El efecto chimenea es el movimiento de aire dentro y fuera de los edificios a través de aberturas no selladas, chimeneas , conductos de humos u otras aberturas o contenedores diseñados específicamente, como resultado de la flotabilidad del aire . La flotabilidad se produce debido a una diferencia en la densidad del aire interior y exterior que resulta de las diferencias de temperatura y humedad. El resultado es una fuerza de flotabilidad positiva o negativa. Cuanto mayor sea la diferencia térmica y la altura de la estructura, mayor será la fuerza de flotabilidad y, por lo tanto, el efecto chimenea. El efecto chimenea puede ser útil para impulsar la ventilación natural en ciertos climas, pero en otras circunstancias puede ser una causa de infiltración de aire no deseada o peligro de incendio.
Como los edificios no están totalmente sellados (al menos, siempre hay una entrada a nivel del suelo), el efecto chimenea provocará infiltraciones de aire. Durante la temporada de calefacción, el aire interior más cálido sube por el edificio y se escapa por la parte superior, ya sea a través de ventanas abiertas, aberturas de ventilación o agujeros involuntarios en los techos, como ventiladores de techo y luces empotradas. El aire caliente ascendente reduce la presión en la base del edificio, lo que hace que el aire frío entre a través de puertas abiertas, ventanas u otras aberturas y fugas. Durante la temporada de refrigeración, el efecto chimenea se invierte, pero normalmente es más débil debido a las menores diferencias de temperatura. [1]
En un edificio moderno de gran altura con una envoltura bien sellada , el efecto chimenea puede crear diferencias de presión significativas que deben tenerse en cuenta en el diseño y que pueden necesitar ser abordadas con ventilación mecánica . Las escaleras, los ejes, los ascensores y similares, tienden a contribuir al efecto chimenea, mientras que las particiones interiores, los pisos y las separaciones contra incendios pueden mitigarlo. Especialmente en caso de incendio, el efecto chimenea debe controlarse para evitar la propagación del humo y el fuego, y para mantener condiciones sostenibles para los ocupantes y los bomberos. [2] Si bien los métodos de ventilación natural pueden ser efectivos, como las salidas de aire instaladas más cerca del suelo, la ventilación mecánica a menudo se prefiere para estructuras más altas o en edificios con espacio limitado. La extracción de humo es una consideración clave en las nuevas construcciones y debe evaluarse en las etapas de diseño. [3]
El efecto chimenea también puede exacerbar la propagación del fuego, especialmente en edificios altos donde los defectos de diseño permiten la formación de corrientes de aire no deseadas. Algunos ejemplos incluyen el incendio del túnel de Kaprun , el incendio de la estación de metro de King's Cross y el incendio de la Torre Grenfell , como resultado del cual murieron 72 personas. [4] Este último de estos incendios se vio en parte exacerbado por el efecto chimenea, cuando una cavidad entre el revestimiento exterior de aluminio y el aislamiento interior formó inadvertidamente una chimenea y atrajo el fuego hacia arriba. [5] [6]
Algunos edificios están diseñados con aberturas ubicadas estratégicamente a diferentes alturas para inducir el efecto chimenea, donde el aire frío entra a través de ventanas o respiraderos de nivel bajo, y el aire caliente escapa a través de aberturas de nivel superior, como tragaluces, respiraderos de techo o claraboyas. Este movimiento vertical del aire crea un sistema de ventilación natural que puede reducir significativamente las temperaturas interiores. La combinación del efecto chimenea con la ventilación cruzada , donde el flujo de aire se mueve a través del edificio de un lado a otro, puede mejorar el efecto de enfriamiento general. [7] [8]
El efecto chimenea se utiliza tanto en edificios tradicionales como en la arquitectura ecológica moderna. Algunos ejemplos de uso tradicional son las torres eólicas comunes en la arquitectura de Oriente Medio, que captan y dirigen las brisas más frescas hacia el interior del edificio mientras expulsan aire caliente para mantener temperaturas interiores agradables. [9] Los edificios sostenibles contemporáneos suelen utilizar el efecto chimenea junto con técnicas no eléctricas relacionadas, como el acoplamiento a tierra , el refugio de tierra y el enfriamiento por evaporación , para mejorar el perfil de enfriamiento pasivo de un edificio. Al diseñar cuidadosamente la estructura, la orientación y las vías de ventilación del edificio, los arquitectos pueden aprovechar el efecto chimenea para reducir la dependencia de los sistemas de enfriamiento mecánicos y mejorar la eficiencia energética general. [8]
En los edificios pueden existir dos regímenes de efecto chimenea: normal e inverso. El efecto chimenea normal se produce en edificios que se mantienen a una temperatura más alta que el ambiente exterior. El aire caliente dentro del edificio tiene una densidad baja (o un volumen específico alto) y exhibe una mayor fuerza de flotabilidad. En consecuencia, se eleva desde los niveles inferiores a los superiores a través de penetraciones entre los pisos. Esto presenta una situación en la que los pisos debajo del eje neutro del edificio tienen una presión neta negativa, mientras que los pisos por encima del eje neutro tienen una presión neta positiva. La presión neta negativa en los pisos inferiores puede inducir a que el aire exterior se infiltre en el edificio a través de puertas, ventanas o conductos sin compuertas antirretorno. El aire caliente intentará exfiltrarse de la envoltura del edificio a través de los pisos por encima del eje neutro.
