Cómo hacer un cálculo de cargas térmicas de calefacción y refrigeración

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Tanto en el foro como en los comentarios del blog nos habéis preguntado muchas veces si la potencia del equipo de calefacción o aire acondicionado que os ofrecen será suficiente o no, en este post vamos a explicar como se hace un cálculo de cargas térmicas de forma profesional, principalmente para que se vea la cantidad de información que se necesita para conocer este dato y que no todo son W/m2.

Cálculo carga térmica

Este sistema determina la potencia máxima necesaria, que es lo que necesitamos para seleccionar nuestra caldera, bomba de calor, etc… este dato no es válido para calcular el consumo anual, para ello sería necesaria una simulación por software, cosa que quizás veamos más adelante.

Cabe destacar que un cálculo de cargas térmicas es muy sensible a los datos de entrada, así que recomiendo siempre perder algo de tiempo en estudiar que tipo de cerramientos tenemos, ventanas, etc… antes de lanzarse al cálculo.

También hay que tener en cuenta que se trata de un cálculo teórico, si por ejemplo cuentas con una cámara de aire en tu fachada, pero el albañil que la ejecutó dejo caer todos los cascotes de ladrillo dentro de ella, posiblemente tendrás un puente térmico que este cálculo no va a contemplar y por lo tanto el resultado será erróneo.

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Para iniciar el estudio se debe tener en cuenta principalmente:

  • Ubicación exacta
  • Condiciones exteriores del proyecto, condiciones climatológicas que varían de acuerdo a la ubicación y al ambiente exterior (verano o invierno)
  • Condiciones interiores del proyecto, estas dependen del uso del local o del tipo de vivienda
  • Plano arquitectónico
  • Conocimiento de estructuras vecinas en los alrededores de la edificación
  • Altura de pared y techo
  • Área total de vidrio que da hacia el exterior
  • Tipo de vidrio
  • Tipo de marco de las ventanas o puertas de vidrio
  • Especificación de factores de sombreado. Ej. Persianas, cortinas, etc.
  • Tipo de construcción y materiales en paredes con el exterior
  • Tipo de construcción y materiales en el techo
  • Tipo de construcción y materiales en el piso
  • Tipo de construcción y materiales de la tabiquería
  • Número promedio de personas que se encuentran en el local
  • Objetivo del local. Ej. Vivienda, oficinas, tiendas, supermercado, bar, etc.
  • Tipo de iluminación
  • Número de bombillas, tubos, etc.
  • Equipos: Televisor, ordenador, nevera, etc.

 

Cálculo de cargas térmicas

Carga por radiación a través de vidrios con el exterior

Al atravesar la atmósfera disminuye considerablemente la intensidad de la radiación solar, de forma que una parte importante de ella se refleja hacia el espacio o es absorbida por diversas partículas atmosféricas, pero otra parte pasa a ser una importante carga térmica en nuestra vivienda o local.

Esta carga depende de 4 factores:

  • El área total de vidrio con el que cuenta nuestro local o vivienda.
  • Las máximas aportaciones solares a través de vidrio. También conocido como Qrpico. Estos valores comprenden tanto la radiación directa y difusa como el porcentaje de calor absorbido por el cristal y trasmitido al local. Varían de acuerdo al mes en estudio y a la orientación del vidrio.
  • Factor de almacenamiento sobre carga térmica, aportaciones solares a través del vidrio (Fa). Este factor depende de las horas de operación del equipo de aire acondicionado, del tipo de elemento de sombreado (Cualquier tipo de pantalla situada dentro o fuera de la superficie acristalada) y del peso del ambiente por área del piso (Relación entre el peso de las paredes, techo y piso con el área total del piso).
  • Factor de sombreado (Fs). Depende del tipo de vidrio y del elemento de sombreado (Parasoles, cortinas, etc.)

Con esto, la carga debida a radiación sería:

Esta carga se ve afectada por la altitud, por el punto de rocío y por el tipo de marco de la ventana.

