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INTRODUCCIÓN A LA CLIMATIZACIÓN

Carlos Naranjo Mendoza

20 de agosto del 2014

AGENDA

1. Importancia de la climatización

Historia: ¿Cómo mantenían condiciones de confort antiguamente?

Rol del ingeniero en sistemas de climatización

2. Confort térmico

Fisiología

Variables que afectan el confort térmico

Temperatura operativa

Gráfico de confort de ASHRAE

Calidad del aire y ventilación

3. Normas de climatización

ASHRAE Fundamentals

ASHRAE 90.1

ASHRAE 55

CIBSE

AGENDA




2. Confort térmico

Fisiología



Gráfico de confort de la ASHRAE



ASHRAE Fundamentals

ASHRAE 90.1

ASHRAE 55

CIBSE

HISTORIA

La necesidad de tener ambientes confortables es tan

antigua como la especie humana.

Pájaros construyen nidos, conejos habitan en hoyos,

termiteros tienen un diseño eficiente.

Los mejores diseños pasivos han sido inspirados en las

viviendas naturales de los animales.

HISTORIA

HISTORIA

El uso de sistemas de climatización (sistemas HVAC) inició

con el desarrollo de los primeros equipos de refrigeración

mecánica a inicios del siglo XX.

La instalación de sistemas centralizados data desde los

años 60’s, mientras que las medidas de eficiencia

energética se empiezan a impulsar con la crisis de petróleo

en los 70’s.

Los niveles aceptables de confort

térmico han variado a lo largo del

tiempo: calidad de vida de las

personas.

ROL DEL PROFESIONAL EN HVAC

El objetivo de un diseño racional es de asegurar un

ambiente placentero, confortable, seguro, etc.

El diseño de un edificio debe tener coordinación entre el

equipo de arquitectos e ingenieros en donde cada quien

tiene diferentes responsabilidades.

Un profesional en sistemas de climatización debe

encargarse de:

• Dimensionamiento de equipos

• Integración de los sistemas

• Control de los sistemas

Con el fin de asegurar el confort térmico de los ocupantes


El proceso de diseño de un sistema de climatización

incluye:

• Cálculo de cargas térmicas: calefacción,

refrigeración y ventilación

• Cálculo de cargas pico para satisfacer las demandas

en condiciones climáticas extremas

• Especificar el equipo y los sistemas a utilizar así

como la configuración del sistema

• Cálculo del comportamiento del sistema a nivel

anual

• Cálculo de costos


Los profesionales en sistemas de climatización tienen un

mayor campo de trabajo en el diseño de sistemas para

edificios comerciales que residenciales.

La razón es que los edificios comerciales son más grandes

y sus sistemas de climatización más complejos.

Lograr un rendimiento óptimo en los sistemas es

fundamental: tarifas más elevadas que en el sector

residencial, mayor volumen de consumo energético.

Los edificios comerciales más complejos tienen diseños

personalizados de sistemas de climatización, mientras que

para el sector residencial los sistemas se son de

producción en masa.

AGENDA




2. Confort térmico

Fisiología



Gráfico de confort de ASHRAE



ASHRAE Fundamentals

ASHRAE 90.1

ASHRAE 55

CIBSE

CONFORT TÉRMICO

El confort térmico depende de varios

fenómenos complejos muy objetivos,

pero también de percepciones muy

subjetivas.

Los profesionales en climatización

necesitan condiciones de diseño

objetivas que aseguren aceptabilidad

por la mayoría de los ocupantes.

La base física del confort térmico de una persona se basa

en el balance de calor de su cuerpo con el medio

ambiente: conducción, convección, radiación,

evaporización, respiración.

Temperatura media del cuerpo humano 36.7°C

CONFORT TÉRMICO: fisiología

El calor producido por el metabolismo del cuerpo humano

debe ser disipado al ambiente.

Si la tasa de intercambio

de calor es mayor que la

tasa de producción de

calor, el cuerpo se enfría,

si es menor el cuerpo se

calienta.

Problema complejo que

incluye transferencia de

calor en estado

transitorio.

Existen estándares que facilitan esta tarea.


