Cálculo de carga térmica: consideraciones

Las casas tienen características particulares que las diferencian de otros espacios. Se acondicionan durante todo el día, y las cargas térmicas principales vienen de la estructura, la infiltración de aire o ventilación, los ocupantes y la iluminación. De estas, las cargas por ocupantes e iluminación son las más pequeñas. La mayoría de los sistemas residenciales usan unidades de capacidad relativamente baja, desde 1 hasta 5 toneladas de refrigeración.

El cálculo de la carga de enfriamiento determina la carga sensible total debida al calor que entra a través de los componentes estructurales (paredes, pisos y techos), las ventanas, la infiltración y ventilación, y los ocupantes. La porción latente de la carga térmica, que es la que viene escondida dentro del aire húmedo, se calcula por separado.

Para seleccionar el tamaño apropiado de un equipo de aire acondicionado, debes calcular el pico o carga máxima de cada zona. Esto quiere decir que el instructor pide considerar las condiciones de los días de mayor carga del lugar donde se instalará el equipo, en lugar de basarse únicamente en un promedio. Si usas el promedio, en los días más calientes el aire acondicionado no va a poder vencer la carga térmica.

La temperatura interna de un espacio oscila y varía. Permitir una tolerancia te da una capacidad de equipo más razonable. Las tablas de la metodología ASHRAE están basadas asumiendo una oscilación de no más de 3 °F en un día de diseño, cuando la casa está acondicionada las 24 horas y el termostato está puesto en 75 °F o 24 grados centígrados, como condición de diseño del ejemplo.

La carga sensible de enfriamiento que proviene de las paredes, los pisos y el techo de cada cuarto se calcula utilizando el CLTD (diferencial de temperatura de la carga de enfriamiento) según la Tabla 1, y el factor U, que es el coeficiente total de transferencia de calor para condiciones de verano. Para espacios sobre el techo bajo áticos ventilados, o techos donde circula mucho aire, debes utilizar el factor U combinando el techo, el espacio ventilado y el espacio sobre el techo. Los valores en la Tabla 1 asumen que el color de la casa es oscuro, ya que esta es una variable impredecible.

La aplicación directa de los procesos de cálculo para ganancia de calor por vidrio plano resulta en cargas de enfriamiento excesivamente altas para instalaciones residenciales. En la Tabla 2 encuentras el GLF (factor de carga de los vidrios), que incluye el calor directo del sol y la conducción a través del vidrio por diferencia de temperaturas. Para el cálculo, el área de cada ventana se multiplica por el GLF apropiado. Los dispositivos externos que provocan sombra permanente deben considerarse por separado. Los vidrios sombreados se tratan igual que los vidrios orientados al norte.

En las estructuras residenciales, la infiltración natural del aire es menor en verano que en invierno, casi siempre porque la velocidad del viento es menor. La Tabla 3 muestra los cambios de aire por hora del espacio según el tipo de construcción.

Las casas herméticas son construcciones de varias viviendas con puertas, ventanas y envolturas bien selladas, con retardador de vapor, sin chimenea, ventanas bien ajustadas, puertas con guardapolvo, de un piso y que miden menos de 140 metros cuadrados.

Las casas medias incluyen casas de dos pisos nuevas o de un piso con más de 10 años y mantenimiento promedio, área mayor a 140 metros cuadrados, puertas y ventanas de ajuste promedio, a veces con chimenea con compuerta para cerrarse.

Las casas con estructura pobre son viviendas construidas con deficiencias, con muy poco ajuste en ventanas y puertas. Ejemplo: casas de más de 20 años con mantenimiento promedio, chimeneas sin compuerta o con sistemas de venteo superiores al promedio. El taller utiliza esta clasificación para ilustrar distintas condiciones de infiltración; debe revisarse la vivienda concreta.

Los sistemas de aire acondicionado residenciales pueden introducir aire externo, pero no siempre es un requerimiento. La ventilación positiva, donde introduces aire externo de forma controlada (manual o automáticamente), se presenta en el método del capítulo para una infiltración anticipada menor a 0.5 cambios por hora. Ese criterio histórico no sustituye los requisitos de ventilación del proyecto. Además, debes considerar la recuperación de energía.

Aunque la densidad de ocupantes en una casa es baja, su carga debe estimarse. La ganancia de calor sensible por ocupantes sedentarios se asume en 230 BTU por hora. El método expuesto estima dos personas en una recámara y una más por cada recámara adicional; ese supuesto debe identificarse cuando se utiliza el ejemplo. La carga de los ocupantes debe distribuirse equitativamente en todas las áreas ocupadas, porque la carga máxima ocurre cuando la mayoría de los habitantes están en esas áreas.

Las cargas de los electrodomésticos se concentran principalmente en la cocina y la lavandería. Para una casa contemporánea, se estima una carga sensible de 1,600 BTU por hora dividida entre la cocina y cuartos adjuntos, y otra entre la lavandería y sus cuartos adjuntos. Si en el cuarto de servicio hay aparatos que funcionan continuamente, como refrigeradores o congeladores, puedes sumar 1,600 BTU por hora adicionales.

También puedes considerar los siguientes valores incluyendo equipo e iluminación: 800 BTU/h para la sala, 1,200 BTU/h para la cocina y 1,200 BTU/h para el cuarto de servicio. Además, considera lámparas inusuales, computadoras o cualquier otro equipo presente.

Cuando el sistema de distribución de aire está fuera del espacio acondicionado (en el ático, el espacio sobre el techo u otro espacio no acondicionado), la ganancia de calor de los conductos y tubería debe incluirse en el cálculo de la carga y considerarse en la selección del equipo. Se estima agregar un 10% a la carga total sensible por pérdidas en conductos.

La carga de enfriamiento latente tiene tres fuentes principales: el aire externo, los ocupantes y las fuentes misceláneas como la cocina, lavandería y el baño.

El tamaño del equipo debe basarse en la carga sensible de enfriamiento estimada, tomando en cuenta el efecto de las condiciones ambientales del exterior sobre el desempeño de la unidad. En el método presentado se menciona un límite de exceso de capacidad del 25% de la carga total estimada; se conserva como parte del ejemplo histórico, no como regla general para cualquier selección.

Después de seleccionar una unidad, verifica su capacidad latente para asegurar que sea igual o mayor a la carga latente de enfriamiento calculada. Generalmente la capacidad latente es amplia, excepto en climas muy húmedos con excesiva infiltración. Si la capacidad latente de enfriamiento es menor que la carga latente calculada, el tamaño de la unidad se debe incrementar.