El consumo energético, con repercusiones en el gasto económico, en las emisiones de CO₂, en el consumo de recursos o en la contaminación, está muy relacionado con el nivel de aislamiento de las viviendas. En el gráfico siguiente podemos ver el ahorro sucesivo que puede obtenerse, en kWh al año, según las mejoras en el aislamiento en una vivienda unifamiliar, de tipo medio, en un clima frío.

Temperatura interior

El RITE, como se ha visto en la unidad de trabajo anterior, establece para los espacios habitados, las condiciones de temperaturas interiores de la tabla de más abajo. En el caso de locales e instalaciones industriales, la norma UNE_EN ISO 7730 establece algunas orientaciones para los distintos tipos de locales. También hay que tener en cuenta que las normas sobre condiciones de seguridad en centros de trabajo también obligan a que la temperatura en talleres e industrias esté dentro de los márgenes de 17 a 27 ºC y una humedad relativa del 30 a 70% (exceptuando situaciones singulares derivadas de los procesos productivos; por ejemplo, un trabajador que debe almacenar género en una cámara frigorífica a 5ºC deberá asumir esta temperatura en el trabajo y abrigarse convenientemente).

Temperatura exterior

Las condiciones exteriores de temperatura y humedad relativa dependen del emplazamiento de la vivienda o edificación, y varían por tanto si estamos cerca de la costa, o en una zona de alta montaña. Además dentro de cada zona hay también variaciones locales por su orientación, viento dominante, etc. El documento de referencia para fijar las condiciones exteriores de temperatura y humedad en proyectos de climatización, es la norma UNE 100014:2004: “Climatización. Bases para el proyecto. Condiciones exteriores de cálculo”, e indica los niveles de percentiles estacionales (NPE) a utilizar para el cálculo de las cargas térmicas de un edificio. Para el cálculo de las cargas térmicas máximas de invierno, las temperaturas secas a considerar son las correspondientes a los siguientes niveles:

El  documento “Condiciones climáticas exteriores”, elaborado por el IDAE, aplica la norma mencionada (aunque plantea niveles de exigencia mayores, por ejemplo a hospitales, clínicas, etc. asocia el nivel percentil 99,6 y al resto el nivel 99). Los datos climáticos incluidos en la guía proceden de las 104 estaciones de la Agencia Estatal de Meteorología que tienen registros horarios para un periodo mínimo de 10 años (periodo 1998-2007). En este documento, que puede descargarse en el enlace de más abajo, hay que tener presente que:

• Se distingue entre datos necesarios para calefacción y refrigeración, utilizando el concepto de nivel percentil (porcentaje de horas anuales en los que la temperatura de la localidad es sobrepasado por un cierto valor, es decir, el valor de la temperatura seca de una localidad con un nivel percentil del 0,4 supone que el 0,4 % de las horas anuales (unas 35 horas), la temperatura de dicha localidad está por encima de este valor.
• No obstante, el nivel de temperatura a utilizar siempre ha de ser evaluado por el proyectista del edificio o de sus instalaciones térmicas, de acuerdo con el cliente, buscando un balance entre el ahorro energético, confort y coste. Como es sabido, la renuncia a temperaturas interiores óptimas durante un número limitado de horas en el interior de los edificios, que además pueden ser horas de no ocupación, permite reducir de forma considerable el coste de las instalaciones y ajustar mejor su eficiencia energética. Por ejemplo, si se hicieran los cálculos con una temperatura exterior equivalente a la mínima temperatura que se ha producido en la zona en los últimos años, el dimensionamiento de la caldera, de los emisores y de los conductos, podría ser un 30 % mayor y eso supone, por un lado, una mayor coste de inversión y, por otro lado, un menor rendimiento cuando funciona a potencias más bajas que la nominal.
  

Algunas temperaturas de referencia del percentil 99,6 para las capitales de provincia son:

Podemos distinguir los siguientes tipos de cerramientos a efectos de cálculo:

• Cerramientos en contacto con aire exterior: se incluyen en este apartado los cerramientos opacos en contacto con el ambiente exterior, tales como muros de fachada, cubiertas y suelos.
• Cerramientos en contacto con el terreno: se incluyen aquí los suelos, los muros y las cubiertas en contacto con el terreno.
• Particiones interiores en contacto con locales no calefactados: se incluyen aquí los muros, paredes, suelos, y techos en contacto con otros locales de edificios no calefactados.
• Huecos y lucernarios: Los huecos son los elementos semitransparentes de la envolvente del edificio tales como ventanas y puertas acristaladas. Los lucernarios son huecos situados en una cubierta.

