22
Mayo
2019

Ventilación natural cruzada

Prácticamente todos los edificios intercambian aire con el exterior, aun cuando sus aberturas se encuentren cerradas. Esto es porque sus componentes constructivos tienen numerosos poros y fisuras, en ocasiones microscópicos, que permiten que el aire pase a través de ellos y de lugar a lo que se conoce como infiltración, es decir, ventilación no controlada (y en ocasiones no deseada).

Por otro lado, el concepto de ventilación natural se refiere a la que propiciamos por medio de aberturas dispuestas expresamente para ello. En estricto sentido, cuando en la envolvente de un edificio generamos una abertura practicable (es decir, que se pueda abrir) ya estamos permitiendo la ventilación natural. Sin embargo, conseguir una ventilación eficiente requiere conocer las condiciones climáticas del sitio, así como tener en cuenta la orientación, el tamaño y la ubicación de las aberturas. En otras palabras, generar aberturas no garantiza que se tendrá una ventilación eficiente, aunque sean de gran tamaño.

La estrategia más simple para lograr una adecuada ventilación natural, cuando las condiciones del entorno lo permiten, es la ventilación cruzada. Dicha estrategia consiste en generar aberturas estratégicamente ubicadas para facilitar el ingreso y salida del aire a través de los espacios interiores de los edificios, considerando de manera cuidadosa la dirección de los vientos dominantes. Siendo más precisos, la ventilación cruzada implica generar aberturas en zonas de alta y baja presión de viento en la envolvente arquitectónica.

Para comprender mejor cómo funciona la ventilación cruzada, y los criterios de diseño que pueden hacerla más eficiente, veamos en primera instancia cómo interactúan el viento y una forma arquitectónica simple. Las imágenes de la Figura 1 muestran la dirección y velocidad del viento cuando impacta un volumen de 8m por lado y 3m de altura, así como las presiones resultantes en el entorno y en las superficies del volumen. La dirección y velocidad del viento se expresan mediante vectores (flechas), mientras que las presiones se indican con líneas isobáricas (de igual presión) y zonas coloreadas. La escala de colores permite identificar los valores de la velocidad del viento (m/s) y la presión (Pa), donde el color azul indica los valores más bajos y el color rojo los más altos.

Ventilacion Presiones Exteriores CFD

Figura 1. Efecto del viento al impactar un volumen de forma frontal (izquierda) y sesgada.

En la imagen de la izquierda (viento frontal) se observa que el volumen desvía el viento y genera una zona de “sombra” en la parte posterior, donde se forman turbulencias. Al mismo tiempo, se observa que la fachada sobre la que incide directamente el viento presenta presiones relativamente elevadas, mientras que las presiones disminuyen notablemente, e incluso alcanzan valores negativos (efecto de succión), en las fachadas laterales y posterior. Así, en este caso la ventilación cruzada será más eficiente si se generan aberturas en las fachadas frontal y posterior, sobre todo si en ésta última los vanos se localizan cerca de los bordes, donde las turbulencias generan presiones más bajas.

En la imagen de la derecha (viento sesgado) se observa que el viento se reparte casi igual en las dos superficies a barlovento, generando en ellas presiones más reducidas que en el caso anterior. Por otro lado, la sombra de viento en la parte posterior se hace más extensa pero las turbulencias son más débiles. Podríamos decir que en esta situación el volumen es más “aerodinámico”, aunque la presencia simultánea de áreas de alta y baja presión sigue siendo significativa.

Lo que resulta evidente al comparar las dos situaciones anteriores es la importancia que guarda la orientación de los edificios y sus aberturas respecto al viento. Aunque es prácticamente imposible que el viento provenga siempre de la misma dirección, en cada sitio suele haber direcciones predominantes, que son las que deberíamos tomar en cuenta a la hora de definir la orientación del edificio y sus aberturas (desde luego considerando otros factores que incluso podrían ser aún más importantes, como el soleamiento).

Papel del tamaño y ubicación de las aberturas

Veamos ahora como el tamaño y la ubicación de las aberturas afecta el flujo de aire en el espacio interior. Hemos dicho que el criterio más importante para hacer eficiente la ventilación cruzada es generar aberturas en superficies con altas y bajas presiones de viento. Sin embargo, aun respetando ese criterio básico las opciones de ubicación y dimensionamiento de las aberturas son muy variadas.

Las imágenes de la Figura 2 muestran seis configuraciones básicas de aberturas y su efecto en la ventilación natural, considerando siempre que el viento impacta de manera frontal. En este caso sólo se indica la dirección y velocidad del viento (flechas, líneas de velocidades iguales y zonas coloreadas). Nuevamente, el color azul indica los valores más bajos y el rojo los más altos.

Ventilacion Cruzada Planta CFD

Figura 2. Ventilación cruzada en planta, con diferentes configuraciones de aberturas.

En la imagen A se muestra el espacio con una sola abertura expuesta al viento. Aunque ésta es de buen tamaño, la ventilación natural interior es deficiente. Esto se debe a que, al no existir otra abertura ubicada en alguna de las zonas de baja presión, el aire encuentra una elevada resistencia para ingresar al espacio.

