Parte 29 · Clase 282 de 830

ARQ-282 · Balances de calor y pérdidas de transmisión

Parte 29 · Clase desarrollada · Incorporada en v0.17.0.

Prerrequisitos conceptuales: ARQ-281, ARQ-276, ARQ-275. Sin calendario. Casos, series y parámetros ficticios, salvo antecedentes atribuidos. No son mediciones de un edificio ni pronósticos. Revisión externa especializada pendiente.

Pregunta central

¿Cómo construir un balance de calor que mantenga superficies, temperaturas de borde, ventilación, ganancias y almacenamiento sin utilizar un único coeficiente para fenómenos que no comparten las mismas condiciones?

Resultado y continuidad

Recuperamos ENE-BASE-01 de ARQ-276: planta de 120 m², volumen de 360 m³ y coeficiente exterior de 108 W/K. Incorporamos terreno, intercambio de aire y ganancias mediante ENE-BAL-01. No utilizamos los 120 kWh de ARQ-281 como si fueran resultado previo. Resolverás un estado mantenido y un enfriamiento libre de una hora, distinguiendo potencia requerida y energía almacenada.

1. Dibujar términos con un signo común

Adoptamos calor positivo hacia la zona. La transmisión por una frontera j es Hj(Tj−Ti). El intercambio sensible por aire es ρcpQ(Te−Ti). Las ganancias G y el sistema Qs también entran con su signo. El almacenamiento se expresa C dTi/dt.

El balance general del nodo es C dTi/dt=ΣHj(Tj−Ti)+ρcpQ(Te−Ti)+G+Qs. Esta reducción sigue el principio de balances de zona, que distingue intercambios y almacenamiento [CLI-ZONE]. No modela por separado cada superficie radiante ni zonas con temperaturas diferentes.

Antes de calcular, identifica qué está dentro de la frontera. Si una carga eléctrica aparece como ganancia interior, no se vuelve a sumar como un segundo calor idéntico por pertenecer al inventario de consumo. Si una pared separa dos zonas modeladas, el calor que sale de una debe entrar en la otra dentro de sus balances compatibles.

2. Recuperar áreas sin modificarlas

ENE-BASE-01 conserva 114 m² de pared opaca a U=0,40, dieciocho de ventanas a U=1,80 y 120 de cubierta a U=0,25. Sus aportes suman 108 W/K hacia el exterior. No se añaden otra vez los dieciocho metros cuadrados de vidrio a los 132 originales de pared.

Para el terreno se conserva el coeficiente auxiliar de treinta W/K. Su temperatura de referencia es doce grados, diferente de los cinco exteriores. Esta simplificación no sustituye un modelo detallado de suelo y no utiliza propiedades de GEO-BASE-01.

La temperatura interior del estado mantenido es veinte grados. Los valores no son consignas normativas. El caso pregunta qué intercambio necesitaría el nodo para mantenerse en esa condición bajo sus parámetros, no si esa condición resulta adecuada para toda actividad.

3. Incorporar aire con sus unidades

Adoptamos un caudal exterior de 0,05 m³/s, densidad de 1,2 kg/m³ y calor específico aproximado de 1.000 J/(kg·K). El coeficiente sensible del aire es Hve=ρcpQ=60 W/K.

La comprobación dimensional es importante: m³/s por kg/m³ produce kg/s; multiplicar por J/(kg·K) da W/K. Si el dato estuviera en m³/h, habría que dividir por 3.600. Una confusión de esa conversión puede generar resultados grandes pero aparentemente coherentes al imprimirse con unidades.

El caudal es una entrada ficticia, no una exigencia de ventilación ni el resultado de VEN-RED-01. Se mantendrá separado de infiltraciones o recuperación hasta que se definan esos mecanismos. ARQ-283 ampliará esa distinción.

4. Estado mantenido: calcular cada salida

La transmisión exterior es 108×(20−5)=1.620 W. El terreno recibe 30×(20−12)=240 W. El aire exterior requiere 60×(20−5)=900 W para alcanzar la temperatura del nodo dentro de este balance sensible.

Las salidas suman 2.760 W. Adoptamos quinientos W de ganancias internas y trescientos solares, ambas ya consideradas como aporte al nodo. El sistema debe entregar 2.760−800=1.960 W para mantener la temperatura constante.

