Calefacción Sectores de la industria

Cálculo de transmisión en elementos constructivos y temperatura de sus superficies

En una edificación en el exterior estamos bajo la influencia de la naturaleza por la acción de los vientos variables, pero la temperatura en el interior del edificio sí se puede llegar a controlar eficientemente.

En una edificación en el exterior estamos bajo la influencia de la naturaleza por la acción de los vientos variables, pero la temperatura en el interior del edificio sí se puede llegar a controlar eficientemente.

M. en Arq. Antonio Bautista Kuri

La ganancia de calor por conducción a través de la envolvente de un edificio bajo estudio (paredes, techos, pisos y ventanas), se calcula con la ecuación que resulta de la solución de la ecuación de conducción sin almacenamiento (d2 T / dx = 0), para el caso de flujo a través de paredes, el techo y piso, que pueden ser consideradas como placas planas, la solución es:

Ct =  U x A x ∆t

Ct = Calor transmitido, flujo térmico en watts
U = Coeficiente de transmisión del material en w / m2 ºC
A = Área de la superficie de transmisión (conductancia) del material en m2
∆t = Diferencial de temperatura que hay entre la temperatura exterior (Temp. ext.) y la temperatura interior (Temp. int.) en grados Celsius

Aquí se explicará cómo se comportan térmicamente los materiales de un muro, azotea, etc. Se observa que aíslan de diferente forma, o sea que retardan el paso del calor o del frío. Además vemos la acción del viento en el exterior y el interior, el cual al chocar con las superficies se dispersan en todas las direcciones en forma laminar y generan fricción. Esta forma de transmisión de calor ocurre por “transmisión y convección” de todo lo que se encuentre alrededor del espacio a acondicionar.

COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR “U”
El coeficiente total de transferencia de calor “U” se define como la intensidad total de transferencia de calor a través de un material.

El factor “U” como se le denomina comúnmente, es el coeficiente de transferencia de calor resultante después de tener en cuenta la conductividad térmica y la conductancia de la capa superficial, sus unidades son: (SI) watts/ hr x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. métrico) Kcal. / hr. x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC o (Sist. inglés) BTU/ hr x pie2 de área x diferencia de temperatura en ºF.

Normalmente se aplica a estructuras compuestas, tales como paredes, techos y tejados.

Para calcular el factor “U”, se encuentra primero la resistencia total y después su recíproco.

Para conocer “U” debemos de saber con que materiales se va a construir, su espesor, la conductancia de los mismos, la velocidad del viento exterior y el movimiento del aire interior. Para esto existe una tabla de los materiales (Ver Tabla 1) de los cuales se conocerán sus coeficientes de transmisión “U”, conductividad “K” y convección “f”; por lo tanto para calcular “U” usaremos la siguiente expresión.

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Donde:
R = Resistencia del elemento.
fi = Coeficiente de convección al interior en watts/m2 ºC (película de aire interior)
fe = Coeficiente de convección al exterior en watts/m2 ºC (película de aire exterior)
a = Coeficiente de transmisión de calor del aire por convección, como uso de, cámara de aire en espacios verticales y horizontales.
K 1…K 3 = Coeficientes de conductividades térmicas de los materiales en watts m / ºC m2 y un m de espesor.
E1 … E3 = Espesores de los materiales en metros.

El calor total transferido por conducción varía directamente con el tiempo, área y diferencia de temperatura, e inversamente con el espesor del material.

La ganancia de calor a través de paredes, pisos y techos variará según las siguientes características:

A) Tipo de construcción.
B) Área expuesta a diferente temperatura.
C) Tipo y espesor del aislante.
D) Diferencia de temperatura entre el espacio acondicionado y la temperatura ambiente.

.

RESISTENCIA TÉRMICA “R”

La resistencia térmica “R” se define como la resistencia de un material al flujo de calor, y es por definición, el recíproco del coeficiente de transferencia de calor R = 1/C

Sus unidades son: Sistema internacional (SI) Diferencia de temperatura en ºC x m2 de área / watts / hr o Sistema Métrico diferencia de temperatura en ºC x m2 de área / Kcal/ hr. o Sistema Inglés diferencia de temperatura x pie2 de área / BTU/ hr.

“R” es muy útil puesto que los valores de resistencia pueden sumarse en forma numérica.

R total = R1 + R2 + R3

Donde:

R1, R2, R3 son resistencias individuales.

