MEDICION Y CARACTERIZACION TERMICA PARA LAS SALAS DE TRABAJO DE LA BIBLIOTECA RAMON DE ZUBIRIA

LUIS ANIBAL URIBE GUTIERREZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTA D.C.

2007

MEDICION Y CARACTERIZACION TERMICA PARA LAS SALAS DE TRABAJO DE LA BIBLIOTECA RAMON DE ZUBIRIA

LUIS ANIBAL URIBE GUTIERREZ

Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Mecánico

Asesor Rafael Beltrán

M.Sc., Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE MECANICA BOGOTA D.C.

2007

Nota de aceptación

________________

Bogotá 15 de Enero de 2008

A mis Padres por sus consejos y el apoyo incondicional que me han brindado a lo

largo de mi vida y de estos años de estudio.

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a: Al profesor Rafael Beltran, asesor y amigo, por su importante colaboracion en el desarrollo de este proyecto. Al grupo de arquitectos de la constructora Payk que muy amablemente me brindaron la información necesaria para realizar este proyecto. Al departamento de Ingenieria Mecanica de la Universidad de los Andes, profesores y personal administrativo por enseñarme y asistirme durante toda mi vida universitaria. Y en general a todos los que me acompañaron en este proyecto de grado.

TABLA DE CONTENIDOS

Pagina LISTA DE TABLAS i LISTA DE FIGURAS ii LISTA DE GRAFICAS iii LISTA DE ANEXOS iv GLOSARIO v INTRODUCCIÓN 1 OBJETIVOS 2 1 SALAS DE TRABAJO 3 1.1 ESPECIFICACIONES DIMENSIONALES 3 1.2 UBICACIÓN 3 1.3 CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN 3 1.3.1 ILUMINACIÓN 3 1.3.2 EQUIPOS 4 1.3.3 OCUPACION 4 2 IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA 5 2.1 ENCUESTAS 5 2.2 ENVO LVENTE 6 2.2.1 PAREDES 6 2.2.2 VENTANAS Y PUERTAS DE VIDRIO 8 2.2.3 PISO Y TECHO 8 3 TRABAJO DE CAMPO 8 3.1 INSTRUMENTACIÓN 8 3.2 MEDICIONES 9 3.2.1 METODOLOGIA 9 3.3 RESULTADOS 12 3.3.1 TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA 12 3.3.2 NIVELES DE CO2 15 3.3.3 ILUMINACIÓN 15 4 CALCULO DE CARGAS TERMICAS 15 4.1 CARGAS POR OCUPANTES 16 4.2 CARGAS POR ILUMINACIÓN 17 4.3 CARGA POR PAREDES Y VENTANAS 19 4.4 CARGA POR EQUIPOS ELECTRICOS 21 5 CARGA DE ENFRIAMIENTO 22

6 ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES 23 6.1 CONFORT TERMICO 24 6.2 CALIDAD DE AIRE 26 7 RECOMENDACIONES 27 BIBLIOGRAFIA 29 ANEXOS 30

i

LISTA DE TABLAS

Pagina TABLA 1: Dimensiones de las salas de trabajo. 3 TABLA 2: Especificaciones tecnicas de la iluminación instalada. 3 TABLA 3: equipo electrico instalado. 4 TABLA 4: Informacion tecnica de la encuesta. 5 TABLA 5: Resultados escala térmica de ASHRAE. 5 TABLA 6: Resultados para otras preguntas del cuestionario 6 TABLA 7: especificaciones de los muros según planos 7 TABLA 8: especificaciones de los muros contruidos. 7 TABLA 9: propiedades térmicas para los materiales utilizados. 8 TABLA 10: propiedades térmicas para los muros construidos. 8 TABLA 11: propiedades termicas de la ventaneria. 8 TABLA 12: Lista de instrumetos. 9 TABLA 13: Intensidad lumínica. 15 TABLA 14: clasificación de las cargas térmicas. 16 TABLA 15: Tazas de ganancia de calor por los ocupantes. 17 TABLA 16: factores para calcular cargas por iluminación. 18 TABLA 17: clasificación “b” para el calculo de cargas por iluminación. 18 TABLA 18: clasificación “a” para el calculo de cargas por iluminación. 19 TABLA 19: ganancias de calor debida a los computadores portátiles. 22 TABLA 20: Ganancia de calor debida a la pantalla. 22 TABLA 21: horas de diseño 22 TABLA 22: condiciones de confort. 22 TABLA 23: Norma RETIE vs. Intensidad lumínica medida. 25

ii

LISTA DE FIGURAS

Pagina

FIGURA 1: Ubicación de las salas de trabajo en el tercer piso de la biblioteca. 3

FIGURA 2: Características de iluminación 4 FIGURA 3: muros de concreto y STC-41 en las salas de trabajo. 7 FIGURA 4: equipos de medición. Data logger (hobo) y medidor de CO2 (telaire y langan t15n) respectivamente

9

FIGURA 5: Ubicación de los equipos en el interior y los rededores de las salas de trabajo para medir temperatura y humedad relativa.

