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Cálculo de cargas térmicas: conceptos básicos y métodos

Publicado por S&P el Jan 20, 2020
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El cálculo de cargas térmicas es el estudio que se lleva a cabo por profesionales para reconocer las necesidades de climatización de un espacio, independientemente de la finalidad del mismo, es decir, ya sea para el uso familiar, comercial o industrial.

Entenderemos carga térmica como la cantidad de energía que un área necesita para conservar o conseguir determinadas condiciones de temperatura y humedad, con el fin último de una aplicación específica, ya sea residencial o propia de una actividad concreta. Por ejemplo, la que se llevaría a cabo en una vivienda para calcular las necesidades de sus sistemas de calefacción; o en un centro logístico donde se trabaje con alimentos congelados, para asegurar los sistemas de refrigeración.

Estos estudios ahondan en la cuestión diferenciando si lo que se quiere obtener es carga térmica para determinar qué refrigeración o calefacción va a necesitar el espacio o área, o por otro lado, si lo que se trata es de estudiar las condiciones en temporadas de frío o calor, invierno o verano, como habitualmente se hace en hogares.

Se puede diferenciar, estableciendo una clasificación de las cargas térmicas, entre cargas térmicas sensibles y cargas térmicas latentes:

  • Cargas térmicas sensibles: en esta categoría se incluyen las cargas térmicas originadas por una diferencia de temperatura y también las debidas a la radiación térmica.
  • Cargas térmicas latentes: aquí englobamos aquellas que se deben a una aportación de humedad al aire. Por ejemplo, las derivadas del aire exterior o de la actividad interior (como puede ser la humedad generada por unas cocinas o una maquinaria específica). 

Factores a tener en cuenta para realizar el proyecto

Una vez estén pautados los objetivos y las características del espacio que vamos a analizar, existen muchos factores que han de ser tenidos en cuenta. Pese a que en los términos y especificaciones que daremos hoy cabe la posibilidad de aplicarlos, en mayor o menor medida, a casi cualquier espacio, los próximos pasos y claves se centrarán en un cálculo de cargas térmicas destinado principalmente a un concepto de edificación genérico.

Destacamos, por lo tanto, aspectos o factores a tener en cuenta antes de comenzar el estudio:

  • Ubicación del edificio exacta, así como sus características (dimensiones, altura del techo, pared, etcétera). En definitiva, los factores arquitectónicos que podríamos obtener de los planos del sitio.
  • Orientación del edificio: condiciones exteriores (en función del verano-invierno, condiciones climatológicas y ambientales); condiciones interiores (en función del uso que se le otorgue al local o vivienda).
  • Área total de vidrio expuesto al exterior, así como su tipología y los marcos utilizados; también es importante conocer otro tipo de materiales constructivos presentes en techo, tabiquería, piso y aquellas superficies en contacto con el exterior.
  • Promedio de personas que podrían encontrarse en este espacio o área.
  • Fuentes de calor internas y ventilación requerida en el local.

Cálculo de cargas térmicas para la climatización

Para adentrarnos en los cálculos propios, enumeremos primero los tipos de cargas sensibles y cargas latentes que estudiaremos. Estos son los siguientes:

  • En el apartado del cálculo de las cargas sensibles: Transmisión a través de cerramientos opacos; transmisión a través de cerramientos traslúcidos; radiación solar; ventilación / infiltración de aire; ocupación del local; iluminación; por último, maquinaria.
  • En el apartado del cálculo de las cargas latentes, solo tendremos en cuenta dos categorías: ventilación / infiltración de aire; ocupación del local.

Cálculo de cargas sensibles

Para calcular la carga térmica sensible, que denominaremos Qs, es necesario utilizar la siguiente fórmula:

Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai

En esta expresión encontramos los valores a continuación, que además explicaremos uno por uno más tarde:

Siendo Qsr el valor de la carga sensible originada por la transmisión a través de cerramientos traslúcidos, expresado en W.

Siendo Qstr el valor de la carga sensible por transmisión a través de paredes y techos exteriores, expresado también en W.

Siendo Qst el valor de la carga sensible por transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores (W);

Siendo Qsi el valor de la carga sensible transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);

Siendo Qsai el valor de la carga sensible debida a aportaciones internas (W).