CONDUCTANCIA “C”
La conductancia térmica ”C” se define cómo la intensidad de transferencia de calor que se tiene a través de un material y sus unidades son: (SI) Watt / hr. x m2 de área x diferencia de temperatura  en ºC o ( SM ) Kcal / hr x m2 de área x diferencia de temperatura en OC o (S Inglés ) BTU/ hr x pie2 de área por diferencia de temperatura en ºF. Este es un factor utilizado frecuentemente con materiales de construcción, espacios de aire, etc., y difiere únicamente de la conductividad térmica en el hecho de que es un factor para un espesor dado de un material, mientras que la conductividad térmica es un factor de transferencia de calor por metro de espesor.

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA “K”
La conductividad térmica se define como la intensidad de transferencia de calor a través de un material, sus unidades son:

watt / hr x m2 de área x diferencia de temperatura en ºC x 1 m de espesor.

Para reducir la transferencia de calor a través de un material, el factor de conductividad térmica “K”, deberá ser tan pequeño como sea posible, a su vez el material debe ser tan grueso como sea posible.

Figura 2: Muro exterior
Aquí vemos cómo la transmisión y la convección actúan simultáneamente.
x
Material Espesor en m K
1 Película de aire exterior 29.1
2 Aplanado de mortero 0.02 0.87
3 Tabique rojo recocido 0.13 0.87
4 Aplanado de yeso 0.02 0.70
5 Película de aire interior 9.3

CONDUCTANCIA DE LA CAPA SUPERFICIAL DEL AIRE
La transferencia de calor a través de cualquier material está relacionada con la resistencia superficial del aire al flujo de calor, y está determinada según el tipo de superficie, (áspera o lisa), su posición, (horizontal o vertical), sus propiedades reflectoras y la intensidad de flujo de aire sobre la superficie. La conductancia de la capa superficial de aire se designa normalmente con “fi”, para superficies interiores, y “fe” para superficies exteriores.

La convección actúa en el exterior (fe) y en el interior (fi), en estos dos ejemplos se ve cómo ejerce una acción o fuerza sobre las superficies y esto se transforma en calor, claro en un rango muy bajo, sin embargo hay que hacer notar que mientras las corrientes de aire sean mayores, mayor será la cantidad de calor que se genere.

En el exterior interviene la influencia de la naturaleza por la acción de los vientos variables, pero en el interior se puede controlar.

La transmisión de calor que se produce por los diferentes materiales, la podemos conocer por la siguiente ecuación: (ver figura No.2)

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Para conocer la “U” de la losa de azotea usaremos la fig. No. 3, en la cual el aire acondicionado se inyectará por la parte de superior del local (punto 10 de la fig. indicada)

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Para los valores de “U” de ventana, puerta y piso acudimos a la tabla de materiales y sus coeficientes (Ver Tabla 1), en estos casos no es necesario calcularlo ya que son muy comunes y ya fueron analizados.

Cabe mencionar que un buen aislante térmico es aquel cuya densidad sea baja y que contenga muchas cámaras de aire (esponjoso).

Un excelente aislante térmico es la cámara de aire, pero para que esto ocurra deberá tener un espacio recomendable de 10 cm, entre capa y capa de material.

Es muy importante la adecuada selección de los materiales térmicos de construcción para cada obra, los cuales deberán reunir cualidades como: ligeros, de fácil colocación, mínimo mantenimiento, duraderos, resistentes al paso del tiempo, libres de humedad. Todas estas cualidades se deberán tomar en cuenta a fin de seleccionar los materiales, adecuados al medio ambiente y además estéticos, con esto se podrá evitar equipos de aire acondicionado de gran tamaño obteniendo el confort deseado.

Cuando se realizan las consideraciones de ganancias de calor, debemos conocer las temperaturas del exterior y si es posible las de los locales vecinos, para saber si el espacio a acondicionar tendrá ganancias o pérdidas de calor.

Las normas relacionadas con el ahorro energético son:
Material Espesor en m K Material Espesor en m K
1 Película de aire exterior 29.1 6 Tezontle 12 0.19
2 Ladrillo 1.5 0.87 7 Concreto 10 1.74
3 Mortero 3.0 0.87 8 Aire (cámara plena) 5.5
4 Impermeabilizante 0.5 0.23 9 Plafón de yeso 1.5 0.7
5 Entortado 4 1.28 10 Aire interior con flujo hacia abajo 7

Para calcular las temperaturas en las superficies exterior e interior
Esto llega a ser muy importante porque se puede saber qué temperaturas habrá en las superficies de los elementos que se construirá.