10

FIGURA 6: fotos del corredor y de los ventanales. 10 FIGURA 7: Ubicación de los instrumentos y condiciones de medición. 11 FIGURA 8: Ganancias y pérdidas de calor en las salas de trabajo. 16 FIGURA 9: Zona de confort en las salas de trabajo. 24

iii

LISTA DE GRAFICAS

Pagina GRAFICA 1: Ocupación promedio de las salas de trabajo. 4 GRAFICA 2: Frecuencia de respuestas en la escala de ASHRAE. 6 GRAFICA 3: Temperatura vs. Tiempo en el interior de la sala. 12 GRAFICA 4: Humedad relativa vs. Tiempo en el interior de la sala 12 GRAFICA 5: Temperatura vs. Tiempo en los ventanales 13 GRAFICA 6: Humedad relativa vs. Tiempo en los ventanales 13 GRAFICA 7: Temperatura vs. Tiempo en el corredor. 14 GRAFICA 8: Humedad relativa vs. Tiempo en el corredor. 14 GRAFICA 9: Niveles de CO2 vs. Tiempo. 15 GRAFICA 10: Ganancia de calor vs. Tiempo. 18 GRAFICA 11: Carga térmica por iluminación vs. Tiempo 19 GRAFICA 12: Carga térmica muro de concreto vs. Tiempo 20 GRAFICA 13: carga térmica muro STC-41 vs. Tiempo. 20 GRAFICA 14: Carga térmica por ventanales vs. Tiempo 21 GRAFICA 15: Carga térmica por puerta de vidrio vs. Tiempo. 21 GRAFICA 16: Cargas de enfriamiento en condiciones de operación y Condiciones de diseño. 23 GRAFICA 17: Dimensionamiento del sistema en toneladas de refrigeración 23 GRAFICA 18: Ganancias de calor y perdidas de calor totales en las salas de trabajo. 26

iv

LISTA DE ANEXOS

Pagina ANEXO 1. SALAS DE TRABAJO 31 ANEXO 2. DATOS DE OCUPACIÓN PARA UN MES 32 ANEXO 3. CUESTIONARIO 33 ANEXO 4. DATOS DE TEMPERATURA PARA LA CIUDAD DE BOGOTÁ

34

ANEXO 5. ZONAS DE CONFORT PARA LOS ALREDEDORES DE LAS SALAS DE TRABAJO

35

v

GLOSARIO

ASHRAE: American society of heating refrigerating air conditioning engineers por sus siglas en ingles. Calor latente: Es el calor necesario para modificar el contenido de humedad del aire ambiente sin cambiar la temperatura.1 Calor sensible: Es el calor necesario para modificar la temperatura del aire sin cambiar el contenido de humedad del aire. Carga térmica: Cantidad de energía que se requiere vencer en un área para mantener determinadas condiciones de temperatura y humedad para una aplicación especifica. Clo: Es la unidad que indica el aislamiento térmico de la ropa. HVAC: Se trata de un conjunto de técnicas y métodos para enfriar, calentar, deshumidificar y mover el aire. 2 Humedad relativa: Es la humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación. Temperatura de bulbo seco: temperatura del aire. Confort térmico: Es una condición mental en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico. Conductancia térmica (U): Es la cantidad de calor transmitido por unidad de área y diferencia de temperatura.3

1 http://www.miliarium.com/Paginas/Biblio/Glosario_Arquitectura_Sostenible.asp 2 http://www.quiminet.com.mx/ar1/ar_%25CFN%251B%25ADh%2524c%253F.htm 3 http://fau.ucv.ve/idec/racionalidad/Paginas/Manualglosario.html

INTRODUCCIÓN

El confort térmico y la productividad hasta después de los años 30 no tenían mayor importancia para los industriales y los dueños de las edificaciones. Años más tarde en los Estados Unidos los HVAC (sistemas de calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire) eran imprescindibles en la concepción de lugares de trabajo para beneficio de los empleados y empleadores de las compañías quienes justificaban una inversión en la adecuación de los ambientes térmicos en una mayor productividad de sus empleados. Actualmente en Colombia, no existe un protocolo en la arquitectura que tenga en cuenta las condiciones térmicas optimas de los edificios, consecuencia directa de una selección adecuada de los materiales de construcción. El edificio de ingeniería Mario Laserna de la Universidad de los Andes, es una construcción de 8 pisos y 3 sótanos en un área total de 37.637 m2 que combina espacios docentes y educativos. En su concepción inicial, la mayoría de los lugares como las salas de computación y las oficinas para asistentes y profesores se equiparon con equipos de aire acondicionado previendo un ambiente térmico inadecuado típico de estos lugares. En este estudio se desea caracterizar térmicamente las salas de estudio grupal para la biblioteca general Ramón de Zubiria, en la que de acuerdo a una exploración previa del edificio los ocupantes de estas salas reportan inconformidad con el ambiente interno de estos lugares. Lo que se reporta en este proyecto es un trabajo de campo que cuantifica los índices que caracterizan la sensación de confort de los ocupantes y se dan algunas recomendaciones técnicas para adecuar el ambiente interior de estas salas.

OBJETIVOS

Medir y caracterizar térmicamente las salas de trabajo ubicadas en la biblioteca general Ramón de Zubiria Proveer información para el diseño y la selección del sistema de acondicionamiento o ventilación que requieran estas salas.

3

1. SALAS DE TRABAJO

Las ocho salas de trabajo objeto de estudio en este proyecto están ubicadas en el tercer piso de la biblioteca general Ramón de Zubiria. Estas salas están diseñadas para permitir a los estudiantes trabajar en grupo sin interrumpir el silencio habitual de la biblioteca. (ANEXO 1) 1.1 ESPECIFICACIONES DIMENSIONALES

altura (m) area por sala (m2)area

construida 8 salas (m2)

volumen

(m3)2,29 7,34 66,7 16,81

Dimensiones

TABLA 1: Dimensiones de las salas de trabajo

1.2 UBICACIÓN

FIGURA 1: Ubicación de las salas de trabajo

en el tercer piso de la biblioteca.

1.3 CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN 1.3.1 ILUMINACIÓN La iluminación para cada una de las salas tiene las siguientes características:

tipo marca Potencia (W) unid. Cantidad Temperatura de color (K) Potencia total (W)Fluorescente Sylvania 42 6 4100 252

Iluminacion

TABLA 2: Especificaciones tecnicas de la iluminacion instalada.

