10 VentiLacion Natural

7/24/2019 10 VentiLacion Natural

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Sector de Acondicionamiento Ambiental - Escuela de Arquitectura FAU/UCVASIGNATURA: CLIMA Y DISEO. Prof. Luis Rosales (IDEC/FAU/UCV)

TEMA 5: VENTILACIN NATURAL

INTRODUCCIN

En el tema anterior se expusieron los principios bsicos para controlar la radiacin solar, principal causa decalentamiento de las edificaciones en climas tropicales. Estos principios pudieran ser insuficientes para lograrcondiciones de confort, pues, aunque fundamental, el control solar es slo una entre otras tcnicas de diseo

bioclimtico, las cuales no slo incluyen prevenir el arribo del calor, sino extraer el excedente que se pudierapresentar, lo que se conoce como enfriamiento pasivo. En el tema venidero se discutir (a manera de sntesisprctica del curso) el conjunto de tcnicas relativas al diseo bioclimtico. Antes, al igual que se hizo con elcontrol solar, se dedicar un tiempo a explicar la tcnica de enfriamiento pasivo ms importante y ms vincu-lada con el diseo arquitectnico, que es la ventilacin natural.

LOS EFECTOS DE LA VENTILACIN NATURAL

Renovar el aire caliente interior por aire ms fresco de afuera abriendo puertas y ventanas es un procedimien-

to usual en edificaciones. Evidentemente, el refrescamiento ser tanto ms efectivo cuanto ms fresco est elaire que ingresa respecto del que sale. Si la diferencia de temperatura entre ambos fuese pequea, la utilidadde ventilar sera limitada desde la perspectiva de extraer el calor. Pero ventilar implica a su vez crear corrien-tes de aire, las cuales, de hallarse a temperaturas inferiores a la de la piel, generaran una sensacin inmediatade enfriamiento en las personas. Asimismo, si dichas corrientes estuviesen ms fras que las superficies inter-nas de la envolvente, el aire, al pasar por ellas, las enfriara.

De lo anterior se desprende que la ventilacin natural en climas clidos persigue tres objetivos:

1. Expulsar el aire caliente de los ambientes y sustituirlo por aire ms fresco de afuera. A este tipo de inter-cambios se les llama intercambios de masa. Su eficacia depende de la diferencia de temperatura entre elaire que entra y el aire que sale y del caudal de ventilacin: a mayor diferencia y caudal, mayor ser la

potencia de enfriamiento. Se dice que el aire as empleado acta como un fluido vector de calor.2. Refrescar a las personas expuestas a las corrientes de aire. Este refrescamiento obedece al vnculo directoentre el confort y la velocidad del aire, el cual se da a travs de los intercambios convectivos de calor sen-sible entre el aire y la piel y los intercambios de calor latente asociados con la evaporacin del sudor. Amayor diferencia de temperatura, mayor velocidad y menor humedad, mayor ser el enfriamiento.

3. Enfriar las superficies de los cerramientos expuestos a las corrientes de aire. Dicho enfriamiento se pro-duce en razn de los intercambios convectivos de calor sensible entre el aire y los cerramientos. Su efica-cia depende principalmente de la diferencia de temperatura entre el aire y las superficies, la rugosidad delas superficies y la velocidad con que el aire roce esas superficies.

Se advierte que la eficacia global de la ventilacin depende en primera instancia de tres diferencias de tempe-ratura ([aire interioraire exterior] [aire que fluyepiel] [aire que fluyesuperficies]) y del potencial evapora-

tivo del aire. De donde se infiere que ventilar pudiera ser contraproducente en las siguientes circunstancias:1. Cuando el aire exterior est ms caliente que el aire interior.2. Cuando el aire que fluye alrededor de las personas est ms caliente que la piel.3. Cuando el aire que fluye alrededor de las personas, adems de caliente, est muy hmedo.4. Cuando el aire que roza a las superficies internas de la envolvente est ms caliente que ellas.

Por otro lado, en climas fros o pocas u horas fras, se da obviamente un lmite por debajo del cual la venti-lacin producira molestia. Se trata aqu de las circunstancias en que no se necesitan tcnicas de enfriamiento

pasivo, pues no habra exceso de calor que extraer, pudiendo ms bien acontecer lo contrario.


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Si se apela al diagrama psicromtrico y se considera que la temperatura de la piel en condiciones de conforttiene en promedio unos 33C, se puede delinear una zona fuera de la cual no convendra recurrir a la ventila-cin desde la perspectiva del confort. Esta zona pudiera superponerse a las condiciones de humedad y tempe-ratura de un clima especfico, con lo que se obtendra un panorama inicial de la factibilidad de ventilar.

Lmites en los cuales conviene apelar a la ventilacin natural como tcnica de enfriamiento (v


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En cada caso el movimiento ser causado por una diferencia de presin que hace que el aire fluya desde lazona de mayor presin hasta la zona de menor presin, buscando con ello restituir el equilibrio. Esta diferen-cia de presin puede ser de dos tipos:

Diferencia de presin dinmica: es la que produce un empuje o una succin del aire, caso en el cual sehabla de una corriente dinmica.

Diferencia de presin esttica: es la que se genera por diferencia de densidad, temperatura o altura, caso

en el cual se habla de una corriente trmica (efecto chimenea o tiro trmico).

El viento atmosfrico tiene de por s una presin dinmica proporcional al cuadrado de su velocidad:

2

2

1vP

dinmica = (N/m2)

Dondees la densidad del aire (kg-masa/m3).

