Estimación de carga de HVAC: ganancia y pérdida de calor de infiltración

La infiltración representaintercambio de aire incontroladoentre ambientes exteriores e interiores, lo que afecta significativamente las cargas de calefacción y refrigeración en todo tipo de edificios. Una estimación precisa de la infiltración es esencial para dimensionar correctamente el sistema HVAC, predecir el consumo de energía y mantener las condiciones ambientales interiores deseadas.

Estándares esenciales de infiltración

Los ingenieros profesionales de HVAC utilizan bases de datos de infiltración integrales para garantizar cálculos de carga precisos y estrategias efectivas de diseño de envolventes de edificios.

Referencias centrales de infiltración

Estándar	Sección	Paginas	Enfoque de cobertura
Fundamentos ASHRAE 2017	Sección 18.3	483, 484	Métodos y factores de cálculo de la carga de infiltración.
Fundamentos ASHRAE 2017	Secciones 16.11, 16.13, Tablas 10, 11	441, 445	Medición de fugas de aire y rendimiento de la envolvente del edificio.
Guía de cibse 2005 B	Sección 1.3, Tabla 1.5	14	Estándares europeos de infiltración y métodos de cálculo.
Guía de cibse 2006 Un diseño ambiental	Sección 4.7, Tablas 4.13-4.17	160, 161	Modelado de estanqueidad e infiltración del aire en edificios.
Carrier la parte 1 Estimación de carga	Capítulo 06, Tablas 43, 44	94-96	Aplicaciones prácticas de infiltración para cálculos de carga.

Conceptos fundamentales de infiltración

Fuerzas impulsoras del movimiento del aire

Ocurre la infiltracióndebido a diferenciales de presión creados por múltiples fuerzas naturales y mecánicas:

Efectos de la presión del viento:

• Superficies de barlovento: Presión positiva que impulsa el aire hacia el interior de los edificios.
• Superficies de sotavento: Presión negativa que extrae aire de los edificios.
• Correlación de la velocidad del viento: La presión aumenta con el cuadrado de la velocidad del viento.
• Geometría del edificio: La altura, la orientación y la forma influyen en la distribución de la presión.

Stack effect (thermal buoyancy):

• Diferencial de temperatura: Las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior crean fuerzas de flotación
• Altura del edificio: Los edificios más altos experimentan un mayor efecto de apilamiento
• Plano de presión neutra: Nivel donde las presiones interior y exterior son iguales
• Variaciones estacionales: Flujo ascendente en la temporada de calefacción, inversión potencial en la temporada de refrigeración

Impactos del sistema mecánico:

• Desequilibrios entre oferta y retorno: Sistemas de ventiladores que crean presurización o despresurización del edificio.
• Sistemas de escape: Escape local que crea zonas de presión negativa
• Operación de climatización: Los ciclos del sistema afectan las relaciones de presión del edificio.

Vías de fuga de aire

Penetraciones en la envolvente del edificioproporcionar caminos para el movimiento de aire incontrolado:

Áreas de fuga primaria:

• ventanas y puertas: Interfaces marco-pared y componentes operativos
• Penetraciones de pared: Pasos de sistemas eléctricos, de plomería y mecánicos
• Juntas de construcción: Interfaces de pared a techo, de pared a cimientos y de materiales de construcción
• Discontinuidades envolventes: Características arquitectónicas e integraciones de sistemas de construcción.

Métodos de cálculo de infiltración de ASHRAE

Sección 18.3 Aplicaciones de cálculo de carga

Metodología de ashraeproporciona múltiples enfoques para la estimación de la carga de infiltración:

Método de cambio de aire:

• Suposición ACH: Valores típicos por tipo de edificio y calidad de construcción
• Cálculo de carga: Q = V × ACH × ΔT × 1.08 (sensible) + V × ACH × Δω × 0.68 (latent)
• Ventaja de simplicidad: Fácil aplicación con mínimos datos específicos del edificio requeridos
• Limitaciones de precisión: Puede no reflejar el rendimiento real del edificio

Método de crack:

