Como vimos en artículo anterior de la serie Validación de Ventilación Natural (VN) para Calidad de Aire Interior mediante herramientas de simulación energética, se posibilita el mantenimiento de una adecuada Calidad del Aire Interior de los edificios mediante tecnologías que favorecen la VN. A continuación se explica una posible metodología para validar la VN como “sistema de ventilación” que cumple los requerimientos de CAI en edificios residenciales, incluyendo tanto el efecto Stack como el efecto Venturi.

Objetivo

Se pretende demostrar que el nº de horas en las que no se cumplen las condiciones de viento necesarias para que el aspirador eólico funcione, es inferior al nº de horas sin ventilación permitidas para cumplir los requerimientos de CO₂ expuestos en la propuesta de actualización del DB HS3 del CTE.

Metodología

A continuación se expone la metodología desarrollada para poder validar la VN como sistema de ventilación en diferentes zonas climáticas de España.

Este análisis se podría realizar para cualquier localidad que posea datos climáticos registrados. Existen datos climáticos, contrastados por agencias climáticas y de energía como AEMET o DOE, de todas las capitales de provincia de España. En este informe se realiza el análisis siguiente para 4 ciudades representativas del territorio español, ya que cada una de ellas pertenece a las 4 zonas térmica expuestas en la propuesta de actualización del DB HS3:

• Albacete (Zona térmica X)
• Burgos (Zona térmica W)
• Sevilla (Zona térmica Z)
• Zaragoza (Zona térmica Y)

La metodología desarrollada se compone de los siguientes puntos:

1. Se determina la velocidad del viento mínima necesaria para que el aspirador eólico proporcione el caudal de aire necesario:

Según los ensayos realizados por los fabricantes de estos equipos, se conoce el valor de velocidad del aire mínima necesaria para que el equipo funcione, y qué caudal de aire es capaz de mover.

Según la tabla  2.1 Caudales de ventilación mínimos exigidos en locales habitables de la propuesta de actualización del DB HS3, elegimos el caudal máximo exigido, 33 l/s.

2. Análisis de los datos climáticos de las capitales de provincia de España:

Se analizan los archivos climáticos utilizando la siguiente metodología para obtener el número de horas máximas del año en las que no se produce la velocidad del viento mínimo para el correcto funcionamiento del aspirador eólico. Se supone que es el intervalo de tiempo más desfavorable en cuanto a CAI, ya que es el mayor periodo de tiempo al año que no existe ventilación por medios naturales:

• Obtenemos los archivos climáticos de la página web de DOE[1]. Estos datos no proporcionan la velocidad del viento, los utilizamos por la Tª exterior de bulbo seco.
• Incluimos los datos del viento mediante la aplicación epWind[2]: datos de viento en España para simulación desarrollada por la empresa AureaConsulting. Esta aplicación web permite incluir datos de viento en un fichero meteorológico con formato epw.
• La velocidad y dirección de viento para cada estación se han generado mediante un proceso estocástico a partir de cadenas de Markov y autorregresión. El objetivo ha sido que las series generadas coincidan con los promedios mensuales de la publicación de AEMET “Rosas del viento (1971-2000)”. Puede consultar más detalles acercar de los fundamentos técnicos de la aplicación en: epWind.pdf[3].
• Eliminamos del estudio las horas del año en las que la temperatura exterior de bulbo seco es inferior a 26 ºC, ya que se considera que para las épocas frías y templadas, hasta 26ºC, el efecto Stack permite el correcto funcionamiento de la ventilación natural.
• Reducimos la velocidad del viento obtenida por la herramienta epWind, según la siguiente ecuación, ya que los datos medidos son en los aeropuertos, y para las ciudades este valor no es correcto (BS 5925:1991):

 Donde,

Uz = Velocidad del viento a la altura del edificio (m/s)

Um = Velocidad del viento a 10 m. Aeropuertos (m/s)

K = Constante dependiente del terreno

Z = Altura del edificio (m)

a = Constante dependiente del terreno

• Eliminamos las horas en las que la velocidad del aire es adecuada para el funcionamiento del aspirador eólico, mediante efecto venturi.
• Contabilizamos el nº de horas seguidas al año que no se produce la velocidad del viento necesaria.

      3. Cálculo de la concentración de CO₂ interior en una vivienda tipo, tras el paso del número de horas calculadas en el punto 2 (sin que funcione el aspirador eólico).

      4. Cuantificamos el nº de horas anuales que podemos no ventilar la vivienda según la propuesta de actualización del DB HS3.

