Efecto de tiro térmico
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Definición
El tiro térmico, también conocido comoefecto chimenea, es un fenómeno físico que se produce en los edificios cuando elaire caliente del interior, al ser menos denso que el aire frío del exterior, tiende a ascender.
Este movimiento natural del aire genera una corriente ascendente en los espacios cerrados, creando un flujo de aire que puede utilizarse para la ventilación natural de los edificios.
El tiro térmico se basa en los principios de la flotabilidad, donde la diferencia de temperatura entre el aire interior y el exterior crea una diferencia de presión.
Esta diferencia de presión hace que el aire caliente salga por los puntos altos del edificio, mientras que el aire frío entra por las aberturas inferiores.
Laeficacia del tiro térmico depende de varios factores, como la altura del edificio, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, y la configuración de las aberturas de entrada y salida de aire.
Este fenómeno es especialmente relevante en los edificios altos, donde puede plantear importantes retos en términos de confort térmico, consumo de energía e incluso seguridad. Por tanto, comprender y controlar las corrientes de aire térmicas es esencial para optimizar el rendimiento energético de los edificios, reducir las pérdidas de energía y garantizar un ambiente interior confortable y saludable.
Efecto de tiro térmico en edificios altos
Efecto chimenea
El efecto de tiro térmico es un reto importante para los rascacielos, pero también puede ser un factor significativo para los edificios de dos plantas o más.
La estructura actúa como una chimenea gigante, canalizando eficazmente el aire caliente hacia arriba hasta que finalmente abandona por completo la estructura.
Estos fenómenos suelen verse favorecidos por las escaleras abiertas que distribuyen todos los niveles de un edificio.
El efecto chimenea se produce cuando la temperatura exterior es significativamente inferior a la interior.
El aire frío es más denso que el caliente, así que cuando el aire frío entra en la estructura desde abajo, sustituye al aire caliente de más arriba.
Esto crea un flujo de aire que atrae más aire frío e intensifica las corrientes de aire. Cuanto más alta sea la estructura, más fuerte será el flujo de aire. Por eso se desarrollaron las puertas giratorias poco después de los primeros rascacielos.
¡La fuerza de succión a nivel del suelo era tan fuerte en invierno que a la gente le costaba abrir las puertas!
Este fenómeno sigue presente hoy en día en los ascensores, que a veces conectan las partes bajas del edificio con las zonas del tejado para ventilar la tolva.
Sin embargo, en presencia de viento (ver efecto de tiro combinado con viento), la corriente de aire llega a ser tan fuerte que las puertas del ascensor pueden bloquearse, o pueden producirse silbidos importantes en las esclusas de los niveles inferiores.
El problema obvio es que se pierde aire interior tratado, con el consiguiente derroche de energía.
Pero otro factor es que este problema puede empeorar con el tiempo.
Si el flujo de aire es especialmente fuerte, esto ejerce presión sobre las finas entradas de aire parásitas, haciendo que las juntas se agrieten y creando nuevas vulnerabilidades. Con una presión sostenida, estos huecos pueden ensancharse y expandirse, intensificando el flujo de aire y acelerando la pérdida de energía.
El efecto chimenea funciona porque el aire caliente tiene que ir a alguna parte cuando llega al nivel más alto del edificio.
En muchos casos, se escapa hacia el ático a través de techos agrietados, fugas en la fontanería, luminarias empotradas o simplemente demasiada permeabilidad al aire en el suelo del ático.
Una vez que el aire caliente alcanza el nivel superior, escapa al exterior a través de cualquier pequeña vulnerabilidad que pueda encontrar.
Plano de presión neutra
El plano de presión neutra es un plano horizontal imaginario en el que la presión interna es igual a la presión atmosférica externa. A esta altura, la diferencia de presión entre el interior y el exterior es cero, y el aire ni entra ni sale del edificio.
El punto de presión neutra depende de los sistemas de climatización del edificio, que aplican presión o presión negativa según su zona de distribución en el edificio.
Para que el tiro térmico funcione correctamente en un edificio, debe estudiarse previamente la posición del plano de presión neutra para determinar la posición de las entradas y salidas de aire durante la fase de diseño.