Calcularemos por separado las cargas citadas anteriormente para conseguir el valor de la carga sensible total, a continuación.

Transmisión a través de paredes y techos exteriores

Esta carga térmica por transmisión se calcula de la siguiente forma: 

Qstr = K * S * (Tec – Ti)

Siendo K el coeficiente de transmisión térmica del cerramiento (W/m2 °C), también llamado transmitancia térmica.

Siendo S la superficie del cerramiento, expresado en m2.

Siendo Tec la temperatura de diseño al otro lado del cerramiento, expresado en °C.

Siendo Ti la temperatura interior del diseño del local, expresado en °C.

Transmisión de radiación solar a través del cristal

Aquí se representa la radiación que atraviesa superficies traslúcidas, como puede ser el cristal, transmitiendo calor al interior de la estancia. Esta carga térmica por transmisión a través de cerramientos traslúcidos se calcula así:

Qsr = S * R * F

Siendo Qsr la carga térmica por radiación solar a través de cristal, expresado en W.

Siendo S la superficie traslúcida o acristalada expuesta a la radiación, expresado en m2.

Siendo R la radiación solar que atraviesa dicha superficie, expresado en W/m2.

Siendo F los factores de corrección de la radiación en función del tipo de vidrio y otros factores, que se pueden consultar en unas tablas del Código Técnico de Edificación (CTE-DB HE Ahorro de energía).

 

Transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores

Qst = K · S · (Te-Ti)

Siendo Qst la carga por transmisión a través de los cerramientos interiores, en W.

Siendo K el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento expresado en W/m2ºC.

Siendo S la superficie del cerramiento interior, en m2.

Siendo Te la temperatura de diseño al otro lado del cerramiento (ºC).

Siendo Ti la temperatura interior de diseño del local (ºC).

Transmisión por infiltraciones de aire exterior

Qsi = V · ρ · Ce,aire · ΔT

Siendo Qsi la carga térmica por infiltración y ventilación de aire exterior (W).

Siendo V el caudal de aire infiltrado y de ventilación (m3/s). 

Siendo ρ la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3.

Siendo Ce,aire el calor específico del aire, de valor 1012 J/kg°C.

Siendo ΔT la diferencia de temperaturas entre el ambiente exterior e interior.

Carga sensible por aportaciones internas

Qsai = Qsil + Qsp + Qsv

Siendo Qsil la ganancia interna de calor sensible por iluminación, expresa en W.

Siendo Qsp, la ganancia interna de calor sensible debido a los ocupantes, en W.

Siendo Qsv la ganancia interna de calor sensible por aparatos diversos, en W.

Cálculo de cargas latentes

Ventilación / infiltración de aire

Aquí se calcula la carga latente por ventilación o infiltración de aire exterior, determinada con la siguiente fórmula:

Q = V * 0.63 * Δw

Siendo V el caudal de aire infiltrado o de ventilación, expresado en m3/h.

Siendo 0,63 el producto de la densidad estándar del aire (1,2 kg/m3) por el calor latente de vaporización del agua (0,52 Wh/g).

Siendo Δw la diferencia de humedad absoluta entre el ambiente exterior y el interior (ºC).

Ocupación del local

Esta carga latente por ocupación del local se obtiene multiplicando una valoración de calor latente emitido por una persona tipo, por el número de ocupantes previstos para este local estudiado. Esta cifra de calor emitido se extrae de una tabla en la que se tiene en cuenta una tipología preestablecida de cada una de las estancias. Estos datos pueden ser obtenidos a través del RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas de los Edificios).

Asesoramiento técnico en ventilación

Comentarios

8 responses to “Cálculo de cargas térmicas: conceptos básicos y métodos

  1. Buenas,tengo una aspiración de aire en una maquina de clima partida de casi 27 G°,debido a la manipulación del cliente de las consignas de temperaturas,saltando el presostato de alta constantemente,una de las soluciones que hemos planteado es de aportación de aire frio del exterior,la unidad mueve 6280 m3/h,que aportación de aire en m3/h necesito para rebajar la temperatura de aspiración a 22G°??Que calculo debo hacer??Que tipo de producto vuestro debo mecanizar??Muchas gracias.

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