viernes, 5 de septiembre de 2014

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sábado, 16 de febrero de 2013

APUNTES DE INSTALACIONES III, CATEDRA FAMA, 2013

Por: ARQ. FERNANDO ARIEL DIAZ

Este apunte ha sido realizado con el fin de distribuir los conocimientos adquiridos luego de la cursada con ayuda de la lectura exhaustiva del libro “INSTALACIONES DE AIRE ACONDICIONADO Y CALEFACCIÓN del Ing. Néstor P. Quadri, con los apuntes tomados en clase, con conceptos y gráficos suministrados por la cátedra FAMA de la Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo, U.B.A. y con mi experiencia en el tema. Espero les sea de ayuda.

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ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO EN LA ARQUITECTURA

Se puede definir como “la realización de funciones destinadas a proporcionar durante todo el año una atmosfera interior saludable y confortable, sin ruidos molestos y con el más bajo consumo energético posible”. Estas funciones básicas son:

· Refrigeración

· Calefacción

· Humectación

· Deshumectación

· Ventilación

· Filtrado

· Circulación.

La refrigeración esta combinada con la Deshumectación en verano, mientras que la calefacción está relacionada con la humectación en invierno para zonas climáticas secas. La ventilación y el filtrado son necesarios todo el año.

Todo Equipo de Aire Acondicionado (A°A°) se compone de dos partes:

· Planta térmica y frigorífica

· Unidad de tratamiento del aire.

Cuando estas partes están unificadas se lo denomina equipos compactos autocontenidos. Cuando están separadas se las denomina a cada una unidades terminales.

VENTILACION

Es el aire que ingresa desde el exterior a través de una reja de toma de aire y un conducto que lo conduce hacia un recinto llamado pleno de mezcla, en él se mezcla con el aire de retorno proveniente del interior del local. Consiste en suministrar aire nuevo lo más puro y limpio posible a la interior evitando que se produzcan vaciamientos y acumulen olores, diluyendo así estos contaminantes. Esta toma de aire debe ubicarse lejos de sectores externos contaminantes como ser cocinas, baños, garajes, calles de alto transito y en lo posible a 1 m. del piso evitando el mayor ingreso de partículas de polvo.

Este aire que se incorpora crea una sobrepresión, eliminándose por exfiltración a través de los cerramientos y aberturas del interior al exterior, este efecto reduce el ingreso de aire y polvo exterior no acondicionado.

FILTRADO

Luego el aire mezclado pasa por una serie de filtros que le quitan el polvo, impurezas y partículas en suspensión. Pueden ser:

· De superficie plana

o Metálicos,

o De fibra,

o De poliuretano,

· De superficie expandida

o Plisados,

o De bolsa,

o Absolutos, denominados HEPA,

· Filtros electrostáticos

Refrigeración y Deshumectación

La refrigeración se consigue forzando el aire a pasar por una batería de serpentín en el cual hay refrigerante evaporándose “equipos de expansión directa” o agua fría “equipos de expansión indirecta”

La batería de refrigeración trabaja a una temperatura inferior al punto de rocío, parte del vapor contenido es condensado en la superficie de los serpentines y esa agua es recogida en una bandeja eliminándose por cañería al sistema de desagüe cloacal mediante un cierre hidráulico (sifón o pileta de piso).

Calefacción

El aire es calentado en una batería de calefacción, normalmente agua caliente proveniente de una caldera. En equipos de expansión directa también se suele emplear la misma batería de refrigeración para calentar en invierno mediante inversión del ciclo o boba de calor. No es conveniente que el calor supere los 80°C, ya que se produce el tostamiento del polvo depositado sobre las serpentinas generando hollín.

Humectación

Luego de calentar el aire se lo hace pasar por humectador, son dispositivos que evaporan agua mediante una resistencia eléctrica, este procedimiento se realiza en zonas climáticas muy secas y frías, no en zonas templadas y húmedas como en la Ciudad de Bs As.

Circulación

Una vez tratado el aire se lo impulsa al interior mediante ventiladores centrífugos que emiten bajo nivel de ruido. Los conductos son de chapa galvanizada, aisladas. La inyección de aire se realiza por medio de rejas en muros o difusores en cielorrasos.

CONCEPTOS DE DISEÑO

Lo primero que debe analizarse es el emplazamiento de la sala de maquinas o el recintos de los equipamientos donde se albergan, estos espacios deben definirse en función de los tipos de equipos, cañerías, conductos, tableros, evaluando la accesibilidad para facilitar la operación y el mantenimiento. El código municipal de Buenos Aires establece:

· Ventilación exterior, mediante vanos o conductos de área útil o mayor de 0.2m2, debe asegurarse 5 renovaciones del volumen total del aire por hora.

