Modelado numérico del sistema de ventilación del edificio Aulario IndUVa mediante un modelo zonal

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Mecánica Modelado numérico del sistema de ventilación del edificio Aulario IndUVa mediante un modelo zonal Autor: González Gutiérrez, Juan Tutor: Méndez Bueno, César Dpto: Ingeniería Energética y Fluidomecánica Valladolid, Septiembre 2019. I RESUMEN El sistema de ventilación es el encargado de mantener una calidad del aire interior aceptable, aportando un caudal suficiente de aire exterior y garantizando la extracción y expulsión del aire viciado con los contaminantes producidos. Por otro lado, el sistema de ventilación permite mantener unas propiedades del aire similares en todas las zonas. En este trabajo se estudia el sistema de ventilación del edificio Aulario IndUVa para realizar un estudio paramétrico utilizando un método de cálculo de tipo zonal. La metodología empleada permite estudiar el comportamiento del sistema de ventilación en diferentes situaciones en función de su utilización. PALABRAS CLAVE Aulario IndUVa, Ventilación, Pérdida de carga, Flujo de aire, CONTAM ABSTRACT The ventilation system is responsible for maintaining acceptable indoor air quality, providing sufficient outdoor air flow and ensuring the extraction and ejection of the stale air with the pollutants produced. On the other hand, the ventilation system allows to maintain similar air properties in all areas. In this work the ventilation system of the Aulario IndUVa building is studied to perform a parametric study using a zonal type calculation method. The methodology used allows to study the behavior of the ventilation system in different situations depending on its use. KEYWORDS Classrooms IndUVa, Ventilation, Head losses, Air flow, CONTAM II ÍNDICE 1. Introducción y objetivos 1 1.1 Justificación 1 1.2 Objetivo 2 1.3 Metodología 2 2. Descripción de la instalación 3 2.1 Situación 3 2.2 Descripción y distribución del edificio 4 2.3 Sistema de ventilación 6 2.2.1 Ventiladores 8 2.2.2 Conductos 9 2.2.3 Difusores y Rejillas 10 2.2.4 Filtros 10 2.2.5 Regulación 10 3. Ventilación en zonas de enseñanza 11 3.1 Concepto y tipos de ventilación 11 3.1.1 Ventilación 11 3.1.2 Sistemas de ventilación 11 3.2 Parámetros de diseño 12 3.2.1 Caudal de aire 12 3.2.2 Renovación 13 3.2.3 Eficiencia de la ventilación 13 3.3 Elementos de una instalación de ventilación 13 3.3.1 Climatizadora y conductos 13 III 3.3.2 Ventiladores 15 3.3.3 Terminales. Rejillas y Difusores 16 3.3.4 Filtros 18 3.3.5 Presurización del bloque 19 3.4 Exigencias técnicas. Calidad del aire 19 3.4.1 Exigencias de calidad térmica del ambiente 20 3.4.2 Exigencias de calidad del aire interior 20 3.4.2.1 Generalidades 21 3.4.2.2 Categoría de calidad del aire interior en función del uso de los edificios 22 3.4.2.3 Caudal mínimo de aire exterior de ventilación 22 3.5 Normativa 24 4. Modelado con Software 25 4.1 Introducción del software 25 4.2 Realización del modelo 25 4.2.1 Plantas 25 4.2.2 Zonas 27 4.2.3 Fugas de aire 28 4.2.4 Conductos 31 4.2.5 Terminales 34 4.2.6 Programaciones 38 4.2.7 Simulación 40 5. Casos realizados 41 5.1 Horario lectivo. Puertas aulas cerradas 43 5.2 Horario lectivo. Puertas aulas abiertas 46 IV 5.3 Compuerta de una planta cerrada 50 5.4 Horario lectivo. Puertas aulas abiertas y puertas de emergencia abiertas 52 5.5 Variación del caudal en función de las aulas abiertas 54 5.6 Transitorio 55 5.7 Pozos canadienses 58 5.8 Apertura de puertas 60 6. Conclusiones 65 7. Bibliografía referenciada 67 Anexos 1. Implementación de los ventiladores 1 2. Implementación de los difusores 8 3. Implementación de los ranuras 10 4. Implementación de los conductos 10 5. Resultados Caso realizado 1º 12 6. Resultados Caso realizado 2º 15 1 1. Introducción y objetivos 1.1 Justificación Este trabajo de fin de grado estudia el comportamiento del sistema de ventilación del edificio IndUVa de la Universidad de Valladolid en distintas situaciones, para conocer el procedimiento de ajuste y equilibrado de los sistemas de distribución y difusión del aire. El edificio Aulario IndUVa es considerado un edificio de alta eficiencia, sostenibilidad y consumo de energía casi nulo. Por estas razones es necesario garantizar un ambiente saludable en su interior manteniendo los objetivos de ahorro energético. La calidad del aire interior se clasifica en función de la utilización del edificio, especificando los límites de concentración que se aplicarán en los contaminantes indicados en el aire interior tales como CO2 o COV. El objeto de la ventilación de espacios interiores es renovar y extraer el aire interior de un recinto y sustituirlo por aire nuevo limpio con el fin de evitar su enrarecimiento, eliminando el calor, el polvo, el vapor, los olores y cuanto elemento perjudicial o impureza contenga el aire ambiental encerrado dentro del local. Esta renovación del aire interior permite que la respiración de los seres vivos que ocupan el local sea fluida y constante. Las personas producen CO2 durante la respiración por ello se pueden tener elevadas concentraciones de contaminante si el caudal que se aporta no es suficiente. El sistema de ventilación debe aportar suficiente caudal de aire exterior que evite, en los locales en los que se realice alguna actividad humana, la formación de elevadas concentraciones de contaminante. Consecuencia de este objetivo es fundamental la adaptación a la ocupación de alumnos, variable e intermitente en cuanto a horario y cantidad. Se pretende conocer el funcionamiento de los flujos de aire en distintas zonas del edificio y situaciones del horario lectivo, para tratar de establecer pautas para la optimización del sistema de ventilación. 1. Introducción 2 1.2 Objetivo El objetivo de este trabajo de fin de grado, es avanzar en el conocimiento y manejo de nuevas herramientas de software para la simulación de movimientos de fluidos. En este caso se utilizará el software de simulación zonal denominado CONTAM. Dicho software se ha aplicado al caso práctico de estudio del sistema de ventilación del edificio IndUVa de la escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid. El edificio que ha entrado en servicio en septiembre de 2018, se considera un edificio de consumo energético casi nulo, por sus buenas condiciones de aislamiento y la incorporación de elementos pasivos además de los sistemas activos como el de ventilación/climatización. El sistema de ventilación del edificio se ha diseñado para suministrar los flujos necesarios en cada momento y zona del edificio en función de la ocupación de personas de cada una, que resulta ser variable, para proporcionar un ambiente saludable en su interior y cumplir con la normativa vigente. 1.3 Metodología Para la simulación del sistema de ventilación se ha seguido el siguiente procedimiento: - Estudiar el funcionamiento y las capacidades del nuevo software CONTAM - Conocer los elementos que componen una instalación de ventilación en general (conductos, filtros, terminales, etc.) y la del edificio IndUVa en particular. - Implementar todos los conductos y diferentes espacios delimitados de las 6 plantas en el software y calcular las pérdidas de carga de la instalación mediante un modelo zonal (CONTAM). - Conocer los requisitos del sistema de ventilación de edificios de docencia establecidos en la normativa y en las recomendaciones. - Tratar de simular las condiciones de funcionamiento estándar y plantear posibles situaciones a las que se tiene que enfrentar el sistema de ventilación durante el periodo de vida útil de la instalación. 