Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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):
Tc =
Tmr + Ta 10u
1 + 10u
(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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Capítulo 1. Introducción
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 horasgrado 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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Capítulo 1. Introducción
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 NavierStokes. 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:
∆P =
0.5 ⋅ ρ ⋅ Q 2
( Cd ⋅ A)
2
(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:
( c)
∆p = Q
1
n
(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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Capítulo 1. Introducción
0,6 y 0,7. Una ley empírica similar puede ser utilizada también para las rejillas de autoregulación (“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
pw =
C p ⋅ ρ ⋅ v2
2
(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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Capítulo 1. Introducción
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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11
Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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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13
Capítulo 1. Introducción
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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14
Capítulo 1. Introducción
vref 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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
15
Capítulo 1. Introducción
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 coaxial 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:
p2 − p1 = ρ 2 gz2 − ρ1 gz1
(Ec. 1.5)
La densidad del aire depende de la temperatura a partir de la ley para gas ideal, p
= ρ R T, tenemos:
ρ=
ρ 0T0 p
⋅
p0 T
(Ec. 1.6)
Donde el subíndice 0 designa condiciones normales de aire seco (p0 = 1,2929
kg
m3
, 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:
ρ=
ρ0T0
T
3
1.299  kg 3  ⋅ 273.15 [ K ] 352.6  kg ⋅ K 
m 
 m 

=
=
T [K ]
T [K ]
(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:
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
16
Capítulo 1. Introducción
ps ≡ p2 − p1 = ( ρ2 − ρ1 ) g ⋅ ∆z = ρ0T0  1 − 1  g ⋅ ∆z
T1 
 T2
(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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
17
Capítulo 1. Introducción
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/m3 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 m3/s, mientras que a través de la chimenea “g”
tendría que ser Qg = 1,10 m3/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.
∆pe + ∆p g = ∆ps + ∆pw
(Ec. 1.9)
Para el presente ejemplo:
kg 
m

∆ps = ( ρ0 − ρi ) g ∆z =  1.2028 − 1.1826 3  9.8 2  ( 3.5m ) = 0.69 Pa
m 
s 

 kg  ⋅ 42  m  2
2
1.2028
3
ρv
 s
 m 
∆pw ( C p −14 − C p − 20 ) ref = ( 0.3 + 0.5 )
= 7.70 Pa
2
2
Aquí se va a considerar la rejilla de entrada de auto-regulación modelada con un
exponente n=0,1, (Ec. 1.3)
Q
∆pe =  e 
 ce 
1
n
(
=
3
0, 55 m
1
ce
s
0,1
)
1
0,1
=
0.02533
ce10
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
18
Capítulo 1. Introducción
Y la chimenea se define mediante la ecuación clásica para orificios (Ec.1.2):
(= 1.1826 kg m ) (1.10 m s ) = 1.9874
3
∆p g =
ρ Qg2
2Cd2 Ag2
3
2 ⋅ 0.62 ⋅ Ag 2
Ag2
Sustituyendo estos resultados en la ecuación 1.9:
 0.02533 1.9874  0.69 Pa sin viento
+

=
10
Ag2  0.69 + 7.70 Pa con viento
 ce
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:
 0.02533 1.9874  0.02533 0.69 Pa sin viento
lim 
+
≤
 =
10
2
10
Ag →∞ 
c
A
c
0.69 + 7.70 Pa con viento
e
g
e


or
0.72 sin viento
ce ≥ 
0.56 con viento
 0.02533 1.9874  1.9874 0.69 Pa sin viento
lim 
+
≤
=
10
Ag →∞ 
Ag2 
Ag2
0.69 + 7.70 Pa con viento
 ce
1.70m 2 sin viento
Ag ≥ 
2
0.49m 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 m2 > 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:
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
19
Capítulo 1. Introducción
 0.02533 1.9874   0.02533 1.9874 
+
+

 = 
 = 0.69 Pa
10
2
10
2
c
A
c
2
e
g
e




o:
m3
ce = 0.82
s ⋅ Pa 0.1
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 m3 / (s P0.1):
 0.02533 1.9874   0.02533 1.9874 
+
+

=
 = ( 0.69 + 7.70 ) Pa
10
Ag2   0.8210
Ag2 
 ce
obteniendo :
Ag = 0.49m 2
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 autoregulación ce = 0.82 m3/(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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
20
Capítulo 1. Introducción
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):
veff = ( c1vr + c2 H ⋅ ∆T + c3 )
0.5
(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:
Q = 0.5 ⋅ Aw ⋅ veff
(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:
ACH =
3600
3600 0.5
⋅ 0.5 ⋅ Aw ⋅ veff =
⋅
⋅ veff
V
2.5 ⋅ h 20
(Ec. 1.12)
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
21
Capítulo 1. Introducción
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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
22
Capítulo 1. Introducción
pueden relacionar con una velocidad de referencia en un tiempo promedio aproximado
como es la velocidad del viento vr:
 ρ v2 
pww = C p − ww  r 
 2 
 ρ vr2 
plw = C p −lw 

 2 
(Ec.1.13)
(Ec.1.14)
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:
 ρ v2 
∆pw = pww − pwl = ( C p − ww − C p −lw )  r 
 2 
(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:
∆pw = ∆pinlet + ∆pint ernal + ∆pexhaust
(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:
2
 ρU ref
∆pw = ( C p − ww − C p −lw ) ⋅ 
 2

