Funcionamiento de ventanas y abertura libre

pestaña Aberturas en los datos del modelo, bajo los encabezados Acristalamiento exterior, Acristalamiento interior y Acristalamiento de cubierta

Funcionamiento

El funcionamiento de las ventanas puede definirse introduciendo datos bajo el encabezado Funcionamiento . Estos datos solo se muestran:

1. Cuando la Ventilación natural está activada en la pestaña HVAC al nivel actual y está seleccionada la ventilación natural calculada, o bien:
2. Para acristalamiento interior, tanto con ventilación natural calculada como programada.

Definición de programación

Seleccione el método para definir los periodos de funcionamiento de la ventana. Las opciones son:

• 1-Seguir ocupación - la ventana puede abrirse cuando la zona está ocupada y no cuando está desocupada.

• 2-Programación personalizada - el funcionamiento de la ventana se controla mediante una programación específica que se muestra al seleccionar esta opción.

programación de funcionamiento

Cuando la opción Definición de programación anterior se ha establecido en 2-Programación personalizada , puede seleccionarse la programación que define los horarios de apertura de la ventana. Por defecto se utiliza la programación de ocupación basada en la última plantilla de actividad cargada.

Opción de control (solo ventanas interiores)

La opción de control permite definir cómo se comportan las ventanas interiores en los sistemas de ventilación natural y si funcionan únicamente mediante una programación o, al utilizar ventilación natural calculada, si están vinculadas a los controles principales de ventilación natural definidos en la pestaña HVAC. Estos datos no están disponibles para ventanas exteriores. Las opciones son:

Para ventilación natural Calculada :

• 1-Constante - el tamaño de la abertura de paso de aire de la ventana interior, cuando está abierta, es constante y la apertura de las ventanas interiores se controla exclusivamente mediante programación, es decir, no se ve afectada por ninguno de los controles de ventilación natural de la pestaña HVAC. En particular, no se utiliza el ajuste Modo de control interno de la pestaña HVAC.
• 2-Modo de control interno (pestaña HVAC) - las ventanas interiores se controlan mediante los ajustes de ventilación natural Modo de control interno de la pestaña HVAC junto con la programación descrita abajo.

Nota: Al utilizar ventilación natural calculada y seleccionar la opción de control 1-Constante , habrá flujo de aire a través de las ventanas interiores, cuando lo permita la programación de funcionamiento, independientemente de si la ventilación natural está activada en la pestaña HVAC. La opción 2-Modo de control interno (pestaña HVAC) solo debe seleccionarse cuando la ventilación natural esté activada en la pestaña HVAC.

Para ventilación natural Programada :

• 1-Con programación - las ventanas interiores se controlan exclusivamente mediante programación y no se ven afectadas por ninguno de los controles de ventilación natural de la pestaña HVAC.
• 2-Cerradas - las ventanas interiores están siempre cerradas y no permiten ningún intercambio de aire.

Nota: Al utilizar ventilación natural programada y seleccionar la opción de control 1-Con programación , habrá flujo de aire a través de las ventanas interiores, cuando lo permita la programación de funcionamiento, independientemente de si la ventilación natural está activada en la pestaña HVAC.

programación de funcionamiento

La programación que especifica cuándo está disponible la ventilación por ventanas. Un valor de programación nulo o negativo indica que no se permite la ventilación por ventanas. Un valor mayor que cero indica que puede producirse si se cumplen las demás condiciones de control de la ventilación, especificadas por el modo de controlde ventilación natural.

Nota: Las programaciones de disponibilidad fraccionaria no restringen la ventilación de ninguna manera. Cuando el valor de la programación es > 0 la ventana puede abrirse; cuando es 0, está cerrada.

Una excepción a esta regla se da en las simulaciones CIBSE TM59:2026 cuando se utiliza la opción Restringir el factor de ventilación mediante programación , que, al activarse, permite definir mediante esta programación una restricción variable en el tiempo de la abertura de la ventana.

Esta programación permite desactivar la ventilación a determinadas horas del día (por ejemplo, por la noche), de la semana (por ejemplo, los fines de semana) o del año (por ejemplo, durante el invierno).

Si se utiliza con el modo de control = 4-Permanente, el caudal de ventilación solo es constante cuando esta programación permite ventilar; de lo contrario se fija en cero. Si Ventilation Control Mode = 1-NoVent, esta programación no tiene efecto.

Las ventanas están «abiertas» cuando:

Tzone_air > Tconsigna Y Tzone_air > Toutside_air Y el valor de la programación = 1

El caudal de ventilación se calcula a partir de la diferencia de presión a través de la abertura debida al viento y al efecto chimenea, mediante las ecuaciones descritas en Modelado de ventilación natural.

Abertura libre

El tamaño y la posición de las vías de flujo de aire de las aberturas de ventana pueden definirse introduciendo datos bajo el encabezado Abertura libre . Estos datos se utilizan tanto en:

1. las simulaciones de la red de flujo de aire de ventilación natural calculada de EnergyPlus como en
2. las simulaciones CFD

Nota: Aunque los datos de abertura libre se muestran cuando se selecciona la opción de modelo de ventilación natural programada, no se utilizan en las simulaciones de EnergyPlus. En este caso solo se ofrecen para poder utilizarlos como condiciones de contorno de CFD.

