2. CONTENIDO
1. Sistema entorno-edificación-interior(E-E-I)
1.1 Interacciones del sistema E-E-I.
a)
b)
2.
Transferencia de calor: Conducción, Convección, Radiación.
Intercambios de Aire.
Estudio del comportamiento térmico de
edificaciones
a)
b)
c)
d)
Conceptos básicos.
Flujos de calor en un local para régimen estacionario.
Ejemplo.
Detalles Adicionales.
4. 1.1 INTERACCIONES DEL SISTEMA
E-E-I
Radiación
Podemos Distinguir dos
interacciones principales
responsables de que las
condiciones térmicas del
interior y el exterior sean
distintas.
Intercambio de Aire
a)
b)
Transferencia de
Calor.
Intercambios de Aire
Convección
Conducción
5. TRANSFERENCIA DE CALOR
La transferencia de calor es el paso de energía térmica
desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor
temperatura. Por ejemplo, cuando un objeto sólido o un
fluido, está a una temperatura diferente de la de su
entorno u otro cuerpo, la transferencia de energía térmica
ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen
equilibrio térmico.
Existen tres mecanismos de transferencia de calor:
Conducción, convección y radiación
6. TRANSFERENCIA DE CALOR POR
CONDUCCIÓN
Es la transferencia de energía desde las moléculas más energéticas a
las menos energéticas de una sustancia debido a las interacciones
entre las mismas. En sólidos es mayor la transmisión, en los gases se
da la mínima transmisión.
LEY DE FOURIER
Qx
dT
dx
dT
k
dx
Watt
mto 2
W
m2
Gradiente en Dirección “x”
Signo Negativo → El calor se
transfiere en la dirección del
descenso de la temperatura.
k
=
Conductividad
Térmica
(constante del material).
8. TRANSFERENCIA DE CALOR POR
CONVECCION
Es el calor que se transmite desde una superficie de un
cuerpo a un fluido en movimiento, siempre que la
superficie y el fluido estén a distintas temperaturas.
LEY DE ENFRIAMIENTO DE NEWTON
Q" h(Ts - T )
W
m2
h = Coeficiente de transferencia por
convección.
Sí T
Ts
Q" h(T
Ts )
El fluido fuera de la placa (a cierta
distancia)
tiene
características
estables de U∞ y T ∞.
10. TRANSFERENCIA DE CALOR POR
RADIACION
Es la energía emitida por la materia que se encuentra a una
temperatura finita. Este modo de transferencia de energía
no requiere la presencia de un medio material
LEY DE STEFAN- BOLTZMAN
0
11. INTERCAMBIOS DE AIRE
Consta de una transferencia de energía a través del
movimiento de masa de aire que entra o sale de la
vivienda.
13. Balances de energía
Interior y Exterior
Balance de energía
aire de la zona
T
Infiltraciones
Radiación.
CONDUCCIÓN
Convección
Radiación.
(ganancias internas)
Onda corta
Onda corta
Convección
Convección
Balance de energía
en los muebles
Radiación.
Onda larga
Radiación.
Onda larga
Balance energía
superficie exterior
CERRAMIENTO
Balance energía
superficie interior
Superficie mueble
14. Conceptos Básicos
Donde:
FLUJO DE CALOR
A: área de la superficie.
U: Coeficiente de transmitancia de calor
Tint: Temp. Superficial interior.
Text: Temp. Superficial exterior
COEFICIENTE DE TRANSMITANCIA DE CALOR (U)
Donde:
Rt : Resistencia térmica total del sistema constructivo
[m2*K/W]
RESISTENCIA TÉRMICA (Rt)
Donde:
Rt
1
ho
e1
k1
e2
k2
e3 en
....
k3 k n
1
hi
ho y hi : Coeficientes peliculares de
transferencia de
calor por convección
[W/m2°C]
e : espesor del material [m]
k : Conductividad térmica del material
[W/m°C]
15. Conceptos Básicos
CONDUCTANCIA SUPERFICIAL EXTERIOR E INTERIOR (SZOKOLAY)
ho
5 .8
hi
e1
4.1v
e2
e3
ho
3
1/hi
1/he
Donde
• ho: exterior W/m2ºC
• hi: interior W/m2ºC
• v: velocidad del aire
k1
k2
k3
16. Conceptos Básicos
TEMPERATURA SOL-AIRE (Tsa).
es una variable que se utiliza para determinar la ganancia total de calor a través de las
superficies exteriores.
La temperatura sol-aire para cualquier día del año para el techo y las parees estan
determinada por:
Donde:
•
α: Es la absortancia de la pared.
•
IW: Es la radiación solar.
•
he: Es la coeficiente convectivo del
aire exterior.
•
Te: Temperatura exterior.
•
ɛ: Emisibidad del material del techo
18. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN
ESTACIONARIO
Muros
Techo
Puertas
Ventanas y
su marco
Piso
Perímetro
Ventanas
Personas
Equipos
Renovacion
es de Aire
20. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través de los Muros
El flujo de calor esta caracterizado por el tipo y numero de materiales que
componen el muro. Por ejemplo, si tenemos un muro conformado por 3
capas: los extremos de cemento y arena; y el intermedio de ladrillo macizo.
