El efecto de tiro térmico, o efecto chimenea

¿Qué es el tiro térmico?

El tiro térmico, también conocido como efecto chimenea, es un fenómeno físico que se produce en los edificios cuando el aire caliente del interior, al ser menos denso que el aire frío exterior, tiende a subir.

Este movimiento natural del aire genera una corriente ascendente en los espacios cerrados, creando un flujo de aire que puede utilizarse para la ventilación natural de los edificios. El tiro térmico se basa en los principios de la flotabilidad, donde la diferencia de temperatura entre el aire interior y el aire exterior genera una diferencia de presión. Esta diferencia de presión empuja al aire caliente a escapar por los puntos elevados del edificio, mientras que el aire frío penetra por las aberturas situadas más abajo.

La eficacia del tiro térmico depende de varios factores, como la altura del edificio, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, así como la configuración de las aberturas de entrada y salida de aire. Este fenómeno es especialmente relevante en los edificios de gran altura, donde puede acarrear retos significativos en términos de confort térmico, de consumo energético e incluso de seguridad. Comprender y dominar el tiro térmico es, por tanto, esencial para optimizar el rendimiento energético de los edificios, reducir las pérdidas de energía y asegurar un ambiente interior confortable y sano.

Efecto de tiro térmico en los edificios de gran altura

El efecto chimenea

El efecto de tiro térmico es un reto importante para los rascacielos, pero también puede ser un factor nada desdeñable para los edificios a partir de dos plantas. La estructura actúa como una chimenea gigante, canalizando eficazmente el aire caliente hacia arriba hasta que acaba por abandonar por completo la estructura. Por lo general, estos fenómenos se ven favorecidos por las cajas de escalera abiertas que distribuyen todos los niveles de un edificio.

El efecto chimenea se produce cuando la temperatura exterior es sensiblemente inferior a la temperatura interior. El aire frío es más denso que el aire caliente: cuando penetra en la estructura por abajo, sustituye al aire caliente más arriba. Esto crea un flujo de aire que aspira más aire frío e intensifica las corrientes de aire. Cuanto más alta es la estructura, más fuerte es este flujo de aire. Por eso las puertas giratorias se desarrollaron poco después de los primeros rascacielos: ¡la fuerza de aspiración a nivel del suelo era tan fuerte en invierno que a la gente le costaba abrir las puertas! Todavía hoy se encuentra este fenómeno en los ascensores, que a veces conectan las partes bajas del edificio con las zonas de cubierta para la ventilación del hueco. Sin embargo, en presencia de viento, el tiro se vuelve tal que las puertas de ascensor pueden quedar bloqueadas o que aparecen silbidos importantes en las esclusas de los niveles bajos.

El problema evidente es que el aire interior tratado se pierde y, por tanto, desperdicia energía. Pero otro factor es que este problema puede agravarse con el tiempo. Si el flujo de aire es especialmente fuerte, ejerce una presión sobre las entradas de aire parásitas: las juntas se agrietan, generando nuevas vulnerabilidades. Con una presión sostenida, estos huecos pueden ensancharse y extenderse, intensificando el flujo de aire y acelerando la pérdida de energía.

El efecto chimenea funciona porque el aire caliente debe ir a algún sitio cuando alcanza el nivel más alto del edificio. En muchos casos, escapa al desván por techos agrietados, defectos de estanqueidad en las redes, luminarias empotradas, o simplemente por una permeabilidad al aire demasiado importante del suelo del desván. Una vez que el aire caliente llega al último nivel, escapa al exterior por la menor vulnerabilidad que pueda encontrar.

El plano de presión neutra

El plano de presión neutra es un plano horizontal imaginario donde la presión interna es igual a la presión atmosférica externa. A esa altura, la diferencia de presión entre el interior y el exterior es nula: el aire ni entra ni sale del edificio. El punto de presión neutra depende de los sistemas HVAC del edificio, que ponen en presión o en depresión según su zona de distribución. Para el buen funcionamiento del tiro térmico, la posición del plano de presión neutra debe estudiarse de antemano con el fin de determinar la posición de las entradas y salidas de aire desde el diseño. Las entradas de aire deben situarse bajo el plano de presión neutra y las salidas por encima, como muestra el esquema siguiente.

