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',
El presente estudio, tiene como objetivo obtener la carga térmica necesaria para la climatización, de una casa localizada en la cañada, Coro Edo. Falcón (ver figura 1 con el fin de conseguir la m!"ima eficiencia energética# teniendo en cuenta una serie de condiciones indispensables para conseguir la ma#or eficiencia, tales como el diseño del edificio considerado en su orientación, materiales empleados en su construcción, tipo de instalación e"istente, infiltraciones # ventilación, actividad a realizar por los usuarios, entre otros. Fig '% Fac1adas e4ternas casa a realizar el estudio
$us paredes est!n %ec%as de blo&ues de 1' cm de espesor, posee ventanas construida con l!minas de acero de ) mm de espesor # el tec%o de l!minas de acero galvanizado o"idado, el d*a )1 de +arzo se realizó una visita, realizando mediciones en situ, # obteniendo los valores &ue se adjuntan en la tabla 1. 5a!la '% Temp. Medidas 21 Marzo 2015 6escricion
5em% Interior 7C
5em% E4terior 7C
ared23orte ared2$ur ared2Este ared25este 7entana12Este 7entana)2Este 7entana2$ur uerta25este :ec%o
4 4 ' ' 6 49
' ' 46 4 8 9 6 49
urante la mencionada inspección, se observó la presencia de -) aires compactos, de capacidad distintas, uno de 1)--- tu/% # el otro de '--- tu/%, donde se evidenció &ue uno de ellos se encuentra en mal estado # el otro con déficit de mantenimiento # en el cableado eléctrico conectado al brea0er, los dueños de la propiedad manifestaron &ue desde &ue ten*an los ) aires trabajando en su m!"ima capacidad, mu# escasamente se
lograba una temperatura agradables, entre las causas de esta problem!tica, inicialmente se presume &ue corresponden a; < =as cuatro paredes reciben el sol directamente, encontr!ndose ma#or incidencia en las localizadas en las coordenadas < =as puertas # ventanas no est!n adecuadamente selladas lo &ue posibilita las filtraciones de aire < =os lugares donde se encuentran localizados los aires, no se encuentran debidamente 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 # latitud de la misma, señalados en la figura anterior se obtuvieron las condiciones clim!ticas del aire 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
:emp. >mbiente E"terior (:e 7elocidad del 7iento :emp. @nterna de la Aabitación Aumedad Belativa =atitud =ongitud @rradiación irecta 1)pm2,19+/mD) @rradiación ifusa 1)pm2-,)1+/mD) @rradiación :otal 1)pm2,4+/mD) :emp. @nterior eseada (:i 7olumen del Becinto
Cantidad
6,---,?-,--6?,--11,4-69,69' ??6,11'?,944,44)4,--'8,)?
Fig . Coordenadas para cada pared
Unidad Celsius m/s Celsius % Grados Grados W/m^2 W/m^2 W/m^2 Celcius m^3
Oeste
6,1 m
Sur 3,7 m
Norte
Este
:abla . imensiones de paredes, ventanas, puerta, tec%o # piso &rea: Muro= ventana m<*;
6escricion
8argo m;
<om;
&nc1o
&rea Frontal m<*;
ared23orte ared2$ur ared2Este ared25este 7entana12Este 7entana)2Este 7entana2$ur uerta25este
,8 ,8 6,1 6,1 -,? -,? -,?4 -,?9
),'4 ),'4 ),'4 ),'4 -,94 -,94 -,9 1,86
< < < < < < < <
9,49,41',49 1',49 -,8? -,8? -,8? 1,'8
9,4?,6) 1,9 1,9 < < < <
:ec%o
6,1
<
,8
)),'8
<
iso
6,1
,8
)),'8
<
n c!lculo adecuado permite &ue los usuarios de los locales climatizados e"perimenten un confort térmico, de all* la importancia de la rigurosidad entre los distintos métodos para determinar la carga térmica necesaria en una instalación, entre los &ue est!n el +étodo de Cargas @nstant!neas, el +étodo de C!lculo de Cargas por :emperatura iferencial # Factores de Carga de Enfriamiento o el +étodo del alance :érmico. E"iste softares &ue implementan algunos de estos métodos tales como el 5E<), Coolac0, A> Carrier, =@EB, CE # >$E>+. e los métodos citados anteriormente, en este estudio se utilizaron de ellos para determinar la carga térmica necesaria en la casa ubicada en la cañada, el primero es el
