¿Cómo diseñar ventilación natural eficiente en espacios comerciales?

Diseño HVAC

Metodologías y consideraciones de diseño mecánico para optimizar las fuentes de ventilación natural dentro de un espacio comercial y, de esta forma, reducir las necesidades de climatización convencional con aire acondicionado HVAC. Por Sergio Garro, director del departamento mecánico de RST Ingeniería.

En la actualidad, debido a la creciente necesidad de buscar soluciones energéticas viables para las edificaciones comerciales, la ventilación natural de espacios internos se presenta como una alternativa interesante al concepto tradicional del aire acondicionado.

Este sistema, en sitios con condiciones climáticas favorables, puede ayudar a reducir considerablemente los costos de energía asociados a la climatización por medios mecánicos y, aun así, entregar a los usuarios del edificio, calidad ambiental, manteniendo un clima confortable y saludable.

Con respecto al confort térmico de las personas, de acuerdo al estándar ANSI/ASHRAE 55 ¹, la reacción y expectativas térmicas de los ocupantes en un edificio con ventilación natural ante la temperatura interna del espacio, dependen en  parte de la temperatura exterior y, este comportamiento es distinto a las respuestas que tendrían en edificios con climatización mecánica, debido a que las personas modifican su comportamiento y toman decisiones como cambios en las vestimentas, la manipulación de puertas y ventanas, con el fin de adaptarse térmicamente al espacio.

Selección del enfoque de diseño

La ventilación natural se basa en dos fenómenos naturales: la presión del viento y la flotabilidad del aire. Cada uno corresponde a un enfoque de diseño totalmente distinto, por lo que a nivel de cálculos, el diseñador mecánico deberá decidir cuál metodología de diseño utiliza dependiendo de las condiciones climatológicas en las que se encuentra el proyecto.

1. Presión del viento:

Dependiendo de sus vectores de velocidad y dirección, el viento ejerce mayor presión en algunas caras del edificio que en otras, creando superficies con presión diferencial positiva y con presión diferencial negativa, en relación con la presión interna de la edificación.

Al hacer un análisis detallado del comportamiento del viento en la zona del proyecto, el diseñador puede determinar estrategias para el envolvente del edificio, así como la orientación óptima para maximizar la entrada de aire por las aberturas (ventanas, puertas y louvers) de sus caras. Bajo este enfoque, hay parámetros de diseño como la velocidad e incidencia del viento en las superficies del edificio con la finalidad de garantizar los requerimientos de ventilación de los ocupantes.

Esta metodología de diseño es apta para proyectos de baja o mediana altura, con aberturas en paredes opuestas, generando un flujo cruzado de aire desde la cara con presión positiva de viento hacia la cara con presión negativa.

2. Flotabilidad del aire:

La diferencia de temperatura entre el exterior y el interior del edificio genera un gradiente de presiones que resultan en un flujo de aire. Si la temperatura exterior es menor que la del interior del edificio, el aire tiende a ingresar debido al diferencial de presión que existe entre el ambiente externo y el interno.

Una vez dentro del edificio, a medida que el aire se calienta debido a las cargas sensibles internas (personas, equipos, etc.), este se vuelve menos denso que el aire frío y asciende, hasta salir por aberturas en la parte superior, lo que se conoce como “Efecto Chimenea” o “Stack Effect”.

Este movimiento en vertical genera un vacío y, a su vez, un flujo constante de aire entrando a la edificación. Este diseño es más efectivo para edificios con altura considerable, ya que se maximiza el flujo del aire caliente en vertical, alejándolo de los ocupantes y renovándolo con aire frío en los niveles más bajos.

Si bien es cierto que los tipos de diseños se basan en principios distintos, en la práctica ambos fenómenos naturales son complementarios y la efectividad del sistema de ventilación se verá afectada por el incremento o disminución de todas las variables mencionadas.

Esta es la razón por la cual el diseñador debe interpretar cuál metodología es la más adecuada para el proyecto específico e identificar cuál fenómeno natural tendrá mayor peso en el comportamiento del sistema, dependiendo de las condiciones climatológicas del sitio.

Consideraciones de diseño HVAC

El sistema de ventilación natural debe ser congruente con la arquitectura y el interiorismo del edificio, tomando en cuenta su orientación geográfica, forma, dimensiones externas, distribución de particiones internas y ubicación de entradas y salidas de aire.