En efecto, bajo el plano de presión neutra, la presión interior es inferior a la presión exterior: el aire entra en el edificio. Por encima del plano de presión neutra, ocurre lo contrario: la presión interior es superior a la presión exterior y el aire sale del edificio.

Estimación del tiro térmico en un edificio

Definiciones y fórmulas

La ventilación por flotabilidad aprovecha los principios de diferencia de densidad del aire para asegurar una renovación eficaz del aire en un espacio cerrado. Este método puede aplicarse de distintas maneras, en particular mediante el uso combinado de torres de refrigeración y chimeneas.

Las torres de refrigeración, que funcionan según el principio de la evaporación del agua para enfriar el aire, aportan aire fresco en la parte baja del espacio. Cuando este aire fresco es calentado por los ocupantes u otras fuentes internas, su densidad disminuye y se vuelve más ligero, favoreciendo su ascenso. Mediante una chimenea, este aire caliente y viciado se evacúa hacia el exterior, creando una corriente de aire que permite al aire fresco seguir entrando por las aberturas inferiores para sustituirlo.

La diferencia de densidad del aire depende de factores como la temperatura y la humedad. En invierno, cuando la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior es máxima, la ventilación por efecto chimenea es especialmente eficaz. Sin embargo, en verano, este método puede no funcionar eficazmente, ya que requiere que el interior esté más caliente que el exterior — lo que suele ser indeseable durante los meses cálidos.

La ventilación por flotabilidad, al aprovechar las diferencias de densidad del aire debidas a la temperatura y a la humedad, puede ser por tanto un método eficaz para asegurar una ventilación natural y confortable de los espacios interiores, pero requiere una adaptación a las condiciones climáticas para ser plenamente eficaz.

Una expresión del caudal de aire ventilado por efecto chimenea puede darse por:

Se observa que el caudal es positivo cuando T_i > T_e: el aire caliente y viciado sale del edificio. En verano, cuando T_i < T_e, el caudal se vuelve negativo: el aire caliente entra en el edificio, lo que no es el efecto buscado. El tiro térmico no es, por tanto, adecuado en caso de fuerte calor exterior para edificios de tipo vivienda u oficinas. También puede señalarse el caso en que T_i y T_e son del mismo orden de magnitud (media estación): el caudal es entonces casi nulo y ya no hay ventilación. Por eso, para edificios convencionales, el tiro térmico no es adecuado en todas las estaciones.

Órdenes de magnitud

Si se toma el caso de un edificio de vivienda en invierno con una chimenea de 15 m de altura, la temperatura interior (T_i) es de media de 20 °C y la temperatura exterior (T_e) de 0 °C. El coeficiente de descarga se toma aproximadamente igual a 0,65 y la superficie (S) de la chimenea es de 0,1 m². Al hacer la aplicación numérica, el orden de magnitud del caudal de aire ventilado por tiro térmico es: Q = 0,34 m³/s, es decir, aproximadamente 1200 m³/h. Una chimenea de este tipo permite ventilar correctamente (caudal de 5 Vol/h) un espacio de 100 m². Estos valores solo son válidos en la situación mencionada anteriormente.

El coeficiente de descarga

El coeficiente de descarga es un parámetro utilizado para describir el rendimiento de una chimenea o de un conducto en el contexto del tiro térmico. Representa la fracción del caudal másico teórico de aire que es realmente aspirada a través del conducto debido al efecto de tiro térmico.

El coeficiente de descarga depende de varios factores: la geometría de la chimenea, la rugosidad de sus paredes, la temperatura del aire en el interior del conducto, la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, así como otras variables ambientales.

Para calcularlo, se pueden utilizar modelos empíricos basados en experimentos y observaciones, o simulaciones numéricas que tienen en cuenta las distintas variables influyentes. Estos modelos o simulaciones permiten determinar el coeficiente de descarga para una configuración específica de chimenea en unas condiciones dadas.