Las imágenes B, C y D muestran situaciones en las cuales se han generado aberturas tanto en la cara expuesta al viento como en la contraria. En el primer caso la abertura frontal es más grande que la posterior, lo cual permite que el aire ingrese con mayor facilidad, aunque con velocidades moderadas. Se forma una franja con ventilación relativamente buena, mientras que las zonas laterales muestran una ventilación deficiente. En el segundo caso la abertura frontal es la más pequeña. Este simple cambio genera dos efectos importantes: la franja ventilada muestra mayores velocidades del aire, mientras que las zonas laterales, debido a las turbulencias, presentan más movimiento del aire. En otras palabras, la ventilación es mejor que en el caso anterior. En el tercer caso ambas aberturas tienen el mismo tamaño. Lo que obtenemos es un flujo de aire relativamente intenso y más amplio en la zona central. Las zonas laterales, debido a la disminución de las turbulencias, siguen teniendo una ventilación menos eficiente.

Las imágenes E y F muestran situaciones en las cuales las aberturas guardan una relación diagonal entre sí, en el primer caso con la abertura de salida en la fachada posterior y en el segundo en una fachada lateral. El resultado en ambos casos es similar: los flujos de aire cubren una mayor superficie, dejando menos zonas con ventilación pobre.

Estos simples ejemplos muestran que los cambios en el tamaño y posición de las aberturas pueden producir patrones de ventilación muy diferentes. También demuestran que el concepto “ventilación cruzada” es más eficiente cuando sus posibilidades se llevan al extremo, es decir, cuando los flujos de aire pueden cruzar el espacio de la manera más amplia posible.

Ventilación cruzada en altura

Los principios explicados arriba también aplican cuando consideramos la ventilación cruzada en altura, es decir, cuando generamos aberturas en la parte inferior y superior de los espacios. Pero en esos casos hay algunas diferencias que conviene resaltar. Una es que ubicar aberturas en la parte superior de edificios de varios niveles puede ayudar a evitar las obstrucciones del entorno (algo que abordamos con mayor detalle en la sección de ventilación vertical). Otra es que, debido al hecho de que el aire caliente tiende a subir (al expandirse y perder densidad), suceden dos fenómenos interesantes:

  • Los movimientos ascendentes del aire, propiciados por el efecto chimenea, pueden ayudar a reforzar la acción del viento e incrementar las tasas de ventilación.
  • Al dirigirse a la parte superior del espacio, puede ser más fácil expulsar el aire caliente y sustituirlo por aire más frío proveniente del exterior.

Las imágenes de las Figuras 3 y 4 muestran un ejemplo de este fenómeno. Se trata de una vivienda de dos niveles, en la que se han generado aberturas en la parte inferior de los espacios habitables, que se orientan contra los vientos dominantes, y en la parte superior de la fachada posterior. Se ha dispuesto un conjunto de rejillas en las puertas interiores y se ha aprovechado el hueco de la escalera para facilitar el movimiento del aire a través de todos los espacios. En la Figura 3 se muestran las presiones de viento, positivas en la fachada frontal y negativas en la posterior, mientras que en la Figura 4 se muestran los flujos de aire internos. Se observa como el aire ingresa por las aberturas de los espacios habitables, atraviesa el hueco de la escalera y las rejillas de ventilación (en este caso en la planta alta), y sale finalmente por las aberturas superiores de la fachada posterior.

Ventilacion Cruzada Vertical Presiones

Figura 3. Presiones de viento positivas (+) y negativas (-) en las superficies exteriores de una vivienda.

Ventilacion Cruzada Vertical Seccion

Figura 4. Ventilación cruzada en sección, aprovechando las presiones de viento y el efecto chimenea.

Resumen

A manera de resumen, podemos concluir que para lograr una adecuada ventilación cruzada es importante aplicar los siguientes principios:

  • Ubicar las aberturas de manera estratégicas para aprovechar las presiones altas y bajas que generan los vientos dominantes del sitio.
  • Planear la posición de las aberturas de tal manera que los flujos de aire incidan de la manera más amplia posible en el espacio interior.
  • Modular correctamente las dimensiones de las aberturas, para generar flujos con velocidades adecuadas.
  • Prever aberturas internas, cuando haya particiones, para facilitar el flujo del aire en todos los espacios habitables.

Cuando se usa la ventilación natural como estrategia de enfriamiento pasivo, durante el proceso de diseño es recomendable desarrollar simulaciones con algún programa que sea capaz de verificar su eficacia, así como el impacto final en las condiciones ambientales del edificio. En algunos casos es conveniente hacer simulaciones de dinámica de fluidos (CFD).

Nota: Las imágenes se han desarrollado con ayuda del programa DesignBuilder, empleando los módulos Simulación y CFD. Las Figuras 3 y 4 forman parte de un estudio en el que se investiga el efecto de la ventilación natural en las condiciones ambientales de una vivienda.


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Última actualización Viernes, 24 Mayo 2019 Categories: Ventilación natural, Estrategias de diseño

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