1. INTRODUCCIÓN -...

Capítulo 1. Introducción

Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico

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1. INTRODUCCIÓN

1.1. Diseño bioclimático en edificios

Los edificios relacionados con los servicios representan alrededor de un tercio del consumo total de energía en la Unión Europea. Los edificios residenciales y terciarios han sido identificados como los mayores usuarios finales de la energía, principalmente para la calefacción, la iluminación, los aparatos y los equipos. Numerosos estudios y la experiencia práctica demuestran que existe un gran potencial para el ahorro de energía aquí, probablemente mayor que en cualquier otro sector. Con iniciativas en este ámbito, se puede lograr importantes ahorros de energía, lo que ayudará a alcanzar los objetivos sobre el cambio climático y la seguridad del suministro.

Modificaciones en el comportamiento de las tecnologías ya han dado lugar a un máximo del 50% de reducción en energía en algunos países nórdicos. La arquitectura tradicional muestra como se diseñaron sistemas de refrigeración pasiva que no hacían uso de la energía mecánica para funcionar (por ejemplo, torres de refrigeración, torres de viento, fuentes y cal). Un cambio importante se produjo a inicios del siglo XX, cuando W.H. Carrier inventó la refrigeración mecánica (“chiller”) que se desarrolló en gran escala después de Segunda Guerra Mundial. La tecnología del aire acondicionado y la disponibilidad de energía barata permitieron a los arquitectos e ingenieros de edificios mantener una temperatura confortable en cualquier orientación, nivel de aislamiento, sombreado y masa térmica. Así, en muchas partes del mundo, la refrigeración pasiva y las técnicas de diseño fueron abandonadas hasta que han cobrado renovado interés en el último par de décadas alentado por el asunto de la crisis energética y el medio ambiente. En los últimos años, los científicos europeos, los ingenieros y arquitectos han diseñados con éxito innovadores edificios que utilizan técnicas de enfriamiento pasivo, tales como la ventilación natural. La creativa combinación de estas técnicas es posible y, de hecho, se han aplicado con provecho. Sin embargo, son necesarios un cuidadoso diseño, un cálculo detallado, una atenta ejecución y control automático de la operación para lograr una solución satisfactoria.

Un buen diseño bioclimático puede conseguir ahorros de hasta el 70% para la climatización e iluminación de su hogar. Todo ello con un incremento del coste de construcción no superior al 15 % sobre el coste estándar.

El diseño bioclimático no hace referencia a una arquitectura especial, sino simplemente a aquella que tiene en cuenta la localización del edificio y el microclima en el que se integrará, para adaptar el inmueble al enclave en el que será construido.

Actuando sobre aspectos como el color de los muros o de los tejados, se puede ahorrar energía. Las paredes de color claro reducen la ganancia de calor hasta un 35%. Un tejado color claro comparado con uno oscuro puede reducir la ganancia de calor en un 50 %.

Un edificio mal orientado y con una forma inadecuada puede necesitar más del doble de energía que uno similar bien orientado.



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La forma juega un papel esencial en las pérdidas de calor de un edificio. En líneas generales, se puede afirmar que las estructuras compactas y con formas redondeadas tienen menos pérdidas que las estructuras que tienen numerosos huecos, entrantes y salientes.

La orientación de los muros y ventanas influye decisivamente en las ganancias o pérdidas de calor en un edificio. En zonas frías interesa que los cerramientos de mayor superficie, los acristalamientos y las estancias o habitaciones de mayor uso estén orientados al sur. Y los acristalamientos y superficies orientadas hacia el norte deben ser lo más pequeñas posible.

En zonas muy calurosas, sin embargo, interesa que en las orientaciones con más radiación solar (sur y sureste) se encuentran la menor superficie acristalada posible.

El diseño eficiente de un edificio procurará el máximo aprovechamiento de las energías gratuitas, evitará las pérdidas/ganancias de calor no deseada y optimizará el buen funcionamiento de los equipos.

Actuando sobre la envolvente o piel del edificio se pueden captar, conservar y almacenar recursos energéticos del entorno inmediato. Además, el modo en que se coloquen los diversos huecos y la distribución de las distintas habitaciones podrá facilitar la ventilación natural.

Las ventanas y cristaleras, los invernaderos, los atrios y patios, con una adecuada orientación, permiten que la radiación solar penetre directamente en el espacio a calentar en invierno, lo que producirá un ahorro de calefacción.

En verano la disposición de los elementos de sombreado, como los voladizos, toldos y persianas, porches, etc., también podrán evitar ganancias de calor, reduciendo así la factura del aire acondicionado.

Un modo de evitar las ganancias de calor en verano es el uso de sistemas evaporativos y de rociado de agua. Así, colocar una cortina o lámina de agua en una pared, aumenta la sensación de confort en verano. El calor es absorbido por el agua al evaporarse y la pared se mantiene a una temperatura menor, con el consiguiente efecto refrigerante en el interior de la vivienda.

Los árboles, setos, arbustos y enredaderas, ubicados en lugares adecuados, no sólo aumentan la estética y la calidad ambiental, sino que además proporcionan sombra y protección ante el viento. Por otra parte, el agua que se evapora durante la actividad fotosintética enfría el aire y se puede lograr una pequeña bajada de temperatura, de entre 3 y 6 °C, en las zonas arboladas.

Así mismo, los árboles de hoja caduca ofrecen un excelente grado de protección del sol en verano y permiten que el sol caliente la casa en invierno. Además, si



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rodeamos de vegetación (césped, plantas, ele.) el edificio, en lugar de pavimento de cemento, asfalto o similares, lograremos disminuir la acumulación de calor.

Puede ahorrarse energía en iluminación, a través de diseños que consigan la máxima ganancia de luz, sin sobrecalentamiento indeseado. Recuérdese que la luz natural que entra en la vivienda depende no sólo de la iluminación exterior, sino también de los obstáculos, de la orientación de la fachada, del tamaño de los huecos y espesor de los muros, del tipo de acristalamiento, de los elementos de control solar existentes (persianas, toldos,...), etc. Para optimizar la iluminación natural se precisa una distribución adecuada de las estancias en las distintas orientaciones del edificio, situando, por ejemplo, las habitaciones que se utilicen más durante el día en la fachada sur.

1.2. Ventilación natural en edificios

El papel de la ventilación de los edificios es aceptable para mantener los niveles de oxígeno en el aire y para eliminar los olores, la humedad y los contaminantes interiores. También puede eliminar el exceso de calor por refrigeración directa o mediante el uso de la masa térmica del edificio.

La dirección del viento y su velocidad varían con el tiempo como resultado de la turbulencia del viento y los efectos de la presión de los obstáculos que hacen difícil estimar los coeficientes de presión en el medio urbano y para edificios con forma compleja

Los objetivos de la ventilación como mecanismo bioclimático son varios:

� Cubrir la necesidad de renovación del aire interior.

� Ayudar al confort térmico en períodos de calor.

� Contribuir a la climatización.

Dependiendo de la forma en la que se produzca la ventilación podemos distinguir varios tipos:

Ventilación natural: La ventilación natural es la generada de forma espontánea mediante corrientes de aire producidas por el viento al circular por los huecos existentes en el cerramiento de los edilicios. Para que la ventilación natural sea lo más eficaz posible las aperturas de huecos deberían localizarse en fachadas opuestas transversales a la dirección del viento dominante. Es un mecanismo utilizado en climas cálidos para eliminar el exceso de calor de los espacios interiores.

La ventilación, sin embargo debe realizarse de una manera controlada para que la pérdida de calor que produce sea admisible con la sensación de confort. Las juntas de



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las aperturas de muros para ventilar también deben ser tratadas para evitar las infiltraciones de aire sobre todo en momentos de mucho viento.

Ventilación forzada: La ventilación convectiva o forzada se basa en las diferencias de temperatura de las masas de aire. El aire caliente tiende a ascender y sustituye al aire frío generando corrientes de aire. Estas corrientes pueden ser provocadas mediante la apertura de huecos en la parte superior del edificio de manera que el aire caliente pueda salir al exterior. Esta salida puede ser potenciada mediante un calentamiento suplementario de la masa de aire. Este mecanismo de ventilación es el principio de funcionamiento de las chimeneas solares.

Figura 1.1

El aire de renovación debe ser de menor temperatura por lo que debe proceder de un lugar fresco por ejemplo de un patio, un sótano o mediante tubos enterrados aprovechando la inercia del suelo. Es necesario establecer un mecanismo de control de la renovación de aire para que ésta no llegue a producir una sensación de disconfort.

Una ejemplo de solución constructiva donde se pueden aprovechar los beneficios de la ventilación por convección es la denominada fachada ventilada, conformada por una lámina exterior separada del muro mediante una cámara de aire abierta en sus extremos lo que genera una corriente de aire convectiva que contribuye al enfriamiento y al aislamiento interior.

La solución constructiva en la que se va a centrar este proyecto y que va a ser analizada detalladamente es el tiro térmico.

1.2.1. Criterios de rendimiento

Son los criterios de rendimiento relacionados con los objetivos de la ventilación: El control de la calidad del aire y el confort térmico.

Los criterios para el control de la calidad del aire se definen en términos de los tipos mínimos de ventilación o por la restricción de la concentración de contaminantes a niveles aceptables [por ejemplo, ASHRAE Standard 62 (ASHRAE, 1999)]. El diseño de una tasa mínima de ventilación es sencillo, mientras que el diseño de limitar la



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concentración de contaminantes en el aire es mucho más difícil. En consecuencia, la mayoría de las veces la tasa mínima de ventilación es el enfoque adoptado en el diseño de la ventilación natural y de los sistemas de ventilación mecánica, aunque el mínimo recomendado de las tasas de ventilación se han modificado muchas veces.

Los criterios para el confort térmico en edificios con ventilación natural y aire acondicionado son diferentes. Cada vez es más evidente que las personas tienen más posibilidades de adaptarse a las variaciones estacionales, cuando se les da la oportunidad de controlar el sombreado solar y velocidad del aire, lo que permite mayor rango de variación de la temperatura del aire en la ventilación natural cuando se utiliza. Este rango aumenta cuando la ventilación natural o híbrida se utiliza para el enfriamiento, en la noche, de la masa térmica de la construcción ya que la temperatura media radiante de las superficies de la pared caerá por debajo de la temperatura del aire interior. Los beneficios de la velocidad del aire y la temperatura radiante pueden ser calculados utilizando un índice de confort térmico igual a la media ponderada de la temperatura media radiante en la sala, Tmr y la temperatura del aire de la habitación, Ta (CIBSE):

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1 10mr a

c

T T uT

u

+=

+ (Ec. 1.1)

Donde Tc (° C) es la temperatura de confort, Tmr (° C) es la temperatura media radiante, Ta es la temperatura del aire de la habitación y u (m/s) es la velocidad del aire.

Para velocidades de aire bajas, del orden de u ≈ 0,1 m / s, la temperatura resultante es aproximadamente el promedio de la temperatura media radiante y la temperatura del aire de la habitación, Tc = (0,5 Tmr + 0,5 Ta). En velocidades de aire relativamente altas, u = 2 m / s, cerca de la parte superior del límite aceptable en edificios de oficinas, la media ponderada tiende a ser dominada por la temperatura del aire la habitación, Te = (0,2 Tmr + 0,8 Ta), reduciéndose el impacto de la radiación.

