Tesis de licenciatura en Ingeniería en Energía y Ambiente
Título de la tesis: Evaluación del potencial de ventilación natural a escala urbanización y distribución óptima para su aprovechamiento energético en Panamá
Estudiante: Katherine Rodríguez Maure
Dirección:
- Dr. Miguel Chen Austin
- Arq. Ángela de Mendes Da Silva
- Dra. Dafni Mora
Objetivo general:
Evaluar el potencial de ventilación natural a escala urbanización y determinar una distribución óptima para su aprovechamiento energético en Panamá.
Revisión de la literatura:
Para lograr una ventilación natural efectiva, es importante comprender el procedimiento que debe llevarse a cabo para ejecutar esta técnica pasiva en el diseño de edificaciones de tal manera que sea adaptable a escenarios en zonas urbanas. El análisis a escala urbana puede lograrse a través de simulaciones con herramientas que permitan evaluar el comportamiento del viento al incidir sobre las edificaciones [10]. A partir del año 2000, la nueva técnica que combina la simulación energética con la optimización, da inicio a una tecnología emergente que permite generar nuevos diseños basados en resultados de modelados computacionales; siendo esta una metodología eficiente que probablemente garantice el diseño óptimo dando solución a las diversas problemáticas [11].
Entre las distintas herramientas de modelado se menciona el software de simulación ENVI-met el cual se prevé utilizar para este estudio. Dicho software es un modelo de microclima numérico que se basa en leyes fundamentales de la dinámica de fluidos y la termodinámica. Incluye la simulación de diversos fenómenos como el flujo de calor en las entradas de los edificios, turbulencia, intercambio termo-higrométrico, bioclimatología, entre otros. [12]. Las simulaciones en ENVI-met integran la dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar y resolver problemas que conlleven el flujo del viento en ambientes complejos. A través de la estructura tridimensional (3D) y la disposición de las edificaciones en una urbanización es posible determinar las zonas con velocidades de viento muy altas y ráfagas turbulentas, al igual que áreas con velocidades muy bajas y masas de aire estancadas. Este software tiene la capacidad de analizar las interacciones entre la arquitectura, la atmósfera y el entorno urbano circundante, estima la energía y los procesos de intercambio entre el espacio exterior y el ambiente interior de las edificaciones [9].
En la literatura, existen diferentes tipos de índices empleados para evaluar el potencial de ventilación natural a escala urbana, estos se clasifican en dos grupos. El primer grupo comprende índices básicos utilizados para evaluar el viento en un ambiente exterior y su relación con el confort, la velocidad del viento y su dirección, son usualmente empleados para reflejar las características básicas del campo de flujo. Generalmente los campos de flujo a nivel del peatón y la máxima velocidad del viento son particularmente considerados ya que se relacionan directamente con el confort humano exterior. El segundo grupo abarca índices relacionados con la fricción de la velocidad del viento, esta tiene influencia en las características morfológicas del dosel urbano y se ha empleado como uno de los criterios a evaluar en ambientes exteriores específicos [13] .
Choo Yoon y Chengzhi Peng [10] proponen la simulación exterior-interior acoplada del microclima para el diseño pasivo de edificaciones a escala urbana. A través de simulaciones en ENVI-met, extrajeron la condición del microclima de la urbanización permitiendo la visualización de la dirección del viento y las áreas que presentaban mayores temperaturas. Se observó que la velocidad del viento alrededor del edificio se reduce drásticamente, lo que podría generar un impacto en las condiciones térmicas interiores de la edificación. Los autores destacan que el rendimiento térmico interior de una edificación interactúa con microclimas exteriores específicos, mostrando así la importancia de una simulación acoplada interior-exterior a nivel del microclima para implementar características de diseño pasivo en edificaciones [10]. Por otro lado, Jiang, Wu y Teng [14] utilizaron ENVI-met para simular los parámetros del viento en seis casos de estudio basados en la diversa distribución espacial de un conjunto de edificaciones. Las características de las condiciones microclimáticas fueron comparadas y evaluadas a través del viento y la temperatura del aire; utilizando los siguientes indicadores: velocidad media del viento, desviación estándar de la velocidad del viento, temperatura media y desviación estándar de la temperatura del aire. Este estudio destaca la relación que existe entre la distribución de las edificaciones y el viento en un ambiente exterior. Señalan que una correcta disposición de las edificaciones, de acuerdo con la dirección del viento predominante, permite la formación un corredor de ventilación que favorece al flujo de aire, evitando así que las estructuras causen el efecto barrero. Indican que la traza hipodámica o en damero debe ser la adecuada de tal manera que permita la penetración del viento en las construcciones y fachadas de las edificaciones [14].
La mayoría de los estudios han revelado que el flujo de aire es extremadamente sensible a la morfología urbana [15]. El estudio realizado por Tong, Chen y Malkawi [16] se basa, en gran medida, en la configuración de la urbanización circundante y el flujo de aire a través de las edificaciones con ventilación natural. Los autores hacen referencia a la técnica exterior-interior acoplada la cual logran a través de simulaciones de dinámica de fluidos computacionales (CFD). Establecen que influyen parámetros urbanos claves como la condición del viento (dirección y velocidad), relación H/W (altura de la edificación / ancho de la calle), la altura de las edificaciones en relación con el entorno y el número de obstáculos en dirección de la corriente del viento. El análisis de su trabajo mostró la influencia que conllevan las capas de edificios circundante a la edificación en estudio, también manifiestan que el efecto de la dirección del viento es muy importante para el patrón de flujo a través y alrededor de las edificaciones. Señalan que el campo de flujo alrededor de los edificios es más “aerodinámico” bajo una dirección oblicua del viento (45°); de esta manera la tasa de cambio del aire por hora era notablemente mayor [16].
