Desarrollo de modelos de aplicación arquitectónica para el diseño de espacios exteriores eficientes para la ventilación de los edificios
- Autores: M. A. Padilla Marcos
- Directores de la Tesis: Jesús Feijó Muñoz (dir. tes.), Alberto Meiss (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Valladolid ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan José Sendra Salas (presid.), Gemma Ramón Cueto (secret.), Víctor Echarri Iribarren (voc.), Roberto Alonso González Lezcano (voc.), Consolación Ana Acha Román (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: UVADOC
- Resumen
Tradicionalmente, la ventilación en los edificios ha supuesto un reto técnico a la hora de satisfacer las exigencias de salubridad y confort de sus ocupantes que ha sido resuelto mediante el intercambio de aire con el exterior. La calidad del aire exterior junto con la capacidad de ventilación del diseño interior, determinan el grado de salubridad de los espacios residenciales. Sin embargo, el desarrollo urbano y la contaminación del medio ambiente por el empleo de combustibles fósiles en industrias y medios de transporte han degradado el aire de las ciudades que es utilizado para ventilar los interiores y por tanto han afectado a la calidad del aire en los edificios de viviendas.
Los criterios de salubridad e higiene del aire utilizado por las personas requieren el estudio de los procesos de ventilación tanto en el interior como en el exterior. Es en los espacios exteriores donde la distribución de las partículas nocivas para la salud depende del comportamiento del aire en los entornos urbanos. Se precisa por tanto el conocimiento de los fenómenos fluido-dinámicos que afectan al desplazamiento del aire en dichos vacíos que configuran las ciudades.
El viento es el principal agente activo en el desplazamiento del aire en el entorno urbano. Su movimiento altera el comportamiento del aire en las ciudades, definiendo la trayectoria que siguen sus partículas desde las áreas suburbanas a los espacios en torno a los edificios. El comportamiento resultante de la acción del viento y demás fenómenos aerodinámicos condiciona la dispersión de las partículas nocivas procedentes de fuentes contaminantes ubicadas dentro y fuera de los entornos urbanos. La renovación del aire exterior busca mejorar sus condiciones de salubridad para que se facilite la dispersión de contaminantes en las regiones próximas a los edificios. Esto se consigue mediante la mezcla del aire en los espacios exteriores urbanos con el aire "limpio" procedente de las áreas suburbanas, dado que se entiende que el aire que accede a las urbes procede de áreas en las que las condiciones naturales permiten definirlo como de mayor calidad.
El desarrollo urbano, resultado de la densificación de las urbes, ha propiciado la degradación del patio tradicional como espacio exterior para la ventilación de los espacios residenciales en los edificios en altura. Este espacio exterior ha sido utilizado con diferentes fines funcionales, normado sin atender aparentemente demasiado a la higiene y salubridad de su aire. Esto se manifiesta en que las normativas españolas han permitido tradicionalmente la apertura simultánea de aberturas de admisión y extracción del aire de ventilación al interior de los patios. El Código Técnico de la Edificación (CTE) y su Documento Básico sobre "Calidad del aire interior" (DB HS3) del año 2006, posteriormente actualizado en 2009 (Ministerio de vivienda, 2009), ha sido la primera norma estatal que trata de regularlo.
Las premisas iniciales formuladas en base a la lógica fluido-dinámica suponen que los patios condicionan negativamente la renovación de su aire con el aire exterior atmosférico. El propósito de mejora de las condiciones de salubridad e higiene de dichos espacios interiores requiere el conocimiento del comportamiento del aire en el patio por influencia del aire exterior en el entorno y junto al edificio.
Se comprueba que el patio interior, también llamado "de luces", ve reducida su capacidad de renovación del aire contenido con respecto a otros espacios exteriores. Podemos definirlo como un espacio exterior confinado en el que el proceso de renovación de su aire se produce gracias a los fenómenos dinámicos, viscosos y turbulentos que se dan en las masas de aire próximas al patio. El único contacto directo que se produce entre el aire del patio y el atmosférico libre se produce en su embocadura.