La propuesta de actualización del DB HS3 expone que para cumplir el requerimiento de CAI se posibilita una concentración acumulada anual máxima de contaminante:

En los locales habitables de las viviendas debe aportarse un caudal de aire exterior suficiente para conseguir que, en cada local, la concentración media anual de CO2 sea menor que 900 ppm y que el acumulado anual de CO2 que exceda 1.600 ppm sea menor que 500.000 ppm·h.

Se pretende calcular el nº de horas anuales permitidas sin ventilación natural para no sobrepasar el valor fijado. Para ello se realizan los siguientes cálculos:

• Se supone que la vivienda presenta una concentración de contaminante de 900 ppm de CO₂, 500 ppm más que la concentración exterior, como se especifica en el propio párrafo anterior de la normativa. Sumamos estas 900 ppm al resultado obtenido en la simulación, el aumento de la concentración de CO₂ durante el número de horas máximas seguidas en el tiempo en las que la velocidad del aire no posibilita la VN.
• Calculamos el valor medio anual de ppm de CO₂ que sobrepasamos los 1600 ppm expuestos en la propuesta de actualización del DB HS3.
• Calculamos el nº de horas permisibles sin ventilación natural, dividiendo el valor de 500.000 ppm·h al número de horas calculadas anteriormente.

      5. Analizamos el archivo climático para cuantificar el número de horas anuales totales, con la temperatura exterior de bulbo seco es mayor a 26 ºC, en las que la velocidad del viento es menor a la necesaria por el aspirador eólico para suministrar el caudal de aire requerido, es decir, no existirá ventilación natural.

Consideramos que durante las horas del año que la temperatura exterior es menor a 26 ºC, épocas no cálidas, la ventilación natural se podrá lograr por efecto de diferencia de temperatura y presión entre el interior y el exterior de la vivienda, mediante efecto Stack.

La finalidad es comprobar el aumento de la concentración de CO₂ durante el escenario extremo anual de falta de ventilación.

Se realiza una simulación energética con EnergyPlus programando el modelo con los siguientes inputs, teniendo en cuenta las consideraciones expuestas en el punto 2.2 Condiciones para el cumplimiento de la exigencia de la propuesta de actualización del DB HS3:

• Vivienda de 100 m2.
• Ocupación de 4 personas.

La simulación energética nos permite comprobar el aumento de la concentración de CO₂ teniendo en cuenta la gran mayoría de fenómenos físicos que se producen en el comportamiento térmico de una vivienda de manera dinámica, como los distintos fenómenos de transferencia de calor.

Resultados

Siguiendo esta metodología se exponen los cálculos detallados a modo de ejemplo del escenario de Albacete, obtenido los siguientes resultados.

1. Se determina la velocidad del viento mínima necesaria para que el aspirador eólico proporcione el caudal de aire necesario:

Según datos aportado por la empresa EccoExtractores, el valor de velocidad de viento necesario para extraer 33 l/s de aire es de 4,55 km/h (1,27 m/s). 

2. Análisis de los datos climáticos de Albacete para obtener el número de horas seguidas máximo del año, con temperatura menor a 26ºC, en las que no se produce la velocidad del viento mínimo para el correcto funcionamiento del aspirador eólico:

Se han analizado los datos climáticos de Albacete. Cuantificando y filtrando las horas al año que la temperatura exterior es mayor a 26 ºC, y estudiando los datos del viento de la localidad.

El porcentaje de tiempo al año que el viento se encuentra en calma (0.5 – 2 m/s) cuantificado es del 23,72%.

El factor de reducción del viento calculado mediante las ecuaciones expuestas en el estándar anglosajón BS 5925:1991, es: k* z^a = 0.3

Donde,

• K = Constante dependiente del terreno (0,21)
• Z = Altura del edificio ( 3 m)
• a = Constante dependiente del terreno (0,33)

Contabilizamos el nº de horas seguidas al año que no se produce la velocidad del viento necesaria. El resultado es de 11 horas.

3. Cálculo de la concentración de CO₂ interior en una vivienda tipo, tras el paso de las horas calculadas en el punto 2 (sin que funcione el aspirador eólico).

Resultados de la simulación energética:

• Los resultados de horas continuas máximas anuales sin viento necesario (1,8 km/h) son 11.
• Los resultados de concentración de CO₂ por ocupación continuada durante 11 horas, de la simulación realizada con EnergyPlus son:

Se puede comprobar como evoluciona la concentración de CO₂ en el tiempo, junto con la ocupación simulada en la vivienda.

Se observan dos patrones de ocupación. Uno en los días laborables y otro el fin de semana.