Las entradas de aire deben situarse por debajo del plano de presión neutra y las salidas de aire por encima, como se muestra en el diagrama siguiente.
Por encima del plano de presión neutra, ocurre lo contrario: la presión interna es mayor que la externa y el aire sale del edificio.
Estimación del tiro térmico en un edificio
Definiciones y fórmulas
La ventilación por flotabilidad aprovecha los principios de la diferencia de densidad del aire para garantizar una renovación eficaz del aire en un espacio cerrado.
Este método puede aplicarse de varias formas, incluido el uso combinado de torres de refrigeración y chimeneas.
Las torres de refrigeración, que funcionan según el principio deevaporación del agua para enfriar el aire, proporcionanaire fresco en la parte inferior del espacio.
Cuando este aire fresco es calentado por los ocupantes u otras fuentes internas, su densidad disminuye y se vuelve más ligero, lo que facilita su ascenso.
Mediante una chimenea, este aire caliente y viciado se expulsa al exterior, creando una corriente de aire que permite que siga entrando aire fresco por las aberturas inferiores para sustituirlo.
La diferencia de densidad del aire depende de factores como la temperatura y lahumedad.
En invierno, cuando la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior es mayor, la ventilación por chimenea es especialmente eficaz.
Sin embargo, en verano, este método puede no funcionar eficazmente porque requiere que el interior esté más caliente que el exterior, lo que suele ser indeseable durante los meses calurosos.
Por tanto, la ventilación por flotabilidad, al aprovechar las diferencias de densidad del aire debidas a la temperatura y la humedad, puede ser un método eficaz para garantizar una ventilación natural y confortable de los espacios interiores, pero debe adaptarse a las condiciones climáticas para ser plenamente eficaz.
Una expresión para el caudal de aire ventilado por efecto chimenea puede venir dada por :
Con :
- P: el flujo de aire ventilado por tiro térmico
- C_d: el coeficiente de descarga
- S: sección transversal de la chimenea (m²)
- g:aceleración debida a la gravedad
- h: la altura de la chimenea (en m)
- T_i: temperatura interior (en K)
- T_e: temperatura exterior (en K)
> Se puede observar que el caudal es positivo cuando T_i T_e : el aire caliente y viciado sale del edificio.
< En verano, cuando T_i T_e , el caudal se vuelve negativo, entrando aire caliente en el edificio, lo que no es el efecto deseado.
Por tanto, el tiro térmico es inadecuado para edificios de tipo residencial o de oficinas, donde la temperatura exterior es muy alta.
También está el caso en que T_i y T_e son del mismo orden de magnitud (entretiempo): en este caso, el flujo de aire es casi nulo, y no hay ventilación.
Por eso, para los edificios convencionales, el tiro térmico no es adecuado en todas las estaciones del año.
Pero vamos a presentar las situaciones en las que la ventilación por tiro térmico siempre funciona.
Órdenes de magnitud
Si tomamos el caso de un edificio de viviendas en invierno con una chimenea de 15 m de altura, la temperatura interior (T_i) es por término medio de 20 °C y la temperatura exterior (T_e) es de 0 °C.
El coeficiente de descarga se considera aproximadamente igual a 0,65 y la superficie (S) de la chimenea es de 0,1 m².
Por aplicación numérica, el orden de magnitud del caudal de aire ventilado por tiro térmico es: Q = 0,34 m³/s, es decir, aproximadamente 1200 m³/h. [Ces valeurs ne sont valables que dans la situation évoquée précédemment]Una chimenea de este tipo proporcionará una ventilación adecuada (caudal de 5 Vol/h) para una superficie de 100 m².
Coeficiente de descarga
El coeficiente de descarga es un parámetro utilizado para describir el rendimiento de una chimenea o conducto en el contexto del tiro térmico.
Representa la fracción del caudal másico teórico de aire que realmente pasa por el conducto como consecuencia del efecto del tiro térmico.
El coeficiente de descarga depende de varios factores, como la geometría de la chimenea, la rugosidad de sus paredes, la temperatura del aire en el interior del conducto de humos, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de la chimenea y otras variables ambientales.
Para calcular el coeficiente de descarga, se pueden utilizar modelos empíricos basados en experimentos y observaciones, o simulaciones numéricas que tengan en cuenta las distintas variables influyentes.