• Cálculo del área de fuga: Suma de áreas de fuga de componentes de envoltura individuales
• Aplicación de presión diferencial: Correlación entre presión y caudal de aire
• Factores específicos de los componentes: Diferentes características de fuga para ventanas, paredes y puertas.
• Precisión mejorada: Mejor representación del rendimiento real de la envolvente del edificio

Tablas 10 y 11 Datos de fugas de aire

Datos completos del área de fugapara varios componentes de construcción:

Tasas de fuga de ventanas:

• Ventanas residenciales: 0,1-0,6 cfm/pie de grieta a un diferencial de presión de 25 Pa
• Ventanas comerciales: 0,06-0,37 cfm/pie² de área de ventana a 75 Pa
• Impacto en la calidad de la ventana: Las ventanas de alto rendimiento reducen significativamente las fugas
• Calidad de instalación: Una mala instalación puede aumentar las fugas entre un 200 y un 300 %.

Fugas en paredes y envolventes:

• Construcción de marco: 0,3-3,0 cfm/pie² de área de pared a 75 Pa
• Construcción de mampostería: 0,1-1,5 cfm/pie² de área de pared a 75 Pa
• Impacto del aislamiento: Las barreras de aire continuas reducen significativamente las tasas de fuga
• Calidad de construcción: La mano de obra afecta críticamente el rendimiento de estanqueidad al aire.

Estándares europeos de cibse

Enfoque europeo de estanqueidad al aire

Estándares CIBSEReflejar el énfasis europeo en el rendimiento de la envolvente de los edificios:

Tabla 1.5 aplicaciones:

• Clasificaciones de permeabilidad al aire.: Categorías de edificios basadas en la estanqueidad al aire medida
• Tasas de infiltración de diseño: Supuestos conservadores para varios tipos de construcción.
• Requisitos de prueba: Pruebas obligatorias de puertas automáticas para muchos tipos de edificios
• Objetivos de desempeño: Objetivos específicos de estanqueidad al aire para el cumplimiento de la eficiencia energética

Metodología de cálculo europea

Modelado de infiltración avanzadoincorpora:

Tablas 4.13-4.17 datos completos:

• Factores específicos del clima: Patrones regionales de viento y diferencias de temperatura.
• Correcciones de geometría de construcción: Ajustes de altura, exposición y orientación.
• Impactos en los detalles constructivos: Efectos de continuidad de puentes térmicos y barreras de aire.
• Variaciones estacionales: Diferentes tasas de infiltración para las temporadas de calefacción y refrigeración.

Integración de garantía de calidad:

• Medido versus previsto: Correlación entre los supuestos de diseño y los resultados de las pruebas.
• Verificación de rendimiento: Requisitos de validación de estanqueidad al aire posterior a la construcción
• Mejora continua: Incorporar comentarios sobre el desempeño en las prácticas de diseño.

Aplicaciones de cálculo de carga del portador

Métodos prácticos de implementación

Cuadros 43 y 44Proporcionar datos de infiltración orientados a aplicaciones:

Consideraciones sobre el tipo de edificio:

• Edificios residenciales: Tasas de infiltración típicas de 0,35-1,0 ACH
• Edificios comerciales: 0,1-0,5 ACH dependiendo de la construcción y el mantenimiento
• Naves industriales: 0,5-2,0 ACH que refleja factores operativos y de construcción
• Edificios de alto rendimiento: <0,1 ACH alcanzable con un diseño y construcción adecuados

Integración de cálculo de carga

Evaluación sistemática de la infiltración:

1. Caracterización del edificio: Evaluación del tipo de construcción, antigüedad y condición envolvente.
2. Aplicación de datos climáticos: Patrones de viento locales y análisis diferencial de temperatura.
3. Evaluación de la relación de presión.: El sistema HVAC impacta la presurización del edificio
4. Consideración de la variación estacional: Diferentes tasas de infiltración a lo largo del año

Análisis de impacto de carga de infiltración

Efectos sensibles de la carga de calor

Cargas de infiltración impulsadas por la temperatura:

Impactos de la temporada de calefacción:

• Infiltración de aire frío: Aire exterior que requiere calefacción a temperatura interior
• Método de cálculo: Qs = 1.08 × CFM × (Ti – To)
• Consideraciones de carga máxima: Diferencias de temperatura del día de diseño
• Implicaciones del tamaño del sistema: La infiltración puede representar entre el 20 y el 40 % de la carga total de calefacción.