Si analizamos un día laborable, podemos cuantificar cuál ha sido el aumento de la concentración de CO₂ máximo durante 11 horas seguidas sin ventilación.

Los valores obtenidos en el intervalo de tiempo de las 00 h – 11 h son:

• Concentración inicial CO2:          4.789,9 ppm CO₂.
• Concentración final CO2:             5.924,1 ppm CO₂.

Siendo el aumento de concentración de 1.134,2 ppm CO₂.

A continuación analizamos un día no laborable para comprobar en qué periodo semanal se produce un mayor aumento de la concentración de CO₂ máximo durante 11 horas seguidas sin ventilación:

Los valores obtenidos en el intervalo de tiempo de las 19 h –06 h son:

• Concentración inicial CO2:      13.037,2 ppm CO₂.
• Concentración final CO2:         14.303,1 ppm CO₂.

Siendo el aumento de concentración de 1.306,8 ppm CO₂.

4. Cuantificamos el nº de horas anuales que podemos no ventilar la vivienda según la propuesta de actualización del DB HS3:

• Sumamos el valor de concentración media máximo permitido por la normativa propuesta a los resultados obtenidos: 1.307 + 900 = 2.207 ppm CO₂.
• Calculamos el valor medio de anual de ppm CO₂ que sobrepasamos los 1.600 ppm expuestos en normativa propuesta: 2207 – 1600 = 607 ppm CO₂.
• Calculamos el número de horas permisibles sin ventilación natural: 500.000 ppm*h / 607 ppm = 823,7 horas.

5. Analizamos el archivo climático del escenario analizado para cuantificar el número de horas totales, con la temperatura exterior de bulbo seco mayor 26 ºC, en las que la velocidad del viento es menor a la necesaria por el aspirador eólico para extrae el aire requerido, es decir, las horas que no funcionará la ventilación natural.

El nº de horas obtenido es de 526. Valor menor a las 823 horas calculadas en el punto anterior. Por lo que se valida la VN en Albacete como sistema de ventilación que proporciona la CAI interior requerida por la propuesta de actualización del DB HS3.

A continuación se exponen los resultados obtenidos en el resto de localidades analizadas en el presente informe, a modo de ejemplo, y posibilitando el cálculo de la totalidad de las capitales de provincia de España en futuros posibles trabajos.

Los archivos climáticos analizados son:

• Albacete (Zona térmica X)

El porcentaje de tiempo al año que el viento se encuentra en calma (0.5 – 2 m/s) cuantificado es del 23,72%.

• Burgos (Zona térmica W)

El porcentaje de tiempo al año que el viento se encuentra en calma (0.5 – 2 m/s) cuantificado es del 24,34%.

• Sevilla (Zona térmica Z)

El porcentaje de tiempo al año que el viento se encuentra en calma (0.5 – 2 m/s) cuantificado es del 23,04%.

• Zaragoza (Zona térmica Y)

El porcentaje de tiempo al año que el viento se encuentra en calma (0.5 – 2 m/s) cuantificado es del 15,54%.

Los resultados obtenidos se exponen en la siguiente tabla:

Análisis de resultados y conclusiones

En la gráfica anterior observamos los resultados de Nº de horas que podemos no ventilar para cumplir los requerimientos de CAI fijados en la propuesta de actualización del DB HS3, y el número de horas anuales en las que las condiciones climáticas exteriores no posibilitan la VN, ni por diferencia de temperatura, ni por velocidad del viento necesaria para hacer funcionar el aspirador eólico.

Se han elegido 4 zonas térmicas bien diferenciadas en el territorio español para comprobar la viabilidad de la VN, obteniendo resultados satisfactorios en las zonas frías y templadas (Albacete, Burgos y Zaragoza), y resultados negativos en las zonas cálidas (Sevilla).

Estos resultados ponen en evidencia la viabilidad de la VN en la totalidad del territorio español, ya que existe una gran región del territorio que presenta un clima cálido o muy cálido en épocas veraniegas. Siendo este clima muy variante entre estaciones para gran parte del territorio.

Es preciso señalar que realizando cálculos dinámicos de la concentración de CO₂ en zonas cálidas se logra demostrar fácilmente el cumplimiento de los requerimientos de CAI expuestos en la propuesta de actualización del DB HS3. Dimensionando correctamente las aberturas y diseñando un sistema de VN bien equilibrado.

[1] https://energyplus.net/weather-region/europe_wmo_region_6/ESP%20%20

[2] https://ecoeficiente.es/epwind/

[3] https://www.ecoeficiente.es/epWind/epWind.pdf