Ventilación pasiva

Ventilación sin uso de sistemas mecánicos

El sistema de ventilación de una nave terrestre regular

Las casas Dogtrot están diseñadas para maximizar la ventilación natural.

Un ventilador de turbina de techo, conocido coloquialmente como "Whirly Bird", es una aplicación de ventilación impulsada por el viento.

La ventilación pasiva es el proceso de introducir y extraer aire de un espacio interior sin utilizar sistemas mecánicos . Se refiere al flujo de aire exterior a un espacio interior como resultado de las diferencias de presión que surgen de las fuerzas naturales.

Existen dos tipos de ventilación natural en los edificios: la ventilación impulsada por el viento y la ventilación impulsada por la flotabilidad . La ventilación impulsada por el viento surge de las diferentes presiones creadas por el viento alrededor de un edificio o estructura, y de las aberturas que se forman en el perímetro que permiten el flujo a través del edificio. La ventilación impulsada por la flotabilidad se produce como resultado de la fuerza de flotabilidad direccional que resulta de las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior. ^[1]

Dado que las ganancias de calor internas que crean diferencias de temperatura entre el interior y el exterior son creadas por procesos naturales, incluido el calor de las personas, y los efectos del viento son variables, los edificios con ventilación natural a veces se denominan "edificios que respiran".

Proceso

La presión estática del aire es la presión en una corriente de aire que fluye libremente y se representa mediante isobaras en los mapas meteorológicos . Las diferencias en la presión estática surgen de fenómenos térmicos globales y microclimáticos y crean el flujo de aire que llamamos viento . La presión dinámica es la presión ejercida cuando el viento entra en contacto con un objeto como una colina o un edificio y se describe mediante la siguiente ecuación: ^[2]

${\displaystyle q={\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2},}$

donde (usando unidades SI ):

El impacto del viento sobre un edificio afecta a la ventilación y a las tasas de infiltración a través del mismo y a las pérdidas o ganancias de calor asociadas. La velocidad del viento aumenta con la altura y es menor hacia el suelo debido a la fricción. En términos prácticos, la presión del viento variará considerablemente creando flujos de aire complejos y turbulencias por su interacción con elementos del entorno natural (árboles, colinas) y del contexto urbano (edificios, estructuras). Los edificios vernáculos y tradicionales en diferentes regiones climáticas dependen en gran medida de la ventilación natural para mantener las condiciones de confort térmico en los espacios cerrados. ^[3]

Diseño

Las normas de construcción y otra literatura relacionada ofrecen pautas de diseño que incluyen una variedad de recomendaciones sobre muchas áreas específicas, tales como:

• Ubicación y orientación del edificio
• Forma y dimensiones del edificio
• Tabiques interiores y distribución
• Tipologías de ventanas , funcionamiento, ubicación y formas
• Otros tipos de aperturas ( puertas , chimeneas )
• Métodos de construcción y detalle (infiltración)
• Elementos externos (paredes, mamparas)
• Condiciones de planificación urbana

Las siguientes pautas de diseño se seleccionaron de la Whole Building Design Guide , un programa del Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción : ^[4]

• Maximice la ventilación inducida por el viento ubicando la cumbrera de un edificio perpendicular a los vientos de verano.
• Los anchos de las zonas ventiladas naturalmente deben ser estrechos (máximo 13,7 m [45 pies])
• Cada habitación debe tener dos aberturas de entrada y salida independientes. Ubique la salida de aire en un lugar alto, por encima de la entrada, para maximizar el efecto chimenea. Oriente las ventanas a lo largo de la habitación y desplácelas entre sí para maximizar la mezcla dentro de la habitación y minimizar las obstrucciones al flujo de aire dentro de la habitación.
• Las aberturas de las ventanas deben ser operables por los ocupantes.
• Considere el uso de claraboyas o tragaluces ventilados.

Ventilación impulsada por el viento

La ventilación impulsada por el viento se puede clasificar como ventilación cruzada y ventilación unilateral. La ventilación impulsada por el viento depende del comportamiento del viento, de las interacciones con la envolvente del edificio y de las aberturas u otros dispositivos de intercambio de aire, como entradas o captadores de viento .

