Ventilación natural, materiales y métodos de construcción

sistemas de ventilación natural se basan en las diferencias de presión para mover el aire fresco a través de los edificios. Las diferencias de presión pueden ser causados ​​por el viento o el efecto de flotabilidad creado por diferencias de temperatura o diferencias en la humedad. En cualquier caso, la cantidad de ventilación dependerá críticamente del tamaño y la colocación de las aberturas en el edificio. Es útil pensar en un sistema de ventilación natural como un circuito, con la misma consideración dada para el suministro y escape. Las aberturas entre habitaciones como las ventanas del travesaño, rejillas, parrillas, o planes abiertos son técnicas para completar el circuito de flujo de aire a través de un edificio. en relación con los requisitos del código de humo y fuego de transferencia presentan desafíos para el diseñador de un sistema de ventilación natural. Por ejemplo, los edificios históricos utilizan la escalera como el tubo de escape, una técnica ahora impedido por los requisitos del código en muchos casos.

DESCRIPCIÓN

La ventilación natural, a diferencia de la ventilación forzada por ventilador, utiliza las fuerzas naturales del viento y la flotabilidad para suministrar aire fresco en edificios. Se requiere aire fresco en los edificios para aliviar los olores, para proporcionar oxígeno para la respiración, y para aumentar el confort térmico . A velocidades de aire interiores de 160 pies por minuto (fpm), la temperatura interior percibida puede ser reducido por tanto como 5 ° F. Sin embargo, a diferencia de cierto aire acondicionado, ventilación natural no es eficaz en la reducción de la humedad del aire entrante. Esto pone un límite a la aplicación de la ventilación natural en climas húmedos.

TIPOS DE EFECTOS VENTILACIÓN NATURAL

El viento puede soplar aire a través de aberturas en la pared en el lado de barlovento del edificio, y aspirar el aire fuera de las aberturas en el lado de sotavento y el techo. Las diferencias de temperatura entre el aire interior caliente y el aire frío exterior puede hacer que el aire de la habitación se eleve y salga en el techo o cresta, y entrar a través de aberturas inferiores en la pared. Del mismo modo, la flotabilidad causada por las diferencias en la humedad puede permitir una columna a presión de denso, enfriado por evaporación de aire para suministrar un espacio, y, el aire húmedo más ligero, más caliente de agotamiento de la parte superior. Estos tres tipos de efectos de ventilación natural se describen más adelante.

VIENTO

El viento causa una presión positiva en el lado de barlovento y una presión negativa en el lado de sotavento de edificios. Para igualar la presión, el aire fresco se introduzca cualquier abertura de barlovento y agotada a partir de cualquier abertura de sotavento. En verano, el viento se utiliza para suministrar una cantidad de aire fresco como sea posible mientras que en invierno, la ventilación se reduce normalmente a niveles suficientes para eliminar el exceso de humedad y contaminantes. Una expresión para el volumen de flujo de aire inducido por el viento es:

Qwind = K x A x V, donde

Qwind = volumen de flujo de aire (m ³ / h)
A = área de la abertura más pequeña (m ² )
V = velocidad del viento al aire libre (m / h)
K = coeficiente de eficacia

El coeficiente de eficacia depende del ángulo del viento y el tamaño relativo de las aberturas de entrada y salida. Se varía de aproximadamente 0,4 para el viento que golpea una abertura en un ángulo de 45 ° de incidencia a 0,8 para el viento que golpea directamente en un ángulo de 90 °.

A veces el flujo del viento prevalece en paralelo a una pared del edificio en lugar de perpendicular a ella. En este caso, todavía es posible inducir la ventilación viento por las características arquitectónicas o por la forma se abre una ventana abatible. Por ejemplo, si el viento sopla de este a oeste a lo largo de una pared orientada al norte, la primera ventana (que se abre hacia fuera) tendrían bisagras en el lado izquierdo para actuar como una bola y el viento directo en la habitación. La segunda ventana dependería de la mano derecha por lo que la apertura es a favor del viento desde el panel de vidrio abierto y la presión negativa extrae el aire de la habitación.

Es importante evitar obstrucciones entre las entradas de barlovento y aberturas de escape de sotavento. Evitar las particiones en una habitación orientada perpendicular al flujo de aire. Por otro lado, el diseño aceptado evita ventanas de entrada y salida directamente enfrente de la otra (que no debería ser capaz de ver a través del edificio, en una ventana y sale por el otro), con el fin de promover una mayor mezcla y mejorar la eficacia de la ventilación.

FLOTABILIDAD

ventilación flotabilidad puede ser inducida por la temperatura (ventilación pila) o la humedad inducida (torre de frío). Los dos se pueden combinar por tener una torre fresco entregar enfriado por evaporación bajo aire en un espacio, a continuación, se basan en el aumento de la flotabilidad del aire húmedo medida que se calienta para agotar el aire del espacio a través de una pila. El suministro de aire frío al espacio es presurizado por peso de la columna de aire frío por encima de ella. Aunque ambas torres fresco y las pilas se han utilizado por separado, el autor siente que las torres fresco sólo deben utilizarse en conjunción con ventilación pila del espacio con el fin de asegurar la estabilidad del flujo. Flotabilidad resulta de la diferencia en la densidad del aire. La densidad del aire depende de la temperatura y humedad (aire frío es más pesado que el aire caliente al mismo la humedad y el aire seco es más pesado que el aire húmedo a la misma temperatura). Dentro de la torre de enfriarse por sí mismo el efecto de la temperatura y la humedad están tirando en direcciones opuestas (temperatura baja, la humedad hacia arriba). Dentro de la sala, el calor y la humedad que se desprende de los ocupantes y otras fuentes internas tanto tienden a hacer subida aire. El aire viciado, se calienta escapa de las aberturas en el techo o en el techo y permite que el aire fresco entre aberturas inferiores para reemplazarlo. ventilación efecto chimenea es una estrategia especialmente eficaz en el invierno, cuando la diferencia de temperatura interior / exterior es máxima. ventilación efecto chimenea no va a funcionar en verano (se prefieren los conductores del viento o humedad), ya que requiere que los interiores sean más caliente que en el exterior, una situación indeseable en verano. Una chimenea calentada por energía solar puede ser utilizada para conducir el efecto de chimenea, sin aumentar la temperatura ambiente, y chimeneas solares son muy ampliamente utilizado para ventilar inodoros de compostaje en los parques.

Una expresión para el flujo de aire inducido por el efecto de chimenea es:

Qstack = Cd * A * [2gh (Ti-To) / Ti] ^ 1/2, donde

Qstack = volumen de la tasa de ventilación (m ³ / s)
Cd = 0,65, un coeficiente de descarga.
A = área libre de abertura de entrada (m ² ), que es igual al área de abertura de salida.
g = 9,8 (m / s ² ). la aceleración de la gravedad
h = distancia vertical entre los puntos medios de entrada y salida (m)
Ti = temperatura media del aire interior (K), en cuenta que 27 ° C = 300 K.
Para = temperatura media del aire exterior (K)

Torre de ventilación fresca sólo es eficaz cuando la humedad exterior es muy baja. La siguiente expresión para el flujo de aire inducido por la columna de aire frío presurizar un suministro de aire se basa en una forma desarrollada por Thompson (1995), con el coeficiente a partir de datos medidos a Parque Nacional Zion Visitor Center . Esta torre es 7,4 m de altura, 2,4 m de sección cuadrada, y tiene un 3,1 m ² de apertura.

Qcool torre = 0,49 * A * [2gh (TDB-Twb) / Tdb] 1/2, donde
Qcool torre = volumen de la tasa de ventilación (m ³ / s)
0,49 es un coeficiente empírico calculada con datos de Sion Visitor Center, UT, que incluye corrección de densidad humedad, efectos de fricción, y la eficacia de la almohadilla de evaporación.
A = área libre de abertura de entrada (m ² ), que es igual al área de abertura de salida.
g = 9,8 (m / s ² ). la aceleración de la gravedad
h = distancia vertical entre entrada y salida puntos medios (m)
Tdb = temperatura de bulbo seco del aire exterior (K), en cuenta que 27 ° C = 300 K.
Twb = temperatura de bulbo húmedo del aire exterior (K)

El flujo de aire total, debido a los resultados de ventilación natural de los efectos de la presión combinados del viento, la flotabilidad causada por la temperatura y la humedad, además de los otros efectos de fuentes tales como ventiladores. El flujo de aire de cada fuente se puede combinar de una manera raíz cuadrada como se explica en Handbook ASHRAE – Fundamentals . La presencia de dispositivos mecánicos que utilizan aire de la habitación para la combustión, sistemas de conductos con fugas, u otras influencias externas puede afectar significativamente el rendimiento de los sistemas de ventilación natural.

RECOMENDACIONES DE DISEÑO

El enfoque específico y el diseño de los sistemas de ventilación natural, puede variar en función del tipo de edificio y el clima local. Sin embargo, la cantidad de ventilación depende de manera crítica en el diseño cuidadoso de los espacios internos, y el tamaño y la colocación de las aberturas en el edificio.

• Maximizar la ventilación inducida por el viento por el emplazamiento de la cresta de un edificio perpendicular a los vientos de verano.
  • Las direcciones del viento aproximadas se resumen en la temporada «rosa de los vientos» diagramas disponibles en el Oceanográfico y la Administración Nacional Atmosférica (NOAA) . Sin embargo, estas rosas se basan generalmente en datos tomados en los aeropuertos; valores reales en una obra de construcción a distancia pueden variar dramáticamente.
  • Los edificios deben estar ubicadas donde obstrucciones al viento de verano son mínimos. Una barrera contra el viento de árboles de hoja perenne también puede ser útil para mitigar los vientos fríos del invierno que tienden a venir principalmente del norte.
• Edificios con ventilación natural deben ser estrechas.
  • Es difícil distribuir aire fresco a todas las partes de una muy amplia construcción de utilizar la ventilación natural. La anchura máxima que se podría esperar para ventilar de forma natural se estima en 45 pies. En consecuencia, los edificios que dependen de la ventilación natural a menudo tienen un plan de piso articulado.
• Cada habitación debe tener dos aberturas de suministro y de escape separadas. Localiza alta de escape encima de la entrada para maximizar efecto de chimenea. ventanas orientar a través del cuarto y desplazadas entre sí para maximizar la mezcla dentro de la habitación al tiempo que minimiza las obstrucciones al flujo de aire dentro de la habitación.
• Las aberturas de ventanas deben ser operables por los ocupantes.
• Proporcionar respiraderos de caballete.
  • Una ventilación de borde es una abertura en el punto más alto en el techo que ofrece una buena salida para tanto la flotabilidad y la ventilación inducida por el viento. La apertura cresta debe estar libre de obstrucciones para permitir que el aire fluya libremente fuera del edificio.
• Permitir el flujo de aire interno adecuado.
  • Además de la consideración primordial del flujo de aire dentro y fuera del edificio, el flujo de aire entre las salas del edificio es importante. Cuando sea posible, las puertas interiores deben ser diseñados para ser abierta para fomentar la ventilación de todo el edificio. Si se requiere privacidad, la ventilación puede ser proporcionada a través de altas celosías o travesaños.
• Considere el uso de claraboyas o tragaluces ventilados.
  • Un cuerpo de luces o una claraboya con ventilación proporcionarán una abertura para el aire viciado de escapar en una estrategia de ventilación flotabilidad. El pozo luz de la claraboya también podría actuar como una chimenea solar para aumentar el flujo. Aberturas inferiores en la estructura, tales como las ventanas del sótano, deben proporcionarse para completar el sistema de ventilación.
• Proporcionar ventilación del ático.
  • En los edificios con áticos, ventilar el espacio del ático reduce en gran medida la transferencia de calor a las habitaciones con aire acondicionado de abajo. áticos ventilados son alrededor de 30 ° F más fría que los áticos sin ventilación.
• Considere el uso de estrategias de refrigeración asistida por ventilador.
  • Los ventiladores de techo y de creación de todo pueden proporcionar hasta 9 ° descenso de la temperatura efectiva F en una décima parte del consumo de energía eléctrica de los sistemas de aire acondicionado mecánicos.
• Determinar si el edificio se beneficiará de un enfoque de ventilación abierta o cerrada de fomento.
  • Un enfoque de construcción cerrada funciona bien en climas cálidos y secos, donde hay una gran variación en la temperatura entre día y noche. Un enorme edificio está ventilado por la noche, a continuación, se cerró en la mañana para mantener fuera el aire caliente durante el día. Los ocupantes se enfrían por intercambio radiante con las paredes masivas y el suelo.
  • Un enfoque de construcción abierta funciona bien en áreas cálidas y húmedas, donde la temperatura no cambia mucho entre día y noche. En este caso, se recomienda que durante el día la ventilación cruzada para mantener la temperatura interior cerca de la temperatura exterior.
• Utilice refrigeración mecánica en climas cálidos y húmedos.
• Trate de permitir la ventilación natural para enfriar la masa del edificio por la noche en climas cálidos.
• Escaleras de ventilación proporcionan el efecto chimenea, pero guarden todas las precauciones de fuego y humo para escaleras cerrados.