Durante ocho horas idénticas, la energía útil sería 1,960×8=15,68 kWh. La expresión «idénticas» es una condición fuerte: si cambian clima, ganancias o estado inicial, no corresponde multiplicar una única potencia. Tampoco esa energía es compra eléctrica sin definir sistema y auxiliares.

Figura 282. Exterior y terreno conservan temperaturas diferentes. El sistema compensa la diferencia entre salidas y ganancias del estado definido.

5. Por qué no se puede agrupar todo con el exterior

Sumar 108+30+60=198 W/K es aritméticamente correcto como suma de coeficientes, pero multiplicarla por quince kelvin daría 2.970 W. Esa cuenta asignaría cinco grados también al terreno. El resultado supera en 210 W las salidas reales del caso.

Puede construirse una temperatura equivalente ponderada para una solución algebraica, pero debe mantenerse claro qué representa. Sin ganancias, el término de bordes es 108×5+60×5+30×12=1.200 W. Dividido por 198, equivale a 6,060606 °C para ese estado y esos coeficientes.

No es una temperatura exterior medida ni una propiedad fija del clima. Cambia cuando cambian coeficientes o condiciones de borde. La equivalencia sirve para resolver el nodo, no para borrar las fuentes que la componen ni para alimentar sin explicación otro modelo climático.

6. Apagar el sistema: aparece almacenamiento

ENE-BAL-LIBRE conserva bordes y ganancias, pero fija Qs=0 y añade capacidad efectiva de 3,6 MJ/K. La temperatura inicial es veinte grados. El equilibrio libre sería (1.200+800)/198=10,101010 °C.

La constante de tiempo es 3.600.000/198≈18.181,818 s, unas 5,050505 horas. Tras una hora, la solución analítica da Ti≈18,221843 °C. No cae instantáneamente al equilibrio ni permanece a veinte porque el balance inicial tenga una pérdida definida.

El almacenamiento disminuye aproximadamente 6,401365 MJ, o 1,778157 kWh. Las ganancias aportan 2,88 MJ durante esa hora. Por tanto, la salida neta por bordes es 9,281365 MJ. La identidad −6,401365=2,88−9,281365 cierra el balance con signos coherentes.

7. No congelar la potencia inicial durante todo el enfriamiento

Al comienzo, la salida neta después de ganancias es 1.960 W. Si la multiplicáramos por una hora para predecir toda la disminución de energía, obtendríamos 1,96 kWh, no los 1,778157 del modelo. La diferencia aparece porque al enfriarse el nodo cambian sus intercambios.

El módulo integra la temperatura a lo largo del intervalo para obtener el flujo acumulado. También puede comprobarse con pasos numéricos cada vez menores, distinguiendo aproximación temporal y error de idealización. Una cuenta más fina no corrige una conductancia o frontera equivocada.

La capacidad elegida no es únicamente la del aire de 360 m³. Es un parámetro efectivo ficticio y requiere evidencia propia si se quiere representar un edificio. No se deduce automáticamente de área de piso ni se toma de PAS-SENO-01 por semejanza temática.

8. Zonas, contactos y espacios adyacentes

Si dos recintos tienen diferentes actividades o consignas, un nodo único puede ocultar su relación. Una ganancia concentrada en una sala no llega necesariamente de inmediato a otra. La zonificación térmica debe relacionarse con distribución, control y horarios, no solo con el número de habitaciones.

Un espacio adyacente no acondicionado necesita su propio estado, como en ARQ-277, o una condición de borde justificada. Asignarle temperatura interior para eliminar pérdidas o exterior para aumentarlas sin fundamento cambia el resultado por decisión oculta.

La arquitectura define muchas de esas fronteras: ubicación de espacios técnicos, envolvente, acceso y comunicación. La especialidad energética necesita recibir geometrías y estados consistentes. El intercambio entre disciplinas no se reduce a enviar un archivo tridimensional sin explicar qué superficies separan qué ámbitos.

9. De una cuenta a un expediente de desempeño

El expediente conserva base geométrica, coeficientes, temperaturas, ganancias, caudal, estado del sistema y condición inicial. Debe distinguir el estado mantenido del libre y señalar que no son dos respuestas al mismo control.

