CALIDAD DEL AIRE versus AISLAMIENTO ACÚSTICO Patología

CALIDAD DEL AIRE versus AISLAMIENTO ACÚSTICO
Patología ambiental de edificios actuales en climas urbanos cálidos
Don Manuel Martín Monroy
Doctor Arquitecto. Profesor Titular Interino de Universidad
Departamento de Construcción Arquitectónica
Universidad de Las Palmas de Gran Canaria. España
RESUMEN
Este estudio analiza las necesidades contradictorias de acondicionamiento ambiental de
edificios actuales en climas urbanos cálidos y ruidosos, evaluando las necesidades de ventilación
y renovación de aire (disipación de calor, vapor de agua y olores) y su compatibilidad con un
adecuado aislamiento acústico del ruido exterior. Se analizan sistemas de ventilación alternativos
a través de conductos, señalando las ventajas de la ventilación mecánica por impulsión, que
garantizan una elevada calidad ambiental con un coste de instalación y mantenimiento reducido,
y permite una regulación automática o directa por el usuario.
1 - ANTECEDENTES
Las Islas Canarias, situado en el Atlántico a 28º de latitud norte, tiene un clima
subtropical con temperaturas templadas o cálidas durante todo el año (18º a 26ºC en la costa) y
muy estables (+/- 3ºC de variación diaria), pero con una elevada humedad relativa (70% media).
Las Palmas de Gran Canaria es la mayor ciudad del archipiélago canario, con unos
cuatrocientos mil habitantes y más de cien mil vehículos, y tiene una estructura urbana bastante
colapsada por el incremento de su densidad en los últimos decenios. Su clima urbano está
afectado por un elevado ruido ambiental en general. Estas condiciones ambientales urbanas son
representativas de las principales poblaciones canarias y de muchas ciudades iberoamericanas.
De la condición de clima subtropical se deriva la necesidad imprescindible de ventilar
enérgicamente todos los locales habitables, para disipar el exceso de calor y el vapor de agua,
pero esta estrategia entra en grave contradicción con la necesidad de aislar acústicamente los
huecos exteriores mediante una considerable estanqueidad en las carpinterías, consecuencia del
clima acústico agresivo.
Para ello se estudia la normativa ambiental vigente en España, comparada con las de otros
países, diagnosticando si son adecuadas para edificios actuales en ciudades canarias o
iberoamericanas, poniendo en evidencia las contradicciones de aplicar unas normas con criterios
ambientales orientados al ahorro de energía de calefacción, para condiciones de invierno
continental, y a la estanqueidad acústica, sin evaluar las necesidades de renovación y ventilación
en regiones o épocas cálidas.
El resultado real es una patología ambiental por exceso de estanqueidad de los edificios
modernos, que incomoda a los usuarios, física y psicológicamente, ante el dilema de elegir entre
el ruido y el calor. En este estudio se sintetiza el resultado de los diferentes análisis de la calidad
ambiental (aire versus ruido), y se desarrolla una estrategia de diseño constructivo adecuado para
garantizar la calidad del aire y el aislamiento acústico de edificios en condiciones urbanas cálidas.
2 - EL RUIDO URBANO
La transformación de la ciudad vecinal en capital metropolitana, en los últimos decenios,
ha afectado negativamente en la calidad ambiental. El crecimiento de la ciudad en altura se ha
caracterizado por el estrechamiento relativo de las calles respecto a la altura de las fachadas,
siendo frecuentes calles con proporción 2:1 (fachadas de seis plantas para calles de 10 metros), al
tiempo que se ha multiplicado la densidad de tráfico en toda la ciudad y el nivel de ruidos.
El aumento de densidad también ha afectado a la altura relativa de los patios, pasando de
los patios en casas terreras a los patios de edificios plurifamiliares, donde se vierten el aire
viciado y los ruidos de numerosas familias en un espacio reducido, ya que se han tolerado
relaciones de altura/ancho de hasta 6:1 (seis plantas de altura con 3 m de ancho).
