Instalaciones de climatización; caracterización, normativa y estudio de cargas térmicas

Para tener una estimación realista del sistema de climatización y valorar la eficiencia energética del sistema proyectado, es indispensable un estudio riguroso de las componentes de carga que se impliquen en el proyecto.

1. CARACTERIZACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LA EXIGENCIA

Al comenzar el estudio es necesario recabar la siguiente información:

1. Orientación del edificio y situación de los locales a acondicionar.

• Zona climática
• Puntos cardinales
• Sombras
• Superficies reflectantes

2. Condiciones exteriores de la ubicación
3. Condiciones interiores de confort deseado y ajustado a normativa.
4. Uso de los locales; hospital, oficina, fábrica, taller, sala de reuniones, etc…
5. Dimensiones de los locales; largo, ancho y alto.
6. Estructura de cerramientos y materiales utilizados, ventanas, escaleras, huecos…
7. Condiciones del entorno; edificios y estructuras vecinas, recintos colindantes, cerramientos enterrados, etc…
8. Número de ocupantes por sala.
9. Cargas térmicas internas en los locales; alumbrado, motores, ordenadores…
10. Horario de funcionamiento del sistema, continuo o discontinuo, temporalidad.

Así mismo, la información arquitectónica, instalaciones, acometidas, espacios, accesibilidad, desagües…, nos ayudarán a realizar un diseño de integración más racional y real con la selección y ejecución de los equipos.

Antes de calcular las cargas térmicas de la instalación, ha de diseñarse el proyecto para obtener una calidad térmica en el ambiente, de aire interior y una reducción del consumo de energía convencional. Y como consecuencia una reducción de las emisiones de gases y contaminantes.

1.1.1 Viviendas

Para los locales habitables edificios de viviendas debe aportarse un caudal de aire exterior para eliminar contaminantes y reducción la emisiones de CO2. En el Documento Básico de Salubridad DB-HS3 del Código Técnico de la Edificación (CTE) se prescribe las condiciones generales de los sistemas de ventilación que han de disponerse en el diseño de los equipos de ventilación.

En los proyectos de climatización es necesario verificar el cumplimiento del CTE para la limitación del consumo energético DB-HE0, la demanda energética DB-HE1 y las pérdidas y ganancias de calor a través de los cerramientos DA-DB-HE1. Estas limitaciones del CTE actúan principalmente sobre la envolvente, definiendo las características de los elementos que la componen de modo que la resistencia térmica sea elevada, o su inversa, el coeficiente U de transmitancia térmica esté por debajo de unos valores determinados.

El documento DB-HE0 facilita las fórmulas para calcular los valores máximos de consumo energético de energía primaria no renovables que pueden tener los edificios y sus ampliaciones. El DB-HE1 hacer referencia al cálculo de las instalaciones, potencia, dimensiones de ACS, calefacción y refrigeración.

Los cerramientos de cualquier instalación que separan dos ambientes a distinta temperatura, tienen una transmitancia térmica U (W/m2K) que mide la cantidad de calor por m2 que pasa de un lado a otro.

1.1.2 Locales e industria destinada a personal

Con este fin, para las instalaciones destinadas al bienestar térmico e higiene de las personas es de aplicación las exigencias e instrucciones técnicas recogidas en el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). Los valores de diseño para oficinas, centros comerciales, cines, teatros…, como temperatura operativa, humedad relativa, velocidad media del aire, calidad del aire, filtración, control, eficiencia…, han de ser tomados de este documento. De esta forma, obtendremos unos valores de ventilación, renovación de aire y filtración que afectarán al estudio de la carga térmica de los locales y al dimensionamiento de los equipos de tratamiento de aire.

1.1.3 Industria y procesos productivos

En instalaciones de procesos industriales, agrícolas o similar no es de aplicación el RITE o el CTE para validad el confort térmico de la instalación. Sin embargo, se pueden aplicar los mismos criterios en el estudio de cargas térmicas que se explica a continuación.

2 NORMATIVA APLICABLE

Las exigencias de ventilación han ido aumentando desde el RCAS de 1980, pasando por la norma UNE 100011, RITE de 1998, UNE-EN 13779 y actualmente lo indicado en el DB-HS3 “Calidad del aire interior” del CTE y en el RITE de 2007 que considera válido lo indicado en la UNE-EN 13779.

Las condiciones exteriores de un proyecto vienen definidas en verano para cada localidad por la temperatura seca y la humedad relativa o humedad coincidente, correspondientes a los percentiles del 0,4%, del 1% y del 2%; en invierno por la temperatura de cada localidad para los percentiles del 99% y 99,6%. Estos valores pueden consultarse en la Norma UNE 100001 o en el documento reconocido del RITE “Condiciones climáticas exteriores de proyectos”, en la página web del Ministerio de industria, Energía y Turismo.

