Prototipo – Chimenea de ventilación natural
Proyecto de edificio ventilado por chimeneas de ventilación natural
Un estudio de arquitectura se puso en contacto con EOLIOS Ingénierie para estudiar la ventilación natural de un futuro edificio. Los locales de oficinas debían ventilarse mediante ejes de viento. En este tipo de ventilación natural, no prima el efecto de tiro térmico, sino la acción del viento.
En este estudio, EOLIOS estudió varios tipos de chimenea y determinó cuál ofrecía el mejor flujo de aire.
Prototipo - Chimenea de ventilación natural
Año
2024
Cliente
Ubicación
Rennes
Tipología
Ingeniería HVAC
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Simulación numérica de la ventilación natural mediante una chimenea eólica
Presentación general del proyecto
Eolios ha realizado un estudio en profundidad de un futuro proyecto arquitectónico que incorpora dos componentes principales: una sección dedicada a viviendas y otra a locales comerciales. Nos centramos específicamente en esta segunda sección, ya que son los locales comerciales los que se beneficiarán de un sistema de ventilación natural.
Estudio climático
Para llevar a cabo este estudio de ventilación natural, primero realizamos un análisis climático del futuro emplazamiento para que las simulaciones fueran lo más realistas posible. Para este proyecto, el análisis climático reveló que el viento sopla principalmente del suroeste. Un segundo viento dominante procede del noreste. Una vez identificados estos vientos dominantes, medimos su intensidad, es decir, la velocidad media del viento en estas direcciones, así como las velocidades mínima y máxima para estudiar los casos extremos.
También se realizó un estudio de las temperaturas en función de la estación, pero no se presenta en esta sección. En el resto de este artículo, presentaremos los resultados para un viento del suroeste a una velocidad de 6 m/s, que, según este estudio climático, es el viento más frecuente.
Modelo 3D
Para estudiar la ventilación natural de un edificio, es fundamental tener en cuenta los edificios vecinos que actúan como máscaras aeráulicas. Estas estructuras circundantes pueden tener un impacto significativo en el flujo de aire alrededory a través del edificio estudiado. La presencia de edificios vecinos puede crear zonas de presión y turbulencia variables que influyen en la dirección y velocidad del viento. Por tanto, una modelización precisa de estos edificios vecinos es esencial para una evaluación realista de la ventilación natural.
Al modelizar los edificios vecinos, se pueden simular los efectos de los obstáculos en las corrientes de aire. Esto incluye determinar las zonas de sombra del viento, donde el flujo de aire se reduce o perturba, y los canales de viento, donde el flujo se acelera. Estos fenómenos pueden afectar a la calidad del aire interior, el confort térmico y la eficiencia energética del edificio estudiado. Una buena modelización ayuda a identificar las mejores posiciones de las aberturas de ventilación, como ventanas y respiraderos, para optimizar el suministro de aire fresco y la eliminación del aire viciado.
Dimensionado
El dimensionado correcto de los conductos de ventilación es esencial para una ventilación eficaz. Eolios ofrece su experiencia para dimensionar y mejorar los sistemas de ventilación natural. A continuación, se utiliza la simulación CFD para verificar el diseño. La ventaja de la CFD reside en la posibilidad de probar varios sistemas y configuraciones. Es más fácil modificar los sistemas de ventilación durante la fase de simulación que cuando ya están instalados.
Prueba varias chimeneas CFD
Se han realizado estudios en varias chimeneas:
- Uno con un conducto rectangular de 4 m de altura y un capó plano
- Dos con un conducto cilíndrico de 4 m de altura: uno con un casquete semiesférico fijo y el otro giratorio .
- Y una fachada de 4 m de altura con 2 orientaciones
El objetivo del estudio es determinar la forma más adecuada para el proyecto comparando los caudales extraídos por las chimeneas según las distintas configuraciones. Las superficies de captación y el tamaño de los conductos de humos son equivalentes para cada estudio, con el fin de comparar únicamente la eficacia del tiro natural.
Velocidades del aire para las 4 configuraciones diferentes de chimenea
Los estudios demuestran que la chimenea con sombrerete giratorio es la que crea más tiro. El rendimiento es aproximadamente el doble que el de las chimeneas con bonete fijo, independientemente de la procedencia del viento o de cualquier perturbación de los edificios circundantes. Además, el bonete gira para estar en condiciones óptimas, lo quegarantiza un mejor tiro.
Las chimeneas montadas en fachada pueden ser una solución interesante, a pesar de algunas limitaciones. Dependiendo de la dirección del viento y de la orientación de la chimenea, pueden funcionar como entrada o salida de aire, lo que puede ser tanto una ventaja como un inconveniente.
A efectos de este estudio, para obtener el mejor tiro posible, la chimenea con bonete giratorio es la opción preferida.
Simulaciones y resultados
Esta sección presenta los resultados de las simulaciones CFD con conductos individuales y chimeneas cilíndricas móviles. En efecto, como muestran las primeras simulaciones, este tipo de chimenea es el más eficaz.
Los resultados de la simulación que se presentan a continuación son para un viento del suroeste de unos 6 m/s. Éste es el viento predominante en la zona del proyecto. Cabe señalar que se han probado otras direcciones y velocidades del viento, pero no se presentan en este artículo.