Superficie interior: CTV (calor transmitido por la ventana) = U x ∆t (Ti – Te); CTV=6.4 w/h m2 OC x (23 –(-10)=211.2 w/m2

CTV = 211.12 = 22.71 ºC
fi           9.3
Ti = Temperatura interior
– 22.71 ºC;  Ti = 23 – 22.71 = 0.29 ºC
Superficie exterior
CTV = 211.12 = 7.25 ºC
fi          29.1
Te = Temperatura exterior
+ 7.25 ºC; Te = -10 + 7.25 ºC = -2.75 ºC
Figura 4: Calor transmitido por la ventana

GANANCIAS DE CALOR POR ESPACIOS COLINDANTES NO ACONDICIONADOS
Calor de transmisión = Área x ∆t x U

∆t =  Diferencia de temperatura de un local acondicionado y un local no acondicionado TBS  Local no acondicionado – TBS local acondicionado.

Temperatura del interior de un local no acondicionado, se encuentra aproximadamente a 3 ºC más fresca que la del exterior, siendo la temperatura exterior la que se marca en las cartas de AMICA (para verano).

Las cocinas así como los cuartos de maquinas van a estar aproximadamente de 8 a 11 ºC mas alto, que la temperatura de verano al exterior.

Tabla 1 Coeficientes de Conductividad Térmica de Diversos Materiales
Kg./m2 K Watts/m2 0CM K Watts/m2 0C
Hule espuma 20 0.4
Perlita 65 0.4
Poliestireno, placa 15 0.4
Poliuretano, espuma 30 0.03
Poliuretano, placa rígida 30 0.02
Vermiculita 100 0.07
Varios Materiales
Vidrio 2600 1.16
Triplay 530 0.14
Viruta prensada 400 0.16
Madera de encino, seco, 90º de la fibra 950 0.16
Madera de pino blanco, seco, 90º de la fibra 600 0.14
Madera de pino blanco, expuesto a la lluvia 650 0.21
Asfalto para fundir 2100 0.81
Asfalto bituminoso 1050 0.17
Linóleo, seco 0.19
Algodón, seco 0.05
Lana pura, seco 0.05
Cáscara de semilla de algodón, suelta, seca 0.06
Espacio de AIRE en cualquier posición 1.2 5.50
Agua 1000 0.58
Acero y fierro 7800 52.34
Cobre 8900 372.16
Acero inoxidable 7800 46.52
Aluminio 2675 210.74
Bronce 1000 63.97
Hierro galvanizado 1500 46.52
Plata 407.05
Plomo 33.96
Zinc 110.02
Acabados
Azulejos y mosaicos 2000 1.05
Aplanado con mortero de cemento al exterior 2000 0.87
Aplanado con mortero de cal al interior 1500 0.70
Terrazos y pisos de mortero de cemento 2000 1.74
Yeso 1500 0.70
Mortero con vermiculita 500 0.18
Encalado 1800 0.81
Tablaroca (yeso-cartón) 950 0.16
Linóleo 1200 0.19
Cloruro de polivinilo expandido 25 0.04
Plexigas 1200 0.20
Coeficientes de Transmisión Pisos
Piso o basamento (invierno-verano) 0.28
Puertas
De acero en exteriores 6.40
De acero en interiores 3.49
De madera maciza de 2 a 6.5 cm. 2.91
De madera de tambor 1.86
Ventanas y tragaluces
Sencillos 6 mm Cs 0.94 6.40
Dobles 6 mm c/u Cs 0.80 3.49
Triples 6 mm c/u Cs 0.81 1.63
Blok de cristal de 20x20x10 2000
Al exterior 2.79
Al interior 2.33
Coeficientes de Convección (f)
Superficie al aire exterior (fe) Velocidad del viento 12Km/h o menos (3.33m/seg o menos) 23.3
Velocidad del viento 18Km/h o menos (5.0m/seg o menos) 29.1
Velocidad del viento 24Km/h o menos (6.67m/seg o menos) 34.9
Superficie vertical interior (fi) 9.3
Superficie horizontal interior (fi)     Flujo hacia abajo 7.0
Superficie horizontal interior (fi)     Flujo hacia arriba 10.5

[author ]M. en Arq. Antonio Bautista Kuri
Profesor de la asignatura de Acondicionamiento de Aire y Adecuación Acústica Arquitectónica de la Unidad de Postgrado de la Facultad de Arquitectura de la UNAM, con experiencia profesional en diversos proyectos de gran envergadura[/author]

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