Las lámparas instaladas tienen una cubierta de vidrio que opaca la intensidad lumínica total como se ve en la FIGURA 2:

4

Ubicación de las lámparas lámparas sin cubierta lámparas con cubierta

FIGURA 2: Características de iluminación 1.3.2 EQUIPOS El único equipo instalado en las salas además de las conexiones eléctricas es una pantalla DELL para conectar a un computador portátil. Las características técnicas de esta pantalla son:

Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W)110 1 110

Pantalla DELL E197FPb

TABLA 3: equipo electrico instalado.

1.3.3 OCUPACIÓN Las salas muestran una dinámica de ocupación que se mantiene mes a mes con el mismo comportamiento. Para un mes típico la ocupación de las salas se comporta como lo reporta la GRAFICA 1.

Prestamos promedios dia

0123456

6:00

a.m

.

7:00

a.m

.

8:00

a.m

.

9:00

a.m

.

10:0

0 a.

m.

11:0

0 a.

m.

12:0

0 p.

m.

1:00

p.m

.

2:00

p.m

.

3:00

p.m

.

4:00

p.m

.

5:00

p.m

.

6:00

p.m

.

7:00

p.m

.

8:00

p.m

.

hora

cant

idad

pre

stam

os

GRAFICA 1: Ocupacion promedio de las salas de trabajo.

Las 2 horas con mayor ocupación promedio durante un mes resultaron ser:

5

11:00 am: 5.2 salas ocupadas. 3:00 pm: 4.7 salas ocupadas Estos son resultados promedios y cabe anotar que las salas pueden tener una ocupación total (8 salas) a distintas horas. Los resultados completos se pueden ver en el ANEXO 2. 2. IDENTIFICACION DEL PROBLEMA

Basados principalmente en quejas de algunos estudiantes y la importancia de un estudio adecuado del comportamiento térmico de lugares donde los ocupantes requieren condiciones adecuadas (temperatura y humedad relativa) para estudiar se seleccionaron las salas de trabajo. 2.1 ENCUESTAS Para cuantificar las quejas que se venían presentando, el primer paso fue realizar encuestas para recolectar información de los estudiantes que utilizan estas salas de trabajo. El formato de este cuestionario (ANEXO 3) tuvo como objetivo evaluar la sensación de confort térmico de los ocupantes que es particularmente dependiente del individuo su fisiología, y otros procesos y evaluar las causas y los factores que podrían influir en las sensaciones percibidas por los ocupantes.

El formato del cuestionario se basa en la escala de sensación térmica de ASHRAE con el fin de cualificar la sensación individual del ambiente interior de las salas. INFORMACION TECNICA

Encuestas duracion horas Edad promedio de los ocupantes

Vestimenta

100 grupos 3 meses 6 am - 9 pm 19.5 0.8 clo TABLA 4: Informacion tecnica de la encuesta.

RESULTADOS

Escala Sensacion Frecuencia %1 muy f rio 02 frio 03 ligeramente frio 04 normal_comodo 25 ligeramente caliente 116 caliente 157 muy caliente 72

TABLA 5: Resultados escala térmica de ASHRAE

6

Resultado sensacion termica

01020304050607080

norm

al

liger

amen

teca

lien

te

calie

nte

mu

yca

lien

te

% R

esp

uest

as

GRAFICA 2: Frecuencia de respuestas en la escala de ASHRAE.

Los resultados reportaron que un 87% de los ocupantes perciben el ambiente interior de las salas como caluroso o muy caluroso, y tan solo el 2% de los ocupantes perciben el ambiente como normal. Estos resultados evidencian un problema critico de temperaturas en una ciudad con temperaturas promedio de 13.2 oC (ANEXO 4) definida por el IDEAM como fría.

0,81 3,24 > 2 hr

datos promedio

computadorespersonas

por grupo

horas promedio en

la sala

TABLA 6: Resultados para otras preguntas del cuestionario

Estos resultados muestran las condiciones en las que opera en promedio una sala de trabajo; la cantidad de los computadores, las personas y las horas de ocupación que influyen en la ganancia de calor interna de las salas como se analizara más adelante.

2.2 ENVO LVENTE: Para realizar un estudio adecuado de las condiciones térmicas de las salas, es necesario tener un conocimiento detallado de los cerramientos estructurales que tienen una consecuencia directa en la dinámica del flujo de calor en la estructura debida a las propiedades térmicas de cada uno de los materiales utilizados. 2.2.1 PAREDES:

Las ocho salas están encerradas por dos tipos de muros; cuatro muros de concreto y seis muros STC-41 que es nomenclatura particular de la constructora Payc quien realiza la auditoria del edificio Mario Laserna.

7

FIGURA 3: muros de concreto y STC-41 en las salas de trabajo.

Los muros presentan algunas modificaciones. Estas modificaciones se identificaron gracias a la colaboración de los arquitectos quienes reportaron los cambios realizados sobre los planos consignados inicialmente.

area especificacion de Payk descripcion

7.15 m2 Concreto 45 cm de espesor

Detalle de los muros en planos

2 laminas de drywall de

1/2 pulg. Con ai re en el

interior.

7.15 m2 STC - 41

TABLA 7: especificaciones de los muros según planos

area especificacion de Payk descripcion

7.21 m2 Concreto 45 cm de espesor

Detalle de los muros con modificaciones

7.21 m2 STC - 41

2 laminas de drywall de

1/2 pulg. Con frescasa de

3 1/2 pulg. En el interior.

TABLA 8: especificaciones de los muros contruidos.

PROPIEDADES TERMICAS: Los materiales que componen los muros tienen las siguientes propiedades:

8

Material Espesor (cm) altura (m) area (m2) R (hr.ft2.*F/Btu) U = 1/R (Btu/hr.ft2.*F) U W/m2.*CDry-wall 1,27 2,27 7,15 0,45 2,22 12,62Concreto 45 2,27 7,15 1,4176 0,71 4,01

Fibra de vidrio 8,89 2,27 2,27 11 0,091 0,52

Especificaciones de materiales

TABLA 9: propiedades térmicas para los materiales utilizados.