· Superficie de paso no menor a 50cm alrededor de la mitad del perímetro de cada equipo y una altura de 1 m sobre los aparatos en los que sea necesario trabajar o inspeccionar.

· Si existen calderas no deben tener comunicación con los recintos de medidores de gas, ni contener a estos.

REQUISITOS PARTICULARES DE DISEÑO

· Estética del edificio, la instalación de aire debe formar parte del edificio sin desvirtuar el hecho arquitectónico.

· Simpleza de la instalación, la capacidad de los equipos debe ser mínima exigida, seriada y que tengan una fácil y rápida instalación.

· Mantenimiento mínimo, concebido a ciertas rutinas periódicas.

· Facilidad de ampliación, debe estar proyectada de modo de ir acompañando las posibles ampliaciones del edificio.

· Confiabilidad de funcionamiento, se basa en la premisa de la continuidad del servicio, instalando equipamientos con una redundancia (n+1), para que siempre exista en la instalación un equipo de reserva disponible y expectante, con controles que permitan permutar automáticamente el orden de funcionamiento.

· Evitar trasmitir ruidos molestos al interior y vecinos externos, Los elementos que generan vibraciones deben estar montados sobre bases antivibratorias y la unión de los ventiladores con la red de conductos, debe efectuarse mediante juntas elásticas de lona o plásticas.

· AHORRO ENERGETICO, Para contar con una instalación eficiente, es indispensable que la instalación y el proyecto del edificio sean pensados en conjunto.

Las instalaciones de aire acondicionado requieren un consumo elevado de energía eléctrica, por lo que su reducción es una de las premisas BASICAS en los criterios de diseño sustentable alcanzando niveles internacionales como las L.E.D.

· Proyecto del edificio, debe contar con la adecuada aislación térmica en muros y techos, pisos, debe estudiarse la correcta disposición de los locales según su uso, su forma, su orientación y las protecciones solares. Debe contar con un sistema de iluminación natural o artificial de bajo consumo y potencia disipada al interior.

· Eficiencia del equipamiento, en el diseño de equipos de refrigeración, debe tenerse en cuenta para aumentar el rendimiento, que las temperaturas de condensación deben ser las más bajas y las de evaporación las más altas posibles. Por ejemplo, los equipos enfriados por agua con torre de enfriamiento tienen mayor rendimiento que los enfriados por aire porque su temperatura de condensación es menor y por otra parte, las unidades condensadores o enfriadoras de agua rinden mas, cuanto mayor es la temperatura de evaporación o del agua de distribución. Para determinar la eficiencia energética de los equipamientos, suele aplicarse un coeficiente de performance denominado COP

o COP = KW (frig, watts) / KW (elec, watts)

COP, debe estar comprendido entre 2.5 a 3

· Cargas parciales, las instalaciones son dimensionadas para que satisfagan las cargas máximas, pero deben poder mantener el ambiente climatizado en las distintas variables de menor exigencia que puedan producirse. Son denominadas cargas parciales, lo que lleva a la necesidad de considerar el desdoblamiento de la instalación para satisfacer pequeñas cargas parciales. Dividiendo los equipos en dos o varias unidades, así las maquinas rinden más cuando están funcionando al máximo de su capacidad y en este caso, operaria a cargas parciales, una sola, mientras que las restantes permanecerían expectante para acoplarse en caso de aumentar las cargas. Además se dispone de mayor seguridad en el servicio en caso de fallas y se aumenta la vida útil de la instalación.

· Emplazamiento, cuando se centraliza la instalación en una gran sala de maquinas en un subsuelo, alejada del ambiente a servir, requieren largos tendidos de conductos y de grandes dimensiones, que ocupan áreas útiles y originan problemas constructivos. El problema se agudiza si el equipo es todo aire, donde los conductos de aire pueden tomar una exagerada dimensión. Es conveniente descentralizar las unidades de tratamiento de aire y ubicarlas cercanas a los locales a acondicionar, para que desde allí se efectué la distribución del aire mediante las conductos

· Zonificación, consiste en agrupar el acondicionamiento de todos aquellos ambientes del edificio cuyas cargas térmicas varían en forma similar. Los principales factores son:

· Orientación

· Horarios de uso

· Disipaciones internas y condiciones psicométricas, diversidad de cargas térmicas interiores debidas a maquinas o dispositivos que disipan calor al ambiente, como es el caso de un centro de cómputos lindero con una oficina con personal.