ESPESOR
(m)
Cemento-arena
Ladrillo macizo
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
(W/m°C)
21. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través de los Muros
POSICIÓN DEL CERRAMIENTO Y
SENTIDO DEL FLUJO DE CALOR
SITUACIÓN DEL CERRAMIENTO: SEPARACIÓN CON ESPACIO
EXTERIOR O LOCAL ABIERTO
1/hi
1/he
1/hi+1/he
Cerramiento
vertical
o
con
pendiente sobre la horizontal >60°
y flujo horizontal
0.11
0.06
0.17
Cerramiento horizontales o con
pendiente sobre la horizontal <60
y flujo ascendente.
0.09
0.05
0.14
Cerramiento horizontales y flujo
descendente
0.17
0.05
0.22
22. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través de los Muros
23. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través del Techo
Por ejemplo, si tenemos un techo conformado por 4
materiales: cemento y arena, ladrillo ahuecado, concreto y
yeso. El área de la superficie del techo es
A1=A4=16m2, A2=4m2 y A3=12m2.
24. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través del Techo
Material
Conductividad térmica
(W/m°C)
Yeso
Concreto
Ladrillo ahuecado
Cemento-arena
POSICIÓN DEL CERRAMIENTO Y
SENTIDO DEL FLUJO DE CALOR
SITUACIÓN DEL CERRAMIENTO: SEPARACIÓN CON ESPACIO
EXTERIOR O LOCAL ABIERTO
1/hi
1/he
1/hi+1/he
Cerramiento horizontales o con
pendiente sobre la horizontal <60
y flujo ascendente.
0.09
0.05
0.14
Cerramiento horizontales y flujo
descendente
0.17
0.05
0.22
25. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través del Techo
26. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través de las Puertas y Ventanas
Para una puerta de madera maciza, la cual tiene un largo de 0.90m, altura de
2.4m y un espesor de 0.04m. El área de la puerta es igual a 2.16 m2.
U = 2.19 W/m2°C.
Para una ventada de vidrio simple, la cual tiene un Área de 2 m2.
U = 5.7 W/m2°C.
La Tsa de la puerta y ventana son las mismas que las Tsa de la paredes que
contiene ya sea a la ventana o a la puerta.
27. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través del Marco de la Ventana
Para un marco de madera con un área igual a 0.29 m2. La conductividad
térmica de la madera es igual a 0.14 W/m °C y su espesor es de e= 0.04 m.
La Tsa del marco es la misma que la Tsa de la parede que contiene a la
ventana.
28. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través del Piso
Por ejemplo, si tenemos un piso conformado por 2 materiales: piso de
cemento y arena; contrapiso de cemento y arena. El área de la superficie del
piso es 16 m2.
Cemento arena
Contrapiso
Conductividad térmica
K (W/m.°C)
1.4
1.5
La Tsuelo, puede ser considerada igual al promedio de la Text.
29. FLUJO DE CALOR POR LOS CERRAMIENTOS
Flujo de Calor a través del Perímetro
Cemento arena
Contrapiso
Tierra
Hormigón
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
(W/m°C)
1.4
1.5
1.4
0.5
U = 0.23 W/m2°C.
La Tsuelo, puede ser considerada igual al promedio de la Text.
30. FLUJO DE CALOR POR TRANSMISIÓN
Transmisión de Calor a través del Acristalamiento
EFECTOS DE LA RADIACIÓN CON EL VIDRIO
31. FLUJO DE CALOR POR TRANSMISIÓN
Transmisión de Calor a través del Acristalamiento
Flujo de calor a través del acristalamiento se
determina con la siguiente formula:
Donde:
• IWD: promedio diario de irradiación directa media mensual sobre la superficie
acristalada (W/m2),
• Svs: superficie de acristalamiento afectada por la radiación solar directa,
• τ1: transmitancia del acristalamiento para radiación solar directa,
• Iwa: promedio diario de irradiación difusa media mensual sobre la superficie
acristalada (W/m2),
• τ2: transmitancia del acristalamiento para radiación solar difusa.
32. FLUJO DE CALOS POR TRANSMISIÓN
Transmisión de Calor a través del Acristalamiento
ANGULO DE INCIDENCIA DE RAYOS SOLARES (J):
Donde:
• A es el acimut del Sol (°).
• Ap es el acimut de la pared (°).
• h es la altura solar.
33. FLUJO DE CALOR POR TRANSMISIÓN
Transmisión de Calor a través del Acristalamiento
Transmitancia térmica (W/m².h)
FIJA
CARPINTERÍA
VIDRIO
SIMPLE
FIJA
DVH
OPERABLE
DVH
Aluminio
6,4
3,0
4,1
Al con RPT
6,1
2,6
2,9
Madera/
Plástico
5,6
2,2
2,4
Plástico con relleno
de fibra de vidrio
5,4
2,1
2,1
Fuente: ASHRAE. Handbook of Fundamentals
34. FLUJO DE CALOR POR TRANSMISIÓN
Transmisión de Calor a través del Acristalamiento
Consideremos una ventana de 2
m2 de área transparente, ubicada
en cada pared, las cuales están
orientadas al norte, sur, este y
oeste.