Cuando se aplican estrategias de refrigeración para la noche, la ventilación natural durante el día, normalmente, limita la tarifa mínima necesaria para el control de la calidad del aire para evitar el sobrecalentamiento del edificio, y, mediante la reducción de la velocidad del aire, el impacto radiante será aprovechado al máximo, como es deseable. Cuando la ventilación natural se utiliza para la refrigeración, el límite superior del confort térmico de la zona puede ser superado de vez en cuando debido a las variaciones estocásticas de las fuerzas motrices naturales. Por lo tanto, además de una buena definición del confort térmico de la zona, se necesita un criterio para limitar el sobrecalentamiento. El Manual de Diseño Ambiental BRE (Petherbridge 1988) pone límites a la media, a la desviación típica de verano y a las temperaturas del aire interior de 23 ± 2 ° C para edificios de oficinas “formal offices” y 25 ± 2 ° C para las “informal offices”. En los Países Bajos, la temperatura seca resultante no debe ser mayor de 25 ° C durante más del 5% de las horas de trabajo y 28 ° C durante más de 1% de las horas de trabajo. Sin embargo, estos y otros valores absolutos no cuantifican el grado de exceso de calefacción. Una norma que se utiliza en Zurich, Suiza (Irving y



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Uys, 1997) consiste en la estimación del comportamiento adaptativo, mediante el empleo de un límite máximo de confort térmico que varía con la temperatura del aire exterior, y de las variaciones estocásticas, considerando la integración de las horas-grado estimadas de recalentamiento calculado como la diferencia entre la temperatura del aire interior y confort límite superior.

1.2.2. Física de la ventilación natural

El flujo de aire se describe matemáticamente por un conjunto de ecuaciones diferenciales de masa, de momento y la conservación de la energía. La solución de este complejo conjunto de ecuaciones diferenciales es, en efecto, un formidable problema.

Una solución general de estas ecuaciones todavía no se ha encontrado y la solución numérica para un sistema arbitrario tridimensional requiere el uso de un superordenador.

1.2.2.1. Descripción del régimen turbulento

El flujo turbulento es uno de los problemas sin resolver de la física clásica. A pesar de más de 100 años de investigación, todavía se carece de un completo entendimiento del flujo turbulento. No obstante, el principio físico de las características de los flujos turbulentos, en especial en sus aplicaciones en la ingeniería, están bien determinado.

La distorsión del flujo turbulento presenta un patrón de gran complejidad. El flujo se dice que contiene remolinos que durante un tiempo conservan su identidad con la deriva de la corriente, pero que finalmente, se rompen en pequeños remolinos. El campo de velocidades de un flujo turbulento puede ser considerado como la superposición de una larga serie de remolinos de diversos tamaños, la mayor parte de las cuales están limitados por la dimensión transversal de la corriente y los más pequeños son los que desaparecen rápidamente por causa de las fuerzas viscosas.

Los análisis matemáticos del flujo viscoso laminar muestran que las perturbaciones infinitesimales de la circulación pueden crecer exponencialmente con el tiempo cada vez que el número de Reynolds es lo suficientemente grande. En estas condiciones, el flujo es inestable y no puede permanecer constante, porque siempre hay algunas perturbaciones en la corriente que puede crecer espontáneamente. Estas perturbaciones crecen para formar remolinos. El tamaño de los remolinos es comparable a la dimensión transversal de la corriente. La magnitud de la velocidad suele ser aproximadamente un 10% el promedio de velocidad de flujo. Estos grandes remolinos son inestables, los remolinos más pequeños son reemplazados por nuevos remolinos que se están generando continuamente.

La generación y la disolución de remolinos proporcionan un mecanismo para la conversión de la energía media del flujo en energía de disipación viscosa de las moléculas de los remolinos más pequeños. En comparación con un flujo laminar del



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mismo Número de Reynolds, un flujo turbulento es como un cortocircuito en la corriente de flujo, en la cual aumenta la velocidad a la que la energía se pierde. Como consecuencia, un flujo turbulento produce mayor arrastre fuerzas y pérdida de carga de presión que un flujo laminar, en las mismas condiciones de flujo.

Cuando la inestabilidad de la corriente no es elevada, y es más parecida a una pequeña perturbación de la media de la corriente, el campo de velocidades se puede expresar como la suma de un valor medio, obtenido por un promedio de la velocidad en el tiempo y un componente variable. La energía cinética turbulenta, que es una medida de la cantidad de energía cinética que se ha invertido en el movimiento turbulento de la corriente, asciende, en general, a sólo un pequeño tanto por ciento de la energía cinética promedio del flujo. Aun así, el campo de velocidades produce una rotura en la corriente más grande que la que existiría si el flujo fuese laminar. Los remolinos mayores contribuyen más a la energía turbulenta y los más pequeños contribuyen más a la disipación de energía.

1.2.2.2. Flujo a través de las aberturas

El flujo de aire a través de una abertura se deriva de la ecuación de Navier-Stokes. Su resolución suponiendo estado estacionario, flujo desarrollado y la caída de presión para un flujo infinito entre placas paralelas o de una corriente que inciden en un agujero, orificio o boquilla aporta la siguiente expresión:

( )

2

2

0.5

d

QP

C A

ρ⋅ ⋅∆ =

⋅ (Ec. 1.2)

Donde ∆P es la diferencia de presión a través de la apertura (Pa), ρ es la densidad del aire (kg/m3), Q es el caudal medio de aire (m3 / s), Cd es el coeficiente de descarga, un número sin dimensiones que depende de la geometría de la apertura y del número de Reynolds, y la A es la sección transversal de la apertura (m2).

Las aberturas en el edificio son poco uniformes en la geometría y, en general, el flujo no está totalmente desarrollado. El flujo puede ser descrito por la ecuación (1.2), donde A es un área equivalente y Cp depende de la apertura de la geometría y la diferencia de presión. Por otra parte, se puede utilizar una ley empírica como la siguiente:

( )1nQ

pc

∆ = (Ec. 1.3)

Donde el coeficiente de flujo c [m3 / (s Pan)] y el flujo exponente adimensional del flujo n se determina experimentalmente y no tienen un significado físico. Para flujo laminar, n = 1, para el flujo turbulento n = 0,5 y para el flujo de transición n está entre



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0,6 y 0,7. Una ley empírica similar puede ser utilizada también para las rejillas de auto-regulación (“self-regulating”) de ventilación. Estas rejillas de auto-regulación son reguladas mediante la presión de entrada y proporcionan un caudal de aire relativamente constante en un determinado rango de presión. La baja dependencia del flujo con la presión puede ser modelada con un pequeño valor de la exponente n, por ejemplo, n = 0,1. Una rejilla normal en la apertura de un edificio puede ofrecer el mismo tipo de flujo de aire a una presión de diseño de 12 Pa pero tendría un comportamiento diferente, y se modela con el exponente n = 0,5.

Figura 2: Ley de comportamiento de una rejilla normal y una rejilla de autorregulación

1.2.2.3. La presión del viento

La presión media del viento sobre una superficie viene dado por

2

2p

w

C vp

ρ⋅ ⋅= (Ec. 1.4)

Donde Cp, es el coeficiente de presión y v (m/s) la velocidad media del viento en un nivel determinado, comúnmente a la altura habitual de construcción de las aperturas. El coeficiente de presión, Cp se suelen medir en túneles de viento o calcular utilizando los métodos CFD (Computacional Fluid Dynamics). Este coeficiente puede ser positivo o negativo dependiendo de la forma y la ubicación de la construcción. Según Walker y Wilson (1994), por un edificio con forma de paralelípedo y aislado esta variación es:



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Coeficientes de presión del viento Planta

Cp(0º) Cp(90º) Cp(180º) Cp(270º)

6 0.70 -058 -0.36 -0.58

5 0.70 -0.58 -0.36 -0.58

4 0.72 -0.55 -0.35 -0.55

3 0.58 -0.48 -0.34 -0.48

2 0.41 -0.38 -0.29 -0.38

1 0.44 -0.17 -0.28 -0.17

Tabla 1.1: Ejemplo de valores de coeficientes de presión para una edificio rectangular.

En un entorno urbano, a pesar de que los remolinos y las turbulencias son importantes, la media de la velocidad del viento se reduce significativamente, en aproximadamente un orden de magnitud. Como resultado de ello, la presión inducida por el viento sobre la superficie de un edificio es también reducido. Con el fin de tener una idea aproximada de la cuantía de esta reducción, se considera el caso de un edificio con una altura de 20 metros y una anchura mucho menor, expuesta a un viento perpendicular con una velocidad de referencia de 4 m/s incidiendo 10 m sobre el edificio. La diferencia de presión entre las dos fachadas opuestas está entre 10-15 Pa, en el caso de un edificio aislado o expuestos y de cero para un edificio situado en un denso entorno urbano.

1.3. Chimeneas solares y tiro térmico

1.3.1. Chimeneas solares y su aplicación en la ventilación

La chimenea solar es un elemento que originalmente se ideó para un uso industrial para la generación de energía eléctrica. En su forma más sencilla, consiste en una chimenea pintada de negro. Durante el día, la energía solar calienta la chimenea, que a su vez calienta el aire que hay dentro de ella, creando una corriente de aire ascendente dentro de la chimenea (o torre). La succión que ésta crea en la base de la torre se puede utilizar para ventilar y enfriar el edificio subyacente. En la mayor parte del mundo, es más fácil aprovechar la energía del viento para producir una ventilación de este tipo, pero en días cálidos y sin viento la chimenea podría proporcionar ventilación cuando no es posible producirla de otra forma. Este principio también se ha propuesto para la generación de la energía eléctrica, usando un gran invernadero en la parte inferior de la chimenea.



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El principal problema de esta propuesta es la diferencia relativamente pequeña entre la temperatura más alta y más baja del sistema. El teorema de Carnot restringe enormemente la eficacia de la conversión en estas circunstancias.

En 1903, el coronel español Isidoro Cabanyes diseñó la primera torre solar en la publicación La energía eléctrica. Uno de los primeros diseños de una central eléctrica basada en la torre solar fue creado en 1931 por un autor alemán, Hanns Günther. A principios de 1975, Roberto E. Lucier solicitó las patentes de la torre solar; entre 1978 y 1981 estas patentes, fueron concedidas en los Estados Unidos, Canadá, Australia e Israel.

Más recientemente con Schlaich, Bergerman & Partner, bajo la dirección del Prof. Ing. Dr. alemán Jörg Schlaich, se construyó un modelo de trabajo a pequeña escala de una torre solar en 1982 en Manzanares, (España), a 150 kilómetros del sur de Madrid, que fue financiada completamente por el gobierno alemán. Esta central eléctrica funcionó satisfactoriamente durante aproximadamente 8 años y fue derribada por una tormenta en 1989. La torre tenía un diámetro de 10 metros y una altura de 195 metros, con un área de captación (invernadero) de 46.000 m² que conseguía una producción máxima de energía de cerca de 50 kilovatios.

La máxima potencia eléctrica que puede desarrollar el diseño es de hasta 200 MW. La chimenea solar propuesta inicialmente debía medir 1 kilómetro de alto, y la base 7 kilómetros de diámetro, con una superficie de 38 km². La chimenea solar extraería así cerca del 0.5% de la energía solar (1 de kW/m²) que fuese irradiada en el área cubierta. Sin embargo, los informes actuales indican que debido a las mejoras en los materiales para la absorción de calor que pueden ser utilizados en el invernadero, la altura de la chimenea y el diámetro de la base podrían verse reducido sustancialmente para incrementar así la eficiencia.

