Ventilación pasiva

Ventilación sin uso de sistemas mecánicos.

El sistema de ventilación de una nave terrestre normal.

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 suministrar y extraer aire de un espacio interior sin utilizar sistemas mecánicos . Se refiere al flujo de aire externo a un espacio interior como resultado de diferencias de presión derivadas de fuerzas naturales.

Hay 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 luego 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 se crean mediante 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 en un edificio afecta las tasas de ventilación e infiltración a través del mismo y las pérdidas o ganancias de calor asociadas. La velocidad del viento aumenta con la altura y es menor hacia el suelo debido al arrastre por 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 el 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 pautas de diseño se ofrecen en los reglamentos de construcción y otra literatura relacionada e incluyen una variedad de recomendaciones sobre muchas áreas específicas, como:

• Ubicación y orientación del edificio.
• Forma y dimensiones del edificio.
• Distribución y particiones interiores.
• Tipologías, funcionamiento, ubicación y formas de ventanas .
• Otros tipos de apertura ( puertas , chimeneas )
• Métodos de construcción y detalles (infiltración)
• Elementos externos (paredes, mamparas)
• Condiciones urbanísticas

Las siguientes pautas de diseño se seleccionan de 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 del verano.
• Los anchos de las zonas con ventilación natural deben ser estrechos (máximo 13,7 m [45 pies])
• Cada habitación debe tener dos aberturas separadas para suministro y escape. Ubique el escape muy por encima de la entrada para maximizar el efecto de chimenea. Oriente las ventanas a lo largo de la habitación y sepárelas entre sí para maximizar la mezcla dentro de la habitación y al mismo tiempo minimizar las obstrucciones al flujo de aire dentro de la habitación.
• Las aberturas de las ventanas deben ser operadas por los ocupantes.
• Considere el uso de triforios o tragaluces ventilados.

Ventilación impulsada por el viento

La ventilación impulsada por el viento se puede clasificar en 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 modelados zonales se suelen utilizar para diseñar edificios con ventilación natural. Los captadores de viento pueden ayudar a la ventilación impulsada por el viento dirigiendo el aire dentro y fuera de los edificios.

Ventilación impulsada por flotabilidad

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

Para que un edificio pueda ventilarse adecuadamente mediante ventilación impulsada por flotabilidad, las temperaturas interior y exterior deben ser diferentes. Cuando el interior es más cálido que el exterior, el aire interior asciende y escapa del edificio por aberturas más altas. Si hay aberturas más bajas, entonces el aire más frío y denso del exterior ingresa al edificio a través de ellas, creando así una ventilación por desplazamiento ascendente. Sin embargo, si no hay aberturas inferiores presentes, tanto el flujo de entrada como el de salida se producirán a través de la abertura de nivel alto. A esto se le llama ventilación mixta. Esta última estrategia todavía da como resultado que el aire fresco alcance un nivel bajo, 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 lo tanto, caerá al suelo. La ventilación impulsada por la flotabilidad aumenta con una mayor diferencia de temperatura y una mayor altura entre las aberturas superior e inferior en el caso de la ventilación por desplazamiento. Cuando están presentes aberturas de nivel alto y bajo, el plano neutro en un edificio se produce en el lugar entre las aberturas de alto y bajo nivel en el que la presión interna será la misma que la presión externa (en ausencia de viento). Por encima del plano neutro, la presión del aire interna será positiva y el aire fluirá hacia afuera por cualquier abertura de nivel intermedio creada. Debajo del plano neutral, la presión del aire interno será negativa y el aire externo ingresará al espacio a través de cualquier abertura de nivel intermedio. La ventilación impulsada por la flotabilidad tiene varios beneficios importantes: {Ver Linden, P Annu Rev Fluid Mech, 1999}

• No depende del viento: puede realizarse en los tranquilos y calurosos días 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 impulsada por 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 aberturas) y pueden generar costos adicionales (pilas de ventiladores, espacios más altos)
• La calidad del aire que introduce en los edificios puede estar 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 yb) asegurar tasas de flujo de aire durante los días tranquilos. La ventilación impulsada por la flotabilidad se puede implementar de manera que la entrada de aire al edificio no dependa únicamente de la dirección del viento. En este sentido, puede mejorar la calidad del aire en algunos tipos de entornos contaminados, como las ciudades. Por ejemplo, se puede aspirar aire 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, se deben tener en cuenta los vientos predominantes al diseñar la ventilación con efecto chimenea.