La producción total de energía del cuerpo humano está

representada por:

𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 = 𝑴𝑨𝒔𝒌

Ask representa la superficie de la piel

M representa la tasa de producción metabólica del cuerpo humano

expresado por área en unidades de met1

𝟏 𝒎𝒆𝒕 = 𝟓𝟖. 𝟐 𝑾/𝒎𝟐

1Jesus Soto, Tasa de actividad metabólica


Ejemplo: considerando una actividad ligera de oficina,

¿cuál es la producción de energía de una persona

promedio?

La mayoría de actividades interiores en edificios de oficina

generan una producción de energía entre 90 y 120 W (por

persona).

Para simplificar cálculos se considera que toda la

producción de energía se transfiere al ambiente. La

temperatura del cuerpo se asume constante.

𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 = 𝑴𝑨𝒔𝒌

𝑷𝒓𝒐𝒅𝒖𝒄𝒄𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈í𝒂 = 𝟔𝟗. 𝟖 ∗ 𝟏. 𝟓 = 𝟏𝟎𝟓 𝑾

𝑨𝒄𝒕𝒊𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒍𝒊𝒈𝒆𝒓𝒂 𝒅𝒆 𝒐𝒇𝒊𝒄𝒊𝒏𝒂 = 𝟏. 𝟐 𝐦𝐞𝐭 = 𝟔𝟗. 𝟖 𝐖/𝒎𝟐

𝑺𝒖𝒑𝒆𝒓𝒇𝒊𝒄𝒊𝒆 𝒅𝒆 𝒍𝒂 𝒑𝒊𝒆𝒍 𝒅𝒆 𝒖𝒏𝒂 𝒑𝒆𝒓𝒔𝒐𝒏𝒂 𝒑𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 = 𝟏. 𝟓 𝒎𝟐

CONFORT TÉRMICO: variables

Los parámetros más importantes para definir un ambiente

son:

•Temperatura seca del aire

•Temperatura media radiante

•Humedad del aire

•Velocidad del aire

•Vestimenta

•Actividad

Estos parámetros (a excepción de la actividad) pueden ser

modificados para mantener confort térmico a un menor

consumo energético posible.

•Variar temperaturas de consigna de los sistemas para

calefacción y para refrigeración

CONFORT TÉRMICO: variables

Temperatura seca del aire: medida en los lugares de

ocupación

Temperatura media radiante: temperatura superficial que

influye en un punto dado

Humedad del aire: humedad relativa, temperatura bulbo

húmedo

Velocidad del aire: 0.2 m/s (espacios sin ventilación

natural)1

Vestimenta: unidad de medida clo, desde 0.5 (verano) a 1

(invierno)

Actividad: tasa metabólica

1ASHRAE 55 std, Thermal Environmental conditions for human occupancy, 2004

𝑻𝒓𝒂𝒅 = 𝑭𝒔𝒉 × 𝑻_𝒔𝒖𝒑

CONFORT TÉRMICO: temp. operativa

La temperatura operativa es la que define los rangos

aceptables de confort para valores dados de humedad,

velocidad del aire, actividad y vestimenta.

La temperatura operativa considera la combinación de la

temperatura del aire y temperatura media radiante a la

cual se puede mantener confort térmico.

Para actividades de oficina en interior se reduce a:

hrad= 4.7 W/m2°C

hcon= puede variar entre 4 y 14 W/m2°C dependiendo de

la velocidad del aire y de la actividad.1

1ASHRAE, Handbook of fundamentals, Chapter 9: Thermal Confort

𝑻𝒐𝒑 =𝒉𝒄𝒐𝒏 × 𝑻𝒂 + 𝒉𝒓𝒂𝒅 × 𝑻𝒓𝒉𝒄𝒐𝒏 + 𝒉𝒓𝒂𝒅

𝑻𝒐𝒑 =𝑻𝒂 + 𝑻𝒓𝟐

CONFORT TÉRMICO: rangos ASHRAE

Para una velocidad del aire de 0.2 m/s

Límites de clo de 0.5 y 1

Índice de humedad: masa de vapor de agua sobre masa

de aire seco, 0.012

ASHRAE 55 std, Thermal Environmental conditions for human occupancy, 2004


Aceptabilidad: varía de persona a persona por ser subjetivo

ASHRAE definió una escala de sensación térmica

+3 Muy caliente

+2 Caliente

+1 Poco caliente

0 Neutro

-1 Poco frío

-2 Frío

-3 Muy frío

No se puede lograr que el 100% de los ocupantes estén

satisfechos.