En este proyecto fin de carrera las chimeneas se van a restringir al marco de la ventilación en la edificación. De esta manera la chimenea es una solución constructiva que se integra en la edificación, unida a uno o varios recintos a través de una o varias aberturas y que mueve el aire contenido en el recinto o local. Dimensionalmente presenta una mayor longitud en su altura respecto a las otras dimensiones estando su altura comprendida entre los 3 y los 10 metros en aplicaciones para la edificación y el área de la sección transversal está normalmente comprendida entre los 0.3 y los 2 m2.

El principio de funcionamiento de una chimenea solar es la convección natural provocada por la diferencia de densidades, que a su vez es una consecuencia de la diferencia de temperatura que aparece a lo largo del volumen de aire que circula por la chimenea apareciendo, de este modo, lo que se conoce como un tiro térmico. Por tanto el motor del movimiento es directamente proporcional a la diferencia de densidades del aire, a la diferencia de altura en la que se da esta diferencia de densidad y a la gravedad.

La diferencia entre la denominación de chimenea solar y la de tiro térmico estriba únicamente en que el tiro térmico se refiere al efecto de convección natural que



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tiene lugar en la chimenea y engloba los casos en los que el origen del movimiento están originados por el calentamiento del sol y los casos en los que el movimiento está provocado por el enfriamiento del aire.

Así, en la edificación además de utilizarse chimeneas en las que se provoca el calentamiento de una determinada masa de aire contenida en el volumen de misma, también se utilizan tiros térmicos en los que se provoca un enfriamiento de una determinada masa de aire produciéndose así un sentido de circulación del aire opuesto al caso anterior. En este caso sería absurdo hablar de chimenea solar, ya que no sería posible conseguir el enfriamiento por medio de la acción del sol. Por tanto en el ámbito de la edificación se prefiere hablar utilizando el término de tiro térmico, que es el que se va adoptar a partir de este punto en la redacción del presente proyecto junto al término chimenea que se referirá sobretodo a la estructura material del tiro.

Así, los dos tipos de tiro térmico que se utilizan en el ámbito de la edificación se describen a continuación:

Tiro térmico directo: En este sistema se produce un calentamiento en una determinada masa de aire que eleva su temperatura por encima de la temperatura media del volumen de aire de la chimenea produciéndose una disminución en la densidad de dicha masa de aire, la cual tienda a circular hacia la parte superior de la chimenea, ya que pesa menos que el aire que está más frío, el cual al pesar más tiende a circular a la parte inferior de la chimenea. Si el incremento de la temperatura es provocado por la acción del sol el sistema recibe el nombre de chimenea solar.

De este modo con el tiro térmico directo se consigue extraer aire del recinto o recintos a los que está conectado mediante una generación positiva de calor en una porción del aire del tiro térmico.

Figura 1.3: Ejemplo de uso del tiro térmico en la edificación.



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Tiro térmico invertido: En este sistema se produce un enfriamiento en una determinada masa de aire que disminuye su temperatura por debajo de la temperatura media del volumen de aire de la chimenea, produciéndose un aumento en la densidad de dicha masa de aire, la cual tienda a circular hacia la parte inferior de la chimenea, ya que pesa más que el aire que está más caliente, el cual al pesar menos tiende a circular a la parte superior de la chimenea. De este modo con el tiro térmico inverso se consigue impulsar aire al recinto o recintos a los que está conectado.

El enfriamiento del aire necesario para provocar la circulación del aire en el sentido deseado se realiza mediante un enfriamiento evaporativo que se practica directamente en el seno del aire. Este enfriamiento evaporativo se lleva a cabo mediante unos pulverizadores instalados en el interior de la chimenea en la posición en la que interese producir la disminución de la temperatura. Este pulverizador tiene que estar diseñado de tal manera que suministre gotas de agua con un diámetro menor que aquel diámetro crítico que hace que el agua se evapore; De esta manera se consigue que disminuya la entalpía total del aire ya que esta es cedida al agua pulverizada. Por tanto, se provoca una generación negativa de calor, es decir, un enfriamiento en el seno de la porción de la masa de aire del tiro térmico. Obviamente el comportamiento de este sistema depende drásticamente del funcionamiento adecuado de los pulverizadores.

Por último, comentar que el tiro térmico se considera un sistema híbrido de ventilación pues suele ir acompañada en su parte superior de un sistema de ventilación mecánica que asegura la posible impulsión o extracción del aire según interese en los instantes más desfavorables de viento y presión. Estos sistemas mecánicos suelen ser extractores que se sitúan en las aberturas de extracción del aire, los Windcatcher que se sitúan en la entrada del tiro térmico para ayudar a la impulsión del flujo de aire en caso de necesidad y los ventiladores de apoyo (co-axial fans).

Esto es debido a que en el exterior del edificio se pueden producir condiciones de velocidad del viento exterior que anulen el efecto del tiro térmico. Esto hace que los órdenes de magnitud de la velocidad en la convección libre sean uno o dos órdenes de magnitud menores que en convección forzada.

Los Windcatcher son sistemas de captura e impulsión de aire y son utilizados como mejora de los sistemas de ventilación con la intención de reducir o eliminar la necesidad de un ventilador mecánico, con el consiguiente aumento de potencial de ahorro de energía y la ampliación de las posibilidades de flujo de aire en general, dado que la velocidad del aire exterior no es constante a lo largo de las horas de operación. Una configuración óptima consistiría en aprovechar la presión del viento positiva cuando esté disponible y reducir al mínimo la resistencia del flujo de aire en el ventilador de la torre. Por ello los Windcatcher están equipados con un sistema de capturas de aire que básicamente consiste en un mecanismo que permite diferentes configuraciones de las aberturas y de los deflectores. Así el flujo de aire en la torre, es decir, el que sale del Windcatcher hacia la torre depende de la velocidad del viento exterior y del ángulo de ataque en la entrada. La captura del viento se define con una eficiencia ε calculada como el cociente entre la velocidad del flujo de aire que es expulsado del Windcatcher hacia la torre v⊥ y la velocidad de flujo del viento exterior



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refv suponiendo que incide con una componente normal a la apertura de entrada del

Windcatcher.

Figura 1.4: Aspecto de un Windcatcher.

En la siguiente figura se puede observar le eficiencia definida y la velocidad del flujo de aire impulsado en función de los diferentes tipos de Windcatcher.

Figura 1.5: Eficiencia del Windcatcher en función de la velocidad del flujo de aire y de la configuración.

Todas presentan una estructura simétrica ya que esto aumenta la eficiencia de captación si las aberturas están orientadas según las direcciones en la cuales suele soplar más el viento en los meses de verano e invierno. Los tres primeros diseños emplean unos balanceadores móviles de captura (“swinging lowers”) de diferentes tamaños instalados en cada una de las aberturas. Las configuraciones 4 y 5 emplean deflectores fijos (“fixed deflectors”) que cambian la dirección del viento hacia la torre. Los modelos 6 y 7 cuentan con un panel central adicional en combinación con los deflectores fijos en la unidad de captura de aire. Los Windcatcher de más usuales son los modelos 4 y 5.

Los sistemas de chimeneas están disponibles comercialmente en el Reino Unido desde hace más de un siglo (Axley, 2001), aunque estos sistemas, hasta hace poco, estaban diseñados para habitaciones individuales en lugar de edificios en su conjunto.



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Los sistemas de ventilación natural Windcatcher distribuidos por Monodraught Limited en el Reino Unido ofrecen tasas de renovación de aire altas como, por ejemplo, 5 renovaciones de aire por hora bajo las condiciones de velocidad del viento relativamente baja (3 m/s) medido 10 m por encima del edificio. Estos sistemas también pueden emplear para impulsar aires otros elementos de ventilación como son los co-axial fans (Ventiladores de apoyo) que son capaces de proporcionar asistencia mecánica durante condiciones climáticas extremas. En condiciones de frío, es posible lograr la ventilación de aire y la recuperación del calor con un esquema “topdown” mediante el uso de un co-axial fans para la impulsión.

1.3.2. Efecto flotación del Tiro térmico

La diferencia de presión entre dos puntos separados en dirección vertical por la distancia z = z2 – z1 es:

2 1 2 2 1 1p p gz gzρ ρ− = − (Ec. 1.5)

La densidad del aire depende de la temperatura a partir de la ley para gas ideal, p = ρ R T, tenemos:

0 0

0

T p

p T

ρρ = ⋅ (Ec. 1.6)

Donde el subíndice 0 designa condiciones normales de aire seco (p0 = 1,2929

3kgm

, T0 = 273,15 K, p0 = 101,3 25 Pa).

Dado que las diferencias de presión en los sistemas de ventilación son de tres a cuatro órdenes de magnitud inferior a p0, la variación de la densidad con la temperatura se puede expresar escrito como:

[ ]

[ ] [ ]

3

30 0

1.299 273.15 352.6kg kg KK

mT m

T T K T K

ρρ

⋅ ⋅ = = = (Ec. 1.7)

Para un aumento de la temperatura con la altura, hay una correspondiente disminución en la presión. La diferencia de presión que origina el tiro térmico entre dos puntos separados por una distancia vertical ∆ z, también llamada “stack pressure”, ps, es la siguiente:



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( )2 1 2 1 0 02 1

1 1sp p p g z T g z

T Tρ ρ ρ ≡ − = − ⋅∆ = − ⋅∆

(Ec. 1.8)

Donde T0 es la temperatura en un punto de referencia.

1.4. Método del Bucle de Presiones

Los criterios de rendimiento para la ventilación pueden ser formuladas en términos de tasas de ventilación, de la calidad del aire o del confort térmico. La mayoría de las veces, las tasas de ventilación se utilizan en la práctica del diseño del sistema de ventilación. Para este caso, Axley propuso un método basado en las caídas de presión a lo largo de los bucles que sigue el flujo de ventilación en su camino desde la entrada hasta la salida volviendo de nuevo a la entrada (Axley, 1998, 2000). El método del bucle de presiones permite dimensionar directamente los componentes del flujo de aire, teniendo en cuenta los fenómenos de flotabilidad y del viento y su combinación, y puede aplicarse a los edificios definidos según un modelo multizona ideal. Este enfoque puede utilizar representaciones estadísticas de las condiciones ambientales para tener en cuenta las condiciones climáticas locales.

Figura 1.6: Ejemplo explicativo del bucle de presiones

El método de diseño de bucle es un procedimiento sistemático. Para explicar el procedimiento se muestran a título de ejemplo inspirado en el edificio Inland Revenue Building (Figura 1.6).

1. Diseñar los bucles del flujo de ventilación que se consideran, es decir, los nodos entre los que circula el flujo y la conectividad entre los nodos identificando los elementos de ventilación que aparezcan en la sección de un edificio como el del dibujo (Figura 1.6).

2. Para cada bucle del flujo, identificar un nodo de la presión ambiente y la presión de los nodos en las entradas y salidas de cada elemento de ventilación (ventanas, rejillas, puertas…) (Figura 1.6).

3. Establecer las condiciones de diseño: En los nodos del exterior definir los coeficientes del viento a partir de la temperatura de diseño exterior, de la



18

velocidad y dirección del viento, la temperatura interior deseada y evaluar las condiciones ambientales y de densidades del aire interior. A los efectos de este ejemplo, unas condiciones representativas para un día de verano pueden ser una velocidad del viento vref = 4 m/s, un aire exterior a una temperatura T0 = 20°C y la temperatura del aire en los espacios interiores de T3 = 25°C. Aplicando la ecuación 1.7, la densidad de aire correspondiente será ρ0 = 1,2028 kg/m

3 y ρ3 = 1,1826 kg/m3.

