Sector de Acondicionamiento Acondicionamiento Ambiental - Escuela de Arquitectura – FAU/UCV ASIGNATURA: CLIMA Y DISEÑO. Prof. Luis Rosales (IDEC/FAU/UCV)
TEMA 5: VENTILACIÓN NATURAL INTRODUCCIÓN En el tema anterior se expusieron los principios básicos para controlar la radiación solar, principal causa de calentamiento de las edificaciones en climas tropicales. Estos principios pudieran ser insuficientes para lograr condiciones de confort, pues, aunque fundamental, el control solar es sólo una entre otras técnicas de diseño bioclimático, las cuales no sólo incluyen prevenir el arribo del calor, sino extraer el excedente que se pudiera presentar, lo que se conoce como c omo enfriamiento pasivo. En el tema venidero se discutirá (a manera de síntesis práctica del curso) el conjunto de técnicas relativas al diseño bioclimático. Antes, al igual que se hizo con el control solar, se dedicará un tiempo a explicar la técnica de enfriamiento pasivo más importante y más vinculada con el diseño arquitectónico, que es la ventilación natural.
LOS EFECTOS DE LA VENTILACIÓN NATURAL Renovar el aire caliente interior por aire más fresco de afuera abriendo puertas y ventanas es un procedimiento usual en edificaciones. Evidentemente, el refrescamiento será tanto más efectivo cuanto más fresco esté el aire que ingresa respecto del que sale. Si la diferencia de temperatura entre ambos fuese pequeña, la utilidad de ventilar sería limitada desde la perspectiva de extraer el calor. Pero ventilar implica a su vez crear corrientes de aire, las cuales, de hallarse a temperaturas inferiores a la de la piel, generarían una sensación inmediata de enfriamiento en las personas. Asimismo, Asimismo, si dichas corrientes estuviesen más frías que las superficies internas de la envolvente, e nvolvente, el aire, al pasar por ellas, las enfriaría. De lo anterior se desprende que la ventilación natural en climas cálidos persigue tres objetivos: 1. Expulsar el aire caliente de los ambientes y sustituirlo por aire más fresco de afuera. A este tipo de intercambios se les llama intercambios de masa. Su eficacia depende de la diferencia de temperatura entre el aire que entra y el aire que sale y del caudal de ventilación: a mayor diferencia y caudal, mayor será la potencia de enfriamiento. enfriamiento. Se dice dice que el aire así empleado actúa como como un fluido vector vector de calor. 2. Refrescar a las personas expuestas a las corrientes de aire. Este refrescamiento obedece al vínculo directo entre el confort y la velocidad del aire, el cual se da a través de los intercambios convectivos de calor sensible entre el aire y la piel y los intercambios de calor latente asociados con la evaporación del sudor. A mayor diferencia de temperatura, mayor velocidad y menor humedad, mayor será el enfriamiento. 3. Enfriar las superficies de los cerramientos expuestos a las corrientes de aire. Dicho enfriamiento se produce en razón de los intercambios convectivos de calor sensible entre el aire y los cerramientos. Su eficacia depende principalmente de la diferencia de temperatura entre el aire y las superficies, la rugosidad de las superficies y la velocidad con que el aire roce esas superficies. Se advierte que la eficacia global de la ventilación depende en primera instancia de tres diferencias de temperatura ([aire interior−aire exterior] [aire que fluye−piel] fluye−piel] [aire que fluye−superficies]) fluye−superficies]) y del potencial evaporativo del aire. De donde se infiere que ventilar pudiera ser contraproducente en las siguientes circunstancias: 1. 2. 3. 4.
Cuando el aire exterior esté más caliente ca liente que el aire interior. Cuando el aire que fluye alrededor de las personas esté más caliente que la piel. Cuando el aire que fluye alrededor de las personas, además de caliente, esté muy húmedo. Cuando el aire que roza r oza a las superficies internas de la envolvente esté más caliente que ellas.
Por otro lado, en climas fríos o épocas u horas frías, se da obviamente un límite por debajo del cual la ventilación produciría molestia. Se trata aquí de las circunstancias en que no se necesitan técnicas de enfriamiento pasivo, pues no no habría exceso de de calor que extraer, pudiendo más bien acontecer lo contrario. 1
Si se apela al diagrama psicrométrico y se considera que la temperatura de la piel en condiciones de confort tiene en promedio unos 33ºC, se puede delinear una zona fuera de la cual no convendría recurrir a la ventilación desde la perspectiva del confort. Esta zona pudiera superponerse a las condiciones de humedad y temperatura de un clima específico, con lo que se obtendría un panorama inicial de la factibilidad de ventilar.
Límites en los cuales conviene apelar a la ventilación natural como técnica de enfriamiento (v<2 m/s) (Givoni B.). Su perposición de esos límites con los rangos anuales de temperatura y humedad de las ciudades de Mérida y Maracaibo (datos de la FAV del año 2001, llevados al diagrama con el programa WEATOOL v1.10 (www.squ1.com)).
Obsérvese que tanto en Mérida como en Maracaibo se pueden dar situaciones en las que no conviene ventilar. Sin embargo, en Mérida, tales situaciones se deben al frío, mientras que en Maracaibo, al calor y la humedad. En el primer caso bastará con permitir al usuario decidir cuando ventilar y cuando no, para lo cual se podrá recurrir a componentes de control de la ventilación, evitando el uso de cerramientos siempre abiertos como los bloques de ventilación. La situación es más complicada en Maracaibo, donde el exceso de calor y humedad sólo puede combatirse eficazmente mediante sistemas adicionales de enfriamiento y/o deshumidificación. Es de advertir que Venezuela, contrariamente a países de clima caliente y seco, presenta amplitudes de tem peratura relativamente bajas y altos niveles de humedad. Ello dificulta aprovechar configuraciones arquitectónicas en las que envolventes cerradas y pesadas mantengan en el día el aire interior más fresco, lo que se pudiera complementar con ventiladores que eleven los intercambios vinculados con los movimientos de aire. Si bien los ventiladores son muy útiles en cualquier clima caluroso, la facilidad con que se saturaría el aire de un recinto cerrado en un clima húmedo por la humedad producida por las personas y las actividades que generan vapor requiere combinarlos con una renovación de aire eficiente.
