CapÃ_tulo 1 INTRODUCCIÃ_N

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Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
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1. INTRODUCCIÓN 
1.1. Diseño bioclimático en edificios 
Los edificios relacionados con los servicios representan alrededor de un tercio 
del consumo total de energía en la Unión Europea. Los edificios residenciales y 
terciarios han sido identificados como los mayores usuarios finales de la energía, 
principalmente para la calefacción, la iluminación, los aparatos y los equipos. 
Numerosos estudios y la experiencia práctica demuestran que existe un gran potencial 
para el ahorro de energía aquí, probablemente mayor que en cualquier otro sector. Con 
iniciativas en este ámbito, se puede lograr importantes ahorros de energía, lo que 
ayudará a alcanzar los objetivos sobre el cambio climático y la seguridad del suministro. 
 Modificaciones en el comportamiento de las tecnologías ya han dado lugar a un 
máximo del 50% de reducción en energía en algunos países nórdicos. La arquitectura 
tradicional muestra como se diseñaron sistemas de refrigeración pasiva que no hacían 
uso de la energía mecánica para funcionar (por ejemplo, torres de refrigeración, torres 
de viento, fuentes y cal). Un cambio importante se produjo a inicios del siglo XX, 
cuando W.H. Carrier inventó la refrigeración mecánica (“chiller”) que se desarrolló en 
gran escala después de Segunda Guerra Mundial. La tecnología del aire acondicionado 
y la disponibilidad de energía barata permitieron a los arquitectos e ingenieros de 
edificios mantener una temperatura confortable en cualquier orientación, nivel de 
aislamiento, sombreado y masa térmica. Así, en muchas partes del mundo, la 
refrigeración pasiva y las técnicas de diseño fueron abandonadas hasta que han cobrado 
renovado interés en el último par de décadas alentado por el asunto de la crisis 
energética y el medio ambiente. En los últimos años, los científicos europeos, los 
ingenieros y arquitectos han diseñados con éxito innovadores edificios que utilizan 
técnicas de enfriamiento pasivo, tales como la ventilación natural. La creativa 
combinación de estas técnicas es posible y, de hecho, se han aplicado con provecho. Sin 
embargo, son necesarios un cuidadoso diseño, un cálculo detallado, una atenta ejecución 
y control automático de la operación para lograr una solución satisfactoria. 
Un buen diseño bioclimático puede conseguir ahorros de hasta el 70% para la 
climatización e iluminación de su hogar. Todo ello con un incremento del coste de 
construcción no superior al 15 % sobre el coste estándar. 
El diseño bioclimático no hace referencia a una arquitectura especial, sino 
simplemente a aquella que tiene en cuenta la localización del edificio y el microclima en 
el que se integrará, para adaptar el inmueble al enclave en el que será construido. 
Actuando sobre aspectos como el color de los muros o de los tejados, se puede 
ahorrar energía. Las paredes de color claro reducen la ganancia de calor hasta un 35%. 
Un tejado color claro comparado con uno oscuro puede reducir la ganancia de calor en 
un 50 %. 
Un edificio mal orientado y con una forma inadecuada puede necesitar más del 
doble de energía que uno similar bien orientado. 
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La forma juega un papel esencial en las pérdidas de calor de un edificio. En 
líneas generales, se puede afirmar que las estructuras compactas y con formas 
redondeadas tienen menos pérdidas que las estructuras que tienen numerosos huecos, 
entrantes y salientes. 
La orientación de los muros y ventanas influye decisivamente en las ganancias o 
pérdidas de calor en un edificio. En zonas frías interesa que los cerramientos de mayor 
superficie, los acristalamientos y las estancias o habitaciones de mayor uso estén 
orientados al sur. Y los acristalamientos y superficies orientadas hacia el norte deben ser 
lo más pequeñas posible. 
En zonas muy calurosas, sin embargo, interesa que en las orientaciones con más 
radiación solar (sur y sureste) se encuentran la menor superficie acristalada posible. 
El diseño eficiente de un edificio procurará el máximo aprovechamiento de las 
energías gratuitas, evitará las pérdidas/ganancias de calor no deseada y optimizará el 
buen funcionamiento de los equipos. 
Actuando sobre la envolvente o piel del edificio se pueden captar, conservar y 
almacenar recursos energéticos del entorno inmediato. Además, el modo en que se 
coloquen los diversos huecos y la distribución de las distintas habitaciones podrá 
facilitar la ventilación natural. 
Las ventanas y cristaleras, los invernaderos, los atrios y patios, con una adecuada 
orientación, permiten que la radiación solar penetre directamente en el espacio a 
calentar en invierno, lo que producirá un ahorro de calefacción. 
En verano la disposición de los elementos de sombreado, como los voladizos, 
toldos y persianas, porches, etc., también podrán evitar ganancias de calor, reduciendo 
así la factura del aire acondicionado. 
Un modo de evitar las ganancias de calor en verano es el uso de sistemas 
evaporativos y de rociado de agua. Así, colocar una cortina o lámina de agua en una 
pared, aumenta la sensación de confort en verano. El calor es absorbido por el agua al 
evaporarse y la pared se mantiene a una temperatura menor, con el consiguiente efecto 
refrigerante en el interior de la vivienda. 
Los árboles, setos, arbustos y enredaderas, ubicados en lugares adecuados, no 
sólo aumentan la estética y la calidad ambiental, sino que además proporcionan sombra 
y protección ante el viento. Por otra parte, el agua que se evapora durante la actividad 
fotosintética enfría el aire y se puede lograr una pequeña bajada de temperatura, de entre 
3 y 6 °C, en las zonas arboladas. 
Así mismo, los árboles de hoja caduca ofrecen un excelente grado de protección 
del sol en verano y permiten que el sol caliente la casa en invierno. Además, si 
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rodeamos de vegetación (césped, plantas, ele.) el edificio, en lugar de pavimento de 
cemento, asfalto o similares, lograremos disminuir la acumulación de calor. 
Puede ahorrarse energía en iluminación, a través de diseños que consigan la 
máxima ganancia de luz, sin sobrecalentamiento indeseado. Recuérdese que la luz 
natural que entra en la vivienda depende no sólo de la iluminación exterior, sino 
también de los obstáculos, de la orientación de la fachada, del tamaño de los huecos y 
espesor de los muros, del tipo de acristalamiento, de los elementos de control solar 
existentes (persianas, toldos,...), etc. Para optimizar la iluminación natural se precisa una 
distribución adecuada de las estancias en las distintas orientaciones del edificio, 
situando, por ejemplo, las habitaciones que se utilicen más durante el día en la fachada 
sur. 
1.2. Ventilación natural en edificios 
El papel de la ventilación de los edificios es aceptable para mantener los niveles 
de oxígeno en el aire y para eliminar los olores, la humedad y los contaminantes 
interiores. También puede eliminar el exceso de calor por refrigeración directa o 
mediante el uso de la masa térmica del edificio. 
La dirección del viento y su velocidad varían con el tiempo como resultado de la 
turbulencia del viento y los efectos de la presión de los obstáculos que hacen difícil 
estimar los coeficientes de presión en el medio urbano y para edificios con forma 
compleja 
Los objetivos de la ventilación como mecanismo bioclimático son varios: 
� Cubrir la necesidad de renovación del aire interior. 
� Ayudar al confort térmico en períodos de calor. 
� Contribuir a la climatización. 
Dependiendo de la forma en la que se produzca la ventilación podemos 
distinguir varios tipos: 
Ventilación natural: La ventilación natural es la generada de forma espontánea 
mediante corrientes de aireproducidas por el viento al circular por los huecos existentes 
en el cerramiento de los edilicios. Para que la ventilación natural sea lo más eficaz 
posible las aperturas de huecos deberían localizarse en fachadas opuestas transversales a 
la dirección del viento dominante. Es un mecanismo utilizado en climas cálidos para 
eliminar el exceso de calor de los espacios interiores. 
La ventilación, sin embargo debe realizarse de una manera controlada para que 
la pérdida de calor que produce sea admisible con la sensación de confort. Las juntas de 
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las aperturas de muros para ventilar también deben ser tratadas para evitar las 
infiltraciones de aire sobre todo en momentos de mucho viento. 
Ventilación forzada: La ventilación convectiva o forzada se basa en las 
diferencias de temperatura de las masas de aire. El aire caliente tiende a ascender y 
sustituye al aire frío generando corrientes de aire. Estas corrientes pueden ser 
provocadas mediante la apertura de huecos en la parte superior del edificio de manera 
que el aire caliente pueda salir al exterior. Esta salida puede ser potenciada mediante un 
calentamiento suplementario de la masa de aire. Este mecanismo de ventilación es el 
principio de funcionamiento de las chimeneas solares. 
 