3 2. Descripción de la instalación 2.1 Situación El edificio aulario IndUVa se encuentra en el paseo Prado de la Magdalena, Valladolid. Es sede de la Escuela de Ingenierías Industriales de la Universidad de Valladolid. El edificio se encuentra dentro de la sede Mergelina, conectado a los demás edificios e instalaciones del campus que albergan talleres y laboratorios. Es un edificio de nueva construcción que está conectado con un antiguo edificio que actualmente se encuentra en fase de rehabilitación, por lo que las puertas de conexión en cada planta se encuentran cerradas y la única conexión existente es por la planta baja. Tiene una superficie construida de 5845 m2 en 6 plantas con un total de 34 aulas y con una capacidad variable de 0 a 2500 alumnos con un horario intermitente. Figura 2.1. Edificio IndUVa. El edificio Aulario IndUVa es considerado un edificio de alta eficiencia, sostenibilidad y consumo de energía casi nulo. Por estas razones es necesario 2. Descripción de la instalación 10 2.3.3 Difusores y Rejillas El aire es vertido a las distintas zonas del edificio a través de distintos terminales. Estos terminales pueden ser difusores rotacionales o rejillas. En las aulas y pasillos se utilizan ambos tipos de terminales, mientras que, en las zonas en las cuales la ventilación no está sujeta ningún horario concreto se utilizan solo difusores lineales. Los difusores cuentan con deflectores para un mayor control de la dirección del aire de impulsión. Tanto los difusores lineales como los rotacionales crean una elevada inducción que provoca una rápida reducción de la diferencia de temperatura y de la velocidad del aire. Para la extracción del aire de las zonas se cuenta con rejillas de extracción. Estas rejillas son de simple de deflexión con compuerta de regulación. En el siguiente capítulo se explica con más detalle el funcionamiento de un difusor y una rejilla. 2.3.4 Filtros Tanto el climatizador como las unidades de tratamiento particulares cuentan con distintos filtros para la eliminación de partículas. Estos sistemas de filtración son multietapa, es decir, con el objetivo de proteger los filtros de gran eficiencia se anteponen otros con menor calidad para alargar la vida útil de los más costosos. Estos filtros se clasifican en función del tamaño de las partículas en suspensión y la concentración de polvo en el aire. En esta instalación se utilizan filtros para polvo fino y grueso. 2.3.5 Regulación En las aulas, dependientes de la ocupación, el sistema de ventilación consta de un medidor de CO2 situado en la parte posterior a una altura de 1,5 m. Además consta de dos controladores de volumen variable de aporte de aire exterior tanto en la impulsión como en el retorno, vinculados a la medición de dicha sonda. Para el control de la ventilación trabajaran de forma automática en función de la demanda de aire fresco, manteniendo en todo caso un mínimo de apertura del 30%. Para las estancias con necesidades de ventilación constantes, no dependientes de la ocupación, el sistema de ventilación consta de controladores de caudal de aire constante, que garantizan el caudal de ventilación independientemente del funcionamiento del resto del sistema. 11 3. Ventilación en zonas de enseñanza 3.1 Concepto y tipos de ventilación 3.1.1 Concepto de ventilación El objeto de la ventilación de espacios interiores es renovar y extraer el aire interior de un recinto y sustituirlo por aire nuevo limpio con el fin de evitar su enrarecimiento, eliminando el calor, el polvo, el vapor, los olores y cuanto elemento perjudicial o impureza contenga el aire ambiental encerrado dentro del local. Esta renovación del aire interior permite que la respiración de los seres vivos que ocupan el local sea fluida y constante. [4] 3.1.2 Sistemas de ventilación Los sistemas de ventilación se pueden clasificar en función de la forma en que se lleva a cabo la ventilación, por extracción, impulsión o bien extracción e impulsión reunidas en la misma instalación: - Sistema de extracción de aire: Consiste en disponer una serie de ventiladores en los conductos de extracción, en ciertos lugares del local que extraigan el aire sucio. Los ventiladores aspiran el aire interior con la carga contaminante y lo expulsan al exterior. Para que se pueda llevar a cabo la renovación y entrar aire limpio del exterior es necesario que exista un sistema de admisión. Este sistema de admisión suele ser rendijas existentes en puertas y ventanas localizadas de manera pertinente para acometer la ventilación. - Sistema de impulsión de aire: Los ventiladores impulsan el aire exterior hacia el interior del recinto, creando una sobrepresión dentro del local que obliga a la salida del aire viciado por las rejillas de extracción. Permite controlar la entrada de aire exterior, flujo y distribución del aire en diferentes locales según demanda de los mismos. 3. Ventilación en zonas de enseñanza 12 - Sistema de extracción-impulsión: Combina las técnicas de impulsión y extracción asegurando una distribución adecuada del aire limpio y una eficacia alta de ventilación. Utiliza ventiladores para impulsar el aire limpio y para extraer el aire viciado. Existirán zonas en depresión próximas a los extractores de aire y otras en sobrepresión próximas a los ventiladores de impulsión. Es importante que los impulsores aporten más aire que el eliminado por los extractores para garantizar una sobrepresión y se eviten filtraciones incontroladas de aire. Además podemos clasificar los sistemas de ventilación en función de si se realiza por un medio natural o un medio mecánico: - Ventilación natural: En este caso no existen ventiladores. La renovación de aire se produce por la acción del viento, la existencia de un gradiente de temperaturas entre la entrada y la salida, la diferencia de presión, la diferencia de altura o la carga térmica. - Ventilación mecánica controlada: Con extracción del aire mecánica, que presenta una gran estabilidad de caudal, gracias a los difusores y retornos del aire que pueden ser regulables. El sistema consta de un ventilador, rejillas de entrada y salida del aire con compuertas. - Ventilación mecánica controlada de doble flujo: Con impulsión y extracción mecánica, resulta muy interesante para reducir las pérdidas energéticas. La reducción es debida al uso de recuperador de calor. [6] 3.2 Parámetros de diseño 3.2.1 Caudal de aire Se define el caudal de aire en un conducto como el producto de la velocidad media de circulación en una sección normal al eje del conducto por el área de dicha sección. El RITE, reglamento de instalaciones térmicas establece las condiciones que deben cumplir las instalaciones necesarias para atender la demanda de bienestar térmico e higiene a través de las instalaciones de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria. En edificios estima un caudal de 8 l/s por persona para aulas. 3. Ventilación en zonas de enseñanza 13 3.2.2 Renovación Se define una renovación de aire de un local como la cantidad de aire necesaria para renovar por completo el aire que ocupa el volumen de dicho local. Para mantener unas condiciones saludables y de bienestar es necesario renovar todo el aire de un local periódicamente. El número de renovaciones por hora depende de las dimensiones y características del local, actividad a la que se destina y carga térmica. El RITE considera los valores indicados en la norma UNE 100-011. En el caso de aulas se estima entre 4-6 renovaciones de aire a la hora. 3.2.3 Eficiencia de la ventilación La eficiencia de la ventilación, es una característica importante del sistema de distribución del edificio y las necesidades de ventilación. La eficiencia de ventilación se define como: Se conoce como sustancia contaminante toda aquella sustancia presente en el ambiente que pueda tener efectos nocivos para la salud humana y el medio ambiente en su conjunto. Ce: Concentración de una sustancia contaminante en el aire de extracción. Ci: Concentración de una sustancia contaminante en el aire de impulsión. Cz: concentración de una sustancia contaminante en la zona ocupada. 