Impactos de la temporada de enfriamiento:

• Infiltración de aire caliente: Aire exterior que requiere enfriamiento a temperatura interior
• Interacción de carga de humedad: Requisitos combinados de enfriamiento sensible y latente
• Efectos de la capacidad del sistema: Infiltración máxima durante condiciones de viento fuerte

Efectos de la carga de calor latente

Cargas de infiltración impulsadas por la humedad:

Diferenciales de relación de humedad:

• Cálculo de carga: Ql = 0.68 × CFM × (ωo – ωi)
• Dependencia climática: Importante en climas húmedos durante la temporada de enfriamiento
• Requisitos de deshumidificación: Capacidad adicional del sistema para eliminar la humedad
• Impactos en la calidad del aire interior: Control de humedad y consideraciones de confort.

Estrategias modernas de control de infiltración

Mejoras en la envolvente del edificio

Métodos de mejora de la estanqueidad al aire:

Detalles constructivos:

• Barreras de aire continuas: Sistemas de sellado de sobres continuos
• Sistemas de ventanas avanzados: Fenestración de alto rendimiento con sellado superior
• Sellado de penetración: Sellado completo de todas las aberturas de los sobres.
• Seguro de calidad: Supervisión de la construcción y verificación de pruebas.

Integración del sistema mecánico

Estrategias de ventilación controlada:

Enfoque de ventilación equilibrada:

• Ventilación con recuperación de energía.: Intercambio de calor y humedad entre las corrientes de aire de escape y suministro.
• Ventilación controlada por la demanda: Aire exterior variable según la ocupación y la calidad del aire interior
• Control de presurización del edificio: Ligera presión positiva para reducir la infiltración.
• Ventilación zonificada: Diferentes estrategias de ventilación para diferentes áreas del edificio

Modelado de infiltración avanzado

Métodos de simulación por computadora

Herramientas de análisis sofisticadas:

Modelado multizona:

• Cálculos de presión del edificio.: Relaciones de presión detalladas en todos los edificios
• Análisis dinámico: Variaciones de infiltración horaria según el clima y la operación
• Modelado de interacción del sistema: El sistema HVAC impacta el movimiento del aire del edificio
• Predicción del consumo de energía.: Uso anual de energía, incluidos los efectos de infiltración.

Diseño basado en el rendimiento

Integración del rendimiento medido:

Prueba de puerta sopladora:

• Validación del diseño: Confirmación del rendimiento envolvente del edificio previsto frente al real
• herramienta de puesta en marcha: Identificar y corregir problemas de fugas de aire
• Monitoreo continuo: Seguimiento del rendimiento de la envolvente del edificio a largo plazo
• Optimización de la modernización: Mejoras específicas basadas en el desempeño medido

Garantía de Calidad y Verificación

Métodos de validación de diseño

Precisión de la carga de infiltraciónrequiere verificación sistemática:

Procedimientos de validación:

• Evaluación de la envolvente del edificio: Revisión detallada de documentos y especificaciones de construcción.
• Verificación de datos climáticos: Confirmación de datos meteorológicos apropiados para los cálculos.
• Análisis de interacción del sistema.: Comprender el impacto del sistema HVAC en la infiltración
• Prueba de rendimiento: Verificación posterior a la construcción de las tasas de infiltración reales frente a las previstas

Gestión de rendimiento continuo

Control de infiltraciones a largo plazo:

Consideraciones de mantenimiento:

• Degradación de la envolvente: Aumentos relacionados con la edad en las tasas de fuga de aire
• Reemplazo del sello: Renovación periódica de burletes y calafateo
• Reequilibrio del sistema: Mantener la presurización adecuada del edificio
• Monitoreo del rendimiento: Seguimiento de patrones de consumo de energía que indican cambios de infiltración

Estimación precisa de la infiltraciónsigue siendo fundamental para el diseño exitoso del sistema HVAC, impactando directamente el tamaño del equipo, el consumo de energía y la calidad ambiental interior, al tiempo que brinda oportunidades para ahorros de energía significativos a través de un mejor rendimiento de la envolvente del edificio.