Zonificación en edificios en edificios de oficinas

· Zona perimetral, es la distancia de 5 mts a partir del muro exterior, que se considera expuesta a la acción variable del clima y del sol, desde un máximo en verano por radiación solar, trasmisiones de calor, disminuyendo luego en las estaciones intermedias hasta presentarse como una zona con pérdida de calor.

UNIDADES

Intensidad de calor

Se relaciona con el movimiento molecular, a mayor movimiento se producen coaliciones que generan energía térmica la cual puede ser medida como variación de temperatura mediante artefactos.

Para mensurar la intensidad de calor se utilizan dos escalas:

· Celsius

· Fahrenheit

Cantidad de calor

Indica el contenido total de energía calórica.

Un trozo de hierro al rojo tiene una temperatura mayor que un cubo de agua caliente, pero este seguramente tiene almacenado más cantidad de calor o energía calórica. La cantidad de calor de un cuerpo es función de su masa y temperatura, o sea del número de moléculas que lo componen y su velocidad media molecular

Para mensurar la cantidad de calor se ha establecido un valor característico que depende de la composición física y química de cada material:

· Calor específico (Ce), es la cantidad de calor necesario para elevar en 1 °C la temperatura de la unidad de masa de una sustancia a presión atmosférica normal. Como unidad de referencia se utiliza el agua, cuyo Ce:1, es entonces, la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1kg de agua en 1°C a presión atmosférica normal. A esa cantidad de calor aportada se la denomina Kcal, entonces: Ce: Kcal / Kg . °C

o 1kcal: 4 BTU (British thermal unit), unidad inglesa

o 1 kcal: 4.185 Joule : 4,185 KJ (sistema internacional)

o 1 kcal / h : 4.185 Joule / 3600 seg.: 1.16 Watt

CALOR SENSIBLE Y CALOR LATENTE

Calor sensible

Se lo denomina cuando el agregado de calor a una sustancia provoca un aumento de temperatura, que puede medirse con un termómetro

Qs: Ce . m . (t1- t2)

Donde:

o Qs: cantidad de calor sensible agregado o sustraído (Kcal)

o Ce: calor especifico de la sustancia (Kcal / kg . °C)

o M: masa (Kg)

o (t1-t2): diferencia de temperatura (°C)

Calor Latente

Se lo denomina cuando el agregado o sustracción del calor no origina un cambio en la temperatura ya que está materializando un cambio de estado físico. No puede verificarse con un termómetro

Ql: Cl . m

Donde:

o Ql: cantidad de calor latente agregado o sustraído (Kcal)

o Cl: calor latente de vaporización o fusión (Kcal / kg )

o M: masa (Kg)

BALANCE TÉRMICO ANÁLISIS DE CARGAS TÉRMICAS

Su objetivo es:

· Análisis del comportamiento térmico de un local o una zona.

· Cómputo del ingreso de calor, obteniendo la cantidad de calor total del local a retirar para lograr el confort térmico deseado.

· Elección de la tipología constructiva apropiada.

· AHORRO ENERGÉTICO... EDIFICIOS SUSTENTABLES.

TRASMISION DE CALOR

Se lo define como la cantidad de calor en kilocalorías que se trasmite en una hora a través de 1 m2 de superficie. Los coeficientes K están tabulados por la Norma IRAM 11.601.

Para el cálculo del coeficiente de transmitancia térmica total K de un cerramiento simple:

Rt: 1 / K : Rsi +(e / λ ) + Rse

Donde:

o Rt: resistencia térmica total, inversa de K (m2 . °C / Kcal)

o e: espesor del ceramiento (m)

o λ: coeficiente de conductibilidad térmica (Kcal / h . m. °C)

o Rsi: resistencia superficial interna (m2 . h . °C / Kcal)

o Rse: resistencia superficial externa (m2 . h . °C / Kcal)

CARGAS DE AIRE ACONDICIONADO

Es la cantidad de calor que hay que extraer en verano, o incorporar en invierno, para mantener una temperatura y humedad prefijadas. Su cálculo permite dimensionar la instalación. En verano se las denomina “cargas de refrigeración” y en invierno “cargas de calefacción”

CARGAS DE REFRIGERACION

Las unidades que suelen utilizarse son:

· Frigoría / hora = Kcal / hora

· Tonelada de refrigeración = 3024 Frigoría / hora, es una unidad inglesa.

· KW = 860 frigoría / hora

Las cargas pueden clasificarse en:

· EXTERNAS del local, son las que provienen del exterior

o Trasmisión del calor (qts) : debido a la diferencia de temperatura entre el aire exterior e interior a través de muros, techos y ventanas.