Por otro lado, Kusumastuty [17] considera configuraciones de las edificaciones tales como la distancia entre las estructuras, altura promedio, orientación y el ancho de la carretera para el análisis de una investigación basada en el principio de diseño urbano sensible al clima. Bouchahm, bourbia y bouketta [18] realizan una simulación numérica conducida a evaluar el efecto del viento tomando en cuenta parámetros como la orientación, geometría de las edificaciones, su disposición espacial, el ángulo de incidencia del viento y la vegetación. Priyadarsini [19] investigó numéricamente la temperatura del aire bajo diferentes niveles de velocidad del viento, señalando que la temperatura del aire disminuye con el aumento de la velocidad. Feijó-Padilla [20] presenta el uso de un modelo capaz de calificar y cuantificar los flujos de ventilación natural disponibles aplicados a la modernización energética de distritos residenciales. Tomó en cuenta factores como la presión del viento, las envolventes del edificio y los fenómenos de turbulencia.
Evaluar las técnicas de modelado implementadas anteriormente por investigadores, contribuye al análisis de los parámetros e indicadores que deben tomarse en cuenta para el estudio del potencial de ventilación natural a escala urbana. Existen diferentes variables de la morfología urbana que suponen un eje de acción en este estudio, y su vez, se relacionan con el microclima y el confort térmico de las personas [11]. Uno de los enfoques para determinar los indicadores en la etapa de diseño es a través de la simulación dinámica acoplada, en esta etapa se pueden determinar criterios objetivos que evalúen el rendimiento de los indicadores que se suelen emplearse a menudo en la literatura [16].
Referencias:
[10] C. Y. Yi y C. Peng, «Microclimate Change Outdoor and Indoor Coupled Simulation for Passive Building Adaptation Design», Procedia Computer Science, vol. 32, pp. 691-698, ene. 2014, doi: 10.1016/j.procs.2014.05.478.
[11] S.-H. E. Lin, «Designing in perfomance: Energy simulation feedback for early stage design decision making», p. 410, 2014.
[12] T. D. Joaquim, J. W. Z. Novais, L. P. de Andrade, K. D. A. C. Rosseti, M. T. Vilani, y S. P. Pereira, «Thermo-hygrometric modeling using ENVI-met® software to an urban park in Cuiabá – Brazil», CeN, vol. 40, p. 37, may 2018, doi: 10.5902/2179460X29510.
[13] Y. Peng, R. Buccolieri, Z. Gao, y W. Ding, «Indices employed for the assessment of urban outdoor ventilation – A review», dic. 2019.
[14] Y. Jiang, C. Wu, y M. Teng, «Impact of Residential Building Layouts on Microclimate in a High Temperature and High Humidity Region», feb. 2020.
[15] B.-J. He, L. Ding, y D. Prasad, «Wind-sensitive urban planning and design: Precinct ventilation performance and its potential for local warming mitigation in an open midrise gridiron precinct», Journal of Building Engineering, vol. 29, p. 101145, may 2020, doi: 10.1016/j.jobe.2019.101145.
[16] Z. Tong, Y. Chen, y A. Malkawi, «Defining the Influence Region in neighborhood-scale CFD simulations for natural ventilation design», Applied Energy, vol. 182, pp. 625-633, nov. 2016, doi: 10.1016/j.apenergy.2016.08.098.
[17] K. D. Kusumastuty, H. W. Poerbo, y M. D. Koerniawan, «Climate-sensitive urban design through Envi-Met simulation: case study in Kemayoran, Jakarta», 2018, doi: 10.1088/1755-1315/129/1/012036.
[18] Y. Bouchahm, F. Bourbia, y S. Bouketta, «Numerical Simulation of Effect of Urban Geometry Layouts of Wind and Natural Ventilation Under Mediterranean Climate», feb. 2012.
[19] R. Priyadarsini, W. N. Hien, y C. K. Wai David, «Microclimatic modeling of the urban thermal environment of Singapore to mitigate urban heat island», Solar Energy, vol. 82, n.o 8, pp. 727-745, ago. 2008, doi: 10.1016/j.solener.2008.02.008.
[20] A. Meiss, M. Padilla-Marcos, y J. Feijó-Muñoz, «Methodology Applied to the Evaluation of Natural Ventilation in Residential Building Retrofits: A Case Study», Energies, vol. 10, n.o 4, p. 456, abr. 2017, doi: 10.3390/en10040456.
[21] Yamaly Pérez Rodríguez, «Estrategias de ventilación natural en climas tropicales a partir del comportamiento del viento sobre edificios ubicados en espacios urbanos mediante la simulación de programas», Politécnica de Catalunya, 2018.
[22] J. P. Kastillo y R. Beltrán, «Optimización energética para el aprovechamiento de ventilación natural en edificaciones en climas cálidos de ecuador», p. 78, enero 2015.
[23] M. R. Mahmoud, «Natural ventilation in buildings architectural concepts, consequences and possibilities», mar. 2003.
[24] A. D. Belegundu y T. R. Chandrupatla, Optimization Concepts and Applications in Engineering. Cambridge University Press, 2019.
[25] K. R. Therán Nieto, L. Rodríguez Potes, S. Mouthon Celedon, y J. M. De León, «Microclima y Confort Térmico Urbano. (Spanish)», Revista: Módulo Arquitectura CUC, vol. 23, pp. 49-88, jun. 2019, doi: 10.17981/mod.arq.cuc.23.1.2019.04.
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