3.3 Elementos de una instalación de ventilación 3.3.1 Unidad de tratamiento de aire y conductos El sistema de climatización utilizado es un sistema de caudal variable que regula las condiciones térmicas del local variando el caudal de aire frío que se introduce, manteniendo su temperatura constante. Cuando la carga térmica disminuye, el aire 3. Ventilación en zonas de enseñanza 14 impulsado entra a la misma temperatura, pero con caudal menor. La regulación del caudal se realiza utilizando compuertas accionadas automáticamente en función de la temperatura de consigna del local, controlada mediante un termostato. Debido a elevada cantidad de aire que se precisa, originada por la cantidad de personas que se concentran en las aulas, en general se plantea el siguiente sistema de climatización: Se dota al edificio de un climatizador de aire primario (todo aire exterior), que tome aire bien del exterior únicamente, bien mezclado con aire procedente de los pozos canadienses y lo atempere hasta los 22ºC (temperatura neutra). El aire atemperado se lleva hasta las unidades de tratamiento interior (unidades de tratamiento de aire con doble batería o 4 tubos, sin ventilador), donde el aire se lleva hasta la temperatura necesaria para calentar o enfriar el local. Se dispone para ello de una sonda de temperatura y una sonda de CO2 por local. Tras pasar por la unidad de tratamiento de aire, se lleva hasta las unidades terminales. En los pasillos, debido a que la necesidad de aire es menor, se han colocado unidades de tratamiento de aire dotadas de ventilador. En los aseos se ha instalado una sola extracción de aire viciado, entrando el aire climatizado de los pasillos con los que comunica. Una compuerta motorizada se ha colocado en cada uno de los locales que funciona de manera proporcional tanto en la entrada de aire como en la extracción de aire. Además se colocan compuertas generales en las derivaciones a cada planta. El aporte de aire al aula se hace en función de lo que indique la sonda de CO2. Los conductos de aire son elementos estáticos de la instalación, a través de los cuales circula el aire en el interior del edificio, conectando todo el sistema: aspiración, unidades de tratamiento de aire, aulas, retorno y evacuación del aire viciado. Para el transporte del aire se utilizan conductos de chapa. Figura 3.1. Unidad de tratamiento de aire DAIKIN. 3. Ventilación en zonas de enseñanza 15 3.3.2 Ventiladores La ventilación mecánica utiliza ventiladores y/o extractores para conseguir la renovación necesaria del aire interior en las aulas y el resto de salas. El ventilador provoca una depresión a su entrada y una sobrepresión a su salida, que permite el movimiento del aire a través de los conductos. En este caso se utiliza una ventilación sin recirculación con impulsión y retorno; y con variador de velocidad. Figura 3.2. Ventilador helicocentrífugo. Figura 3.3. Ventilador helicocentrífugo. 3. Ventilación en zonas de enseñanza 16 3.3.3 Terminales. Rejillas y Difusores Un sistema de ventilación cuenta con distintos dispositivos en su sistema de impulsión y extracción para la introducción del caudal de aire de la manera más apropiada, es decir suministrando el caudal de aire en varias direcciones y planos. El sistema de impulsión cuenta con terminales tipo difusor rotacional de techo para impulsión de aire en instalaciones de climatización. Permiten mover elevados caudales de aire, reduciendo rápidamente la velocidad del aire y el gradiente de temperatura entre el aire impulsado y el aire de la sala, resultando una adecuada ventilación con escasa turbulencia en el aula. Figura 3.4. Difusor rotacional. Además de los difusores rotacionales, y para dotar de una adecuada distribución a la impulsión del aire en las aulas, el sistema de impulsión cuenta con difusores lineales, que al igual que los rotacionales cuentan con una inducción de un elevado 3. Ventilación en zonas de enseñanza 17 caudal en la sala que provoca la rápida reducción de la velocidad del aire y de la diferencia de temperatura entre el aire impulsado y el existente. Figura 3.5. Difusor lineal. El sistema de retorno cuenta con terminales tipo rejilla a través de los cuales se retorna el aire de la sala. Dispuestas de manera adecuada en aulas y pasillos proporcionan una buena cobertura para el retorno del aire. Figura 3.6. Rejilla. 3. Ventilación en zonas de enseñanza 18 Figura 3.7. Distribución de terminales en un aula. Impulsión: (1) difusores rotacionales, (2) difusores lineales Extracción: (3) rejillas 3.3.4 Filtros Los filtros en un sistema de ventilación se introducen para realizar una limpieza del aire cuando pasa por el sistema de ventilación. Los filtros se introducen para capturar partículas que se encuentran en suspensión en el aire, lo pueden hacer mediante obstrucción, impacto, interceptación, difusión y atracción electrostática. La elección del filtro se realiza en base a su eficacia o capacidad de acumular partículas, su pérdida de carga y el nivel requerido de pureza de aire y del tamaño de las partículas a separar. Se utilizan sistemas de filtración de múltiples etapas en serie, para alargar la vida útil de los filtros más eficaces y reducir el mantenimiento. 3. Ventilación en zonas de enseñanza 19 Los filtros utilizados son de media eficacia o prefiltros, que retienen partículas superiores a 10 µm, como son el prefiltro F4. Además se utilizan filtros de alta eficacia como son los filtros F6, F7 y F9 que retienen partículas con tamaño menor a 10 µm. Figura 3.8. Filtros. 3.3.5 Presurización del bloque El bloque toma unos valores de presión de modo que no exista un gradiente depresión significativo entre las distintas aulas y pasillos que conforman el edificio. El caudal de ventilación se introduce a través de un climatizador de aire primario o aire exterior sin recirculación, el climatizador regula el caudal de ventilación por presión diferencial constante, de forma que se consigue en todo momento el aporte de aire exterior en función de la suma de demandas de cada una de las plantas del edificio. 3.4 Exigencias técnicas. Calidad del aire. Las instalaciones térmicas deben cumplir las exigencias técnicas de bienestar e higiene, eficiencia energética y seguridad que establece el reglamento de instalaciones térmicas en edificios. En este caso nos centraremos en la calidad del aire interior y su cumplimiento de los requisitos: Calidad térmica del ambiente: las instalaciones térmicas permitirán mantener los parámetros que definen el ambiente térmico dentro de un intervalo 4. Modelado con software 26 plantas, elegimos la altura del aula que es 2,9m que es la altura común sin considerar los falsos techos. Figura 4.1. Propiedades de cada planta. Figura 4.2. Esquema de la planta 1ª y 4ª. 4. Modelado con software 27 Figura 4.3. Esquema de la planta 1ª y 4ª con los conductos implementados. 4.2.2 Zonas La distribución de cada planta se realiza de manera zonal, dividiendo la planta entre los diferentes compartimentos. Para la definición correcta de una zona hemos de introducir: -Área/Volumen: Para todos los niveles se fija una altura común, por tanto basta con introducir el volumen o el área para cada zona. -Temperatura: El software permite definir una temperatura para cada zona. Esta puede ser constante o variable. -Presión: El software permite definir una presión para cada zona. Esta puede ser constante o variable. 