Figura 1.1 
El aire de renovación debe ser de menor temperatura por lo que debe proceder 
de un lugar fresco por ejemplo de un patio, un sótano o mediante tubos enterrados 
aprovechando la inercia del suelo. Es necesario establecer un mecanismo de control de 
la renovación de aire para que ésta no llegue a producir una sensación de disconfort. 
Una ejemplo de solución constructiva donde se pueden aprovechar los 
beneficios de la ventilación por convección es la denominada fachada ventilada, 
conformada por una lámina exterior separada del muro mediante una cámara de aire 
abierta en sus extremos lo que genera una corriente de aire convectiva que contribuye al 
enfriamiento y al aislamiento interior. 
La solución constructiva en la que se va a centrar este proyecto y que va a ser 
analizada detalladamente es el tiro térmico. 
1.2.1. Criterios de rendimiento 
Son los criterios de rendimiento relacionados con los objetivos de la ventilación: 
El control de la calidad del aire y el confort térmico. 
Los criterios para el control de la calidad del aire se definen en términos de los 
tipos mínimos de ventilación o por la restricción de la concentración de contaminantes a 
niveles aceptables [por ejemplo, ASHRAE Standard 62 (ASHRAE, 1999)]. El diseño de 
una tasa mínima de ventilación es sencillo, mientras que el diseño de limitar la 
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concentración de contaminantes en el aire es mucho más difícil. En consecuencia, la 
mayoría de las veces la tasa mínima de ventilación es el enfoque adoptado en el diseño 
de la ventilación natural y de los sistemas de ventilación mecánica, aunque el mínimo 
recomendado de las tasas de ventilación se han modificado muchas veces. 
Los criterios para el confort térmico en edificios con ventilación natural y aire 
acondicionado son diferentes. Cada vez es más evidente que las personas tienen más 
posibilidades de adaptarse a las variaciones estacionales, cuando se les da la 
oportunidad de controlar el sombreado solar y velocidad del aire, lo que permite mayor 
rango de variación de la temperatura del aire en la ventilación natural cuando se utiliza. 
Este rango aumenta cuando la ventilación natural o híbrida se utiliza para el 
enfriamiento, en la noche, de la masa térmica de la construcción ya que la temperatura 
media radiante de las superficies de la pared caerá por debajo de la temperatura del aire 
interior. Los beneficios de la velocidad del aire y la temperatura radiante pueden ser 
calculados utilizando un índice de confort térmico igual a la media ponderada de la 
temperatura media radiante en la sala, Tmr y la temperatura del aire de la habitación, Ta 
(CIBSE): 
10
1 10
mr a
c
T T u
T
u
+
=
+
 (Ec. 1.1) 
Donde Tc (° C) es la temperatura de confort, Tmr (° C) es la temperatura media 
radiante, Ta es la temperatura del aire de la habitación y u (m/s) es la velocidad del aire. 
Para velocidades de aire bajas, del orden de u ≈ 0,1 m / s, la temperatura 
resultante es aproximadamente el promedio de la temperatura media radiante y la 
temperatura del aire de la habitación, Tc = (0,5 Tmr + 0,5 Ta). En velocidades de aire 
relativamente altas, u = 2 m / s, cerca de la parte superior del límite aceptable en 
edificios de oficinas, la media ponderada tiende a ser dominada por la temperatura del 
aire la habitación, Te = (0,2 Tmr + 0,8 Ta), reduciéndose el impacto de la radiación. 
Cuando se aplican estrategias de refrigeración para la noche, la ventilación 
natural durante el día, normalmente, limita la tarifa mínima necesaria para el control de 
la calidad del aire para evitar el sobrecalentamiento del edificio, y, mediante la 
reducción de la velocidad del aire, el impacto radiante será aprovechado al máximo, 
como es deseable. Cuando la ventilación natural se utiliza para la refrigeración, el límite 
superior del confort térmico de la zona puede ser superado de vez en cuando debido a 
las variaciones estocásticas de las fuerzas motrices naturales. Por lo tanto, además de 
una buena definición del confort térmico de la zona, se necesita un criterio para limitar 
el sobrecalentamiento. El Manual de Diseño Ambiental BRE (Petherbridge 1988) pone 
límites a la media, a la desviación típica de verano y a las temperaturas del aire interior 
de 23 ± 2 ° C para edificios de oficinas “formal offices” y 25 ± 2 ° C para las 
“informal offices”. En los Países Bajos, la temperatura seca resultante no debe ser 
mayor de 25 ° C durante más del 5% de las horas de trabajo y 28 ° C durante más de 1% 
de las horas de trabajo. Sin embargo, estos y otros valores absolutos no cuantifican el 
grado de exceso de calefacción. Una norma que se utiliza en Zurich, Suiza (Irving y 
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Uys, 1997) consiste en la estimación del comportamiento adaptativo, mediante el 
empleo de un límite máximo de confort térmico que varía con la temperatura del aire 
exterior, y de las variaciones estocásticas, considerando la integración de las horas-
grado estimadas de recalentamiento calculado como la diferencia entre la temperatura 
del aire interior y confort límite superior. 
1.2.2. Física de la ventilación natural 
El flujo de aire se describe matemáticamente por un conjunto de ecuaciones 
diferenciales de masa, de momento y la conservación de la energía. La solución de este 
complejo conjunto de ecuaciones diferenciales es, en efecto, un formidable problema. 
