Ventilación pasiva

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 hacia un espacio interior como resultado de las diferencias de presión generadas por fuerzas naturales.

En los edificios se dan dos tipos de ventilación natural: la ventilación eólica y la ventilación por flotabilidad . La ventilación eólica se produce por las diferentes presiones que genera el viento alrededor de un edificio o estructura, y por las aberturas que se forman en el perímetro, permitiendo así el flujo de aire a través del edificio. La ventilación por 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 generan por procesos naturales, incluido el calor que desprenden las personas, y que los efectos del viento son variables, a los edificios con ventilación natural a veces se les denomina "edificios que respiran".

La presión estática del aire es la presión en una corriente de aire libre 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 del SI ):

El impacto del viento en un edificio afecta las tasas de ventilación e infiltración a través de él y las pérdidas o ganancias de calor asociadas. La velocidad del viento aumenta con la altura y es menor cerca del 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 el contexto urbano (edificios, estructuras). Los edificios vernáculos y tradicionales en diferentes regiones climáticas dependen en gran medida de la ventilación natural para mantener condiciones de confort térmico en los espacios cerrados. ^{[ 3 ]}

Las directrices de diseño se ofrecen en los reglamentos de construcción y otra literatura relacionada e incluyen una variedad de recomendaciones sobre muchas áreas específicas, tales como:

• Ubicación y orientación del edificio
• Forma y dimensiones del edificio
• Tabiques y distribución interior
• Tipologías, funcionamiento, ubicación y formas de las ventanas
• Otros tipos de aberturas ( puertas , chimeneas )
• Métodos de construcción y detalles constructivos (infiltración)
• Elementos externos (paredes, pantallas)
• condiciones de planificación urbana

Las siguientes directrices de diseño se seleccionan de la Guía de diseño de edificios completos , un programa del Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción : ^{[ 4 ]}

• Maximice la ventilación natural inducida por el viento ubicando la cumbrera del edificio perpendicular a los vientos de verano.
• El ancho de la zona de ventilación natural debe ser estrecho (máximo 13,7 m [45 pies]).
• Cada habitación debe tener dos aberturas separadas para la entrada y salida de aire. Ubique la salida de aire en la parte superior a la entrada para maximizar el efecto chimenea. Oriente las ventanas de forma transversal a la habitación y ligeramente desplazadas entre sí para maximizar la mezcla de aire y minimizar las obstrucciones al flujo de aire.
• Las aberturas de las ventanas deben ser operables por los ocupantes.
• Considere la posibilidad de utilizar claraboyas o tragaluces ventilados.

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 de aire o captadores de viento .

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

La ventilación por flotabilidad se produce debido a las diferencias de densidad entre el aire interior y exterior, que en gran medida se deben a las diferencias de temperatura. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos volúmenes de aire contiguos, el aire más caliente tendrá menor densidad y, por lo tanto, flotará más, ascendiendo por encima del aire frío y creando una corriente de aire ascendente. La ventilación forzada por flotabilidad en un edificio se da en una chimenea tradicional. Los ventiladores de tiro pasivo son comunes en la mayoría de los baños y otros espacios sin acceso directo al exterior.

Para que un edificio se ventile adecuadamente mediante ventilación por convección, las temperaturas interior y exterior deben ser diferentes. Cuando el interior es más cálido que el exterior, el aire interior asciende y sale del edificio por las aberturas superiores. Si existen aberturas inferiores, el aire exterior, más frío y denso, entra al edificio a través de ellas, creando así una ventilación por desplazamiento ascendente. Sin embargo, si no hay aberturas inferiores, tanto la entrada como la salida de aire se producirán a través de la abertura superior. Esto se denomina ventilación por mezcla. Esta última estrategia permite que el aire fresco llegue a la parte inferior, ya que, aunque el aire frío entrante se mezclará con el aire interior, siempre será más denso que el aire interior en su conjunto y, por lo tanto, caerá al suelo. La ventilación por convección aumenta con una mayor diferencia de temperatura y con una mayor altura entre las aberturas superiores e inferiores en el caso de la ventilación por desplazamiento. Cuando existen aberturas tanto superiores como inferiores, el plano neutro en un edificio se encuentra en la ubicación entre las aberturas superior e inferior, donde la presión interna será igual a la presión externa (en ausencia de viento). Por encima del plano neutro, la presión interna del aire será positiva y el aire saldrá por cualquier abertura intermedia. Por debajo del plano neutro, la presión interna del aire será negativa y el aire externo entrará en el espacio a través de cualquier abertura intermedia. La ventilación por flotabilidad ofrece varias ventajas importantes: {Véase Linden, P. Annu Rev. Fluid Mech., 1999}