Sin entrar en detalles, el clima acústico urbano se puede caracterizar por sus elevados
niveles de ruido. Aunque la valoración subjetiva está directamente relacionada con la percepción
de comodidad/agresión acústica, la evaluación objetiva o instrumental del ruido es compleja por
la variación temporal y espectral del ambiente sonoro. Los parámetros más interesantes,
ponderados en dBA, son el nivel L90 o ruido de fondo, el nivel L10 o ruido pico, para valorar el
rango de variación en el tiempo, y sobre todo el Nivel Equivalente Leq.
Como referencia para evaluar los niveles de agresión puntual será conveniente considerar
los niveles acústicos picos, que en nuestro país se pueden equiparar a los niveles máximos
permitidos por la normativa española, que oscilan entre 82 dBA para turismos, 86 dBA para
motocicletas, y hasta 91 dBA para autobuses y vehículos de transporte. Valores similares se
pueden tomar como niveles Leq en calles de tráfico ligero, medio o pesado respectivamente,
considerando la coincidencia de vehículos y las reflexiones en fachadas.
Los niveles acústicos interiores en viviendas, según recomendaciones de la normativa
española, no deberían superar los 45 dBA en estancias de uso diurno ni los 30 dBA en
dormitorios por la noche. En conclusión, serían recomendables los siguientes valores de
aislamiento global (muro + ventana) en fachadas de habitaciones.
AISLAMIENTO
Estancias 45 dBA
Dormitorios 30 dBA
Trafico
día
noche
Ligero 82 dBA
37 dBA
52 dBA
Medio 86 dBA
41 dBA
56 dBA
Pesado 91 dBA
46 dBA
61 dBA
3 - NORMATIVA ACÚSTICA
La Norma Básica Española de Condiciones Acústicas en los edificios NBE-CA-83
determina que "El aislamiento acústico global mínimo a ruido aéreo Ag exigible a las fachadas
en cada local de reposo (dormitorios) se fija en 30 dBA. En el resto de los locales (salón,
despacho), excluidos los de servicio (cocina y baño), se considera suficiente el aislamiento
acústico proporcionado por ventanas con carpinterías de clase A-1 como mínimo”.
Para que la fachada de una habitación típica de 10 m2, con una ventana de 1.5 m² en una
fachada de 9 m², tenga un aislamiento global de 30 dBA se precisa que el aislamiento de la
ventana sea superior a 23 dBA, lo cual sólo es posible con una carpintería estanca de clase A-2,
ya que la carpintería A-1 sólo garantiza un aislamiento de 15 dBA.
Por supuesto, cualquier conducto de ventilación conectado directamente al exterior
disminuirá drásticamente el aislamiento global. Por ejemplo, un cerramiento de 9 m² con una
rejilla de 10x10 cm (0.01 m²), por muy aislante que sea el muro, jamás alcanzaría un aislamiento
global de 30 dBA.
En conclusión, se precisan fachadas con una elevada estanqueidad y sin conductos para
garantizar los niveles de aislamiento mínimo a que obliga la norma (30 dBA en dormitorios),
siendo necesarias soluciones acústicas extremas para alcanzar los niveles de aislamiento
deseables en calles urbanas (52 a 61 dBA en dormitorios).
4 - NORMATIVA TÉRMICA
La Norma Básica Española de Condiciones Térmicas en Edificios BBE-CT-79 limita la
permeabilidad al aire de la carpintería de los huecos exteriores, en función de las temperaturas
exteriores en invierno, expresadas en grados/día anuales en base 15-15ºC:
Zonas
climáticas
AyB
CyD
Grados/día
anuales
Menos de 800 ºC
Más de 800 ºC
Infiltración
Carpintería
Clase A-1
Clase A-2
con presión [Kg/m2]
1
5
11 [m³/h m²]
32 [m³/h m²]
4.5 [m³/h m²]
13 [m³/h m²]
Por consiguiente, todas las ventanas exteriores deben ser bastante estancas. Por el
contrario, no existe ninguna norma que garantice la renovación del aire en el interior de las
viviendas, excepto las normas de habitabilidad mínima que obligan a que los huecos exteriores
tengan un área practicable de 1/20 de la superficie del local, y que los locales de servicios
interiores dispongan de conductos de extracción pasiva (chimeneas o shunt).