Una solución general de estas ecuaciones todavía no se ha encontrado y la 
solución numérica para un sistema arbitrario tridimensional requiere el uso de un 
superordenador. 
1.2.2.1. Descripción del régimen turbulento 
El flujo turbulento es uno de los problemas sin resolver de la física clásica. A 
pesar de más de 100 años de investigación, todavía se carece de un completo 
entendimiento del flujo turbulento. No obstante, el principio físico de las características 
de los flujos turbulentos, en especial en sus aplicaciones en la ingeniería, están bien 
determinado. 
La distorsión del flujo turbulento presenta un patrón de gran complejidad. El 
flujo se dice que contiene remolinos que durante un tiempo conservan su identidad con 
la deriva de la corriente, pero que finalmente, se rompen en pequeños remolinos. El 
campo de velocidades de un flujo turbulento puede ser considerado como la 
superposición de una larga serie de remolinos de diversos tamaños, la mayor parte de 
las cuales están limitados por la dimensióntransversal de la corriente y los más 
pequeños son los que desaparecen rápidamente por causa de las fuerzas viscosas. 
Los análisis matemáticos del flujo viscoso laminar muestran que las 
perturbaciones infinitesimales de la circulación pueden crecer exponencialmente con el 
tiempo cada vez que el número de Reynolds es lo suficientemente grande. En estas 
condiciones, el flujo es inestable y no puede permanecer constante, porque siempre hay 
algunas perturbaciones en la corriente que puede crecer espontáneamente. Estas 
perturbaciones crecen para formar remolinos. El tamaño de los remolinos es comparable 
a la dimensión transversal de la corriente. La magnitud de la velocidad suele ser 
aproximadamente un 10% el promedio de velocidad de flujo. Estos grandes remolinos 
son inestables, los remolinos más pequeños son reemplazados por nuevos remolinos que 
se están generando continuamente. 
La generación y la disolución de remolinos proporcionan un mecanismo para la 
conversión de la energía media del flujo en energía de disipación viscosa de las 
moléculas de los remolinos más pequeños. En comparación con un flujo laminar del 
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mismo Número de Reynolds, un flujo turbulento es como un cortocircuito en la 
corriente de flujo, en la cual aumenta la velocidad a la que la energía se pierde. Como 
consecuencia, un flujo turbulento produce mayor arrastre fuerzas y pérdida de carga de 
presión que un flujo laminar, en las mismas condiciones de flujo. 
Cuando la inestabilidad de la corriente no es elevada, y es más parecida a una 
pequeña perturbación de la media de la corriente, el campo de velocidades se puede 
expresar como la suma de un valor medio, obtenido por un promedio de la velocidad en 
el tiempo y un componente variable. La energía cinética turbulenta, que es una medida 
de la cantidad de energía cinética que se ha invertido en el movimiento turbulento de la 
corriente, asciende, en general, a sólo un pequeño tanto por ciento de la energía cinética 
promedio del flujo. Aun así, el campo de velocidades produce una rotura en la corriente 
más grande que la que existiría si el flujo fuese laminar. Los remolinos mayores 
contribuyen más a la energía turbulenta y los más pequeños contribuyen más a la 
disipación de energía. 
1.2.2.2. Flujo a través de las aberturas 
El flujo de aire a través de una abertura se deriva de la ecuación de Navier-
Stokes. Su resolución suponiendo estado estacionario, flujo desarrollado y la caída de 
presión para un flujo infinito entre placas paralelas o de una corriente que inciden en un 
agujero, orificio o boquilla aporta la siguiente expresión: 
( )
2
2
0.5
d
Q
P
C A
ρ⋅ ⋅
∆ =
⋅
 (Ec. 1.2) 
Donde ∆P es la diferencia de presión a través de la apertura (Pa), ρ es la 
densidad del aire (kg/m3), Q es el caudal medio de aire (m3 / s), Cd es el coeficiente de 
descarga, un número sin dimensiones que depende de la geometría de la apertura y del 
número de Reynolds, y la A es la sección transversal de la apertura (m2). 
Las aberturas en el edificio son poco uniformes en la geometría y, en general, el 
flujo no está totalmente desarrollado. El flujo puede ser descrito por la ecuación (1.2), 
donde A es un área equivalente y Cp depende de la apertura de la geometría y la 
diferencia de presión. Por otra parte, se puede utilizar una ley empírica como la 
siguiente: 
( )
1
nQ
p
c
∆ =
 (Ec. 1.3) 
Donde el coeficiente de flujo c [m3 / (s Pan)] y el flujo exponente adimensional 
del flujo n se determina experimentalmente y no tienen un significado físico. Para flujo 
laminar, n = 1, para el flujo turbulento n = 0,5 y para el flujo de transición n está entre 
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0,6 y 0,7. Una ley empírica similar puede ser utilizada también para las rejillas de auto-
regulación (“self-regulating”) de ventilación. Estas rejillas de auto-regulación son 
reguladas mediante la presión de entrada y proporcionan un caudal de aire 
relativamente constante en un determinado rango de presión. La baja dependencia del 
flujo con la presión puede ser modelada con un pequeño valor de la exponente n, por 
ejemplo, n = 0,1. Una rejilla normal en la apertura de un edificio puede ofrecer el 
mismo tipo de flujo de aire a una presión de diseño de 12 Pa pero tendría un 
comportamiento diferente, y se modela con el exponente n = 0,5. 
 