El conocimiento de la climatología urbana, es decir, el viento alrededor de los edificios, es crucial a la hora de evaluar la calidad del aire y el confort térmico en el interior de los edificios, ya que el intercambio de aire y calor depende de la presión del viento en las fachadas. Como se observa en la ecuación (1), el intercambio de aire depende linealmente de la velocidad del viento en el lugar urbano donde se construirá el proyecto arquitectónico. Las herramientas CFD ( dinámica de fluidos computacional ) y los modelos zonales se utilizan habitualmente para diseñar edificios con ventilación natural. Los captadores de viento pueden ayudar a la ventilación impulsada por el viento dirigiendo el aire hacia dentro y hacia fuera de los edificios.

Ventilación impulsada por flotabilidad

La ventilación por flotabilidad surge debido a las diferencias de densidad del aire interior y exterior, que en gran parte se deben a las diferencias de temperatura. Cuando hay una diferencia de temperatura entre dos volúmenes de aire adyacentes, el aire más cálido tendrá una densidad menor y será más flotante, por lo que se elevará por encima del aire frío creando una corriente de aire ascendente. La ventilación por flotabilidad de flujo ascendente forzado en un edificio se lleva a cabo en una chimenea tradicional. Los ventiladores de chimenea pasivos son comunes en la mayoría de los baños y otros tipos de espacios sin acceso directo al exterior.

Para que un edificio se ventile adecuadamente mediante ventilación por flotabilidad, las temperaturas interior y exterior deben ser diferentes. Cuando el interior es más cálido que el exterior, el aire interior se eleva y escapa del edificio por las aberturas más altas. Si hay aberturas más bajas, el aire más frío y denso del exterior entra en el edificio a través de ellas, creando así una ventilación por desplazamiento ascendente. Sin embargo, si no hay aberturas inferiores, tanto el flujo de entrada como el de salida se producirán a través de la abertura del nivel superior. Esto se denomina ventilación por mezcla. Esta última estrategia sigue dando lugar a que el aire fresco llegue al nivel inferior, ya que, aunque el aire frío entrante se mezclará con el aire interior, siempre será más denso que el aire interior en masa y, por tanto, caerá al suelo. La ventilación por flotabilidad aumenta con una mayor diferencia de temperatura y una mayor altura entre las aberturas superiores e inferiores en el caso de la ventilación por desplazamiento. Cuando hay aberturas tanto altas como bajas, el plano neutro de un edificio se produce en la ubicación entre las aberturas altas y bajas en la que la presión interna será la misma que la presión externa (en ausencia de viento). Por encima del plano neutro, la presión de aire interna será positiva y el aire saldrá por cualquier abertura de nivel intermedio creada. Por debajo del plano neutro, la presión de aire interna será negativa y el aire externo ingresará al espacio a través de cualquier abertura de nivel intermedio. La ventilación impulsada por flotabilidad tiene varios beneficios significativos: {Ver Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999}

• No depende del viento: puede tener lugar en días tranquilos y calurosos de verano, cuando más se necesita.
• Flujo de aire estable (en comparación con el viento)
• Mayor control en la elección de zonas de entrada de aire
• Método sostenible

Limitaciones de la ventilación basada en flotabilidad:

• Menor magnitud en comparación con la ventilación del viento en los días más ventosos
• Depende de las diferencias de temperatura (interior/exterior)
• Restricciones de diseño (altura, ubicación de las aberturas) y puede generar costos adicionales (chimeneas de ventilación, espacios más altos)
• La calidad del aire que introduce en los edificios puede verse contaminada, por ejemplo, debido a la proximidad a una zona urbana o industrial (aunque esto también puede ser un factor en la ventilación impulsada por el viento).