4. Modelado con software 28 -Datos contaminantes: Permite conocer los contaminantes con los que se trabaja y determinar una concentración inicial en cada zona. Las zonas que son comunes a distintas plantas se modelan como phantom zones (zonas fantasmas). Estas zonas toman las medidas, parámetros de la planta inferior pero se toma la altura de varias plantas consiguiendo así el volumen total. Las zonas de las escaleras han sido definidas mediante zonas fantasmas. Figura 4.4. Ventana de propiedades de cada zona. 4.2.3 Fugas de aire El edificio IndUVa se ha diseñado sin ventanas, las pocas que se encuentran en vestíbulos se encuentran siempre cerradas con cierre estanco. De modo que su única comunicación entre el exterior y entre sus propias aulas es a través de las puertas, las cuales están dotadas de un cierre estanco, es decir, sin interacción posible con el exterior del edificio. Este cierre estanco consiste en una pestaña a lo 4. Modelado con software 29 largo de todo el ancho de la puerta que al cerrar la puerta salta inhabilitando la interacción a través de ella. Para la interacción de pequeños habitáculos que se encuentran conectados al pasillo se modelan las ranuras u orificios, a través de las cuales puede pasar una pequeña cantidad de aire. Mediante el comando Airflow Element Models, eligiendo la opción Orífice Área Data definimos los distintos canales a través de los cuales se producirá la interacción entre zonas. -Área del orificio: área por donde fluye la corriente de una zona a otra. -Exponente de flujo (n): este exponente varía desde 0,5 (aberturas grandes) donde el flujo está dominado por efectos dinámicos hasta 1,0 (donde el flujo está dominado por efectos viscosos). Para este tipo de aberturas el exponente que recomienda CONTAM se suele encontrar entre 0,6 y 0,7 por lo que nosotros vamos a utilizar 0,65 para realizar el estudio. -Coeficiente de descarga (C): Atendiendo las indicaciones de CONTAM, este coeficiente adopta un valor próximo a 0,6 para el caso de aberturas estrechas y alargadas como es en nuestro caso. -Diámetro hidráulico: CONTAM proporciona el valor por defecto del diámetro hidráulico utilizando la expresión: Área de la sección Perímetro -Número de Reynolds: el software calcula directamente este número adimensional a partir de su expresión: Con : Densidad del fluido Velocidad media de fluido Diámetro de la tubería por la que circula el fluido o longitud característica Viscosidad dinámica del fluido 4. Modelado con software 30 Figura 4.5. Ventana de propiedades de cada orificio. Una vez definida la ranura se debe ubicar en el plano, para ello se usa el comando Flow Path, que demanda los siguientes parámetros: -Altura: se indica la altura a la que se encuentra el orificio. -Cantidad de orificios: se trata de un modelo zonal, por ello, es indiferente el lugar donde se coloque el orificio, así que se puede indicar la cantidad de orificios sin necesidad de introducir estos en su ubicación exacta. -Dirección positiva del flujo: se puede suponer un flujo positivo de la corriente para asignar un valor positivo de velocidad y caudal si el flujo se desplaza en esa dirección. 4. Modelado con software 31 Figura 4.6. Ventana de propiedades de cada orificio. El resto de los comandos que ofrece la ventana de Airflow Path Properties no van a influir en el estudio, por lo que se dejan con sus valores por defecto. 4.2.4 Conductos Se comienza dibujando los conductos de ventilación en el plano, de modo que se representa su posición en las distintas zonas y se termina situando su terminal de comienzo y terminal final o finales. Para mejor distinción de los conductos se dibujan de distintos colores en función de su propósito. · Conductos Darcy-Colebrook Model Para definir un conducto que solamente transporte aire se utiliza el comando Darcy-Colebrook Model en el cual debemos introducir los siguientes datos para definir sus pérdidas de carga: -Nombre: Indicamos un nombre para cada conducto. -Rugosidad: Introducimos la rugosidad del material de cada conducto. -Dimensiones: en la pestaña Shape, Size and Leakage definimos la forma del conducto y las dimensiones transversales. -Fugas: en la pestaña Shape, Size and Leakage se puede definir las fugas que podría tener el conducto. En este caso no se va a utilizar. Con todos estos valores definidos, CONTAM calcula las pérdidas de carga que se producen en el conducto como consecuencia del paso de aire utilizando la ecuación de Darcy-Colebrook para calcular el coeficiente de fricción: 4. Modelado con software 32 √ ( √ ) Para la definición del conducto de manera longitudinal se realiza en la pestaña Duct Segment Properties donde introducimos los parámetros que nos resultan necesarios: -Longitud del conducto: Se define la longitud de un conducto concreto. -Coeficientes de pérdidas: Se introduce el sumatorio de las pérdidas locales que tiene un conducto concreto debidas a codos, bifurcaciones, variación de anchura, etc. -Dirección positiva del flujo: Se define un sentido positivo para la dirección del flujo en el conducto. Para la definición de un conducto cuyo objetivo sea el suministro de un flujo a volumen constante se utiliza el comando Constant Mass Flow Model en el cual se distingue del comando de Darcy-Colebrook Model en que en vez de introducir la rugosidad del conducto se introduce: -Flujo máximo de diseño: Se introduce el flujo máximo que va a suministrar el conducto en unidades másicas. Figura 4.7. Ventana de propiedades de cada conducto. 4. Modelado con software 33 · Conductos Orifice Resistance Model Para definir un conducto que provoca una pérdida de carga se utiliza el comando Orifice Resistance Model en el cual debemos introducir los siguientes datos: -Área del orificio: área por donde fluye la corriente de una zona a otra. -Diámetro hidráulico: en el caso de conductos rectangulares, introducimos la raíz cuadrada del área. - Coeficiente de descarga (C): este coeficiente adopta un valor próximo a 0,6 para el caso de aberturas estrechas y alargadas como es en nuestro caso. - Exponente de flujo (n): este exponente varía desde 0,5 (aberturas grandes) donde el flujo está dominado por efectos dinámicos hasta 1,0 (donde el flujo está dominado por efectos viscosos). Para este tipo de aberturas el exponente se suele encontrar entre 0,6 y 0,7 por lo que nosotros vamos a utilizar 0,65 para realizar el estudio. Figura 4.8. Ventana de propiedades de cada conducto. 4. Modelado con software 34 · Conductos Performance Curve Para definir un conducto que simula un ventilador se utiliza el comando Performance Curve en el cual debemos introducir los siguientes datos: - Puntos de la curva del ventilador: introducimos el valor correspondiente de presión y caudal para al menos cuatro puntos de la curva del ventilador. Figura 4.9. Ventana de propiedades del ventilador. 4.2.5 Terminales Cuando se dibuja un conducto, el programa obliga a definir sus extremos. Si se selecciona un extremo de un conducto aparecerá la ventana Duct Juction Properties: En la pestaña Juction, se puede indicar si el terminal es un extremo libre o bien se encuentra conectado a un conducto. También se puede indicar si el conducto se encuentra en esa misma altura o conecta desde el nivel superior o inferior. 4. Modelado con software 35 Otras opciones que permite el programa es asignar una temperatura al terminal durante la simulación y situar el terminal a una altura relativa respecto de la altura del nivel. En la pestaña Terminal Data podemos modificar los siguientes parámetros: -Coeficiente de pérdidas: este valor lo dejamos por defecto (0,125), según el capítulo 35 de ASHRAE 2005. Este valor permite dimensionar las perdidas en conexiones dinámicas. -Área de salida: es el área del difusor/rejilla por donde puede salir realmente el aire. -Área del conducto: este valor le proporciona CONTAM según al conducto que se encuentre unido el terminal. -Datos de equilibrio: con esta herramienta se puede asignar a un difusor/rejilla un coeficiente de pérdidas, que genere una pérdida de carga adicional a la entrada/salida de este con el fin de que salga/entre el mismo aire por cada terminal. Para el estudio de esta instalación, no se utiliza esta herramienta. Figura 4.10. Ventana de propiedades de cada unión/terminal. 5. Casos Realizados 42 Para comprobar las pérdidas de carga de la instalación se ha simulado con un caudal constante y se ha determinado la diferencia de presiones que debe tener el ventilador. De esta manera se han comparado esos resultados con los obtenidos al impulsar ese mismo caudal con el ventilador y las diferencias de presiones son prácticamente iguales. 5. Casos realizados 43 Simulación-1 Horario lectivo. Puertas aulas cerradas Esta simulación trata el comportamiento del sistema de ventilación con aporte de aire a todas las plantas del edificio. Las puertas de las aulas se encuentran cerradas simulando un momento durante el horario lectivo. El edificio se encuentra con las puertas al exterior cerradas. Las compuertas en la impulsión están abiertas en todas las plantas, al igual que todas las compuertas de las aulas, por tanto todas las plantas reciben un caudal de aire de la impulsión. Todas las plantas están conectadas a la extracción porque no existen compuertas en el sistema de retorno. El estudio se centra en las pérdidas de carga producidas en las puertas de las aulas y los flujos de aire en los conductos y secciones de fuga de aire. Para realizar esta simulación, el ventilador de impulsión se configuró para que se obtenga una presión diferencial entre su salida y entrada de aproximadamente 100 Pa. Del mismo modo, el ventilador de extracción se configura de modo que se obtiene una diferencia de presiones de aproximadamente 170 Pa entre su salida y entrada. En esta situación, el caudal impulsado por el ventilador de impulsión 43644,9 m3/h, mientras que el caudal de extracción es de 44655,9 m3/h, por tanto el edificio se encuentra en depresión. En cada planta se introduce un caudal entre 8012 m3/h y 7396 m3/h, exceptuando la planta baja en la que el caudal introducido es menor, de 5417 m3/h. Los caudales de extracción por planta varían entre 9480 m3/h y 6660 m3/h. exceptuando la planta baja en la que el caudal introducido es menor, de 4920 m3/h. Dentro de cada aula se da una depresión entre los 170 Pa y 145 Pa dependiendo del aula. Los valores de depresión son prácticamente iguales en cada aula. En los pasillos de cada planta el valor de la depresión es de 158,5 Pa. Por tanto, existirá una presión mayor con respecto a la mayoría de las aulas de esa planta. Entre estas aulas y el pasillo, las puertas del aula se encuentran cerradas por tanto existirá una pérdida de carga. El valor de la pérdida de carga entre estas aulas y el pasillo es entre 6 Pa y 13 Pa. Y el caudal a través de la puerta es aproximadamente 18 m3/h. Sin embargo, en cada planta hay dos aulas que tienen una presión mayor que el pasillo. Las aulas 1 y 6 correspondientes en cada planta. El valor de la pérdida de 5. Casos realizados 44 carga entre estas aulas y el pasillo es entre 2 Pa y 7 Pa. Y el caudal a través de la puerta ronda los 11 m3/h. Las puertas de incendio que conectan los pasillos con el exterior, también tienen una pérdida de carga debido a que el edificio se encuentra en depresión. El valor de la pérdida de carga entre estas aulas y el pasillo es entre 158 Pa. Y el caudal a través de la puerta ronda los 66 m3/h. Las puertas exteriores de la planta baja que conectan los pasillos con el exterior, se encuentran cerradas y también tienen una pérdida de carga debido a que el edificio se encuentra en depresión. El valor de la pérdida de carga entre estas puertas y el pasillo es de 79 Pa. Y el caudal a través de la puerta ronda los 45 m3/h. Estos valores son los mismos para la puerta exterior como para la contrapuerta. La velocidad media del aire a través de la sección del conducto no supera los 10 m/s en ningún conducto. Figura 5.2. Planta 5 con la representación de los flujos y pérdidas de carga entre las distintas zonas. 5. Casos realizados 45 Figura 5.3 Gráfico del ventilador de impulsión, caudal y diferencia de presión. Figura 5.4. Gráfico del ventilador de extracción, caudal y diferencia de presión. De los resultados obtenidos de la simulación, conocemos que el edificio se encuentra en depresión durante un instante del horario como el simulado. Esta depresión se da tanto en las zonas comunes como las aulas. Las aulas tienen una mayor depresión que los pasillos exceptuando algún aula que tiene valores muy cercanos o mayores de presión con respecto al pasillo. 5. Casos realizados 46 Estos valores de depresión son debidos a que se extrae más caudal de aire del que se impulsa. El ventilador de impulsión introduce menos caudal que el que extrae el ventilador de extracción funcionando cada uno en su punto de funcionamiento. En la situación simulada es condición que todas las aulas se encuentran operativas, es decir, se está simulando una situación extrema dentro de las condiciones de diseño. Esta simulación, se ha utilizado para la comprobación del correcto dimensionamiento de la instalación. Se han podido conocer las pérdidas de carga de cada conducto de la instalación y la diferencia de presiones en los ventiladores necesaria. Esto se comprobó impulsando un caudal constante con el ventilador, y así poder comprobar que el caudal que llega a cada zona y la pérdida de carga de cada conducto es la calculada. Simulación-2 Horario lectivo. Puertas aulas abiertas Esta simulación trata el comportamiento del sistema durante un periodo de tiempo como puede ser un descanso o cambio de clase. Por esta razón las puertas de las aulas se encuentran abiertas. Las puertas al exterior del edificio se encuentran cerradas. El estudio se centra en las pérdidas de carga en las puertas de las aulas así como los flujos de aire. Para realizar esta simulación, el ventilador de impulsión se configuró para que se obtengan en presión diferencial entre su salida y entrada de aproximadamente 100 Pa. Del mismo modo, el ventilador de extracción se configura de modo que se obtiene una diferencia de presiones de aproximadamente 170 Pa entre su salida y entrada. Esta simulación trata el comportamiento del sistema de ventilación con aporte de aire a todas las plantas del edificio. Las puertas de las aulas se encuentran abiertas simulando un momento durante el horario lectivo. El edificio se encuentra con las puertas al exterior cerradas. Las compuertas en la impulsión están abiertas en todas las plantas, por tanto todas las plantas reciben un caudal de aire de la impulsión. Todas las plantas están conectadas a la extracción porque no existen compuertas en el sistema de retorno. En esta situación, el caudal impulsado por el ventilador de impulsión 29501,1 m3/h, mientras que el caudal de extracción es de 30554,4 m3/h, por tanto el edificio se encuentra en depresión. 