Los profesionales en climatización deben asegurar

satisfacer a la mayoría de los ocupantes.



Los rangos de temperatura pueden variar si la velocidad

del aire incrementa.


Existen modelos de confort adaptativo

CONFORT TÉRMICO: calidad del aire

La calidad del aire es primordial no solo por el confort de

los usuarios sino también para asegurar la salud y

productividad de los mismos.

Síndrome del edificio enfermo: contaminación interior,

disminución en la productividad.

Usualmente, una cantidad mínima de aire fresco es lo

único necesario para garantizar la calidad del aire.

ASHRAE 62, define límites máximos aceptables de

contaminantes de aire.

Dióxido de carbono CO2: producto del metabolismo, se

recomienda que no sea 700 ppm más que la

concentración exterior (350 ppm promedio)

CONFORT TÉRMICO: calidad del aire

Monóxido de carbono CO: producto de una combustión

incompleta, afecta a la hemoglobina. Máximo 9 partes por

millón durante 8 horas.

Dióxido de sulfuro SO2: producto de la combustión de

carbón o diesel, afecta al sistema respiratorio.

Para mantener la calidad del aire la ASHRAE recomienda

una calidad de aire fresco mínimo de 15 pies cúbicos por

minuto (cfm) por persona en zonas de oficinas. Estos

rangos pueden variar según la utilidad de la zona:

20 cfm en salas de conferencia y comedores

50 cfm en lugares públicos, baños

60 cfm en salas de fumadores

Control puede hacerse según la concentración de CO2

AGENDA




2. Confort térmico

Fisiología



Gráfico de confort de la ASHRAE



ASHRAE Fundamentals

ASHRAE 90.1

ASHRAE 55

CIBSE

NORMAS DE CLIMATIZACIÓN

Sirven de guía y de respaldo acerca de la implementación

de equipos de climatización en edificaciones. Sirven

además, como respaldo de los criterios a considerar en el

diseño de sistemas de climatización.

Este tipo de normas ayudan a facilitar cálculos y ahorran

tiempo en el proceso de diseño de un sistema, asimismo,

establecen parámetros típicos de las principales variables

que afectan el diseño de un sistema de climatización.

Normas comúnmente empleadas:

ASHRAE: Fundamentals, Standard 55, Standard 90.1

CIBSE: Guía B, sistemas HVAC

NORMAS: ASHRAE Fundamentals

Es una de las normas más completas en lo que es

climatización.

Cuenta con 39 capítulos divididos en 7 temáticas:

1. Principios: psicrometría, refrigeración, transferencia de

calor y masa, etc.

2. Calidad ambiental interior: confort térmico,

contaminantes, olores, etc.

3. Cálculo de cargas térmicas y demanda energética:

modelos de cálculo de cargas de refrigeración y

calefacción, ganancias solares, ventilación e

infiltración, etc.

NORMAS: ASHRAE Fundamentals

4. Diseño de sistemas HVAC: puntos de difusión de aire,

diseño de ductos, diseño de tuberías, aislamiento de

los sistemas, etc.

5. Envolvente del edificio: Control de calor, flujo de aire y

humedad en edificios, materiales de la envolvente.

6. Materiales: Combustibles, refrigerantes, absorbentes y

desecantes, etc.

7. General: Recursos energéticos, sostenibilidad,

mediciones e instrumentación, etc.

Norma muy completa, indispensable en los profesionales

de climatización.

NORMAS: ASHRAE 90.1

Estándar energético para edificaciones (excepto edificios

residenciales de baja altura).

Desarrollada en colaboración con IESNA (iluminación) y

ANSI (norma nacional).