Una revisión independiente puede reconstruir 108 W/K desde las superficies, 60 W/K desde el caudal y 1.960 W desde el balance. Después puede revisar la solución transitoria mediante energía. Estas comprobaciones ayudan a detectar duplicaciones y confusiones de signo antes de aceptar una salida de software.

La ficha pública de ISO 52016-1 contempla necesidades, temperaturas y cargas con alcances diferenciados [ENE-ISO52016]. Nuestro ejercicio no aplica sus métodos completos ni autoriza dimensionamiento. Sirve para construir preguntas y conservar unidades al pasar a sistemas más detallados.

Práctica independiente

Un nodo distinto tiene conductancia exterior 80 W/K hacia 4 °C, conductancia de terreno veinte hacia 10 °C e intercambio de aire treinta hacia el exterior. Se mantiene a 19 °C y recibe 400 W de ganancias. Calcula salidas, potencia útil requerida y energía para seis horas constantes.

Explica el error de sumar todos los coeficientes y multiplicarlos por quince kelvin. Finalmente indica qué dato adicional necesitarías para calcular su temperatura una hora después de apagar el sistema y por qué no puedes reutilizar sin más la capacidad de ENE-BAL-LIBRE.

Autoevaluación y enlace

Puedes cerrar balances mantenidos y transitorios, conservar temperaturas de borde y distinguir potencia de energía. ARQ-283 estudiará cómo modificar el intercambio de aire mediante recuperación sin aplicar ese beneficio a flujos que no pasan por el equipo.

Decisión pedagógica y posición curricular

Por qué existe

Esta clase existe para resolver una necesidad concreta del recorrido: ¿Cómo construir un balance de calor que mantenga superficies, temperaturas de borde, ventilación, ganancias y almacenamiento sin utilizar un único coeficiente para fenómenos que no comparten las mismas condiciones?

Por qué está exactamente aquí

Ocupa el lugar 2 de la Parte 29. Se estudia después de ARQ-281 · Demanda, consumo y servicio energético porque usa esa base para responder «¿Cómo construir un balance de calor que mantenga superficies, temperaturas de borde, ventilación, ganancias y almacenamiento sin utilizar un único coeficiente para fenómenos que no comparten las mismas condiciones?». Se ubica antes de ARQ-283 · Infiltración, ventilación y recuperación de calor porque la evidencia producida aquí debe estar disponible para ese paso.

• Prerrequisitos: ARQ-281, ARQ-276, ARQ-275
• Capacidad que introduce: Recuperamos ENE-BASE-01 de ARQ-276: planta de 120 m², volumen de 360 m³ y coeficiente exterior de 108 W/K. Incorporamos terreno, intercambio de aire y ganancias mediante ENE-BAL-01 . No utilizamos los 120 kWh de ARQ-281 como si fueran resultado previo.
• Clases o experiencias que dependen de ella: ARQ-283, ARQ-284, ARQ-366

flowchart LR
    A["Prerrequisitos · ARQ-281, ARQ-276, ARQ-275"] --> B["ARQ-282 · necesidad y fundamento"]
    S["Fuentes · CLI-ZONE EnergyPlus 24.2: Basis for the Zone and Air System Integration + ENE-ISO52016 ISO 52016-1:2017 — Calculation…"] --> B
    B --> C["Actividad auténtica"]
    C --> D["Evidencia auditable"]
    D --> E["Continuidad · ARQ-283, ARQ-284, ARQ-366"]

El diagrama permite comprobar una relación que el texto lineal oculta con facilidad: esta clase recibe capacidades previas, toma decisiones apoyadas por fuentes, exige una experiencia y produce evidencia que habilita trabajo posterior. No representa un procedimiento de obra.

Resultado observable, evidencia y evaluación

1. Identificar y delimitar las condiciones necesarias para responder la pregunta central de balances de calor y pérdidas de transmisión.
2. Producir y comprobar la evidencia declarada por la clase: Recuperamos ENE-BASE-01 de ARQ-276: planta de 120 m², volumen de 360 m³ y coeficiente exterior de 108 W/K. Incorporamos terreno, intercambio de aire y ganancias mediante ENE-BAL-01 . No utilizamos los 120 kWh de ARQ-281 como si fueran resultado previo.
3. Justificar una decisión de balances de calor y pérdidas de transmisión mediante fuentes, supuestos, alternativas y límites explícitos.