Figura 2: Ley de comportamiento de una rejilla normal y una 
rejilla de autorregulación 
1.2.2.3. La presión del viento 
La presión media del viento sobre una superficie viene dado por 
2
2
p
w
C v
p
ρ⋅ ⋅
= (Ec. 1.4) 
Donde Cp, es el coeficiente de presión y v (m/s) la velocidad media del viento 
en un nivel determinado, comúnmente a la altura habitual de construcción de las 
aperturas. El coeficiente de presión, Cp se suelen medir en túneles de viento o calcular 
utilizando los métodos CFD (Computacional Fluid Dynamics). Este coeficiente puede 
ser positivo o negativo dependiendo de la forma y la ubicación de la construcción. 
Según Walker y Wilson (1994), por un edificio con forma de paralelípedo y aislado esta 
variación es: 
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Coeficientes de presión del viento 
Planta 
Cp(0º) Cp(90º) Cp(180º) Cp(270º) 
6 0.70 -058 -0.36 -0.58 
5 0.70 -0.58 -0.36 -0.58 
4 0.72 -0.55 -0.35 -0.55 
3 0.58 -0.48 -0.34 -0.48 
2 0.41 -0.38 -0.29 -0.38 
1 0.44 -0.17 -0.28 -0.17 
Tabla 1.1: Ejemplo de valores de coeficientes de presión para 
una edificio rectangular. 
En un entorno urbano, a pesar de que los remolinos y las turbulencias son 
importantes, la media de la velocidad del viento se reduce significativamente, en 
aproximadamente un orden de magnitud. Como resultado de ello, la presión inducida 
por el viento sobre la superficie de un edificio es también reducido. Con el fin de tener 
una idea aproximada de la cuantía de esta reducción, se considera el caso de un edificio 
con una altura de 20 metros y una anchura mucho menor, expuesta a un viento 
perpendicular con una velocidad de referencia de 4 m/s incidiendo 10 m sobre el 
edificio. La diferencia de presión entre las dos fachadas opuestas está entre 10-15 Pa, en 
el caso de un edificio aislado o expuestos y de cero para un edificio situado en un denso 
entorno urbano. 
1.3. Chimeneas solares y tiro térmico 
1.3.1. Chimeneas solares y su aplicación en la ventilación 
La chimenea solar es un elemento que originalmente se ideó para un uso 
industrial para la generación de energía eléctrica. En su forma más sencilla, consiste en 
una chimenea pintada de negro. Durante el día, la energía solar calienta la chimenea, 
que a su vez calienta el aire que hay dentro de ella, creando una corriente de aire 
ascendente dentro de la chimenea (o torre). La succión que ésta crea en la base de la 
torre se puede utilizar para ventilar y enfriar el edificio subyacente. En la mayor parte 
del mundo, es más fácil aprovechar la energía del viento para producir una ventilación 
de este tipo, pero en días cálidos y sin viento la chimenea podría proporcionar 
ventilación cuando no es posible producirla de otra forma. Este principio también se ha 
propuesto para la generación de la energía eléctrica, usando un gran invernadero en la 
parte inferior de la chimenea. 
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El principal problema de esta propuesta es la diferencia relativamente pequeña 
entre la temperatura más alta y más baja del sistema. El teorema de Carnot restringe 
enormemente la eficacia de la conversión en estas circunstancias. 
En 1903, el coronel español Isidoro Cabanyes diseñó la primera torre solar en la 
publicación La energía eléctrica. Unode los primeros diseños de una central eléctrica 
basada en la torre solar fue creado en 1931 por un autor alemán, Hanns Günther. A 
principios de 1975, Roberto E. Lucier solicitó las patentes de la torre solar; entre 1978 y 
1981 estas patentes, fueron concedidas en los Estados Unidos, Canadá, Australia e 
Israel. 
Más recientemente con Schlaich, Bergerman & Partner, bajo la dirección del 
Prof. Ing. Dr. alemán Jörg Schlaich, se construyó un modelo de trabajo a pequeña escala 
de una torre solar en 1982 en Manzanares, (España), a 150 kilómetros del sur de 
Madrid, que fue financiada completamente por el gobierno alemán. Esta central 
eléctrica funcionó satisfactoriamente durante aproximadamente 8 años y fue derribada 
por una tormenta en 1989. La torre tenía un diámetro de 10 metros y una altura de 195 
metros, con un área de captación (invernadero) de 46.000 m² que conseguía una 
producción máxima de energía de cerca de 50 kilovatios. 
La máxima potencia eléctrica que puede desarrollar el diseño es de hasta 200 
MW. La chimenea solar propuesta inicialmente debía medir 1 kilómetro de alto, y la 
base 7 kilómetros de diámetro, con una superficie de 38 km². La chimenea solar 
extraería así cerca del 0.5% de la energía solar (1 de kW/m²) que fuese irradiada en el 
área cubierta. Sin embargo, los informes actuales indican que debido a las mejoras en 
los materiales para la absorción de calor que pueden ser utilizados en el invernadero, la 
altura de la chimenea y el diámetro de la base podrían verse reducido sustancialmente 
para incrementar así la eficiencia. 
En este proyecto fin de carrera las chimeneas se van a restringir al marco de la 
ventilación en la edificación. De esta manera la chimenea es una solución constructiva 
que se integra en la edificación, unida a uno o varios recintos a través de una o varias 
aberturas y que mueve el aire contenido en el recinto o local. Dimensionalmente 
presenta una mayor longitud en su altura respecto a las otras dimensiones estando su 
altura comprendida entre los 3 y los 10 metros en aplicaciones para la edificación y el 
área de la sección transversal está normalmente comprendida entre los 0.3 y los 2 m2. 
El principio de funcionamiento de una chimenea solar es la convección natural 
provocada por la diferencia de densidades, que a su vez es una consecuencia de la 
diferencia de temperatura que aparece a lo largo del volumen de aire que circula por la 
chimenea apareciendo, de este modo, lo que se conoce como un tiro térmico. Por tanto 
el motor del movimiento es directamente proporcional a la diferencia de densidades 
del aire, a la diferencia de altura en la que se da esta diferencia de densidad y a la 
gravedad. 
La diferencia entre la denominación de chimenea solar y la de tiro térmico 
estriba únicamente en que el tiro térmico se refiere al efecto de convección natural que 
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tiene lugar en la chimenea y engloba los casos en los que el origen del movimiento 
están originados por el calentamiento del sol y los casos en los que el movimiento está 
provocado por el enfriamiento del aire. 
Así, en la edificación además de utilizarse chimeneas en las que se provoca el 
calentamiento de una determinada masa de aire contenida en el volumen de misma, 
también se utilizan tiros térmicos en los que se provoca un enfriamiento de una 
determinada masa de aire produciéndose así un sentido de circulación del aire opuesto 
al caso anterior. En este caso sería absurdo hablar de chimenea solar, ya que no sería 
posible conseguir el enfriamiento por medio de la acción del sol. Por tanto en el ámbito 
de la edificación se prefiere hablar utilizando el término de tiro térmico, que es el que se 
va adoptar a partir de este punto en la redacción del presente proyecto junto al término 
chimenea que se referirá sobretodo a la estructura material del tiro. 
Así, los dos tipos de tiro térmico que se utilizan en el ámbito de la edificación se 
describen a continuación: 
Tiro térmico directo: En este sistema se produce un calentamiento en una 
determinada masa de aire que eleva su temperatura por encima de la temperatura media 
del volumen de aire de la chimenea produciéndose una disminución en la densidad de 
dicha masa de aire, la cual tienda a circular hacia la parte superior de la chimenea, ya 
que pesa menos que el aire que está más frío, el cual al pesar más tiende a circular a la 
parte inferior de la chimenea. Si el incremento de la temperatura es provocado por la 
acción del sol el sistema recibe el nombre de chimenea solar. 
De este modo con el tiro térmico directo se consigue extraer aire del recinto o 
recintos a los que está conectado mediante una generación positiva de calor en una 
porción del aire del tiro térmico. 
 
