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- Tutorial Nº 255 -

Guía para el Cálculo de las
Cargas Térmicas en los Edificios

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Componentes de la carga térmica

1.3- Cálculo de la carga térmica para refrigeración

2- Cálculo de la carga térmica sensible

2.1- Expresión general

2.2- Carga por radiación solar a través de cristal

2.3- Carga por transmisión y radiación por paredes y techos exteriores

2.4- Carga por transmisión por paredes, techos, suelos y puertas interiores

2.5- Carga transmitida por infiltraciones de aire exterior

2.6- Carga sensible por aportaciones internas

2.7- Carga sensible total

3- Cálculo de la carga térmica latente

3.1- Expresión general

3.2- Carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior

3.3- Carga latente por ocupación

3.4- Carga latente total


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Generalidades

Cuando se habla de carga térmica sobre un edificio, se entiende que se habla de un fenómeno que tiende a modificar la temperatura interior del aire o su contenido en humedad.

En este sentido se puede establecer una primera clasificación de las cargas térmicas, según su incidencia:

Cargas térmicas sensibles: aquellas que van a originar una variación en la temperatura del aire.

Cargas térmicas latentes: las que van a originar una variación en la humedad absoluta del ambiente (contenido de agua en el aire).

Por otro lado, el conocimiento de las cargas térmicas es imprescindible, como paso previo para acometer la tarea de diseñar el sistema de acondicionamiento del aire interior de un edificio, dependencia o local.

Precisamente en el diseño de un sistema de aire acondicionado habrá que calcular las cargas térmicas para las situaciones de diseño de verano y de invierno, dimensionando la instalación para la situación más desfavorable.

 

1.2- Componentes de la carga térmica

Según la procedencia se pueden distinguir dos grandes grupos de cargas térmicas:

Cargas térmicas procedentes del ambiente exterior del edificio:

A su vez, las cargas térmicas externas pueden ser de diversos tipos:

- Cargas a través de cerramientos;

- Cargas a través de superficies acristaladas, ventanas y claraboyas;

- Cargas introducidas a través de la ventilación;

- Cargas debidas a infiltración.

Cargas térmicas generadas en el interior del edificio:

A su vez, las cargas térmicas internas pueden ser de diversos tipos:

- Cargas generadas por las personas;

- Cargas de iluminación;

- Cargas generadas por equipos eléctricos, informáticos...

- Otras cargas generadas en el interior.

 

1.3- Cálculo de la carga térmica para refrigeración

Este tutorial se va a centrar en el cálculo de las cargas térmicas para satisfacer las necesidades de refrigeración de un edificio, dependencia o local.

El cálculo de la carga térmica de refrigeración (Qr) es necesario para saber la capacidad de refrigeración de los aparatos de aire acondicionado que se deben utilizar, y en última instancia de su potencia eléctrica de consumo.

La carga térmica total de refrigeración (Qr) de un local se obtiene de la siguiente expresión:

Qr = Qs + Ql

donde,

Qs    es la carga térmica sensible (W);

Ql    es la carga térmica latente (W).

En los siguientes apartados se expone cómo calcular las cargas térmicas sensible y latente que se transmiten al local, con objeto de sumarlas y obtener de esta forma la carga térmica total.

2- Cálculo de la carga térmica sensible

2.1- Expresión general

Para el cálculo de la carga térmica sensible (Qs) se emplea la siguiente expresión:

Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsai

donde,

Qsr    es el valor de la carga sensible debida a la radiación solar a través de las superficies acristaladas (W);

Qstr    es la carga sensible por transmisión y radiación a través de paredes y techos exteriores (W);

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

Qsi    es la carga sensible transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);

Qsai    es la carga sensible debida a aportaciones internas (W).

Por lo tanto, el cálculo de la carga sensible se basa en calcular cada una de las diferentes cargas anteriores y sumarlas, obteniéndose así el valor de la carga sensible total. Y esto es precisamente lo que se va a realizar en los próximos apartados.