La ventilación natural en los edificios puede depender principalmente de las diferencias de presión del viento en condiciones de viento, pero los efectos de flotabilidad pueden a) aumentar este tipo de ventilación y b) garantizar caudales de aire durante días tranquilos. La ventilación impulsada por flotabilidad se puede implementar de manera que la entrada de aire en el edificio no dependa únicamente de la dirección del viento. En este sentido, puede proporcionar una mejor calidad del aire en algunos tipos de entornos contaminados, como las ciudades. Por ejemplo, el aire puede aspirarse por la parte trasera o los patios de los edificios, evitando la contaminación directa y el ruido de la fachada de la calle. El viento puede aumentar el efecto de flotabilidad, pero también puede reducirlo dependiendo de su velocidad, dirección y el diseño de las entradas y salidas de aire. Por lo tanto, los vientos predominantes deben tenerse en cuenta al diseñar la ventilación por efecto chimenea.

Estimación de la ventilación basada en la flotabilidad

El caudal de ventilación natural para ventilación natural impulsada por flotabilidad con respiraderos a dos alturas diferentes se puede estimar con esta ecuación: ^[5]

${\displaystyle Q_{S}=C_{d}\;A\;{\sqrt {2\;g\;H_{d}\;{\frac {T_{I}-T_{O}}{T_{I}}}}}}$

Unidades inglesas :

Unidades SI :

Evaluación del desempeño

Una forma de medir el rendimiento de un espacio ventilado naturalmente es medir los cambios de aire por hora en un espacio interior. Para que la ventilación sea eficaz, debe haber intercambio entre el aire exterior y el aire de la habitación. Un método común para medir la eficacia de la ventilación es utilizar un gas trazador . ^[6] El primer paso es cerrar todas las ventanas, puertas y aberturas del espacio. Luego, se agrega un gas trazador al aire. La referencia, American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard E741: Standard Test Method for Determining Air Change in a Single Zone by Means of a Tracer Gas Dilution, describe qué gases trazadores se pueden utilizar para este tipo de prueba y proporciona información sobre las propiedades químicas, los impactos en la salud y la facilidad de detección. ^[7] Una vez que se ha agregado el gas trazador, se pueden utilizar ventiladores mezcladores para distribuir el gas trazador de la manera más uniforme posible en todo el espacio. Para realizar una prueba de desintegración, primero se mide la concentración del gas trazador cuando la concentración del gas trazador es constante. A continuación, se abren las ventanas y las puertas y se mide la concentración del gas trazador en el espacio a intervalos de tiempo regulares para determinar la tasa de descomposición del gas trazador. El flujo de aire se puede deducir observando el cambio en la concentración del gas trazador a lo largo del tiempo. Para obtener más detalles sobre este método de prueba, consulte la norma ASTM E741. ^[7]

Si bien la ventilación natural elimina la energía eléctrica consumida por los ventiladores, el consumo total de energía de los sistemas de ventilación natural suele ser mayor que el de los sistemas de ventilación mecánica modernos con recuperación de calor . Los sistemas de ventilación mecánica modernos típicos utilizan tan solo 2000 J/m3 ^para el funcionamiento de los ventiladores y, en climas fríos, pueden recuperar mucha más energía en forma de calor transferido del aire de escape residual al aire de suministro fresco mediante recuperadores .

La pérdida de calor por ventilación se puede calcular como:

${\displaystyle \theta =C_{p}\cdot \rho \cdot \Delta T\cdot (1-\eta ).}$

Dónde:

• ${\displaystyle \theta }$¿Es la pérdida de calor por ventilación en W?
• ${\displaystyle C_{p}}$es la capacidad calorífica específica del aire (~1000 J/(kg*K))
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad del aire (~1,2 kg/m ³ )
• ${\displaystyle \Delta T}$es la diferencia de temperatura entre el aire interior y el exterior en K o °C
• ${\displaystyle \eta }$es la eficiencia de recuperación de calor (normalmente alrededor de 0,8 con recuperación de calor y 0 si no se utiliza ningún dispositivo de recuperación de calor).