Para nuestra segunda carga debemos recordar los conceptos básicos de la transferencia de calor, radiación, convección y conducción. Para ello puedes consultar el siguiente post: Radiación, conducción y convección: tres formas de transferencia de calor

transferencia de calor

También se debe conocer el concepto del coeficiente global de transferencia de calor, Cuando en un problema de transferencia intervienen varias resistencias térmicas en serie, en paralelo, o en combinación de ambas formas, es conveniente definir un coeficiente de transferencia de calor global o conductancia global. Este no es más que el inverso de las resistencias térmicas totales al flujo de calor.

Carga por conducción, convección y radiación por paredes y techos en el exterior

Como su nombre indica es una carga generada por los distintos tipos de transferencia que se encuentran en contacto con la superficie de la pared o techo y que provocan la entrada o salida de calor dependiendo de las condiciones en el exterior.

Esta carga depende de 4 factores:

  • Área de pared y/o techo que se encuentre a la sombra. (Valor total cuando se calcula en invierno)
  • Área de pared y/o techo que se encuentre al sol. (Latitud y orientación requerida).
  • Coeficiente global de transferencia de calor para los materiales que constituyen la pared y el techo.
  • Diferencia de temperatura. (Tomando en cuenta el efecto del almacenamiento de calor).

Con esto, la carga resulta:

Carga por conducción y convección en vidrios

Esta carga depende de 3 factores:

  • Área total de vidrio.
  • Coeficiente global de transferencia de calor del tipo de vidrio.
  • Diferencia de temperatura.

Con esto, la carga resulta:

Carga por tabiques, particiones, techo y piso (divisiones interiores)

Este tipo de carga considera los casos en el que el local o vivienda se encuentra en pisos intermedios de un edificio de varios niveles.

Esta carga depende de 3 factores:

  • Área del tabique y área del piso o techo. (Cuando alguno de estos no se encuentra en contacto directo con el sol pero si en un área no acondicionada).
  • Coeficiente global de transferencia de calor (U) para el tipo de material.
  • Diferencia de temperatura.

Con esto, la carga resulta:

Carga por infiltración y ventilación

En una edificación existen dos maneras en que el aire puede entrar: infiltración y ventilación:

  • El aire que pasa a través de aberturas en el edificio es la infiltración, normalmente ocurre a través de las rendijas de las ventanas y puertas, puertas abiertas etc.
  • En la mayoría de los casos, por razones de higiene, confort y normativa, es necesario renovar el aire interior por aire exterior para así tratar la acumulación de malos olores, proliferación de bacterias, etc. este concepto sería la Ventilación.

Tanto infiltración como ventilación generan importantes ganancias de calor tanto sensible como latente, debido a las diferencias de temperatura y humedad que tiene el aire exterior con respecto al aire en el interior del área a acondicionar.

Esta carga depende de 3 factores:

  • Cantidad total de volumen de aire (Va) a introducir en el espacio a acondicionar.
  • Diferencia de temperaturas
  • Diferencia de humedades específicas.

Con esto, la carga resulta:

Es importante diferenciar entre calor sensible y latente, y no meterlo todo en el mismo saco, sobre todo cuando se trata de sistemas de refrigeración, hablaremos de este tema más adelante en otro post.

Carga por personas

Las personas emitimos continuamente calor, tanto sensible como latente (sudoración), esta cantidad de calor depende del tipo de actividad que se esté realizando en el local.

Por lo tanto es necesario conocer la actividad que se realizará dentro el local y también el número promedio de personas que estarán ocupándolo.

Esta carga depende de 3 factores:

  • Número estimado de personas en el ambiente térmico.
  • Factor de calor sensible (F1)
  • Factor de calor latente (F2)

Con esto, la carga resulta:

Carga por Iluminación

Todos sabemos que la iluminación es una fuente importante de calor sensible y depende principalmente al número de luces que hay presentes, la potencia que consumen, el número de horas que estarán encendidas y el tipo de luminaria con la que se está tratando.

Esta carga depende de 3 factores:

  • Tipo de luminaria con el que se trabaja.
  • Potencia útil. (Nw)
  • Factor de almacenamiento de parte de la ganancia de calor por alumbrado.

Con esto, la carga resulta:

En la iluminación de tipo fluorescente se multiplica por 1,25 para incluir la ganancia de calor por los balastros.