LAS FUERZAS MOTORAS DE LA VENTILACIÓN NATURAL Para que el aire fluya alrededor y dentro de las edificaciones se requiere de alguna fuerza motora. Ésta puede originarse de causas naturales o de equipos fabricados por el hombre. El aire sólo se moverá al ser empujado, succionado, calentado o enfriado.
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En cada caso el movimiento será causado por una diferencia de presión que hace que el aire fluya desde la zona de mayor presión hasta la zona de menor presión, buscando con ello restituir el equilibrio. Esta diferencia de presión puede ser de dos tipos: · ·
Diferencia de presión dinámica: es la que produce un empuje o una succión del aire, caso en el cual se habla de una corriente dinámica. Diferencia de presión estática: es la que se genera por diferencia de densidad, temperatura o altura, caso en el cual se habla de una corriente térmica (efecto chimenea o tiro térmico).
El viento atmosférico tiene de por sí una presión dinámica proporcional al cuadrado de su velocidad: Pdinámica
1 =
2
ρ
2
v (N/m2)
Donde ρ es la densidad del aire (kg-masa/m3). Esta presión es producida sólo por la velocidad (como cuando se sopla sobre un objeto), por lo que una masa de aire detenida no tiene presión dinámica. Sin embargo, en todos los casos –moviéndose o detenido–, el aire tiene también una presión estática, aquella que se origina de su propio peso (en el caso del agua, por ejemplo, la presión estática es la que frena a una persona a sumergirse en demasía, a riesgo de dañar el oído): Pestática
=
P0
−
ρ .g . z
(N/m2)
Donde P0 es una presión estática de referencia a una altura z0 (por ejemplo, a nivel del suelo) (N/m2). ρ es la densidad del aire (kg-masa/m3) g es la aceleración de gravedad (m/s2) z es la altura en la que se evalúa el aire, medida por encima de z0 (m) Adviértase que la multiplicación ( ρ.g.z) no es otra que el peso de la columna de aire que está entre z0 y z. De ahí, que al restársele a P0, lo que se obtiene es simplemente la presión estática del aire a esa nueva altura, la cual será menor si z indica un lugar más alto que z0. Nota: la presión atmosférica es en realidad la presión estática a una altura z de la atmósfera. Ésta disminuye con la altitud, pues a mayor altitud, menor cantidad de aire hay hasta la superficie de la atmósfera, es decir, menos peso se tiene por encima (como cuando se está, en el caso del agua, más cerca de la superficie). Ahora bien, cuando se calienta una masa de aire ésta se expande, disminuyendo su densidad o, lo que es lo mismo, su peso, dando lugar a un flujo ascendente que deja una depresión que atrae aire más frío que baja. De manera esquemática, deberán recordarse siempre las siguientes correspondencias: Aire caliente → menos denso (más liviano) → ascendente Aire frío → más denso (más pesado) → descendente
En climatización pasiva, empujar o succionar el aire se logra explotando la relación entre el viento y la forma de la edificación, con el objeto de aumentar la diferencia de presión dinámica, mientras que calentarlo se logra por intermedio de la radiación solar, lo que tiene por objeto modificar la diferencia de presión estática.
CORRIENTES DINÁMICAS DE VENTILACIÓN El aire es empujado o succionado cuando alrededor o dentro de las edificaciones se presentan diferencias de presión dinámica que lo obliguen a fluir desde las zonas de altas presiones hasta las zonas de bajas presiones a fin de restituir el equilibrio. Cualquier obstáculo que desvíe o cambie la trayectoria del aire así impulsado entorpecerá su flujo, produciendo en él pérdidas dinámicas, en especial si es obligado a ascender o descender (siempre que tal movimiento vertical no se deba a un aumento o disminución de temperatura). 3
Cuando el viento choca con una edificación se generan alrededor de ésta presiones dinámicas positivas en el lado de barlovento y presiones dinámicas negativas en el lado de sotavento. Éstas varían a lo largo y ancho de las fachadas y dependen de la forma de la edificación, sus alrededores, el ángulo de incidencia del viento y su velocidad. Para intentar emparejarlas con la menor pérdida energética el aire buscará entrar por cualquier abertura que esté del lado de barlovento y salir por cualquier abertura que esté del lado de sotavento.
Campo de presión alrededor de una edificación
La presión dinámica en las fachadas se relaciona con la presión dinámica del viento aguas arriba por medio de un coeficiente adimensional llamado coeficiente de presión Cp: P fachada
=
C p Pdinámica
=
C p
1 2
ρ v
2
(N/m2)
Cp se
determina generalmente en forma experimental, usando túneles de viento. Los experimentos para determinar Cp se han realizado tratando de solucionar problemas particulares o a los fines de codificar los valores que toma en función de parámetros como la forma y la altura de la edificación o el ángulo de incidencia del viento. La figura de la derecha muestra un ejemplo de la distribución del coeficiente de presión en las fachadas de una edificación simple. De una manera general, si se diseña y orienta la envolvente de la edificación de forma que las diferencias de presión entre las diversas fachadas sean lo más grandes y se ubican las aberturas donde los coeficientes positivos y negativos sean mayores, el aire entrará y saldrá con mayor fuerza. Coeficiente Cp de una edificación simple (Allard)
Indudablemente, para que lo anterior sea de provecho las divisiones internas no deben bloquear el flujo general así concebido sino adaptarse él. Adicionalmente, la disposición de las aberturas y los espacios debe proyectarse de modo que el aire circule por todas las zonas en que se espera que permanezcan las personas (en caso de que el criterio sea incentivar los intercambios entre el aire y la piel) o por las superficies internas de la envolvente (en caso de que el criterio sea enfriar la masa de la edificación). Por otro lado, si se considera que el aire pasa por una abertura a una velocidad promedio v, el caudal total que atraviesa dicha abertura será en primera instancia dicha velocidad multiplicada por el área: 4
Q
=
A.v
(m3/s)
Sin embargo, en toda abertura se genera siempre una pérdida de energía por causa del roce que se produce en el contorno de la misma y las turbulencias que genera. A fin de considerar dicha pérdida se define un coeficiente adimensional llamado coeficiente de descarga Cd el cual indica el caudal real que finalmente pasa: Q
=
Cd . A.v (m3/s)
Un examen de los experimentos hechos en distintos tipos de aberturas con miras a averiguar el coeficiente de descarga muestra que Cd depende sobre todo de las dimensiones de la abertura y el tipo y la forma de las aristas que limitan el flujo. Para aberturas pequeñas totalmente abiertas un valor representativo es 0,65. Para aberturas grandes, Cd se acerca a la unidad. Un valor típico para una abertura estándar es 0,80. Por otro lado, mientras más aristas limiten el flujo, mayor será la pérdida. Así, para bloques de ventilación, Cd adquiere valores cercanos a 0,6 (es decir, se pierde aproximadamente el 40% de caudal respecto de un área equivalente grande totalmente abierta) y para una ventana con malla mosquitero, Cd puede bajar hasta 0,4. Otro hecho real es que la presencia de aberturas disminuye los valores de los coeficientes de presión y por tanto las diferencias de presión dinámica (puesto que se reduce la resistencia del obstáculo representado por la edificación), introduciendo un cambio en lo que podría estimarse al sólo tomar en cuenta los campos de presión originados por la forma global de la envolvente. Esto hace que luego de cierta área de ventanas no se logre un aumento de ventilación apreciable. Para el caso de ventilación cruzada, ello ocurre aproximadamente cuando la permeabilidad de la fachada supera el 60% (la permeabilidad es el porcentaje de área de abertura respecto del área de fachada). A modo de ejemplo se muestra a la derecha la variación del caudal de ventilación en una casa sencilla al aumentarse el ancho de las ventanas.