Posición de la abertura

La posición de la abertura en la ventana puede seleccionarse entre:

• 1-Superior - la abertura está en la parte superior de la ventana. El aire entra y sale por la parte superior de la ventana.
• 2-Inferior - la abertura está en la parte inferior de la ventana. El aire entra y sale por la parte inferior de la ventana.
• 3-Derecha - la abertura está a la derecha de la ventana, vista desde el exterior. El aire entra y sale por la derecha de la ventana.
• 4-Izquierda - la abertura está a la izquierda de la ventana, vista desde el exterior. El aire entra y sale por la izquierda de la ventana.

Las ventanas deben ser rectangulares para disponer de una abertura de flujo de aire, cuya posición puede definirse mediante la lista anterior. Las opciones 3-Derecha y 4-Izquierda dan resultados de simulación idénticos, ya que la red de flujo de aire de EnergyPlus solo tiene en cuenta la posición z de las aberturas. Sin embargo, la diferencia es útil para las simulaciones CFD.

Nota: También pueden utilizarse como aberturas de flujo de aire ventanas no rectangulares o rectangulares giradas. En ese caso, para determinar el tamaño de abertura de la red de flujo de aire, EnergyPlus trata las ventanas triangulares como si fueran rectangulares, con una altura y anchura basadas en las dimensiones máximas en cada dirección.

% de área acristalada que se abre

El dato % de área acristalada que se abre permite definir el «área libre» practicable como porcentaje del área de la ventana. Por ejemplo, introduzca 20 si el área libre de la ventana es el 20% del área acristalada total. En términos sencillos, es la fracción de la ventana que puede abrirse, pero también debe tener en cuenta el efecto de las obstrucciones; en la práctica, una definición más correcta del área libre es el «área de sección transversal medible y geométrica».

El «área libre» se multiplica por el coeficiente de descarga para obtener el «área efectiva» para los cálculos de la red de flujo de aire de EnergyPlus.

Nota: Al calcular el % de área acristalada que se abre debe dividir el área libre practicable de la ventana por el área acristalada total de la ventana, excluido el marco. La sección desplegable siguiente, Áreas de abertura para ventanas de apertura total con marcos , ofrece recomendaciones para tratar las ventanas de apertura total con marcos grandes y evitar subestimar el flujo de aire.

Consejo: Una regla práctica para aproximar el área libre de una ventana abatible por su borde superior es sumar el «área de abertura» rectangular inferior más 2 x el área triangular de abertura lateral. En ventanas muy próximas entre sí, los triángulos laterales deben reducirse para tener en cuenta la menor área efectiva de abertura. Puede realizarse un cálculo similar para ventanas abatibles por un lado o por el borde inferior.

Dos buenas referencias para medir u obtener estos datos son:

• A review of ventilation opening area terminology de Benjamin M. Jones, Malcolm J. Cook, Shaun D. Fitzgerald, Christopher R. Iddon, 2015.
• «Air of Credibility», en CIBSE Journal, mayo de 2016 (los mismos autores indicados arriba).

Nota: Si la modulación está activada (no lo está de forma predeterminada), las áreas de abertura del acristalamiento definidas aquí se multiplican por un factor que tiene en cuenta las condiciones exteriores en las simulaciones de la red de flujo de aire de EnergyPlus al utilizar ventilación natural calculada.

Consejo: En algunos casos es mejor desactivar la opción de modelo Lump similar windows on surface al utilizar ventilación natural calculada. Esto es especialmente importante a) cuando hay ventanas del mismo tamaño y tipo en la misma superficie pero con distintos valores de % de área acristalada que se abre y b) cuando se necesita el caudal de aire de ventanas individuales, por ejemplo, al preparar las condiciones de contorno para un estudio acoplado de EnergyPlus CFD.

Áreas de abertura para ventanas de apertura total con marcos

 

Como EnergyPlus solo utiliza el área acristalada para calcular el flujo de aire de las ventanas, en las ventanas que se abren totalmente y tienen marcos importantes debe aplicarse una corrección para evitar subestimar el flujo de aire en la simulación.

 

 

En el ejemplo de la imagen anterior, al dibujar una abertura acristalada, como una ventana o una puerta de terraza, la altura y la anchura de la abertura se introducen incluyendo el marco. La anchura del marco, que incluye las partes fijas (negro) y las practicables (rojo), se introduce como un único valor y DesignBuilder la resta para obtener el área acristalada.

 

Sin embargo, como solo se utiliza el área acristalada para calcular el flujo de aire, este se subestimaría si simplemente estableciéramos % de área acristalada que se abre en 100% sin ninguna corrección adicional. Cuanto más ancho sea el marco, mayor será el problema. Por ejemplo, una puerta acristalada típica de uPVC podría tener un marco de 0.14m de anchura, de los cuales 0.04m corresponden al marco fijo (negro) y 0.1m forman parte del área de abertura (rojo), junto con el acristalamiento. Para una puerta acristalada de 2.1m de alto por 0.9m de ancho, el área libre de abertura totalmente abierta, restando el área del marco fijo negro, sería 1.66 m2, es decir, 1.47 veces el área exclusivamente acristalada en azul (1.13 m2) utilizada en los cálculos de ventilación de la red de flujo de aire.