 

2.2- Carga por radiación solar a través de cristal "Qsr"

La radiación solar atraviesa las superficies traslúcidas y transparentes e incide sobre las superficies interiores del local, calentándolas, lo que a su vez incrementa la temperatura del ambiente interior.

La carga térmica por radiación a través de cristales y superficies traslúcidas (Qsr) se calcula como sigue:

Qsr = S · R · F

donde,

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

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

R    es la radiación solar que atraviesa la superficie, en W/m2, correspondiente a la orientación, mes y latitud del lugar considerado.

Como referencia se adjuntan algunos enlaces que proporcionan valores de la radiación solar:

 >>  Datos de Radiación Solar Andalucía

 >>  Datos de Radiación Solar España

 >>  Datos de Radiación Solar Europa

 >>  Datos de Radiación Solar Mundo

F    es el factor de corrección de la radiación en función del tipo de vidrio empleado en la ventana, efectos de sombras que pueda existir, etc. Este valor se puede obtener de las tablas incluidas en el documento CTE-DB HE Ahorro de energía. Se adjunta un extracto que incluye cómo calcular el factor solar (F) de huecos y lucernarios:

 >>  Extracto CTE-DB HE para cálculo de F

 

2.3- Carga por transmisión y radiación a través de paredes y techos exteriores "Qstr"

La carga por transmisión y radiación que se transmite a través de las paredes y techos opacos que limitan con el exterior (Qstr) se calcula como sigue:

Qstr = K · S · (Tec - Ti)

donde,

Qstr    es la carga por transmisión a través de paredes y techos exteriores, en W.

K    es el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento, también llamado transmitancia térmica, expresado en W/m2ºC.

S    es la superficie del muro expuesta a la diferencia de temperaturas, en m2.

Ti    es la temperatura interior de diseño del local (ºC)

Tec    es la temperatura exterior de cálculo al otro lado del local (ºC)

Para el calculo del coeficiente de transmisión térmica del cerramiento (K) se adjuntan los siguientes enlaces:

 >>  Cálculo de K aplicable a tipos o sistemas de cerramientos

 >>  Cálculo de K aplicable a materiales empleado en construcción

Como temperatura interior de diseño (Ti) se pueden tomar los valores de la siguiente tabla, que recoge las condiciones de diseño para la temperatura y humedad relativa del aire interior, según las estaciones del año:

Estación del año

Temperatura
ºC

Humedad relativa
%

Verano

23 ... 25

45 ... 60

Invierno

21 ... 23

40 ... 50


Tabla 1. Condiciones interiores de diseño

Por último, para obtener el valor de la temperatura exterior de cálculo (Tec) se parte a su vez de la llamada temperatura exterior de diseño (Te).

La temperatura exterior de diseño (Te) se calcula teniendo en cuenta la temperatura media del mes más cálido (Tme) y la temperatura máxima del mes más cálido (Tmáx) del lugar, a partir de la siguiente expresión:

Temperatura exterior de diseño, Te = 0,4·Tme + 0,6·Tmáx

Para obtener los valores de la temperatura media del mes más cálido (Tme) y la temperatura máxima del mes más cálido (Tmáx) se adjunta el siguiente enlace donde se puede obtener dicha información:

 >>  Acceso a datos climatológicos extremos

La temperatura exterior de cálculo (Tec) se calculará finalmente a partir de la temperatura exterior de diseño (Te) y de la orientación que tenga el cerramiento que se está considerando, a partir de la siguiente tabla:

Orientación

Temperatura exterior de cálculo
(Tec) en ºC

Norte

0,6·Te

Sur

Te

Este

0,8·Te

Oeste

0,9·Te

Cubierta

Te+12

Suelo

(Te+15)/2

Paredes interiores

Te·0,75


Tabla 2. Temperatura exterior de cálculo (Tec)

 

2.4- Carga por transmisión a través de paredes, techos, suelos y puertas interiores "Qst"

La carga por transmisión a través de los cerramientos interiores del local que lo limitan con otras estancias del edificio (Qst) se calcula aplicando la expresión siguiente:

Qst = K · S · (Te-Ti)

donde,

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

K    es el coeficiente global de transmisión térmica del cerramiento, también llamado transmitancia térmica, expresado en W/m2ºC.

