Método para calcular el efecto del viento sobre la ventilación natural en espacios grandes

Por: Nils Johansson

La influencia del viento pocas veces se tiene en cuenta en la ingeniería de la seguridad contra incendios, pero su efecto en el rendimiento de un sistema de control de humo, por ejemplo, puede ser importante. Existen métodos de cálculo simples y directos para diseñar un sistema de control de humo en espacios grandes, como el método iterativo de Yamana y Tanaka [1]. Sin embargo, estos métodos no tienen en cuenta las condiciones externas, como el viento. En un informe reciente [2] presentado en la 15ta Conferencia y Exhibición Internacional de Ciencia e Ingeniería contra Incendios, se presentó y evaluó una versión modificada del método de Yamana y Tanaka que tiene en cuenta los efectos de viento.

Teoría

En el método original de Yamana y Tanaka, se asume que el humo se ventea por las rejillas de ventilación del cielorraso y que la capa de humo se estabiliza a una cierta altura, z. En este punto el flujo másico del penacho, , equivale al flujo másico total que sale de la capa caliente por las ventilaciones del cielorraso,  (ver la Figura 1). El flujo másico del penacho se calcula con un modelo de penacho apropiado. Vigne et al [3] estudiaron diferentes modelos de penachos y encontraron que la correlación de McCaffrey fue la que arrojó los resultados más cercanos a los datos experimentales después de estabilizarse la capa de gas caliente. No se puede concluir que la correlación de McCaffrey debería ser siempre la preferida, pero el escenario estudiado por Vigne et al se asemeja a la situación analizada y por eso en este estudio se utilizó la correlación de McCaffrey.

Figura 1: Principios del método de Yamana-Tanaka.

En el método modificado, el efecto causado por el viento sobre la ventilación de humo natural se calcula de acuerdo a la configuración geométrica del edificio y a la posición de la rejilla del aire de renovación y humo con respecto a la dirección del viento. En un escenario simple (edificio rectangular sin obstrucciones locales), el exceso de presión provocado por el viento en el exterior se puede calcular con la siguiente ecuación:

Donde v es la velocidad del viento y μ es un factor de forma que depende de la forma del edificio. El tamaño del factor de forma depende de la geometría del edificio. El factor de forma es positivo en las superficies del edificio que miran hacia el viento (barlovento) y negativo del lado contrario, o sotavento, donde el viento causa un efecto de succión. La diferencia de presión provocada por el viento en las ventilaciones del techo () y en las tomas de aire () puede sumarse a la diferencia de presión en el caso de “cero viento”, como se presenta en las ecuaciones 2 y 3. El informe original [2] presenta el método completo.

En un edificio con aberturas horizontales en el techo para ventilación natural, una presión de viento negativa en el techo es beneficiosa ya que aumenta la diferencia de presión sobre la abertura. Por el contrario, el viento puede tener efectos negativos sobre la extracción de humo si reduce la diferencia de presión sobre las aberturas del aire de renovación.

Los resultados del método presentado se compararon con los resultados del Fire Dynamics Simulator (FDS). Con este simulador se estudiaron solo unos pocos casos (ver la Tabla 1), pero estos casos tuvieron por objeto cubrir diferentes tipos de ventilación (ver la Tabla 2) y condiciones de viento. También se estudió un escenario sin viento para cada caso, así como dos direcciones de viento diferentes, es decir, con viento del lado de barlovento y sotavento de la abertura del aire de renovación. Esto quiere decir que se estudiaron 36 escenarios en total.

Resultados

Las Figuras 2 y 3 comparan los flujos másicos de venteo calculados. “Barlovento” y “Sotavento” se refieren a la posición del aire de renovación con respecto a la dirección del viento.

En la situación sin viento, se observa una desviación constante en los resultados entre los métodos estudiados, es decir, el FDS arroja un flujo másico de venteo aproximadamente 15% mayor (ver la Figura 2, izquierda). Esto no debe considerarse como una diferencia general entre los dos métodos dado que está relacionado con el escenario estudiado. No obstante, el hecho de que la desviación sea constante implica que el método analítico ha captado los fenómenos relevantes para los escenarios sin viento. Esto también parece ocurrir en los casos de baja velocidad del viento en los que el FDS arroja constantemente un flujo másico de venteo 10-15% mayor.

A medida que aumenta la velocidad del viento, disminuye la consistencia entre los modelos (ver la Figura 3). Uno de los factores que contribuyen a esto es el hecho de que la influencia sobre el fuego, el penacho y las condiciones de la habitación aumenta con el incremento de la velocidad del viento, un efecto que el método analítico pasa por alto completamente.

El método analítico demostró que todas las condiciones de viento estudiadas fueron beneficiosas con respecto al flujo másico a través de las aberturas para ventilación natural. Esto no se ve en las simulaciones del FDS, donde se observó una disminución del flujo másico de venteo a medida que aumentaba la velocidad del viento.

La influencia del viento sobre el exterior e interior de un edificio es compleja y el método analítico permite hacer cálculos rápidos para saber cómo afectan las diferentes condiciones de viento al humo. No obstante, las simplificaciones incluidas en el método analítico podrían ser demasiado grandes para que el método sea útil. Aun así, el informe estudió solo unos pocos escenarios y, para poder establecer su posible área de uso, se necesita realizar una mayor evaluación del método tanto con datos de modelado CFD como experimentales.

Nils Johansson trabaja en Lund University

Referencias

1. Yamana, T. y Tanaka, T., Control del humo en espacios a gran escala, Ciencia y tecnología contra incendios 5:31-40, 1985. https://doi.org/10.3210/fst.5.31
2. Johansson, N. y Karlsson, B., Análisis de un método para calcular el efecto del viento sobre la ventilación natural en espacios grandes, En: 15ta Conferencia y Exhibición Internacional de Ciencia e Ingeniería contra Incendios, Londres, RU, 2019.
3. Vigne, G., Gutierrez-Montes, C., Cantizano, A., Węgrzyński, W. y Rein, G., Revisión y validación de los actuales modelos de arrastre del penacho de humo para edificios de gran volumen, Tecnología contra incendios, 55:789-816, 2019. https://doi.org/10.1007/s10694-018-0801-4