 

Este problema puede tener consecuencias importantes para el modelado del flujo de aire en algunas evaluaciones de sobrecalentamiento. No puede corregirse aumentando el área acristalada, ya sea aumentando el tamaño de la abertura o reduciendo el del marco, porque ello afectaría a las ganancias solares.

 

En nuestro ejemplo de puerta acristalada grande, con un área practicable del 100%, no es posible aumentar el % de área acristalada que se abre por encima del 100%. La solución alternativa recomendada es modificar el coeficiente de descarga para tener en cuenta el área del marco ausente en el modelo de flujo de aire. En nuestro ejemplo, multiplicar el coeficiente de descarga predeterminado de la ventana (0.65) por 1.47 (área libre real de ventilación dividida por el área exclusivamente acristalada) da un coeficiente de descarga de 0.95, que puede introducirse para compensar la subestimación del tamaño de la abertura.

 

Agradecimiento: Stephen Porritt por esta solución y la imagen.

Funcionamiento de ventanas interiores en CFD

 

Como en otras aberturas interiores, no puede especificarse un caudal de aire para definir el movimiento del aire a través de ventanas interiores en simulaciones CFD. Como CFD representa un instante y no utiliza programaciones, si ha cargado resultados de simulación de un momento en que una ventana interior estaba cerrada debido a la programación o a algún ajuste de control, para observar el mismo comportamiento en CFD puede establecer el % de área acristalada que se abre a cero en una copia del modelo de simulación.

Coeficiente de descarga

El coeficiente de descarga constante de la ventana (Cd) solo se utiliza para ventilación natural calculada. El valor debe estar entre 0.0 y 1.0. Pueden introducirse valores distintos para ventanas interiores, exteriores y de cubierta.

Para puertas y huecos abiertos, puede introducirse un coeficiente de descarga en la pestaña Avanzado del cuadro Opciones de modelo bajo el encabezado Ventilación natural .

Fundamento teórico del coeficiente de descarga

 

Del documento IEA Annexe 20 Air flow Through Large Openings in Buildings.

 

El modelo de red de flujo de aire de EnergyPlus se basa en la siguiente relación empírica de ley potencial entre el caudal y la diferencia de presión a través de una grieta o abertura de la envolvente del edificio:

 

 

El caudal volumétrico, Q [m3/s], es una función simple de la caída de presión, ∆P [Pa], a través de la abertura. Una variante habitual de la ecuación de ley potencial es:

 

 

donde el caudal másico, F [kg/s], es una función simple de la caída de presión. Una tercera variante está relacionada con la ecuación de orificio:

 

 

donde:

 

C_d = coeficiente de descarga, y

A = área de la abertura del orificio.

 

Teóricamente, el valor del exponente de flujo, n, debe estar entre 0.5 y 1.0. Las aberturas grandes se caracterizan por valores muy próximos a 0.5, mientras que para aberturas pequeñas similares a grietas se han encontrado valores próximos a 0.65.

Valores sugeridos para el coeficiente de descarga

La bibliografía propone una amplia gama de valores para el coeficiente de descarga (símbolo C_d utilizado habitualmente en ecuaciones de orificio). Por ejemplo, IEA Annexe 20 Air flow Through Large Openings in Buildings indica que los coeficientes de descarga publicados oscilan entre 0.3 y 0.8 y que no se conocen las causas de las diferencias.

Otras fuentes recomiendan un valor próximo a 0.6. Por ejemplo, el CONTAMW 2.0 User Manual afirma que el coeficiente de descarga está relacionado con los efectos dinámicos y suele estar próximo a 0.6 para un orificio y ser ligeramente mayor para otras aberturas en edificios.

ASHRAE propone la siguiente correlación basada en las diferencias de temperatura entre zonas:

C_d = 0.4 + 0.0045 δT

para el intervalo δT de 0.5 a 40.

Dadas las demás incertidumbres de los cálculos de ventilación natural, como los coeficientes de presión del viento, las áreas efectivas de las aberturas reales y los flujos por grietas, utilizar un coeficiente de descarga entre 0.60 y 0.65 debería proporcionar suficiente precisión.

Ventilación natural programada

El flujo de aire a través de las aberturas individuales exteriores de ventanas, respiraderos, puertas y huecos no se modela explícitamente con ventilación natural Programada , porque el flujo de ventilación natural procedente del exterior se define mediante el valor total de caudal de ventilación natural y funcionamiento en la pestaña HVAC . En este caso no es necesario introducir datos de funcionamiento ni de abertura libre en la pestaña Aberturas para las ventanas exteriores.

Nota: La ventilación natural puede desactivarse mediante anulación en la pestaña HVAC, tanto para las opciones de modelo calculado como programado.