4000 3500 ) 3000 h / 3 m2500 ( l a t o 2000 t l a d 1500 u a C
1000 500 0 0,6
1,95
3,3
4,65
6
Anch o to tal d e ventan as (m)
Relación ancho de ventanas-caudal total (Aiolos)
La distribución de la presión dinámica alrededor y dentro de una edificación y las corrientes de ventilación que se generan dependen en los hechos de numerosos factores relativos a la geometría de la edificación y su entorno y a las características del viento incidente. Entre los principales se pueden mencionar: 1. Características del emplazamiento - Velocidad y dirección del viento, las cuales pueden ser modificadas por los siguientes factores: ⋅ Topografía del lugar ⋅ Características del entorno (la presencia de vegetación o de edificaciones cercanas) ⋅ Plano urbanístico (la posición relativa de las edificaciones cercanas) 2. Geometría exterior de la vivienda - Forma de la planta de la edificación - Orientación de la edificación, fachadas y aberturas - Permeabilidad de las fachadas - Características de las aberturas - Arquitectura del techo - Presencia de elementos externos que aumenten las velocidades y/o las diferencias de presión 3. La geometría interior de la vivienda - Orientación de las particiones internas - Permeabilidad de las particiones internas - Características de las aberturas internas
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La incidencia relativa de cada factor es objeto de estudio por parte de los investigadores. Cualquiera que sea el caso, se podrán considerar, alternada o integradamente, las siguientes recomendaciones para climas cálidos en los que la ventilación sea un criterio importante (las cuales están interrelacionadas en la práctica): 1. Generar ventilación cruzada 2. Ubicar las aberturas de acuerdo con la estrategia de ventilación a seguir 3. Captar adecuadamente el viento 4. Aumentar las diferencias de presión alrededor de las edificaciones 1. Generar ventilación cruzada
La ventilación cruzada significa que se colocan aberturas del lado de las presiones positivas para la entrada del aire y aberturas del lado de las presiones negativas para la salida del mismo. A tal fin, la orientación de la edificación, así como la ubicación relativa de las ventanas, espacios y particiones internas debe adecuarse a la dirección dominante de los vientos de la zona, con el objeto de que el aire pueda entrar, fluir y salir con facilidad. Mientras más se entorpezca el flujo al interior, más se producirán zonas de estancamiento y turbulencias que generarán pérdidas de velocidad, disminuyéndose la eficacia de la ventilación cruzada (ver figura).
Adaptación de la orientación de la edificación a la dirección de los vientos y acoplamiento de las ventanas y particiones internas a su trayectoria natural
Los experimentos muestran sin embargo que para el caso de ventilación cruzada, no se requiere en rigor que las ventanas de entrada de aire (presiones positivas) sean totalmente perpendiculares al viento incidente. Aunque los coeficientes de presión tiendan a ser más bajos, se podrá considerar que se tiene un margen de unos 60º a ambos lados en el cual la ventilación será adecuada (ver figura). Esto es importante en el trópico puesto que permite conciliar el control solar con la ventilación (si, por ejemplo, se plantease con base en el control solar una edificación alargada este-oeste con fachadas ciegas en esas orientaciones y aberturas en las orientaciones norte y sur en un sitio en el que predominan vientos alisios del noreste, el que el viento llegue con esa dirección no será pro blemático respecto de la ventilación). 6
Es más fácil generar ventilación cruzada cuando la planta es dispersa (con volúmenes salientes y entrantes) que cuando es compacta. Ello habilita inducir flujos de ventilación independientes en cada espacio, permitiendo resolver el conflicto entre ventilación y privacidad en algunos recintos, pues disminuye la necesidad de aberturas internas que comuniquen las aberturas externas de entrada y salida del aire. Además, una planta dispersa reduce la importancia de la orientación respecto de la incidencia del viento (ver figura).