Las propiedades para cada uno de los muros que es una combinación de los materiales ilustrados anteriormente resultaron ser como se muestra en la siguiente tabla:

espesor (m) R = Rd + Ra + Rd U = 1/R (Btu/hr.ft2.*F) U W/m2.*C

0,13 11,9 0,084 0,48

0,45 1,4176 0,71 4,01Concreto

STC-41 drywall 1/2" + aislante + drywall 1/2"

EspecificacionEspecificaciones termicas de muros

TABLA 10: propiedades térmicas para los muros construidos.

Donde Rd y Ra se refieren a las resistencias térmicas del dry-wall y el aislante respectivamente. 2.2.2 VENTANAS Y PUERTAS DE VIDRIO Las ventanas como las puertas de vidrio hacen parte de la envolvente de las salas de trabajo. El vidrio que se instalo no pudo ser identificado por que los auditores del edificio no tienen la información del fabricante, sin embargo el espesor del vidrio y la suposición de un vidrio simple para interiores nos dio las siguientes características. (Beltrán)

espesor U Btu/hr.ft2.F U W/m2.*C3/8 in 0,7 3,9746

Ventana Interior

TABLA 11: propiedades termicas de la ventaneria.

2.2.3 PISO Y TECHO El piso y el techo falso están construidos de concreto de 15 cm. (con alfombra) y dry-wall de 1,27 cm. (1/2 pulg.) Respectivamente. Unas ves determinadas las condiciones de operación y las propiedades térmicas de la envolvente, se realizaron las mediciones para caracterizar el comportamiento térmico de las salas de trabajo.

3. TRABAJO DE CAMPO 3.1 INSTRUMENTACION:

9

Después que se definió el problema; se identificaron las variables que caracterizarían adecuadamente y darían una información pertinente de las condiciones térmicas de trabajo dentro de las salas. Instrumentos utilizados:

Marca Referencia Rango precision ResolucionTemperatura Onset H08-004-02 y H08-007-02 -20 - 70 ±0,7 *C a 25*C 0,01*C

Humedad relativa Onset H08-004-02 y H08-007-02 25% - 95% ±5% de la escala total 0,01%Luminosidad Onset H08-004-02 2 - 600 lm/ft2 No especifica 0,1 lm/ft2

CO2 Langan T15n 0 - 10000ppm ±50ppm 1 ppm

Variable InstrumentoInstrumentos

Especificaciones

TABLA 12: Lista de instrumetos. La totalidad de los equipos utilizados son propiedad de los departamentos de ingeniería mecánica e ingeniería ambiental de la Universidad de los Andes.

FIGURA 4: equipos de medición. Data logger (hobo) y medidor de CO2 (telaire y langan t15n) respectivamente

3.2 Mediciones: Las mediciones de temperatura y humedad relativa se realizaron para el interior de la sala de trabajo y sus alrededores; las mediciones de CO2 solo se realizaron para el interior de las salas. La metodología de medición y los resultados se explican a continuación 3.2.1 Metodología: Las mediciones de temperatura y humedad relativa se realizaron para distintos días de la semana entre las 7 a.m. y las 9 p.m. La ubicación de los instrumentos (hobo) fue la siguiente:

10

Corredor Interior Ventanales

FIGURA 5: Ubicación de los equipos en el interior y los rededores de las salas de trabajo para medir temperatura y humedad relativa.

El corredor y los ventanales a los que hago referencia lucen como se muestra en la FIGURA 6.

Corredor Ventanales

FIGURA 6: fotos del corredor y de los ventanales La medición de CO2 se hizo para 1 hora y 20 minutos con las puertas cerradas y 4-5 personas en la sala. Los equipos se ubicaros como se ilustra en la FIGURA 7.

11

FIGURA 7: Ubicación de los instrumentos y condiciones de medición.

La iluminación es un parámetro que no cambia en el tiempo mientras se mida siempre a la misma distancia de la fuente de las lámparas. Para medir la intensidad lumínica (lm/ft2) se utilizo un data logger (H08-004-02). Se realizo una primera medición con las lámparas y su cubierta de vidrio y una segunda medición con las lámparas sin la cubierta. El equipo de

12

medición se ubico sobre la mesa durante algunos minutos mientras se registraban los datos en el equipo. 3.3 RESULTADOS : 3.3.1 TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA: Las graficas a continuación reportan las mediciones de temperatura y humedad relativa para el interior de las salas de trabajo y sus rededores. Interior de las salas:

Temperatura en la sala de trabajo

10,0012,5015,0017,5020,0022,5025,0027,5030,00

6:43

AM

7:52

AM

9:01

AM

10:1

0

AM 11:1

9AM

12:2

8 P

M

1:37

PM

2:47

PM

3:56

PM

5:05

PM

6:14

PM

7:23

PM

8:32

PM

9:41

PM

10:5

0 P

M

Hora

Tem

per

atur

a (*

C)

GRAFICA 3: Temperatura vs. Tiempo en el interior de la sala.