§ Paredes y techos exteriores: es la cantidad de calor trasmitido por efecto de la diferencia de temperatura.

qts = S . K . (Δ t )

Donde:

· qts : ganancia de calor total por trasmisión (Kcal / hora)

· S: superficie del muro o techo (m2)

· K: coeficiente de transmitancia total del cerramiento (Kcal / h . m2 . °C)

· Δ t: diferencia de temperatura ext – int. (°C)

Paredes y techos interiores: puede suponerse una temperatura 3°C menos a la exterior en verano.

o Radiación (qrs): aporte por efecto invernadero y pasaje retardado sobre muros y techos en virtud de la inercia térmica del material.

qrs = S.K.R

Donde:

· S: superficie del cerramiento (m2)

· K : coeficiente de transmisión térmica (Kcal / h . m2)

· R: coeficiente de radiación solar. Factor solar, depende de:

o Angulo de incidencia

o Horario

o Orientación

o Color, textura, acabado superficial

o protecciones

Por efecto invernadero, todo el calor que penetro en el local queda almacenado, por ese motivo, la protección solar de las ventanas constituye un factor primordial para reducir las cargas de aire acondicionado de verano.

o Cargas por Ventilación o del sistema (qv): Calor proveniente del caudal de aire exterior para satisfacer las necesidades de ventilación. Una parte en forma de calor sensible y otra en forma de calor latente por la humedad. Depende del número de personas, tipo de ocupación y actividad.

V = a% . C

Donde:

o V: caudal de ventilación, aire nuevo exterior (m3 / min).

o a: porcentaje de aire nuevo (%)

Locales con muchas personas: 25 al 30%

Edificios de oficinas: 15 al 25%

Viviendas 10 al 20%

o C: caudal de aire en circulación (m3/min)

C = QSi / 170 (m3/min)

En la práctica, suele tomarse para edificios residenciales, departamentos u oficinas un valor mínimo de V: ¿? m3/h persona. Cantidad de personas

qvs: (Kcal / h) = V . Pe . Ce . Δ t

Donde:

V: caudal de ventilación, aire nuevo exterior (m3 / h).

Pe: peso especifico del aire 1.19 (kg / m3)

Ce: calor especifico del aire 0.24 (Kcal / kg . °C)

Δ t: diferencial temperatura del aire exterior e interior (°C)

qvl: (Kcal / h) = V . Pe . L . Δ Ha

Donde:

V: caudal de ventilación, aire nuevo exterior (m3 / h).

Pe: peso especifico del aire 1.19 (kg / m3)

L: calor latente de vaporización 0.575 (Kcal / kg)

Δ Ha: diferencial humedad de humedades absolutas del aire exterior (gr / kg)

· INTERNAS del local, son las que se originan en el interior:

o Personas (Qps): disipan calor sensible y latente, por el aporte de humedad de la sudoración y respiración

Qps = N° personas . Qs / hora de permanencia

Donde:

N : personas: según factor de ocupación. Datos del código de edificación artículo 4721

Qs : Kcal o Watts por hora y por persona, dato de tabla según la actividad.

o Personas (Qpl):

Qpl = N° personas . Ql / h.per

Donde:

N : personas: según factor de ocupación. Datos del código de edificación artículo 4721

Ql : Kcal o Watts por hora y por persona, dato de tabla según la actividad.

o Iluminación (Qis): es calor sensible. Cuando no hay datos se puede estimar 15 a 25, Watts / m2, para iluminación fluorescente se agrega un 20% por las calor que irradian los balastros.

1 watt = 0.86 kcal/h

o Otras fuentes: maquinas, motores, etc. (Qse): del tipo de maquinaria pueden modificar la temperatura y / o la humedad

Motor: Qms= 73 kcal / h . HP

Cafeterias: Qcs= 227 kcal / h Qcl= 55 kcal / h

Compotator: Qcs = 250 kcal/h

Qse: Qms+Qcs+Qcs

Qle: Qcl

CARGA TOTAL DE CALOR SENSIBLE (qS)

QS=Qst + Qsr + Qsv + Qsp + Qsi + Qse (Kcal / h) + 10%

CARGA TOTAL DE CALOR LATENTE (qS)

QL= Qlv + Qlp + Qle (Kcal / h) + 5%

CARGA TOTAL DE CALOR (qT)

Q total: QS +QL (Kcal / h)

Numero Índice: Qtotal / Volumen del local analizado (Kcal . m3 / h )

SUPOSICIONES DEL CÁLCULO

o Puertas: se estiman dentro del área de la pared, dada que las diferencias son despreciables.

o Piso sobre tierra: no se considera ganancia de calor ya que esta más frio que el aire interior.

o Locales no acondicionados: se los considera con una temperatura menor de 3 °C respecto al exterior.

o Locales acondicionados: no se considera ganancia de calor.

