ANÁLISIS COMPARATIVO DE CARGA TÉRMICA DEL SR. COTA

COTA M ONTIEL JOSUE SALV AD OR - [email protected]

29 NOVIEMBRE DEL 2004

CONTENIDO 1.1 INTRODUCCIÓN 1.2 JUSTIFICACIÓN 1.3 OBJETIVOS 1.4 GENERALIDADES 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5

LOCALIZACIÓN CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCIÓN ORIENTACIÓN MARCO TEÓRICO PLANO ARQUITECTONICO

1.5 CALCULO DE CARGA TÉRMICA ACTUAL(sin aislamiento) 1.5.1 1.5.2 1.5.3

POR TRANSMISIÓN POR INFILTRACIÓN POR MISCELÁNEOS

1.6 CALCULO DE CARGA TÉRMICA (con aislamiento) 1.6.1 1.6.2 1.6.3

POR TRANSMISIÓN POR INFILTRACIÓN MISCELÁNEOS

1.7 CONCLUSIÓN 1.8 BIBLIOGRAFÍA 1.9 ANEXOS

1.1 INTRODUCCIÓN

En este proyecto, en el cual se busca analizar a detalle, los beneficios que ofrece un espacio aislado de uno que no lo esta, obteniendo la carga térmica a enfriar por determinado equipo, en toneladas de refrigeración dentro de una casa habitación, con lo cual intenta satisfacer necesidades de condiciones de vida de la familia cota. Se obtuvo considerando condiciones de diseño máximas, de diferentes fuentes de calor que afectan directamente el ambiente, para lo cual con una severa determinación de la capacidad que debe llevar el equipo a utilizar, para proporciar el confort, además las ventajas que ofrece si el hogar esta aislado, remunerando o disminuyendo en los costos tanto como energía. Con todo esto se espera que esta memoria de cálculo beneficie directamente a las personas que la habitan actualmente, y que pueda servir como base para otros proyectos que se quieran poner en marcha.

1.2 JUSTIFICACION

bueno haciendo referencia a los beneficios que otorga el aislamiento, tanto en muros y techos, y la inversión mínima que se hace al colocar este material aislante, en comparación al costo del equipo, y a la energía que se usaría sin el. Nos hace pensar que una casa habitación o cualquier recinto aislado, arroja mas ventajas que desventajas, aquí pues en este proyecto se busca mostrar tales ventajas, entre un recinto aislado de uno que no lo esta, mejorando directamente las condiciones de vida de la familia ocupante en este caso la familia cota siendo la causa principal de este proyecto. Buscando la mejor opción que se llegara a determinar, tomando en cuenta los diversos factores que intervienen, y el como resolverlos para el beneficio total de los habitantes de la casa habitación, principalmente como meta.

1.3 OBJETIVOS


Determinar la carga térmica ejercida por transmisión, infiltración, misceláneos considerando condiciones máximas.
Determinar la capacidad en toneladas de refrigeración del equipo a utilizar para batir la carga térmica.
Determinar la carga térmica de enfriamiento sin aislamiento.
Determinar la carga térmica de enfriamiento con aislamiento.
Mostrar ventajas y desventajas de un recinto aislado con uno que no lo esta.
Mejorar las condiciones de vida da la familia cota n el aspecto de confort climático dentro del hogar mediante la manipulación del ambiente manejando y estableciendo condiciones climáticas de requeridas en el interior de dicho hogar. Considerando los diversos factores que afectan de manera directa al ambiente dentro del hogar.

1.4 GENERALIDADES

1.4.1 LOCALIZACION Esta casa habitación esta ubicada al poniente de la ciudad en el fracc. Residencial del valle por la calle bachoco #1431 entre av. 10 de mayo y calle datil.

1.4.2 CARACTERÍSTICAS DE CONSTRUCCION

Como lo son las que tenemos a continuación;

•

Altura del piso al techo son: 2.70m

•

Color de la loza; completamente de color blanco pero sin aislar.

•

Material usado para la construcción de la casa; ladrillo común con dimensiones de 27cm de largo 15cm de ancho y 6cm de alto.

•

Material de enjarre interior; yeso en todo el interior

•

Material de enjarre exterior; mezcla mortero y arena

•

Espesor enjarre interior: 1 5 cm

•

Espesor enjarre exterior: 1 5 cm

•

Espesor total del muro 18 cm.= 7in pulgadas.