Figura 1.3: Ejemplo de uso del tiro térmico en la edificación. 
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Tiro térmico invertido: En este sistema se produce un enfriamiento en una 
determinada masa de aire que disminuye su temperatura por debajo de la temperatura 
media del volumen de aire de la chimenea, produciéndose un aumento en la densidad de 
dicha masa de aire, la cual tienda a circular hacia la parte inferior de la chimenea, ya 
que pesa más que el aire que está más caliente, el cual al pesar menos tiende a circular a 
la parte superior de la chimenea. De este modo con el tiro térmico inverso se consigue 
impulsar aire al recinto o recintos a los que está conectado. 
El enfriamiento del aire necesario para provocar la circulación del aire en el 
sentido deseado se realiza mediante un enfriamiento evaporativo que se practica 
directamente en el seno del aire. Este enfriamiento evaporativo se lleva a cabo mediante 
unos pulverizadores instalados en el interior de la chimenea en la posición en la que 
interese producir la disminución de la temperatura. Este pulverizador tiene que estar 
diseñado de tal manera que suministre gotas de agua con un diámetro menor que aquel 
diámetro crítico que hace que el agua se evapore; De esta manera se consigue que 
disminuya la entalpía total del aire ya que esta es cedida al agua pulverizada. Por tanto, 
se provoca una generación negativa de calor, es decir, un enfriamiento en el seno de la 
porción de la masa de aire del tiro térmico. Obviamente el comportamiento de este 
sistema depende drásticamente del funcionamiento adecuado de los pulverizadores. 
Por último, comentar que el tiro térmico se considera un sistema híbrido de 
ventilación pues suele ir acompañada en su parte superior de un sistema de ventilación 
mecánica que asegura la posible impulsión o extracción del aire según interese en los 
instantes más desfavorables de viento y presión. Estos sistemas mecánicos suelen ser 
extractores que se sitúan en las aberturas de extracción del aire, los Windcatcher que se 
sitúan en la entrada del tiro térmico para ayudar a la impulsión del flujo de aire en caso 
de necesidad y los ventiladores de apoyo (co-axial fans). 
Esto es debido a que en el exterior del edificio se pueden producir condiciones 
de velocidad del viento exterior que anulen el efecto del tiro térmico. Esto hace que los 
órdenes de magnitud de la velocidad en la convección libre sean uno o dos órdenes de 
magnitud menores que en convección forzada. 
Los Windcatcher son sistemas de captura e impulsión de aire y son utilizados 
como mejora de los sistemas de ventilación con la intención de reducir o eliminar la 
necesidad de un ventilador mecánico, con el consiguiente aumento de potencial de 
ahorro de energía y la ampliación de las posibilidades de flujo de aire en general, dado 
que la velocidad del aire exterior no es constante a lo largo de las horas de operación. 
Una configuración óptima consistiría en aprovechar la presión del viento positiva 
cuando esté disponible y reducir al mínimo la resistenciadel flujo de aire en el 
ventilador de la torre. Por ello los Windcatcher están equipados con un sistema de 
capturas de aire que básicamente consiste en un mecanismo que permite diferentes 
configuraciones de las aberturas y de los deflectores. Así el flujo de aire en la torre, es 
decir, el que sale del Windcatcher hacia la torre depende de la velocidad del viento 
exterior y del ángulo de ataque en la entrada. La captura del viento se define con una 
eficiencia ε calculada como el cociente entre la velocidad del flujo de aire que es 
expulsado del Windcatcher hacia la torre v⊥ y la velocidad de flujo del viento exterior 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
15 
refv suponiendo que incide con una componente normal a la apertura de entrada del 
Windcatcher. 
 