Por lo tanto , la diferencia de temperatura necesaria entre el aire interior y el exterior para que la ventilación mecánica con recuperación de calor supere a la ventilación natural en términos de eficiencia energética general se puede calcular como:

${\displaystyle \Delta T={\frac {SFP}{C_{p}\cdot \rho \cdot (1-\eta )}}}$

Dónde:

SFP es la potencia específica del ventilador en Pa, J/m3 ^o W/(m3 ^/ s)

En condiciones típicas de ventilación de confort con una eficiencia de recuperación de calor del 80% y un SFP de 2000 J/m ³ obtenemos:

${\displaystyle \Delta T=2000/(1000*1.2*(1-0.8))=8.33[K]}$

En climas en los que la diferencia absoluta media entre las temperaturas interior y exterior supera los 10 K, el argumento de ahorro de energía que justifica la elección de la ventilación natural en lugar de la mecánica podría ponerse en tela de juicio. Sin embargo, cabe señalar que la energía para calefacción puede ser más barata y más respetuosa con el medio ambiente que la electricidad. Esto es especialmente así en las zonas en las que se dispone de calefacción urbana .

Para desarrollar sistemas de ventilación natural con recuperación de calor primero se deben resolver dos desafíos inherentes:

1. Proporciona una recuperación de calor eficiente a presiones de conducción muy bajas.
2. Conexión física o térmica de las corrientes de aire de suministro y de escape. (La ventilación por chimenea generalmente se basa en la ubicación del suministro y del escape en una posición baja y alta respectivamente, mientras que la ventilación natural impulsada por el viento normalmente se basa en la ubicación de aberturas en lados opuestos de un edificio para lograr una ventilación cruzada eficiente).

En 1993, Shultz et al. ^[8] propusieron y probaron un diseño de tipo chimenea que se basaba en el efecto chimenea y recuperaba calor utilizando un recuperador de contraflujo de gran tamaño construido con hierro galvanizado corrugado. Tanto el suministro como la extracción se realizaban a través de un ático sin acondicionar, donde el aire de escape se extraía a la altura del techo y el aire se suministraba a nivel del suelo a través de un conducto vertical.

Se comprobó que el dispositivo proporcionaba un flujo de aire de ventilación suficiente para una vivienda unifamiliar y una recuperación de calor con una eficiencia de alrededor del 40 %. Sin embargo, se comprobó que el dispositivo era demasiado grande y pesado para ser práctico, y la eficiencia de recuperación de calor era demasiado baja para ser competitivo con los sistemas mecánicos de la época. ^[8]

Los intentos posteriores se han centrado principalmente en el viento como principal fuerza motriz debido a su mayor potencial de presión. Sin embargo, esto plantea el problema de que existen grandes fluctuaciones en la presión motriz.

Con el uso de torres de viento colocadas en el techo de espacios ventilados, el suministro y el escape se pueden colocar cerca uno del otro en lados opuestos de las pequeñas torres. ^[9] Estos sistemas a menudo cuentan con tubos de calor con aletas , aunque esto limita la eficiencia máxima teórica de recuperación de calor. ^[10]

También se han probado circuitos de circulación acoplados por líquido para lograr una conexión térmica indirecta entre el aire de escape y el de suministro. Si bien estas pruebas han tenido cierto éxito, el acoplamiento por líquido introduce bombas mecánicas que consumen energía para hacer circular el fluido de trabajo. ^{[11] [12]}

Si bien algunas soluciones disponibles comercialmente han estado disponibles durante años, ^{[13] [14]} el rendimiento que afirman los fabricantes aún debe verificarse mediante estudios científicos independientes. Esto podría explicar la aparente falta de impacto en el mercado de estos productos disponibles comercialmente que afirman ofrecer ventilación natural y altas eficiencias de recuperación de calor.