método de cargas instant!neas, el segundo el alance :érmico &ue, a pesar de ser uno de 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 de refrigeración del aire a instalar, sin tomar en cuenta el material del tec%o, de modo tal de tener 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 2
área =6,1 m∗3,7 m=22,6 m A =52∗22,6 m
2
=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 de esta es de 6,1 m. B =74∗long B =74∗6,1 m= 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!s no poseen cortinas, por ello; D=270∗area vent
D=270∗1,56 m
2
=421,4 Frigorias
E.< 5tras ventanas; En la pared &ue se encuentra en la coordenada sur E= 43∗area vent total 2
E= 43∗0,78 m
=33,5 Frigorias
F.< Factor de corrección por luces # aparatos; En la casa, los Gnicos artefactos eléctricos presentes son un televisor de 1- I # un bombillo F =0,86∗ Potencia
F =0,86∗( 100 + 130 ) w
C!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
Frigorias∗1 watt ∗3,41214 Btu / h 0,86 Frigorias Q=2615,2 =10376,08 Btu / h 1 watt
> partir de este resultado se puede, observar &ue sin tomar en cuenta el material del tec%o, ventanas, # las condiciones interiores # e"teriores del ambiente, la capacidad del acondicionador 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, a ningGn %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 por medio de la siguiente e"presión; Qtotal=Qs + Ql
,
onde Qs
; 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 + Q st +Q si + Q sai Qsr
JIK ónde;
Carga sensible por la radiación solar a través de las superficies acristaladas JIK
Qstr
Carga sensible por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores
JIK Qst
Carga sensible por transmisión a través de paredes, tec%os, suelos, puertas #
ventanas interiores JIK Qsi Qsai
Carga sensible transmitida por infiltraciones de aire e"terior JIK 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 )K B Badiación solar &ue atraviesa la superficie correspondiente a la orientación, mes # latitud del lugar considerado JI/m )K F 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 tanto la carga sensible por la radiación solar a través de las superficies acristaladas, se supone igual 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 ! ec
; :emperatura interior de diseño del local JOCK ; :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!gina Ieb;%ttp;//.cric#t.edu.ar/la%v/pruebas/conductancia/principal.%tm, la cual tiene la capacidad de insertar las distintas capas del sistema constructivo, # as* obtener los coeficientes correspondientes. Fig 4. Coeficiente de transmitancia total paredes (w/m2 K)
El material con &ue fueron realizadas las paredes, son blo&ues %uecos de arena, de espesor 1' cm, sin revestimiento ni interior, ni e"terior, segGn la figura 4, el coeficiente de transmitancia es de
K =
1
=2,532 w / m2 K . 0,395 m K / w 2
Fig 5. Coeficiente de transmitancia o!ras de mam"oster#a (w/m 2 K)
El piso fue realizado con %ormigón con agregados livianos, con un espesor de 1' cm, por lo tanto de
K =
1
=1,333 w / m2 K . 0,75 m K / w 2
: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
:abla 6. Besumen de coeficientes de transmitancia global para paredes, ventanas, puerta, piso # tec%o. Material
5ransmitancia 5érmica @Am*B;
lo&ue 1'cm lo&ue 1'cm lo&ue 1'cm lo&ue 1'cm =amina de >cero )mm =amina de >cero )mm =amina de >cero )mm =amina de >cero )mm >cero Qalvanizado (C@nc o"idado Concreto
),' ),' ),' ),' 6,46,46,46,46,-6 1,
ara obtener el valor de la temperatura e"terior de c!lculo (:ec se parte de la llamada temperatura e"terior de diseño (:e, esta se calcula teniendo en cuenta la temperatura media del mes m!s c!lido (:me # la temperatura m!"ima del mes m!s c!lido (:m!" del lugar, 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 temperaturas m*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 la siguiente tabla; :abla 8. :emperatura e"terior de c!lculo 5rientación :emperatura e"terior de c!lculo (:ec en NC 3orte -,6:e $ur :e Este -,?.:e 5este -,9.:e :ec%o :eR1) $uelo (:eR1'/) aredes :e.-,8' interiores