Las zonas rojas indican qué chimeneas se ven más afectadas por el viento del suroeste. Las chimeneas que no tienen estas manchas rojas están menos afectadas por este viento debido a la presencia de otras chimeneas río arriba.
También con el objetivo de comparar las chimeneas fijas y las móviles, se realizaron dos estudios para cada uno de los casos, que se presentan a continuación.
Distribución de la velocidad en los conductos individuales de las chimeneas móviles - Estudio de predimensionamiento
A primera vista, las velocidades en los conductos de las chimeneas móviles son mayores que en los conductos de las chimeneas fijas. También hay una diferencia entre los conductos de las chimeneas fijas. En el caso de las chimeneas fijas, la chimenea con el conducto más largo (1ª planta) tiene un caudal de 0,7 Vol/h, muy por debajo de los 5 Vol/h esperados. Sólo el conducto más corto (5º piso) se acerca al objetivo de 5 Vol/h, y este caudal aumenta a medida que subes las escaleras.
La tabla siguiente resume los caudales por planta y por tipo de chimenea:
Esta tabla muestra que la ventilación por chimenea fija funciona por término medio 2 veces menos bien que la ventilación por chimenea móvil. También es importante observar y recordar que , en el caso de la chimenea fija, el primer piso apenas se ventila.
En este estudio, los huecos de fachada estudiados están en posición superior y se abren una vez cada dos marcos, como puede verse en la figura siguiente.
Se puede observar que la serie de chimeneas expuestas directamente al viento (marcadas en rojo en la figura anterior) tienen caudales muy superiores a la media de las demás chimeneas. Por tanto, para estas chimeneas, el objetivo de 5 Vol/h se alcanza en el caso móvil, pero no en el caso fijo.
De estos primeros resultados se desprende que la ventilación natural funciona correctamente en el caso de la chimenea con campana móvil.
En este caso, los conductos se han dimensionado correctamente para obtener un caudal de ventilación de 5 Vol/h.
Simulación de descarga nocturna mediante ventilación natural
Cuantificación de los beneficios de la ventilación natural a través de chimeneas
Tras estudiar el rendimiento de distintos tipos de chimenea, se realizó un estudio para evaluar la descarga nocturna en este edificio gracias a la ventilación natural y a estas chimeneas. La descarga nocturna corresponde al proceso de refrigeración pasiva que aprovecha el descenso de la temperatura exterior durante la noche para evacuar el calor acumulado durante el día. Este fenómeno se basa en la circulación natural o forzada del aire, lo que permite reducir la temperatura interior ymejorar el confort térmico sin necesidad de climatización mecánica.
Este estudio pretende cuantificar laeficacia de este mecanismo en función de las condiciones climáticas, las características del edificio y los flujos de aire inducidos.
Condición de alta nocturna
Para modelizar una descarga nocturna correspondiente a un escenario realista, optamos por simular una diferencia de temperatura de 10°C entre el aire interior y el exterior. Más concretamente, consideramos dos situaciones características: una temperatura exterior de 18°C y una temperatura interior de 28°C.
Esta elección se basa en el supuesto de que, durante los periodos de mucho calor, la acumulación térmica dentro del edificio provoca un aumento de la temperatura interior, mientras que el descenso de la temperatura exterior durante la noche inicia un fenómeno de enfriamiento pasivo. Esta diferencia de temperatura favorece la ventilación natural, creando un gradiente térmico que permite que el aire circule por las chimeneas y aberturas del edificio.
Las condiciones del viento también se determinaron en función del estudio climático realizado anteriormente. Para este estudio se eligió el viento mayoritario in situ.
Resultados de los estudios de descarga climática
Los resultados de la descarga nocturnafacilitan la identificación de las zonas correctamente ventiladas, donde las temperaturas interiores son relativamente próximas a la temperatura exterior. Estas zonas se benefician de una mezcla de aire eficaz, que favorece la refrigeración pasiva del edificio.
Por el contrario, también destacan las zonas mal ventiladas. En estos espacios, la circulación del aire es más limitada, lo que da lugar a temperaturas residuales elevadas, cercanas a los 28°C. Identificar estas zonas es esencial para optimizar la estrategia de ventilación natural, ajustando las aberturas o incorporando soluciones que mejoren la renovación del aire e igualen la distribución de la temperatura.
Este estudioidentificó los puntos calientes del edificio y analizó su impacto en el confort térmico. En general, la descarga nocturna resultó eficaz para mantener temperaturas confortables en la mayor parte del edificio, favoreciendo una refrigeración pasiva óptima.
Sin embargo, se observa que las zonas con poco tráfico no se benefician de la descarga nocturna.
El estudio también desempeñó un papel clavepara ayudar a nuestro cliente aoptimizar la ventilación natural. Gracias a los resultados obtenidos, pudimos elaborar una lista de buenas prácticas para maximizar la ventilación natural y, en consecuencia,mejorar el alivio nocturno. Estas recomendaciones tienen por objeto, en particular, optimizar la gestión de las aberturas, ajustar los caudales de aire y aprovechar al máximo las diferencias de temperatura para aumentar laeficacia de la refrigeración pasiva.
Vídeo resumen del estudio
Vídeo resumen del estudio
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