Como contraste, la normativa francesa (decreto de 22/10/69) obliga a una renovación a la
hora del aire de las habitaciones principales (dormitorios y salón), tomando aire directamente del
exterior por conductos, y extrayéndolo a través de las habitaciones de servicio (baños y cocina)
por medios mecánicos. Sin embargo, esta norma está orientada solo para condiciones de invierno,
no siendo obligatoria en regiones templadas (altitud inferior a 200 m) ni para viviendas
unifamiliares. Además, su aplicación penaliza el aislamiento acústico en edificios urbanos.
La normativa española sería incluso más rigurosa que la normativa sueca, que limita una
exfiltración máxima total de 3 renovaciones a la hora para una sobrepresión interior de 5 Kg/m²,
mientras que una vivienda típica española de 100 m² (300m³), con una superficie total de 15 m²
de carpintería y sin otros conductos, renovaría:
Carpintería
Clase A-1
Clase A-2
Caudal [m³/h] total con 15 m²
de ventana con presión [Kg/m2]
1
5
165
480
68
195
Renovaciones/hora con 300m³ de
volumen con presión [Kg/m2]
1
5
0.55
1,6
0.22
0.65
Sin embargo, todo este caudal sólo se evacuaría si fuera introducido por algún mecanismo
de impulsión, como un ventilador mecánico. Si la renovación fuera provocada por la acción del
viento, el caso más favorable sería el de una ventilación cruzada, con las ventanas repartidas en
dos fachadas opuestas y transversales a la dirección del viento.
En el supuesto de ventilación cruzada, y para que la presión diferencial en cada ventana
fuera de 5 Kg/m², la presión eólica total entre las dos fachadas debiera ser de 10 Kg/m²,
equivalente a una velocidad de 41 Km/h (viento muy fuerte). El caudal entraría por la mitad de la
superficie de huecos de la vivienda y saldría por la otra mitad (7.5 m²), y la renovación sería la
mitad de la calculada anteriormente (0,8 y 0.32 Ren/h para carpinterías A-1 y A-2
respectivamente). Con un viento medio de 18 Km/h, la presión máxima en cada ventana sería de
1 Kg/m² (2 Kg/m² en total), y el caudal de renovación sería de solo 0,27 y 0.11 Ren/h para
carpinterías A-1 y A-2 respectivamente.
5 - OTRAS NORMATIVAS
Habría que considerar, sin embargo, que la inmensa mayoría de las viviendas españolas
están preparadas para usar gases combustibles en cocina, lo que les obliga a disponer de un
conducto directo al exterior de mas de 200 cm², próximo al suelo, además de una salida de humos
similar si utilizan calentador de agua o calefacción individual por combustión.
En el caso de existir baños y aseos interiores es obligatorio disponer de conductos de
extracción pasiva. En edificios multifamiliares se permite ventilar hasta 7 plantas de altura con un
único conducto tipo Shunt con dos bocas por planta. En la practica, estos dispositivos suelen
tener un funcionamiento bastante deficiente por su elevado rozamiento y la ausencia de una
fuerza eficaz que impulse el aire, teniendo incluso un tiro inverso en horas de calor.
6 - NECESIDAD DE RENOVACIÓN
Los sistemas de ventilación de viviendas deben cumplir conjuntamente tres funciones: la
introducción de aire nuevo, la correcta circulación del aire dentro de la vivienda, y por último, la
evacuación del aire usado hacia el exterior. Como convenio para esta exposición, se utilizará el
término renovación (de nuevo) para el caudal de aire que entra y sale (m³/h o Ren/h), y el
término ventilación (de viento) para la velocidad del aire que circula (m/s o Km/h).