Sirve para proveer de requerimientos mínimos de

eficiencia energética para edificaciones que no sean

residenciales de baja altura, se basa en requerimientos

mínimos para:

• Nuevos edificios y sistemas

• Remodelaciones de edificios y sistemas

• Nuevos sistemas y equipos en edificios existentes

NORMAS: ASHRAE 90.1

Los requerimientos de esta norma se enfocan en:

• Envolvente de los edificios

• Sistemas y equipos de edificaciones: sistemas HVAC,

agua caliente sanitaria, distribución eléctrica y

mediciones, motores eléctricos, iluminación.

La norma no aplica para edificaciones de una sola familia,

multifamiliares de menos de 3 pisos, edificaciones móviles

y modulares; edificios q no usen electricidad o gas;

edificaciones industriales que usen energía para procesos

industriales.

NORMAS: ASHRAE 90.1

Los temas más importantes que trata esta norma se

enfocan en:

• Envolvente de la edificación: define tipos de materiales

óptimos según la zona climática donde se encuentre la

edificación. Incluye materiales opacos y acristalados. Se

definen 7 zonas con tres tipos de climas cada uno:

húmedo, seco y marino. Tener precaución con el uso de

estas zonas.

• Sistemas HVAC: Define diferentes tipos de sistemas de

climatización que se pueden usar según la zona

climática, la carga pico, coeficientes de rendimiento

mínimos según la carga pico, métodos de control, etc.

• Iluminación, agua caliente, equipos eléctricos.

NORMAS: ASHRAE 55

Estándar para ambientes térmicos para ocupación

humana.

El objetivo de esta norma es especificar condiciones

aceptables de confort térmico para la mayoría de los

ocupantes de una edificación. Se basa en la combinación

de factores ambientales interiores (temperatura, humedad

y velocidad del aire) y factores personales (aceptabilidad).

La norma se enfoca en:

• Requerimientos mínimos de confort

• Evaluación de confort térmico

• Medición de las variables de confort

• Niveles de actividad

NORMAS: ASHRAE 55

• Aislamiento por el tipo de vestimenta

• Cálculo de la temperatura operativa

• Encuestas a los ocupantes sobre la sensación de

confort térmico

• Modelos de confort adaptativo

• Rangos de confort para espacios naturalmente

ventilados

• Rangos de confort para diferentes velocidades

interiores del aire

El confort térmico es un tema fundamental que todo

profesional en climatización debe tratar, el fin es satisfacer

los requerimientos de la mayoría de los ocupantes.

NORMAS: CIBSE Guía B

Calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración.

Consta de 5 secciones:

• Calefacción: estrategias de diseño, selección de

equipos, combustibles, dimensionamiento de

chimeneas, ejemplos de cálculos, etc.

• Ventilación y aire acondicionado: requerimientos,

sistemas, equipos, psicrometría, etc.

• Ductos: estrategias de diseño, selección de sistemas,

materiales, montaje, ensayos mantenimiento.

• Refrigeración y expulsión de calor: estrategias de

diseño, requerimientos, selección de sistemas, equipos,

refrigerantes, etc.

• Ruido y vibración: control, niveles permitidos, etc.

Bibliografía

• http://greenpassivesolar.com/2010/04/chaco-canyon/ • Keeping cool before air conditioning, 2013

http://www.swide.com/art-culture/history/how-ancient-cultures-used-natural-methods-kept-cool-before-air-conditioning/2013/07/20

• http://www.solaripedia.com/13/407/iranian_ice_houses_were_early_refrigerators.html

• Handbook, ASHRAE Fundamentals. "American society of heating, refrigerating and air-conditioning engineers." Atlanta, GA (2009).

• Standard, ASHRAE "Standard 90.1-2004." Energy standard for buildings except low-rise residential buildings (2004).

http://greenpassivesolar.com/2010/04/chaco-canyon/



























http://www.solaripedia.com/13/407/iranian_ice_houses_were_early_refrigerators.html




Bibliografía

• Standard, ASHRAE "55: Thermal environmental conditions for human occupancy." American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta (2004).

• CIBSE Guide B. "ventilating, air conditioning and refrigeration, 2005."The Chartered Institution of Building Services Engineers London.

• Kreider, Jan F., Peter Curtiss, and Ari Rabl. Heating and cooling of buildings: design for efficiency. New York: McGraw-Hill, 2010.

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