4. Establecer el caudal de ventilación de diseño para cada tipo de entrada aplicando continuidad. A los efectos de este ejemplo, el objetivo del diseño consiste en proporcionar un caudal de ventilación de 5 ACH (por ejemplo, sobre la base de un análisis térmico para mantener la temperatura del aire en los espacios en T3 = 25 ° C). Para un volumen de la sala de 800 m3, entonces necesitamos un caudal de ventilación de la sala de 5 x 800 m3/h, o de 1,10 m3/s. Para mantener una distribución uniforme del suministro de aire, sería razonable impulsar la mitad de este flujo a través de la mitad izquierda del volumen y la otra mitad del flujo de entrada de aire a través del lado derecho del volumen. En consecuencia, el caudal de flujo volumétrico a través de la rejilla de auto-regulación de entrada “e” tendría que ser Qe = 0,55 m

3/s, mientras que a través de la chimenea “g” tendría que ser Qg = 1,10 m

3/s.

5. Los cambios de presión debido a las resistencias que introducen los componentes de ventilación se expresa en términos de los coeficientes característicos de diseño de los componentes. Es útil para mantener la carga de presión que induce la chimenea y la contribución de la presión del viento separadas a fin de que con viento y sin viento los casos puede ser mejor evaluados.

e g s wp p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ (Ec. 1.9)

Para el presente ejemplo:

( ) ( )

( ) ( )

0 3 2

22

2 3

14 20

1.2028 1.1826 9.8 3.5 0.69

1.2028 40.3 0.5 7.70

2 2

s i

ref

w p p

kg mp g z m Pa

m s

kg mv sm

p C C Pa

ρ ρ

ρ− −

∆ = − ∆ = − =

⋅ ∆ − = + =

Aquí se va a considerar la rejilla de entrada de auto-regulación modelada con un exponente n=0,1, (Ec. 1.3)

( )1

3 0,11

1 100,1

0,55 0.02533ne

ee e

e

msQ

pc cc

∆ = = =



19

Y la chimenea se define mediante la ecuación clásica para orificios (Ec.1.2):

( )( )32 3

2 2 2 2 2

1.1826 1.10 1.9874

2 2 0.6g

g

d g g g

kg mQ sm

pC A A A

ρ∆ = = =

⋅ ⋅

Sustituyendo estos resultados en la ecuación 1.9:

10 2

0.69 sin0.02533 1.9874

0.69 7.70e g

Pa viento

Pa con vientoc A

+ = +

6. Determinar el mínimo tamaño posible de los componentes de la ventilación evaluando los límites asintóticos de cada uno de los componentes en función de su parámetro característico correspondiente:

10 2 10

10 2 2

0.69 sin0.02533 1.9874 0.02533lim

0.69 7.70

0.72 sin

0.56

0.69 sin0.02533 1.9874 1.9874lim

0.69 7.70

g

g

Ae g e

e

Ae g g

Pa viento

Pa con vientoc A c

or

vientoc

con viento

Pa viento

Pa con viec A A

→∞

→∞

+ = ≤ +

≥

+ = ≤ +

2

2

1.70 sin

0.49g

nto

m vientoA

m con viento

≥

Así, el diseñador puede llegar a la conclusión de que la apertura de escape de la chimenea debe ser mayor que 1,70 m2 para el caso sin viento y que 0,49 m2 para el caso con el viento.

7. Desarrollar y aplicar un número suficiente de reglas técnicas de diseño o limitaciones para transformar los problemas indeterminados y convertir las ecuaciones que proporciona el método del bucle de presiones en un sistema de ecuaciones determinado. Por ejemplo, asumamos que una rejilla de extracción tiene una apertura máxima de 0,50 m2. Cuatro de estos terminales pueden ser utilizados para proporcionar la apertura máxima total de Ag = 2 m

2 > 1,70 m2 para el caso sin viento. La sustitución de esta limitación de diseño en las ecuaciones, determina el tamaño de la rejilla de entrada para el caso sin viento:



20

10 2 10 2

3

0.1

0.02533 1.9874 0.02533 1.98740.69

2

:

0.82

e g e

e

Pac A c

o

mc

s Pa

+ = + =

=⋅

El valor del parámetro característico de la rejilla de auto-regulación puede ser determinado a partir de la literatura.

8. Desarrollar una estrategia operacional para satisfacer el caudal de ventilación para las variaciones en las condiciones de diseño (por ejemplo, para los casos con y sin viento). En este caso es razonable reducir la apertura de extracción para el caso con viento manteniendo las mismas condiciones en las rejillas de auto-regulación en la entrada. Esta estrategia operacional se utiliza en el edificio de Inland Revenue Building, donde las aberturas de salida están ajustados durante el día a las condiciones de viento reinantes. Para determinar la apertura de salida en el caso de viento, una vez más, simplemente se sustituye en la ecuación del bucle, ahora utilizando ce = 0.82 m

3 / (s P0.1):

( )10 2 10 2

2

0.02533 1.9874 0.02533 1.98740.69 7.70

0.82

:

0.49

e g g

g

Pac A A

obteniendo

A m

+ = + = +

=

Por lo tanto, una posible solución de diseño final sería si la apertura total de la chimenea fuera diseñada para ser regulable de 0,49 a 2,0 m2 para una rejilla de auto-regulación ce = 0.82 m

3/(s Pa0.1). En este punto, el diseñador puede entonces pasar a la tarea de dimensionamiento de los componentes en las plantas restantes. (Axley, 1999).

1.5. Estrategias de ventilación natural

Las fuerzas impulsoras de la ventilación natural pueden ser utilizadas para las diferentes estrategias de ventilación:

� Ventilación inducida en una sola cara por la acción del viento.

� ventilación cruzada por la acción del viento.

� Presión debida a las fuerzas de flotabilidad del tiro térmico.

Cuando la ventilación es necesaria para habitaciones individuales, ventilación “single side”, la ventilación natural puede ser la única opción disponible. Los sistemas



21

de ventilación cruzada proporcionan ventilación a un piso de un edificio y dependen de la forma de construcción y del medio ambiente urbano. Las chimeneas de ventilación proporcionan ventilación a la construcción en su conjunto, y dependen de la forma de la construcción y del diseño interior.

Las combinaciones de todas estas estrategias es la manera de contar con todas las ventajas de cada una de ellas.

1.5.1. Ventilación inducida por la acción del viento en un lado de la fachada del recinto

La ventilación natural, mediante la apertura de una ventana, permite que el flujo de aire entre en una habitación cerrada. El flujo de aire a través de la apertura se debe a las fuerzas del viento y de flotabilidad. El viento tiene una componente media y una componente de fluctuación que puede variar a lo largo de la apertura y producir un efecto de bombeo. Cuando la temperatura en el interior es más alta que la exterior, la flotabilidad hace que el aire frío entre en la parte inferior y el aire caliente en la parte superior de la apertura. Un modelo empírico de este fenómeno complejo es el siguiente (de Gidds and Phaff, 1982):

( )0.51 2 3eff rv c v c H T c= + ⋅∆ + (Ec. 1.10)

Donde c1 (c1 ≈ 0,001) es un coeficiente adimensional en función de la apertura de la ventana, c2 y c3 (c2 ≈ 0,0035, c3 = 0,01) son las constantes de flotabilidad y del viento, respectivamente, vr (m / s) es la velocidad media del viento, H (m) es la altura de la apertura y T (K) es la diferencia media de temperatura entre el interior y el exterior. El flujo a través de la apertura es:

0.5 w effQ A v= ⋅ ⋅ (Ec. 1.11)

Donde Aw es el área efectiva de la ventana abierta. Las recomendaciones cuando sólo hay en un lado una ventana de ventilación de la zona es elegir una superficie 1/20 del área total de la planta, una altura de alrededor de 1,5 m y un máximo de profundidad de la sala de 2,5 veces la altura de techos.

Se va a considerar la posibilidad de una típica oficina con altura h = 2,75 m, una ventana de altura h = 1,5 m y un área de ventana = de 1/20 veces el área de la planta, Aw = A/20. El volumen de esta sala es V= w h l = 2.5 h A. El flujo a través de la apertura sería Q = 0.5 A veff. Expresando esta corriente en renovaciones de aire por hora, se obtiene:

3600 3600 0.50.5

2.5 20w eff effACH A v vV h

= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅⋅

(Ec. 1.12)



22

Cuando la diferencia entre la temperatura interior y exterior es baja, o cuando la velocidad del viento es baja, el caudal del flujo de aire es bajo. La ventilación a una cara es una solución que no es muy efectiva para el enfriamiento por ventilación durante los períodos de verano.

Figura 1.7: Ventilación con aberturas en un lado de la fachada.

1.5.2. Ventilación cruzada inducida por el viento

El flujo de viento en un edificio tiende a inducir de manera positiva (hacia adentro) las presiones sobre la superficie expuesta y de manera negativa en la superficie no expuesta (hacia el exterior) con lo que la creación de una red de diferencia de presión a través de la sección del edificio induce una seria de corrientes de aire de ventilación cruzada. La ventilación cruzada se produce cuando el aire entra en el edificio por un lado, se extiende por el interior del recinto y sale del edificio por el otro lado. (Figure 1.8)

Figura 1.8: Ventilación cruzada.

Donde la presión positiva ∆pww de la fachada expuesta y la presión negativa ∆plw de la fachada no expuesta son, de hecho, las diferencias de presión del aire, entre la presión del aire antes de la entrada en la abertura o justo a la salida de la misma y la presión del flujo libre de aire. Esta diferencia de presión varían rápidamente con el tiempo, debido a la turbulencia del viento en el flujo de aire, y con la posición debido a los efectos de la forma aerodinámica de la construcción, sin embargo, en promedio, se



23

pueden relacionar con una velocidad de referencia en un tiempo promedio aproximado como es la velocidad del viento vr:

2

2

(Ec.1.13)

(Ec.1.14)

2

2

rww p ww

rlw p lw

vp C

vp C

ρ

ρ

−

−

=

=

Donde ρ es la densidad del aire, ρ vr / 2 es la energía cinética por unidad de volumen de referencia de la velocidad del viento y Cp-ww> 0, Cp-lw <0 son los coeficientes de presión para fachada expuesta y fachada no expuesta. La velocidad de referencia del viento es un promedio de la velocidad del viento a 10 m de altura por encima del edificio. La diferencia de presión del viento entre las fachadas es:

( )2

2r

w ww wl p ww p lw

vp p p C C

ρ− −

∆ = − = −

(Ec. 1.15)

Teniendo en cuenta, por ejemplo, los cambios de presión a lo largo de una determinada trayectoria del flujo de aire de ventilación en la figura 1.8:

intw inlet ernal exhaustp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.16)

Para las condiciones típicas de diseño, la velocidad del viento de referencia es alrededor de 4 m/s, el valor del coeficiente de presión de la fachada expuesta es alrededor de +0,5, el valor del coeficiente de presión de la fachada no expuesta es alrededor de -0,5 y la densidad del aire aproximadamente 1,2 kg/m3. Por lo tanto, podemos esperar que la presión del viento para la ventilación cruzada sea de unos 10 Pa:

( ) ( ) ( )( )( )22

31.2 40.5 0.5 9.6

2 2ref

w p ww p lw

kg mU smp C C Paρ

− −

⋅ ∆ = − ⋅ ≈ + − − ⋅ =

Los 10 Pa de presión es un valor relativamente pequeño con respecto al valor típico de la diferencia de presión de impulsión de un ventilador siendo uno o dos órdenes de magnitud más grande. Por lo tanto, para lograr caudales similares de ventilación, la resistencia ofrecida por el sistema de ventilación natural tendrá que ser relativamente pequeña con respecto a los sistemas de ventilación mecánica.



