¿Cómo calcular la cantidad de energía necesaria para mantener una temperatura confortable?
Autores: Qiong Le y Marta Llorente
En este problema, vamos a explicar cómo se calcula la cantidad de energía necesaria para mantener una temperatura confortable en casa. Para entender todo esto, primero veamos los diferentes flujos de energía que se producen(unos entrantes y otros salientes)
Qs: energía recibida del Sol
Qv: energía intercambiada a través de las ventanas
Qc: energía intercambiada por la diferencia de temperatura a través de la envoltura
Qe: energía emitida por la radiación térmica del edificio
Qi: energía aportada por elementos internos
Qm: energía aportada específicamente para climatización
Qa: energía utilizada para evaporar agua, que se queda en el agua
El balance total de energía del edificio se hará de esta forma:
Qtotal=+Qs±Qv±Qc-Qe+Qi±Qm-Qa
Es decir, esta suma nos indicará el calor total ganando o perdido por la casa. Para mantener la casa a temperatura constante hay que hacer que el resultado sea 0.
El objetivo es aumentar la eficiencia en el comportamiento de la casa respecto a su climatización. Esto implica que en tiempo frío la casa necesite el mínimo aporte de energía externa(Qm＞0 lo menos posible), y que en tiempo caluroso se necesite retirar la menor cantidad posible de calor(valor absoluto de Qm＜0 lo menos posible). Y debemos modificar los otros flujos de calor para conseguir.
Análisis del calor intecambiado a través de los cerramientos QcLos cerramientos son los elementos que forman la envoltura del edificio, que lo separa del exterior. En la transmisión del calor se distinguen varias regiones:
<superficies> en contacto con el exterior y el interior.
<interior del cerramiento> se transmite calor entre ambas superficies a través de varias capas, y se almacena calor en su masa térmica.
<aislamientos> zonas del interior del cerramiento, que no dejan pasar el calor ni lo acumulan.
La superficie exterior recibe la energía de Sol, e intercambia calor con el aire de fuera→Convección. El resultado global determina la temperatura de la superficie exterior. Y sucede lo mismo con la superficie interior por convección. El calor atraviesa las distintas capas del cerramiento por→Conducción. Interior＞exterior, el calor va hacia fuera. La velocidad depende de la diferencia de temperaturas y la Conductividad térmica.
Análisis del calor intercambiado por ventilación Qv
El calor intercambiado con el exterior por intercambio de aire a través de huecos. La ventilación es un procedimiento para mantener el aire interior fresco en épocas calurosas. Y se calcula:
Qv=1300·V·△T
1300: calor específico volumétrico del aire, en J/m^3℃
V: cantidad de ventilación, en m^3/s
△T: diferencia de temperatura entre el exterior y el interior, en ℃
Captación de energía solar Qs
Toda la energía que aprovechamos del Sol es energía que debemos restar a la que tenemos que aportar.
{Elementos opacos: muros}
Parte de la energía que lleva la radiación solar se refleja en la superficie de los muros. Caliente la superficie y produce el paso de calor hacia el interior del muro.
La absorción será baja para colores claros y para superficies reflectantes .[La superficie blanca teórica tiene el mínimo valor del coeficiente de absorción, a=0. La superficie negra teórica tiene el máximo valor del coeficiente de absorción, a=1.]
Funciona como acumulador de calor, desde que la superficie exterior se calienta hasta que la superficie interior empieza a dar ese calor al ambiente, el muro se calienta, almacenando calor. De esta forma los miros actúan como amortiguadores de las variaciones de temperatura en el exterior→inercia térmica.
{Elementos transparentes: superficies acristaladas}
Hay una parte de energía se refleja, otra se absorbe, y una parte atraviesa, incidiendo en elementos interiores que la absorben, estos se calientan y emiten radiación térmica, que no es capaz de volver a atravesar las superficies de vidrio, y se acumulan en las superficies interiores, que calientan el aire interior. Por eso, el aprovechamiento de la energía solar en superficies acristaladas es mayor.
Ganancia de energía Solar
-En el muro
Qs=A·K·I·a·Rex
(Qs: cantidad de flujo de calor solar, en W.
A: se calcula con los datos del tamaño del muro, descontando la superficie de la ventana.
K: hay que diseñar la composición del muro.
I: se obtiene en la página web http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?lang=es&map=europe.
a: según el muro diseñado, se toma de la tabla de coeficientes de absorción.
Rex:toma como dato 0.04m2·K/W)
-En el cristal
Qs=A·Is·Tv
(A: se calcula con los datos del tamaño de la ventana.
Is: es la misma que I.
Tv: según el espesor del vidrio.)
Pérdidas por conducción
-En el muro
Qc=K·A·variación de T
(A: se calcula con los datos del tamaño del muro, descontando la superficie de la ventana.
K: hay que diseñar la composición del muro.
variación de T: es la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior.)
-En el cristal de la ventana
Qc=K·A·variación de T
(Qc: cantidad de flujo de calor por conducción, en W.
A: se calcula con los datos del tamaño del muro, descontando la superficie de la ventana.
K: valor del coeficiente de transferencia de calor, en W/m2ºC.
variación de T: es la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior.)