En la actualidad, en la Universidad de Aarhus se está desarrollando un enfoque radicalmente nuevo para la ventilación natural con recuperación de calor, donde se integran tubos de intercambio de calor en losas de hormigón estructural entre los pisos del edificio. ^[15]

Normas

Para conocer las normas relacionadas con las tasas de ventilación, en los Estados Unidos, consulte la norma ASHRAE 62.1-2010: Ventilación para una calidad aceptable del aire interior . ^[16] Estos requisitos son para "todos los espacios destinados a la ocupación humana, excepto aquellos dentro de casas unifamiliares, estructuras multifamiliares de tres pisos o menos sobre el nivel del suelo, vehículos y aeronaves". ^[16] En la revisión de la norma en 2010, se modificó la Sección 6.4 para especificar que la mayoría de los edificios diseñados para tener sistemas para acondicionar naturalmente los espacios también deben "incluir un sistema de ventilación mecánica diseñado para cumplir con los procedimientos de tasa de ventilación o IAQ [en ASHRAE 62.1-2010]. El sistema mecánico se debe utilizar cuando las ventanas están cerradas debido a temperaturas exteriores extremas, ruido y preocupaciones de seguridad". ^[16] La norma establece que dos excepciones en las que los edificios acondicionados naturalmente no requieren sistemas mecánicos son cuando:

• Las aberturas de ventilación natural que cumplen con los requisitos de la Sección 6.4 están permanentemente abiertas o tienen controles que evitan que las aberturas se cierren durante el período de ocupación prevista, o
• La zona no cuenta con equipos de calefacción ni de refrigeración.

Asimismo, una autoridad competente puede permitir el diseño de un sistema de acondicionamiento que no cuente con un sistema mecánico, sino que dependa únicamente de sistemas naturales. ^[16] En referencia a cómo deben diseñarse los controles de los sistemas de acondicionamiento, la norma establece que deben tomar en consideración medidas para “coordinar adecuadamente el funcionamiento de los sistemas de ventilación natural y mecánica”. ^[16]

Otra referencia es la norma ASHRAE 62.2-2010: Ventilación y calidad aceptable del aire interior en edificios residenciales de poca altura . ^[17] Estos requisitos son para "casas unifamiliares y estructuras multifamiliares de tres pisos o menos sobre el nivel del suelo, incluidas las casas prefabricadas y modulares", pero no son aplicables "a viviendas transitorias como hoteles, moteles, hogares de ancianos, dormitorios o cárceles". ^[17]

Para conocer las normas relacionadas con las tasas de ventilación, en los Estados Unidos, consulte la Norma ASHRAE 55-2010: Condiciones ambientales térmicas para la ocupación humana. ^[18] A lo largo de sus revisiones, su alcance ha sido coherente con su propósito articulado actualmente, "especificar las combinaciones de factores ambientales térmicos interiores y factores personales que producirán condiciones ambientales térmicas aceptables para la mayoría de los ocupantes dentro del espacio". ^[18] La norma se revisó en 2004 después de que los resultados del estudio de campo del proyecto de investigación ASHRAE, RP-884: desarrollo de un modelo adaptativo de comodidad y preferencia térmica, indicaran que existen diferencias entre los espacios acondicionados de forma natural y mecánica con respecto a la respuesta térmica de los ocupantes, el cambio de ropa, la disponibilidad de control y los cambios en las expectativas de los ocupantes. ^[19] La adición a la norma, 5.3: Método opcional para determinar las condiciones térmicas aceptables en espacios con ventilación natural, utiliza un enfoque de comodidad térmica adaptativa para edificios acondicionados de forma natural al especificar rangos de temperatura operativa aceptables para espacios acondicionados de forma natural. ^[18] Como resultado, el diseño de sistemas de ventilación natural se volvió más factible, lo que fue reconocido por ASHRAE como una forma de promover un diseño sustentable, energéticamente eficiente y amigable con los ocupantes. ^[18]

Véase también

• Ventilación (arquitectura)
• Infiltración (HVAC)
• Economizadores del lado del aire
• Puertas de convección
• Chimenea solar
• Atrapavientos
• Calidad del aire interior
• Síndrome del edificio enfermo
• Calefacción, ventilación y aire acondicionado
• Ingeniería Mecánica
• Ingeniería arquitectónica
• Edificio verde
• Refrigeración pasiva
• Ventilación en modo mixto
• Distribución del aire en la habitación
• Confort térmico
• Aire acondicionado
• ASHRAE
• Glosario de HVAC