24

Este sistema de ventilación natural adolece de una deficiencia fundamental: depende de la intensidad y dirección del viento. Como cambian la dirección del viento, así lo harán los coeficientes de presión del viento. En consecuencia, la presión del viento puede caer a valores bajos, incluso cuando prevalecen las condiciones de viento, con lo que disminuye el caudal de ventilación natural. Cuando la velocidad del viento baja, de nuevo disminuye la presión del viento y se reduce el flujo de aire independientemente de la dirección del viento.

La variabilidad de la presión del viento induce a adoptar medidas especiales como la auto-regulación de la presión de aire o las instalación de Windcatchers y la realización de diseños que hacen que el edificio sea insensible a las variaciones de los vientos (por ejemplo, dobles fachadas). La variabilidad de la presión inducida por el viento hace que se tome como condición de diseño “viento cero” como una condición crítica a pesar de que algunos estudios indican que esta condición es poco probable en muchos lugares, aunque se puede dar con una corta duración (Skaret Et al, 1997; Deaves y Lines, 1999; Axley, 2000).

A pesar de estas deficiencias, el viento impulsado por la ventilación cruzada se ha empleado en algunos edificios de reciente construcción no residenciales, a pesar de que su uso es poco frecuente. Los ejemplos incluyen la tienda de máquina de la Queen's Building de la Universidad De Montfort, Leicester, Inglaterra, diseñado por los arquitectos de Short Fort Max Associates y los ingenieros de Max Fordham Associates, y una serie de rascacielos diseñado por el arquitecto Ken Yeang de TR Hamzah y Yeang Sdn Bhd, Malasia.

Incluso dentro del tiempo promedio de elaboración de las hipótesis de los modelos, existen importantes fuentes de incertidumbre que debe tenerse en cuenta. Los coeficientes de la presión del viento, Cp, rara vez se conoce con certeza ya que varían con la posición en la envolvente del edificio, son sensibles a los pequeños detalles de forma, son significativamente alterados por la proximidad de otras viviendas cercanas al edificio, varían con la dirección del viento y se ven afectados por la porosidad de la construcción.

Las características del viento generalmente se conocen con certeza sólo para los aeropuertos donde se tienen registros detallados. En consecuencia, la evaluación de la velocidad de referencia y la dirección del viento en un determinado sitio es siempre problemática y está sujeta a error.

Por último, los coeficientes empíricos asociados a la resistencia al paso del flujo introducen otra fuente de incertidumbre, aunque tal vez no tan significativas como las debidas a las incertidumbres del viento.

1.5.3. Ventilación por tiro térmico

El aire caliente dentro de un edificio tenderá a subir y la corriente de aire saldrá por el nivel superior de extracción mientras que el aire exterior más fresco tenderá a



25

entrar a través de las entradas de aire inferiores para reemplazarlo. Por ejemplo, el bucle de presión se muestra en la Figura 1.9 es:

0 int 0inlet ernal i exhaustg z p p g z pρ ρ⋅ ⋅∆ − ∆ − ∆ − ⋅ ⋅∆ − ∆ = (Ec. 1.17)

La presión de la chimenea es igual a las pérdidas:

in ints let ernal exhaustp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.18)

La carga de presión que introduce el tiro térmico varía con la altura de la construcción, h, y la diferencia de temperatura entre el interior y exterior:

( )00

352.6 352.6s i

i

p g z g zT T

ρ ρ

∆ = − ⋅ ⋅∆ = − ⋅ ⋅∆

(Ec. 1.19)

Durante los períodos cálidos, como la temperatura exterior del aire se aproxima a la temperatura interior, la diferencia de presión de la chimenea para edificios altos de varios pisos cabe esperar que sea pequeño en relación con la diferencia de presión inducida por el viento. Así, por ejemplo, para un edificio de tres pisos de 10 m de altura, la diferencia entre la temperatura interior y la exterior debe ser alrededor de 23 ° C con el fin de obtener una diferencia de presión de unos 10 Pa, típica de la diferencia de presión inducida por el viento. Para un edificio de ocho pisos, esta diferencia de temperatura debe ser de 10 º C (Figura 1.9.). Además, para los pisos altos, la carga de presión de la chimenea disponible para conducir el flujo de aire por convección natural será proporcionalmente menor.

Figure 1.9: Ventilación con tiro térmico.

Para el control de la calidad del aire en invierno, cuando las grandes diferencias de temperaturas entre el exterior y el interior son de esperar, las fuerzas de flotación que induce la chimenea será más eficaz, si bien las diferencias de distribución de aire en las



26

plantas deben tenerse en cuenta para el adecuado dimensionamiento de las aperturas de impulsión de ventilación.

En la práctica, las configuraciones de las chimeneas a menudo han logrado tasas de ventilación aceptable, pero el viento complica el comportamiento del sistema con chimenea. La ventilación provocada por los efectos de la flotabilidad por sí sola no puede llegar a ser una muy buena estrategia para el enfriamiento. Habida cuenta de que bajo condiciones de viento puede ser poco efectivo un sistema de ventilación simple por efecto de la flotabilidad del aire impulsado por una chimenea, no es probable que se utilice en la práctica. Por lo tanto, se recomienda usar una combinación de los efectos originados por el viento más el provocado por la chimenea de ventilación.

1.5.4. Combinación del tiro térmico y la acción del viento

Si está bien diseñado, el sistema de ventilación con chimenea se sirve de los efectos del viento y de flotabilidad. Por ejemplo, consideremos una chimenea de ventilación bajo la influencia combinada del viento y la flotabilidad (Figura 1.10). Este sistema es similar a la que se ilustra en la Figura 1.9, pero con un dispositivo añadido en la abertura de la chimenea que puede responder a la dirección del viento dominante para maximizar la presión negativa inducida por el viento (por ejemplo “operable louvers”, “rotating cowls”).

Un bucle de presión representativo sería, por ejemplo, el bucle p1 – p2 – p3, - p4 - p5 – p6 – p7, donde ahora se ahora incluyen tanto la diferencia de presión originada por el efecto de flotabilidad como la originada por el viento que aparecen como una simple suma:

in ints w let ernal exhaustp p p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.20)

Donde haciendo uso de las ecuaciones 1.15 y 1.19:

( )

( )

0

2

2

s s i

rw p inlet p exhaust

p p g z

vp C C

ρ ρ

ρ− −

∆ ≡ = − ⋅ ⋅∆

∆ = − ⋅



27

Figura 1.10: Ventilación con tiro térmico más la acción del viento.

Las ecuaciones para el bucle de presión para cada uno de los otros cinco circuitos de ventilación de la Figura 1.10 asumirán la misma forma general, aunque los valores de los distintos parámetros cambiarán. Para el bucle de presión que se muestra en la Figura 1.10, tanto el coeficiente de presión de entrada del viento Cp-inlet como el coeficiente de salida Cp-exhaust, es probable que sean negativos ya que ambos corresponden a la fachada no expuesta. En consecuencia, la diferencia de presión del viento actuará impulsando aire en la dirección indicada sólo si el valor absoluto de salida es mayor que la de la entrada. Por este motivo, la diferencia de presión del viento del sistema de ventilación tiende a ser más grande en la entrada que en la salida. Como resultado de ello, las entradas de ventilación se han diseñado en consecuencia, teniendo en cuenta los caudales de ventilación que caben esperar que sean menores en estas habitaciones y que pueden que se inviertan en determinadas condiciones.

La utilización de rejillas de autorregulación de ventilación puede servir para mantener el nivel de diseño del caudal de ventilación, pero no puede inhibir el flujo de recirculación o proporcionar un flujo cuando la presión ∆ps + ∆pw cae a cero o se hace negativo.

La contribución de la chimenea ∆ps, actuará para compensar la baja velocidad del viento o el cambio de signo de la diferencia de presione del viento. Las chimeneas de ventilación que se extienden por encima de los tejados, en especial cuando está con Windcatcher, tienden a crear una succión negativa que son relativamente independientes de la dirección del viento.

Por lo tanto, estos sistemas de chimeneas híbridos superan la mayor limitación de los sistemas simples de ventilación cruzada identificados anteriormente al tiempo que suministran corrientes de aire similares en distintas salas del edificio. Como resultado de estas ventajas, el sistema de ventilación con chimenea (sobretodo utilizando un atrio central) se han convertido en el sistema más popular de ventilación natural utilizado en los edificios comerciales en los últimos años y una serie de fabricantes han desarrollado componentes especializados para suministrar estos sistemas.



28

1.5.5. Combinación de estrategias fundamentales

La mayoría de las veces, las tres estrategias básicas mencionadas anteriormente (ventilación inducida por una sola cara, ventilación cruzada y ventilación debida a las fuerzas de flotabilidad del tiro térmico) se utilizan simultáneamente en los edificios para controlar las necesidades de ventilación. El ejemplo más notable de este enfoque se encuentra en el Queen's Building de la Universidad De Montfort en Leicester, Inglaterra, un edificio que ha demostrado ser el más influyente de la primera generación de los nuevos edificios con ventilación natural.

1.5.6. Ventilación solar

A menudo, existe poca dificultad en el suministro del flujo de aire en un edificio cuando el viento ayuda a la chimenea. Sin embargo, dado que la velocidad del viento se reduce en un entorno urbano, los sistemas de ventilación natural en las zonas urbanas suelen ser diseñado sobre la base de un sistema donde se tiene en cuenta únicamente el efecto de flotabilidad que introduce la chimenea. Cuando la diferencia de presión inducida por el tiro térmico resultante de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior no es suficiente, entonces la ventilación solar puede ser una alternativa. El principio es aumentar la carga de presión de la chimenea mediante el calentamiento del aire de ventilación en la chimenea, resultando una mayor diferencia de temperatura que en los sistemas convencionales.

La pérdida de presión de un colector solar es:

s i d ep p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.21)

Donde ∆pi, ∆pd y ∆pe son las pérdidas de la entrada, la distribución y las pérdidas de presión de salida, respectivamente. Dependiendo de la posición del control de amortiguación (“control damper”), ∆pi y ∆pe formarán parte de las pérdidas de presión del control. La presión de la chimenea es:

0 01 1

se i

p T g zT T

ρ ∆ = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅∆ (Ec. 1.22)

Donde Ti es la temperatura del aire de entrada al colector, normalmente igual a la temperatura del interior del recinto, y Te es la temperatura de salida del colector (Awbi, 1998):

( ) expe ie p

B w HA AT TB B c Qρ

− ⋅ ⋅= + − ⋅ ⋅ ⋅ (Ec. 1.23)



29

Con 1 1 2 2w wA hT h T= + y 1 2B T T= + , donde h1 y h2 2

W

m K

son los coeficientes

de transmisión de calor para superficies internas del colector, Tw1 y Tw2 (° C) son las temperaturas de la superficie del interior del colector, w (m) es el ancho del colector, H (m) es la altura entre la toma y la salida de las aberturas, ρe (kg/m

3) es la densidad del aire en la salida, Cp (J / (kg K)] es el calor específico del aire y el Q (m

3 / s) es el caudal volumétrico de aire.

El principio del colector solar puede ser utilizada para diferentes tipos de dispositivos: muros Trombe, dobles fachadas, chimeneas solares o techos solares.

Un muro Trombe es una pared de moderado espesor cubierto por un panel de cristal, ambos separados por una capa de un espesor de unos 50-100 mm. Es posible su utilización para ventilación o para la calefacción (figura 1.11).