•

Espesor de la loza 6 in pulgadas

•

Numero de ventanas no frontales; 5 ventanas no frontales

•

Numero de ventanas frontales; 2 ventanas frontales

•

Todas y cada una de las ventanas cuentan con cortina.

•

En todas las ventanas el vidrio se encuentra sin polarizar.

•

En la parte de enfrente se encuentra dos árboles con altura aproximada de 6m cada uno.

•

El terreno total es de 19*9=171m2

Área en ventanas= (1.5)(1.5)=2.25m2 =24.21ft2 Área en ventanas de baño= (1)(2)=2ft2 Área en puertas= (0.80)(2)=1.6m2 =17.22 ft2

1.4.3 ORIENTACION

1.4.4 MARCO TEORICO La materia de aire acondicionado y refrigeración, nos ayuda a comprender, como manipular las condiciones del aire como temperatura, humedad, entalpía, entropía, entre otras Con lo cual se pueda obtener un ambiente manipulado diferente o ideal al exterior según las necesidades, invierno o verano. Para ello se necesita hacer un estudio detallado de las fuentes de calor a desalojar o el calor a agregar, en este caso para verano. La carga de calor o carga térmica; Se define como la cantidad de calor que debe ser retirada del espacio a refrigerar para reducir o mantener la temperatura deseada. En un espacio a acondicionar la carga térmica debe eliminar por medio de enfriamiento y viene siendo la suma de las cargas térmicas en las que están involucradas diferentes fuentes. Algunas de estas son;  transmisión (muros, techos, cristales).  Infiltración.  Misceláneos (equipos, personas, iluminación). Este tipo de fuentes varía considerablemente para cada aplicación específica normalmente dada en BTU/h.

CONCEPTOS; Unidad térmica británica (BTU); es la cantidad de calor que se necesita para elevar un grado Fahrenheit la temperatura de una libra de agua. Tonelada de refrigeración (TON); es una medida de capacidad de enfriamiento es equivalente a 12000 BTU/h o 2200 BTU/h. Conductividad térmica (K); Es la cantidad de calor que pasa a través de un material en unidades BTU/ (h)(ft2)(°F DT) por pulgada de espesor. Varía dependiendo del material. Resistividad térmica (R); es el reciproco de la conductancia X 1 X R = + 1 + 2 Donde: K1, K2 y C son conductancias de materiales. C K1 K 2 Coeficiente total de transferencia de calor (U); es la cantidad de calor transmitido a través de un material compuesto de paredes paralelas, resulta después de considerar la conductividad, conductancia y coeficientes peliculares de la superficie se expresa en BTU/ (h)(ft2)(°F DT). Carta psicometrica; es una grafica en la cual se representan todas las propiedades del aire. A condiciones de presión barométrica estándar como son temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo húmedo, humedad relativa, humedad especifica, temperatura de roció.

1.4.5 PLANO ARQUITECTONICO

1.5 CALCULO DE CARGA TÉRMICA ACTUAL (sin aislamiento) Tomando en cuenta una temperatura de diseño exterior de 99°F e interior 78°F y 7in de espesor en el muro. 1.5.1 CARGA TÉRMICA POR TRANSMISIÓN Por muros; 1 Xm Xa 1 + + + h0 K m K a h1

Um =

1 Rm

Rm =

1 7 1 + +0+ = 0.25 + 0.583 + 0.68 = 1.51 4 12 1.46

Rm =

Um =

1 = 0.662 1.51

Nota; h0 y hi son tomados del anexo tabla 2 y Km de la tabla 3

Q = AU m DTE = ft 2 ( BTU / h * ft 2 * F )( F )

Qnorte = (203.43)(0.662)(12) = 1616.05 BTU / h

Anorte = 203.43 ft 2 Qeste = (453.48)(0.662)(24) = 7204.89 BTU / h Aeste = 523.126 − 69.64 = 453.48 ft 2

Qoeste = (435.93)(0.662)(13) = 3751.61BTU / h Aoeste = 435.93 ft 2

Qsur = (213.14)(0.662)(17) = 2398.68 BTU / h Aeste = 261.26 − 48.42 = 213.14 ft 2 Qint erior = (589.66)(0.662)(12) = 4684.26 BTU / h Aint erior = 665.53 − 75.84 = 589.66 ft 2

Qmuros = 1616.05 + 7204.89 + 3751.61 + 2398.68 + 4684.26 = 19655 BTU / h Qmuros = 19655 BTU / h

Nota: los valores DTE son tomados del anexo tabla 4a sumando 1 a todos como construcción medio liviana y siendo el valor DTE para interiores 12 por ser (90-78)= 12

