Efecto de pila

El efecto chimenea es el movimiento del aire dentro y fuera de los edificios a través de aberturas sin sellar, chimeneas , conductos de gases de combustión u otras aberturas o recipientes diseñados específicamente para ello, como resultado de la flotabilidad del aire. La flotabilidad se produce debido a una diferencia en la densidad del aire interior y exterior, resultante 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 causa de infiltración de aire no deseada o riesgo de incendio.

Dado que los edificios no están completamente sellados (como mínimo, siempre hay una entrada a nivel del suelo), el efecto chimenea provoca infiltración de aire. Durante la temporada de calefacción, el aire interior más cálido asciende por el edificio y escapa por la parte superior 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, atrayendo aire frío a través de puertas, ventanas u otras aberturas y fugas. Durante la temporada de refrigeración, el efecto chimenea se invierte, pero suele ser más débil debido a las menores diferencias de temperatura. ^{[ 1 ]}

En un edificio moderno de gran altura con una envolvente bien sellada , el efecto chimenea puede crear diferencias de presión significativas que deben tenerse en cuenta en el diseño y que pueden requerir ventilación mecánica . Las escaleras, los huecos, 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 habitables para los ocupantes y los bomberos. ^{[ 2 ]} Si bien los métodos de ventilación natural pueden ser efectivos, como la instalación de salidas de aire más cerca del suelo, la ventilación mecánica suele preferirse para estructuras más altas o en edificios con espacio limitado. La extracción de humos 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. Ejemplos de ello son el incendio del túnel de Kaprun , el incendio de la estación de metro de King's Cross y el incendio de la Torre Grenfell , a consecuencia del cual murieron 72 personas. ^{[ 4 ]} Este último se vio parcialmente 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 ]} También se ha mencionado como un factor importante que contribuyó al incendio de Wang Fuk Court en Hong Kong en 2025. ^{[ 7 ]}

Algunos edificios están diseñados con aberturas estratégicamente ubicadas a diferentes alturas para inducir el efecto chimenea, donde el aire frío entra por ventanas o rejillas de ventilación bajas y el aire caliente sale por aberturas más altas, como tragaluces, respiraderos de techo o ventanas altas . 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. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El efecto chimenea se utiliza tanto en edificios tradicionales como en arquitectura verde moderna. Ejemplos de uso tradicional incluyen los captadores de viento comunes en la arquitectura de Asia Occidental , que capturan y dirigen brisas más frescas hacia el interior del edificio, expulsando el aire caliente para mantener temperaturas interiores confortables. ^{[ 10 ]} Los edificios sostenibles contemporáneos suelen utilizar el efecto chimenea junto con técnicas no eléctricas relacionadas, como el acoplamiento al suelo , el enterramiento y la refrigeración evaporativa, para mejorar el perfil de refrigeración pasiva de un edificio. Mediante un diseño cuidadoso de 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 refrigeración mecánica y mejorar la eficiencia energética general. ^{[ 9 ]}

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 superior a la del exterior. El aire caliente dentro del edificio tiene una densidad baja (o un volumen específico alto) y presenta una mayor fuerza de flotación. En consecuencia, asciende desde los niveles inferiores a los superiores a través de las aberturas entre pisos. Esto genera una situación en la que los pisos situados debajo del eje neutro del edificio tienen una presión neta negativa, mientras que los pisos situados por encima del eje neutro tienen una presión neta positiva. La presión neta negativa en los pisos inferiores puede provocar la infiltración de aire exterior en el edificio a través de puertas, ventanas o conductos sin compuertas antirretorno. El aire caliente intentará salir de la envolvente del edificio a través de los pisos situados por encima del eje neutro.