Estimación de la ventilación impulsada por la flotabilidad

El caudal de ventilación natural para la 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 con ventilación natural 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 ambiente. 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 añade al aire un gas trazador. La referencia, Norma E741 de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM): Método de prueba estándar para determinar el cambio de aire en una sola zona mediante una dilución de gas trazador, describe qué gases trazadores se pueden utilizar para este tipo de pruebas y proporciona información sobre las propiedades químicas, los impactos en la salud y la facilidad de detección. ^[7] Una vez añadido el gas trazador, se pueden utilizar ventiladores mezcladores para distribuir el gas trazador de la forma más uniforme posible por todo el espacio. Para realizar una prueba de descomposición, primero se mide la concentración del gas trazador cuando la concentración del gas trazador es constante. Luego se abren puertas y ventanas 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/m ³ para el funcionamiento del ventilador, y en climas fríos pueden recuperar mucha más energía que esta en forma de calor transferido del aire de escape residual al aire fresco de suministro 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 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 , el diferencial de temperatura necesario entre el aire interior y 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/m ³ o W/(m ³ /s)

En condiciones típicas de ventilación confortable 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 donde la diferencia absoluta media entre las temperaturas interior y exterior supera los ~10K, el argumento de conservación de energía para elegir la ventilación natural en lugar de la mecánica podría, por tanto, cuestionarse. Sin embargo, cabe señalar que la energía para calefacción puede ser más barata y más respetuosa con el medio ambiente que la electricidad. Este es especialmente el caso en áreas donde 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 corrientes de aire de suministro y escape. (La ventilación de las chimeneas generalmente depende de que el suministro y el escape se coloquen en niveles bajos y altos respectivamente, mientras que la ventilación natural impulsada por el viento normalmente depende de aberturas colocadas en lados opuestos de un edificio para una ventilación cruzada eficiente).

Ya en 1993 se realizaron investigaciones destinadas al desarrollo de sistemas de ventilación natural con recuperación de calor, donde Shultz et al. ^[8] propusieron y probaron un diseño tipo chimenea basándose en el efecto de chimenea mientras se recuperaba calor utilizando un gran recuperador de contraflujo construido con hierro galvanizado corrugado. Tanto el suministro como el escape se realizaban a través de un espacio del ático no acondicionado, donde el aire de escape se extraía a la altura del techo y el aire se suministraba al nivel del suelo a través de un conducto vertical.

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

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

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

También se han probado circuitos circulares acoplados con 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 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 declarado por los fabricantes aún no ha sido verificado 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.

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

Estándares

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, la Sección 6.4 se modificó 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 utilizará cuando las ventanas estén cerradas debido a temperaturas exteriores extremas, ruido y preocupaciones de seguridad". ^[16] La norma establece que dos excepciones en las que las edificaciones naturalmente condicionadas no requieren de 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 impiden que las aberturas se cierren durante el período de ocupación esperada, o
• La zona no cuenta con equipos de calefacción o refrigeración.

Además, una autoridad que tenga jurisdicción puede permitir el diseño de un sistema de acondicionamiento que no tenga un sistema mecánico sino que dependa únicamente de sistemas naturales. ^[16] En referencia a cómo se deben diseñar los controles de los sistemas de acondicionamiento, la norma establece que deben tomar en consideración medidas para "coordinar adecuadamente la operación de los sistemas de ventilación natural y mecánica". ^[dieciséis]