Humedad relativa en la sala de trabajo

20.0030.0040.0050.0060.0070.00

6:43

AM

7:52

AM

9:01

AM

10:1

0AM 11:1

9AM

12:2

8 PM

1:37

PM

2:47

PM

3:56

PM

5:05

PM

6:14

PM

7:23

PM

8:32

PM

9:41

PM

10:5

0 PM

Hora

Hum

edad

rel

ativ

a (%

)

GRAFICA 4: Humedad relativa vs. Tiempo en el interior de la sala

13

Alrededores:

Temperatura en la ventana

0

5

10

15

20

25

30

5:16

AM

7:26

AM

9:36

AM

11:4

5AM

1:55

PM

4:04

PM

6:14

PM

8:24

PM

10:3

3 PM

Hora

Tem

pera

tura

(*C

)

GRAFICA 5: Temperatura vs. Tiempo en los ventanales

Humedad relativa en la ventana

010203040506070

4:48

AM

7:12

AM

9:36

AM

12:0

0 P

M

2:24

PM

4:48

PM

7:12

PM

9:36

PM

12:0

0 AM

Hora

Hum

edad

rel

ativ

a (%

)

GRAFICA 6: Humedad relativa vs. Tiempo en los ventanales

14

Temperatura en el corredor

0

5

10

15

20

25

30

5:16

AM

7:26

AM

9:36

AM

11:4

5AM

1:55

PM

4:04

PM

6:14

PM

8:24

PM

10:3

3 PM

Hora

Tem

pera

tura

(*C)

GRAFICA 7: Temperatura vs. Tiempo en el corredor

Humedad relativa en el corredor

0

10

20

30

40

50

60

70

5:16

AM

7:26

AM

9:36

AM

11:4

5AM

1:55

PM

4:04

PM

6:14

PM

8:24

PM

10:3

3 PM

Hora

Hum

edad

rela

tiva

(%)

GRAFICA 8: Humedad relativa vs. Tiempo en el corredor

15

3.3.2 NIVELES DE CO2

Niveles de CO2 en una sala de trabajo

0500

10001500200025003000350040004500

12:1

0 P

M

12:2

2 P

M

12:3

3 P

M

12:4

5 P

M

12:5

7 P

M

1:08

PM

1:20

PM

1:31

PM

Hora

CO2

(ppm

)

GRAFICA 9: Niveles de CO2 vs. Tiempo

3.3.3 ILUMINACIÓN

48 lm/ft2 516,5 lux 72 lm/ft2 774,72 lux

Iluminacion en las salas

Con cubierta Sin cuibierta

TABLA 13: Intensidad lumínica.

4. CALCULO DE CARGAS TERMICAS

Las cargas térmicas son la cantidad de calor que se debe remover para mantener unas condiciones adecuadas. El cálculo de estas cargas es de utilidad para: Diseñar y seleccionar adecuadamente sistemas HVAC. Proveer información que permita evaluar la reducción de este tipo de cargas. En el caso particular de las salas de trabajo las perdidas y ganancias de calor lucen como se ilustra en la FIGURA 8.

16

FIGURA 8: Ganancias y pérdidas de calor en las salas de trabajo.

La dirección del calor se determino por las diferencias de temperatura entre el interior de las salas y sus alrededores. Las cargas térmicas se clasifican de la siguiente forma:

Cargas internas Cargas externasocupantes paredes

iluminacion ventanalescomputadoras techo

ventilacion piso

Cargas termicas

TABLA 14: clasificación de las cargas térmicas

4.1 CARGAS POR OCUPANTES Las cargas térmicas debidas a la ocupación dependen fundamentalmente del tipo de actividad que realizan las personas que ocupan el lugar. Para este caso, las personas realizan actividades fundamentalmente académicas: mecanografiar, escribir, y leer. Las cargas debidas a la ocupación son la suma de un calor latente y un calor sensible generado por las personas y su actividad metabólica. Las expresiones que se utilizaron para calcular el calor total fueron:

Nqq llatente *= Calor latente

CLFNqq ssensible **=

Calor sensible

17

sensiblelatentetotal qqq += Calor total

Para hallar los términos lq y sq se utilizo la siguiente tabla (ASHRAE 1979)

Watts Btu/hr Watts Btu/hrSentado en descanso Teatros, cines. 60 210 40 140Sentado, trabajo muy liv iano escribiendo

Oficinas, hoteles, apartamentos.

65 230 55 190

Sentado, comiendo Restaurantes 75 255 95 325Sentado, trabajo liv iano, mecanograf iando

Oficinas, hoteles, apartamentos.

75 255 75 255

Tazas de ganancia de calor por ocupantes.

grado de actividad Aplicación tipicaSensible

qs/personaLatente

ql/persona

TABLA 15: Tazas de ganancia de calor por los ocupantes.

Entonces:

wattsql 75= wattsqs 75=

24.3=N CLF factor que depende de las horas que las personas ocupan el lugar, (ASHRAE 1979) La GRAFICA 10 muestra el resultado total de las cargas debidas a los ocupantes. 4.2 CARGAS POR ILUMINACIÓN Las cargas por iluminación se calcularon con la siguiente expresión:

CLFFsFuPq ×××=

Fu = factor de uso. Fb = factor de seguridad por disipación de energía en balastos. P = potencia instalada CLF = Factor de carga de enfriamiento ASHRAE (1979)

18

Ganancia total de calor por ocupantes

050100150200250300350400450500

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Hora

Wat

t

GRAFICA 10: Ganancia de calor vs. Tiempo.

Para el cálculo de las cargas por iluminación se hicieron las siguientes consideraciones:

Fu Fb placa de piso cm/pulg.1 1.2 15/5.9

Factores

TABLA 16: factores para calcular cargas

Por iluminación. Todas las lámparas instaladas se utilizan al mismo tiempo; por esta razón el factor de uso es 1; así mismo el factor de balastos para lámparas fluorescentes puede variar de 1.06 hasta 1.3 dependiendo la potencia instalada; de esta manera el factor de balastos utilizado es 1.2 como valor promedio para lámparas fluorescentes (Beltrán). Con el fin de tener en cuenta el almacenamiento del recinto, el tipo de lámparas que se utilizaron y la taza de ventilación; se utilizo la clasificación “a” y “b” para obtener el factor CLF de carga de enfriamiento.

Baja ventilacion C

Clasificacion "b" para lucesConstruccion del

piso6 pulg. De concreto

Circulacion de

aire.