La atmósfera de una vivienda debe renovarse para asegurar a sus ocupantes las adecuadas
condiciones de higiene y confort del aire. El hombre necesita un suministro de aire fresco, ya que
al respirar desprende una cantidad de anhídrico carbónico, vapor de agua y olores; por otra parte,
la cocina y los aparatos sanitarios también desprenden vapor y olores que deben ser evacuados.
Además, el caudal de aire debe situarse dentro de ciertos límites. En toda época, no debe
descender por debajo del valor mínimo necesario para la extracción de los contaminantes
generados por los habitantes y los aparatos. En invierno, el caudal no debe ser excesivo para
evitar demasiadas pérdidas de energía y el enfriamiento por ventilación. Por consiguiente, el ideal
consiste en garantizar la continuidad un caudal mínimo en función de las necesidades básicas.
En el caso de periodos o regiones calurosas, la renovación es un mecanismo muy eficaz (a
veces el único) para expulsar el calor y el vapor de agua del interior de los edificios, con tal que
el aire exterior sea más fresco y seco que el aire interior. Además, una renovación enérgica
aumenta la velocidad del aire o ventilación, acelerando el enfriamiento de los ocupantes por
convección y evaporación de la transpiración, al tiempo que favorece la creación de una
sensación subjetiva de frescor.
7 - EVALUACIÓN DE LA NECESIDAD DE RENOVACIÓN
Diferentes normas recomiendan un suministro mínimo de aire, como los criterios del
ASHRAE Standard 62-1989 con 25 m³/h por persona en edificios residenciales, o la norma
francesa con 1 Ren/h de las habitaciones principales.
Como ejemplo característico vamos a considerar una habitación de 9 m² y 25 m³ con una
temperatura de 24 ºC y 70% de HR, con un ocupante en reposo que disipa 95 Kcal/h, de las
cuales 35 Kcal/h corresponderían a la evaporación, equivalentes a 35 / 0.59 = 60 g/h de vapor,
que aportados a 25 x 1.2 = 30 Kg de aire supone un incremento de la humedad absoluta de 2
gva/Kg a la hora.
Este aporte de vapor, si no se considera el calentamiento y la renovación, incrementaría la
humedad relativa del 70% al 80% durante la primera hora, al 90% en la 2ª hora y se alcanzaría la
saturación en la 3ª hora. Un caudal de aire de 25 m³/h (1 Ren/h) introducido a 24 ºC y 70% de HR
estabilizaría la humedad interior con un incremento de 2 gva/Kg, equivalente al 80% de HR.
El aporte de calor sensible de 60 Kcal/h, si fuera absorbido exclusivamente por los 30 Kg
de la masa de aire, supondría un aumento de 60 / (30x0.24) = 8.3 ºC. En la práctica, la mayor
parte de la energía la absorben los cerramientos por radiación, con lo que el incremento de
temperatura no debería superar los 3 ºC.
En el presente caso, la combinación de calor sensible y latente (convección, respiración y
transpiración) podría provocar un ambiente a 27 ºC y 70% de humedad relativa. Además, al
aumentar la temperatura, la persona aumentaría el aporte de vapor hasta 3 gva/Kg a la hora,
disipando igual calor por evaporación como por convección mas radiación, empeorando las
condiciones ambientales interiores.
Como resumen, si se considera que en las habitaciones, además de ocupantes, suele
existir un aporte de energía luminosa (es igual que sea natural que artificial) y algunos aparatos
eléctricos, se llegaría a la conclusión que en condiciones de calor (T > 23 ºC) conviene aumentar
la renovación hasta 50 e incluso 75 m³/h o más por persona, o al equivalente de 2 o 3 Ren/h.
8 - CAUDAL DE RENOVACIÓN CON LAS VENTANAS CERRADAS
La renovación natural de habitaciones correctamente aisladas del ruido urbano será
siempre insuficiente, ya que las condiciones acústicas impiden la apertura de ventanas y
conductos al exterior. El calculo optimista del caudal para un viento de 18 Km/h sería entre 4.5 y
11 m³/h m² para ventanas tipo A-2 y A-1 respectivamente, estanqueidad mínima para
habitaciones de reposo (dormitorios) y de uso diario. Con una relación de ventana del 15% de la
planta, solo nos podemos garantizar entre 0.22 y 0.55 Ren/h, que son valores irrelevantes.
