MECANISMOS DE GENERACIÓN DE VENTILACIÓN NATURAL
El aire se mueve por la existencia de una diferencia de presión entre dos puntos. Esta diferencia de presión puede estar provocada por dos mecanismos:
- Variación de la presión por efectos del Viento
- Variación de la presión por Efectos térmicos
A continuación se verán ambos mecanismos de generación de la Ventilación Natural
La ventilación natural por efectos del viento
El efecto del viento alrededor de un edificio provoca cambios de presión sobre sus fachadas y cubiertas. Si se ubican convenientemente las aperturas sobre dichas fachadas, se conseguirá un movimiento de aire por el interior del edificio desde la zona de mayor presión a la zona de menor presión.
El flujo de aire a través de una apertura se puede calcular a través de la siguiente fórmula:
Q = RaízCuadradaDe2*(Cd)*(A)*(ΔP/ρ0)^0.5
donde:
Q = Caudal de aire a través del orificio en m3/s
Cd = Coeficiente de descarga.
A = Área de apertura en m2
ΔP = Diferencia de presión en Pa entre la entrada y salida del orificio
ρ0 = Densidad del aire a la temperatura de referencia (kg/m3)
El coeficiente de descarga Cd varía en función de la geometría de la apertura con un valor de 0,6 (aperturas en general) hasta 1 (grandes aperturas)
Para calcular los caudales de aire se requiere determinar previamente la presión debida al viento. El valor medio en el tiempo de la presión estática por viento viene dada por la siguiente expresión:
Pw = 0,5 · Cp · ρ0 · U2
donde:
Pw = Presión estática de viento sobre una fachada (Pa) – Valor promediado en el tiempo
Cp = Coeficiente de presión
ρ0 = Densidad del aire a la temperatura de referencia (kg/m3)
U = Velocidad media de viento a la altura de la apertura o hueco, en m/s.
La forma más recomendable de obtener el Coeficiente de Presión es mediante simulación CFD a través de software como por ejemplo FLOW-3D. Este coeficiente depende de la forma del edificio, topografía, velocidad y dirección del viento, rugosidad del terreno, etc. por lo que su cálculo manual es complejo. El Coeficiente de Presión es positivo en las zonas de sobrepresión (barlovento) y negativo en las zonas de depresión (sotavento y cubiertas). Como se ha comentado es una variable muy dependiente.
El movimiento de aire se genera de la zona de más presión hacia las zonas de menos presión. Cuanto mayor es esta diferencia, mayor es el caudal movido. La diferencia de presión puede cuantificarse de la siguiente manera:
ΔPw = 0,5 · (Cp1 – Cp1) · ρ0 · U2
La ventilación natural por efectos térmicos
La ventilación natural por efectos térmicos se produce por el movimiento del fluido por diferencia de densidades (convección natural). Este fenómeno puede ser explicado por la presión hidrostática del fluido. La presión hidrostática de un fluido se define de la siguiente manera:
ΔP = Δρ · g · Δz
donde:
ΔP = diferencial de presión hidrostática del fluido (Pa)
Δρ = diferencial de densidad del fluido (kg/m3)
g = fuerza de la gravedad (9.81 m/s2)
Δz = diferencial de altura de los puntos considerados (m)
En azul se tiene la presión en el exterior mientras que en naranja se tiene la presión interior. En la rejilla inferior, la presión hidrostática exterior es mayor que la interior mientras que en la rejilla superior, sucede lo contrario siendo la p.h. mayor dentro que fuera. En el interior, la presión disminuye menos en función de la altura debido a que la densidad del aire caliente es menor mientras que en el exterior, al ser la densidad del aire mayor, la presión disminuye más rápidamente.
Como consecuencia, en la rejilla inferior existe una diferencia de presión negativa que permite la succión de aire del exterior. En la rejilla superior existe una sobrepresión que permite la salida de aire hacia el exterior.
En el punto de encuentro de ambas lineas (línea neutra) no existirá teóricamente entrada de aire si se dispusiera una rejilla de entrada en ese punto. Este punto neutro es una variable muy importante en el diseño de los sistemas de ventilación natural. Asimismo, una correcta elección de las rejillas de entrada y salida con la ajustada pérdida de carga nos permitirá predecir el caudal de paso de aire.
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Simulación CFD de ventilación natural por efectos térmicos
La posibilidad de contar con software CFD para el diseño de sistemas de ventilación natural es muy interesante. Esto es especialmente necesario en edificios de arquitectura compleja por ejemplo con varias rejillas de entrada en diferentes alturas, movimientos de aire por el interior del edificio de difícil predicción, etc. Ejemplos de este tipo de edificios son los Mall de centros comerciales, atrios de edificios terciarios, etc.
El cálculo CFD resuelve de manera directa las ecuaciones de la dinámica de fluidos de Navier Stokes. Se requiere de códigos CFD robustos y contrastados experimentalmente como por ejemplo FLOW-3D que dispone de todos los modelos físicos necesarios para este cálculo. Asimismo, para un correcto cálculo es necesario introducir las condiciones de contorno correctas. Para ello, es necesario un mapa de temperaturas y cargas térmicas en el instante en el que se quiere realizar el cálculo CFD.
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