Referencias

1. Linden, PF (1999). "La mecánica de fluidos de la ventilación natural". Revista anual de mecánica de fluidos . 31 : 201–238. Código Bibliográfico :1999AnRFM..31..201L. doi :10.1146/annurev.fluid.31.1.201.
2. Clancy, LJ (1975). Aerodinámica . John Wiley & Sons.
3. "Lecciones de estrategias de refrigeración pasiva sostenibles y vernáculas utilizadas en casas tradicionales iraníes". ResearchGate .
4. Walker, Andy. "Ventilación natural". Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción.
5. Manual de ASHRAE . Atlanta, GA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado. 2009.
6. McWilliams, Jennifer (2002). "Revisión de las técnicas de medición del flujo de aire. Documento LBNL LBNL-49747". Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
7. "Norma ASTM E741-11: Método de prueba estándar para determinar el cambio de aire en una zona única mediante la dilución de un gas trazador". West Conshohocken, PA: ASTM International. 2006. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
8. Schultz, JM, 1993. Naturlig ventilation med varmegenvinding, Lyngby: Laboratoriet for Varmeisolering, DTH. (Danés)
9. Calautit, JK, O'Connor, D. y Hughes, BR, 2015. Una torre eólica con ventilación natural y recuperación de calor mediante tubos de calor para climas fríos. Energías renovables, I(87), pp. 1088-1104.
10. Gan, G. y Riffat, S., 1999. Un estudio de recuperación de calor mediante tubos de calor para ventilación natural. AIVC, 477(12), págs. 57-62.
11. Hviid, CA y Svendsen, S., 2008. Sistemas de ventilación pasiva con recuperación de calor y refrigeración nocturna. Kyoto, Tecnología avanzada de ventilación y medio ambiente para edificios para abordar cuestiones relacionadas con el cambio climático.
12. Hviid, CA y Svendsen, S., 2012. Mecánica asistida por viento y pila, Lyngby: DTU Byg.
13. Autodesk, 2012. Sistema de ventilación con recuperación de calor pasivo. [En línea] Disponible en: sustainabilityworkshop.autodesk.com/project-gallery/passive-heat-recovering-ventilationsystem
14. "Ventive". ventive.co.uk . Consultado el 28 de julio de 2018 .
15. "Cómo funciona". www.stackhr.com . Consultado el 28 de julio de 2018 .
16. "Norma ANSI/ASHRAE 62.1-2010: Ventilación para una calidad aceptable del aire interior". Atlanta, GA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado. 2010. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
17. "Norma ANSI/ASHRAE 62.2-2010: Ventilación y calidad aceptable del aire interior en edificios residenciales de poca altura". Atlanta, GA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado. 2010. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
18. "Norma ANSI/ASHRAE 55-2010: Condiciones ambientales térmicas para la ocupación humana". Atlanta, GA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado. 2010. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
19. de Dear, Richard J.; Gail S. Brager (2002). "Confort térmico en edificios con ventilación natural: revisiones de la norma ASHRAE 55". Energía y edificios . 34 (6): 549–561. Código Bibliográfico :2002EneBu..34..549D. doi :10.1016/S0378-7788(02)00005-1. S2CID  110575467.

Enlaces externos

Centros de investigación universitarios que actualmente realizan investigaciones sobre ventilación natural:

1. Centro para el Entorno Construido (CBE) de la Universidad de California, Berkeley. http://www.cbe.berkeley.edu/
2. Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, California. http://www.lbl.gov/
3. Departamento de Arquitectura, Instituto Tecnológico de Massachusetts. http://architecture.mit.edu/building-technology/program/research-topics
4. Facultad de Arquitectura, Diseño y Planificación, Universidad de Sydney, Australia. https://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml

Pautas de ventilación natural:

1. Guía de diseño de edificios completos , Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php
2. "Ventilación natural para el control de infecciones en centros de atención de salud", informe (que incluye directrices de diseño) de la Organización Mundial de la Salud para centros de atención de salud con ventilación natural. http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf