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.

Para analizar las posibilidades de implementación de la ventilación natural en edificios residenciales y verificar la viabilidad de su correcto funcionamiento garantizando una adecuada Calidad del Aire Interior, se pueden utilizar simulaciones termodinámicas de modelos informáticos, cálculos empíricos, etc. Además existen diversas guías de diseño de sistemas de VN. La guía de diseño de VN más extendida es la guía AM10 Natural Ventilation in Non-Domestic Buildings (CIBSE Applications Manual 10), la cual es referenciada en como norma de cumplimiento para el diseño de sistemas de VN de diferentes códigos de construcción, como los Building Bulletin de Reino Unido, o el sello de sostenibilidad LEED®.

Cálculo mediante modelos empíricos

A continuación se expone una metodología simplificada de cálculo de la CAI de edificios, analizando las concentraciones de CO₂ interiores diarias que se obtienen en un escenario específico.

Se procede a calcular las concentraciones de CO₂ interiores diarias según los caudales de aire exterior, emisiones de CO₂ por ocupantes y condiciones de concentración de CO₂ inicial interior y del aire exterior. Para ello utilizamos los cálculos expuestos en la Guía AM10 de CIBSE, haciendo uso de su herramienta informática AM10 CalcToolv5. La metodología y resultados obtenidos son los expuestos a continuación.

Metodología

Se tiene en cuenta el aumento de la concentración de CO₂ desde el escenario inicial, el periodo de ocupación de la zona y las tasas de ventilación requeridas.

Para un espacio cuyo aire se considera completamente mezclado, los cambio de concentración de CO₂ son dados por la siguiente ecuación de balance de masas, donde se considera que la cantidad de CO₂ en el espacio es mucho menor al volumen del espacio:

Donde C(t) es la concentración CO₂ en el periodo de t (ppm), t es el tiempo (s), C_ext es la concentración de CO₂ exterior que entra con el aire (ppm), q_CO2 es la tasa de emisión de CO₂ (m³/s), Q es el caudal de aire exterior que entra en el espacio (m³/s), C(0) es la concentración de CO₂ en el periodo de tiempo 0 (ppm), y V es el volumen del espacio (m³).

Se considera que C(0) = C_ext. La concentración de CO₂ en estado estacionario (C_ss), expresado en ppm,  se obtiene haciendo que t tienda a infinito:

El caudal de aire exterior requerido para asegurar que C_ss no exceda ciertos valores se calcula mediante la ecuación siguiente:

Donde Q_ss es el caudal de ventilación (m³/s). Si el periodo de ocupación es conocido, el caudal de aire puede ser reducido especificando que C_ss es calculado al final del periodo ocupado.

Combinando las ecuaciones anteriores, obtenemos:

Donde Q_oc es el caudal de ventilación requerido para un determinado C_ss al final del periodo de ocupación(m³/s). Y t_oc es el periodo de ocupación (s).

Cálculos y resultados

Se expone el siguiente ejemplo de cálculo del aumento de la concentración de CO₂.

• Volumen del espacio: 3000 m³
• Nº de ocupantes: 100 personas
• Tasa de emisión CO₂: 20 l/h persona
• Concentración de diseño: 1000 ppm
• Concentración CO₂ inicial: 350 ppm
• Concentración CO₂ exterior: 350 ppm

La ecuación de cálculo de caudal requerido da un resultado de Q_ss = 0.854 m³/s (3.075 m³/h).

Definimos las siguientes condiciones:

Y consideramos una de estas condiciones a cada una de las horas del día, obteniendo los siguientes resultados:

Se obtienen una concentración de CO₂ media durante las horas ocupadas de 1493,6 ppm. Una concentración máxima de 2327,9 ppm. Y una desviación máxima desde la media del 55,9%.

Cálculos dinámicos mediante simulación energética

Para verificar el cumplimiento de la propuesta de actualización de norma DB HS3 mediante técnicas de ventilación natural, se procede a modelar el prototipo de una vivienda unifamiliar en un simulador termodinámico. Se programa un sencillo sistema de VN mediante aireadores dispuestos en fachadas enfrentadas, dimensionando las aberturas al exterior adecuadas. No se considera la extracción de las zonas húmedas, únicamente provocando la ventilación por diferencia de temperaturas y efecto del viento en las aberturas. Se realizan las simulaciones termodinámicas, cuyos resultados nos aportan la cantidad de aire externo que se introduce en cada zona interna del edificio, así como los valores de concentración de CO₂ acontecidos durante un periodo de tiempo anual.

La simulación termodinámica presenta la posibilidad de modelización de sistemas de ventilación natural. Se utilizarán las opciones que ofrecen los simuladores. Para la creación del modelado se utiliza las siguientes herramienta informáticas:

• DesignBuilder para la definición del modelado.
• EnergyPlus para el cálculo del balance termodinámico y de CO₂.

Cálculos y resultados

Se desarrolla un modelo del prototipo de edificio de uso residencial, según las programaciones de ocupación descritas en la propuesta de actualización del DB HS3.

• Vivienda de 100 m2.
• Ocupación de 4 personas.
• Ganancias internas y externas típicas (equipos 3,90 W/m2; iluminación 7,5 W/m2; ganancias solares).
• Clima exterior de Sevilla.
• Concentración media anual de CO₂ en el aire exterior de 400 ppm.
• Se simula un periodo de tiempo anual.
• HVAC apagado.
• Ventilación natural activada.
• Generación de CO2 diferenciado entre periodos de sueño y de vigilia con generaciones de 12 l/h·ocupante y 19 l/h·ocupante de CO2, respectivamente.
• Los periodos de sueño para cada uno de los ocupantes deben ser de 8 horas ininterrumpidas desde las 24:00 horas a las 08:00.
• Las ausencias diurnas de la vivienda de lunes a viernes son de 13 horas al día para uno de los ocupantes, y de 8 horas al día para el resto.
• Las ausencias diurnas de la vivienda los sábados y los domingos son 2, de 2 horas de duración, por cada ocupante y día.
• Puertas y ventanas cerradas.

El modelo presenta 2 aberturas al exterior enfrentadas en fachadas opuestas, con una superficie de abertura neta de 640 cm² cada una.

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.

Se obtienen los siguientes resultados de caudales de aire exterior. Según la propuesta de actualización del DB HS3 se prescribe un caudal de 33 l/s como el requerido para mantener la concentración de CO₂ en los valores permitidos.

Observamos que las renovaciones de aire exterior, están por debajo de las 0,47 requeridas por la normativa propuesta.

La concentración de CO₂ se comporta según la siguiente gráfica. Se puede comprobar que las concentraciones de CO₂ no sobrepasan en ninguna de las 8760 horas simuladas el valor de los 1.600 ppm de CO₂ que expone la propuesta de actualización del DB HS3.

Si analizamos más detalladamente un periodo de tiempo de una semana e incluimos el patrón de ocupación, obtenemos una gráfica que nos permite analizar y diseñar perfectamente el cumplimiento de requerimientos prescriptivos. Siendo la metodología de simulación dinámica, la herramienta ideal para diseñar y verificar el cumplimiento de sistemas de VN de una forma detallada.

Se cuantifica la media de concentración de CO₂ anual del modelo realizado en 879,7 ppm. Siendo el valor de ppmh de las horas en las que la concentración de CO₂ supere los 1.600 ppm, de 0. Ya que en ningún momento se llega a esa concentración de CO₂.

Si elegimos un valor de 1.200 ppm como la franja para contabilizar la concentración de CO₂ acumulada anual, se obtiene un valor de 140.989,85 ppmh.