S    es la superficie del cerramiento interior, en m2.

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

Ti    es la temperatura interior de diseño del local (ºC)

Para el calculo del coeficiente de transmisión térmica del cerramiento (K) se adjuntan los siguientes enlaces:

 >>  Cálculo de K aplicable a tipos o sistemas de cerramientos

 >>  Cálculo de K aplicable a materiales empleado en construcción

Como temperatura interior de diseño (Ti) se pueden tomar los valores indicados en la tabla 1 anterior, que recoge las condiciones de diseño para la temperatura y humedad relativa del aire interior, según las estaciones del año.

Por último, para elegir la temperatura exterior de diseño (Te) correspondiente a las estancias del edificio que limitan con el local de cálculo, se tendrá en cuenta los usos dados a estas estancias.

 

2.5- Carga transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qsi"

La carga transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior (Qsi) se determina mediante la siguiente expresión:

Qsi = V · ρ · Ce,aire · ΔT

donde,

Qsi    es la carga térmica por infiltración y ventilación de aire exterior (W);

V    es el caudal de aire infiltrado y de ventilación (m3/s);

ρ    es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3;

Ce,aire    es el calor específico del aire, de valor 1012 J/kgºC;

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

En el capítulo 4 del tutorial Nº. 251 "Ventilación y Renovación de Aire Interior en los Edificios" se puede obtener el caudal de ventilación de locales y dependencias de los edificios en función de su uso.

 >>  Tutorial Nº 251:    Ventilación y Renovación de Aire Interior en los Edificios

De esta manera, una vez obtenido el caudal de ventilación de aire del exterior que entra en el local y aplicando la formulación anterior se puede obtener la carga térmica debida a ventilación e infiltración.

 

2.6- Carga sensible por aportaciones internas "Qsai"

La ganancia de carga sensible debida a las aportaciones internas del local (Qsai) se determina a su vez como suma de las siguientes tipos de cargas que se generan dentro del mismo:

Qsai = Qsil + Qsp + Qse

donde,

Qsil    es el valor de la ganancia interna de carga sensible debida a la iluminación interior del local (W);

Qsp    es la ganancia interna de carga sensible debida a los ocupantes del local (W);

Qse    es la ganancia interna de carga sensible debida a los diversos aparatos existentes en el local, como aparatos eléctricos, ordenadores, etc. (W).

Carga sensible por iluminación (Qsil):

Para el cálculo de la carga térmica sensible aportada por la iluminación interior del establecimiento se considerará que la potencia íntegra de las lámparas de iluminación se transformará en calor sensible.

En el caso de las lámparas de tipo fluorescente o de descarga se multiplicará la potencia total de todas las lámparas por 1,25 para considerar el consumo complementario de las reactancias.

- Lámparas incandescentes:

Qsil,incandescente = n · PotLámp. incandescente

Siendo n el número de lámparas de tipo incandescentes colocadas.

- Lámparas de descarga o fluorescentes:

Qsil,descarga = 1,25 · n · PotLámp. descarga

Siendo n el número de lámparas fluorescentes colocadas.

La ganancia de carga sensible por iluminación se obtendrá como la suma de las anteriores:

Qsil = Qsil,incandescente + Qsil,descarga

Carga sensible por ocupantes (Qsp):

Para calcular la carga sensible que aporta cada persona (Qsp), es necesario conocer previamente las distintas cargas térmicas que origina:

- Radiación: debido a que la temperatura media del cuerpo es superior a la de los objetos que le rodean.

- Convección: ya que la superficie de la piel se encuentra a mayor temperatura que el aire que la rodea, creándose pequeñas corrientes de convección que aportan calor al aire.

- Conducción: originada a partir del contacto del cuerpo con otros elementos que le rodeen.

- Respiración: lo que origina un aporte de calor por el aire exhalado, que se encuentra a mayor temperatura. Aquí se produce también un aporte de vapor de agua que aumentará la humedad relativa del aire.

- Evaporación cutánea: este aporte de calor puede ser importante en verano.