:ec (NC )1,66,-)?,?),44?,-)',')8,--
$e tomó como :emperatura interior de diseño del local, el valor de ))NC, #a &ue es la temperatura en la &ue se alcanza el confort térmico. Conforme, a estos datos, se calculó la carga por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores, utilizando para ello la fórmula ), como se muestra a continuación para el caso de la pared &ue se encuentre en la pared al 5este, obteniendo los valores &ue se muestran en la tabla ?. 2
2
Qstr$orte =2,53 w / m #C ∗9,40 m ∗(33− 35) #C Qstr$orte =−57,06 w
:abla ?. Carga por transmisión # radiación a través de paredes # tec%os e"teriores Qstr ( % )
ared 1 ared ) ared ared 4 :ec%o :otal
<'8,-6 )61,61 169,)1 )9',99 )?),'? 9'),)
Carga or transmisión a través de aredes# tec1os# suelos# uertas ventanas interiores:
$e calcula aplicando la e"presión siguiente; Qst = K S ( ! e −! i ) JIKM ónde;
S Coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento JI/m) -CK $ $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 2
2
Qst =22,57 m .1,33 w / m #C ∗(36− 24 ) # C =360,21 w
Carga 5ermica Densi!le or 5rans% Radiacion E4terior ventanas uertas de 1ierro;: 2
Qsr= 0,78 m
∗6,40 % / m2 # C ∗(28,8 −24 ) #C =23,972 w
:abla 9. Carga :ermica $ensible por :rans. T Badiacion E"terior (ventanas # puertas de %ierro Carga 5érmica
Mangnitu d
Unida d
Q ventana 1
),98
W
Q ventana 2
),98
W
6-,--
W
?4,)1
W
Este
Este
Q ventana 3
Sur
Q &uerta
'este
e"t vent ¿ Q¿
W
19),14
Carga transmitida or infiltraciones de aire e4terior Gsi
=a carga transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior (Lsi se determina como; Qsi =( ) C e, aire *!
JIKM ónde
7 Caudal de aire infiltrado # de ventilación Jm/sK U 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, 3
5 +m / s
por lo tanto el caudal de aire es 3
( DA =
5 +m / s∗ &ers 3
1 +m / s
m s
∗0,001
por persona, obteniendo &ue;
3
∗3 Personas = 0,015 m3 / s
). +étodo indirecto de caudales de aire e"terior por persona $ =
3
57,328 m 3
0,015 m / s∗3600 s
=1,06 renovaciones &or hora
( n+irect =( ∗ $ ( n+irect =
57,328 m
3
∗1,06
3600 s
=0,017 m3 / s
3
3
Q si=0,017 m / s∗1,18 -g / m ∗1012 . / -g/C ∗( 36−24 ) # C =241,89 w
5a!la '2% Calor latente sensi!le desrendido or ersona en HcalA1 &ctividad realizada Densi!le
*) C
$entado en reposo (Escuela
*. C
*3 C
*+ C
8atente
Densi!le
8atente
Densi!le
8atente
Densi!le
8atente
Densi!le
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 determina a 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 interna de carga sensible por los ocupantes del local, ganancia interna de carga sensible por los e&uipos e"istentes en el local. Qsai =120 % + ( 125 % ∗0,9 )+
3∗60 Kcal / h 1 Kcal / h
∗1,163 % =441,39 w
Estos datos corresponden a dos l!mparas incandecente de 6- cada una, un televisor de 1)' de potencia, adem!s se toma un factor de simultaneidad de -,9, #a &ue no se encuentra 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 # de descanso, para personas. $umando cada uno de los resultados obtenidos es posible determinar la carga sensible total. Qs=( 3952,32 + 360,22 + 192,14 + 241,89 + 441,39 ) w =5187,96 w
C!lculo carga latente El c!lculo de la carga latente (Ll se obtiene empleando la siguiente e"presión; Ql=Q li + Q l&
JIKM ónde;
Qli
Carga latente por infiltraciones # ventilación de aire e"terior JIK
Ql&
Carga latente debida a la ocupación del local JIK
Carga latente transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior WLliW =a carga latente transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior se determina mediante 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 aire Condiciones internas Condiciones e"ternas
