Keys to the design and calculation of air-conditioning systems
Por Mario Gaitán, socio de Manservi.
Define el diccionario a la acción de climatizar como dar a un espacio cerrado las condiciones de temperatura, humedad del aire y presión necesarias para la salud o comodidad de quienes lo ocupan.
The importance of air conditioning is clear, since it not only guarantees comfort, but also allows living in a healthy space, free of pollutants or harmful agents.
Ahora bien, a la hora de diseñar y calcular una instalación de climatización se debe tener en cuenta todos aquellas variables que influyen, y que no son pocas. Por nombrar algunos ejemplos, aquella oficina técnica que desee diseñar un sistema adecuado, deberá contar con valores como la orientación del local, la iluminación interior del mismo o la localización geografica del local, entre otros.
Si bien es importante comprender las bases de aquello que pretendemos estudiar, a efectos prácticos contamos con infinidad de herramientas que nos permiten automatizar el proceso de cálculo.
Para el cálculo de cargas térmicas, recomendamos el uso de software técnico como Tekton3D o similares, que son aplicaciones integradas en el flujo de trabajo OpenBIM 3D concebidas para el diseño y cálculo integrado de las instalaciones del edificio.
Cálculo de Cargas Térmicas
Se define la carga térmica como la cantidad de energía térmica por unidad de tiempo (potencia térmica) que un recinto cerrado intercambia con el exterior debido a las diferentes condiciones higrotérmicas del interior y del exterior, considerando las exteriores como las más desfavorables posible. El cálculo de estas cargas permite disponer los sistemas adecuados de calefacción o refrigeración para compensarlas.
Preámbulo. Las cargas térmicas sensibles y latentes
La física es al ingeniero lo que la ley al abogado, un principio rector. Debemos diferencias a las cargas térmicas sensibles de las cargas térmicas latentes, que suponen nuestro punto de partida.
Las cargas térmicas sensibles son aquellas cargas térmicas que resultan en una diferencia de temperatura, debidas, entre otros factores, a la radiación térmica.
Por otro lado, las cargas térmicas latentes son aquellas cargas térmicas que resultan en una diferencia de humedad absoluta del ambiente.
Así las cosas, los siguientes son los factores a tener en cuenta para el cálculo del proyecto:
A. Cargas Sensibles
La carga térmica sensible o Qs, responde a la siguiente fórmula:
Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai
Donde,
Qsr = Valor de la carga sensible originada por la transmisión a través de cerramientos traslúcidos, expresado en W.
Qstr = Valor de la carga sensible por transmisión a través de paredes y techos exteriores, expresado en W.
Qsi = Valor de la carga sensible transmitida por infiltraciones de aire exterior, expresado en W.
Qsai = Valor de la carga sensible debida a aportaciones internas.
A1. Datos de Partida
En primer lugar, tendremos que definir tanto los datos de temperatura y humedad exteriores, como los que pretendemos conseguir en el local a climatizar.
Los datos exteriores los podemos obtener de una tabla existente y los interiores según el uso al que se destine el local.
Los datos de partida interiores habituales en verano son 24ºC y un 50% de humedad relativa.
A2. Transmisión y Aislamiento (Qstr)
La transmisión exterior responde a la siguiente fórmula:
Qstr = K * S * (Tec – Ti)
Donde,
K = Coeficiente “K” de transmitancia térmica, puede definirse como «la cantidad de calor que transmite un cerramiento, por metro cuadrado de superficie, por hora y por gradiente unitario de temperatura entre los ambientes interior y exterior«.
Será en función del aislamiento del local el coeficiente K de transmisión, que nos ayudará a calcular las pérdidas del mismo.
S = Superficie del cerramiento, expresado en m2.
Tec = Temperatura al otro lado del cerramiento, expresado en ºC.
Ti = Temperatura del lado interior de diseño del local, expresado en ºC.
La transmisión interior responde a la siguiente fórmula:
Qst = K * S * (Te – Ti)
Donde,
Te = Temperatura al otro lado del cerramiento, expresado en ºC.