3.ESTUDIO DE CARGAS TÉRMICAS DE UNA INSTALACIÓN

La demanda térmica tanto en invierno como en verano se calcula a partir de las condiciones exteriores más adversas definidas en proyecto y las condiciones interiores de confort, la cantidad de calor que se pierde en invierno o las ganancias de calor que se producen en verano.

En invierno se calculan las pérdidas de calor por transmisión a través de la envolvente y las pérdidas por ventilación más las de infiltración. Únicamente se considera la carga sensible.

En verano, el cálculo es más detallado y es el resultado de la suma de las ganancias de calor sensible y las ganancias de calor latente.

Para el cálculo de las ganancias de calor sensible se tienen en cuenta las siguientes partidas:

• Radiación solar a través de las ventanas, claraboyas y lucernarios.
• Radiación y transmisión a través de paredes y techo exteriores.
• Transmisión a través de paredes y techo no exteriores.
• Aire de infiltración.
• Personas que ocupan el local.
• Iluminación del local.
• Máquinas.
• Aire de ventilación.

Para el cálculo de las ganancias de calor latente se tienen en cuenta las siguientes partidas:

• Aire de infiltraciones.
• Personas.
• Aire de ventilación.

3.1 CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS DE CALEFACCIÓN.

El cálculo de la carga térmica en instalaciones de calefacción se hace únicamente teniendo en cuenta la carga sensible, es decir, por diferencia de temperaturas a partir de estos dos parámetros: pérdidas de calor por transferencia a través de los cerramientos y pérdidas de calor por renovación de aire.

Lo normal es realizar el cálculo de las pérdidas de cada ambiente distinto dentro del edificio, y este cálculo de pérdidas o de cargas térmicas en régimen permanente, dará la potencia necesaria de los emisores: su suma, afectada por diversos factores, la de los equipos generadores.

Las pérdidas de calor (o la potencia necesaria) se obtienen por la ecuación:

P= Pst+Psv

donde:

• Pst; calor sensible perdido por transmisión a través de los elementos separadores (kcal/h ó W)
• Psv; calor sensible perdido por entrada de aire exterior (kcal/h ó W)
El cálculo se realiza en las condiciones normativas más desfavorables, es decir, despreciando todos aquellos factores que pudieran suponer en algún momento una disminución de las cargas térmicas; así, el soleamiento o las fuentes interiores de calor como personas, alumbrado, aparatos, etc.

3.1.1 Pérdidas por transmisión

Pst= Σ Uj·Sj·(Ti-Te)

• donde:
• U; coeficiente de transmitancia (W/m2 ºC)
• S, es la superficie del cerramiento (W
• Ti, es la temperatura interior de confort que queremos mantener.
• Te, es la temperatura exterior más extrema (o de reglamentos en función del percentil)

Esta potencia puede verse afectada por diversos coeficientes de mayoración, por ejemplo en los cerramientos orientados al norte, pueden incrementarse en un 10%; al este y al oeste, en un 5%. También en función de la intermitencia de funcionamiento de la instalación la carga térmica total puede incrementarse entre un 5% y un 10%.

3.1.2 Cálculo de las pérdidas de calor por reemplazamiento de aire

Psv= (0,34)·q·(Ti - T e)

donde:

• 0,34; producto del calor específico del aire por su peso específico
• Q; el caudal de ventilación en m3/h. (infiltraciones, renovaciones…)

También se debe considerar la ganancia interna de calor sensible por iluminación, ocupantes o diversos aparatos.

3.2 CÁLCULO DE CARGAS TÉRMICAS DE REFRIGERACIÓN.

Para refrigerar un local en verano, hay que introducir frío en el mismo, es decir, extraer calor del exterior; el calor a extraer ha de ser el mismo que el calor que entra del exterior. La carga térmica es el calor que entra en el local del exterior, y que tendremos que calcular, aunque nuestro objetivo es el cálculo de la potencia frigorífica de la máquina que ha de producir el frío.

El calor que entra como consecuencia de la diferencia de temperaturas se llama calor sensible, y el que entra como consecuencia de la diferencia de humedades se llama calor latente. El valor de cada una de estas cargas es la suma de las cargas debidas a diferentes conceptos o partes y reciben el nombre de partidas.

Cuando existen partidas de calor sensible y latente debido al aire exterior de ventilación hablaremos de carga sensible efectiva y carga latente efectiva.
La carga térmica de refrigeración de un local "Qr" se obtiene:

Qr = Qst + Qlt

Siendo:

• Qst = Aportación o carga térmica sensible (W).
• Qlt = Aportación o carga térmica latente (W).

Para el cálculo de la carga térmica de un local tendremos en cuenta por una parte la carga debida a la suma de las cargas de las partidas sensibles y por otra parte la carga debida a la suma de las cargas de las partidas latentes de las ganancias comentadas más arriba.