Por techos; 1 Xc Xa 1 + + + h0 K c K a h1

Ut =

1 Rt

Rt =

1 6 1 + +0+ = 0.25 + 0.5 + 0.92 = 1.67 4 12 1.08

Rt =

Ut =

1 = 0.598 1.67

Nota; h0 y hi son tomados del anexo tabla 2 y Kc de la tabla 3

Q = AU t DTE = ft 2 ( BTU / h * ft 2 * F )( F ) Qt = (1023.65)(0.598)(17) = 10406 BTU / h Atecho = 1023.65 ft 2 Qtechos = 10406 BTU / h

Nota: los valores DTE son tomados del anexo tabla 4b sumando 1 al valor seleccionado en construcción mediana.

Por cristales; Qc = qfA = ft 2 ( BTU / h * ft 2 ) Nota; f = 1 Por ser vidrio común del anexo tabla 6 y para agosto 3pm)

Qoeste = (148)(1)(52.42) = 7758.16 BTU / h Aoeste = 52.42 ft 2

Qeste = (27)(1)(48.42) = 1307.34 BTU / h A = 48.42 ft 2

q es tomado del anexo tabla 5 ( latitud 30° norte

Qcristales = 7758.16 + 1307.34 = 9065.5 BTU / h Qcristales = 9065.5 BTU / h

Qtransmision = Qcristales + Qmuros + Qtecho = 9065.5 + 19655 + 10406 = 39126 BTU / h

Qtransmision = 39126 BTU / h

1.5.2 CARGA TÉRMICA POR INFILTRACIÓN

Tbh=78°F diseño

Tbs= 99°F exterior

Φ=50%

Φ=50%

W=120g/lb

W=142g/lb

Volumen total del recinto (VT) = área total*altura total=(95.1m2)(2.70m)= 256.77m3 Volumen total del recinto(VT) =9067.75ft3 Volumen de infiltración= (VT)(C.A/h) / 60 Volumen de infiltración= (9067.75)(10) / 60=1511.29ft3 Volumen de ventilación= (# personas)(CFM/persona) Volumen de ventilación= (7)(30)=210ft3 De estos valores obtenidos se escoge el de mayor valor siendo el de infiltración Nota; valores W obtenidos de la carta psicometríca así como el valor C.A/h del anexo tabla 8 asi como el valor CFM/persona de la tabla 8.

Qs = 1.8(V )(Te − Ti ) = 1.8(1511.29)(99 − 78) = 57126.8 BTU / h Ql = 0.68(V )(We − Wi ) = 0.68(1511.29)(142 − 120) = 22608.9 BTU / h

Q inf iltracion = Ql + Qs = 57126.8 + 22608.9 = 79735 BTU / h

1.5.3 CARGA TÉRMICA POR MISCELÁNEOS Por iluminación;

Qilu min acion = watts (3.4) = BTU / h

Si se considera 1watt/ft2

Siendo una área total de 1023.65ft2 entonces serán 1023.65 watts con lo cual tenemos

Qilu min acion = 1023.65(3.4) = 3480.41BTU / h

Por personas;

Qs = (# personas)(calorsensibleproducido) = BTU / h Ql = (# personas)(calorlatenteproducido) = BTU / h Qs = (7)(220) = 1540 BTU / h Ql = (7)(280) = 1960 BTU / h Q personas = Qs + Ql = 1540 + 1960 = 3500 BTU / h Nota; calor latente y sensible tomados del anexo tabla 9.

Por equipos;

BTU/h= watts (3.4) Cocina

Cafetera 3 galones Estufa Refrigerador Horno de microondas Licuadora Batidora

3740BTU/h 4800 BTU/h 648 BTU/h 2380 BTU/h 1190 BTU/h 340 BTU/h

Sala

Estereo Abanico

200 BTU/h 200 BTU/h

Baño

Plancha Secadora de pelo

1360 BTU/h 2300 BTU/h

T.V.