Esta presin es producida slo por la velocidad (como cuando se sopla sobre un objeto), por lo que una masade aire detenida no tiene presin dinmica. Sin embargo, en todos los casos movindose o detenido, el airetiene tambin una presin esttica, aquella que se origina de su propio peso (en el caso del agua, por ejemplo,

la presin esttica es la que frena a una persona a sumergirse en demasa, a riesgo de daar el odo):zgPPesttica ..0 = (N/m

2)

Donde P0es una presin esttica de referencia a una alturaz0(por ejemplo, a nivel del suelo) (N/m2).

es la densidad del aire (kg-masa/m3)ges la aceleracin de gravedad (m/s2)zes la altura en la que se evala el aire, medida por encima dez0(m)

Advirtase que la multiplicacin (.g.z)no es otra que el peso de la columna de aire que est entre z0yz. Deah, que al restrsele a P0, lo que se obtiene es simplemente la presin esttica del aire a esa nueva altura, lacual ser menor si zindica un lugar ms alto que z0. Nota: la presin atmosfrica es en realidad la presinesttica a una alturazde la atmsfera. sta disminuye con la altitud, pues a mayor altitud, menor cantidad deaire hay hasta la superficie de la atmsfera, es decir, menos peso se tiene por encima (como cuando se est,en el caso del agua, ms cerca de la superficie).

Ahora bien, cuando se calienta una masa de aire sta se expande, disminuyendo su densidad o, lo que es lomismo, su peso, dando lugar a un flujo ascendente que deja una depresin que atrae aire ms fro que baja.De manera esquemtica, debern recordarse siempre las siguientes correspondencias:

Aire caliente menos denso (ms liviano) ascendenteAire fro ms denso (ms pesado) descendente

En climatizacin pasiva, empujar o succionar el aire se logra explotando la relacin entre el viento y la formade la edificacin, con el objeto de aumentar la diferencia de presin dinmica, mientras que calentarlo selogra por intermedio de la radiacin solar, lo que tiene por objeto modificar la diferencia de presin esttica.

CORRIENTES DINMICAS DE VENTILACIN

El aire es empujado o succionado cuando alrededor o dentro de las edificaciones se presentan diferencias depresin dinmica que lo obliguen a fluir desde las zonas de altas presiones hasta las zonas de bajas presionesa fin de restituir el equilibrio. Cualquier obstculo que desve o cambie la trayectoria del aire as impulsadoentorpecer su flujo, produciendo en l prdidas dinmicas, en especial si es obligado a ascender o descender(siempre que tal movimiento vertical no se deba a un aumento o disminucin de temperatura).


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Cuando el viento choca con una edificacin se generan alrededor de sta presiones dinmicas positivas en ellado de barlovento y presiones dinmicas negativas en el lado de sotavento. stas varan a lo largo y ancho delas fachadas y dependen de la forma de la edificacin, sus alrededores, el ngulo de incidencia del viento y suvelocidad. Para intentar emparejarlas con la menor prdida energtica el aire buscar entrar por cualquierabertura que est del lado de barlovento y salir por cualquier abertura que est del lado de sotavento.

Campo de presin alrededor de una edificacin

La presin dinmica en las fachadas se relaciona con la pre-sin dinmica del viento aguas arriba por medio de un coefi-ciente adimensional llamado coeficiente de presin Cp:

2

2

1vCPCP pdinmicapfachada == (N/m

2)

Cpse determina generalmente en forma experimental, usan-do tneles de viento. Los experimentos para determinar Cpse han realizado tratando de solucionar problemas particula-res o a los fines de codificar los valores que toma en funcinde parmetros como la forma y la altura de la edificacin oel ngulo de incidencia del viento. La figura de la derechamuestra un ejemplo de la distribucin del coeficiente de

presin en las fachadas de una edificacin simple.

De una manera general, si se disea y orienta la envolventede la edificacin de forma que las diferencias de presinentre las diversas fachadas sean lo ms grandes y se ubicanlas aberturas donde los coeficientes positivos y negativossean mayores, el aire entrar y saldr con mayor fuerza.

Coeficiente Cp de una edificacin simple (Allard)

Indudablemente, para que lo anterior sea de provecho las divisiones internas no deben bloquear el flujo gene-ral as concebido sino adaptarse l. Adicionalmente, la disposicin de las aberturas y los espacios debe pro-yectarse de modo que el aire circule por todas las zonas en que se espera que permanezcan las personas (encaso de que el criterio sea incentivar los intercambios entre el aire y la piel) o por las superficies internas de laenvolvente (en caso de que el criterio sea enfriar la masa de la edificacin).

Por otro lado, si se considera que el aire pasa por una abertura a una velocidad promedio v, el caudal total queatraviesa dicha abertura ser en primera instancia dicha velocidad multiplicada por el rea:


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vAQ .= (m3/s)

Sin embargo, en toda abertura se genera siempre una prdida de energa por causa del roce que se produce enel contorno de la misma y las turbulencias que genera. A fin de considerar dicha prdida se define un coefi-ciente adimensional llamado coeficiente de descarga Cdel cual indica el caudal real que finalmente pasa:

vACdQ ..= (m3/s)

Un examen de los experimentos hechos en distintos tipos de aberturas con miras a averiguar el coeficiente dedescarga muestra que Cddepende sobre todo de las dimensiones de la abertura y el tipo y la forma de lasaristas que limitan el flujo. Para aberturas pequeas totalmente abiertas un valor representativo es 0,65. Paraaberturas grandes, Cdse acerca a la unidad. Un valor tpico para una abertura estndar es 0,80. Por otro lado,mientras ms aristas limiten el flujo, mayor ser la prdida. As, para bloques de ventilacin, Cdadquierevalores cercanos a 0,6 (es decir, se pierde aproximadamente el 40% de caudal respecto de un rea equivalentegrande totalmente abierta) y para una ventana con malla mosquitero, Cdpuede bajar hasta 0,4.

Otro hecho real es que la presencia de aberturas dismi-nuye los valores de los coeficientes de presin y portanto las diferencias de presin dinmica (puesto que sereduce la resistencia del obstculo representado por la

edificacin), introduciendo un cambio en lo que podraestimarse al slo tomar en cuenta los campos de presinoriginados por la forma global de la envolvente. Estohace que luego de cierta rea de ventanas no se logre unaumento de ventilacin apreciable. Para el caso de ven-tilacin cruzada, ello ocurre aproximadamente cuandola permeabilidad de la fachada supera el 60% (la per-meabilidad es el porcentaje de rea de abertura respectodel rea de fachada). A modo de ejemplo se muestra ala derecha la variacin del caudal de ventilacin en unacasa sencilla al aumentarse el ancho de las ventanas. Relacin ancho de ventanas-caudal total (Aiolos)

La distribucin de la presin dinmica alrededor y dentro de una edificacin y las corrientes de ventilacinque se generan dependen en los hechos de numerosos factores relativos a la geometra de la edificacin y suentorno y a las caractersticas del viento incidente. Entre los principales se pueden mencionar:

1. Caractersticas del emplazamiento- Velocidad y direccin del viento, las cuales pueden ser modificadas por los siguientes factores:

Topografa del lugar Caractersticas del entorno (la presencia de vegetacin o de edificaciones cercanas) Plano urbanstico (la posicin relativa de las edificaciones cercanas)

2. Geometra exterior de la vivienda- Forma de la planta de la edificacin- Orientacin de la edificacin, fachadas y aberturas

-

Permeabilidad de las fachadas- Caractersticas de las aberturas- Arquitectura del techo- Presencia de elementos externos que aumenten las velocidades y/o las diferencias de presin

3. La geometra interior de la vivienda- Orientacin de las particiones internas- Permeabilidad de las particiones internas-

Caractersticas de las aberturas internas

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,6 1,95 3,3 4,65 6

Anch o to tal d e ventan as (m)

Caudaltotal(m3

/h)


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La incidencia relativa de cada factor es objeto de estudio por parte de los investigadores. Cualquiera que seael caso, se podrn considerar, alternada o integradamente, las siguientes recomendaciones para climas clidosen los que la ventilacin sea un criterio importante (las cuales estn interrelacionadas en la prctica):

1. Generar ventilacin cruzada2. Ubicar las aberturas de acuerdo con la estrategia de ventilacin a seguir3. Captar adecuadamente el viento

4. Aumentar las diferencias de presin alrededor de las edificaciones

1. Generar ventilacin cruzada

La ventilacin cruzada significa que se colocan aberturas del lado de las presiones positivas para la entradadel aire y aberturas del lado de las presiones negativas para la salida del mismo. A tal fin, la orientacin de laedificacin, as como la ubicacin relativa de las ventanas, espacios y particiones internas debe adecuarse a ladireccin dominante de los vientos de la zona, con el objeto de que el aire pueda entrar, fluir y salir con faci-lidad. Mientras ms se entorpezca el flujo al interior, ms se producirn zonas de estancamiento y turbulen-cias que generarn prdidas de velocidad, disminuyndose la eficacia de la ventilacin cruzada (ver figura).

Adaptacin de la orientacin de la edificacin a la direccin de los vientos y acoplamiento de las ventanas y particio-

nes internas a su trayectoria natural

Los experimentos muestran sin embargo quepara el caso de ventilacin cruzada, no serequiere en rigor que las ventanas de entradade aire (presiones positivas) sean totalmente

perpendiculares al viento incidente. Aunquelos coeficientes de presin tiendan a ser ms

bajos, se podr considerar que se tiene unmargen de unos 60 a ambos lados en el cualla ventilacin ser adecuada (ver figura).Esto es importante en el trpico puesto que

permite conciliar el control solar con la ven-tilacin (si, por ejemplo, se plantease con

base en el control solar una edificacin alar-gada este-oeste con fachadas ciegas en esasorientaciones y aberturas en las orientacio-nes norte y sur en un sitio en el que predo-minan vientos alisios del noreste, el que elviento llegue con esa direccin no ser pro-

blemtico respecto de la ventilacin).


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Es ms fcil generar ventilacin cruzada cuando la planta es dispersa (con volmenes salientes y entrantes)que cuando es compacta. Ello habilita inducir flujos de ventilacin independientes en cada espacio, permi-tiendo resolver el conflicto entre ventilacin y privacidad en algunos recintos, pues disminuye la necesidad deaberturas internas que comuniquen las aberturas externas de entrada y salida del aire. Adems, una plantadispersa reduce la importancia de la orientacin respecto de la incidencia del viento (ver figura).

Una edificacin dispersa permite tener ventilacin cruzada en todos los espacios, as cambie la direccin del viento

Otra posibilidad es usar atrios centralesabiertos (o con cerramientos permeables o deapertura controlable), patios o cualquier es-

pacio grande central que atraviese la edifica-cin, sirva para actividades comunes y a suvez distribuya las corrientes de aire e induzcaventilacin cruzada en los recintos de usoms privado. Ello implica sin embargo co-municar dichos recintos con el espacio cen-tral por medio de aberturas internas abiertaso permeables, dificultando la posibilidad de

lograr privacidad acstica y visual (este es elcaso de la casa colonial tpica ver figura).

El caso contrario a la ventilacin cruzada (mucho ms negativo cuando se requiera de una buena ventilacin)es la llamada ventilacin unilateral. La ventilacin unilateral significa que las aberturas se encuentran en unsolo lado. En tales casos los ambientes de la edificacin se convierten en frenos totales para la trayectorianatural del viento, haciendo que ste prefiera envolver la edificacin antes que entrar en ella. Al poco aire queentra por una ventana deber corresponderle una cantidad igual que sale, lo que puede ocurrir en ventanas

paralelas o, incluso, simultneamente, en una misma ventana. En general, una ventilacin unilateral producircaudales y velocidades de aire aproximadamente 80% inferiores a los de una ventilacin cruzada. Si por res-tricciones de diseo no se puede contar con ventilacin cruzada debindose recurrir a ventilacin unilateral,las ventanas debern hacerse tan grandes como posible. Si, por el contrario, es posible realizar cambios en la

envolvente a fin de colocar aberturas de salida del aire as sean stas pequeas, no se deber dudar en hacerlo.

En tales casos problemticos el tamao de las aberturas de salida puede considerarse un factor secundariopara los caudales, siendo la prioridad las aberturas de entrada del aire. Si bien la presencia de aberturas desalida pequeas produce cierto freno y por ende una reduccin del caudal (entre otras cosas puesto que sereduce el valor del coeficiente de descarga), las diferencias de presin se encargan de succionar el aire, el cualaumenta su velocidad a proximidad de las aberturas ms pequeas a fin de que pueda salir a una tasa acepta-

ble (de hecho, diversos experimentos han mostrado que la velocidad del aire al interior aumenta si las venta-nas de salida son alrededor de 25% ms pequeas que las ventanas de entrada).


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2. Ubicar las aberturas de acuerdo con la estrategia de ventilacin a seguir

De manera general, la altura de las aberturas se corresponde con la altura ms ventilada de los ambientes:

Ubicacin vertical de las aberturas a los efectos de ventilar distintas zonas de la edificacin

El ancho de las aberturas debe ser lo suficientemente grande y la ubicacin de las mismas debe permitir queel flujo se reparta lo ms uniformemente posible en todo el espacio a ventilar cuando se trate de refrescar alas personas y a todo lo largo y ancho de los cerramientos cuando se trate de enfriar la masa de la edificacin.

Distribucin de los flujos a lo largo y ancho de los espacios agrandando las ventanas y ubicndolas convenientemente

Sin embargo, repartir las corrientes de aire a lo largo y an-

cho de un ambiente no implica necesariamente colocar ven-tanas grandes abiertas para la entrada y salida del viento,tratando de que stas abarquen todo el ambiente. De hecho,las aberturas pueden colocarse de tal manera que generencierto cambio de direccin del flujo de aire, creando unacorriente ensanchada y circular a travs de todo el espacio.Esto se logra cuando las ventanas de entrada y salida delaire no estn alineadas con la direccin del viento (ver figu-ra). Si bien con ello se afecta el caudal de ventilacin poraumentarse las prdidas al chocar el aire con las paredes, tal

prdida queda compensada desde el punto de vista del con-fort por una mayor velocidad en algunas zonas y una mejor

reparticin de las corrientes. Reparticin del aire desalineando las ventanas

Por otro lado, las ventanas horizontales son en general ms eficientes para ventilar que las ventanas verticalesya que se adaptan a la estratificacin originaria vertical del viento atmosfrico y en consecuencia los coefi-cientes de descarga resultan mayores. En adicin, es obviamente ms fcil lograr reas de ventana grandescuando stas se pueden desarrollar horizontalmente (recurdese que el caudal es proporcional al rea de laabertura). Adems, es ms difcil repartir las corrientes de aire a lo largo y ancho de un ambiente utilizandoventanas verticales sin que las prdidas de velocidad sean excesivas, a menos que se coloquen varias ventanasde entrada del aire y varias de salida de forma repartida.


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Usar aberturas en los techos, adems de hacer correr el aire por el plafn, permite extraer el aire caliente quese podra estancar si slo se contara con ventanas ubicadas a baja altura. Los techos de doble inclinacin faci-litan la colocacin de tales aberturas. Un techo as genera una ventilacin cruzada entre las aberturas coloca-das en l y las aberturas de cara a estas ltimas, lo que no basta para generar una ventilacin cruzada comple-ta, requirindose colocar ventanas en la fachada opuesta. Ello crea una doble ventilacin cruzada, con loque se resuelve tanto el enfriamiento de las personas como el enfriamiento del techo (ver figura).

Uso de techos de doble inclinacin para repartir verticalmente las corrientes de aire

La estrategia de ubicar las aberturas de manera de enfriar la masa de la edificacin tiene como variante prin-cipal la llamada estrategia de ventilacin nocturna. La misma consiste en enfriar de noche la envolvente ha-ciendo fluir el aire nocturno fresco por las superficies internas (piso, techo, paredes). La masa de la edifica-cin se enfra as por conveccin durante la madrugada, convirtindose en la maana en un sumidero fro quedemandar absorber la radiacin que emiten los ocupantes, mejorando la posibilidad de alcanzar confort. Porotro lado, puesto que la edificacin inicia la maana teniendo una temperatura menor, le tomar luego mstiempo calentarse durante el da. Por tratarse de una estrategia de enfriamiento que aprovecha los intercam-

bios convectivos nocturnos, la efectividad de la ventilacin nocturna depender principalmente de la amplituddiaria de temperatura, la masa trmica disponible y la extensin y velocidad de los flujos de aire que rozan lasdiversas superficies. De particular importancia es no cubrir la masa trmica (es decir, no usar revestimientosinternos aislantes). Esta estrategia es particularmente atrayente en edificaciones de uso diurno y materiales

pesados, en las que un exceso de fro en la madrugada no tenga consecuencias sobre el confort, por encon-trarse la edificacin sin personas. Nota: la ventilacin nocturna es la causante, por ejemplo, de que el edificiode la Facultad de Arquitectura de la UCV amanezca siempre fro.

3. Captar adecuadamente el viento

Aumentar las velocidades de aire y por ende las probabilidades de lograr con-

fort en razn del aumento de los intercambios convectivos y evaporativosentre la piel y el aire puede hacerse creando al llamado efecto venturi. Dichoefecto se da cuando un fluido circula a travs de un estrechamiento (por ejem-

plo un embudo). En ese caso, la velocidad del fluido aumenta.Efecto venturi

Los aleros, la vegetacin, las pantallas solares, el entorno construido y otros elementos pueden disearse conformas aerodinmicas que canalicen la ventilacin generando el efecto venturi. Tales recursos son tiles es-

pecialmente en sitios de poco viento en los que cualquier aumento de velocidad puede hacer la diferenciaentre malestar y confort (recurdese que una corriente de aire es sensible slo si supera los 0,3 m/s). En sitiosde vientos apreciables, en cambio, esta estrategia pudiera ser contraproducente, a menos que se complementecon elementos de control de la ventilacin que eviten la inconveniencia de velocidades mayores que 1,5 m/s,las cuales estn asociadas con el levantamiento de polvo y objetos livianos.

Uso de formas aerodinmicas para favorecer la velocidad del aire canalizando el flujo


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Contrariamente, la presencia de obstculos en las inmediaciones deuna edificacin puede restringir severamente la llegada del viento.Una masa vegetal cuyas partes ms frondosas se encuentren a la altu-ra de las ventanas o un muro de lindero pueden ser en este sentidomuy perjudiciales. El manejo de la vegetacin o cualquier elementoaledao en aras de permitir la ventilacin deber conjugarse con elcriterio de control solar. Por otro lado, en pases o zonas en los que la

inseguridad personal es un problema, son comunes los muros altosdestinados a proteger las edificaciones. En tales casos conviene con-siderar el uso de enrejados o celosas o incorporar aberturas en losmuros (las cuales pudieran contar con rejas). Ello siempre que seacepte la visibilidad hacia adentro (aunque tales celosas pudieranhacerse con planos inclinados que dificulten esa visibilidad). Muros con aberturas

En trminos generales, la perturbacin que produce una barrera contra el viento desaparece completamente auna distancia de 12 veces la altura de dicha barrera cuando sta se encuentra aguas arriba, en direccin de la

proveniencia del viento. As, un muro de 2,5 m de alto requerira en rigor ubicarse a 30 m de distancia. Setrata como se ve de una restriccin severa. Es por elloque en la prctica se considera aceptable una distancia

de 5 veces la altura del obstculo, a sabiendas de que elviento llegar algo disminuido. A medida que la barre-ra se desalinea respecto de la direccin del viento la

perturbacin se reduce. Para ventanas de pisos superio-res el problema tender del mismo modo a desaparecer.Se debe sealar que del lado de sotavento (donde las

presiones son negativas) las construcciones o la vege-tacin, si estn muy cerca, afectan tambin la ventila-cin, pues trasladan hasta detrs de ellas los coeficien-tes de presin negativos. Es importante evitar siempreque sea posible la presencia de obstculos que alterenla libre llegada y salida del viento.

Estudio en laboratorio de una barrera construida (CSTB)Obviamente, en ciudades, lo antedicho puede ser un problema difcil de solucionar cuando se disee una edi-ficacin relativamente baja. En tales casos se debe observar la real proveniencia del viento, considerando quelas vas pblicas y los corredores que conforman los edificios aledaos pueden producir el efecto venturi endirecciones especficas. Si en cambio se disea un conjunto urbano de varias construcciones, la ubicacinrelativa de las mismas debe preservar una correcta llegada del viento en cada una de ellas (ver figura). Setrata de un caso en el que orientar las fachadas de captacin del viento perpendicularmente al mismo puedeser inconveniente si las construcciones se ubican las unas detrs de las otras.

Determinacin del plan urbano favoreciendo la llegada del viento

(http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.html)
http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.htmlhttp://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.htmlhttp://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.htmlhttp://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.html


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Finalmente, conviene evaluar dirigir las corrientes de aire segn la direccin del viento (la cual normalmentevara en el tiempo) o segn el rea de permanencia en el recinto. Para ello son tiles las ventanas batientes,

basculantes o de romanillas, las cuales proporcionan ciertas posibilidades a tales efectos. Sin embargo, elcriterio ms importante al momento de escoger el tipo de ventana es adecuar la permeabilidad de las mismasa los requerimientos de ventilacin (porcentaje de rea abierta respecto del rea total de la ventana), pues elcaudal y el ancho de las corrientes de aire dependen de ello. En tal sentido, las ventanas corredizas resultanmenos provechosas. Obviamente, dependiendo del tamao total de la ventana y de la necesidad real que se

tenga de maximizar la ventilacin (lo cual depende sobre todo del clima) podr considerarse el uso de venta-nas con menor o mayor permeabilidad, habida cuenta de que otros criterios como la iluminacin, la practici-dad (a nadie le gusta limpiar ventanas de romanillas) o los gustos pueden resultar esenciales para el usuario.

Permeabilidad de diferentes tipos de ventanas (http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.html)

4. Aumentar las diferencias de

presin

Ms arriba se apunt que a mayordiferencia entre las presiones din-micas de las fachadas de entrada ysalida del aire, mayor ser la ener-ga disponible para ventilar. Se

puede al respecto recurrir a tcnicasconstructivas que incrementen talesdiferencias. En lneas generales,cuanto mayor sea la resistencia queofrezca la forma de la envolvente y

su entorno inmediato al libre flujodel viento atmosfrico, mayoressern los coeficientes de presinentre uno y otro lado (ver figura). Aumento de la ventilacin manejando las diferencias de presin

Cuando por cualquier razn no se pueda contar con ventilacin cruzada, convendr colocar al menos dosventanas en la misma fachada y orientar dicha fachada de manera que la incidencia no sea completamente

perpendicular. Ello hace que los coeficientes de presin no sean del todo iguales, induciendo una entrada deaire en una de ellas y una salida en la otra. Sin embargo, lo que resulta realmente de provecho en tales casoses incorporar salientes que induzcan diferencias de presin localizadas (ver figura).
http://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.htmlhttp://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.htmlhttp://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.htmlhttp://www.hawaii.gov/dbedt/ert/fieldguide/fieldguide.html


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Creacin de diferencias de presin para una ventilacin unilateral

CORRIENTES TRMICAS DE VENTILACIN

Cuando el movimiento del aire se produce por diferencias de temperatura el flujo tiende a desplazarse verti-calmente siguiendo la ruta que ofrezca la menor resistencia. Como ya se apunt, la diferencia de temperaturaconlleva una diferencia de densidad y por ende una diferencia de presin esttica, que es la fuerza motora de

las corrientes trmicas. Por otro lado, puesto que la presin esttica vara tambin con la altura, las corrientestrmicas sern tanto ms fuertes cuanto mayor sea la diferencia de altura entre las masas de aire a temperatu-ras dismiles que activan el flujo.

Las corrientes de aire totales que se dan en edificaciones son la combinacin de las corrientes dinmicas y lascorrientes trmicas. Dichas corrientes se complementan o contrarrestan dependiendo de su magnitud y senti-do relativos. Existen mtodos de diverso tipo para calcular los caudales que producen cada tipo de fuerzamotora o la combinacin de ambas. Ms adelante, a ttulo informativo, se enumerarn dichos mtodos, aun-que su examen detallado quedar fuera del alcance del curso. Entre tanto, se muestran los resultados de calcu-lar el caudal en un caso sencillo de ventilacin cruzada a los efectos de explicar un hecho importante: encomparacin con las corrientes dinmicas producidas por vientos moderados a altos, la diferencia de tempera-tura y/o la diferencia de altura deben ser grandes para producir corrientes trmicas de magnitudes similares.

El ejemplo en cuestin es un local de habitacin condos ventanas opuestas de 1 m2 c/u, sometido a unviento de incidencia perpendicular, es decir, a unaventilacin cruzada franca. La temperatura del airedel local es 5C mayor que la del aire exterior, por loque tender a generarse un flujo trmico que expelael aire ms caliente de adentro por la parte alta decada ventana e introduzca el aire ms fresco de afue-ra por la parte baja. En la grfica de la derecha semuestran los caudales globales de ventilacin dellocal (corrientes dinmicas + corrientes trmicas) en

funcin de la velocidad del viento incidente y se lescompara con los caudales que se produciran nica-mente por efecto de las corrientes dinmicas. Nteseque cuando la velocidad del viento supera 0,5 m/slas corrientes trmicas dejan de tener influencia enel caudal global. Esto es as debido a que la fuerzadinmica del viento incidente comienza a superarcon creces la fuerza generada por la diferencia detemperatura, deshaciendo las corrientes trmicas. Influencia del viento y la diferencia de temperatura

en el caudal global (datos tomados de Hobaica)

Influencia de las c orrientes trmicas en el

caudal glob al de un loc al 5C ms caliente

que el exterior y som etido a viento

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 0.1 0.5 1 2

Velocidad de v iento (m/s)

Caudaldeventilacin(m3/s) Caudal total

Cuadal dinmico


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En el ejemplo anterior se consider que la diferencia de temperatura de 5C se mantiene constante al aumen-tarse la velocidad del viento. Sin embargo, se sabe que esto no es as, puesto que al crecer el caudal dichadiferencia se reduce, disminuyendo an ms la influencia de las corrientes trmicas. Es por ello que en lasregiones tropicales en las que las diferencias de temperatura entre el exterior y el interior suelen ser pequeas,las corrientes trmicas con frecuencia se desprecien. Con todo, s pueden ser significativas y ventajosas enzonas de muy poco viento (como, por ejemplo, el sur de Venezuela). Adems, las corrientes trmicas aumen-tan con la diferencia de altura, razn por la cual conviene recurrir a ellas en edificaciones altas, o simplemen-

te usarlas en general para evacuar el aire caliente que se pudiera estancar y acumular bajo el techo.

Para ilustrar mejor la influencia de las diferencias de temperatura y lasdiferencias de altura en la fuerza de las corrientes trmicas, vanse lasgrficas de abajo, basadas en el ejemplo esquemtico de la derecha. Allse muestra: a) la velocidad del viento por encima de la cual se anulan lascorrientes trmicas para una diferencia de altura variable y una diferen-cia de temperatura de 5C y b) la velocidad del viento por encima de lacual se anulan las corrientes trmicas para una diferencia de temperaturavariable y una diferencia de altura de 10 m.

Velocidad de viento en que las corrientes trmicas se

vuelven despreciables en funcin de la diferencia de

altura entre las ven anas (Ti-Te = 5 C)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0.5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Diferencia de altura H (m)

Velocidaddevientoporencimade

lacualseanulanlascorrientes

trmicas(m/s)

Velocidad de viento en que las corrientes trmicas se

vuelven despreciables en funcin de la diferencia de

temperatura (H = 10 m)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Diferencia de tem peratura Ti-Te (C)

Velocidaddevientoporencimade

lacualseanulanlascorrientes

trmicas(m/s)

Velocidad de viento por encima de la cual se anulan las corrientes trmicas (Clculos basados en la norma britnica

BS 59251980)

Ntese que cuando el viento es de cierta magnitud (superior a 2 m/s) la diferencia de altura o la diferencia detemperatura deben ser grandes para que las corrientes trmicas tengan relevancia.Si en cambio el viento esnulo, stas pasarn a ser la nica ventilacin, resultando tanto ms significativas cuanto mayores sean lasdiferencias de temperatura y altura. A fin de dar una idea de su magnitud, se muestran en las siguientes figu-ras para el mismo ejemplo las variaciones del caudal trmico para viento nulo en funcin de la diferencia dealtura y en funcin de la diferencia de temperatura suponiendo que las cuatro ventanas son de 1 m2cada una:

Caudal trmico con viento incidente nulo en funcin de la

diferenc ia de alt ura (Ti-Te=5C)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

14.00

18.00

22.00

26.00

30.00

34.00

Diferencia de altura H (m)

Caudaltrmico

(m3/s)

Caudal trmico con v iento incidente nulo en funcin

de la diferencia de temp eratura (H = 10 m)

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00

Diferencia de temp eratura Te-Ti (C)

Caudaltrmico(m3

/s)

Caudal trmico para viento incidente nulo en funcin de las diferencias de altura y temperatura (Calculados usando la

norma britnica BS 59251980)


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Si se calculasen finalmente los caudales generados slo por la fuerza dinmica del viento se constatara quealcanza con que incida un viento de 2,5 m/s para generar un caudal de 2,5 m3/s (cualquiera que sea el tamaodel local). Obsrvese en las figuras que para lograr ese mismo caudal apelando a las corrientes trmicas harafalta colocar las ventanas a una diferencia de altura de 20 m (para una diferencia de temperatura de 5C) ocrear una diferencia de temperatura de 10C (para una diferencia de altura de a 10 m).

De todo lo expuesto precedentemente se concluye:

1. En edificaciones adecuadamente ventiladas con corrientes dinmicas las corrientes trmicas tienen pocarelevancia.

2. En edificaciones con poca ventilacin dinmica (bien por restricciones de diseo o por indisponibilidadde viento) las corrientes trmicas sern significativas slo cuando se den diferencias de temperatura gran-des y/o se tengan diferencias de altura grandes entre las aberturas de entrada y salida del aire.

Sobre la base de estas conclusiones se presentan a continuacin dos estrategias por las cuales las corrientestrmicas podran ser de provecho en regiones de clima tropical:

La primera se fundamenta en explotar la dife-rencia de altura en edificaciones altas (figura de

la derecha). Aqu las corrientes trmicas produ-cidas por la diferencia de temperatura se ampli-fican por la diferencia de altura entre las abertu-ras inferiores de entrada y las aberturas superio-res de salida del aire. Este flujo es francamentevertical puesto que las corrientes trmicas siem-

pre tienden a subir y el cauce construido paracanalizarlas es vertical. Por tal razn, a los mo-vimientos de aire producidos de esta forma seles conoce tambin con el nombre de tiro trmi-co o efecto de chimenea (no obstante, en unachimenea el tiro trmico se produce no slo por

la diferencia de altura, sino por la elevada dife-rencia de temperatura que crea la lea encendida). Corrientes trmicas en una edificacin alta

Evidentemente, la fuerza motora del tiro trmico es mayor entre las aberturas de los pisos ms bajos y el te-cho que entre las aberturas de los ltimos pisos y el techo. Sin embargo, al adquirir el aire un impulso inicial,se genera una presin dinmica complementaria que succiona el aire proveniente de los ltimos pisos, com-

pensndose con ello la menor diferencia de altura. La figura anterior es obviamente esquemtica. En cons-trucciones concretas la expulsin del aire de los ambientes se da a travs de aberturas y espacios de diversotipo (rejillas de ductos de ventilacin, ventanas de atrios o patios internos, etc.). Dependiendo de la altura deledificio y del tamao de los recintos a ventilar, los caudales as generados podrn producir corrientes de velo-cidades sensibles o no. Sin embargo, stos caudales en general conseguirn evacuar con eficacia el aire vicia-do, caliente y hmedo, lo que se pudiera complementar con ventiladores o extractores mecnicos.

Otra estrategia potencialmente provechosa en climas tropicales es el llamado termosifn (figura siguientepgina). Un termosifn hace uso directo de la radiacin solar a objeto de calentar el aire y producir las dife-rencias de temperatura requeridas para crear las corrientes trmicas. Ello demanda grandes reas de vidrioexpuestas al sol. Al pintarse de negro los cerramientos de la edificacin que dan hacia el termosifn, stosabsorben la energa solar, calentndose y reemitiendo radiacin de longitud de onda larga hacia el espacioencerrado por los vidrios. Debido a que el vidrio es opaco a esa radiacin, el aire se calienta y sube, succio-nando el aire de los espacios de la edificacin. Un termosifn es en otras palabras el aprovechamiento delefecto invernadero con el objeto de ventilar. Recurrir a un termosifn en climas tropicales requiere vigilar queel calor que se genere en l y en los cerramientos que lo separan de la edificacin no penetre al interior de la


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edificacin. Para ello dichos cerramientos debern combinar capas de materiales aislantes, preferiblementedobles paredes separadas por cmaras de aire y/o mantos aislantes.

Principio de funcionamiento de un termosifn

Una variante de un termosifn es la llamada chimenea solar (siguiente figura). Se trata de una estructura cuyaforma es similar a la de una chimenea, cubierta de vidrio, ensanchada en su parte inferior a efectos de crearall un invernadero, independiente de la edificacin y conectada a los espacios a ventilar por medio de con-ductos. Dichos conductos podrn eventualmente incluir en su interior extractores que acenten el efecto desuccin producido por el ascenso del aire calentado.

Chimenea solar y principio de funcionamiento

LOS MTODOS DE PREDICCIN DE LA VENTILACIN NATURAL

Existen diversos mtodos para predecir la ventilacin natural, diseados con el objeto de conocer desde laetapa de diseo tanto los caudales de ventilacin como las velocidades de aire al interior de las edificaciones.Bien que no est entre los objetivos del curso explicarlos con detalle, se les mencionar a fin de que el estu-diante tenga conocimiento de ellos. Estos mtodos alcanzan diferentes grados de complejidad dependiendo dela exactitud requerida y del usuario al que se destinen. Hay herramientas de prediccin complejas que slo

pueden usar especialistas o investigadores, herramientas diseadas para arquitectos en ejercicio y mtodossencillos cuyo fin es dar una idea de los caudales de ventilacin o las velocidades de aire que se pudieranesperar en un ambiente. De una manera general, los mtodos de prediccin de la ventilacin natural puedenclasificarse en tres grupos: mtodos analticos, mtodos empricos y mtodos experimentales.


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Mtodos analticos

Se basan en enfoques tericos en los que se aplican principios de mecnica de los fluidos y de anlisis num-rico. Se presentan comnmente bajo la forma de programas de computacin. De stos, los ms difundidos sonel mtodo de red de presin para el clculo de caudales y los mtodos CFD (Computational Fluids Dyna-mics) para reproducir en computadora los patrones del flujo con sus temperaturas y velocidades.

El mtodo de red de presin utiliza las ecuaciones de la mecnica clsica de los fluidos referentes a la presinen el exterior y en el centro de los ambientes y al caudal que atraviesa las aberturas. Con ello se configura unared cuyos nodos son las presiones en el centro de cada ambiente, presiones que se enlazan por medio de loscaudales que sus diferencias generan a travs de las aberturas. Dicha red conduce a un sistema de ecuacionescuya solucin se obtiene recurriendo a la ecuacin de balance de masa (caudal entrante = caudal saliente).

Los mtodos CFD se basan en un principio similar, pero a un nivel ms minucioso y utilizando ecuaciones determodinmica ms universales y complejas (concretamente, las ecuaciones de masa, momento y conserva-cin de la energa de Navier-Stokes). Sirven para predecir en detalle los campos de temperatura, velocidad y

presin al interior y al exterior de las edificaciones. Si bien son una alternativa atractiva para el anlisis de lascorrientes dinmicas y trmicas, requieren del usuario conocimientos importantes de mecnica de los fluidosy anlisis numrico, por lo que estn dirigidos a investigadores y especialistas (una lista de programas que

utilizan mtodos analticos puede encontrarse en:http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/).

Izquierda: formulacin del mtodo de red de presin en una vivienda sencilla / Derecha: visualizacin de las corrientes

de aire, sus velocidades y temperaturas para el caso de una ventilacin unilateral usando el programa de CFD Fluent.

