Estudio de la eficiencia de la ventilación en viviendas a partir de parámetros de diseño arquitectónico

Resumen

El impacto energético de la ventilación El correcto diseño de los sistemas de ventilación tiene un impacto significativo sobre el consumo de energía en los países miembros de la OCDE. En primer lugar, el consumo de energía asociado con los edificios (residenciales y de servicios) representa alrededor del 40% del total de energía primaria consumida. En ellos, la ventilación y las pérdidas de energía por infiltración significan una proporción importante, lo que significa que utilizar una estrategia de ventilación más eficiente equivale a incidir para reducir el consumo sobre el 5~9% del total de energía primaria usada en el planeta. Objetivo de la investigación Este trabajo tuvo por vocación primera incorporar el concepto de la eficiencia de la ventilación en la propia fase de diseño de las viviendas. Para esto, se requería de un doble proceso experimental y numérico para analizar todos los elementos que conforman los recintos. En primer lugar se comprobó que las herramientas necesarias para predecir el comportamiento del flujo del aire no estaban a libre disposición del investigador; bien por ausencia en la bibliografía o por contener lagunas en su desarrollo expositivo, esto actuaba sobre los resultados obtenidos. En este campo, los objetivos son: - explorar y resumir las opciones disponibles para mediciones de los patrones de flujo de aire interior, haciendo hincapié en los conceptos de exactitud y repetividad; - mostrar las posibles fuentes de error en los métodos experimentales y numéricos; - obtener mediciones bien documentadas de ensayos experimentales que puedan utilizarse para validar las simulaciones CFD; - establecer protocolos y guías de aplicación divulgativas para la realización de los distintos ensayos. Mejorando la difusión de las técnicas utilizadas para predecir el ambiente interior, será posible optimizar los sistemas de ventilación y el uso de la energía durante la fase de diseño. Los objetivos que se plantean son: - sistematizar los parámetros de diseño arquitectónico susceptibles a utilizar en el proyecto de edificios residenciales; - expresar los resultados de eficiencia en los locales característicos existentes en viviendas; - unificar los resultados en una herramienta de uso sencillo y rápido a disposición del proyectista que permita obtener la eficiencia de la ventilación en el recinto considerado; - establecer pautas de carácter general para una ventilación más eficiente mediante el uso de parámetros de diseño arquitectónico. Estructura del trabajo El estudio de la eficiencia de la ventilación necesita de dos procesos: los métodos teóricos o numéricos, que posibilitan un tratamiento riguroso y muy desarrollado, y los ensayos experimentales, que validan los anteriores de cara a estudiar variantes y desarrollos de los modelos de análisis. Es necesario el dominio de estas herramientas para afrontar el estudio de la eficiencia. Ésta consiste en una sistematización de los parámetros intervinientes en el diseño arquitectónico y de los resultados obtenidos con la finalidad de obtener conclusiones de aplicación práctica. Este trabajo se estructura en tres grandes secciones, subdivididas a su vez en capítulos relacionados: - Parte 1ª - Fundamento teórico: recoge el estado del arte sobre la cuestión de estudio. En el Capítulo 2, se explican los conceptos básicos de la eficiencia de la ventilación. A partir de las distintas poblaciones de partículas y sus funciones de distribución, se define la edad del aire y los patrones de flujo en ventilación. Esto nos permite conocer la eficiencia del sistema de acuerdo al medio de acción donde se desenvuelve. Este capítulo constituye el fundamento y punto de partida para el estudio de investigación de este trabajo. Los ensayos experimentales disponen de un modelo teórico para determinar la edad del aire (y con ello el patrón de flujo del aire) a través de gases trazadores; esto se hace mediante los distintos métodos enumerados en el Capítulo 3. El soporte material consiste en una instrumentalización específica dispuesta en el Laboratorio de Ventilación de la Escuela de Arquitectura de la Universidad de Valladolid y está enumerado en el Capítulo 4. En estos capítulos se intenta dar una visión detallada de los procedimientos necesarios para llevar a cabo los ensayos que permiten la determinación de la eficiencia. Los métodos numéricos permiten variar las condiciones iniciales planteadas en los ensayos experimentales con suma facilidad. Los resultados obtenidos son fiables, siempre y cuando pasen antes por un proceso de validación de los modelos básicos, utilizando programas de software tipo Computacional Fluid Dynamics, cuyos fundamentos se ven en el Capítulo 5. Para completar la estructura teórica del tema, se procede a repasar los componentes que constituyen los sistemas de ventilación, Capítulo 6, y la normativa aplicable en viviendas, tanto la preceptiva en el ámbito nacional como la de referencia de ámbito internacional, tal como recoge el Capítulo 7. - Parte 2ª - Aplicación práctica: desarrolla el estudio analítico a partir de los parámetros de diseño arquitectónico presentes en los proyectos de viviendas. En primer lugar se caracterizan los locales de las viviendas y los elementos del diseño arquitectónico que influirán en el comportamiento de los sistemas de ventilación. Según recoge el Capítulo 8, esto permite sistematizar los casos a estudiar posteriormente. La división básica de los locales de viviendas incluye los recintos de admisión de aire (dormitorios y salas de estar), los de paso del aire (pasillos y vestíbulos) y los de extracción (baños y cocinas), desarrollándose en los Capítulos 9 y 10. La otra posibilidad es actuar sobre las aberturas propiamente dichas, que incluye estudiar parámetros que conciernen al discurrir del flujo que las atraviesa, recogiéndose los resultados en el Capítulo 11. - Parte 3ª - Conclusiones: a partir de los resultados obtenidos, se diseña un ábaco de entrada directa para obtener el valor de la eficiencia en el recinto según la disposición de las aberturas de extracción y admisión, Capítulo 12, y se plantean unas pautas tendentes a optimizar la eficiencia de los sistemas de ventilación en viviendas. Los resultados de los modelos permiten cuantificar la influencia de los elementos sobre la eficiencia del sistema: esto permite valorar en caudal dicha merma o mejoría sobre el valor base, permitiendo expresar en cantidades concretas su impacto sobre el consumo de la energía utilizada en los hogares. Llegado a este punto, el Capítulo 13 se completa con algunas de las múltiples líneas de investigación que exceden el contenido de este trabajo y que se podrán desarrollar en proyectos futuros. - Anexos: para ayudar a la compresión y aplicación práctica de la investigación, pues recoge de manera didáctica la metodología desarrollada en todos los ensayos, tanto experimentales como numéricos. Este proceso ha servido al mismo tiempo como paso previo, puesto que una gran parte del esfuerzo realizado se ha dedicado a perfeccionar los procedimientos para obtener la repetitividad y la exactitud necesaria para este trabajo. Finalmente se adjunta la bibliografía utilizada y de referencia, y los artículos y ponencias surgidos a partir de la elaboración de este trabajo.