Video TV Computadora DVD

120 BTU/h 500 BTU/h 1020 BTU/h 48 BTU/h

Recamara (2)

Video TV Abanico Estereo

120(2)=240 BTU/h 500(2) =1000 BTU/h 200(2)=400 BTU/h 200(2)=400 BTU/h

Qequipos = 3740 + 4800 + 648 + 2380 + 1190 + 340 + 200 + 200 + 1360 + 2300 + 120 + 500 + 1020 + 48 + 240 + 1000 + 400 + 400 = 20886 BTU / h

Qmiscelaneas = Qiluinacion + Q personas + Qequipos = 3480.41 + 3500 + 20886 = 28226 BTU / h

Qmiscelaneas = 28226 BTU / h Qtotal = Qtransmision + Q inf iltracion + Qmiselaneas = Qtotal = 39126 + 79735 + 28226 = 147087 BTU / h

capacidad =

147087 = 12.25toneladas 12000

1.6 CALCULO DE CARGA TÉRMICA (con aislamiento) Tomando en cuenta una temperatura de diseño exterior de 99°F e interior 78°F El aislamiento a utilizar es poliuretano expandido con un espesor de 1.5 in o pulgadas tanto como para muros y techos con una conductividad de K=0.17 1.6.1 CARGA TÉRMICA POR TRANSMISIÓN Por muros; 1 Xm Xa 1 + + + h0 K m K a h1

Um =

1 Rm

Rm =

1 7 1. 5 1 + + + = 0.25 + 0.583 + 8.82 + 0.68 = 10.33 4 12 0.17 1.46

Rm =

Nota; h0 y hi son tomados del anexo tabla 2 y Km de la tabla 3

Q = AU m DTE = ft 2 ( BTU / h * ft 2 * F )( F )

Qnorte = (203.43)(0.096)(10) = 195.29 BTU / h Anorte = 203.43 ft 2

Qeste = (453.48)(0.096)(20) = 870.68 BTU / h Aeste = 523.126 − 69.64 = 453.48 ft 2 Qoeste = (435.93)(0.096)(12) = 502.19 BTU / h Aoeste = 435.93 ft 2

Qsur = (213.14)(0.096)(12) = 245.53BTU / h Aeste = 261.26 − 48.42 = 213.14 ft 2

Um =

1 = 0.096 18.57

Qint erior = (589.66)(0.662)(12) = 4684.26 BTU / h Aint erior = 665.53 − 75.84 = 589.66 ft 2

Qmuros = 195.29 + 870.68 + 502.19 + 245.53 + 4684.26 = 6497 BTU / h Qmuros = 6497 BTU / h Nota: los valores DTE son tomados del anexo tabla 4a sumando 1 a todos como construcción medio pesada y siendo el valor DTE para interiores 12 por ser (90-78)= 12

Por techos; 1 Xc Xa 1 + + + h0 K c K a h1

Ut =

1 Rt

Rt =

1 6 1.5 1 + + + = 0.25 + 0.5 + 8.82 + 0.92 = 10.49 4 12 0.17 1.08

Rt =

Ut =

1 = 0.095 10.49

Nota; h0 y hi son tomados del anexo tabla 2 y Kc de la tabla 3

Q = AU t DTE = ft 2 ( BTU / h * ft 2 * F )( F )

Qt = (1023.65)(0.095)(16) = 1555.94 BTU / h Atecho = 1023.65 ft 2

Qtecho = 1555.94 BTU / h

Nota: los valores DTE son tomados del anexo tabla 4b sumando 1 al valor seleccionado en construcción pesada

Por cristales;

Qc = qfA = ft 2 ( BTU / h * ft 2 ) Nota; f = 1 Por ser vidrio común del anexo tabla 6 y q es tomado del anexo tabla 5 ( latitud 30° norte para agosto 3pm)

Qoeste = (148)(1)(52.42) = 7758.16 BTU / h Aoeste = 52.42 ft 2 Qeste = (27)(1)(48.42) = 1307.34 BTU / h A = 48.42 ft 2

Qcristales = 7758.16 + 1307.34 = 9065.5 BTU / h Qcristales = 9065.5 BTU / h

Qtransmision = Qcristales + Qmuros + Qtecho = 9065.5 + 6497 + 1555.94 = 17118 BTU / h

Qtransmision = 17118 BTU / h

1.6.2 CARGA TÉRMICA POR INFILTRACIÓN

Tbh=78°F diseño

Tbs= 99°F exterior

Φ=50%

Φ=50%

W=120g/lb

W=142g/lb

Volumen total del recinto (VT) = área total*altura total=(95.1m2)(2.70m)= 256.77m3 Volumen total del recinto(VT) =9067.75ft3 Volumen de infiltración=(VT)(C.A/h) / 60 Volumen de infiltración=(9067.75)(10) / 60=1511.29ft3 Volumen de ventilación=(# personas)(CFM/persona) Volumen de ventilación=(7)(30)=210ft3 De estos valores obtenidos se escoge el de mayor valor siendo el de infiltración Nota; valores W obtenidos de la carta psicometríca así como el valor C.A/h del anexo tabla 8 así como el valor CFM/persona de la tabla 8.

