Balance Termico

EL BALANCE TÉRMICO

Se realiza mediante una serie de cálculos considerando las pérdidas y ganancias de calor de un cerramiento o una edificación.

Pérdidas y ganancias de calor

Para cualquier proyecto de instalación ya sea de calefacción o de aire acondicionado, el dato más importante es el de ganancias y pérdidas de calor que experimenta el local objeto de acondicionamiento debido a que esta información es imprescindible para conocer la potencia calorífica o frigorífica para el dimensionamiento de los equipos que componen la instalación térmica.

Pérdidas de calor

Las salidas o pérdidas de calor dependen de la diferencia de temperaturas entre el ambiente a acondicionar y el exterior, o entre dicho ambiente y los ambientes contiguos, así como de la construcción del edificio y se deben a la transmisión de calor a través de los cerramientos (paredes, suelos, cubiertas, puertas y ventanas).

Ganancias de calor

Las ganancias o entradas de calor se deben a la emisión constante de calor de los ocupantes del ambiente o ambientes, de los aparatos en funcionamiento (motores, cocinas, aparatos eléctrodomésticos, eléctricos en general, etc), por los aparatos de iluminación artificial , y en caso de que el local a acondicionar requiera una temperatura inferior a la del exterior, se consideran también las cantidades de calor transmitidas de afuera hacia el interior a través de los cerramientos y la radiación solar que ingresa por cerramientos, puertas, ventanas, etc.

El cálculo de balance térmico (pérdidas y ganancias de calor) por transmisión a través de los cerramientos exige del conocimiento del sistema de construcción y de los materiales empleados en la construcción del edificio. Previo a dicha información, deben estudiarse los fundamentos de la transmisión calorífica.

Transmisión del calor

La transmisión del calor a ambos lados de un cerramiento se verifica de tres formas diferentes, siendo éstas:

Convección: Paso de calor de un punto a otro dentro de la masa de un fluido que se transporta por el movimiento de las moléculas del fluido, este movimiento se origina en las variaciones de densidad dentro del fluido que recibe calor.

Conducción: Paso de calor de unas moléculas a otras dentro de la misma sustancia o varias puestas en contacto en el sentido de temperaturas decrecientes.

Radiación: Paso del calor desde un foco que lo produce en sentido radial, en todas direcciones y en línea recta, con la velocidad de propagación de la luz y transmitido a través del éter.

Cómo se calcula el balance térmico

En términos generales, las condiciones térmicas de un edificio dependen de la mágnitud de las pérdidas y ganancias de calor que está teniendo en un momento dado. El edificio tenderá a calentarse cuando las ganancias de calor sean mayores que las pérdidas, y a enfriarse en la situación contraria. En cualquiera de los dos casos se puede llegar fácilmente a condiciones interiores de disconfort, las cuales, en situaciones extremas, exigirán sistemas de climatización artificial (refrigeración y/o calefacción) para ser contrarrestadas.

De acuerdo al método de la ecuación del balance térmico el equilibrio térmico de un edificio ocurre cuando la suma de las pérdidas y ganancias de calor es igual a cero, llegando a un punto neutral que se expresa mediante la siguiente ecuación:

Qi + Qs ± Qc ± Qv - Qe ± Qm = 0

Los seis valores en el lado izquierdo de la ecuación se refieren a las principales fuentes de ganancias y/o pérdidas de calor de un edificio: internas, solares, conducción, ventilación, evaporación y sistemas mecánicos de climatización. En los siguientes párrafos trataremos e establecer los procedimientos generales para calcular esos valores.

Ganancias internas (Qi)

Las ganancias internas representan fuentes de calor al interior del edificio e incluyen personas, estufas, focos y prácticamente todos los aparatos que consumen energía. Una persona desarrollando actividades ligeras puede añadir unos 180W de energía calorífica al espacio, mientras que una televisión puede añadir más de 300W, dependiendo de su tamaño. En la tabla de abajo se puede consultar algunos valores típicos de aportes de calor por aparatos. Para conocer los aportes de calor por ocupantes puedes consultar el artículo Producción de calor en el cuerpo humano.

Para estimar las ganancias internas de calor es recomendable calcular los aportes que se pueden dar en un momento dado. Esto significa que no deben considerarse encendidos todos los aparatos al mismo tiempo, sino que es necesario establecer un promedio razonable. Algunos manuales proporcionan tasas estándar de ganancias internas de calor en watts por metro cuadrado de superficie de piso (W/m²), de acuerdo al tipo de actividades que se desarrollan al interior del edificio. En ese caso será necesario multiplicar dicha tasa por la superficie total de piso para estimar las ganancias totales.

Ganancias solares (Qs)

La radiación solar que incide sobre el edificio puede generar importantes ganancias de calor. Cuando éstas se dan a través de superficies opacas (muros y cubiertas, por ejemplo) se denominan indirectas, y cuando ocurren a través de superficies transparentes, como el vidrio, se llaman directas. En el método del balance térmico se recomienda calcular las ganancias indirectas por medio del parámetro temperatura sol-aire (ver Ganancias por conducción). Sin embargo en ocasiones puede resultar útil conocer las ganancias solares indirectas independientemente de la temperatura del aire exterior.

Ganancias solares directas

Las ganancias solares directas (a través de los elementos transparentes) se dan como sigue:

Qs = G * A * fgs

Donde:

Qs = Ganancia directa total en Watts (W).

G = Radiación solar total incidente sobre la superficie transparente (W/m²).

A = Área de la superficie transparente en m².

fgs = Factor de ganancia solar del vidrio.

Nota: El factor de ganancia solar (fgs) se relaciona con el tipo de superficie transparente y representa la radiación directa que puede atravesarla. Se trata de una fracción entre 0 y 1, donde 0 representaría una superficie totalmente opaca y 1 indicaría una superficie totalmente transparente. Generalmente un vidrio claro de 3mm tiene un fgs de 0.88, mientras que uno de 6mm tiene un fgs de 0.84. Algunos cristales de color pueden reducir su fgs a 0.40, en tanto algunos cristales reflejantes pueden llegar a reducirlo hasta 0.20.

Ganancias solares indirectas

Las ganancias solares indirectas implican un proceso en el que la radiación solar incidente primero aumenta la temperatura de la superficie exterior de los cerramientos,

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