Estos modelos o simulaciones pueden utilizarse para determinar el coeficiente de descarga para una configuración de chimenea específica en unas condiciones dadas.
En general, el coeficiente de tiro se expresa como un valor comprendido entre 0 y 1, donde 1 representa el tiro óptimo, es decir, todo el aire teóricamente disponible es realmente aspirado por la chimenea.
Un valor inferior a 1 indica pérdidas o ineficiencias en el proceso de tiro.
Simulación CFD
La simulación CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) ofrece una ventaja innegable en la determinación de los coeficientes de descarga del tiro térmico.
Proporciona una estimación más precisa y accesible que los métodos experimentales tradicionales.
Gracias a la CFD, es posibleanalizar virtualmente el comportamiento de los flujos de aire en un sistema de tiro térmico, lo que permite comprender en profundidad los fenómenos de convección y turbulencia.
Además, este enfoque permite una gran flexibilidad en la modificación yoptimización del proyecto, ya que se utiliza en una fase temprana del diseño, evitando así los costes y limitaciones asociados a las modificaciones durante la fase de construcción.
La simulación CFD tiene en cuenta directamente los efectos de las pérdidas de carga.
Utilizando la fórmula teórica sin pérdidas (C_d=1), es posible determinar el coeficiente de descarga del sistema estudiado.
En resumen, la simulación CFD es una herramienta esencial para un diseño eficaz y optimizado de los sistemas de tiro térmico.
Extracción térmica en la industria
Los problemas
En los entornos industriales, el fenómeno del tiro térmico tiene una importancia crucial.
A menudo generado por equipos como hornos o máquinas, el calor que hay que evacuar se caracteriza por temperaturas muy elevadas.
Estas condiciones térmicas requieren una gestión eficaz, ya que pueden provocar una acumulación de calor en el interior de las instalaciones industriales.
Además, la temperatura del aire que se expulsa suele ser muy superior a la del aire exterior, incluso en verano, por lo que el tiro térmico funciona incluso en épocas de mucho calor.
Hay que señalar que este desajuste térmico agrava los retos asociados al control de la temperatura y la ventilación, que requieren soluciones específicas para mantener unas condiciones de trabajo óptimas y garantizar la seguridad de las operaciones industriales.
Simulación CFD
Las dos imágenes siguientes muestran una simulación numérica realizada para la ventilación de una planta industrial, para laque hubo que dimensionar aireadores estáticos.
Eldimensionamiento de las aberturas de ventilación natural está muy influido por el concepto de presión neutra.
Se refiere a un nivel crucial en el que la presión interna de un espacio es igual a la presión atmosférica externa, formando un plano horizontal ficticio.
En este nivel, las entradas de aire son poco eficaces, mientras que por encima de este nivel, la presión interna supera a la externa, por lo que es esencial situar las salidas de aire en este punto.
Por otra parte, las aberturas de entrada de aire siempre se colocan por debajo del plano neutro, ya que generan una zona de presión negativa en este punto.
Al diseñar un sistema de ventilación natural, es esencial determinar con precisión la altura del plano neutro y distribuir juiciosamente la diferencia de presión disponible entre las aberturas de entrada y salida de aire, teniendo en cuenta las pérdidas de flujo. La posición del plano neutro varía según la estación, como se muestra en el diagrama siguiente.
Cuando la temperatura exterior es mucho más baja que la interior (invierno), el plano de presión neutra se sitúa más arriba.
En cambio, en verano, cuando las diferencias de temperatura son menores pero la temperatura interior sigue siendo más alta, el plano de presión neutra se sitúa más abajo.
Por eso, para que el tiro térmico funcione en todas las estaciones, las entradas de aire deben estar situadas por debajo de la posición mínima del plano de presión neutra y las salidas de aire por encima de la posición máxima del plano de presión neutra.
Balance
Por ello, Eolios puede aportar soluciones en el campo del dimensionamiento de chimeneas, así como de aperturas y simulaciones numéricas de tiro térmico.
Su experiencia y conocimientos le permiten ofrecer herramientas y servicios de modelización precisos y fiables para responder a las necesidades de las industrias preocupadas por la eficacia energética y la seguridad de sus instalaciones.