TABLA 17: clasificación “b” para el calculo de cargas Por iluminación. (ASHRAE 1979).

19

"a"

0.45

Clasificacion "a" para luces

Luces sin ventilacion,

menos de 5 ft3/min

Lampara y tipo de ventilacion

TABLA 18: clasificación “a” para el calculo de cargas

Por iluminación (ASHRAE 1979). Las cargas por iluminación calculadas son:

Ganancia de calor por iluminacion

0,0050,00

100,00150,00200,00250,00300,00

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Hora

Wat

t

GRAFICA 11: Carga térmica por iluminación vs. Tiempo

4.3 CARGAS POR PAREDES Y VENTANAS Las cargas a través de las paredes y las ventanas se calcularon con la siguiente expresión.

)( tUAq ∆= Donde:

U = conductancia A = Área. ∆t = Diferencia de temperatura (figura)

Las cargas térmicas por pérdidas o ganancias de calor calculadas fueron GRAFICA 12 y GRAFICA 13:

20

Paredes:

Ganancia de calor muro de concreto

-100,00-80,00-60,00-40,00-20,00

0,0020,0040,0060,0080,00

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Hora

Wat

ts

GRAFICA 12: Carga térmica muro de concreto vs. Tiempo

Ganancia de calor muro STC-41

-10,00

-5,00

0,00

5,00

10,00

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Hora

Wat

ts

GRAFICA 13: carga térmica muro STC-41 vs. Tiempo.

21

Ventanas y puertas de vidrio:

Ganancia de calor por la ventana

-80,00

-60,00

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Hora

Wat

ts

GRAFICA 14: Carga térmica por ventanales vs. Tiempo

Ganancia de calor por puerta de vidrio

-60,00

-40,00

-20,00

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Hora

Wat

ts

GRAFICA 15: Carga térmica por puerta de vidrio vs. Tiempo.

Los valores negativos indican los pocos momentos donde el calor entraba a las salas. 4.4 CARGA POR EQUIPOS ELECTRICOS

22

La carga debida al calor suministrado por los equipos eléctricos se calculo con la siguiente expresión asumiendo que la totalidad de la potencia requerida por el computador y la pantalla se convierte en calor.

CorrienteVoltajeq ×= Las cargas térmicas calculadas fueron:

voltaje (V) corriente (A) potencia (w)19,75 3,295 65,08

Computadores portatiles

TABLA 19: ganancias de calor debida a los computadores

Portátiles.

Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W)110 1 110

Pantalla DELL E197FPb

TABLA 20: Ganancia de calor debida a la pantalla.

La ganancia total de calor debida a los equipos eléctricos es de 175.08 W, la encuesta reporto 0.8 computadores portátiles en promedio por sala, pero para los cálculos asumimos 1 computador. 5. CARGAS DE ENFRIAMIENTO

La carga de enfriamiento es el calor total que debe remover el equipo para mantener unas condiciones específicas. Para calcular esta carga se hicieron las siguientes consideraciones. Horas de diseño:

Horas de diseño11-12 am3-4 pm8-9 pm

criterio de selección de horaOcupacion maxima

Temperatura MaximaPico maximo de cargas termicas

TABLA 21: horas de diseño Condiciones de confort térmico:

Temperatura Humedad21 *C 55%

Condiciones de diseño

TABLA 22: condiciones de confort Shang Wang (1993)

Para dimensionar el equipo de refrigeración se tomo como criterio de diseño la siguiente suposición:

23

Diseño: el equipo debe ser capaz de remover las cargas térmicas generadas por 5 ocupantes, 5 portátiles y 1 pantalla DELL encendida en cada una de las ocho salas. El resultado es fue:

Cargas de enfriamiento por sala

-200-100

0100200300400500600700800

ocup

antes

ilumina

cion

muro co

ncre

to

muro st

c-41

venta

na

puert

a de v

idrio

Equipo

s elec

tricos

Wat

ts

11-12 am3-4 pm8-9 pmDiseño

GRAFICA 16: Cargas de enfriamiento en condiciones de operación y condición de diseño.

Para las 8 salas el resultado fue:

Toneladas de refrigeracion para 8 salas

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

11-12 3-4 8-9 Diseño

Ton.

refr

iger

acio

n

GRAFICA 17: Dimensionamiento del sistema en toneladas de refrigeración 6. ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Los resultados obtenidos son una evidencia de dos problemas fundamentalmente

24

• Confort térmico • Calidad del aire

A continuación se presentara un análisis detallado de los resultados obtenidos en el contexto de confort térmico y de calidad del aire. 6.1 CONFORT TERMICO: Zonas de confort: Las zonas de confort son el resultado de estudios donde el 80% de las personas en invierno y veranos típicos se sienten confortables con el ambiente, están zonas están definidas en la norma 55 de ASHRAE (ASHRAE 2001), y se utilizaron en este contexto para identificar que tan lejos estamos de estos limites de confort. Ver FIGURA 9.

FIGURA 9: Zona de confort en las salas de trabajo.

25

De este resultado se puede decir lo siguiente:

• Es necesario enfriar el aire hasta unos 21 oC. • El sistema no tiene que necesariamente humidificar, bajar la temperatura seria

suficiente para ubicar las condiciones de operación dentro de la zona aceptable de confort.

En el ANEXO 5 se muestra las condiciones térmicas respecto a la zona de confort para los alrededores de las salas de trabajo. Envolvente: Los resultados de temperatura obtenidos para el interior de las salas y sus alrededores nos dicen lo siguiente de las paredes y las ventanas:

• La temperatura dentro de las salas es mayor que la de sus alrededores; el aislamiento acústico utilizado (fibra de vidrio 31/2 pulg.) tiene una conductancia muy baja (0.48 W/m2 oC) lo que impide que el calor fluya con rapidez hacia afuera.