ara utilizar esta e"presión es necesario obtener la diferencia de %umedad absoluta entre el 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 0/0g la carga latente transmitida por infiltraciones # ventilación de aire e"terior &uedar*a como; 3
Qli =0,017 m / s∗1,18 Kg / m
∗2257 . / g∗( 25,9−9,3 ) gagua / KgAS=746,26 w
3
Carga latente por ocupación WLlpW =a carga latente por ocupación del local (Llp se determina multiplicando la valoración del calor latente emitido por la persona
Ql&=n∗C latente , &ersona
JIK ondeM
n 3Gmero de personas &ue ocupan el local C latente ,&ersona
Calor latente por persona # actividad &ue realiza
:omando de la tabla 8 el valor del calor latente emitido por persona
El c!lculo de la carga latente (Ll finalmente es posible %allarlo como; Ql=( 746,26 + 104,67 ) w=850,93 w
or Gltimo, el c!lculo de la carga térmica total est! dada por; Qtotal=( 5187,96 + 850,93 ) w =6038,89 w
:abla 11. Carga térmica total calculada Carga 5ermica
Mangnitud
Unidad
:otal Carga :ermica $ensible :otal Carga :ermica =atente
'1?8,96 ?'-,9 6-?,?9 )-619,1? 1,8)
I I I :/% ton(refrig
C&RJ& 5ERMIC& 5K5&8 C&RJ& 5ERMIC& 5K5&8 C&RJ& 5ERMIC& 5K5&8
$e puede observar a partir de la tabla 11, &ue el ?6Z de la carga térmica total se debe a la carga térmica sensible, # por ende la menor contribución se debe a la carga térmica latente. Finalmente, se conclu#ó &ue para &ue se alcance las condiciones de confort en esta casa, se necesita un aire de apro"imadamente ) toneladas, lo cual corresponde a un alto gasto en energ*a. En las condiciones anteriores al estudio, la casa pose*a dos aires, de capacidad instalada de 1)--- # '--- tu/% respectivamente, por lo tanto estos se encuentran sobrecargados un 14-Z. :abla 1). Besumen carga térmica casa con tec%o galvanizado Carga 5ermica
Lparedes Ltec%o Lventanas # puertas
Magnitud @;
669,84 )?),'? 19),14
Linfiltraciones Le&uipos Lluminarias Lpersonas Lpiso
1-1-,6) 11),'1)-,-1,'6 6-,))
Carga 5ermica 5otal
323'#/3
$e puede observar &ue m!s del 6'Z de la carga térmica total se debe a la carga térmica del tec%o, # la representada por las infiltraciones en paredes # tec%os, esto se debe a &ue las l!minas de acero galvanizado son mu# buen conductor térmico, desde los distintos puntos de vista de la transferencia de calor, conducción, convección # radiación. e acuerdo a esto se puede observar &ue las ma#ores oportunidades de mejoras, corresponde a la mejora de estas condiciones, tomando en cuenta como recomendaciones; < @nstalar toldos o plantar !rboles altos son métodos eficaces para reducir el calentamiento &ue impiden las radiaciones directas de l 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
Carga Termica de la Casa Con techo de acero galvanizado
Q_personas; 5%
Q_piso; 6%
Q_luminarias; %
Q_paredes; 11%
Q_equipos; % Q_infltraciones; 16% Q_ventanas y puertas; 3% Q_techo; 54%
Q_paredes
Q_techo
Q_ventanas y puertas
Q_infltraciones
Q_equipos
Q_luminarias
Q_personas
Q_pis o
En correspondencia con el alto impacto de la carga térmica del tec%o, se recomienda agregar 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 del 41,4Z 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 un sistema alterno de aislamiento Criterios
:otal (Aoras/mes de uso del sist climatización Consumo energético mensual con sist.actual Carga térmica tec%o con sist. >lterno de >islam Carga térmica :otal con sist. >lterno de >islam Consumo energético mensual con sist.alterno orcentaje >%orro Energético Aipotético iferencial de Consumo energetico mensual Costo sist actual
Unidad
)4
%ora
19'6,6-
SI%/mes
8?),8
I
'9,-
I
1146,6' 41,4-
SI%/mes Z
?-9,9' SI%/mes 46,1?-? s
Costo con sist alterno >%orro
)-)9,'6'-) 14,61'?1
s s