5. Casos realizados 47 En cada planta se introduce un caudal entre 5485 m3/h y 4800 m3/h, exceptuando la planta baja en la que el caudal introducido es menor, de 3300 m3/h. Los caudales de extracción por planta varían entre 7890 m3/h y 3900 m3/h. exceptuando la planta baja en la que el caudal introducido es menor, de 3030 m3/h. Dentro de cada aula se da una depresión entorno a los 173 Pa y 164 Pa dependiendo del aula. Los valores de depresión son prácticamente iguales en cada aula. En los pasillos de cada planta el valor de la depresión es de entre 173 Pa y 164 Pa. Por tanto, toda la planta se encontrará a la misma presión. Entre estas aulas y el pasillo, las puertas del aula se encuentran abiertas por tanto existirá una pérdida de carga mínima. El valor de la pérdida de carga entre estas aulas y el pasillo es del orden de 10-3 Pa y 10-4 Pa. Y el caudal a través de la puerta se encuentra entre los 475 m3/h y 150 m3/h. En cada planta hay algún aula que tienen una presión levemente mayor que el pasillo. Las aulas 1 y 6 correspondientes en cada planta. En este caso las aulas se encuentran con una leve sobrepresión respecto al pasillo del orden de 10-2. El resto de las aulas se encuentran en depresión respecto al pasillo con valores del orden 10-2. Las puertas de incendio que conectan los pasillos con el exterior, también tienen una pérdida de carga debido a que el edificio se encuentra en depresión. El valor de la pérdida de carga entre estas aulas y el pasillo es entre 170 Pa. Y el caudal a través de la puerta ronda los 70 m3/h. Las puertas exteriores de la planta baja que conectan los pasillos con el exterior, se encuentran cerradas y también tienen una pérdida de carga debido a que el edificio se encuentra en depresión. El valor de la pérdida de carga entre estas puertas y el pasillo se encuentra entre los 85 Pa y 81 Pa. Y el caudal a través de la puerta ronda los 48 m3/h. Estos valores son de 81 Pa para la puerta exterior y de 81 Pa para la contrapuerta. La velocidad media del aire a través de la sección del conducto no supera los 10 m/s en ningún conducto. 5. Casos realizados 48 Figura 5.5. Planta 5 con la representación de los flujos y pérdidas de carga entre las distintas zonas. Figura 5.6. Gráfico del ventilador de impulsión, caudal y diferencia de presión. 5. Casos realizados 49 Figura 5.7. Gráfico del ventilador de extracción, caudal y diferencia de presión De los resultados obtenidos de la simulación, conocemos que el edificio se encuentra en depresión durante un instante del horario como el simulado. Esta depresión se da tanto en las zonas comunes como las aulas. Las aulas tienen una mayor depresión que los pasillos exceptuando algún aula que tiene valores muy cercanos o mayores de presión con respecto al pasillo. Estos valores de depresión son debidos a que se extrae más caudal de aire del que se impulsa. El ventilador de impulsión introduce menos caudal que el que extrae el ventilador de extracción funcionando cada uno en su punto de funcionamiento. En comparación con la simulación 1, los caudales tanto de impulsión, como de retorno son menores para la misma condición de presión estática, por esta razón ambos ventiladores están trabajando a un régimen de giro menor. También en comparación con la simulación 1, las pérdidas de carga en las secciones de las puertas de las aulas al pasillo son menores, prácticamente nulas. Sin embargo los flujos de aire a través de estas puertas son mucho mayores. En la situación simulada es condición que todas las aulas se encuentran operativas, es decir, se está simulando una situación extrema dentro de las condiciones de diseño. 5. Casos realizados 50 En el caso de esta simulación, se ha utilizado para la comprobación del correcto dimensionamiento de la instalación. Se han podido conocer las pérdidas de carga de la instalación y la diferencia de presiones en los ventiladores necesaria. Esto se comprobó impulsando un caudal constante con el ventilador, y así poder comprobar que el caudal que llega a cada zona y la pérdida de carga de cada conducto es la calculada. Simulación-3 Compuerta de una planta cerrada Esta simulación trata el comportamiento del sistema de ventilación para su posterior comparación. En esta simulación se estudia la posibilidad de cerrar la compuerta de una planta en horas lectivas con poca ocupación, debido a que así se podrían reorganizar en un número determinado de aulas. Se estudia la posibilidad de cerrar una de las plantas superiores como es la 5ª planta y la posibilidad de cerrar una de las plantas inferiores como puede ser la 1º planta. Una vez realizadas las simulaciones se compararan las ventajas y desventajas de ambas posibilidades. Nos centramos en el estudio de las pérdidas de carga en las puertas de las aulas así como los flujos de aire. Esta simulación trata el comportamiento del sistema de ventilación con aporte de aire a todas plantas del edificio exceptuando una. Las aulas se encuentran cerradas simulando un momento durante el horario lectivo. El edificio se encuentra con las puertas al exterior cerradas. - Compuerta 5ª planta cerrada Para realizar esta simulación, el ventilador de impulsión se configuró para que se obtengan en presión diferencial entre su salida y entrada de aproximadamente 100 Pa. Del mismo modo, el ventilador de extracción se configura de modo que se obtiene una diferencia de presiones de aproximadamente 170 Pa entre su salida y entrada. En esta situación, el caudal impulsado por el ventilador de impulsión 21030 m3/h, mientras que el caudal de extracción es de 21390 m3/h, por tanto el edificio se encuentra en depresión. En cada planta se introduce un caudal entre 5024 m3/h y 4382 m3/h, exceptuando la planta baja en la que el caudal introducido es menor, de 2190 m3/h. Los caudales de extracción por planta varían entre 4758 m3/h y 2664 m3/h, siendo el de la planta cerrada 900 m3/h. 5. Casos realizados 51 Dentro de cada aula se da una depresión entorno a los 40 Pa y 185 Pa dependiendo del aula. Los valores de presión son distintos en cada aula, pero similares entre aulas con la misma posición pero distinto aula. En los pasillos de cada planta el valor de la depresión es de entre 170 Pa y 160 Pa. En las aulas de la planta cerrada se alcanza una depresión de 170 Pa. Las puertas de incendio que conectan los pasillos con el exterior, también tienen una pérdida de carga debido a que el edificio se encuentra en depresión. El valor de la pérdida de carga entre estas aulas y el pasillo es entre 170 Pa y 160 Pa, aumentando a medida que se descienden plantas del edificio. Y el caudal a través de la puerta es del orden de 10-6. Las puertas exteriores de la planta baja que conectan los pasillos con el exterior, se encuentran cerradas y también tienen una pérdida de carga debido a que el edificio se encuentra en depresión. El valor de la pérdida de carga entre estas puertas y el pasillo se encuentra entre los 82 Pa y 86 Pa. Y el caudal a través de la puerta ronda los 42 m3/h. Estos valores son de 82 Pa para la puerta exterior y de 86 Pa para la contrapuerta. Entre estas aulas y el pasillo, las puertas del aula se encuentran cerradas por tanto existirá una pérdida de carga. El valor de la pérdida de carga entre estas aulas y el pasillo es entre 10 Pa y 60 Pa. Y el caudal a través de la puerta se encuentra entre los 50 m3/h y 20 m3/h. Es significativo que el menor valor de pérdida de carga se produce en la planta baja donde la presión entre el pasillo y las aulas es muy similar y solo difiere en 7 Pa. En el resto de plantas exceptuando la que se encuentra cerrada, el valor de la pérdida de carga varía en 60 Pa, que es la diferencia de presiones entre el pasillo y las aulas. - Compuerta 1ª planta cerrada Para realizar esta simulación, el ventilador de impulsión se configuró para que se obtengan en presión diferencial entre su salida y entrada de 100 Pa. Del mismo modo, el ventilador de extracción se configura de modo que se obtiene una diferencia de presiones de 170 Pa entre su salida y entrada. En esta situación, el caudal impulsado por el ventilador de impulsión 13320 m3/h, mientras que el caudal de extracción es de 14460 m3/h, por tanto el edificio se encuentra en depresión. En cada planta se introduce un caudal entre 3180 m3/h y 2640 m3/h, exceptuando la planta baja en la que el caudal introducido es menor, de 2010 m3/h. 5. Casos realizados 58 La respuesta obtenida al realizar la simulación con otras aulas grandes como la aula 5.3, pero situadas en otras plantas ha sido