La carga por ocupación tiene, por tanto, una componente sensible y otra latente, debido ésta última tanto a la respiración como a la transpiración. En ambos casos habrá que tener en cuenta el número de ocupantes de la estancia.

En la tabla siguiente se indican los valores de calor latente y sensible, en kcal/h, desprendido por una persona según la actividad y la temperatura existente en el local:

Calor latente y sensible desprendido por persona

Tabla 3. Calor latente y sensible desprendido por persona

La expresión para obtener el calor sensible de aporte por la ocupación del local sería la siguiente:

Qsp = n · Csensible,persona

siendo,

n    es el número de personas que se espera que ocupen el local;

Csensible,persona    es el calor sensible por persona y actividad que realice, según la tabla 3.

Carga sensible por aparatos eléctricos (Qse):

Para el cálculo de la carga térmica aportada por la maquinaria, equipos y demás electrodomésticos presentes en el espacio climatizado del local se considerará que la potencia integra de funcionamiento de las máquinas y equipos presente en ese recinto se transformará en calor sensible.

Por otro lado, todos los equipos y electrodomésticos se considera que no funcionarán todos a la vez, por lo que se le afectará de un coeficiente de simultaneidad del 0,75 a la suma obtenida de todas las potencias.

 

2.7- Carga sensible total "Qs"

La carga sensible total (Qs) aportada al local es la suma de todas las anteriores:

Qs = Qsr + Qstr + Qst + Qsi + Qsil + Qsp + Qse

3- Cálculo de la carga térmica latente

3.1- Expresión general

Para el cálculo de la carga térmica latente (Ql) se emplea la siguiente expresión:

Ql = Qli + Qlp

donde,

Qli    es la carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior (W);

Qlp    es la carga latente debida a la ocupación del local (W).

Por lo tanto, el cálculo de la carga latente se basa en calcular cada una de las diferentes cargas anteriores y sumarlas, obteniéndose así el valor de la carga latente total. Y esto es precisamente lo que se va a realizar en los próximos apartados.

 

3.2- Carga latente transmitida por infiltraciones de aire exterior "Qli"

La carga latente transmitida por infiltraciones y ventilación de aire exterior (Qli) se determina mediante la siguiente expresión:

Qli = V · ρ · Cl,agua · Δw

donde,

Qli    es la carga térmica latente por ventilación de aire exterior (W)

V    es el caudal de aire infiltrado y ventilación (m3/s);

ρ    es la densidad del aire, de valor 1,18 kg/m3;

Cl,agua    es el calor específico del agua, de valor 2257 kJ/kg;

Δw    es la diferencia de humedad absoluta entre el ambiente exterior e interior.

En el capítulo 4 del tutorial Nº. 251 "Ventilación y Renovación de Aire Interior en los Edificios" se puede obtener el caudal de ventilación de locales y dependencias de los edificios en función de su uso.

 >>  Tutorial Nº 251:    Ventilación y Renovación de Aire Interior en los Edificios

De esta manera, una vez obtenido el caudal de ventilación de aire del exterior que entra en el local y aplicando la formulación anterior se puede obtener la carga térmica latente debida a ventilación e infiltración en el local.

 

3.3- Carga latente por ocupación "Qlp"

La carga latente por ocupación del local (Qlp) se determina multiplicando la valoración del calor latente emitido por la persona-tipo y por el número de ocupantes previstos para el local.

Como se ha visto, en la anterior tabla 3 se indican los valores de calor latente y sensible, en kcal/h, desprendido por una persona según la actividad y la temperatura existente en el local.

La expresión para obtener el calor latente de aporte por la ocupación del local sería la siguiente:

Qlp = n · Clatente,persona

siendo,

n    es el número de personas que se espera que ocupen el local;

Clatente,persona    es el calor latente por persona y actividad que realice, según la tabla 3.

 

3.4- Carga latente total "Ql"

La carga latente total (Ql) aportada al local es la suma de todas las anteriores:

Ql = Qli + Qlp

 

 

 

>> FIN DEL TUTORIAL

 

 

 

 

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