Será imprescindible introducir o extraer el aire por conductos interiores. Un caudal de 50
m³/h se puede suministrar por una rejilla de solo 10x10 cm con una velocidad de 5 Km/h (1.4
m/s), o un conducto de Ø 15 cm con una velocidad de 3 Km/h (0.8 m/s). Pero es evidente que
estos conductos no pueden estar conectados directamente al exterior, porque reduciría el
aislamiento por debajo de 27 dBA.
Será también imprescindible el recurrir a un sistema mecánico de impulsión o extracción,
que garantice el caudal de renovación mínimo, siendo interesante poder modular su potencia para
satisfacer los caudales puntas demandados en periodos críticos de calor o humedad.
Todo el mundo es de la opinión que el caudal de renovación debe fluir de las habitaciones
principales hacia los locales de servicio, para su expulsión. Pero existe un dilema fundamental
entre impulsar aire fresco a las habitaciones, extraer el aire viciado de los servicios, o ambas
cosas simultáneamente.
La impulsión mecánica suele crear una ligera sobrepresión que provoca la fuga del aire
interior (caliente y húmedo) a través de cerramientos permeables, espacios técnicos (desván,
cámara bajo edificio) o locales secundarios (garaje, galería), lo cual puede provocar
condensaciones en zonas frías, pero ello no es ningún inconveniente no en zonas cálidas, que
incluso puede disipar calor de cerramientos y espacios soleados.
La extracción mecánica en locales de servicios crea una ligera depresión que provoca la
entrada pasiva del aire exterior, pero sin garantizar el paso del aire por las habitaciones
principales, especialmente si existe rejillas de gas o salidas de humos en cocinas, o ventanas
exteriores en los baños: cualquier abertura a barlovento puede introducir un caudal muy superior
al de extracción. Además, en condiciones de calor, cualquier habitación que tenga la ventana
abierta puede provocar un cortocircuito que desequilibre el esquema de presiones diferenciales.
La impulsión y extracción mecánica es la solución ideal, al crear un flujo equilibrado y
simultáneo en todo el edificio, permitiendo incluso la recuperación del calor en climas fríos, pero
el incremento de calidad se ve penalizado con un coste doble de ejecución y mantenimiento, que
no compensa en climas cálidos, siendo el autor partidario de la primera solución.
9 - TOMA E IMPULSIÓN MECÁNICA DE AIRE FRESCO EN HABITACIONES
La toma exterior debe ser desde una zona limpia, fresca y seca. La cubierta es una
solución universal. Las fachadas traseras de edificios de gran altura o con patio de manzana
permiten la toma en viviendas con sistemas individuales. El sótanos o cámara bajo el edifico es
una solución interesante en viviendas unifamiliares.
El ventilador puede servir a todo un edificio, a una vivienda o una habitación puntual, y
conviene instalar un filtro para mejorar la calidad del aire. Los conductos de distribución se
dimensionan según caudal y la velocidad, manteniendo una cierta correspondencia, aunque la
velocidad del tramo final no conviene que pase de 2 m/s por ruidos, ni de 1 m/s por ahorro de
energía en uso continuo.
La rejilla de soplado debe poder regular el caudal, interesando una alta velocidad de
salida para crear una buena difusión, pero sin pitos. El local quedará en ligera sobrepresión (0.20.3 Kg/m²), exfiltrando aire por las carpinterías y enviando el aire hacia las zonas de servicios
(cocina, baño...) para su expulsión.
10 - RETORNO Y EXTRACCIÓN
La sección del camino de retorno del aire impulsado, hasta su extracción por los locales
de servicio, debe ser bastante superior al de la rejilla de impulsión, para evitar elevadas
velocidades y excesivas pérdidas de presión. En todo caso es interesante expulsar el aire que se
estratifica cerca del techo, al ser el más húmedo y cálido.