Carga por equipos eléctricos

Por último, en un espacio a acondicionar, es posible que tengamos distintos aparatos como ordenadores, cafeteras, hornos microondas, etc. Todos ellos son fuentes de calor que, dependiendo de su potencia, tendrán más peso o menos en la ganancia de calor total del espacio a acondicionar, por lo que es importante conocer qué tipo de aparatos se utilizarán y el número de estos aparatos.

Esta carga térmica dependerá de la eficiencia del equipo. Resultando:


 

Ejemplo

Ahora que conocemos los factores que generan la demanda térmica, vamos con un ejemplo.

Calcularemos la carga térmica para una sala de juegos en Madrid, (local ficticio).

En el plano podemos observar la orientación norte en la fachada principal.

Conociendo las condiciones de diseño:

Debido a que la sala de juegos no cuenta con ventanas (tapiadas), no es necesario calcular la carga generada por transferencia de calor en vidrio.

Calor por conducción, convección y radiación por paredes y techo en el exterior

Para el caso del techo, la sala de juegos se encuentra ubicada en planta baja, por lo tanto, no se considera en esta carga.

Para hallar este Δte que involucra el almacenamiento de calor, se requiere un análisis riguroso donde se evalúa cada diferencia de temperatura a lo largo del año, cada orientación posible y la hora de diseño. Se selecciona el valor más alto de acuerdo a un criterio conservador manteniendo un factor de seguridad adecuado para el diseño.

Conociendo el coeficiente global de transferencia de calor, el área de las paredes y la diferencia de temperatura, obtenemos:

Calor por tabiques, particiones, techo y piso (interiores)

De igual manera se realiza el cálculo para este calor. Conociendo los coeficientes globales de transferencia de calor para los materiales del piso y techo, las áreas y las diferencias de temperaturas, pudemos obtener el valor del calor que se genera (refrigeración) o que se pierde (calefacción).

 

Calor por ventilación e infiltración

Calor por personas

Calor por iluminación

Calor por equipos

 

En resumen:

La suma de los calores por personas, luces y equipos, en el caso de invierno, se considera cuando solo si se va a mantener un valor constante de los mismos, esto quiere decir que, si no se va a mantener un valor constante del número de personas o las luces y equipos encendidos generando ganancia térmica, no se deben agregar al valor final. Para este ejemplo se agregan debido al uso constante de las luminarias y equipos, además del número de personas en promedio que asisten al local.

CARGA TÉRMICA TOTAL DEL LOCAL A ACONDICIONAR

Cómo veis, eso de los vatios por metro cuadrado que suelen usar muchos instaladores/vendedores está muy alejado de ser fiable.

 

¿Te gustaría que en Nergiza ofrecieramos el servicio de cálculo de cargas térmicas (de pago)?

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10 Comentarios

  1. El problema es que el 95% de las veces, desconocemos de qué materiales son las paredes, Marcos, suelos y techos…

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  2. Y si además de cálculos de cargas térmicas iniciales proponéis como variaría con diferentes grosores de aislantes (paredes, techos, suelos) y diferentes tipos de ventanas (acristalamientos, simples, dobles, triples)…
    Sería un servicio fantástico, para saber cuanto gastamos de energía para calentar/enfriar nuestra casa anualmente y cuanto podríamos ahorrar en energía, junto a una pequeña tabla de amortización en función de los aislantes elegidos.

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    • No valdría, lee el segundo párrafo del post, este sistema no vale para calcular demanda energética anual, para eso es necesaria una simulación por software, algo bastante más complicado, este método está pensado para seleccionar un equipo de calefacción o refrigeración en base a la demanda térmica máxima.