En este apartado estudiarás las pérdidas de calor en los distintos tipos de cerramientos. Para ello, deberás recordar las fórmulas vistas en la primera unidad de trabajo de este módulo:

donde:

Q: Pérdidas de calor por transmisión en cerramientos (W).
U: Transmitancia térmica (W/m²K).
λ: Conductividad térmica (W/mK)
e: Espesor de la pared (m)
S: Superficie del cerramiento (m²)
Δt = t₁ - t₂: Diferencia de temperatura entre la temperatura interior y la exterior (K) →  Recuerda que la diferencia de temperaturas da el mismo valor numérico en K que en ºC

De cara al cálculo, los locales adyacentes se consideran no calefactados (podría ocurrir que no conectaran la calefacción o que estuviera la vivienda o el local desocupado. Siempre se pone la condición más desfavorable). La temperatura en el interior de esos locales, lógicamente, depende de la temperatura exterior. La siguiente tabla nos proporciona esas temperaturas, dependiendo de la temperatura exterior de proyecto.

Vamos a estudiar este cálculo mediante un ejemplo resuelto.

El cálculo de pérdidas de calor por ventilación deberás tener en cuenta lo que marcar el RITE para la ventilación de locales y lo que indica el CTE para viviendas, que ya vimos en la segunda unidad de trabajo. Su valor es proporcional al volumen de aire introducido así como a diferencia entre la temperatura del aire exterior y la temperatura ambiente interior. Recuerda que el calor ganado o perdido por un cuerpo viene dado por la fórmula ya vista de:

Si la anterior fórmula la aplicamos al caudal másico del  aire frío que hay que introducir a una vivienda o local para renovar el aire viciado, tendremos la siguiente expresión:

Ya sabemos que los calores perdidos son negativos, y para evitar el signo negativo, ponemos las temperaturas de tal manera que nos salga positivo. Sustituimos también el caudal másico por el caudal volumétrico, más usual en los cálculos. Es decir,

Q: pérdidas de calor por ventilación (W).
q_a: Caudal de aire nuevo introducido (m³/s).
c_a: Calor específico del aire (1 010 J/kg K).
ρ_e: Peso específico del aire (1,2 kg/m³).
Δt: Diferencia de temperatura entre la temperatura interior y la exterior (K).

Sustituyendo los valores fijos de las propiedades del aire estándar y poniendo el caudal en m³/h, por lo que tendremos que dividir por 3 600, obtendremos la ecuación simplificada:

Para cálculos de viviendas o para aquellos locales, en donde se desconozca o no sea de aplicación un caudal de ventilación, puede optarse por calcular las pérdidas en base al número de renovaciones de aire previstas según la fórmula:

donde:

V: Volumen del local, correspondiente a la cantidad de aire de renovación (m³)
n: Número de renovaciones de aire por hora previstas. Puede tomarse 1 en general, en baños y salas de estar 1,5 y en locales con un volumen grande 0,5.

Al margen de las pérdidas anteriormente citadas hay también que considerar suplementos debidos a la orientación y a la intermitencia de uso de la calefacción.

• El suplemento por orientación: tiene por objeto considerar la diferente exposición del local a la radiación solar, dando lugar a diferentes valores de intercambio de calor por radiación del edifico con el exterior, según las distintas orientaciones. En nuestro caso la orientación más favorable es la del sur, con lo cual la vamos a considerar como factor suplemento cero y a partir de ésta todos los valores serán positivos. Oscila entre 0 y 0,15
• El suplemento por intermitencia: se conoce también como suplemento por arranque. Es debido a la potencia adicional que se debe instalar para poner a régimen la instalación (alcanzar la temperatura de confort) en un período breve de tiempo, ya que si se instalase únicamente la potencia necesaria para compensar las pérdidas de calor, en el momento de la puesta en marcha de la instalación, se requeriría un tiempo muy largo, en condiciones exteriores extremas para alcanzar dichas condiciones de confort. Este suplemento es mayor en función del tiempo que permanezca parada la instalación. El valor oscila entre 0 y 0,15
• El suplemento por paredes frías: hay que aplicarlo en las viviendas que están en las plantas bajas o en los últimos pisos de los edificios y en aquellos casos con más de un muro exterior. También en el caso de viviendas con grandes ventanales. Su valor oscila entre 0 y 0,10

Los valores de los factores de los suplementos pueden variar según las circunstancias y el criterio del proyectista. El resultado total de la suma de los distintos suplementos es el tanto por uno que debe aumentarse la carga térmica calculada por conducción y por ventilación.

Los sistemas frigoríficos y las cámaras frigoríficas tienen un amplio espectro de uso. Especialmente las de ciclo cerrado y compresión, que estudiaremos posteriormente. Se utilizan con multitud de productos, tanto alimenticios como industriales. El rango de temperaturas también es muy grande, desde lo que se conoce como cámaras positivas, las que están por encima de cero grados, pasando por las negativas y las de muy baja temperatura.