En general, el coeficiente de descarga se expresa como un valor comprendido entre 0 y 1, donde 1 representa un tiro óptimo (todo el aire teóricamente disponible es efectivamente aspirado). Un valor inferior a 1 indica pérdidas o ineficiencias en el proceso de tiro.

El aporte de la simulación CFD

La simulación CFD (Computational Fluid Dynamics) ofrece una ventaja innegable en la determinación de los coeficientes de descarga del tiro térmico. Permite una estimación precisa y más accesible que los métodos experimentales tradicionales. Gracias a la CFD, es posible analizar virtualmente el comportamiento de los flujos de aire en un sistema de tiro térmico, ofreciendo una comprensión profunda de los fenómenos de convección y de turbulencia.

Además, este enfoque ofrece una gran flexibilidad en la modificación y optimización del proyecto, ya que interviene en una fase temprana del diseño — evitando así los costes y las limitaciones de las modificaciones en fase de ejecución. La simulación CFD tiene en cuenta directamente los efectos de pérdidas de carga: gracias a la fórmula teórica sin pérdidas (C_d = 1), se puede remontar al coeficiente de descarga del sistema estudiado.

En resumen, la simulación CFD representa una herramienta esencial para un diseño eficaz y optimizado de los sistemas de tiro térmico.

El tiro térmico en la industria

Los retos

En entorno industrial, el fenómeno del tiro térmico reviste una importancia crucial. A menudo generado por equipos como los hornos o las máquinas, el calor que hay que evacuar se caracteriza por temperaturas muy elevadas. Estas condiciones térmicas requieren una gestión eficaz, ya que pueden acarrear una acumulación de calor en el interior de las instalaciones industriales.

Además, es frecuente que la temperatura del aire que hay que evacuar sea claramente superior a la del aire exterior, incluso en verano: el tiro térmico funciona entonces incluso durante episodios de fuerte calor. Este desfase térmico agrava los retos ligados al control de la temperatura y a la ventilación, requiriendo soluciones específicas para mantener unas condiciones de trabajo óptimas y garantizar la seguridad de las operaciones industriales.

Simulación CFD

Se presenta en las dos imágenes siguientes una simulación numérica realizada para la ventilación de una industria, para la cual hubo que realizar un dimensionamiento de aireadores estáticos.

Le dimensionamiento de las aberturas de ventilación natural está fuertemente influido por el concepto de presión neutra. Este designa un nivel crucial donde la presión interna de un espacio equivale a la presión atmosférica externa, formando un plano horizontal ficticio. A este nivel, los orificios de entrada de aire son poco eficaces; por encima, la presión interna supera la del exterior, haciendo esencial el posicionamiento de las bocas de salida de aire en ese lugar. En cambio, las aberturas de entrada de aire se colocan siempre por debajo del plano neutro, ya que generan una zona de depresión. Durante el diseño, es primordial determinar con precisión la altura del plano neutro y repartir juiciosamente la diferencia de presión disponible entre las bocas de entrada y de salida, teniendo en cuenta las pérdidas de caudal. Según las estaciones, la posición del plano neutro no es la misma, como demuestra el esquema siguiente.

Cuando la temperatura exterior es muy inferior a la temperatura interior (invierno), el plano de presión neutra se sitúa más arriba en altura. En cambio, en verano, cuando las diferencias de temperatura son menores — pero siempre con una temperatura interior más elevada — , el plano de presión neutra se sitúa más abajo. Por eso, para que el tiro térmico funcione en toda estación, las entradas de aire deben situarse por debajo de la posición mínima del plano de presión neutra, y las salidas de aire por encima de su posición máxima.

Balance

EOLIOS es, por tanto, capaz de aportar soluciones en el ámbito del dimensionamiento de las chimeneas, así como de aberturas y simulaciones numéricas sobre el tiro térmico. Su pericia y su saber hacer permiten ofrecer servicios y herramientas de modelización precisos y fiables, para responder a las necesidades de las industrias preocupadas por la eficiencia energética y la seguridad de sus instalaciones.