Adicionalmente, el diseñador debe cuantificar el flujo de aire requerido para garantizar la renovación adecuada al número de personas y al tipo de ocupación.

Se puede seleccionar el esquema de ventilación natural a implementar:

• Ventilación unilateral:

Consiste en aberturas para entrada y salida de aire sobre la misma cara del espacio. Es recomendado para espacios en que la profundidad no exceda en 2.5 veces la altura del cuarto, a causa de que el flujo de aire debe recorrer el espacio y devolverse a la pared donde ingresó, por lo que espacios en espacios profundos se correría el riesgo de que se presenten zonas sin renovación de aire.

Se recomienda que la abertura de ingreso de aire se ubique en la parte inferior del espacio y la abertura de salida en la parte superior, esto porque al principio de la flotabilidad en que el aire caliente menos denso tiende a subir.

• Ventilación cruzada:

El aire entra al edificio y sale por la cara opuesta, generando un flujo que cruza el interior de la edificación. Para maximizar la efectividad de esta configuración es clave que el diseño interno de paredes, mobiliario y, demás elementos internos, le permitan al aire pasar de lado a lado sin mayores obstáculos.

Esta configuración es recomendada para espacios en que la profundidad no exceda en 5 veces la altura del espacio. En cuartos profundos podría presentarse el problema en que el aire que entra se acumule dentro del espacio y no salga en su totalidad por la cara externa.

Al igual que en la ventilación unilateral, se recomienda que la salida del aire se ubique en la parte superior del espacio.

• Ventilación tipo chimenea:

Utilizando la propiedad de la flotabilidad del aire para edificios altos, se ubican aberturas para entrada de aire en el nivel más bajo y salidas a nivel de cubiertas. Debido a las presiones diferenciales entre el ambiente interno y externo, la eficiencia de este tipo de configuración aumenta si el área efectiva de la abertura para la salida de aire a nivel de cubiertas es mayor que el de las aberturas para el ingreso del aire, esto porque le es más fácil salir al aire caliente en la parte superior, se incrementa el flujo e ingresa más aire frío por el nivel inferior, garantizando la renovación requerida.

Un ejemplo claro son los centros comerciales con atrios centrales y louvers de descarga de aire a nivel de cubiertas.

Ventajas y cuidados

En la parte económica, la implementación de un sistema de ventilación natural tiene un impacto inmediato al generar ahorros energéticos en la operación del edificio, así como la disminución de la inversión inicial requerida para la compra de equipos mecánicos e instalación de sistemas de control, red de ductos y tuberías.

El diseño interno se ve beneficiado con la ausencia de elementos mecánicos en entre cielos, maximizando la utilización del espacio interno y con el incremento de la entrada de luz natural a través de ventanas y louvers para la entrada y salida del aire.

Se debe tomar en cuenta que la eficiencia de este sistema es afectada por múltiples factores, como la dependencia directa al clima exterior, la presencia de contaminantes que amenazan la calidad del aire que ingresa al edificio y la variabilidad en la dirección e intensidad del viento, entre otros.

Sin embargo, mediante un estudio detallado sobre las condiciones climatológicas del sitio y la toma de decisiones estratégicas del equipo de diseño, se puede reducir el nivel de afectación de los factores mencionados y alcanzar un rendimiento que cumpla a cabalidad con los requerimientos térmicos internos.

Referencias:

1. ANSI/ASHRAE Standard 55-2013, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, Capítulo 5, Sección 5.3 “Conditions that provide Thermal Confort”.

Sobre el autor:

Sergio es Ingeniero Mecánico con más de 14 años de experiencia en los campos de Diseño y Construcción. Su experiencia incluye numerosos proyectos de HVAC, plomería y protección contra incendios, tanto nuevos como remodelaciones, para diversas instalaciones, incluidas las comerciales, hotelería, residenciales e industriales.

Cuenta con certificaciones enfocadas en el amplio tema de la sostenibilidad, con el objetivo de brindar alternativas y soluciones a nuestros clientes durante todas las etapas del proceso de diseño y construcción; desde el anteproyecto hasta la puesta en marcha de los sistemas electromecánicos. Es acreditado LEED AP BD + C, certificado como Experto EDGE, como Auditor EDGE, además de ser certificado ASHRAE HBDP.