Cuando se diseña o estudia el funcionamiento de una cámara frigorífica siempre se empieza por el estudio del producto y sus condiciones de conservación o congelación. Inmediatamente después se calcula su carga térmica, para la cual, debemos conocer todas las fuentes de calor que penetran en ella. Estas fuentes las podemos agrupar en:

1. Ganancias exteriores a través de sus cerramientos

•  Por convección y conducción
•  Por radiación solar
•  Por ventilación e infiltraciones

2. Ganancias interiores del recinto

•  Iluminación
•  Ocupación
•  Producto
•  Equipos

Las ganancias de calor que entran o se generan en un local, se presentan en forma de calor sensible (variación de la temperatura) y/o en forma de calor latente (variación de humedad). Tradicionalmente, se calcula la carga térmica instantánea de refrigeración, es decir, la carga térmica a una hora determinada y en un mes determinado, generalmente en las condiciones globales más desfavorables. Por ejemplo, en la ciudad de Barcelona, el cálculo de la carga térmica instantánea de refrigeración suele darse en los meses de julio y agosto a las 15 h.

Los parámetros básicos que forman parte del cálculo de cargas en refrigeración industrial son:

• Características de los productos y temperatura de almacenamiento. Condiciones higrotérmicas.
• Condiciones climáticas de la zona.
• Orientación del edificio (radiación solar y viento), edificios próximos (sombra), superficies reflectantes.
• Dimensiones físicas de los cerramientos y materiales de construcción empleados. Características del edificio (color, espacios no ventilados, espacios no climatizados)
• Puertas. Infiltraciones
• Equipos eléctricos. Alumbrado. Motores, ventiladores y accesorios de trabajo que consumen energía.
• Ventilación y renovación higiénica del aire.
• Movimiento de operarios.
• Funcionamiento (diurno, continuo, puntual).

Para calcular el calor que penetra en la cámara por conducción, recurriremos a la fórmula conocida siguiente:

Donde:

Q: Pérdidas de calor por transmisión en cerramientos (W).
U: Transmitancia térmica (W/m²K).
S: Superficie del cerramiento (m²).
Δt = (t₁ - t₂): Diferencia de temperatura entre la temperatura exterior y la interior. (K)

La temperatura exterior para aquellos paramentos que linden directamente con el exterior se suele tomar la media ponderada entre la temperatura máxima (en el percentil correspondiente) y la media del mes más desfavorable. Estos valores, para cada zona, los podemos encontrar en las Tablas de Condiciones Climáticas del IDAE

Donde:

T_max. Temperatura máxima de la zona en el tiempo de funcionamiento de la cámara (usualmente percentil 0,4 o 1; es decir, sólo el 0,4% 0 el 1% de los días ha hecho más calor).
T_med. Temperatura media de la zona en el tiempo de funcionamiento de la cámara (temperatura media del mes más caluroso).

En el caso de paramentos expuestos al sol deberían tomarse una serie de factores de corrección. En todo caso, en el cálculo de cámaras frigoríficas se pueden tomar las siguientes temperaturas exteriores:

TECHO: T_techo = T_e + 15 ºC (si no tienen techos aislados por cámara de aire), en caso contrario 10 ºC. Si la cámara, a su vez, está encerrada dentro de un recinto de un volumen bastante mayor, habría que determinar la temperatura previsible en el interior o, en su caso utilizar la temperatura señalada en el caso de un local anexo (3,5 ºC menos que la temperatura exterior de cálculo).

SUELO:  T_suelo = (T_e - 15) / 2

PAREDES AL OESTE: T_oeste = T_e + 8 ºC

PAREDES AL SUR O AL ESTE: T_sur-este = T_e + 5 ºC

PAREDES NORTE: La misma que la exterior

Las temperaturas exteriores consideradas para aquellos paramentos que limiten con otro local será la temperatura de los mismos. Si el local está climatizado se utilizará la temperatura de climatización. Si no está climatizado la temperatura a utilizar será

Donde f_c es un valor entre 2 y 5 (normalmente se toma 3,5)

El valor de Q_t  por unidad de superficie oscila entre 6 W/m² y 8 W/m² para las cámaras negativas y entre 8 W/m² y 10 W/m² para las positivas. Algunos programas de cálculo parten de este dato para definir el espesor y las características de sus cerramientos.