Una edificación dispersa permite tener ventilación cruzada en todos los espacios, así cambie la dirección del viento
Otra posibilidad es usar atrios centrales abiertos (o con cerramientos permeables o de apertura controlable), patios o cualquier es pacio grande central que atraviese la edificación, sirva para actividades comunes y a su vez distribuya las corrientes de aire e induzca ventilación cruzada en los recintos de uso más privado. Ello implica sin embargo comunicar dichos recintos con el espacio central por medio de aberturas internas abiertas o permeables, dificultando la posibilidad de lograr privacidad acústica y visual (este es el caso de la casa colonial típica –ver figura). El caso contrario a la ventilación cruzada (mucho más negativo cuando se requiera de una buena ventilación) es la llamada ventilación unilateral. La ventilación unilateral significa que las aberturas se encuentran en un solo lado. En tales casos los ambientes de la edificación se convierten en frenos totales para la trayectoria natural del viento, haciendo que éste prefiera envolver la edificación antes que entrar en ella. Al poco aire que entra por una ventana deberá corresponderle una cantidad igual que sale, lo que puede ocurrir en ventanas paralelas o, incluso, simultáneamente, en una misma ventana. En general, una ventilación unilateral producirá caudales y velocidades de aire aproximadamente 80% inferiores a los de una ventilación cruzada. Si por restricciones de diseño no se puede contar con ventilación cruzada debiéndose recurrir a ventilación unilateral, las ventanas deberán hacerse tan grandes como posible. Si, por el contrario, es posible realizar cambios en la envolvente a fin de colocar aberturas de salida del aire así sean éstas pequeñas, no se deberá dudar en hacerlo. En tales casos problemáticos el tamaño de las aberturas de salida puede considerarse un factor secundario para los caudales, siendo la prioridad las aberturas de entrada del aire. Si bien la presencia de aberturas de salida pequeñas produce cierto freno y por ende una reducción del caudal (entre otras cosas puesto que se reduce el valor del coeficiente de descarga), las diferencias de presión se encargan de succionar el aire, el cual aumenta su velocidad a proximidad de las aberturas más pequeñas a fin de que pueda salir a una tasa acepta ble (de hecho, diversos experimentos han mostrado que la velocidad del aire al interior aumenta si las ventanas de salida son alrededor de 25% más pequeñas que las ventanas de entrada). 7
2. Ubicar las aberturas de acuerdo con la estrategia de ventilación a seguir
De manera general, la altura de las aberturas se corresponde con la altura más ventilada de los ambientes:
Ubicación vertical de las aberturas a los efectos de ventilar distintas zonas de la edificación
El ancho de las aberturas debe ser lo suficientemente grande y la ubicación de las mismas debe permitir que el flujo se reparta lo más uniformemente posible en todo el espacio a ventilar cuando se trate de refrescar a las personas y a todo lo largo y ancho de los cerramientos cuando se trate de enfriar la masa de la edificación.
Distribución de los flujos a lo largo y ancho de los espacios agrandando las ventanas y ubicándolas convenientemente
Sin embargo, repartir las corrientes de aire a lo largo y ancho de un ambiente no implica necesariamente colocar ventanas grandes abiertas para la entrada y salida del viento, tratando de que éstas abarquen todo el ambiente. De hecho, las aberturas pueden colocarse de tal manera que generen cierto cambio de dirección del flujo de aire, creando una corriente ensanchada y circular a través de todo el espacio. Esto se logra cuando las ventanas de entrada y salida del aire no están alineadas con la dirección del viento (ver figura). Si bien con ello se afecta el caudal de ventilación por aumentarse las pérdidas al chocar el aire con las paredes, tal pérdida queda compensada desde el punto de vista del confort por una mayor velocidad en algunas zonas y una mejor repartición de las corrientes.
Repartición del aire desalineando las ventanas
Por otro lado, las ventanas horizontales son en general más eficientes para ventilar que las ventanas verticales ya que se adaptan a la estratificación originaria vertical del viento atmosférico y en consecuencia los coeficientes de descarga resultan mayores. En adición, es obviamente más fácil lograr áreas de ventana grandes cuando éstas se pueden desarrollar horizontalmente (recuérdese que el caudal es proporcional al área de la abertura). Además, es más difícil repartir las corrientes de aire a lo largo y ancho de un ambiente utilizando ventanas verticales sin que las pérdidas de velocidad sean excesivas, a menos que se coloquen varias ventanas de entrada del aire y varias de salida de forma repartida. 8
Usar aberturas en los techos, además de hacer correr el aire por el plafón, permite extraer el aire caliente que se podría estancar si sólo se contara con ventanas ubicadas a baja altura. Los techos de doble inclinación facilitan la colocación de tales aberturas. Un techo así genera una ventilación cruzada entre las aberturas colocadas en él y las aberturas de cara a estas últimas, lo que no basta para generar una ventilación cruzada completa, requiriéndose colocar ventanas en la fachada opuesta. Ello crea una “doble” ventilación cruzada, con lo que se resuelve tanto el enfriamiento de las personas como el enfriamiento del techo (ver figura).
Uso de techos de doble inclinación para repartir verticalmente las corrientes de aire
La estrategia de ubicar las aberturas de manera de enfriar la masa de la edificación tiene como variante principal la llamada estrategia de ventilación nocturna. La misma consiste en enfriar de noche la envolvente haciendo fluir el aire nocturno fresco por las superficies internas (piso, techo, paredes). La masa de la edificación se enfría así por convección durante la madrugada, convirtiéndose en la mañana en un sumidero frío que demandará absorber la radiación que emiten los ocupantes, mejorando la posibilidad de alcanzar confort. Por otro lado, puesto que la edificación inicia la mañana teniendo una temperatura menor, le tomará luego más tiempo calentarse durante el día. Por tratarse de una estrategia de enfriamiento que aprovecha los intercam bios convectivos nocturnos, la efectividad de la ventilación nocturna dependerá principalmente de la amplitud diaria de temperatura, la masa térmica disponible y la extensión y velocidad de los flujos de aire que rozan las diversas superficies. De particular importancia es no cubrir la masa térmica (es decir, no usar revestimientos internos aislantes). Esta estrategia es particularmente atrayente en edificaciones de uso diurno y materiales pesados, en las que un exceso de frío en la madrugada no tenga consecuencias sobre el confort, por encontrarse la edificación sin personas. Nota: la ventilación nocturna es la causante, por ejemplo, de que el edificio de la Facultad de Arquitectura de la UCV amanezca siempre frío. 3. Captar adecuadamente el viento
Aumentar las velocidades de aire y por ende las probabilidades de lograr confort en razón del aumento de los intercambios convectivos y evaporativos entre la piel y el aire puede hacerse creando al llamado efecto venturi. Dicho efecto se da cuando un fluido circula a través de un estrechamiento (por ejem plo un embudo). En ese caso, la velocidad del fluido aumenta. Efecto venturi
Los aleros, la vegetación, las pantallas solares, el entorno construido y otros elementos pueden diseñarse con formas aerodinámicas que canalicen la ventilación generando el efecto venturi. Tales recursos son útiles es pecialmente en sitios de poco viento en los que cualquier aumento de velocidad puede hacer la diferencia entre malestar y confort (recuérdese que una corriente de aire es sensible sólo si supera los 0,3 m/s). En sitios de vientos apreciables, en cambio, esta estrategia pudiera ser contraproducente, a menos que se complemente con elementos de control de la ventilación que eviten la inconveniencia de velocidades mayores que 1,5 m/s, las cuales están asociadas con el levantamiento de polvo y objetos livianos.