La chimenea solar, sin embargo, es una chimenea con un espesor de unos 200 mm situada en el Sur o Sur-Oeste de la fachada del edificio.

Los techos solares se utilizan cuando la altitud solar es grande. En este caso, el techo tiene una mayor área de superficie para la recogida de la radiación solar que una pared vertical o chimenea.

Figura 1.11: Colector solar usado para (a) ventilación y b) calefactar.

1.6. Estrategias de ventilación natural en el medio urbano

El uso de la ventilación natural en el medio urbano debe tener en cuenta la reducción de la velocidad del viento, además del ruido y la contaminación. Los sistemas de ventilación no pueden depender de las entradas de aire de baja altura del aire exterior desde la calle, ya que puede estar contaminado y, además, las entradas deben estar protegidas del viento.



30

1.6.1. Chimenea de ventilación

Está basada en una serie de antiguas estrategias de Oriente Medio que se servían de un techo plano con salidas de escape incluyendo la tradicional bagddir iraní o torres de viento y los captores de viento o malkaf de Asia oriental están siendo reconsideradas para su ampliación y perfeccionamiento técnico.

En estos sistemas de ventilación, el aire se suministra a través de una chimenea fría (esto se consigue manteniéndola adecuadamente aislada de las condiciones exteriores mediante un adecuado aislamiento) y es extraído a través de una chimenea caliente (figura 1.12).

Figura 1.12: Sistema con dos chimeneas, una de impulsión y otra de extracción, colocadas a una cierta altura para acceder a un aire menos contaminado y con una mayor velocidad del viento.

Se tiene, por ejemplo, el bucle a través de la segunda planta de la Figura 1.12 La ecuación para este bucle de presión será similar a la del caso de la combinación de viento y flotabilidad para la ventilación:

ints w inlet ernal exhaustp p p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.24)

La presión de la chimenea está determinada por la diferencia de densidad entre la entrada y la salida y la diferencia de altura desde la salida del aire hasta la entrada del flujo, si la temperatura del aire dentro de la chimenea de enfriamiento pueda mantenerse distinta a la exterior.

El flujo de aire a través de cada nivel de piso, por lo tanto, debe ser idéntico al que se espera en un sistema simple, si la resistencia al flujo de aire de la chimenea y de



31

sus elementos de entrada y salida es similar a la proporcionada por los elementos de ventilación de aire en el caso de la Figura 1.10.

La presión del viento se determinará por la diferencia entre los coeficientes de viento de la entrada y la salida por la energía cinética de la velocidad del viento utilizando la ecuación 1.15:

( )2

2ref

w p inlet p exhaust

vp C C

ρ− −∆ = −

Sin embargo, en este caso, la elevada ubicación de la entrada asegura una mayor presión de entrada del viento y disminuye la sensibilidad con la dirección del viento.

Esto, combinado con que la chimenea de extracción es menos sensible a la dirección del viento hace que este sistema sea especialmente atractivo para los entornos urbanos.

6.6.2 Tiro térmico con enfriamiento evaporativo

Una mejora del sistema de ventilación con chimenea, también se basa en soluciones de la Antigüedad de Oriente Medio y de Asia oriental, consiste en la adición de refrigeración por evaporación a la chimenea de impulsión. Tradicionalmente, la refrigeración por evaporación de agua se logró mediante el uso de macetas porosas con agua o la utilización de una piscina de agua en la base de la chimenea de impulsión (fria). Actualmente, el rociado de agua se realiza en la zona superior de la chimenea lo que produce el enfriamiento del aire de y el aumento de su densidad, con lo que aumenta el efecto del tiro térmico que induce la diferencia de presión que impulsa el flujo de aire.

El análisis del bucle de presiones del sistema llamado “passive downdraught evaporative cooling” es similar al que se planteó para el sistema anterior sin evaporación, pero ahora los efectos del aumento del contenido de humedad en la flotabilidad deben tenerse en cuenta.

Considerando el diagrama que se muestra en la Figura 1.13 se distinguen dos alturas: za, la altura por encima del recinto de entrada hasta donde termina la columna de aire húmedo en la chimenea de impulsión, y zb la altura en la extracción por encima de dicha columna húmeda. La densidad del aire húmedo en la columna de suministro de aire, ρs, se acerca a la densidad de saturación que corresponde a la densidad del aire exterior a la temperatura de bulbo húmedo (más concretamente, los experimentos indican que las condiciones de suministro de aire estará entre 2 ° C la temperatura de bulbo húmedo). Por lo tanto, la ecuación del bucle de presiones para un tiempo promedio en función del flujo de aire de ventilación en este sistema será:



32

ints w inlet ernal exhaustp p p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.25)

Donde:

( )

( )

0

2

(Ec.1.26)

2

s b s a i a b

ref

w p inlet p exhaust

p z z z z g

vp C C

ρ ρ ρ

ρ− −

∆ = + − +

∆ = −

Figura 1.13: Sistema de pasivo de ventilación con enfriamiento evaporativo en el tiro térmico “Passive downdraught evaporative cooling stack ventilation”.

Para obtener una medida cuantitativa de los efectos de esta estrategia, se considera un caso similar al que se indicó anteriormente para el caso que contemplaba un sistema que incluía los efectos del viento y del tiro térmico, pero con una altura de la columna húmeda, que es igual a la altura de la chimenea, 10 m (es decir, para za = 0 m y zb = 10 m). Si el aire exterior tiene una temperatura de 25 ° C y una humedad relativa (HR) del 20%, es decir, con una densidad de, aproximadamente, 1,18 kg/m3, este es enfriado mediante evaporación dentro de los 2 ° C de su temperatura de bulbo húmedo (12,5 ° C ), y su temperatura seca bajará a 14,5 º C y su densidad se incrementará en aproximadamente 1,21 kg/m3 con una RH del 77%. Si las condiciones internas se mantienen dentro de la zona de confort térmico para estas condiciones exteriores (es decir, 28 ° C y 60% RH), utilizando un caudal de ventilación apropiado dadas las ganancias internas, entonces la densidad del aire interior será de aproximadamente 1. 15 kg/m3. En consecuencia, la diferencia de presión asociada al efecto de flotabilidad o tiro térmico dará como resultado:

( ) ( ) ( )3 3 3 21.18 0 1.21 10 1.15 0 10 9.8 6.4s

kg kg kg mp m m m Pa

m m m s

∆ = + − + =



33

Sin el enfriamiento evaporativo con 10 0a bz m y z m∆ = ∆ = :

( ) ( ) ( )3 3 3 21.18 10 1.21 0 1.15 10 0 9.8 2.9s

kg kg kg mp m m m Pa

m m m s

∆ = + − + =

Por lo tanto, en este ejemplo representativo, el enfriamiento evaporativo aumenta a más del doble la diferencia de presión debida a la flotabilidad y, al mismo tiempo proporciona un enfriamiento adiabático.

1.6.2. Doble fachada

Una fachada de doble envolvente consiste en una pared de hormigón normal o una pared de vidrio combinada con una estructura de vidrio fuera de la pared. Las fachadas de doble envolvente ofrecen varias ventajas. Ellas pueden actuar como zonas de amortiguación entre las condiciones internas y externas, reduciendo la pérdida de calor en invierno y la ganancia de calor en verano.

La combinación de la ventilación de un recinto entre dos fachadas con los efectos térmicos pasivos puede ser utilizada de la mejor forma posible y aumentar los efectos beneficiosos. La ventilación natural puede ser inducida en la zona de amortiguación, o zona colchón (“zona buffer”), del edificio mediante la apertura de las ventanas en el centro de fachada.

Los tiros térmicos o chimeneas en edificios altos ofrecen ventajas sobre los de los edificios más bajos, ya que se eliminan los posibles problemas de seguridad y vigilancia causados por la apertura de aberturas y los problemas debidos a las diferencias de la presión del viento en todo el edificio. Las dobles fachadas se pueden utilizar con chimeneas solares o con chimeneas de ventilación.

Por tanto se puede concluir el apartado diciendo que los recientes avances en las técnicas de ventilación natural contribuyen al desarrollo de nuevos edificios ecológicos. El edificio es considerado ahora como un elemento activo que contribuye a la consecución de confort térmico aprovechando el clima local. La envolvente del edificio interactúa con el interior y el exterior, y ambos medios deben ser controlados por el sistema de ventilación de ahorro de energía. La simbiosis de la envolvente de las edificaciones y de los equipamientos de la construcción (calefacción, ventilación, aire acondicionado, iluminación y seguridad) es la base de los edificios inteligentes.

1.7. Modelo zonal para cálculo de ventilación en recintos

En este proyecto se realizará un estudio de la ventilación natural en recintos tridimensionales centrándose en la elaboración de las ecuaciones necesarias que resuelvan el movimiento del aire en una chimenea. A partir de este estudio, se generará



34

un modelo simplificado que resuelva sistemas compuestos por uno o varios recintos unidos a uno o varios tiros térmicos, lo cual es el objetivo del proyecto.

Estos resultados servirán de base para el desarrollo de un algoritmo y su posterior implementación en el Modelo Zonal, al cual complementará, para el cálculo de los caudales de ventilación en recintos. Este posterior desarrollo no se realiza en este proyecto pero en él se desarrollan las ecuaciones y el algoritmo necesario para su posterior elaboración por parte del Grupo de Termotecnia.

Este Modelo Zonal ha sido desarrollado por el Grupo de Termotecnia, en concreto se desarrolla en el proyecto “Desarrollo de Modelo Zonal para Cálculo de Ventilación en Recintos” de Tomás Carmona Hernández. Sin embargo, inicialmente en este modelo no se considera la pérdida de carga debida al movimiento del aire a lo largo del interior del recinto, que depende de la fricción y del número de codos, y la variación de esta con la posición de las aberturas de entrada y la salida de aire. Este aspecto fue incorporado por Fernando Leñero en su Proyecto Fin de Carrera.

En principio el proyecto de Tomás Carmona tampoco incorpora sistemas pasivos como el tiro térmico. Por esta razón se va crear un modelo simplificado que resuelva un sistema de ventilación que contenga un recinto y un tiro térmico y se va a incluir en el Modelo Zonal con el fin de completarlo.

A continuación se va a proceder a explicar brevemente los fundamentos físicos del Modelo Zonal

1.7.1. La distribución de presiones

La distribución de presiones es debida a la acción combinada de viento, fenómenos de flotabilidad térmica y presencia de ventilación mecánica.

La acción del viento sobre un edificio es difícilmente mesurable, debido sobre todo a que se trata de un fenómeno muy poco estacionario. Además, su efecto varía en cada punto de cada fachada expuesta, según parámetros geométricos del edificio y de su entorno, y otros intrínsecos al propio flujo de aire. Para modelar estos efectos, se recurrirá al uso de coeficientes de presiones adimensionalizados, obtenidos a partir de datos experimentales.

Las diferencias de presiones debidas a los efectos de flotación tienen su origen en la diferencia de densidad del aire según la temperatura a la cual se encuentre. Así, un aire más caliente y por tanto menos denso, disminuirá menos su presión con la altura que un aire más frío y denso, dando lugar fenómenos como los explicados anteriormente para la convección natural.

Por último, la presencia de ventilación mecánica forzada, induce flujos de aire ligados a las diferencias de presión generadas por la acción de estos sistemas.



35

A continuación se presenta el desarrollo utilizado para modelar el efecto de cada uno de estos fenómenos sobre el campo de presiones.

Efecto del viento

Un flujo de viento produce un campo de velocidades y presiones alrededor de un edilicio. La relación, en flujo libre, entre la velocidad y la presión en los distintos puntos del campo puede ser obtenida a partir de la ecuación de Bernouilli. Asumiendo la densidad constante en una línea de corriente a una altura determinada, la citada ecuación toma la forma siguiente:

21

2satP v cteρ+ = (Ec. 1.27)

La velocidad en la capa límite varía desde cero para las partículas en contacto con la pared, hasta la velocidad del flujo libre para aquellas situadas en el extremo opuesto de la capa límite. Los efectos de viscosidad son los que predominan en esta capa. Según sea el número de Reynolds, el flujo en esta zona podrá ser laminar o turbulento. El caso particular del flujo de viento alrededor de un edificio corresponde a un movimiento turbulento con una anchura de capa límite de varias centenas de metros.

La distribución vertical del perfil de velocidades en un edificio depende principalmente de las superficies que rodean al mismo. Este perfil se puede modelar a través de una expresión potencial, según una altura de referencia (zref ):

( )

( )ref ref

v z z

v z z

α

=

(Ec. 1.28)

Para describir la distribución de presiones alrededor de la envoltura del edificio se suele usar un coeficiente adimensional denominado Coeficiente de Presiones (Cp), que corresponde al cociente entre la presión dinámica sobre la superficie y la presión dinámica del flujo no perturbado a la altura de referencia. Para un punto k (x, y, z) de la superficie, la expresión del Coeficiente de Presiones con una altura de referencia zref es la siguiente:

( ) 0

20

( )1

( )2

kp ref

ref

P P zC z

v zρ

−= (Ec. 1.29)

Para evaluar las distribuciones de Cp en la cubierta de un edificio, se pueden seguir diversas estrategias:



36

� Realizar medidas directas, cuando el edificio a estudiar existe.

� Desarrollar ensayos en túneles sobre modelos de los edificios a estudiar.

� Generar los valores de Cp a partir de modelos numéricos tridimensionales de flujos de aire.

� Generar los valores de Cp a partir de modelos numéricos basados en análisis paramétricos de los resultados de los ensayos sobre túnel de viento.

Esta última opción es la escogida para desarrollar los modelos por parte de COMIS (Conjunction of Multizone Infiltration Specialists). La primera opción resulta inviable para trabajos de diseño y demasiado cara incluso en los casos en los que es posible llevarla a cabo. La segunda depende en exceso de la disponibilidad del equipo de ensayo y la tercera requiere un consumo de tiempo excesivo.

El algoritmo desarrollado permite obtener los valores del Cp en función de distintos parámetros (entorno del edificio, dirección del viento), a partir de la interpolación de los resultados obtenidos en diversos ensayos. Es evidente que la precisión del modelo obtenido dependerá en gran manera de la calidad de los datos experimentales utilizados.

Los parámetros que se han tenido en cuenta para implementar el cálculo de los Cp han sido los siguientes:

� Parámetros climáticos

a) Ángulo de incidencia del viento.

b) Exponente de la ley potencial del perfil de velocidades.

� Parámetros medioambientales

a) Densidad de área alrededor del edificio.

b) Altura relativa del edilicio.

� Parámetros del edificio

a) Proporción de orientación frontal.

b) Proporción de orientación lateral.

c) Posición vertical relativa.



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d) Posición horizontal relativa.

El modelo de COMIS tiene por objetivo calcular la relación entre las variaciones que experimenta el valor de Cp y la variación de cada uno de los parámetros anteriores. En el proyecto de “Desarrollo de modelo Zonal” mencionado anteriormente se pueden encontrar tablas con los valores de estos coeficientes de presión del viento que a su vez están sacados del libro “Fundamentals of the Multizone Air Flor Model-COMIS”

Como datos experimentales de referencia, se utilizaron los obtenidos por los experimentos de Hussein y Lee ("An Investigation of Wind Forces on Three -Dimensional Roughness Elements in a Simulated Atmospheric Boundary Layer"), y los obtenidos por los experimentos de Akins y Cermak ("Wind Pressures in Buildings").

A partir de estos datos, y mediante el ajuste de los puntos experimentales a través de funciones de interpolación, se generan los valores de Cp. Las correlaciones se aplican a conjuntos de puntos experimentales ligados por alguno de los parámetros descritos anteriormente.

En la Norma UNE-En 13465 de Ventilación de edificios, en la Tabla A.4 de la página 25, se pueden encontrar también tablas de los coeficientes de presión del viento.

1.7.2. Desarrollo del modelo zonal para cálculo de ventilación en recintos

Efecto de la flotabilidad térmica

Este efecto genera diferencias de presión a partir de diferencias de densidad entre dos zonas en contacto. La densidad es función principalmente de la temperatura. Para poner de manifiesto este fenómeno se tomará como ejemplo un caso como el de la siguiente figura:

Figura 1.14: Aire de dos zonas distintas puesto en contacto mediante una pequeña apertura



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Sean M y N dos zonas diferentes, puestas en contacto a través de un conducto de pequeño diámetro. Sean Zm, Pm, Tm, pm, ρm, Zn, Pn, Tn, y pn, respectivamente, la altura de referencia, la presión, la temperatura y la densidad de cada zona. La diferencia de presión entre los extremos (i, j) del conducto que conecta las dos zonas se obtiene a partir de la siguiente expresión:

i j m nP P P P Pς− = − + (Ec. 1.30)

Siendo Pς el efecto de flotabilidad térmica, que puede ser calculado mediante la

relación siguiente:

( ) ( )m m i n n jP g z z g z zς ρ ρ= ⋅ ⋅ − − ⋅ ⋅ − (Ec. 1.31)

Como la densidad se va a considerar como una función exclusivamente de la temperatura, variaciones de ésta provocarán a su vez variaciones en el término de flotabilidad. De esta manera se verá influenciado el equilibrio de presiones, para una geometría fija, por los efectos de temperatura. Estos efectos son especialmente relevantes cuando el efecto de viento es menos pronunciado. Las diferencias de presiones generadas por el efecto de flotabilidad térmica son usualmente menores que las provocadas por los efectos de viento, pero en ausencia de éste, será la diferencia de temperatura la que ejercerá de motor de movimiento.

Efecto de la ventilación mecánica

La ventilación mecánica genera flujos de aire entre dos zonas, gracias, generalmente, a la acción de un ventilador. La presencia de estos flujos de aire provoca efectos de diferencia de presión, ya que el sistema físico reacciona para mantener los balances de masa equilibrados en cada zona. Como ejemplo de este fenómeno se tiene el caso de la figura siguiente:



39

Figura 1.15: Ejemplo de ventilación mecánica

Sea un recinto compuesto por cuatro zonas A, B, C y D, conectadas entre sí de forma que permitan flujos de aire entre ellas. Por simplicidad, se supone que sólo la zona D está conectada con el exterior a través de una abertura que permite el flujo de aire. Si sobre la zona A se introduce desde el exterior (mediante un ventilador) un caudal de aire Q, éste deberá salir del conjunto por la abertura situada en D, cumpliéndose el balance de masa en el edificio. Para que el flujo pase desde A hasta D, se generarán corrientes que atravesarán las zonas B y C del conjunto. La acción del ventilador genera una sobrepresión en la zona A, que se atenúa gradualmente hasta la zona D, según sea la geometría, el tipo de aberturas y las condiciones térmicas de cada una. El conjunto se encontrará a sobrepresión respecto al ambiente exterior, pero la presión en cada zona será tal que los flujos de aire entre ellas verifiquen en todo momento el balance másico correspondiente.

1.7.3. Flujos de aire a través de aperturas

Flujo de aire a través de grietas

Para describir los flujos de aire a través de grietas son necesarios muchos parámetros. A las diferencias de presión, temperatura, composición y fuerzas mecánicas, se suman los efectos de la propia naturaleza de las grietas. Para caracterizar estás últimas es necesario conocer la naturaleza de los materiales que la componen, así como el proceso de construcción. Además habría que añadir los fenómenos de deformaciones causados por efecto de temperatura, tiempo y erosión. El flujo de aire a través de una grieta es siempre una mezcla de laminar, turbulento y transitorio, dependiendo la proporción de cada uno, del contorno de la grieta y de la diferencia de presiones.

Para modelar todos estos efectos se suele usar una ley potencial del tipo:

( )nQQ C P= ⋅ ∆ (Ec. 1.32)



40

Esta expresión muestra claramente que el flujo depende de la diferencia de presiones existente, si bien no toma en cuenta efectos como el de las propiedades del aire. Los parámetros de esta expresión se deducen a partir de ensayos para cada tipo de grieta. Evidentemente, el rango de aplicación de estas expresiones depende de que las correlaciones disponibles respondan al caso que se trata de modelar. Uno de los principales motivos de error a la hora de aplicar estas expresiones, es hacerlo en condiciones térmicas muy distintas a las que fueron empleadas durante el experimento que determinó los coeficientes.

Obtener una descripción precisa del flujo de aire a través de grietas es de todo punto imposible, no sólo por la enorme cantidad de datos a tener en cuenta sino también por la propia complejidad de las expresiones a utilizar. Por este motivo, se aplicarán leyes de tipo potencial como la descrita anteriormente, que serán validadas experimentalmente. Se utilizará un tipo de ley potencial distinta para cada tipo de grieta considerada.

Flujo en conductos

Las grietas pueden aparecer en cualquier punto de la envoltura de un edificio, conectando zonas entre sí y con el exterior. A pesar de las complejas geometrías de las grietas, las leyes de la mecánica de fluidos siguen siendo válidas, por lo que se puede aplicar la expresión del flujo en conductos.

2

2

L vP

d

ρλ∆ = (Ec. 1.33)

Gracias a esta expresión se puede calcular el flujo en un conducto conocida la diferencia de presiones. El factor de fricción k depende del tipo de flujo existente, y puede ser obtenido de forma precisa para cualquier tipo de flujo. Si consideramos las expresiones del caudal y el número de Reynolds, podemos modificar la ecuación anterior.

2

4

Re

(Re)

dQ

d v

f

π

υλ

=

⋅=

=

Y si se definen los coeficientes adecuados, la expresión del flujo en conductos queda así:

( )1 2 nn n

sQ C Pυ ρ− −= ⋅ ⋅ ⋅ ∆ (Ec. 1.34)



41

Tomando los parámetros n y CQ un valor para cada tipo de flujo.

Flujo en grietas

El flujo a través de una grieta es mucho más complejo que el flujo a través de un conducto. Por analogía con el caso de flujo en un conducto, se modela el flujo a través de las grietas mediante una ley potencial del mismo tipo que la del caso anterior:

( , , ) ( )nsQ C f n Pρ υ= ⋅ ⋅ ∆ (Ec. 1.35)

Para cada tipo de grieta, se ajustarán experimentalmente los parámetros de la ecuación. Cuanto más próximas estén las condiciones del modelo a las condiciones experimentales de ajuste, esta expresión representará el flujo de forma más precisa.

Para afinar aún más la precisión de estos modelos, y ampliar su rango de operación, se puede añadir un factor corrector de temperatura. Con este factor, se puede ajustar los parámetros.

En cuanto a la temperatura del flujo que atraviesa la grita, depende significativamente de la anchura de ésta. Mientras más estrecha es la grieta, más próxima estará la temperatura del flujo a de la pared. Por el contrario, mientras más ancha es la grieta, menos modificada se ve la temperatura respecto de la del aire de la zona de la cual proviene. Este fenómeno es difícilmente modelable y tan sólo existen unos pocos experimentos para casos relativamente sencillos.