Qs = 1.8(V )(Te − Ti ) = 1.8(1511.29)(99 − 78) = 57126.8 BTU / h Ql = 0.68(V )(We − Wi ) = 0.68(1511.29)(142 − 120) = 22608.9 BTU / h

Q inf iltracion = Ql + Qs = 57126.8 + 22608.9 = 79735 BTU / h

1.6.3 CARGA TÉRMICA POR MISCELÁNEOS Por iluminación;

Qilu min acion = watts (3.4) = BTU / h

Si se considera 1watt/ft2

Siendo una área total de 1023.65ft2 entonces serán 1023.65 watts con lo cual tenemos

Qilu min acion = 1023.65(3.4) = 3480.41BTU / h

Por personas;

Qs = (# personas)(calorsensibleproducido) = BTU / h Ql = (# personas)(calorlatenteproducido) = BTU / h Qs = (7)(220) = 1540 BTU / h Ql = (7)(280) = 1960 BTU / h Q personas = Qs + Ql = 1540 + 1960 = 3500 BTU / h Nota; calor latente y sensible tomados del anexo tabla 9.

Por equipos; BTU/h= watts (3.4) Cocina

Cafetera 3 galones Estufa Refrigerador Horno de microondas Licuadora Batidora

3740BTU/h 4800 BTU/h 648 BTU/h 2380 BTU/h 1190 BTU/h 340 BTU/h

Sala

Estereo Abanico

200 BTU/h 200 BTU/h

Baño

Plancha Secadora de pelo

1360 BTU/h 2300 BTU/h

T.V.

Video TV Computadora DVD

120 BTU/h 500 BTU/h 1020 BTU/h 48 BTU/h

Recamara (2)

Video TV Abanico Estereo

120(2)=240 BTU/h 500(2) =1000 BTU/h 200(2)=400 BTU/h 200(2)=400 BTU/h

Qequipos = 3740 + 4800 + 648 + 2380 + 1190 + 340 + 200 + 200 + 1360 + 2300 + 120 + 500 + 1020

+ 48 + 240 + 1000 + 400 + 400 = 20886 BTU / h Qmiscelaneas = Qiluinacion + Q personas + Qequipos = 3480.41 + 3500 + 20886 = 28226 BTU / h

Qmiscelaneas = 28226 BTU / h

Qtotal = Qtransmision + Q inf iltracion + Qmiselaneas = Qtotal = 17118 + 79735 + 28226 = 125079 BTU / h

capacidad =

125079 = 10.42toneladas 12000

1.7 CONCLUSIÓN Este calculo ha demostrado que en un recinto aislado se necesita un equipo de menor capacidad de tonelaje que en lugar de uno que no este aislado con el mismo rendimiento en cuanto a el desalojo de la carga térmica o de calor pero solo con la ventaja que tiene mas beneficios por costos del equipo y a consumo de energía con esto nos damos cuenta de la importancia de usar materiales aislantes con lo cual se disminuye los factores que aumentan la carga de calor o térmica por transmisión tanto en muros y techos quedando como sugerencia inequívoca el uso de este tipo de materiales en lugares a refrigerar.

1.8 BIBLIOGRAFIA 

Fundamentos de aire acondicionado y refrigeración, Hernández Goribal Eduardo décimo séptima edición, editorial LIMUSA.



Aire acondicionado y refrigeración, burgués H. Jennings y Samuel R. Lewis.



Principios de refrigeración, Roy J. Dossat, décimo quinta edición, editorial CECSA, 1997.



Acondicionamiento de aire principios y sistemas, Edgard G. Pita, segunda edición, Editorial CECSA, 1997.

1.10 ANEXOS

Tabla 1. Temperaturas exteriores de diseño en verano.

Tabla 2. Valores de ho y hi

Tabla 3. Coeficientes de transmisión de calor

Tabla 4ª. Valores de diferencial de temperatura equivalente (DTE) para muros

Tabla 4b. Valores de diferencial de temperatura equivalente (DTE) para techos.

Tabla 5. Ganancias de calor solar a través de cristales

Tabla 6. Factores de corrección para distintos tipos de dispositivos protectores contra la luz solar

Tabla 7. Infiltración en verano

Tabla 8. CFM por persona

Tabla 9.Calor producido por las personas