Figura 1.4: Aspecto de un Windcatcher. 
En la siguiente figura se puede observar le eficiencia definida y la velocidad del 
flujo de aire impulsado en función de los diferentes tipos de Windcatcher. 
 
Figura 1.5: Eficiencia del Windcatcher en función de la 
velocidad del flujo de aire y de la configuración. 
Todas presentan una estructura simétrica ya que esto aumenta la eficiencia de 
captación si las aberturas están orientadas según las direcciones en la cuales suele soplar 
más el viento en los meses de verano e invierno. Los tres primeros diseños emplean 
unos balanceadores móviles de captura (“swinging lowers”) de diferentes tamaños 
instalados en cada una de las aberturas. Las configuraciones 4 y 5 emplean deflectores 
fijos (“fixed deflectors”) que cambian la dirección del viento hacia la torre. Los modelos 
6 y 7 cuentan con un panel central adicional en combinación con los deflectores fijos en 
la unidad de captura de aire. Los Windcatcher de más usuales son los modelos 4 y 5. 
Los sistemas de chimeneas están disponibles comercialmente en el Reino Unido 
desde hace más de un siglo (Axley, 2001), aunque estos sistemas, hasta hace poco, 
estaban diseñados para habitaciones individuales en lugar de edificios en su conjunto. 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
16 
Los sistemas de ventilación natural Windcatcher distribuidos por Monodraught Limited 
en el Reino Unido ofrecen tasas de renovación de aire altas como, por ejemplo, 5 
renovaciones de aire por hora bajo las condiciones de velocidad del viento relativamente 
baja (3 m/s) medido 10 m por encima del edificio. Estos sistemas también pueden 
emplear para impulsar aires otros elementos de ventilación como son los co-axial fans 
(Ventiladores de apoyo) que son capaces de proporcionar asistencia mecánica durante 
condiciones climáticas extremas. En condiciones de frío, es posible lograr la ventilación 
de aire y la recuperación del calor con un esquema “topdown” mediante el uso de un co-
axial fans para la impulsión. 
1.3.2. Efecto flotación del Tiro térmico 
La diferencia de presión entre dos puntos separados en dirección vertical por la 
distancia z = z2 – z1 es: 
2 1 2 2 1 1p p gz gzρ ρ− = − (Ec. 1.5) 
La densidad del aire depende de la temperatura a partir de la ley para gas ideal, p 
= ρ R T, tenemos: 
0 0
0
T p
p T
ρ
ρ = ⋅ (Ec. 1.6) 
Donde el subíndice 0 designa condiciones normales de aire seco (p0 = 1,2929 
3
kg
m
, T0 = 273,15 K, p0 = 101,3 25 Pa). 
Dado que las diferencias de presión en los sistemas de ventilación son de tres a 
cuatro órdenes de magnitud inferior a p0, la variación de la densidad con la temperatura 
se puede expresar escrito como: 
[ ]
[ ] [ ]
3
3
0 0
1.299 273.15 352.6kg kg KK
mT m
T T K T K
ρ
ρ
⋅   ⋅      = = = (Ec. 1.7) 
Para un aumento de la temperatura con la altura, hay una correspondiente 
disminución en la presión. La diferencia de presión que origina el tiro térmico entre dos 
puntos separados por una distancia vertical ∆ z, también llamada “stack pressure”, ps, es 
la siguiente: 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
17 
( )2 1 2 1 0 0
2 1
1 1
sp p p g z T g zT T
ρ ρ ρ  ≡ − = − ⋅∆ = − ⋅∆  
 (Ec. 1.8) 
Donde T0 es la temperatura en un punto de referencia. 
1.4. Método del Bucle de Presiones 
Los criterios de rendimiento para la ventilación pueden ser formuladas en 
términos de tasas de ventilación, de la calidad del aire o del confort térmico. La mayoría 
de las veces, las tasas de ventilación se utilizan en la práctica del diseño del sistema de 
ventilación. Para este caso, Axley propuso un método basado en las caídas de presión a 
lo largo de los bucles que sigue el flujo de ventilación en su camino desde la entrada 
hasta la salida volviendo de nuevo a la entrada (Axley, 1998, 2000). El método del 
bucle de presiones permite dimensionar directamente los componentes del flujo de aire, 
teniendo en cuenta los fenómenos de flotabilidad y del viento y su combinación, y 
puede aplicarse a los edificios definidos según un modelo multizona ideal. Este enfoque 
puede utilizar representaciones estadísticas de las condiciones ambientales para tener en 
cuenta las condiciones climáticas locales. 
 
