la entalp#a espec#fica ue debe absorber el sistema de acondicionamiento de aire. %n este caso es de 3/ JM @ Jg aire seco, de los cuales JM @ Jg aire seco corresponden a la entalp#a debida a la diferencia de temperaturas AsensibleB, y +5 JM @ Jgaire seco corresponden a la diferencia de humedad contenida entre el aire exterior y el de retorno AlatenteB. %n las siguientes ecuaciones se pueden observar las fórmulas utili4adas para calcular la potencia térmica debida a las cargas por ventilación.
;CentilaciónFLatente ( $alor latente debido al aire de renovación. %s el calor latente ue debe superar el euipo de acondicionamiento de aire debido al de renovación procedente del exterior = > ?. ṁ *ireFKenovación
( $audal de aire de renovación procedente del exterior = laire
@s?. v*ireFrenovación ( Columen espec#fico del aire exterior = m3 aire h2medo @ Jg aire seco?. NhSensible ( iferencia de entalp#a espec#fica debida a la diferencia de temperaturas. %s la diferencia entre la entalpia del aire exterior y la entalpia del aire interior pero debido solamente a la diferencia de temperatura seca =JM @ Jg aire seco?. NhLatente ( iferencia de entalp#a espec#fica debida a la diferencia de humedad. %s la diferencia entre la entalpia del aire exterior y la entalpia del aire interior pero debido solamente a la diferencia de gramos por Jilogramo de aire seco entre el aire exterior y el aire interior = JM @ Jg aire seco ?. :inalmente, el valor de las potencias totales necesarias para conseguir las condiciones de confort definidas inicialmente se calculan mediante las siguientes ecuaciones.
onde( ;SensibleF:inal ( $alor sensible final. %s el calor sensible total debido a las cargas internas y externas y las cargas debidas al aire exterior de ventilación. ;LatenteF:inal ( $alor latente final. %s el calor latente total debido a las cargas internas y externas y las cargas debidas al aire exterior de ventilación. ;9otalF%uipo ( Potencia total ue debe absorber el euipo de acondicionamiento de aire para conseguir las condiciones de confort definidas inicialmente. La selección de un euipo de acondicionamiento de aire adecuado puede depender de muchos factores. Los tres factores fundamentales son( •
Carga t$rmica% %l euipo de acondicionamiento de aire debe suplir las
demandas térmicas máximas debidas a las cargas internas y a la ventilación.
•
Caudal de aire de impulsión% ebe ser capa4 de suministrar el caudal de
aire máximo de impulsión. •
Capacidad de regulación% ebe tener capacidad de regulación mediante
un regulador de tensión o de frecuencia en los motores de los ventiladores del aire exterior y de impulsión. %sta regulación se hace mediante sensores de humedad y temperatura y son necesarios cuando el euipo traba'a a carga parcial en épocas de menor necesidad térmica o variación de la humedad exterior. Otros factores ue pueden influir en la elección del euipo son el coste económico del euipo, el coste económico de la instalación, la potencia térmica capa4 de suministrar por unidad de potencia eléctrica Aratio de eficiencia energéticaB ue influenciará en el consumo eléctrico del euipo, y factores debidos al aspecto f#sico del euipo o a la dimensión de las unidades interiores y@o exteriores del euipo entre otros. $uanto mayor sea el ratio de eficiencia energética menor será el consumo eléctrico del euipo de acondicionamiento de aire.
onde( PotenciaFeléctrica( Potencia acondicionamiento de aire =>?.
eléctrica
consumida
por
el
euipo
de
;9érmica( Potencia térmica generada en el recinto ue debe refrigerar el euipo =>9érmico?. K%%( Katio de eficiencia energética. %s la potencia térmica capa4 de producir un euipo por unidad de potencia eléctrica = >9érmico @ >%léctrico ?. %n este proyecto se muestran una serie de euipos de acondicionamiento de aire y se recomendaran algunas de las opciones posibles ue cumplan el reuisito de suplir las cargas térmicas del recinto, mostrando su coste económico y el ratio de eficiencia energética. %sta elección sólo pretende ser orientativa debido a la comple'idad de elección de un euipo as# como a la dimensión de la base de datos ya ue en el mercado se pueden encontrar much#simos más euipos de distintas caracter#sticas y tecnolog#as. La elección final del euipo de acondicionamiento de aire debe estudiarse detenidamente para cada caso.