La ventilación natural en la mayoría de los climas no se moverá condiciones interiores en la zona de confort 100% del tiempo. Asegúrese de que los ocupantes del edificio a entender que el 3% y el 5% del confort térmico de tiempo no puede ser alcanzado. Esto hace que la ventilación natural más adecuado para edificios en los que no se espera que el espacio acondicionado. Como diseñador es importante para entender el reto de diseñar al mismo tiempo para la ventilación natural y refrigeración mecánica -Se puede ser difícil de diseñar estructuras que tienen la intención de confiar en la ventilación natural y refrigeración artificial. Una estructura con ventilación natural a menudo incluye un plan articulado y grandes aberturas de ventanas y puertas, mientras que un edificio artificialmente acondicionado es a veces mejor servida por un plan compacto con ventanas selladas. Por otra parte, interpretar los datos de viento con cuidado. La topografía local, la vegetación y los edificios circundantes tienen un efecto sobre la velocidad del viento que golpea un edificio. Los datos de viento recogidos en los aeropuertos no le puede decir mucho acerca de las condiciones de microclima locales que pueden ser fuertemente influenciados por obstáculos naturales y artificiales. Pistas acerca de qué tipo de estrategias de ventilación natural, podría ser más eficaz a menudo se pueden encontrar en las prácticas históricas y vernáculas de construcción de una región.

MATERIALES Y MÉTODOS DE CONSTRUCCIÓN

Algunos de los materiales y métodos utilizados para diseñar sistemas de ventilación natural en edificios adecuados son chimeneas solares, torres de viento, y métodos de control de la ventilación de verano. Una chimenea solar puede ser una solución eficaz donde brisas predominantes no son lo suficientemente fiable que confiar en la ventilación inducida por el viento y donde mantener la temperatura interior suficientemente por encima de la temperatura exterior para conducir flujo boyante serían inaceptablemente caliente. La chimenea está aislado del espacio ocupado y se puede calentar tanto como sea posible por el sol o por otros medios. El aire es simplemente agotado por la parte superior de la chimenea de crear succión en la parte inferior que se utiliza para extraer el aire viciado.

torres eólicas, a menudo cubierto con velas de tela que dirigen el viento al interior del edificio, son una característica común en la arquitectura histórica árabe, y se conocen como «malqafs.» El aire entrante se enruta a menudo más allá de una fuente para lograr el enfriamiento por evaporación, así como la ventilación. Por la noche, el proceso se invierte y la torre de viento actúa como una chimenea para ventilar el aire ambiente. Una variación moderna llamada «Cool Torre» pone elementos de refrigeración por evaporación en la parte superior de la torre para presurizar el aire de alimentación con aire frío y denso.

En el verano, cuando la temperatura exterior es inferior a la deseada temperatura interior, las ventanas deben abrirse para maximizar la entrada de aire fresco. Las porciones de flujo de aire se necesita para mantener la temperatura en el interior a no más de 3-5 ° F por encima de la temperatura exterior. Durante los días de calma, calientes, los tipos de cambio de aire será muy baja y la tendencia es que las temperaturas dentro de elevarse por encima de la temperatura exterior. El uso de ventilación forzada por ventilador o masa térmica para el enfriamiento radiante puede ser importante en el control de estas temperaturas máximas.