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

Limitaciones de la ventilación impulsada por flotabilidad:

• Magnitud menor 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 pueden generar costos adicionales (conductos de ventilación, 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 edificios puede depender principalmente de las diferencias de presión del viento en condiciones ventosas, pero los efectos de flotabilidad pueden a) potenciar este tipo de ventilación y b) asegurar caudales de aire en días sin viento. La ventilación impulsada por flotabilidad puede implementarse de manera que la entrada de aire en el edificio no dependa únicamente de la dirección del viento. En este sentido, puede mejorar la calidad del aire en algunos entornos contaminados, como las ciudades. Por ejemplo, el aire puede ser aspirado a través de la parte trasera o los patios de los edificios, evitando la contaminación directa y el ruido de la fachada que da a la calle. El viento puede potenciar el efecto de flotabilidad, pero también puede reducirlo según su velocidad, dirección y el diseño de las entradas y salidas de aire. Por lo tanto, es fundamental tener en cuenta los vientos predominantes al diseñar sistemas de ventilación por efecto chimenea.

El caudal de ventilación natural para la ventilación natural impulsada por flotabilidad con orificios 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 del SI :

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 efectiva, debe haber intercambio entre el aire exterior y el aire de la habitación. Un método común para medir la efectividad de la ventilación es usar un gas trazador . ^{[ 6 ]} El primer paso es cerrar todas las ventanas, puertas y aberturas en el espacio. Luego se agrega un gas trazador al aire. La referencia, la norma E741 de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM): Método de prueba estándar para determinar el cambio de aire en una sola zona mediante la dilución de un gas trazador, describe qué gases trazadores se pueden usar 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 usar ventiladores mezcladores para distribuirlo de la manera más uniforme posible en todo el espacio. Para hacer una prueba de decaimiento, primero se mide la concentración del gas trazador cuando esta es constante. A continuación, se abren las ventanas y puertas y se mide la concentración del gas trazador en el espacio a intervalos regulares para determinar su tasa de decaimiento. 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 ensayo, consulte la norma ASTM E741. ^{[ 7 ]}

Si bien la ventilación natural elimina el consumo de energía eléctrica de los ventiladores, el consumo energético total de los sistemas de ventilación natural suele ser superior al de los sistemas de ventilación mecánica modernos con recuperación de calor . Los sistemas de ventilación mecánica modernos típicos consumen 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 impulsión fresco mediante recuperadores .

La pérdida de calor por ventilación se puede calcular de la siguiente manera:

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

Dónde:

• ${\displaystyle \theta }$¿La pérdida de calor por ventilación se mide 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/ ^m³ )
• ${\displaystyle \Delta T}$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 , la diferencia de temperatura necesaria 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 de la siguiente manera:

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

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/m³, ^obtenemos :

${\displaystyle \Delta T=2000/(1000*1,2*(1-0,8))=8,33[K]}$

En climas donde la diferencia absoluta media entre la temperatura interior y exterior supera los ~10 K, el argumento del ahorro energético a favor de la ventilación natural frente a la mecánica podría ser cuestionable. Sin embargo, cabe señalar que la calefacción puede resultar más económica y respetuosa con el medio ambiente que la electricidad, especialmente en zonas con calefacción urbana .

Para desarrollar sistemas de ventilación natural con recuperación de calor, primero deben resolverse dos desafíos inherentes:

1. Proporciona una recuperación de calor eficiente a presiones de impulsión muy bajas.
2. Conexión física o térmica de las corrientes de aire de impulsión y extracción. (La ventilación por chimenea generalmente se basa en la colocación de las entradas y salidas de aire en la parte baja y alta del edificio, respectivamente, mientras que la ventilación natural impulsada por el viento normalmente se basa en la colocación de aberturas en lados opuestos del edificio para una ventilación cruzada eficiente).