35. FLUJO DE CALOR GENERADO POR LAS
PERSONAS Y LOS EQUIPOS
Las personas que ocupan el recinto generan calor sensible y calor latente debido
a la actividad que realizan y a que su temperatura (unos 37ºC) es mayor que la
que debe mantenerse en el local.
36. FLUJO DE CALOR GENERADO POR LAS
PERSONAS Y LOS EQUIPOS
Tanto los equipos como las luminarias generan calor en función al flujo de aire
que pasa por la superficie de este. Debemos tener en cuenta:
• Si la iluminación es incandescente:
Q foco = potencia eléctrica de iluminación
• Si la iluminación es fluorescente:
Q foco = potencia eléctrica de iluminación x 1.25
37. FLUJO DE CALOR GENERADO POR LAS
PERSONAS Y LOS EQUIPOS
Por ejemplo, se considera que una persona
habita la habitación de 7PM a 7 AM: la luz de
un foco de 60 W y el televisor están prendidos
de 7 PM a 11 PM y efectúa en ese lapso
actividades ligeras; duerme de 11 PM a 6 AM,
de 6 a 7 AM efectúa actividades ligeras antes
de salir.
Persona
Intervalo de tiempo
Dispersión metabólico
según actividad
Actividad ligera
7PM-11PM y 6AM a
7AM
150W
Durmiendo
11 PM a 6 AM
70W
Artefacto
Intervalo de tiempo
Potencia
Foco de 60W
7PM a 11 PM
60W
Televisor
7PM a 11PM
200W
Perdidas
Hora
Persona.
Foco + Tv
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
(W)
70
70
70
70
70
70
150
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
150
150
150
150
150
(W)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
260
260
260
260
260
38. FLUJO DE CALOR GENERADO POR VENTILACION
INFILTRACIONES DE AIRE
Las infiltraciones son flujos descontrolados del aire exterior que ingresan al edificio por
hendijas u otras aberturas no intencionales, como así también mediante el normal uso de
apertura y cierre de la puerta de entrada.
Las pérdidas de calor causadas por infiltraciones de aire pueden representar hasta un 30 %
de las totales de un edificio.
El flujo de perdida de calor por infiltraciones de
aire está dado por la siguiente ecuación:
39. FLUJO DE CALOR GENERADO POR VENTILACION
INFILTRACIONES DE AIRE
Por ejemplo, consideremos una habitación con un volumen de 38.4 m3 , donde
el calor especifico de aire es 1006.5J/kg.°C y la densidad del aire es 0.798
kg/m3 (originado por la condiciones de la altura del lugar) y con un cambio de
aire por hora.
41. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN ESTACIONARIO
Resumen
El balance energético de una edificación se calcula con la siguiente ecuación
Reemplazando las expresiones estudiadas para cada flujo de calor, tenemos la siguie
Al despejar el valor de la Tint, obtenemos:
Con esta ecuación podemos predecir de forma analítica la temperatura al
interior de una edificación.
42. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN ESTACIONARIO
Ejemplo
Vista de Planta
43. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN ESTACIONARIO
Ejemplo
MURO
TECHO
PERIMETRO
PISO
44. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN ESTACIONARIO
Ejemplo
SUPERFICIE
ÁREA
(M2)
COEF. DE TRANSMISIÓN U
(W/M2.°C)
A.U
(w/°c)
Muros
Techo
Piso
Marco Ventana
Puerta
33.92
16.00
16.00
0.29
2.16
2.93
3.77
2.19
2.19
99.51
28.77
60.32
0.64
4.74
Ventana
2.03
5.70
11.56
Perímetro
3.04
0.23
0.99
Total A.U (W/°C)
206.53
47. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN ESTACIONARIO
Ejemplo
COMPORTAMIENTO DE LATEMPERATUA INTERIO EN LA
EDIFICACION ESTUDIADA
20.0
Temperatura (ºC)
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
T ext (°C)
Tint (°C)
48. FLUJOS DE CALOR EN UN LOCAL PARA RÉGIMEN ESTACIONARIO
Ejemplo
53. DETALLES ADICIONALES
Respuesta Dinámica de la Edificación
AMORTIGUAMIENTO Y RETRASO TÉRMICO EN MUROS E
INTERIORES
• Amortiguamiento, la temperatura en el interior es menor que en el
exterior.
• Retraso, el efecto de las temperaturas del exterior se percibirá en
el interior un tiempo después.
1.38 e
Cv
k
Donde:
- Retraso térmico
e - Espesor
Cv- Calor especifico
volumétrico
k - Conductividad térmica
Nota: Las unidades en
calorías
54. GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Centro de Energías Renovables y
Uso Racional de la Energía
Av. Túpac Amaru 210 Rímac. Pabellón Central. Oficina B1-260.
Tel.: 382 - 1058; 481 – 1070 anexo 591
Página Web.: http://cer.uni.edu.pe
E-mail.: cer@uni.edu.pe