A3. Radiación (Qsr)
Su incidencia no es especialmente relevante, salvo en caso de locales muy soleados y con grandes superficies acristaladas. En cualquier caso, responde a la siguiente fórmula:
Qsr = S * R * F
Donde,
R = Radiación solar atravesando la superficie acristalada, expresado en W/m2
F = Factores de corrección de la radiación disponible en las tablas del Código Técnico de Edificación.
A4. Cargas Internas (Qsai)
Son también importantes y tienen influencia las cargar térmicas interiores. Su cálculo responde a la siguiente fórmula:
Qsai = Qsil + Qsp + Qsv
Donde,
Qsil = Carga aportada por la iluminación. El aporte de calorías por efecto joule en los locales puede ser importante, pricipalmente en tiendas y exposiciones. Se expresa en W.
Qsp = Carga aportada por el aforo. En los locales de pública concurrencia como restaurantes, bingos y discotecas, el aporte térmico debido a las personas puede hacer necesaria la producción de frío incluso en pleno invierno. Se expresa en W.
Qsv = Carga aportada por los motores y equipamientos. Se han de considerar todos los equipos que pueden aportar calor situados dentro del local, como los muebles frigoríficos y sobre todo equipamientos de cocina. Se expresa en W.
A5. Aire Exterior (Qsi).
Para garantizar la pureza del aire es necesario realizar una ventilación del local y unas tomas de aire exterior tratadas y filtradas. Ese aire exterior aporta una carga térmica que responde a la siguiente fórmula:
Qsi = V · ρ · Ce,aire · ΔT
Donde,
V = el caudal de aire infiltrado y de ventilación. Se expresa en m3/s.
ρ = la densidad del aire, cuyo valor es 1,18 kg/m3.
Ceaire = Calor específico del aire, cuyo valor es 1012 J/kg°C.
ΔT = Diferencia de temperatura exterior-interior. Se expresa en °C.
B. Cargas Latentes
En la carga latente influirá la ventilación de aire exterior o su infiltración, y responde a la siguiente fórmula:
Q = V * 0.63 * Δw
Donde,
V = Cudal de aire infiltrado o de ventilación. Se expresa en m3/h.
Δw = Diferencia entre la humedad absoluta del ambiente exterior y del interior. Se expresa en ºC.
C. Cálculo de Conductos
C1. Métodos de Cálculo
Existen varios métodos de cálculo como el de reducción de velocidad o el de pérdida de carga constante. Este último es el más ultilizado y consiste en mantener una pérdida de carga igual en cada salida.
C2. Terminales
Los diferentes terminales son importantes a la hora de hacer un estudio técnico-económico del proyecto.
Difusores. Podemos encontrar:
- Anillos: Montaje típico. Son de fácil instalación y distribuyen muy bien la temperatura.
- Rotacionales: Terminales caros que necesitan mucho espacio en el falso techo. Mejoran la distribución de temperaturas.
Rejillas lineales. Son terminales caros y dificiles de instalar. Solo se recomiendan por cuestiones estéticas o de tratamiento de zonas concretas.
Inductores. Especialmente diseñados para locales de mucha altura.
Conclusiones
Queda patente que el diseño de un sistema de climatización debe necesariamente tener en cuenta una multitud de factores que afectan al local. La climatización ha de necesariamente adaptarse a unas necesidades específicas, jugar con ellas, y cumplir con su papel de herramienta que se ha vuelto indispensable.
Si están buscando una oficina técnica que diseñe, instale y preste servicios relacionados con sistemas de climatización, en Manservi llevamos 35 años dedicando todo nuestro esfuerzo a nuestros clientes.
Les invito a contactar con nosotros.
Referencias
- Estudio y desarrollo desde Oficina Técnica interna.
- Sitio web, Ingenierosindustriales, «Cálculo de cargas térmicas de climatización«
- Sitio web, S&P, «Cálculo de cargas térmicas: conceptos básicos y métodos«. Junio, 2020.
- Código Técnico de la Edificación.