Mtodos empricos

Combinan apreciaciones tericas con ensayos en campo y laboratorio a fin de proponer correlaciones de

clculo fcilmente aplicables tanto para predecir los caudales globales como las velocidades medias de lascorrientes de aire. Dichos mtodos se cien a condiciones muy especficas, por lo que su aplicabilidad quedarestringida a los casos particulares para los cuales fueron creados. De hecho, la mayora ha sido propuesta

para edificaciones de un solo ambiente. No obstante son muy tiles y prcticos cuando baste contar con unaestimacin aproximada del orden de magnitud de la velocidad promedio o de los caudales totales que atravie-san la edificacin. En la siguiente figura se presenta uno de ellos, el ya citado mtodo de las normas britni-cas para el clculo de caudales (BS 59251980), al cual puede usarse de manera general para hacer una eva-luacin inicial de las opciones de diseo que se planteen en un proyecto.
http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/http://www.eere.energy.gov/buildings/tools_directory/


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Formulacin esquemtica del mtodo de las normas britnicas BS 59251980 (Tomado de Santamouris et al)

Mtodos experimentales

Consisten en observar y/o medir caudales, patrones de flujo y velocidades de aire usando edificaciones reales,prototipos o maquetas a escala. Permiten examinar la ventilacin de problemas especficos o plantear correla-ciones que puedan generalizarse bajo ciertas condiciones. Se les puede usar como ayudas de diseo o comoherramientas de investigacin, bien sea a los fines de estudiar la influencia de tal o cual parmetro, o comomedios de validacin de diversos mtodos analticos o empricos. En tanto que herramientas de prediccin


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tienen la desventaja de que obligan a contar con equipos de medicin de campo o laboratorio o con prototiposo construcciones reales, lo cual puede resultar costoso. El ms usado y preciso y ms complejo y costosode los equipos de laboratorio es el llamado tnel de viento atmosfrico (ver figura).

Izquierda: tnel de viento de la Universidad Tcnica de Texas

(http://www.wind.ttu.edu/Research/facilities/facilities.html) / Derecha: estudio en tnel de viento del viento en una

maqueta del Parque de la Ciencia de Hong Kong (http://www.ust.hk/~webwwtf/intro.html)

LOS IMPEDIMENTOS DE LA VENTILACIN NATURAL

Aprovechar cabalmente la ventilacin natural slo es posible si sta no choca con otros criterios de diseoque pueden tener igual o mayor importancia. Por ejemplo, en una zona en la que los ruidos externos seanintensos quizs no convenga disear las fachadas con ventanas grandes abiertas, pues se podra incumplir conlos requerimientos acsticos. De igual forma, ventilar en una zona con un alto nivel de contaminacin puede

perjudicar la salud de los ocupantes. Son diversos los impedimentos al disear una edificacin para que fun-cione con ventilacin natural. A continuacin se mencionan algunos de ellos (Santamouris et al.):

Regulaciones antifuego: Estas regulaciones normalmente restringen el flujo de aire entre los ambientes,buscndose evitar la propagacin del humo en el caso de un incendio. Regulaciones acsticas: Estas regulaciones fijan el nivel mnimo de ruido que puede entrar en un ambien-

te, lo que lleva a un determinado grado de aislamiento, en especial en zonas urbanas ruidosas.

Sombreado: La necesidad de bloquear la radiacin solar puede ser un freno en la escogencia de las venta-nas ms adecuadas para la ventilacin.

Privacidad: La necesidad de aislar mediante particiones a fin de dar privacidad a los ambientes puederestringir los flujos de aire a travs de las fachadas y entre los ambientes.

Lluvias: La necesidad de obstaculizar las lluvias puede ser un freno en la escogencia de las ventanas msadecuadas para la ventilacin.

Seguridad: La proteccin contra la penetracin indeseada de personas, animales o insectos conlleva enmuchos casos a bloquear aunque sea parcialmente las aberturas.

Contaminacin: En las zonas con un elevado nivel de contaminacin, puede ser perjudicial para la saludpermitir la entrada franca del aire exterior.

Iluminacin natural: El control de la iluminacin natural puede ser un freno en la escogencia de las ven-tanas ms adecuadas para la ventilacin.

Ignorancia por parte de los usuarios: Los usuarios pueden ignorar la mejor manera de aprovechar al m-ximo la ventilacin, pudiendo impedir su correcto funcionamiento (por ejemplo, al realizar remodelacio-nes o adaptaciones a fin de cambiar el uso de determinados espacios).

Forma de la edificacin: La ventilacin natural requiere de un proyecto particular de la envolvente, lo quepuede contrariar los conceptos arquitectnicos planteados.
http://www.wind.ttu.edu/Research/facilities/facilities.htmlhttp://www.wind.ttu.edu/Research/facilities/facilities.htmlhttp://www.wind.ttu.edu/Research/facilities/facilities.htmlhttp://www.ust.hk/~webwwtf/intro.htmlhttp://www.ust.hk/~webwwtf/intro.htmlhttp://www.ust.hk/~webwwtf/intro.htmlhttp://www.ust.hk/~webwwtf/intro.htmlhttp://www.wind.ttu.edu/Research/facilities/facilities.html


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Hbitos de los usuarios: La ventilacin natural implica que el usuario acepte un cierto grado de fluctua-cin de las condiciones ambientales en los espacios internos. Esto hace que en muchos casos prefiera laimplantacin de sistemas mecnicos de enfriamiento.

Costos: La posibilidad de usar componentes que de alguna manera resuelvan algunos de los impedimen-tos anteriores puede no ser aceptada por el promotor, por conllevar costos adicionales a los previstos.

Las siguientes figuras muestran ejemplos de soluciones en los que se concilia la creacin de una ventilacin

cruzada adecuada con los requerimientos de privacidad acstica y/o visual:

Ejemplos de soluciones arquitectnicas para resolver los problemas de privacidad acstica y/o visual sin impedir unabuena ventilacin cruzada (tomado de Givoni, Climate considerations in building and urban design)

--------------------L.R./Actualizado febrero 2013

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10 VentiLacion Natural