PSICROMETRIA

La psicrometría es la ciencia que estudia las propiedades físicas del aire.

COMPOSICIÓN DEL AIRE

El aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua. La cantidad de agua en el aire es extremadamente variable y constituye la humedad atmosférica.

CONTENIDO DE HUMEDAD

HUMEDAD ESPECIFICA O absoluta (he)

El aire siempre tiene cierta cantidad de humedad y se mide en gramos de vapor de agua por Kg de aire seco (gr / kg), se la denomina humedad especifica (he). Cuando el aire contiene el máximo posible de humedad, está saturado. Cuanto más cálido es el aire, mayor es el vapor de agua que se necesita para saturarlo.

· a 0°C se necesita 4 gr/kg de humedad especifica (he) para saturar el aire, mientras que

· a 10°C se necesita 7.6 gr/kg,

· y a 20°C se necesita 14.7 gr/kg.

HUMEDAD RELATIVA (HR)

Es el porcentaje % de saturación del aire a cualquier temperatura. El aire saturado tendrá un HR de 100%. Si el aire atmosférico tiene 7.35 gr/kg de humedad especifica (he) a la temperatura de 20°C, la humedad relativa (HR) sería del 50%, dado que tendría la mitad de he que tendría si estuviera saturado.

HR :( he / hes ).100%

según el ejemplo 7.35 gr/kg / 14.7 gr/kg : 0.5, o 50% de HR

Donde:

o HR: humedad relativa (%)

o he: humedad especifica real a la temperatura (gr/kg)

o hes: humedad especifica de saturación e esa misma temperatura (gr/kg)

MEDICIÓN DE LA HUMEDAD

Se utiliza el Psicrómetro para medir la humedad. Son dos termómetros, uno con el bulbo seco, denominado termómetro seco y el otro con un bulbo recubierto por un lienzo empapado en agua denominado termómetro húmedo. Se hace circular aire mediante un pequeño ventilador hasta que la temperatura de ambos se estabilice.

La temperatura del bulbo húmedo (TBH) es menor o igual a la temperatura del bulbo seco (TBS), este efecto se produce por la evaporación del agua del lienzo en el aire ambiente. De esta manera, el lienzo entrega al aire vapor este cambio de estado consume calor latente y hace bajar la temperatura del bulbo húmedo.

La cantidad de agua evaporada estará en función de la capacidad del aire circundante de absorber humedad. Si el aire estuviera saturado no admitirá mas humedad y por lo tanto ambos termómetros indicarían el mismo valor. Cuanto mayor sea la diferencia entre ambos menor humedad relativa tendrá el ambiente.

ÁBACO PSICROMETRICO

El ábaco contiene todos los parámetros físicos de una mezcla de aire húmedo por kg de aire seco, representándose en función de las temperaturas del bulbo seco y humedades especificas, las humedades relativas y temperaturas de bulbo húmedo.

En una escala complementaria se halla la ENTALPIA (Kcal / kg), que es el contenido total de calor del aire (Kcal) por kg de aire seco, el que puede ser considerado como la suma del calor sensible del aire seco y el calor latente del vapor de agua.

Además se encuentran las líneas de VOLUMEN ESPECIFICO (m3 / kg), que relaciona el volumen del aire en m3, con los kg de aire seco y es la inversa del peso especifico.

La curva final de humedad relativa 100% indica el punto de rocío del aire a esa temperatura, la TBS = TBH = TPR (temperatura de punto de rocío) y el aire está saturado. Si una superficie está más fría que la temperatura del punto de rocío, se produce condensación de parte del vapor de agua del aire sobre esa superficie y si se sigue enfriando se observa en el ábaco, como disminuye su contenido de humedad especifica, se des-humidifica.

FACTOR DE CALOR SENSIBLE

Matematicamente es la relación que existe entre el calor sensible (Qs) y el calor total (Qt) del local

FCS = Qs / (Qs + Ql) = Qs / QT

Indica las características que debe tener el aire que se inyecta al local que se desea acondicionar. Su valor varía de 1 a 0. No tiene unidad.

El aire de mando que ingresa a un local a acondicionar debe actuar como una “esponja de calor” absorbiendo calor sensible y latente en determinadas proporciones FCS.

Su escala señala el punto central del diagrama, donde FCS =1, TBS = 26.5°C y HR=50%

VARIACIONES DE TEMPERATURA Y HUMEDAD

Lo que se busca en acondicionamiento de aire en verano es el enfriamiento mas la deshumidificación.