Figura 1.6: Ejemplo explicativo del bucle de presiones 
El método de diseño de bucle es un procedimiento sistemático. Para explicar el 
procedimiento se muestran a título de ejemplo inspirado en el edificio Inland Revenue 
Building (Figura 1.6). 
1. Diseñar los bucles del flujo de ventilación que se consideran, es decir, los nodos 
entre los que circula el flujo y la conectividad entre los nodos identificando los 
elementos de ventilación que aparezcan en la sección de un edificio como el del 
dibujo (Figura 1.6). 
2. Para cada bucle del flujo, identificar un nodo de la presión ambiente y la presión 
de los nodos en las entradas y salidas de cada elemento de ventilación (ventanas, 
rejillas, puertas…) (Figura 1.6). 
3. Establecer las condiciones de diseño: En los nodos del exterior definir los 
coeficientes del viento a partir de la temperatura de diseño exterior, de la 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
18 
velocidad y dirección del viento, la temperatura interior deseada y evaluar las 
condiciones ambientales y de densidades del aire interior. A los efectos de este 
ejemplo, unas condiciones representativas para un día de verano pueden ser una 
velocidad del viento vref = 4 m/s, un aire exterior a una temperatura T0 = 20°C y 
la temperatura del aire en los espacios interiores de T3 = 25°C. Aplicando la 
ecuación 1.7, la densidad de aire correspondiente será ρ0 = 1,2028 kg/m
3 y ρ3 = 
1,1826 kg/m3. 
4. Establecer el caudal de ventilación de diseño para cada tipo de entrada aplicando 
continuidad. A los efectos de este ejemplo, el objetivo del diseño consiste en 
proporcionar un caudal de ventilación de 5 ACH (por ejemplo, sobre la base de 
un análisis térmico para mantener la temperatura del aire en los espacios en T3 = 
25 ° C). Para un volumen de la sala de 800 m3, entonces necesitamos un caudal 
de ventilación de la sala de 5 x 800 m3/h, o de 1,10 m3/s. Para mantener una 
distribución uniforme del suministro de aire, sería razonable impulsar la mitad 
de este flujo a través de la mitad izquierda del volumen y la otra mitad del flujo 
de entrada de aire a través del lado derecho del volumen. En consecuencia, el 
caudal de flujo volumétrico a través de la rejilla de auto-regulación de entrada 
“e” tendría que ser Qe = 0,55 m
3/s, mientras que a través de la chimenea “g” 
tendría que ser Qg = 1,10 m
3/s. 
5. Los cambios de presión debido a las resistencias que introducen los 
componentes de ventilación se expresa en términos de los coeficientes 
característicos de diseño de los componentes. Es útil para mantener la carga de 
presión que induce la chimenea y la contribución de la presión del viento 
separadas a fin de que con vientoy sin viento los casos puede ser mejor 
evaluados. 
e g s wp p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ (Ec. 1.9) 
Para el presente ejemplo: 
( ) ( )
( ) ( )
0 3 2
2
2
2 3
14 20
1.2028 1.1826 9.8 3.5 0.69
1.2028 4
0.3 0.5 7.70
2 2
s i
ref
w p p
kg m
p g z m Pa
m s
kg m
v sm
p C C Pa
ρ ρ
ρ
− −
  ∆ = − ∆ = − =  
  