la misma. También se ha obtenido una respuesta similar con aulas de otro tamaño como son aulas pequeñas y medianas. Simulación-7 Pozos canadienses Esta simulación se realiza para comparar los caudales de aire necesarios en función de la procedencia del aire, si procede de los pozos canadienses o de la toma situada de la climatizadora en la cubierta. Esta simulación trata el comportamiento del sistema de ventilación con aporte de aire a todas las plantas del edificio. Las aulas se encuentran con sus puertas abiertas. El edificio se encuentra con las puertas al exterior cerradas. Las compuertas en la impulsión están abiertas en todas las plantas, por tanto todas las plantas reciben un caudal de aire de la impulsión. Todas las plantas están conectadas a la extracción porque no existen compuertas en el sistema de retorno. El estudio se centra en los caudales de aire y su procedencia. Para realizar esta simulación, el ventilador de impulsión se configuró para que se obtenga una presión diferencial entre su salida y entrada de 100 Pa. Del mismo modo, el ventilador de extracción se configura de modo que se obtiene una diferencia de presiones de 170 Pa entre su salida y entrada. La ventilación mediante aire procedente de la toma de la climatizadora situada en la cubierta requiere un caudal de impulsión de 23670 m3/h y un caudal de retorno de 24780 m3/h. 5. Casos realizados 59 Figura 5.12. Caudales de impulsión y retorno procedentes de la cubierta La ventilación mediante aire procedente de los pozos canadienses requiere un caudal de impulsión de 29430 m3/h y un caudal de retorno de 30540 m3/h. Figura 5.13. Caudales de impulsión y retorno procedentes de los pozos canadienses 5. Casos realizados 60 Los valores de presión obtenidos en las plantas son similares para ambas simulaciones y se encuentran alrededor de los 195 Pa en depresión. En el caso de la impulsión de aire obtenido de la cubierta se mueve un menor caudal de aire, tanto en la impulsión como en la extracción, con respecto al caso de impulsión de aire obtenido de los pozos canadienses. Desde este punto de análisis resulta más económica la impulsión del aire desde la cubierta. Sin embargo en ciertos momentos durante el curso es muy importante tener en cuenta que el aire procedente de los pozos canadienses proviene ya atemperado. Por esta razón lo más eficiente resulta combinar ambas impulsión con un porcentaje adecuado para obtener las ventajas de ambas. Simulación-8 Apertura de puertas Esta simulación estudia la respuesta del sistema de ventilación y un aula ante la apertura de una de las puertas del aula. Se trata de simular la apertura de un aula en mitad de una clase. El edificio se encuentra con las puertas al exterior cerradas. Las compuertas en la impulsión están abiertas en todas las plantas, al igual que todas las compuertas de las aulas, por tanto todas las plantas reciben un caudal de aire de la impulsión. Todas las plantas están conectadas a la extracción porque no existen compuertas en el sistema de retorno. Nos centramos en el estudio de las pérdidas de carga producidas en las puertas del aula y los flujos de aire a través de esta. Para realizar esta simulación, el ventilador de impulsión se configuró para que se obtengan en presión diferencial entre su salida y entrada de 100 Pa. Del mismo modo, el ventilador de extracción se configura de modo que se obtiene una diferencia de presiones de 170 Pa entre su salida y entrada. Realizamos el caso sobre el aula 5.2. Esta aula tiene dos puertas, por tanto trataremos la apertura de una de ellas, y posteriormente la apertura de ambas de manera simultánea. Realizando esta simulación con la apertura de ambas puertas del aula, el ventilador de impulsión impulsa un caudal de 29697 m3/h y el ventilador de retorno extrae un caudal de 30710 m3/h. Estos caudales son los mismos antes y después de apertura de las puertas del aula. 5. Casos realizados 61 La presión en aula antes de la apertura del aula es de -154,4 Pa y la del pasillo es de -149,9 Pa. El caudal de impulsión al aula por el sistema de ventilación es de 1200 m3/h y el de extracción de 1230 m3/h. La presión en aula después de la apertura del aula es de -151,5 Pa y la del pasillo es de -151,5 Pa. El caudal de impulsión al aula por el sistema de ventilación es de 1101 m3/h y el de extracción de 3369 m3/h. Figura 5.14. Valores de pérdida de carga y flujo de aire en puerta 5. Casos realizados 62 Figura 5.15. Valores de pérdida de carga y flujo de aire en puerta Realizando esta simulación con la apertura de ambas puertas del aula, el ventilador de impulsión impulsa un caudal de 29697 m3/h y el ventilador de retorno extrae un caudal de 30710 m3/h. Estos caudales son los mismos antes y después de apertura de las puertas del aula. La presión en aula antes de la apertura del aula es de -154,4 Pa y la del pasillo es de -149,9 Pa. El caudal de impulsión al aula por el sistema de ventilación es de 1200 m3/h y el de extracción de 1230 m3/h. La presión en aula después de la apertura del aula es de -151,5 Pa y la del pasillo es de -151,5 Pa. El caudal de impulsión al aula por el sistema de ventilación es de 1101 m3/h y el de extracción de 3369 m3/h. 5. Casos realizados 63 Figura 5.16. Valores de pérdida de carga y flujo de aire en puerta 5. Casos realizados 64 Figura 5.17. Valores de pérdida de carga y flujo de aire en puerta Los resultados esperados han sido iguales ante la apertura de una puerta, así como la apertura de ambas puertas. Esto se debe a que el pasillo y el aula igualan sus presiones con igual rapidez en ambos casos. En ambos casos, antes de la apertura de la puerta, la pérdida de carga debida al paso del aire a través de ella es mayor, no así el caudal de aire que la atraviesa el cual es muy pequeño. Tras la apertura de la puerta o puertas, la pérdida de carga se reduce y el caudal de aire que atraviesa la puerta aumenta. 65 6. Conclusiones Una vez realizado el presente trabajo de fin de grado, se han obtenido las siguientes conclusiones: - Se ha modelado el sistema de ventilación del edificio Aulario IndUVa de la Universidad de Valladolid mediante un modelo zonal. Se han realizado simulaciones de la renovación de aire manteniendo la temperatura constante. - Se han podido calcular las pérdidas de carga de la instalación utilizando la simulación de todos sus conductos mediante la expresión de Colebrook. - Se ha profundizado en el conocimiento del funcionamiento del sistema de ventilación del edificio para distintas situaciones dentro del horario lectivo, observándose por ejemplo, que con el edificio al 100% de ocupación y todas las puertas de las aulas cerradas, las pérdidas de carga globales son mayores y por tanto, para los mismos requerimientos de ventilación, la cantidad de aire necesaria resulta mayor. - Se ha comprobado que bajo situación de máxima ocupación, puertas de las aulas abiertas y puertas al exterior abiertas el caudal de impulsión requerido es el máximo. Por tanto se estima que en el caso de dejar las puertas al exterior cerradas el ahorro que se produce con respecto al sistema de ventilación es significativo. - Se ha estudiado la respuesta transitoria del sistema de ventilación ante variaciones en el mismo. Se ha observado que el sistema tarda aproximadamente 10 minutos en alcanzar el estacionario de nuevo. - Se ha comprobado que se produce un ahorro en la potencia consumida por los ventiladores al cerrar un número determinado de compuertas de aula, e igualmente en el caso de cierre de compuertas de plantas. Este ahorro podría llegar al 32% en el caso de utilización de la mitad del edificio. - Se estudiado el funcionamiento del sistema cuando se utiliza solamente el aire que pasa a través de los pozos canadienses, observándose que para el mismo incremento de presión en los ventiladores se requiere un mayor aporte de caudal debido a la mayor pérdida de carga de los tubos. No obstante la ventaja en la 66 utilización de los pozos canadienses radica en el aspecto térmico, que no ha sido objeto de este trabajo. - El sistema de ventilación está dimensionado para poder abarcar un amplio rango de condiciones de ocupación. Se ha observado que los ventiladores trabajan con mejor rendimiento cuando funcionan siempre ambos en paralelo, tanto en impulsión como en extracción. - Se ha comprobado que con los parámetros de trabajo fijados, se cumple lo establecido por la normativa utilizada respecto a las condiciones de ventilación del edificio. 