Además, el acondicionamiento térmico de los edificios, así como la radiación incidente sobre los paramentos del patio, afectan a la renovación de su aire por efecto de la convección térmica. Sin embargo este fenómeno no es objeto de estudio en el presente documento debido a que en un principio los procesos térmico-convectivos mejoran la mezcla de las masas de aire facilitando la renovación por acción del viento, por lo que se entiende que condicionan positivamente el proceso. El estudio objeto del trabajo busca desarrollar los modelos de aplicación eficientes para la renovación del aire de los espacios exteriores en sus condiciones más desfavorables, no obstante, la colaboración de las condiciones térmicas podría ser susceptible de investigación en futuras actuaciones. Por lo tanto, esta investigación propone el estudio de la calidad de la renovación del aire en los patios interiores o "de luces" por efecto exclusivo del viento y sus fenómenos dinámicos asociados (condiciones isotermas).
El objetivo último del trabajo llevado a cabo es analizar cómo interactúan las fuerzas dinámicas en el entorno inmediato del patio condicionadas por la forma, disposición y dimensiones del espacio exterior y sus relaciones con el edificio. Para la evaluación de la calidad de la renovación en los distintos patios ha sido necesaria la definición de un procedimiento novedoso basado en el concepto de la eficiencia de la ventilación de los espacios interiores. Esto permite calificar numéricamente la calidad en los espacios mediante la edad del aire, a partir del dominio evaluado y de la influencia del diseño arquitectónico en la trayectoria de las partículas de aire. Por tanto, la aplicación del análisis de la eficiencia a dominios de aire exterior ha supuesto la hipótesis de analizar éste como si se tratara de un espacio acotado en cuyos límites se produce la libre entrada y salida del aire atmosférico por acción exclusiva del viento.
La investigación llevada a cabo, plantea la solución al problema de la extensión del dominio al aplicar la hipótesis del comportamiento del aire en el exterior como si de un flujo interior se tratara. Esta hipótesis comporta analizar el entorno urbano como un modelo tridimensional dentro de un túnel de viento. Esto permite analizar comparativamente la eficiencia de la renovación del aire en distintos tipos de espacio exterior e interpretar la influencia de su forma y exposición al viento para obtener los patrones de comportamiento con respecto al diseño del edificio. El procedimiento descrito ha sido validado para la simulación numérica del viento.
El procedimiento sigue una secuencia de resolución de necesidades y problemas detectados en el propio proceso de investigación. Las fases de investigación seguidas y desarrolladas en el cuerpo del documento se relacionan unas con otras repercutiendo las conclusiones obtenidas en cada fase con fases posteriores y precedentes. El proceso se cierra al aportar conclusiones que satisfacen los objetivos iniciales relacionados con el problema objeto de investigación.
En conclusión, el estudio isotermo de la influencia de la dinámica de fluidos en el comportamiento del aire junto al edificio permite el análisis de la distribución de la edad del aire. Su aplicación en un dominio delimitado y acotado facilita la calificación numérica de la calidad de la renovación en patios ¿de luces¿ de diferentes proporciones y dimensiones y la determinación de los patrones asociados. La evaluación de la eficiencia de la renovación de dichos patios y su entorno próximo permite relacionar el diseño arquitectónico con su capacidad para mezclar su aire con el del exterior. Finalmente, la mezcla de aire resultante es utilizada para la ventilación de los espacios interiores.
Se constata numéricamente que dentro de los diferentes tipos de espacio exterior comparados, los patios interiores o ¿de luces¿ presentan eficiencias máximas inferiores al 15%. El análisis de los patios existentes en España constata también que las pautas de diseño no contemplan la calidad de la renovación del aire contenido, obteniéndose eficiencias inferiores al 1% en muchos casos. Así, la metodología permite constatar que su eficiencia media aumenta según lo hace la dimensión en la dirección del viento e inversamente a su altura, lo que demuestra que la dimensión transversal a la dirección del viento en el patio apenas influye.
Los resultados expresan que las dimensiones mínimas de los patios, atendiendo a criterios de calidad de la renovación del aire, deberían permitir inscribir una circunferencia de diámetro 5 m con alturas de hasta 12 m y excepcionalmente de diámetro 4 m cuando su altura sea inferior a 6 m. Asimismo, se observa que los patios confinados cuya altura supera los 12 m presentan en todos los casos deficiencias en la renovación, con valores de eficiencia media estimados inferiores al 5%.
En definitiva, en general tendría que replantearse si los patios interiores o "de luces", como están y son diseñados en la actualidad según la normativa vigente, son adecuados para la ventilación de los espacios interiores. Los resultados alcanzados en esta tesis doctoral componen una propuesta pre-normativa para el diseño de los nuevos patios interiores o "de luces", conjuntamente con un procedimiento de investigación para el análisis de soluciones alternativas a aplicar en los patios interiores o "de luces" ya existentes.