Iluminación: Los resultados de intensidad lumínica y la norma RETIE (reglamento técnico de instalaciones eléctricas) (tabla)

Oficinas minimo medio maximoOficinas generales,

mecanografia y computacion

300 500 750

48 lm/ft2 516,5 lux 72 lm/ft2 774,72 lux

Iluminacion en las salas

Con cubierta Sin cuibierta

niveles de iluminancia lxNorma RETIE

TABLA 23: Norma RETIE vs. Intensidad lumínica medida.

En términos de confort se puede decir lo siguiente:

• La instalación de las lámparas en su condición de operación (con cubierta) cumple con la norma RETIE, esta entre el nivel medio y el nivel máximo.

• La instalación de las lámparas sin la cubierta sobrepasa 24.72 lux el nivel máximo permitido y 274.72 lux más del nivel medio.

26

Cargas térmicas: La generación de calor dentro del interior de las salas aumenta la temperatura por lo que es un factor que incide directamente en el confort térmico GRAFICA 18. De los resultados obtenidos se puede decir lo siguiente:

Ganancias y perdidas de calor

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

1

Cal

or (%

)

Ganancias Perdidas

GRAFICA 18: Ganancias de calor y perdidas de calor totales en las Salas de trabajo.

• El 89.3 % del calor se genera dentro de las salas por ocupantes (46.59%), por

iluminación (25.52%) y por equipos eléctricos (18.2%). • Tan solo el 10.69 % del calor se pierde o fluye hacia fuera por efectos de la

diferencia de temperatura a través de los muros y las ventanas. 6.2 CALIDAD DEL AIRE: La medida de los niveles de CO2 pueden ser un buen indicador de la cantidad de aire que se necesita en un interior, la norma 62 de la ASHRAE recomienda mantener los niveles de CO2 por debajo de 1000 ppm para interiores, los niveles de CO2 en exteriores varia entre 320 y 350 ppm (HERB WENDES 1995) Los resultados obtenidos fueron:

• 4035 ppm, nivel máximo de CO2 medido, en este nivel de concentración los ocupantes pueden sentir cansancio, dolor de cabeza y perdida de concentración y la eficacia de estudio4

4 www.casonoven.com/Purifi cadores-CO2-IAQ.htm

27

7. RECOMENDACIONES

Sistema HVAC:

• Las cargas térmicas generadas en el interior de las salas representa el 89% de las cargas totales y es un factor que no podemos controlar, por mas que se aumente la conductancia de las paredes para que el calor fluya hacia fuera la condición térmica con la que alcanzaríamos el equilibrio seria la de los alrededores (ANEXO 5) y sea que se cambien o no las paredes las salas de trabajo necesitan un sistema de refrigeración para enfriar el aire hasta los 21 Oc. Cambiando las paredes el sistema requeriría menos potencia pero no considero que sea la solución más eficiente para tratar este problema.

• El sistema de refrigeración debe ser de 3.14 Toneladas de refrigeración.

Optimización y reducción de cargas térmicas: Para disminuir el consumo de energía con el que operan las salas y reducir las cargas que tendría que remover el sistema de refrigeración se hicieron las siguientes recomendaciones:

• Disminuir a la mitad la potencia de iluminación instalada y remover las cubiertas, de 6 lámparas a 3 lámparas. Con este procedimiento las cargas que representan el 25% de Las cargas totales se reduciría a la mitad y la intensidad lumínica se mantendría entre 300 y 500 luxes cumpliendo todavía la norma RETIE.

Ventilación: Para disminuir la concentración de CO2 en el interior de las salas se necesita un sistema de ventilación que renueve el aire del interior, el índice de renovación que se necesita depende de la producción de CO2 por minuto de la cantidad de personas y del volumen de cada sala de trabajo. Numero de personas = 5 Volumen sala = 16810 litros La cantidad de aire del exterior que se necesita por persona es:

min504)04.01.0(

)100min)(/60)(2.1(0042.0L

segMETsegLQ =

−=

Para 5 personas la cantidad mínima de aire del exterior requerida es de 2520 L/min, entonces la cantidad de veces que tiene que ser removido el aire interior de la sala en 1 minuto o el índice de renovación es:

28

utoveces min/5.116812520

=

Como criterio de diseño se puede decir que el volumen de aire de cada una de las salas debe ser cambiado 2 veces en 1 minuto para mantener “limpio” el aire.

29

BIBLIOGRAFIA ASHRAE, 2001, HVAC fundamentals. ASHRAE, 1979, Cooling and heating load calculation manual/prepared by the American society of heating, refrigerating and air conditioning engineers, Inc. BELTRAN, 1992, Principios de aire acondicionado, Universidad de los Andes WANG SHAN, 1993, Handbook of air conditioning and refrigeration, McGraw Hill WENDES HERBERT C, 1996, Energy audit and balancing forms manual, Prentice Hall.

30

ANEXOS

31

ANEXO 1. SALAS DE TRABAJO

32

ANEXO 2. DATOS DE OCUPACION PARA UN MES.

hora l m i j v s m i j v s l m i j v s l m i Promedio6:00 a.m. 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 2 1 0 0 2 1 0 0,57:00 a.m. 4 1 7 3 3 0 3 4 6 4 0 9 3 2 1 2 0 6 0 3 3,058:00 a.m. 3 4 5 7 4 0 5 6 3 5 0 5 8 5 7 6 0 2 10 7 4,69:00 a.m. 5 6 6 2 6 0 5 7 5 5 2 6 3 6 4 4 1 8 2 6 4,45