Los equipos de refrigeración mecánica proporcionan refrigeración sensible y latente durante los meses de verano. Esto reduce la temperatura de bulbo seco del aire dentro del edificio con respecto al aire ambiente exterior. También disminuye el volumen específico del aire contenido en el edificio, reduciendo así la fuerza de flotación. En consecuencia, el aire frío se desplaza verticalmente hacia abajo del edificio a través de huecos de ascensores, escaleras y penetraciones de servicios sin sellar (por ejemplo, tuberías de agua , electricidad y agua). Una vez que el aire acondicionado llega a los pisos inferiores, por debajo del eje neutro, se filtra a través de las aberturas sin sellar, como compuertas, muros cortina, etc. El aire que se filtra en los pisos inferiores al eje neutro induce la infiltración de aire exterior en la envolvente del edificio a través de dichas aberturas.

El efecto chimenea en las chimeneas industriales es similar al de los edificios, con la diferencia de que implica gases de combustión calientes con grandes diferencias de temperatura respecto al aire exterior. Además, una chimenea industrial suele ofrecer poca obstrucción a lo largo de su recorrido y, de hecho, normalmente se optimiza para potenciar el efecto chimenea y reducir así el consumo energético del ventilador.

Las grandes diferencias de temperatura entre el aire exterior y los gases de combustión pueden generar un fuerte efecto chimenea en los edificios que utilizan una chimenea para la calefacción.

Antes del desarrollo de ventiladores de gran volumen, las minas se ventilaban mediante el efecto chimenea. Un pozo de ventilación descendente permitía la entrada de aire a la mina. Al pie del pozo de ventilación ascendente se mantenía un horno en funcionamiento continuo. El pozo (generalmente de varios cientos de metros de profundidad) actuaba como una chimenea, y el aire ascendía a través de él, arrastrando aire fresco hacia abajo por la chimenea descendente y alrededor de la mina.

There is a pressure difference between the outside air and the air inside the building caused by the difference in temperature between the outside air and the inside air. That pressure difference ( ΔP ) is the driving force for the stack effect and it can be calculated with the equations presented below.^[11][12] The equations apply only to buildings where air is both inside and outside the buildings. For buildings with one or two floors, h is the height of the building. For multi-floor, high-rise buildings, h is the distance from the openings at the neutral pressure level (NPL) of the building to either the topmost openings or the lowest openings. Reference^[11] explains how the NPL affects the stack effect in high-rise buildings.

For flue gas stacks and chimneys, where air is on the outside and combustion flue gases are on the inside, the equations will only provide an approximation and h is the height of the flue gas stack or chimney.

${\displaystyle \Delta P=Cah{\bigg (}{\frac {1}{T_{o}}}-{\frac {1}{T_{i}}}{\bigg )}}$

SI units:

U.S. customary units:

The draft (draught in British English) flow rate induced by the stack effect can be calculated with the equation presented below.^[13][14] The equation applies only to buildings where air is both inside and outside the buildings. For buildings with one or two floors, h is the height of the building and A is the flow area of the openings. For multi-floor, high-rise buildings, A is the flow area of the openings and h is the distance from the openings at the neutral pressure level (NPL) of the building to either the topmost openings or the lowest openings. Reference^[11] explains how the NPL affects the stack effect in high-rise buildings.

Para chimeneas o conductos de humos, donde el aire se encuentra en el exterior y los gases de combustión en el interior, la ecuación solo proporciona una aproximación. Además, A representa el área de la sección transversal del flujo y h la altura de la chimenea o conducto de humos.

${\displaystyle Q=CA{\sqrt {2gh{\frac {T_{i}-T_{o}}{T_{i}}}}}}$

Unidades del SI :

Unidades de medida estadounidenses :

Esta ecuación supone que la resistencia al flujo de tiro es similar a la resistencia al flujo a través de un orificio caracterizado por un coeficiente de descarga C.

• Ventilación cruzada
• Tiro (caldera)
• Central eléctrica Ekibastuz GRES-2
• HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado)
• Inco Superstack
• chimenea solar
• Torre de tiro ascendente solar
• Conducto de ventilación
• Captador de viento

• Efecto chimenea: Cuando los edificios actúan como chimeneas -- Asesor de construcción ecológica
• Consejo Nacional de Investigación de Canadá - CBD-104 Efectos de chimenea en edificios
• Simulación del efecto pila en YouTube