67 7. Bibliografía referenciada [1] Programa informático CONTAM [en línea], enlace de descarga del software: https://www.nist.gov/el/energy-and-environment-division-73200/nist-multizonemodeling/download-contam [2] Manual de uso CONTAM [en línea], enlace de descarga: https://www.nist.gov/publications/contam-user-guide-and-program-documentationversion-32 [3] (2010) Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE). Marcombo. [4] F.J. Rey Martínez, E. Velasco Gómez (2007). Calidad de ambientes interiores. THOMSON. [5] Catálogo virtual de productos TROX TECHNIK [en línea], enlace de descarga: https://www.trox.es/productos-c9bb7ba0a6956fa0 [6] S&P, Manual práctico de ventilación [en línea]. Página web S&P [fecha de consulta: abril 2019]. Disponible en: https://www.solerpalau.com/es-es/blog/ventilacion-natural/ [7] Proyecto de ejecución Torre Aulario. Sede Mergelina de la Escuela de Ingenierías Industriales. Universidad de Valladolid. [8] DAIKIN, Catálogo de ventilación [en línea]. Página web daikin [fecha de consulta: Mayo 2019]. Disponible en: https://www.daikin.es/es_es/productos/D-AHU-Professional.html [9] COMEFRI, Catálogo de ventilación [en línea]. Página web comefri [fecha de consulta: Mayo 2019]. Disponible en: https://www.comefri.com/NPA-NPA-ALU-series [10] Página web Escuela de Ingenierías Industriales Valladolid: https://www.eii.uva.es/ 7 Figura 7. Presiones estáticas proporcionadas por el ventilador. Para implementarlo en el modelo, definimos el ventilador como tipo Fan (Performance Curve) y definimos la curva del ventilador. Figura 8. Implementación del ventilador de los baños en CONTAM. 8 Implementación de los difusores -Difusor rotacional El difusor rotacional se define como un modelo tipo P vs Q (cubic spline flow models). Dentro del cual introducimos la curva P vs Q. Difusor rotacional Q (m3/h) Perdidas de cargas compuerta (Pa) 145 3 432 24,5 720 68 1008 133,5 Figura 9. Propiedades del difusor rotacional. 9 -Difusor lineal El difusor lineal se define como un modelo tipo P vs Q (cubic spline flow models). Dentro del cual introducimos la curva P vs Q. Difusor lineal Q (m3/h) Perdidas de cargas compuerta (Pa) 180 23 270 50,5 378 98,5 486 163 Figura 10. Propiedades del difusor lineal. 10 Implementación de ranuras Los Flow Paths definidos para el edificio presentan las siguientes características: Flow Path Área de flujo (m2) Exponente de flujo Coeficiente de descarga Diámetro Hidráulico (m2) Número de Reynolds Pasillo 6,96 0,5 0,6 2,976 30 Pasillo2 5,22 0,5 0,6 2,578 30 Pasillo3 8,41 0,5 0,6 3,2723 30 Reciclaje 7,45 0,5 0,6 3,0799 30 Vending 12,93 0,5 0,6 4,0575 30 Baño Abierto 4 0,5 0,6 2,2568 30 Baño Cerrado 0,119 0,5 0,6 0,38925 30 Ascensor Abierto 3 0,5 0,6 1,9544 30 Ascensor Cerrado 0,06 0,5 0,6 0,2764 30 Puerta 1 Abierta 4 0,5 0,6 2,2568 30 Puerta 1 Cerrada 0,0019 0,5 0,6 0,04918 30 Puerta 2 Abierta 1,4 0,5 0,6 1,3351 30 Puerta 2 Cerrada 0,0008 0,5 0,6 0,03191 30 Figura 11. Propiedades de los flowpath implementados. Implementación de conductos Los conductos definidos para el edificio presentan las siguientes características: La rugosidad absoluta se determinó teniendo en cuenta que el material es acero galvanizado y la norma ASHRAE 2005. Conducto a (mm) b (mm) Rugosidad (mm) Rectangular 1000 300 0,12 Rectangular 1000 350 0,12 Rectangular 1350 950 0,12 Rectangular 1750 950 0,12 Rectangular 2000 650 0,12 Rectangular 2000 950 0,12 Rectangular 2300 950 0,12 Rectangular 2500 950 0,12 Rectangular 2800 950 0,12 Rectangular 3000 950 0,12 Rectangular 3400 950 0,12 Rectangular 3500 950 0,12 Rectangular 4000 950 0,12 Rectangular 150 150 0,12 11 Rectangular 200 200 0,12 Rectangular 250 150 0,12 Rectangular 350 200 0,12 Rectangular 300 200 0,12 Rectangular 200 250 0,12 Rectangular 400 250 0,12 Rectangular 550 250 0,12 Rectangular 650 250 0,12 Rectangular 650 600 0,12 Rectangular 750 300 0,12 Rectangular 750 350 0,12 Rectangular 750 600 0,12 Rectangular 800 350 0,12 Rectangular 800 500 0,12 Rectangular 800 700 0,12 Rectangular 850 950 0,12 Rectangular 900 400 0,12 Rectangular 950 300 0,12 Rectangular 950 400 0,12 Rectangular 950 450 0,12 Rectangular 950 550 0,12 Rectangular 950 600 0,12 Rectangular 950 700 0,12 Circular 100 0,12 Circular 200 0,12 Figura 12. Propiedades de los conductos implementados. 12 Resultados del caso realizado 1 Presión (Pa) Pérdida carga puerta (Pa) Gasto puerta (kg/s) Planta Baja AulaB.1 -170,3 1,03 0,00179 AulaB.2 -178,7 9,36 0,00541 AulaB.3 -181,8 12,46 0,00623 AulaB.4 -181,9 12,6 0,00627 PasilloB -169,33 Planta 1ª Aula1.1 -162,4 5,03 0,00396 Aula1.2 -174,6 7,19 0,00474 Aula1.3 -173,6 6,18 0,00439 Aula1.4 -178,4 10,93 0,00584 Aula1.5 -172,2 4,73 0,00384 Aula1.6 -161,7 5,71 0,00422 Pasillo1 -167,43 Planta 2ª Aula2.1 -167,5 1,9 0,00243 Aula2.2 -178,5 12,85 0,00633 Aula2.3 -177,8 12,27 0,00619 Aula2.4 -176,6 11,05 0,00587 Aula2.5 -170,6 5,07 0,00397 Aula2.6 -170,3 4,75 0,00385 Pasillo2 -165,5 Planta 3ª Aula3.1 -158,1 5,54 0,00416 Aula3.2 -167,8 4,14 0,00359 Aula3.3 -169,85 6,21 0,0044 Aula3.4 -173,7 10,07 0,0056 Aula3.5 -166,2 2,55 0,00282 Aula3.6 -157,2 6,45 0,00448 Pasillo3 -163,64 Planta 4ª Aula4.1 -84,953 5,13 0,004 Aula4.2 -130,361 7,18 0,00473 Aula4.3 -127,26 6,15 0,00438 Aula4.4 -146,46 10,96 0,00584 Aula4.5 -120,131 4,69 0,00382 Aula4.6 -80,84 5,83 0,00426 Pasillo4 -106,846 Planta 5ª Aula5.1 -109,25 1,53 0,0109 13 Aula5.2 -155,269 12,9 0,00634 Aula5.3 -152,971 12,32 0,0062 Aula5.4 -147,61 11,08 0,00588 Aula5.5 -122,272 5,01 0,00395 Aula5.6 -121,28 4,68 0,00382 Pasillo5 -106,85 Impulsión Dif. Presión (Pa) Caudal (m3/h) 113 43636 Extracción Dif. Presión (Pa) Caudal (m3/h) 173 44676 Resultados del caso realizado 2 Presión (Pa) Pérdida carga puerta (Pa) Gasto puerta (kg/s) Planta Baja AulaB.1 -173,1 0,000191 0,0516 AulaB.2 -173,1 0,000478 0,0814 AulaB.3 -173,1 0,000318 0,0664 AulaB.4 -173,1 0,000441 0,0782 PasilloB -173,1 Planta 1ª Aula1.1 -171,26 0,00129 0,0133 Aula1.2 -171,26 0,00000274 0,0061 Aula1.3 -171,26 0,0001 0,0377 Aula1.4 -171,26 0,0005 0,085 Aula1.5 -171,26 0,0000303 0,0205 Aula1.6 -171,26 0,00122 0,1304 Pasillo1 -171,26 Planta 2ª Aula2.1 -169,43 0,0017 0,00174 Aula2.2 -169,43 0,00612 0,00612 Aula2.3 -169,43 0,00167 0,0016 Aula2.4 -169,43 0,0001121 0,00011 Aula2.5 -169,43 0,0000518 0,000052 Aula2.6 -169,43 0,0000731 0,0318 14 Pasillo2 -169,43 Planta 3ª Aula3.1 -167,56 0,00135 0,137 Aula3.2 -167,56 0,000875 0,11 Aula3.3 -167,56 0,0000414 0,0075 Aula3.4 -167,56 0,000426 0,0769 Aula3.5 -167,56 0,0000436 0,025 Aula3.6 -167,56 0,0013 0,1343 Pasillo3 -167,56 Planta 4ª Aula4.1 -165,71 0,0012 0,129 Aula4.2 -165,71 0,0000136 0,0137 Aula4.3 -165,71 0,0044 0,247 Aula4.4 -165,71 0,000718 0,0998 Aula4.5 -165,71 0,0000139 0,01393 Aula4.6 -165,71 0,001144 0,126 Pasillo4 -165,71 Planta 5ª Aula5.1 -163,9 0,0000684 0,154 Aula5.2 -163,9 0,00655 0,301 Aula5.3 -163,9 0,00182 0,159 Aula5.4 -163,9 0,000134 0,0432 Aula5.5 -163,9 0,0000448 0,00249 Aula5.6 -163,9 0,0000649 0,03 Pasillo5 -163,9 Impulsión Dif. Presión (Pa) Caudal (m3/h) 112 29502 Extracción Dif. Presión (Pa) Caudal (m3/h) 165 30556