Uso de formas aerodinámicas para favorecer la velocidad del aire canalizando el flujo
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Contrariamente, la presencia de obstáculos en las inmediaciones de una edificación puede restringir severamente la llegada del viento. Una masa vegetal cuyas partes más frondosas se encuentren a la altura de las ventanas o un muro de lindero pueden ser en este sentido muy perjudiciales. El manejo de la vegetación o cualquier elemento aledaño en aras de permitir la ventilación deberá conjugarse con el criterio de control solar. Por otro lado, en países o zonas en los que la inseguridad personal es un problema, son comunes los muros altos destinados a proteger las edificaciones. En tales casos conviene considerar el uso de enrejados o celosías o incorporar aberturas en los muros (las cuales pudieran contar con rejas). Ello siempre que se acepte la visibilidad hacia adentro (aunque tales celosías pudieran hacerse con planos inclinados que dificulten esa visibilidad).
Muros con aberturas
En términos generales, la perturbación que produce una barrera contra el viento desaparece completamente a una distancia de 12 veces la altura de dicha barrera cuando ésta se encuentra aguas arriba, en dirección de la proveniencia del viento. Así, un muro de 2,5 m de alto requeriría en rigor ubicarse a 30 m de distancia. Se trata como se ve de una restricción severa. Es por ello que en la práctica se considera aceptable una distancia de 5 veces la altura del obstáculo, a sabiendas de que el viento llegará algo disminuido. A medida que la barrera se desalinea respecto de la dirección del viento la perturbación se reduce. Para ventanas de pisos superiores el problema tenderá del mismo modo a desaparecer. Se debe señalar que del lado de sotavento (donde las presiones son negativas) las construcciones o la vegetación, si están muy cerca, afectan también la ventilación, pues trasladan hasta detrás de ellas los coeficientes de presión negativos. Es importante evitar siempre que sea posible la presencia de obstáculos que alteren la libre llegada y salida del viento. Estudio en laboratorio de una barrera construida (CSTB)
Obviamente, en ciudades, lo antedicho puede ser un problema difícil de solucionar cuando se diseñe una edificación relativamente baja. En tales casos se debe observar la real proveniencia del viento, considerando que las vías públicas y los “corredores” que conforman los edificios aledaños pueden producir el efecto venturi en direcciones específicas. Si en cambio se diseña un conjunto urbano de varias construcciones, la ubicación relativa de las mismas debe preservar una correcta llegada del viento en cada una de ellas (ver figura). Se trata de un caso en el que orientar las fachadas de captación del viento perpendicularmente al mismo puede ser inconveniente si las construcciones se ubican las unas detrás de las otras.
Determinación del plan urbano favoreciendo la llegada del viento
(http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.html)
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Finalmente, conviene evaluar dirigir las corrientes de aire según la dirección del viento (la cual normalmente varía en el tiempo) o según el área de permanencia en el recinto. Para ello son útiles las ventanas batientes, basculantes o de romanillas, las cuales proporcionan ciertas posibilidades a tales efectos. Sin embargo, el criterio más importante al momento de escoger el tipo de ventana es adecuar la permeabilidad de las mismas a los requerimientos de ventilación (porcentaje de área abierta respecto del área total de la ventana), pues el caudal y el ancho de las corrientes de aire dependen de ello. En tal sentido, las ventanas corredizas resultan menos provechosas. Obviamente, dependiendo del tamaño total de la ventana y de la necesidad real que se tenga de maximizar la ventilación (lo cual depende sobre todo del clima) podrá considerarse el uso de ventanas con menor o mayor permeabilidad, habida cuenta de que otros criterios como la iluminación, la practicidad (a nadie le gusta limpiar ventanas de romanillas) o los gustos pueden resultar esenciales para e l usuario.
Permeabilidad de diferentes tipos de ventanas (http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.html)
4. Aumentar las diferencias de presión
Más arriba se apuntó que a mayor diferencia entre las presiones dinámicas de las fachadas de entrada y salida del aire, mayor será la energía disponible para ventilar. Se puede al respecto recurrir a técnicas constructivas que incrementen tales diferencias. En líneas generales, cuanto mayor sea la resistencia que ofrezca la forma de la envolvente y su entorno inmediato al libre flujo del viento atmosférico, mayores serán los coeficientes de presión entre uno y otro lado (ver figura).