La solución más primaria, y con frecuencia más eficaz, es un paso directo desde la
habitación al pasillo o distribuidor, conectado a su vez con los locales de servicio. Se suele
utilizar una holgura entre la puerta y el suelo (75 x 1.3 cm = 100 cm²), una rejilla en la puerta (5 x
20 cm = 100 cm²), o mejor, un conducto empotrado en lo alto del tabique (Ø15 cm = 175 cm²).
En el caso de querer preservar la intimidad de las habitaciones hay que garantizar el
aislamiento acústico, pudiendo extraer el aire por el falso techo del distribuidor, por el interior de
un armario, o por un conducto insonorizado. También es muy interesante zonificar la vivienda,
independizando la zona de noche (entradas por dormitorios y salida por baños) de la zona de día
(entrada por salón y salida por cocina) si el diseño lo permite.
La salida del aire al exterior puede ser directa por conductos, rejillas o ventanas en
cocinas, baños y otros locales húmedos (cuarto de lavado). En condiciones normales puede ser
suficiente la salida pasiva del aire por la sobrepresión de las habitaciones principales, sin
perjuicio de poder utilizar extracción mecánica de apoyo (campana de cocina, baño interior
durante su uso) que mejoraría la renovación general de toda la vivienda.
En condiciones rigurosas, como edificios de gran altura o elevada ocupación, zonas
ventosas, usos contaminantes o elevada exigencia ambiental, se puede mejorar el circuito de
renovación con una extracción mecánica compensada con el flujo de impulsión. Esta solución es
típica de climas fríos con recuperador de calor.
11 - CONTROL Y REGULACIÓN
Por razones de economía y comodidad acústica, el ventilador debe ser elegido entre los de
alto rendimiento y baja sonoridad, ya que algunos no superan los 20 dBA. La toma de aire y el
conducto de impulsión debe estar diseñado y ejecutado para absorber los ruidos del exterior y el
ventilador, y para no trasmitir ruidos entre locales.
La regulación de caudal se puede realizar modulando la potencia del ventilador central,
entre un caudal mínimo (típico del 30%) y un caudal punta (100%). En instalaciones centrales
para varias viviendas se puede regular el caudal con varios ventiladores en cascada, controlados
por temporizadores, o automatizados en función de la temperatura exterior, de la temperatura o la
humedad del aire de retorno, etc.
En el caso que se permita al usuario regular el caudal en cada local se puede instalar
bocas de salida con persianas, pero hay que adaptar el caudal central para mantener la presión
constante, lo cual se puede automatizar con un presostato. En instalaciones unifamiliares se
pueden emplear ventiladores de potencia variable, con controles que el usuario puede regular
manualmente, o automatizados por temporizador diario y/o con botón de caudal punta durante un
cierto periodo (20 minutos por ejemplo).
Existe una amplia literatura relativa al ahorro de calefacción en instalaciones de
ventilación en climas fríos, basada fundamentalmente en intercambiar el calor del aire expulsado
para calentar el aire introducido. Esta estrategia no es válida en climas cálidos porque el aire
expulsado siempre será más cálido que la temperatura media exterior, salvo que se use
refrigeración mecánica. Sin embargo, una estrategia interesante es captar el aire desde un espacio
subterráneo, a temperatura constante, o incluso utilizar almacenamiento estratificado de calor en
grava, para impulsar el aire con un desfase de 12 horas respecto a la temperatura exterior.
Existe un sistema de ahorro de energía basado en extraer, mediante una bomba de calor,
el calor sensible y latente del aire expulsado, para caldear el agua caliente sanitaria consumida en
la vivienda. La alternativa en zonas o épocas cálidas sería refrigerar y deshumedecer el aire de
impulsión, y transmitiendo el calor al agua caliente. Se obtendría un rendimiento COP=2.0 o
doble de un calentador eléctrico, lo que amortizaría el equipo, y la refrigeración con
deshumidificación sería gratuita.