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 por encima del nivel del suelo, incluidas casas prefabricadas y modulares", pero no se aplican "a viviendas transitorias como hoteles, moteles, residencias 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 ocupación humana. ^[18] A lo largo de sus revisiones, su alcance ha sido consistente con su propósito actualmente articulado, "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 fue revisada en 2004 después de que los resultados del estudio de campo del proyecto de investigación ASHRAE, RP-884: desarrollando un modelo adaptativo de comodidad y preferencia térmica, indicaron que existen diferencias entre espacios acondicionados naturalmente y mecánicamente con respecto a la respuesta térmica de los ocupantes. , cambio de ropa, disponibilidad de control y 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 ventilados naturalmente, utiliza un enfoque de confort térmico adaptativo para edificios con condiciones naturales al especificar rangos de temperatura operativa aceptables para espacios con condiciones naturales. ^[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 sostenible, energéticamente eficiente y amigable para los ocupantes. ^[18]

Ver también

• Ventilación (arquitectura)
• Infiltración (HVAC)
• Economizadores del lado aire
• Puertas de convección
• chimenea solar
• Cazavientos
• Calidad del aire interior
• El síndrome del edificio enfermo
• Calefacción, ventilación y aire acondicionado
• Ingeniería Mecánica
• Ingeniería arquitectónica
• Edificio verde
• Enfriamiento pasivo
• Ventilación de modo mixto
• Distribución del aire ambiente
• Comodidad térmica
• Aire acondicionado
• ASHRAE
• Glosario de HVAC

Referencias

1. Tilo, PF (1999). "La mecánica de fluidos de la ventilación natural". Revisión Anual de Mecánica de Fluidos . 31 : 201–238. Código Bib : 1999AnRFM..31..201L. doi :10.1146/annurev.fluid.31.1.201.
2. Clancy, LJ (1975). Aerodinámica . John Wiley e hijos.
3. "Lecciones de estrategias de enfriamiento pasivo vernáculas y sostenibles utilizadas en casas tradicionales iraníes". Puerta de la investigación .
4. Caminante, 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 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 sola zona mediante una dilución de gas trazador". West Conshohocken, Pensilvania: ASTM Internacional. 2006. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
8. Schultz, JM, 1993. Naturlig ventilation med varmegenvinding, Lyngby: Laboratoriet for Varmeisolering, DTH. (Danés)
9. Calautit, JK, O'Connor, D. & Hughes, BR, 2015. Una torre eólica de ventilación natural con recuperación de calor con tubería de calor para climas fríos. Energías Renovables, I(87), págs. 1088-1104.
10. Gan, G. & Riffat, S., 1999. Un estudio de recuperación de calor con tubos de calor para ventilación natural. AIVC, 477(12), págs. 57-62.
11. Hviid, CA & Svendsen, S., 2008. Sistemas de ventilación pasiva con recuperación de calor y refrigeración nocturna. Kyoto, Ventilación avanzada de edificios y tecnología ambiental para abordar los problemas del cambio climático.
12. Hviid, CA y Svendsen, S., 2012. Mecánica asistida por viento y pila, Lyngby: DTU Byg.
13. Autodesk, 2012. Sistema de ventilación pasiva con recuperación de calor. [En línea] Disponible en: sostenibilidadworkshop.autodesk.com/project-gallery/passive-heat-recovering-ventilationsystem
14. "Ventivo". ventive.co.uk . Consultado el 28 de julio de 2018 .
15. "Cómo funciona". www.stackhr.com . Consultado el 28 de julio de 2018 .
16. "Estándar ANSI/ASHRAE 62.1-2010: Ventilación para una calidad del aire interior aceptable". Atlanta, GA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado. 2010. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
17. "Estándar ANSI/ASHRAE 62.2-2010: ventilación y calidad del aire interior aceptable en edificios residenciales de poca altura". Atlanta, GA: Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado. 2010. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
18. "Estándar 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}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )
19. de Estimado, Richard J.; Gail S. Brager (2002). "Confort térmico en edificios con ventilación natural: revisiones a la norma ASHRAE 55". Energía y Edificación . 34 (6): 549–561. Código Bib : 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 Medio Ambiente Construido (CBE), 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 de Tecnología 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 completa de diseño de edificios , Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php
2. "Ventilación natural para el control de infecciones en entornos de atención médica", informe (que incluye directrices de diseño) de la Organización Mundial de la Salud para instalaciones de atención médica con ventilación natural. http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547857_eng.pdf