Ganancias térmicas por transmisión

Las ganancias de calor por transmisión en cámaras frigoríficas se calcularán del mismo modo que en caso visto de pérdidas térmicas en calefacción. La diferencia evidente es que el flujo calorífico irá en sentido contrario: de fuera hacia adentro. Las siguientes fórmulas, ya conocidas, permiten realizar estos cálculos:

Donde:

Q: Pérdidas de calor por transmisión en cerramientos (W)
U: Transmitancia térmica (W/m²K)
S:  Superficie del cerramiento (m²)
T_c: Temperatura exterior de cálculo, según a donde dé el cerramiento. Por ejemplo, si es al Norte, se toma la T_e y si da al Sur, se toma T_e + 5 (K ó ºC)

El aire de la cámara frigorífica debe ser renovado periódicamente con una frecuencia que depende del tipo de producto que se almacene. Por ejemplo, en el caso de carnes refrigeradas, quesos en maduración y huevos el número de renovaciones será de 2 a 4 cada día. En el caso de centrales hortofrutícolas el número puede ser menor, aunque dependerá del tipo de producto almacenado y de si se realiza, o no, algún tratamiento químico. En general, dependiendo del producto, la tasa diaria de renovación de aire para grandes cámaras oscila entre 1 y 5. Igualmente, también se producen infiltraciones por las rendijas y con la apertura de puertas para la entrada y salida de productos del almacén. Existen tablas que determinan las renovaciones diarias, cada 24 h, para diferentes productos.

El aire que entra en la cámara se enfría (calor sensible) y se seca (calor latente), produciéndose por tanto dos cargas por renovación de aire. En el cálculo de las mismas resulta útil el conocimiento de las propiedades psicrométricas del aire, así como la utilización del diagrama psicrométrico. En el enfriamiento intervendrá la diferencia de temperaturas entre el aire externo y el interno, mientras que la condensación del agua aporta un cierto calor latente. Ambas contribuciones se encuentran reunidas en la definición de entalpía del aire:

Donde:

Q_renovaciones: Carga térmica debido a la renovación del aire en la cámara (kW)

n: número de renovaciones de aire por segundo (por lo que si tenemos las renovaciones diarias, habrá que dividir por 86 400)

m_a: masa del aire en la cámara (kg)

Δh: diferencia de entalpía entre el aire exterior y el interior de la cámara (kJ/kg)

V: puede considerarse el caso más desfavorable en el que el producto ocupa un volumen muy pequeño en relación al volumen total de la cámara. Es decir, se toma el volumen total del interior de la cámara (m³)

ρ: densidad del aire interior (kg/m³). Recordar que en el diagrama psicrométrico solemos tener el volumen específico (m³/kg), por lo que habrá que calcular el valor inverso:  ρ = 1/v_e

Las Tablas de Renovaciones, indican el número de cambios de aire (renovaciones) en 24 horas, para cámaras positivas y negativas.

Al hablar del calor debido al almacenamiento de productos tenemos que distinguir dos partes, en primer lugar el calor del producto para llevarlo a la temperatura del espacio refrigerado y en segundo lugar el calor de respiración generado por parte de los productos refrigerados y los ya almacenados. Lógicamente, el calor de respiración (maduración, fermentación,...) se produce en cámaras positivas (temperatura mayor de 0 ºC).

Calor de refrigeración

La cantidad de calor a extraer de un producto para llevarlo a la temperatura de la zona de refrigeración consta de uno o tres tramos, según sea la temperatura de entrada y la de la cámara. Si el producto entra a una temperatura positiva y hay que congelarlo, deberemos tener en cuenta que, en primer lugar, hay que bajar su temperatura hasta el punto de congelación, posteriormente habrá que congelarlo y finalmente habrá que rebajar su temperatura hasta la temperatura de almacenamiento. Por el contrario, si es una cámara positiva a, por ejemplo, 2 ºC y el producto entra a 20 ºC, sólo tendremos que bajar su temperatura sin necesidad de congelación. Veamos los detalles y las fórmulas ya conocidas:

Calor de refrigeración (sensible) a extraer, para enfriar el producto, desde su temperatura inicial hasta la de congelación.

Donde:

Q_r = Calor refrigeración (kW).
m = Masa de producto (kg/día). Si en una cámara hay una entrada diario de producto, será ese valor, pero si entra un día determinado (por ejemplo en un mes), habrá que considerar toda la masa en el mismo día, no dividirlo entre 30 días. Es decir, se toma el día con la mayor entrada de producto.
c_e = Calor especifico (kJ/kg K).
Δt = Salto térmico (K). Es la diferencia de temperatura entre el valor que tiene el producto antes de entrar en la cámara y la temperatura de congelación (en la mayor parte de los casos, muy próxima a 0ºC)

Calor de congelación (latente) a extraer, para congelar el producto.

Donde:

Q_L= Calor de congelación (kW).
m = Masa de producto (kg/día).
c_L = Calor latente de congelación (kJ/kg). Cada producto tiene un valor determinado.