Aumento de la ventilación manejando las diferencias de presión
Cuando por cualquier razón no se pueda contar con ventilación cruzada, convendrá colocar al menos dos ventanas en la misma fachada y orientar dicha fachada de manera que la incidencia no sea completamente perpendicular. Ello hace que los coeficientes de presión no sean del todo iguales, induciendo una entrada de aire en una de ellas y una salida en la otra. Sin embargo, lo que resulta realmente de provecho en tales casos es incorporar salientes que induzcan diferencias de presión localizadas (ver figura). 11
Creación de diferencias de presión para una ventilación unilateral
CORRIENTES TÉRMICAS DE VENTILACIÓN Cuando el movimiento del aire se produce por diferencias de temperatura el flujo tiende a desplazarse verticalmente siguiendo la ruta que ofrezca la menor resistencia. Como ya se apuntó, la diferencia de temperatura conlleva una diferencia de densidad y por ende una diferencia de presión estática, que es la fuerza motora de las corrientes térmicas. Por otro lado, puesto que la presión estática varía también con la altura, las corrientes térmicas serán tanto más fuertes cuanto mayor sea la diferencia de altura entre las masas de aire a temperaturas disímiles que activan el flujo. Las corrientes de aire totales que se dan en edificaciones son la combinación de las corrientes dinámicas y las corrientes térmicas. Dichas corrientes se complementan o contrarrestan dependiendo de su magnitud y sentido relativos. Existen métodos de diverso tipo para calcular los caudales que producen cada tipo de fuerza motora o la combinación de ambas. Más adelante, a título informativo, se enumerarán dichos métodos, aunque su examen detallado quedará fuera del alcance del curso. Entre tanto, se muestran los resultados de calcular el caudal en un caso sencillo de ventilación cruzada a los efectos de explicar un hecho importante: en comparación con las corrientes dinámicas producidas por vientos moderados a altos, la diferencia de temperatura y/o la diferencia de altura deben ser grandes para producir corrientes térmicas de magnitudes similares. El ejemplo en cuestión es un local de habitación con dos ventanas opuestas de 1 m2 c/u, sometido a un viento de incidencia perpendicular, es decir, a una ventilación cruzada franca. La temperatura del aire del local es 5ºC mayor que la del aire exterior, por lo que tenderá a generarse un flujo térmico que expela el aire más caliente de adentro por la parte alta de cada ventana e introduzca el aire más fresco de afuera por la parte baja. En la gráfica de la derecha se muestran los caudales globales de ventilación del local (corrientes dinámicas + corrientes térmicas) en función de la velocidad del viento incidente y se les compara con los caudales que se producirían únicamente por efecto de las corrientes dinámicas. Nótese que cuando la velocidad del viento supera 0,5 m/s las corrientes térmicas dejan de tener influencia en el caudal global. Esto es así debido a que la fuerza dinámica del viento incidente comienza a superar con creces la fuerza generada por la diferencia de temperatura, deshaciendo las corrientes térmicas.
Influencia de las c orrientes térmicas en el caudal glob al de un loc al 5ºC más caliente que el exterior y som etido a viento 0.8 ) s 0.7 / 3 m ( 0.6 n ó i c 0.5 a l i t n 0.4 e v e 0.3 d l a 0.2 d u a C 0.1
Caudal total Cuadal dinámico
0 0
0.1
0.5
1
2
Velocidad de v iento (m/s)
Influencia del viento y la diferencia de temperatura en el caudal global (datos tomados de Hobaica)
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En el ejemplo anterior se consideró que la diferencia de temperatura de 5ºC se mantiene constante al aumentarse la velocidad del viento. Sin embargo, se sabe que esto no es así, puesto que al crecer el caudal dicha diferencia se reduce, disminuyendo aún más la influencia de las corrientes térmicas. Es por ello que en las regiones tropicales en las que las diferencias de temperatura entre el exterior y el interior suelen ser pequeñas, las corrientes térmicas con frecuencia se desprecien. Con todo, sí pueden ser significativas y ventajosas en zonas de muy poco viento (como, por ejemplo, el sur de Venezuela). Además, las corrientes térmicas aumentan con la diferencia de altura, razón por la cual conviene recurrir a ellas en edificaciones altas, o simplemente usarlas en general para evacuar el aire caliente que se pudiera estancar y acumular bajo el techo. Para ilustrar mejor la influencia de las diferencias de temperatura y las diferencias de altura en la fuerza de las corrientes térmicas, véanse las gráficas de abajo, basadas en el ejemplo esquemático de la derecha. Allí se muestra: a) la velocidad del viento por encima de la cual se anulan las corrientes térmicas para una diferencia de altura variable y una diferencia de temperatura de 5ºC y b) la velocidad del viento por encima de la cual se anulan las corrientes térmicas para una diferencia de temperatura variable y una diferencia de altura de 10 m. Velocidad de viento en que las corrientes térmicas se vuelven despreciables en función de la diferencia de altura entre las ven anas (Ti-Te = 5 ºC)
Velocidad de viento en que las corrientes térmicas se vuelven despreciables en función de la diferencia de temperatura (H = 10 m)
3.50
4.00
e d s e a t 3.00 m n i e c i r n r e o ) 2.50 r c / s o s p l a ( m o n s 2.00 t n l a a c e i i u v n m1.50 r e a é t d e s 1.00 d l a a d i u c c 0.50 o a l e l V
e d s 3.50 e a t m n i e c i r 3.00 n r e o ) r c / s o s 2.50 p l a ( m o n s t n l a a c 2.00 e u i i v n m r 1.50 e a é d e t s d l a a 1.00 d i u c c o a l 0.50 l e V
0.00 5 2 0 .
4
6
8
0 1
2 1
1 4
6 1
8 1
0 2
2 2
2 4
6 2
8 2
0 3
0.00 0
1
2
3
4
Diferencia de altura H (m)
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Diferencia de tem peratura Ti-Te (ºC)
Velocidad de viento por encima de la cual se anulan las corrientes térmicas (Cálculos basados en la norma británica BS 5925–1980)
Nótese que cuando el viento es de cierta magnitud (superior a 2 m/s) la diferencia de altura o la diferencia de temperatura deben ser grandes para que las corrientes térmicas tengan relevancia. Si en cambio el viento es nulo, éstas pasarán a ser la única ventilación, resultando tanto más significativas cuanto mayores sean las diferencias de temperatura y altura. A fin de dar una idea de su magnitud, se muestran en las siguientes figuras para el mismo ejemplo las variaciones del caudal térmico para viento nulo en función de la diferencia de altura y en función de la diferencia de temperatura suponiendo que las cuatro ventanas son de 1 m2 cada una: Caudal térmico con viento incidente nulo en función de la diferenc ia de alt ura (Ti-Te=5ºC)
Caudal térmico con v iento incidente nulo en función de la diferencia de temp eratura (H = 10 m) 3.00
) 3.50 s / 3 3.00 m ( 2.50 o c i 2.00 m r é 1.50 t l a 1.00 d u 0.50 a C 0.00
2.50 ) s / 3 m2.00 ( o c i m r 1.50 é t l a d 1.00 u a C 0.50
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 . 4 . 6 . 8 . 1 0 . 1 4 . 1 8 . 2 2 . 2 6 . 3 0 . 3 4 .