Finalmente, la expresión del flujo a través de grietas queda de la siguiente forma:

nPCQ ∆⋅= (Ec. 1.36)

En la cual, los coeficientes C y n se obtienen de unos resultados experimentales, al igual que ocurría con los coeficientes de presiones.

Como se comentó en el caso de los coeficientes de presiones, mientras mayor sea la base de datos experimentales disponibles, mayor será la capacidad para modelar situaciones reales.

Los factores correctores de temperaturas deberán ser añadidos cuando la precisión requerida sea alta, o cuando las condiciones del modelo estén alejadas de las de ajuste.



42

Flujo de aire a través de grandes aperturas

El flujo de aire a través de grandes aberturas contribuye de forma decisiva a los intercambios de masa y energía entre las zonas de un recinto. En este intercambio se manifiestan múltiples efectos al mismo tiempo, desde los fenómenos de flotación térmica hasta los de turbulencia y reflujo. Al ser procesos tan complejos, tradicionalmente se han modelado realizando una partición de la abertura en pequeñas zonas, donde cada una de las cuales se modelaba como una grieta. Para modelar la abertura como un todo, habrá que tener en cuente los efectos constantes y variables.

Efectos constantes:

Dentro de esta categoría se incluyen los efectos de viento, flotabilidad térmica y los causados por la ventilación. La clave para describir de forma precisa el flujo a través de una gran abertura es determinar el tipo de flujo que se está desarrollando al circular por la misma. Diversos autores han desarrollado experimentos a partir de los cuales se han obtenido expresiones que modelan el flujo de aire en la abertura. Cabe destacar el trabajo realizado por Brown y Solvasson (Natural Convection through Rectangular Openings in Partition), que proporciona una solución analítica basada en las condiciones del aire a cada lado de la abertura.

Como sucede en los casos precedentes, son necesarios más experimentos que proporcionen con mayor precisión y mayor rango de aplicabilidad la solución para cada tipo de abertura. Cabe destacar especialmente el caso de las aberturas horizontales, para las cuales a penas existen modelos fiables.

Efectos variables:

Dentro de esta categoría es necesario distinguir entre efectos transitorios debidos a la evolución de las condiciones de contorno del problema y los debidos a las fluctuaciones de los campos de presiones y velocidades.

Para modelar el primer tipo, basta con usar un modelo estático para cada instante de tiempo considerado, y realizar la hipótesis de que el flujo entre dos instantes consecutivos está completamente desarrollado, siguiendo la evolución de las condiciones de contorno. Mientras más pequeña sea la partición en tiempo, más fiel será la aproximación, aunque el esfuerzo computacional exigido también será más alto.

Para el segundo caso, debido a la complejidad del fenómeno, se hace necesario un estudio experimental. Estos efectos son particularmente sensibles en casos críticos, como el que se presenta cuando el viento es paralelo a la superficie de la abertura. Normalmente, estos estudios se realizan sobre modelos a escala en túneles de viento. Para introducir estos efectos de turbulencia en la ecuación de flujo, se emplea un término de presión ficticio, que recoge el aporte de la turbulencia al flujo. De nuevo existe una gran laguna en las correlaciones disponibles para modelar este fenómeno.



43

Para definir el flujo de aire a través de una gran abertura, se considerará que ésta se encuentra desconectada del edificio. Posteriormente se integrará en el conjunto gracias a las ecuaciones de balance. Debido a que las incógnitas en las ecuaciones de balance serán las presiones de cada zona, será necesario expresar el flujo a través de la gran apertura en función de la diferencia de presión existente a ambos lados de la misma.

La primera posibilidad consiste en sustituir la gran apertura por un conjunto de pequeñas aperturas paralelas, suponiendo que a través de ellas el flujo tiene una sola dirección. Cada una de estas aperturas se modelará mediante una ecuación de flujo a través de una grieta.

Una segunda posibilidad es expresar el flujo a través de la apertura a partir de una ley de presiones no necesariamente lineal, que recoja la evolución de ésta a ambos lados de la misma. De esta forma, se establecerán ecuaciones de flujo propias de cada apertura considerada. Se toma como ejemplo el caso de una apertura vertical conectando dos zonas i y j. Siguiendo las aproximaciones del flujo de Bernoulli, se asume que la velocidad del flujo a cada altura es proporcionada por la ecuación del orificio.

,

( ) ( )2 i j

i j

P z P zv

ρ

− =

(Ec. 1.37)

En la cual, “z” representa la altura y “ ρ ” la densidad del flujo de aire.

La complejidad del modelo reside en la forma de definir la presión de cada zona. Como se comentó en apartados anteriores, para definir con precisión la presión en una zona, hace falta tener en cuenta muchos efectos simultáneos. Así, para el caso simple de considerar tan sólo los efectos de flotabilidad térmica, la expresión que define la presión en cada zona sería la siguiente:

0( ) ( )i i z

P z P z g zρ=

= − ⋅ ⋅ (Ec. 1.38)

Donde se ha tomado 0 como la altura de referencia y ρ corno la densidad del aire de la zona.

El plano neutro es la altura a la cual las presiones de ambas zonas se igualan, siendo el flujo nulo a esa altura. Para determinarlo basta con igualar las expresiones de las presiones de cada una de las zonas.

El flujo a través de la abertura se obtiene mediante la integración de la velocidad sobre la superficie de paso del flujo. Para tener en cuenta que el flujo puede tener dos sentidos a través de la apertura, la integración debe realizarse a trozos, desde su



44

comienzo hasta los posibles planos neutros, y de estos hasta el final. Así por ejemplo, si se considera la existencia de un solo plano neutro localizado entre los extremos de la apertura, y se toma esta altura como referencia el flujo másico se obtiene así:

( )

( )

0

, ,

,0 ,

0

z H z

zn H d i j

z zn

z zn

zn d i j

z z

m C v z W dz

m C v z W dz

ρ

ρ

= +

=

=

=

= ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅ ⋅ ⋅

∫

∫ (Ec. 1.39)

Donde W es el ancho de la apertura y Cd es un coeficiente de descarga que depende de la geometría y que se calcula experimentalmente.

Este modelo puede mejorarse añadiendo los efectos de turbulencia, de reducción de área y tantos cuanto sean posible representar mediante un término que afecte a la definición de la presión de la zona. Nuevamente cabe destacar la necesidad de experimentos para aumentar la fidelidad de los modelos.

A continuación se muestra el caso que recoge los efectos de flotabilidad térmica y de reducción de área. En él se observan dos zonas i y j conectadas por una gran abertura de altura H y de anchura W.

Figura 1.16: Efectos de flotabilidad térmica y de reducción de área.

Se ha tomado como origen de alturas el nivel más bajo de la zona. A esa altura se tiene una presión Pi,0 en la zona i y una presión Pj,0 en la zona j. La evolución de la presión con la altura depende de la temperatura de cada zona, según la ley de flotación:

0( ) ( ) ( )i i iz

P z P z g T zρ=

= − ⋅ ⋅ (Ec. 1.34)



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Así, si la temperatura en i fuera más alta que la temperatura en j, la densidad del aire en i sería menor que en j. En la zona j, la presión disminuiría más rápidamente con la altura que en i. El plano neutro se situaría a la altura en la cual se igualan las presiones. Según el modelo escogido, pueden darse tres situaciones:

� Si Pi>Pj,para cualquier altura comprendida entre los extremos superior e inferior de la abertura, flujo en sentido j.

� Si Pi<Pj, para cualquier altura comprendida entre los extremos superior e inferior de la abertura, flujo en sentido i.

� Si el plano medio se sitúa entre los extremos de la abertura, habrá flujo en ambos sentidos, como se muestra en la figura.

1.8. Passive and Hybrid Downdraught Cooling (PHDC)

La demanda de refrigeración en las construcciones de los edificios domésticos y los no domésticos está aumentando en todo el mundo. Esto aumenta la dependencia de los combustibles convencionales y el efecto de calentamiento del planeta de las emisiones de gases invernadero.

La refrigeración pasiva y el diseño energéticamente eficiente puede reducir la dependencia de los combustibles en los sistemas de calefacción de refrigeración, que contribuyen al objetivo europeo de 35 Mtoe de ahorro de energía para el año 2010.Los sistemas pasivos e híbridos de ventilación para refrigeración (Passive and Hybrid Downdraught Cooling), en sus distintas formas, ahora son técnicamente viables en muchas partes del mundo. Esto ha sido establecido a través de una combinación de proyectos de investigación financiados por la Comisión Europea y de proyectos pilotos en todo el mundo. En este marco es donde se encuadra el PHDC como un proyecto apoyado por la Unión Europea para la promoción de estos sistemas de ventilación y enfriamiento.

Para avanzar a una situación en la que el número de solicitudes aumente rápidamente partiendo de algunos edificios pioneros, se requerirá una aceptación generalizada de este enfoque entre clientes y profesionales, así como una mayor conciencia por el público en general. Se proponen una serie de actividades de difusión para promover las tecnologías desarrolladas en Europa, China y la India. El público que es objeto de estas actividades incluye los promotores y propietarios de los edificios, y también van dirigidas a la creación de profesionales del diseño. Las actividades de difusión incluirán la creación de un Manual de Diseño (dirigidos a los profesionales del diseño), un sitio Web que se actualizará a lo largo del proyecto (dirigido a los profesionales del diseño y al público en general) y una serie de simposios, talleres y seminarios educativos vinculados.



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Figura 1.17: Passive and Hybrid Downdraught Cooling

En la siguiente figura se muestra un esquema de la organización y funciones de este proyecto de la Comisión Europea.

Figura 1.18: Esquema de las actividades de PHDC

Así, en este contexto del proyecto PHDC, el Grupo de Termotecnia va a realizar un programa informático llamado PHDC que resuelve cada uno de los sistemas que surgen de la combinación de una serie de elementos que se pueden elegir desde el programa.

Así el sistema podrá estar compuesto por uno o varios recintos (no más de 6) dispuestos en una o varias plantas y una, dos y hasta tres chimeneas solares, una de impulsión y otra de expulsión, y un atrio. Las dimensiones de las chimeneas y del atrio pueden ser definidas desde la pantalla del programa PHDC. El programa también ofrece la posibilidad de situar en el sistema diferentes elementos de ventilación como son rejillas ventanas puertas, extractores y diferentes tipos de windcatchers, turbinas de aire (Windturbine) y de ventiladores de apoyo (Co-axial fans).



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El programa pedirá los datos del número de cambios de dirección y la longitud del recorrido del flujo por el interior del recinto, necesarios para calcular la pérdida de carga en el interior según una correlación. Esta correlación fue aportada en al Proyecto de Fernando Leñero y será utilizada en este programa. Así mismo, como se comentó, esta correlación también está introducida en el programa del Modelo Zonal que se definió en el proyecto de Tomás Carmona.

Además el programa da la opción de que el tiro térmico de impulsión pueda ser un tiro térmico con enfriamiento evaporativo, en cuyo caso hay que indicarle la posición de los pulverizadores de agua.

El programa debe de ser capaz de resolver los sistemas que surgen de todas las posibles combinaciones.

En particular en este proyecto fin de carrera se ha desarrollado un modelo simplificado de ecuaciones, basadas en el modelo del bucle de presiones y en la Norma UNE EN 13465, que se introducirán e implementará en dicho programa en lenguaje C++.

Figura 1.19: Pantalla del programa informático PHDC

1. INTRODUCCIÓN -...

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