1.2

 ≈ ( ( +0.5 ) − ( −0.5 ) ) ⋅

kg
m
3
(
⋅ 4m
2
s)
2
= 9.6 Pa
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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
23
Capítulo 1. Introducción
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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
24
Capítulo 1. Introducción
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:
ρ0 ⋅ g ⋅ ∆z − ∆pinlet − ∆pint ernal − ρi ⋅ g ⋅ ∆z − ∆pexhaust = 0
(Ec. 1.17)
La presión de la chimenea es igual a las pérdidas:
∆ps = ∆pin let + ∆pint ernal + ∆pexhaust
(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:
 352.6 352.6 
∆ps = ( ρ0 − ρi ) ⋅ g ⋅ ∆z = 
−
 ⋅ g ⋅ ∆z
T
T
i
 0

(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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
25
Capítulo 1. Introducción
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:
∆ps + ∆pw = ∆pin let + ∆pint ernal + ∆pexhaust
(Ec. 1.20)
Donde haciendo uso de las ecuaciones 1.15 y 1.19:
∆ p s ≡ p s = ( ρ 0 − ρ i ) ⋅ g ⋅ ∆z
 ρ v2 
∆pw = ( C p −inlet − C p −exhaust ) ⋅  r 
 2 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
26
Capítulo 1. Introducción
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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
27
Capítulo 1. Introducción
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:
∆ps = ∆pi + ∆pd + ∆pe
(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:
∆ps = ρ0 ⋅ T0 ⋅  1 − 1  ⋅ g ⋅ ∆z
Ti 
 Te
(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):
(
)


Te = A + Ti − A ⋅ exp  − B ⋅ w ⋅ H

B
B
ρ
⋅
c
⋅
Q
e
p

(Ec. 1.23)
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
28
Capítulo 1. Introducción
 W 
Con A = h1Tw1 + h2Tw 2 y B = T1 + T2 , donde h1 y h2  2  son los coeficientes
m K 
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/m3) es la densidad del
aire en la salida, Cp (J / (kg K)] es el calor específico del aire y el Q (m3 / 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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
29
Capítulo 1. Introducción
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:
∆ps + ∆pw = ∆pinlet + ∆pint ernal + ∆pexhaust
(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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
30
Capítulo 1. Introducción
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:
∆pw = ( C p −inlet − C p − exhaust )
2
ρ vref
2
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:
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
31
Capítulo 1. Introducción
∆ps + ∆pw = ∆pinlet + ∆pint ernal + ∆pexhaust
(Ec. 1.25)
Donde:
∆ps =  ρ0 zb + ρ s za − ρi ( za + zb )  g
ρ v2
∆pw = ( C p −inlet − C p −exhaust ) ref
2
(Ec.1.26)
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:
kg
kg
kg
m


∆ps = 1.18 3 ( 0 m ) + 1.21 3 (10 m ) − 1.15 3 ( 0 + 10 m )  9.8 2 = 6.4 Pa
m
m
m
s


Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
32
Capítulo 1. Introducción
Sin el enfriamiento evaporativo con ∆za = 10 m
y ∆zb = 0 m :
kg
kg
kg
m


∆ps = 1.18 3 (10 m ) + 1.21 3 ( 0 m ) − 1.15 3 (10 + 0 m )  9.8 2 = 2.9 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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
33
Capítulo 1. Introducción
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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
34
Capítulo 1. Introducción
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:
Psat +
1 2
ρ v = cte
2
(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 ):
v( z )  z
=
v( zref )  zref
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:
C p ( zref ) =
Pk − P0 ( z )
1
ρ 0v 2 ( zref )
2
(Ec. 1.29)
Para evaluar las distribuciones de Cp en la cubierta de un edificio, se pueden
seguir diversas estrategias:
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
35
Capítulo 1. Introducción
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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
36
Capítulo 1. Introducción
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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
37
Capítulo 1. Introducción
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:
Pi − Pj = Pm − Pn + Pς
(Ec. 1.30)
Siendo Pς el efecto de flotabilidad térmica, que puede ser calculado mediante la
relación siguiente:
Pς = ρ m ⋅ g ⋅ ( zm − zi ) − ρ n ⋅ g ⋅ ( zn − z j )
(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:
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
38
Capítulo 1. Introducción
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:
Q = CQ ⋅ ( ∆P )
n
(Ec. 1.32)
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
39
Capítulo 1. Introducción
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.
∆P = λ
L ρ v2
d 2
(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.
Q =π
Re =
d2
4
d ⋅v
υ
λ = f (Re)
Y si se definen los coeficientes adecuados, la expresión del flujo en conductos
queda así:
Q = Cs ⋅υ 1− 2 n ⋅ ρ − n ⋅ ( ∆P )
n
(Ec. 1.34)
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
40
Capítulo 1. Introducción
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:
Q = Cs ⋅ f ( ρ ,υ , n) ⋅ (∆P ) n
(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:
Q = C ⋅ ∆P n
(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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
41
Capítulo 1. Introducción
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.
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
42
Capítulo 1. Introducción
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.
 P ( z ) − Pj ( z ) 
vi , j =  2 i

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:
Pi ( z ) = Pi ( z ) z =0 − g ⋅ ρ ⋅ z
(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
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico
43
Capítulo 1. Introducción
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:
z=H + z 0
∫
mzn , H = Cd ⋅
ρ ⋅ vi , j ( z ) ⋅W
z = zn
z = zn
mzn ,0 = Cd ⋅
∫
dz
(Ec. 1.39)
ρ ⋅ vi , j ( z ) ⋅ W
dz
z=z0
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:
Pi ( z ) = Pi ( z ) z =0 − g ⋅ ρ (Ti ) ⋅ z
(Ec. 1.34)
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Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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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Capítulo 1. Introducción
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
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