Diferencia de altura H (m)
0.00 0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
Diferencia de temp eratura Te-Ti (ºC)
Caudal térmico para viento incidente nulo en función de las diferencias de altura y temperatura (Calculados usando la norma británica BS 5925–1980)
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Si se calculasen finalmente los caudales generados sólo por la fuerza dinámica del viento se constataría que alcanza con que incida un viento de 2,5 m/s para generar un caudal de 2,5 m3/s (cualquiera que sea el tamaño del local). Obsérvese en las figuras que para lograr ese mismo caudal apelando a las corrientes térmicas haría falta colocar las ventanas a una diferencia de altura de 20 m (para una diferencia de temperatura de 5ºC) o crear una diferencia de temperatura de 10ºC (para una diferencia de altura de a 10 m). De todo lo expuesto precedentemente se concluye: 1. En edificaciones adecuadamente ventiladas con corrientes dinámicas las corrientes térmicas tienen poca relevancia. 2. En edificaciones con poca ventilación dinámica (bien por restricciones de diseño o por indisponibilidad de viento) las corrientes térmicas serán significativas sólo cuando se den diferencias de temperatura grandes y/o se tengan diferencias de altura grandes entre las aberturas de entrada y salida del aire. Sobre la base de estas conclusiones se presentan a continuación dos estrategias por las cuales las corrientes térmicas podrían ser de provecho en regiones de clima tropical: La primera se fundamenta en explotar la diferencia de altura en edificaciones altas (figura de la derecha). Aquí las corrientes térmicas producidas por la diferencia de temperatura se amplifican por la diferencia de altura entre las aberturas inferiores de entrada y las aberturas superiores de salida del aire. Este flujo es francamente vertical puesto que las corrientes térmicas siem pre tienden a subir y el cauce construido para canalizarlas es vertical. Por tal razón, a los movimientos de aire producidos de esta forma se les conoce también con el nombre de tiro térmico o efecto de chimenea (no obstante, en una chimenea el tiro térmico se produce no sólo por la diferencia de altura, sino por la elevada diferencia de temperatura que crea la leña encendida).
Corrientes térmicas en una edificación alta
Evidentemente, la fuerza motora del tiro térmico es mayor entre las aberturas de los pisos más bajos y el techo que entre las aberturas de los últimos pisos y el techo. Sin embargo, al adquirir el aire un impulso inicial, se genera una presión dinámica complementaria que succiona el aire proveniente de los últimos pisos, com pensándose con ello la menor diferencia de altura. La figura anterior es obviamente esquemática. En construcciones concretas la expulsión del aire de los ambientes se da a través de aberturas y espacios de diverso tipo (rejillas de ductos de ventilación, ventanas de atrios o patios internos, etc.). Dependiendo de la altura del edificio y del tamaño de los recintos a ventilar, los caudales así generados podrán producir corrientes de velocidades sensibles o no. Sin embargo, éstos caudales en general conseguirán evacuar con eficacia el aire viciado, caliente y húmedo, lo que se pudiera complementar con ventiladores o extractores mecánicos. Otra estrategia potencialmente provechosa en climas tropicales es el llamado termosifón (figura siguiente página). Un termosifón hace uso directo de la radiación solar a objeto de calentar el aire y producir las diferencias de temperatura requeridas para crear las corrientes térmicas. Ello demanda grandes áreas de vidrio expuestas al sol. Al pintarse de negro los cerramientos de la edificación que dan hacia el termosifón, éstos absorben la energía solar, calentándose y reemitiendo radiación de longitud de onda larga hacia el espacio encerrado por los vidrios. Debido a que el vidrio es opaco a esa radiación, el aire se calienta y sube, succionando el aire de los espacios de la edificación. Un termosifón es en otras palabras el aprovechamiento del efecto invernadero con el objeto de ventilar. Recurrir a un termosifón en climas tropicales requiere vigilar que el calor que se genere en él y en los cerramientos que lo separan de la edificación no penetre al interior de la 14
edificación. Para ello dichos cerramientos deberán combinar capas de materiales aislantes, preferiblemente dobles paredes separadas por cámaras de aire y/o mantos aislantes.
Principio de funcionamiento de un termosifón
Una variante de un termosifón es la llamada chimenea solar (siguiente figura). Se trata de una estructura cuya forma es similar a la de una chimenea, cubierta de vidrio, ensanchada en su parte inferior –a efectos de crear allí un invernadero–, independiente de la edificación y conectada a los espacios a ventilar por medio de conductos. Dichos conductos podrán eventualmente incluir en su interior extractores que acentúen el efecto de succión producido por el ascenso del aire calentado.
Chimenea solar y principio de funcionamiento
LOS MÉTODOS DE PREDICCIÓN DE LA VENTILACIÓN NATURAL Existen diversos métodos para predecir la ventilación natural, diseñados con el objeto de conocer desde la etapa de diseño tanto los caudales de ventilación como las velocidades de aire al interior de las edificaciones. Bien que no esté entre los objetivos del curso explicarlos con detalle, se les mencionará a fin de que el estudiante tenga conocimiento de ellos. Estos métodos alcanzan diferentes grados de complejidad dependiendo de la exactitud requerida y del usuario al que se destinen. Hay herramientas de predicción complejas que sólo pueden usar especialistas o investigadores, herramientas diseñadas para arquitectos en ejercicio y métodos sencillos cuyo fin es dar una idea de los caudales de ventilación o las velocidades de aire que se pudieran esperar en un ambiente. De una manera general, los métodos de predicción de la ventilación natural pueden clasificarse en tres grupos: métodos analíticos, métodos empíricos y métodos experimentales. 15
Métodos analíticos Se basan en enfoques teóricos en los que se aplican principios de mecánica de los fluidos y de análisis numérico. Se presentan comúnmente bajo la forma de programas de computación. De éstos, los más difundidos son el método de red de presión para el cálculo de caudales y los métodos CFD (“Computational Fluids Dynamics”) para reproducir en computadora los patrones del flujo con sus temperaturas y velocidades. El método de red de presión utiliza las ecuaciones de la mecánica clásica de los fluidos referentes a la presión en el exterior y en el centro de los ambientes y al caudal que atraviesa las aberturas. Con ello se configura una red cuyos nodos son las presiones en el centro de cada ambiente, presiones que se enlazan por medio de los caudales que sus diferencias generan a través de las aberturas. Dicha red conduce a un sistema de ecuaciones cuya solución se obtiene recurriendo a la ecuación de balance de masa (caudal entrante = caudal saliente). Los métodos CFD se basan en un principio similar, pero a un nivel más minucioso y utilizando ecuaciones de termodinámica más universales y complejas (concretamente, las ecuaciones de masa, momento y conservación de la energía de Navier-Stokes). Sirven para predecir en detalle los campos de temperatura, velocidad y presión al interior y al exterior de las edificaciones. Si bien son una alternativa atractiva para el análisis de las corrientes dinámicas y térmicas, requieren del usuario conocimientos importantes de mecánica de los fluidos y análisis numérico, por lo que están dirigidos a investigadores y especialistas (una lista de programas que utilizan métodos analíticos puede encontrarse en: http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/).