Las investigaciones dirigidas al desarrollo de sistemas de ventilación natural con recuperación de calor se remontan a 1993, cuando Shultz et al. ^{[ 8 ]} propusieron y probaron un diseño tipo chimenea que aprovechaba el efecto chimenea, recuperando el calor mediante un gran recuperador de contracorriente construido con hierro galvanizado corrugado. Tanto la entrada como la salida de aire se realizaban a través de un espacio de ático sin climatizar, extrayéndose el aire de escape a la altura del techo y suministrándose a nivel del suelo mediante 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 cercana al 40 %. Sin embargo, se determinó 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 fuerza motriz principal debido a su mayor potencial de presión. Sin embargo, esto introduce el problema de las grandes fluctuaciones en la presión motriz.

Con el uso de torres de viento colocadas en el techo de espacios ventilados, el suministro y la extracción pueden ubicarse cerca uno del otro en lados opuestos de las pequeñas torres. ^{[ 9 ]} Estos sistemas suelen incorporar tubos de calor con aletas , aunque esto limita la eficiencia máxima teórica de recuperación de calor. ^{[ 10 ]}

También se han probado circuitos de recirculación 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 comerciales llevan años en el mercado, ^{[ 13 ] [ 14 ]} el rendimiento que afirman 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 comerciales que prometen ventilación natural y alta eficiencia en la recuperación de calor.

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

Para las normas relativas a las tasas de ventilación, en Estados Unidos consulte la norma ASHRAE 62.1-2010: Ventilación para una calidad del aire interior aceptable . ^{[ 16 ]} Estos requisitos se aplican a "todos los espacios destinados a la ocupación humana, excepto aquellos dentro de viviendas 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 de acondicionamiento natural de espacios también deben "incluir un sistema de ventilación mecánica diseñado para cumplir con la tasa de ventilación o los procedimientos de calidad del aire interior [en ASHRAE 62.1-2010]. El sistema mecánico debe usarse cuando las ventanas estén cerradas debido a temperaturas exteriores extremas, ruido y preocupaciones de seguridad". ^{[ 16 ]} La norma establece que existen dos excepciones en las que los edificios con acondicionamiento natural no requieren sistemas mecánicos:

• 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 prevista, o
• La zona no cuenta con sistemas de calefacción ni de refrigeración.

Además, una autoridad competente puede autorizar el diseño de un sistema de climatización que no cuente con un sistema mecánico, sino que dependa únicamente de sistemas naturales. ^{[ 16 ]} En cuanto al diseño de los controles de los sistemas de climatización, la norma establece que deben tener en cuenta 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 baja altura . ^{[ 17 ]} Estos requisitos son para "viviendas 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 alojamientos transitorios como hoteles, moteles, residencias de ancianos, dormitorios o cárceles". ^{[ 17 ]}

Para estándares relacionados con 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 consistente 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 fue revisada en 2004 luego de que los resultados del estudio de campo del proyecto de investigación ASHRAE, RP-884: desarrollo de un modelo adaptativo de confort y preferencia térmica, indicaran que hay diferencias entre los espacios acondicionados de forma natural y mecánica con respecto a la respuesta térmica del ocupante, el cambio en la vestimenta, la disponibilidad de control y los cambios en las expectativas del ocupante. ^{[ 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 confort térmico adaptativo para edificios con climatización natural al especificar rangos de temperatura operativa aceptables para espacios con climatización 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 más sostenible, energéticamente eficiente y amigable para los ocupantes. ^{[ 18 ]}

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

1. Centro para el Entorno Construido (CBE), Universidad de California, Berkeley. http://www.cbe.berkeley.edu/ Archivado el 11 de febrero de 2010 en Wayback Machine.
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 Sídney, Australia. https://web.archive.org/web/20111107120122/http://sydney.edu.au/architecture/research/research_archdessci.shtml

Pautas para la ventilación natural:

1. Guía de diseño integral de edificios , Instituto Nacional de Ciencias de la Construcción http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php Archivado el 21/11/2016 en Wayback Machine
2. «Ventilación natural para el control de infecciones en entornos sanitarios», un informe (que incluye directrices de diseño) de la Organización Mundial de la Salud para instalaciones sanitarias con ventilación natural. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK143284/