Actividad, evidencia y criterio de aceptación

Actividad: Un nodo distinto tiene conductancia exterior 80 W/K hacia 4 °C, conductancia de terreno veinte hacia 10 °C e intercambio de aire treinta hacia el exterior. Se mantiene a 19 °C y recibe 400 W de ganancias. Calcula salidas, potencia útil requerida y energía para seis horas constantes.

Evidencia mínima: Recuperamos ENE-BASE-01 de ARQ-276: planta de 120 m², volumen de 360 m³ y coeficiente exterior de 108 W/K. Incorporamos terreno, intercambio de aire y ganancias mediante ENE-BAL-01 . No utilizamos los 120 kWh de ARQ-281 como si fueran resultado previo.

Archivo sugerido: evidence/ARQ-282/evidencia.md.

Criterio de aceptación: la entrega se acepta cuando:

• La entrega responde explícitamente a la pregunta: ¿Cómo construir un balance de calor que mantenga superficies, temperaturas de borde, ventilación, ganancias y almacenamiento sin utilizar un único coeficiente para fenómenos que no comparten las mismas condiciones?
• La actividad conserva las fronteras del caso y permite reconstruir el procedimiento: Un nodo distinto tiene conductancia exterior 80 W/K hacia 4 °C, conductancia de terreno veinte hacia 10 °C e intercambio de aire treinta hacia el exterior. Se mantiene a 19 °C y recibe 400 W de ganancias. Calcula salidas, potencia útil requerida y energía para seis horas constantes.
• Cada afirmación externa puede seguirse hasta una fuente, su alcance consultado y su límite.
• La evidencia deja disponible una entrada comprobable para ARQ-283.
• Puedes cerrar balances mantenidos y transitorios, conservar temperaturas de borde y distinguir potencia de energía. ARQ-283 estudiará cómo modificar el intercambio de aire mediante recuperación sin aplicar ese beneficio a flujos que no pasan por el equipo.

La rúbrica común complementa estos criterios; no los reemplaza. Una entrega puede superar un promedio y continuar pendiente si oculta una condición crítica.

Trazabilidad de las decisiones

La tabla permite auditar las relaciones; la explicación, el caso y la práctica de la clase siguen siendo la documentación principal.

Autoevaluación, recuperación y continuidad

Errores diagnósticos

Antes de avanzar, comprueba si puedes reconstruir cada resultado sin mirar la solución, señalar qué evidencia lo sostiene y nombrar una condición que obligaría a revisar tu decisión. Conserva la primera versión, la objeción recibida y la revisión.

Conexión siguiente: La continuidad inmediata es ARQ-283 · Infiltración, ventilación y recuperación de calor; conserva el método y vuelve a verificar datos y límites.

Fuentes y alcance de uso

Los modelos, datos, figuras, prácticas y soluciones son elaboraciones originales. Consulta de fuentes nuevas: 22 de septiembre de 2026. Las referencias heredadas conservan su alcance. No se afirma aplicación íntegra de normas ni ejecución de simuladores externos.

[CLI-ZONE] EnergyPlus 24.2: Basis for the Zone and Air System Integration

EnergyPlus / U.S. Department of Energy. https://bigladdersoftware.com/epx/docs/24-2/engineering-reference/basis-for-the-zone-and-air-system-integration.html

Consulta: Balance sensible, almacenamiento y solución analítica por intervalos. Apoyo: Distinguir flujos, almacenamiento y evolución de temperatura. Límite: Los modelos de uno y dos nodos del curso no implementan el motor EnergyPlus ni validan un edificio.

[ENE-ISO52016] ISO 52016-1:2017 — Calculation procedures for energy needs, temperatures and loads

International Organization for Standardization. https://www.iso.org/standard/65696.html

Consulta: Ficha pública, resumen y alcance; confirmación 2022 indicada en catálogo. Apoyo: Distinguir energía, carga, humedad y zona térmica en procedimientos de desempeño. Límite: No se leyó ni implementó el texto normativo íntegro. No se afirma cumplimiento.

[PHY-HEAT] University Physics Volume 2, 1.6 Mechanisms of Heat Transfer

OpenStax / Rice University. https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-6-mechanisms-of-heat-transfer

Consulta: Capítulo abierto Apoyo: Conducción, convección, radiación y significado de conductividad Límite: Los ejemplos de este programa son originales; sus propiedades numéricas son supuestos didácticos, no datos de producto.