Izquierda: formulación del método de red de presión en una vivienda sencilla / Derecha: visualización de las corrientes de aire, sus velocidades y temperaturas para el caso de una ventilación unilateral usando el programa de CFD Fluent.
Métodos empíricos Combinan apreciaciones teóricas con ensayos en campo y laboratorio a fin de proponer correlaciones de cálculo fácilmente aplicables tanto para predecir los caudales globales como las velocidades medias de las corrientes de aire. Dichos métodos se ciñen a condiciones muy específicas, por lo que su aplicabilidad queda restringida a los casos particulares para los cuales fueron creados. De hecho, la mayoría ha sido propuesta para edificaciones de un solo ambiente. No obstante son muy útiles y prácticos cuando baste contar con una estimación aproximada del orden de magnitud de la velocidad promedio o de los caudales totales que atraviesan la edificación. En la siguiente figura se presenta uno de ellos, el ya citado método de las normas británicas para el cálculo de caudales (BS 5925–1980), al cual puede usarse de manera general para hacer una evaluación inicial de las opciones de diseño que se planteen en un proyecto.
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Formulación esquemática del método de las normas británicas BS 5925–1980 (Tomado de Santamouris et al)
Métodos experimentales Consisten en observar y/o medir caudales, patrones de flujo y velocidades de aire usando edificaciones reales, prototipos o maquetas a escala. Permiten examinar la ventilación de problemas específicos o plantear correlaciones que puedan generalizarse bajo ciertas condiciones. Se les puede usar como ayudas de diseño o como herramientas de investigación, bien sea a los fines de estudiar la influencia de tal o cual parámetro, o como medios de validación de diversos métodos analíticos o empíricos. En tanto que herramientas de predicción 17
tienen la desventaja de que obligan a contar con equipos de medición de campo o laboratorio o con prototipos o construcciones reales, lo cual puede resultar costoso. El más usado y preciso –y más complejo y costoso– de los equipos de laboratorio es el llamado túnel de viento atmosférico (ver figura).
Izquierda: túnel de viento de la Universidad Técnica de Texas (http://www.wind.ttu.edu/Research/facilities/facilities.html ) / Derecha: estudio en túnel de viento del viento en una maqueta del Parque de la Ciencia de Hong Kong (http://www.ust.hk/~webwwtf/intro.html)
LOS IMPEDIMENTOS DE LA VENTILACIÓN NATURAL Aprovechar cabalmente la ventilación natural sólo es posible si ésta no choca con otros criterios de diseño que pueden tener igual o mayor importancia. Por ejemplo, en una zona en la que los ruidos externos sean intensos quizás no convenga diseñar las fachadas con ventanas grandes abiertas, pues se podría incumplir con los requerimientos acústicos. De igual forma, ventilar en una zona con un alto nivel de contaminación puede perjudicar la salud de los ocupantes. Son diversos los impedimentos al diseñar una edificación para que funcione con ventilación natural. A continuación se mencionan algunos de ellos (Santamouris et al.): · · · · · · · · · ·
Regulaciones antifuego: Estas regulaciones normalmente restringen el flujo de aire entre los ambientes, buscándose evitar la propagación del humo en el caso de un incendio. Regulaciones acústicas: Estas regulaciones fijan el nivel mínimo de ruido que puede entrar en un ambiente, lo que lleva a un determinado grado de aislamiento, en especial en zonas urbanas ruidosas. Sombreado: La necesidad de bloquear la radiación solar puede ser un freno en la escogencia de las ventanas más adecuadas para la ventilación. Privacidad: La necesidad de aislar mediante particiones a fin de dar privacidad a los ambientes puede restringir los flujos de aire a través de las fachadas y entre los ambientes. Lluvias: La necesidad de obstaculizar las lluvias puede ser un freno en la escogencia de las ventanas más adecuadas para la ventilación. Seguridad: La protección contra la penetración indeseada de personas, animales o insectos conlleva en muchos casos a bloquear aunque sea parcialmente las aberturas. Contaminación: En las zonas con un elevado nivel de contaminación, puede ser perjudicial para la salud permitir la entrada franca del aire exterior. Iluminación natural: El control de la iluminación natural puede ser un freno en la escogencia de las ventanas más adecuadas para la ventilación. Ignorancia por parte de los usuarios: Los usuarios pueden ignorar la mejor manera de aprovechar al máximo la ventilación, pudiendo impedir su correcto funcionamiento (por ejemplo, al realizar remodelaciones o adaptaciones a fin de cambiar el uso de determinados espacios). Forma de la edificación: La ventilación natural requiere de un proyecto particular de la envolvente, lo que puede contrariar los conceptos arquitectónicos planteados.
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· ·
Hábitos de los usuarios: La ventilación natural implica que el usuario acepte un cierto grado de fluctuación de las condiciones ambientales en los espacios internos. Esto hace que en muchos casos prefiera la implantación de sistemas mecánicos de enfriamiento. Costos: La posibilidad de usar componentes que de alguna manera resuelvan algunos de los impedimentos anteriores puede no ser aceptada por el promotor, por conllevar costos adicionales a los previstos.
Las siguientes figuras muestran ejemplos de soluciones en los que se concilia la creación de una ventilación cruzada adecuada con los requerimientos de privacidad acústica y/o visual:
Ejemplos de soluciones arquitectónicas para resolver los problemas de privacidad acústica y/o visual sin impedir una buena ventilación cruzada (tomado de Givoni, Climate considerations in building and urban design)
------------------- L.R./Actualizado febrero 2013
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