Consideraciones en el cálculo de cargas térmicas en viviendas. Balance de ganancias y pérdidas

Cálculo de cargas térmicas en viviendas

En cualquier proyecto de climatización es indispensable realizar un estudio previo sobre las necesidades térmicas del edificio o vivienda a climatizar, con el objetivo de determinar las aportaciones y pérdidas de calor existentes. En este artículo conoceremos las diferentes variables que definen el cálculo de cargas térmicas en edificios, tanto en verano como en invierno; tema tratado en el Posgrado / Especialización Internacional en Climatización (HVACR) con Eficiencia Energética. Una vez realizado el cálculo de las cargas térmicas, y en función de las condiciones interiores de confort, se puede determinar la energía calorífica necesaria para equilibrar las cargas térmicas calculadas previamente. A partir de este valor podemos determinar la potencia necesaria del equipo de climatización a instalar. En resumen, el cálculo de cargas térmicas de un edificio permite dimensionar correctamente los equipos de climatización que pretenden instalarse. Por este motivo, es importante realizar un minucioso cálculo de necesidades térmicas, con el objetivo de evitar los dimensionados incorrectos de los equipos de climatización y a la vez, satisfacer las exigencias de confort, interior, establecidas por la normativa. Los factores que deberemos considerar al evaluar las necesidades térmicas de nuestro proyecto son los siguientes:

1- Cálculo de aportaciones

1.1.- Aportaciones exteriores y de entorno

Corresponde a la captación de energía calorífica del exterior a través de las superficies de delimitan el volumen del local. Según el canal de transferencia de calor, podemos distinguir entre:

• Radiación a través de ventanas y lucernarios.
• Transmisión a través de ventanas y lucernarios.
• Transmisión a través de muros exteriores.
• Transmisión a través de techos y suelos exteriores.
• Transmisión a través de techos, suelos, muros interiores o colindantes a espacios no climatizados.

Además, junto a la superficie de transmisión de calor, también deben considerarse otros aspectos complementarios que influyen en la transferencia de energía. En las aperturas, la permeabilidad de los cristales en función de la posición, la radiación incidente, la orientación y latitud, así como la conductividad de los marcos que las sustentan. En los forjados y la parte opaca de la fachada, no podemos descuidar su masa y temperatura equivalente.

1.2.- Aportaciones interiores

Por otra parte debemos considerar también las aportaciones internas. Estas se catalogan según el origen de las mismas en:

• Por personas, aportación de calor sensible y latente.
• Por iluminación.
• Por equipos que aporten calor al ambiente, ya sea sensible o latente.

Para caracterizar la contribución de estos factores debemos tener en cuenta tanto la actividad como el promedio máximo de ocupantes. Si bien la normativa ofrece una guía de calidad, no debe despreciarse la experiencia que otorga la veteranía de ahí que a menudo resulte provechoso dimensionar al alza para asegurar un resultado óptimo. Además, con el ahorro energético como valor en auge adquieren relevancia los sistemas de auto-gestión. Así pues y según el tipo de local y actividad, puede ser beneficioso controlar el volumen de aire nuevo en función del número de usuarios presente, las partículas en suspensión o la cantidad de CO₂. Algo parecido sucede con la iluminación. Dependiendo del momento, puede regularse la iluminación en función de la demanda, la radiación solar incidente y el tipo de dispositivos seleccionados usados para suplementar los recursos naturales.

Controlar la emisión térmica de los equipos de iluminación no solo contribuirá al control de las aportaciones térmicas internas sino que también incrementará la longevidad de las luces.

También debemos considerar a los equipos en funcionamiento como focos de calor internos. Para ajustar al máximo esta aportación no nos basta con el calor nominal que emiten, sino que también debemos conocer los ciclos, la cantidad de calor y humedad que emiten en cada momento. También debe evaluarse la carga de los equipos que aportan vapor de agua al ambiente para determinar la deshumidificación necesaria a fin de mantener las condiciones de humedad relativa establecidas por la normativa. Todas estas acciones influyen directamente en las necesidades térmicas y tenerlas en cuenta puede suponer un ahorro energético considerable.

1.3.- Aportaciones de aire exterior y de expulsión

El volumen de aportación de aire exterior deberá sospesarse ya que puede ser considerado como una aportación de calor al interior del local. Este aire puede ser introducido al lugar de estudio de formas diversas:

• Directamente aspirado por el climatizador.
• Aspirado e impulsado al climatizador, previo filtrado y posible acondicionamiento.
• Mejorado térmicamente a través de recuperadores de calor sensible y/o latente.
• Con o sin enfriamiento previo adiabático.
• Mezclado a la entrada de los climatizadores terminales o después de ellos.
• Y otras formas como aspiración convectiva (efecto chimenea).

2. Cálculo de pérdidas

Del mismo modo que en el cálculo de aportaciones, en el cálculo de pérdidas deberemos considerar los cerramientos por donde perdemos esta energía, como algo más que una fachada, un forjado o un cristal. Hemos de tener en cuenta cómo es esta frontera y sus propiedades térmicas en función de los componentes y materiales que la constituyen. Pero al fin y al cabo, las superficies por las que se transmite el calor del interior al exterior o del exterior al interior, son las mismas. El recinto no varía, lo que cambia es la temperatura interior del local y la del ambiente. En base a esto, el calor viajará en un sentido u otro, siendo esta transferencia de calor más intensa cuanto más acusada sea la diferencia de temperaturas.

El cálculo de pérdidas de calor se determina a partir de los siguientes factores:

• Transmisión a través de ventanas y lucernarios.
• Transmisión a través de muros exteriores.
• Transmisión a través de techos y suelos exteriores.
• Transmisión a través de techos, suelos, muros interiores o colindantes a espacios no climatizados.

Además, en la evaluación de la carga máxima de pérdidas,  debe suponerse que las condiciones exteriores son sin aportación solar durante el día, con el viento dominante medio de la zona y sin contribuciones internas. Tampoco debe olvidarse el efecto de la humedad, especialmente en invierno, ya que la diferencia de la cantidad de vapor de agua entre el interior y el exterior puede suponer una deshumidificación del local. Otro punto destacado a considerar es el de la inercia térmica del edificio, junto con la puesta en marcha de los equipos de climatización y sus intermitencias. Finalmente, en el momento de calcular las necesidades térmicas de un local es importante contrastar las pérdidas con las aportaciones internas en un régimen normal de estudio. En multitud de situaciones, las aportaciones son lo suficientemente importantes como para compensar las pérdidas máximas e incluso superarlas. En estos casos, se precisará enfriar el edificio durante todo el año. Es entonces cuando el empleo del enfriamiento gratuito o free-cooling, resulta interesante ya que permite ahorrar gran cantidad de energía durante estos períodos. En posteriores artículos de este mismo blog, se analizarán los diferentes sistemas de enfriamiento gratuito (free-cooling) y como este método nos permite reducir notablemente los consumos energéticos.  

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Autor

Ing. industrial Oriol Lleopart