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  3. TomY estoy de acuerdo contigo en que “Sería un servicio fantástico, para saber cuanto gastamos de energía para calentar/enfriar nuestra casa anualmente y cuanto podríamos ahorrar en energía, junto a una pequeña tabla de amortización en función de los aislantes elegidos.” bien eso existe y se llama CERTIFICADO DE EFICIENCIA ENERGETICA.
    ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡OOOOOOOOhhhhh!!!!!!!!
    El problema es que al principio fue un impuesto encubierto del Gobierno (¿?) luego fue…………….. ¡nada!
    Un certificado bien hecho te dice eso y mas, pero cobrando 35 euros nadie puede decir que lo haga bien, porque es imposible.
    ¿La gente visita las viviendas?, ¿alguien analiza de que están compuestos los paramentos? ¿se analiza la infiltración de la vivienda?………… No; NO; No.
    Por eso la gran mayoria de los certificados que se están haciendo son poco menos que un engaño (empresas de Canarias que hacen certificados en Huesca), parafraseando a los cubanos: mientras ellos piensan que tienen un certificado, nosotros hacemos como que lo estudiamos.
    Una oportunidad perdida para saber cual es la eficiencia real de la construcción presente y futura. Bueno quizás la futura sepamos en teoría cual es pero como del dicho al hecho hay mucho trecho y mientras solo sea obligatoria la garantía decenal sobre la estructura de las nuevas edificaciones todo lo que sea eficiencia de las nuevas construcciones sera papel mojado.

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    • 100% de acuerdo contigo, de hecho hablé de ese tema aquí: https://nergiza.com/certificacion-energetica-de-edificios-existentes-como-me-afecta/

      El certificado a día de hoy no es más que un impuesto por vender o alquilar un piso, son esos 35€ por un papel firmado sin validez técnica alguna. Lo que más me sorprende es que haya gente a día de hoy que se crea que los datos de ese papel que han “comprado” por 35€ valen para algo técnicamente, cuando el técnico ni ha visitado la vivienda.

      En el futuro quizás incluyamos el servicio de simulación energética en Nergiza, por si alguien quiere “hacerlo bien” en vez de “tener un papel”

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      • Estoy de acuerdo en que es una información muy básica, pero es como decir que la etiqueta energética de un frigorífico no sirve de nada.
        El rendimiento de un frigorífico depende de la temperatura ambiente, la temperatura a la que lo programes, lo cargado que esté, la humedad relativa, etc. por lo que un frigorífico Clase B puede consumir menos energía que un A+++, en función de como se use, sin embargo, lo valioso en este caso, igual que en el de las viviendas es la comparativa entre 2 viviendas con certificación energética diferente, siempre y cuando se metan los datos con cierto rigor, claro, y para eso no es necesario visitar la vivienda.
        Por otro lado, hacer ensayos de estanqueidad en viviendas me parece una locura, nunca amortizarás el coste que supone realizar una prueba que puede rondar los 3000€ fácilmente.

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        • La etiqueta energética de un frigorífico no sirve de nada si no se examina a fondo el frigorifico y se usa un método simplificado que te permite no tener en cuenta el tipo de cerramientos, etc… de forma que un frigorífico mejor aislado que otro pueda obtener la misma letra, justamente eso es lo que pasa con las viviendas (con los frigoríficos creo que no 🙂 )

          Los ensayos de estanqueidad cuestan 3000€ porque nadie los hace, si fuesen algo habitual y hubiese empresas dedicadas 100% a ello e hiciesen 2 o 3 al día seguro que no costaban ni la décima parte.

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  4. No me lo he leido entero porque parece bastante completo y por lo tanto no voy a opinar al respecto. Simplemente confio y punto, pero deberías explicar qué es eso de “Calor por radiación por paredes y techo en el exterior”. ¿Te refieres a ojos de buey que reflejan el Sol por conductos desde el tejado? Por que de otra forma no me lo imagino, ya que el calor transmitido por radiacción lo hace siguiendo las leyes de la óptica.

    Yo tengo un Excel que me hice para calcularlo y tiene en cuenta todos esos parámetros y me decepcionan mucho esos “profesionales” que se orientan sólo con preguntrar cuántos metros cuadrados tiene la superficie a climatizar.

    Un saludo

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    • El calor por radiación afecta a los cuerpos sólidos opacos, por lo tanto a los cerramientos, este calor se transmite luego al interior. No es lo mismo una pared con aire exterior a 25ºC y sin sol a una con aire exterior a 25ºC y dándole el sol

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