Los equipos de refrigeración mecánica proporcionan un enfriamiento sensible y latente durante los meses de verano. Esto reduce la temperatura de bulbo seco del aire dentro del edificio en relación con el aire ambiente exterior. También disminuye el volumen específico del aire contenido dentro del edificio, reduciendo así la fuerza de flotabilidad. En consecuencia, el aire frío viajará verticalmente hacia abajo en el edificio a través de los huecos de los ascensores, las escaleras y las penetraciones de servicios públicos no selladas (es decir, los conductos hidráulicos , eléctricos y de agua). Una vez que el aire acondicionado llega a los pisos inferiores debajo del eje neutro, se filtra en las envolturas del edificio a través de aberturas no selladas, como compuertas, muro cortina, etc. El aire exfiltrado en los pisos debajo del eje neutro inducirá que el aire exterior se filtre en la envoltura del edificio a través de aberturas no selladas.
El efecto chimenea en las chimeneas de gases de combustión industriales es similar al de los edificios, salvo que implica que los gases de combustión calientes tienen grandes diferencias de temperatura con el aire exterior ambiente. Además, una chimenea de gases de combustión industrial normalmente proporciona poca obstrucción para los gases de combustión a lo largo de su longitud y, de hecho, normalmente está optimizada para mejorar el efecto chimenea y reducir los requisitos de energía del ventilador.
Grandes diferencias de temperatura entre el aire exterior y los gases de combustión pueden crear un fuerte efecto chimenea en las chimeneas de los edificios que utilizan una chimenea para calentarse.
Antes de la aparición de ventiladores de gran volumen, las minas se ventilaban mediante el efecto chimenea. Un pozo inclinado dejaba entrar aire en la mina. Al pie del pozo inclinado se mantenía encendido continuamente un horno. El pozo (que normalmente tenía varios cientos de metros de profundidad) se comportaba como una chimenea y el aire ascendía por él, haciendo que el aire fresco descendiera por la chimenea inclinada y rodeara la mina.
Existe una diferencia de presión entre el aire exterior y el aire dentro del edificio causada por la diferencia de temperatura entre el aire exterior y el aire interior. Esa diferencia de presión ( ΔP ) es la fuerza impulsora del efecto chimenea y se puede calcular con las ecuaciones que se presentan a continuación. [10] [11] Las ecuaciones se aplican solo a edificios donde el aire está tanto dentro como fuera de los edificios. Para edificios con uno o dos pisos, h es la altura del edificio. Para edificios de varios pisos y de gran altura, h es la distancia desde las aberturas en el nivel de presión neutral (NPL) del edificio hasta las aberturas más altas o las aberturas más bajas. La referencia [10] explica cómo el NPL afecta el efecto chimenea en edificios de gran altura.
Para chimeneas y conductos de gases de combustión, donde el aire está en el exterior y los gases de combustión en el interior, las ecuaciones solo proporcionarán una aproximación y h es la altura de la chimenea o conducto de gases de combustión.
El caudal de tiro (draught en inglés británico ) inducido por el efecto chimenea se puede calcular con la ecuación que se presenta a continuación. [12] [13] La ecuación se aplica únicamente a edificios donde el aire está tanto dentro como fuera de los edificios. Para edificios de uno o dos pisos, h es la altura del edificio y A es el área de flujo de las aberturas. Para edificios de varios pisos y de gran altura, A es el área de flujo de las aberturas y h es la distancia desde las aberturas en el nivel de presión neutra (NPL) del edificio hasta las aberturas más altas o las aberturas más bajas. La referencia [10] explica cómo el NPL afecta el efecto chimenea en edificios de gran altura.
En el caso de chimeneas o conductos de gases de combustión, donde el aire se encuentra en el exterior y los gases de combustión en el interior, la ecuación solo proporcionará una aproximación. Además, A es el área de flujo de la sección transversal y h es la altura de la chimenea o conducto de gases de combustión.
Esta ecuación supone que la resistencia al flujo de tiro es similar a la resistencia del flujo a través de un orificio caracterizado por un coeficiente de descarga C.