Calor de enfriamiento (sensible) a extraer, para enfriar el producto desde su temperatura de congelación hasta la temperatura final deseada.

Donde:

Q_e = Calor de enfriamiento (kW).
m = Masa de producto (kg/día).
C_ec = Calor especifico del producto congelado (kJ/kg K).
Δt = Salto térmico (K). Es la diferencia de temperatura entre el valor que tiene el producto cuando se congela y la temperatura de almacenamiento de la cámara

Sumando las anteriores cargas térmicas, tendremos (sacando factor común la masa de almacenamiento):

Calor de conservación

Por otra parte, las frutas y los vegetales continúan con vida después de su recolección. Uno de los aspectos que tenemos que considerar es la respiración. Las frutas, como el resto de los seres vivos, sufren un proceso de oxidación, en el que se combinan los carbohidratos con oxigeno, liberando CO₂ y produciendo calor. Este calor debe ser considerado como una parte de la carga del producto.

La carga debida al calor de respiración se calcula:

Donde:

Q_resp = Calor de respiración (kW).
m = Masa de producto (kg/día).
c_R = Calor específico de respiración (kJ/kg).

Dentro de este apartado incluimos las cargas por personas que entran en la cámara, la iluminación y los motores de los ventiladores de los evaporadores.

Cargas debidas a las personas.

Las personas que trabajan dentro de la cámara, cargando y descargando género suponen una fuente de calor suplementario. El valor de ese aporte de calor dependerá de la temperatura de la cámara como puede verse en la siguiente tabla.

La potencia total debida a las personas será:

Donde:

Q_p: Carga térmica debido a las personas (W)

n. Número medio de personas que entran en la cámara

p: Potencia disipada, según tabla anterior (W)

t: Tiempo medio de permanencia en horas al día (h)

Cargas debidas al alumbrado

Si se conoce la potencia del alumbrado instalado el valor será:

Donde:

Q_a: Carga térmica debido al alumbrado (W)

P: Potencia media de funcionamiento (W)

t: Tiempo de funcionamiento diario (h)

Para los fluorescentes se toma entre un 10% y un 25 % de incremento de la potencia instalada en los casos en que tengan reactancia o balasto electromagnético. Si se desconoce la potencia instalada se puede tomar 6 W/m² para zonas de almacenamiento y 15 W/m² para zonas de trabajo.

Cargas debidas a los motores

La potencia de los ventiladores se desconoce a priori. Su valor se calcula posteriormente junto con el resto de componentes del circuito frigorífico. Para el cálculo de la carga térmica supondremos que es un 10 % de la suma del resto de factores.

Carga total.

La carga total de la instalación será la suma de todas las cargas parciales que hemos visto. Al resultado se le añade un 10-15 % como factor de seguridad.

La carga térmica total de climatización se calcula de manera muy similar a las cargas que se han calculado hasta ahora (calefacción y refrigeración) y resulta de la suma de varios factores, siendo nuevo el correspondiente a la radiación solar, un cálculo más preciso en la transmisión, así como contemplar el calor emitido por las personas y la actividad que realizan en el interior del local o vivienda. Estas diferencias obligan a realizar los cálculos a una hora determinada, ya que hay que encontrar el momento más desfavorable y este se producirá cuando el nivel de actividad en el local sea el máximo y la radiación solar sea también la mayor posible.

La actividad en un local, comercio, empresa, etc. varía o largo del día o, incluso, de la semana o momento del año. Pensemos, por ejemplo, en una instalación de climatización de un centro comercial en el que a la hora punta puede haber 500 clientes, cada uno de los cuales puede desprender un calor sensible y latente superior a 100 W, lo que supone la previsión de una carga térmica de 50 kW.

Por otro lado, la radiación solar puede variar extraordinariamente la necesidad de refrigeración o calefacción a lo largo del día. Mientras que la radiación solar no se tenía en cuenta al calcular la carga térmica máxima en calefacción (ya que esta radiación disminuiría este valor, y no olvidemos que estamos calculando la demanda máxima de calefacción y ello se produce sin radiación solar), en climatización hay que considerarla, ya que puede aumentar notablemente la necesidad de refrigeración a determinadas horas.

Finalmente, las condiciones de confort y calidad del aire, que han sido tratadas en la unidad de trabajo anterior, hay que tenerlas en cuenta en la determinación de los datos de partida, por lo tanto, en el cálculo de las cargas térmicas en climatización se aplicarán directamente conceptos, procedimientos, fórmulas y tablas ya vistas con anterioridad. Cualquier duda debe remitir a la unidad de trabajo mencionada. 

Condiciones exteriores

Lo primero que tenemos que decidir son las condiciones exteriores e interiores del proyecto. Las condiciones exteriores a tener en cuenta son, como ya se ha visto, la temperatura (exterior y terreno), la humedad, el viento y la radiación solar. Esta última es especialmente importante en el cálculo de las cargas térmicas en verano e, incluso, en invierno. Muchos de estos datos pueden obtenerse de tablas como las que se han utilizado hasta ahora y siguiendo procedimientos de cálculo similares.

Hay que comenzar fijando la fecha para la que se efectúa el cálculo. Se suele hacer para la situación más desfavorable. Se establece en general que esto sucede a las 15 h solar de la tarde del mes de julio (serían las 17 h oficiales). Las tablas parten de esa situación, pero se puede calcular también para otras fechas y horas. Por ejemplo, puede ocurrir que sea necesario hacer un cálculo complementario de la situación térmica de un edificio, con gran superficie de acristalamiento, para que en invierno no comience a funcionar el aire acondicionado cuando en el exterior pueda haber 5 ºC (cosa posible debido a la radiación solar en las primeras horas de la mañana). 

Como se ha visto, hay que trabajar con un porcentaje de días en los que nuestra instalación no va a ser capaz de responder a ciertas exigencias extremas (percentil). Este percentil, en climatización puede ser de 0,4 %, 1%, 2,5 %.  Ello supondrá un dimensionamiento de los equipos bastante más favorable a costa de que, por ejemplo, un día o dos días concretos, la temperatura interior, en verano, ascienda a 26 ºC en lugar de a 25 ºC. Esta pequeña desviación de la situación de confort ideal nos puede permitir, por ejemplo, disponer de un equipo un 15 % más pequeño.

Los casos más exigente, 0,4 % y 1%, se suelen plantear para hospitales, salas de ordenadores u otros lugares en los que sea importante mantener una temperatura constante.

Condiciones interiores

Las condiciones interiores son las que marca el RITE, tal como se ha visto en la anterior unidad de trabajo.

Por otro lado, en locales de trabajo o industriales, las normas sobre condiciones de seguridad en centros de trabajo también obligan a que la temperatura en talleres e industrias esté dentro de los márgenes de temperatura, entre 17 a 27 ºC y de humedad relativa de 30 a 70%.

El proceso que vamos a seguir va a ser mediante el caso práctico presentado y que iremos desarrollando en cada apartado.

Dependiendo de la latitud, la ganancia térmica debido a la radiación solar será una u otra. Por ello, existen tablas y programas que permiten determinar cuánta energía incide, en un momento dado, sobre una superficie vertical (u horizontal) que esté con una orientación determinada. La tabla que se emplea en nuestra situación geográfica es la correspondiente a 40º de Latitud Norte. En ella, se encuentra la aportación solar a través de vidrios sencillos y sobre los valores obtenidos aplicaremos unos coeficientes correctores debidos al tipo de cristal, a la existencia de persianas, etc. Para ello utilizaremos las tablas ya mencionadas al inicio de la unidad y veremos su uso en el ejercicio resuelto relacionado con la biblioteca de Sevilla.

La hora solar es la hora real, es decir, son las 12 del mediodía cuando el Sol está en el cénit (lo más alto). La hora oficial (que determina el gobierno) añade una hora (o dos en el horario de verano). Es decir, en invierno, la hora del reloj a las 13 h equivale a las 12 h solares y en verano, a las 14 h de reloj son las 12 h solares.

El Código Técnico de la Edificación, en su documento técnico de apoyo DA DB-HE / 1 plantea una serie de factores de corrección en función del tipo de huecos, tal como se ve en las imágenes de los siguientes casos y que están trasladadas a los diferentes programas informáticos de cálculo de instalaciones térmicas:

Otro aspecto que tenemos  que considerar para el cálculo de las cargas térmicas, es la transmisión a través de los muros y techos. A diferencia de las cámaras frigoríficas, el resto de locales y viviendas suelen tener acristalamientos y el funcionamiento de los sistemas de climatización no suele ser continuo, por ello, la influencia de la radiación solar hay que contemplarla de un modo diferente.

Las superficies exteriores reciben la radiación del sol y acumulan calor. Por otra parte también hay una diferencia de temperatura entre el aire interior y el exterior y por lo tanto una transmisión de calor. El cálculo no es sencillo ya que ambos fenómenos se producen de forma independiente interactuando de forma compleja. Ello ha llevado a la adopción de las diferencias de temperaturas equivalentes (ΔT =DTE) que se encuentran en forma de tabla y simplifican el cálculo. Es algo muy similar a la temperatura de cálculo que se ha definido en el cálculo de cargas en cámaras frigoríficas: por ejemplo, a una fachada Sur se le sumaban 5 ºC a la temperatura máxima del aire exterior y así, aumentando esta temperatura teníamos en cuenta el calor añadido debido a la radiación solar que se proyecta sobre una pared vertical orientada al Sur.

Las diferencias de temperaturas equivalentes son unos saltos térmicos ficticios que producirían, en ausencia de radiación sobre los cerramientos, el mismo flujo que se produce en la realidad. Simplifica en un salto térmico los complejos factores de radiación, convección e inercia térmica. De esta forma la transmisión de calor a través de cerramientos se puede calcular utilizando la ecuación fundamental de transmisión de calor, que ya hemos visto.

La selección de la diferencia de temperatura equivalente implica el uso de dos tablas. La primera tabla, a su vez, se divide en dos, una para muros y otra para techos. La primera tabla está elaborada para una situación determinada. Si los cálculos que vamos a realizar difieren de esta situación deberemos utilizar la segunda tabla que sirve para corregir esa desviación.

La tabla DTE está elaborada para una temperatura exterior de proyecto de 35 ºC y una temperatura interior 27 ºC. El intervalo de variación en 24h de la temperatura seca exterior considerado es de 11 ºC, es decir su oscilación térmica diaria. Para el uso de la tabla deberemos conocer la densidad superficial del muro o techo, medido en kg/m². En el ejercicio resuelto veremos su uso

Donde:

Q: Pérdidas de calor por transmisión en cerramientos (W)
U: Transmitancia térmica (W/m²K)
S:  Superficie del cerramiento (m²)
DTE: Diferencia de temperaturas ΔT ficticia(K ó ºC)

Las diferentes tablas de cálculo que vemos a continuación, puedes descargarlas en el apartado de recursos o en el enlace del apartado 3.2 de esta unidad.

Antes hemos calculado la carga térmica por radiación a través de los cristales de las ventanas, pero los cristales además también transmiten el calor por conducción, como hacen el resto de cerramientos. Los vidrios tienen una transmitancia superior a las paredes. Una ventana bien aislada, con doble vidrio de calidad y una cámara de gas inerte, puede bajar hasta valores de transmitancia de 1 W/m²K. Valores más bajos requieres triple vidrio.

También se produce una carga térmica por la transmisión a través de techos, suelos y paredes a otros locales, si éstos no están climatizados. Para estos locales no climatizados utilizaremos un salto térmico atenuado en unos 3 grados, en relación al salto térmico con el exterior, ya que la temperatura de esos locales es inferior a la que podamos tener en el exterior.

Para la temperatura del suelo pueden utilizarse los datos de las tablas del IDAE o las bases de datos de Energy Plus en Climate Consultant.

La fórmula del cálculo es la ya conocida de la transmitancia:

Las infiltraciones son las entradas de aire que se producen en un local debido fundamentalmente al viento y al efecto chimenea en los edificios. Todos los edificios se ven afectados en mayor o menor medida por estas infiltraciones. El aire circula por una diferencia de presión, ya sea la que provoca el viento o la que resulta de la distinta densidad del aire en el efecto chimenea.

En los locales en los que existe un sistema de aire acondicionado, ese fenómeno es menor, ya que la presión interior suele ser algo mayor de la exterior. En estos locales el factor fundamental es la ventilación. Tanto el CTE, para instalaciones de viviendas y garajes, como el RITE para el resto de instalaciones, exigen una calidad del aire interior que se logra mediante la ventilación.

El aire exterior difiere del interior en temperatura y humedad. Cuando este aire pasa por la unidad de tratamiento de aire hay que actuar en esos dos aspectos, por un lado reducir su temperatura y por otra parte su humedad. Para el cálculo de la carga térmica debida a la humedad utilizaremos el diagrama psicrométrico, que has estudiado en la Unidad de Trabajo anterior: “Determinación de las condiciones de confort”.

Para conocer las necesidades de ventilación nos fijaremos en el RITE que específica la calidad del aire necesaria dependiendo del uso del local y distingue las 4 categorías siguientes:

IDA 1: aire de óptima calidad. Se usa en centros hospitalarios, guarderías y laboratorios.
IDA 2: aire de buena calidad. Se utiliza en oficinas, residencias, museos, aulas de enseñanza y piscinas.
IDA 3: aire de calidad media. Se utiliza en centros comerciales, locales de ocio, locales de restauración, locales deportivos y salas de ordenadores.
IDA 4: aire de baja calidad.

El caudal mínimo que establece, se recoge en la siguiente tabla:

La potencia térmica sensible es, como sabemos (Tomando unas condiciones aproximadas de densidad y calor específico del aire):

La potencia térmica latente es la siguiente.