10:00 a.m. 7 6 5 6 2 1 6 4 3 5 3 5 6 4 5 5 0 0 7 7 4,3511:00 a.m. 6 5 8 7 7 0 7 6 7 5 1 6 4 4 5 6 1 8 8 3 5,212:00 p.m. 5 5 4 4 3 0 2 2 6 0 2 2 4 5 4 3 1 4 3 5 3,21:00 p.m. 6 5 6 3 2 4 4 7 6 0 0 7 4 1 6 5 2 6 6 4 4,22:00 p.m. 4 5 7 7 7 0 4 3 3 2 2 4 9 9 5 4 1 3 4 3 4,33:00 p.m. 5 3 5 7 5 2 3 7 7 5 0 6 6 4 6 6 0 7 4 6 4,74:00 p.m. 4 3 5 3 4 0 3 0 2 1 0 3 3 4 3 3 0 5 2 4 2,65:00 p.m. 4 5 3 2 2 0 5 4 5 5 0 5 8 6 6 0 0 4 7 4 3,756:00 p.m. 2 3 0 2 1 0 2 1 3 3 0 2 3 4 1 1 0 4 3 4 1,957:00 p.m. 1 2 0 0 0 0 1 2 5 3 0 3 2 1 0 0 0 3 3 0 1,38:00 p.m. 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

total 56 54 61 53 47 7 50 53 61 44 10 64 63 57 54 45 6 62 60 56

Octubre

33

ANEXO 3. CUESTIONARIO

ENCUESTA CONFORT TERMICO Hora de salida:________AM / PM Tiempo aproximado de trabajo. Marque el cuadro.

□ menos de 1 hora □ entre 1 y 2 horas □ entre 2 y 3 horas □ mas de 3 horas

Cuantas personas trabajaron en la sala? _____

Utilizaron computadores? Si__ No__ cuantos___ Como califica su sensación de comodidad en la sala de estudio. Marque el cuadro. □ M uy frío □ Frío □ Ligeramente frío □ Normal (cómodo) □ Ligeramente caluroso □ Caluroso □ M uy caluroso

Si tiene alguna observación adicional que nos permita evaluar la comodidad ambiental de los cubícu los escríbala por favor:

34

ANEXO 4. DATOS DE TEMPERAT URA PARA LA C IUDAD DE BOGOTA.

hora Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 0:01- 1:00 9,5 9,9 10,7 10,6 10,5 10,6 10 9,9 9,6 9,6 10,7 8,1 1:01- 2:00 9 9,6 10,3 10,2 10,3 10,3 9,8 9,6 9 9 10,3 8 2:01- 3:00 8,5 9,3 10,1 9,8 9,8 10,1 9,4 9,2 8,9 8,6 9,9 7,8 3:01- 4:00 8,3 8,9 9,7 9,5 9,7 9,4 9,3 9 8,7 8,6 9,6 7,5 4:01- 5:00 8 8,8 9,4 9,4 9,7 9,1 9 8,6 8 8,3 9,3 7,3 5:01- 6:00 8,1 9,1 9,3 9,8 10 8,9 8,8 8,7 8,4 8,5 9,2 7,6 6:01- 7:00 8,6 10,2 9,8 10,6 11,6 10,3 10,2 9,8 10,2 10,1 10,2 8,9 7:01- 8:00 11,1 12,9 12 13,1 14,1 13 12,4 12,4 13,1 12,9 12,6 12,1 8:01- 9:00 13,7 15,6 14,3 15,4 16,4 14,9 13,9 14,4 15,4 14,8 14,7 15,1 9:01-10:00 16 17,2 16 16,8 17,3 16,1 15,2 15,6 17 16,3 16,2 17,610:01-11:00 17,4 18,2 17,3 17,9 18,2 16,8 16 16,4 18 17 17,4 18,511:01-12:00 18,5 18,8 17,8 18,4 18,3 17,4 16,5 16,9 18,6 18,2 17,7 18,612:01-13:00 18,6 19,4 18 18,5 18,8 17,8 16,9 17,1 18,6 17,9 17,7 18,513:01-14:00 18,3 19 17,7 18 18,5 17,6 16,9 17,2 18,5 17,7 17,5 18,314:01-15:00 18 18,8 17,8 17,2 17,9 17,2 16,8 17,3 18,1 17,6 17 17,715:01-16:00 17,5 18 17 16,9 17,4 16,8 16,3 16,8 17,4 17,1 16,4 16,516:01-17:00 16,9 16,6 16 16,3 16,2 16,1 15,5 16 16,1 16,1 15,4 15,517:01-18:00 15,2 14,8 15,1 15,2 14,8 14,8 14,4 14,9 14,4 14,8 13,8 13,818:01-19:00 13,6 13,4 14 14 13,6 13,5 13 13,7 13 13,6 13,1 12,119:01-20:00 12,7 12,5 13,3 13,1 13 12,7 12,3 12,3 12,5 12,4 12,4 11,220:01-21:00 11,7 11,8 12,6 12,5 12,3 12,3 11,5 11,5 11,5 11,9 12,1 10,821:01-22:00 11,1 11,4 12,2 11,7 12,1 11,7 11,1 10,8 11 11,1 11,7 10,222:01-23:00 10,4 10,9 11,6 11,4 11,2 11,2 10,8 10,6 10,5 10,6 11,2 9,223:01-24:00 10 10,3 11,1 10,9 11 11 10,5 10,2 10 10,2 10,8 9max temp 18,6 19,4 18 18,5 18,8 17,8 16,9 17,3 18,6 18,2 17,7 18,6min temp 8 8,8 9,3 9,4 9,7 8,9 8,8 8,6 8 8,3 9,2 7,3Promedio 12,95 13,56 13,46 13,63 13,86 13,32 12,77 12,87 13,19 13,04 13,20 12,50

Temperatura de bulbo seco (oC)

35

ANEXO 5. ZONAS DE CONFORT PARA LOS ALREDEDORES DE LAS S ALAS DE TRABAJO.