Hay que tener en cuenta que se toma una densidad del aire de 1,2 kg/m³ (en rigor habría que tomar la correspondiente al caudal de aire interior que se renueva, a la temperatura de 24 ºC). También, debemos tomar el calor latente del agua a temperaturas del entorno de 20ºC, que es algo mayor que el calor latente de vaporización del agua a 100 ºC (2 260 kJ/g), ya que la condensación del vapor de agua se produce a temperaturas mucho más bajas que los 100 ºC y ello significa que también desprende un calor sensible para bajar hasta, por ejemplo 20 ºC. Normalmente, se toma el valor de 2 478 J/g.

Una fuente importante de calor es la iluminación del local. Hay que tener en cuenta que del consumo eléctrico de las lámparas la mayor parte se traduce en calentamiento y una pequeña parte sirve para la iluminación. La lámpara de incandescencia, por ejemplo, tiene un rendimiento luminoso del 5 %, el resto de la energía se va en forma de calor; razón por la cual está prohibida su venta desde 2012, lo mismo que las lámparas halógenas de incandescencia, que también fueron prohibidas en 2018. Pero todavía hay lámparas en las instalaciones de estos dos tipos. Por ello, es una medida de eficiencia muy rentable su sustitución por lámparas LED. 

Las lámparas fluorescentes tienen un ligero mejor rendimiento pero también tienen un mayor consumo, estimado en un 20 %, debido a que utilizan un balasto electromagnético que se calienta con el uso. Esto está llevando a su sustitución por otro tipo de lámparas, fluorescentes con balasto electrónico, que no se calienta, o lámparas led que tienen un rendimiento mucho mejor que las anteriores.

Otra fuente de calor son los equipos ofimáticos: ordenadores, impresoras, escáneres. Los ordenadores, las pantallas y los periféricos se calientan con el uso. Dependiendo del tipo de local, el número puede ser considerable y debe tenerse en cuenta.

También tendrás que tener en cuenta cualquier otra máquina que esté en el local, por ejemplo cafeteras, televisiones, frigoríficos, cocinas, etc. Para nuestros cálculos supondremos que toda la energía se disipa en forma de calor. Tendrás que determinar su potencia y agregarla a la carga térmica, sea sensible o latente.

Como los cálculos de climatización se hacen para una hora determinada, hay que definir el uso de los equipos en ese espacio de tiempo. Por ejemplo, en los restaurantes y bares coincide el uso de cafeteras, cocinas, lavavajillas a las horas de cálculo de cargas (normalmente a las 15 h solares). Por el contrario, en una oficina que se cierra a las 15 h (es decir a las 12 h solares en verano), la mayor carga de estos equipos se producirá unas horas antes que la hora de cálculo. Por ello, si son bastantes equipos, convendría realizar el cálculo de la carga térmica a dos horas diferentes. Esto lo resuelven los programas profesionales de cálculo, donde se introducen horarios de uso de espacios, equipos, personas, seleccionando la situación más desfavorable de todas ellas. Esto lo veremos después con el programa CLIMA que ya hemos utilizado en el cálculo de cargas térmicas de calefacción.

Las personas presentes en el local son otra fuente de calor. Dependiendo de su actividad desprenden más o menos energía. Es evidente que una persona que se encuentra en reposo emite menos energía que otra que está en movimiento o corriendo. Las personas además de la carga térmica sensible aportan una carga térmica latente, debido a la sudoración y respiración. La cantidad de calor emitido depende, entre otros aspectos, de la actividad y de la temperatura del local. Para conocer el número de personas previsto en un local, dependiendo de su uso, puedes utilizar algunas de las tablas existentes de densidades de ocupación, , como la ya mencionada del CTE (Sección SI3) o disponer de información precisa sobre las personas que pueden ocupar un local.

Antes de proceder a la suma total de la carga térmica de un local hay que tener en cuenta si hay algún otro tipo de carga adicional. Ésta puede ser sensible o latente. Puede tratarse de motores, elementos de cocina, etc. Además de esas cargas supondremos que puede existir alguna otra que no se ha tenido en cuenta en el proyecto o que en el futuro pueda originarse, por lo que suele aplicarse un factor de seguridad de un 10 %. No obstante, cuando se conocen perfectamente las condiciones y usos del local, este porcentaje puede disminuir y, en sentido contrario, si hay sospechas o certezas de que en el futuro pueda haber un aumento de cargas, habrá que tenerlo en cuenta. Como siempre, la persona que proyecta la instalación tiene la última palabra.

La carga térmica total, será entonces:

Hay varios programas profesionales y otros gratuitos que sirven, con mayor o menor precisión, para el cálculo de cargas y la simulación de los distintos factores. Uno de ellos, el programa CLIMA, que se ha utilizado en el cálculo de cargas de calefacción y con el que ya estarás familiarizado, nos permite hacer todos los cálculos de nuestro ejemplo de manera más rápida. E, incluso, nos permitirá variar algunos factores para analizar su influencia en la carga térmica.