   ⋅    ∆ − = + =
 
Aquí se va a considerar la rejilla de entrada de auto-regulación modelada con un 
exponente n=0,1, (Ec. 1.3) 
( )
1
3 0,1
1
1 10
0,1
0,55 0.02533n
e
e
e e
e
m
sQ
p
c cc
 ∆ = = = 
 
 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
19 
Y la chimenea se define mediante la ecuación clásica para orificios (Ec.1.2): 
( )( )32 3
2 2 2 2 2
1.1826 1.10 1.9874
2 2 0.6
g
g
d g g g
kg m
Q sm
p
C A A A
ρ
∆ = = =
⋅ ⋅
 
Sustituyendo estos resultados en la ecuación 1.9: 
10 2
0.69 sin0.02533 1.9874
0.69 7.70
e g
Pa viento
Pa con vientoc A
  
+ =    + 
 
6. Determinar el mínimo tamaño posible de los componentes de la ventilación 
evaluando los límites asintóticos de cada uno de los componentes en función de 
su parámetro característico correspondiente: 
10 2 10
10 2 2
0.69 sin0.02533 1.9874 0.02533
lim
0.69 7.70
0.72 sin
0.56
0.69 sin0.02533 1.9874 1.9874
lim
0.69 7.70
g
g
A
e g e
e
A
e g g
Pa viento
Pa con vientoc A c
or
viento
c
con viento
Pa viento
Pa con viec A A
→∞
→∞
  
+ = ≤    + 

≥ 

 
+ = ≤   + 
2
2
1.70 sin
0.49
g
nto
m viento
A
m con viento




≥ 

 
Así, el diseñador puede llegar a la conclusión de que la apertura de escape de la 
chimenea debe ser mayor que 1,70 m2 para el caso sin viento y que 0,49 m2 para el 
caso con el viento. 
7. Desarrollar y aplicar un número suficiente de reglas técnicas de diseño o 
limitaciones para transformar los problemas indeterminados y convertir las 
ecuaciones que proporciona el método del bucle de presiones en un sistema de 
ecuaciones determinado. Por ejemplo, asumamos que una rejilla de extracción 
tiene una apertura máxima de 0,50 m2. Cuatro de estos terminales pueden ser 
utilizados para proporcionar la apertura máxima total de Ag = 2 m
2 > 1,70 m2 
para el caso sin viento. La sustitución de esta limitación de diseño en las 
ecuaciones, determina el tamaño de la rejilla de entrada para el caso sin viento: 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
20 
10 2 10 2
3
0.1
0.02533 1.9874 0.02533 1.9874
0.69
2
:
0.82
e g e
e
Pa
c A c
o
m
c
s Pa
   
+ = + =       
=
⋅
 
El valor del parámetro característico de la rejilla de auto-regulación puede ser 
determinado a partir de la literatura. 
8. Desarrollar una estrategia operacional para satisfacer el caudal de ventilación 
para las variaciones en las condiciones de diseño (por ejemplo, para los casos 
con y sin viento). En este caso es razonable reducir la apertura de extracción 
para el caso con viento manteniendo las mismas condiciones en las rejillas de 
auto-regulación en la entrada. Esta estrategia operacional se utiliza en el edificio 
de Inland Revenue Building, donde las aberturas de salida están ajustados 
durante el día a las condiciones de viento reinantes. Para determinar la apertura 
de salida en el caso de viento, una vez más, simplemente se sustituye en la 
ecuación del bucle, ahora utilizando ce = 0.82 m
3 / (s P0.1): 
( )10 2 10 2
2
0.02533 1.9874 0.02533 1.9874
0.69 7.70
0.82
:
0.49
e g g
g
Pa
c A A
obteniendo
A m
   
+ = + = +      
   
=
 
Por lo tanto, una posible solución de diseño final sería si la apertura total de la 
chimenea fuera diseñada para ser regulable de 0,49 a 2,0 m2 para una rejilla de auto-
regulación ce = 0.82 m
3/(s Pa0.1). En este punto, el diseñador puede entonces pasar a 
la tarea de dimensionamiento de los componentes en las plantas restantes. (Axley, 
1999). 
1.5. Estrategias de ventilación natural 
Las fuerzas impulsoras de la ventilación natural pueden ser utilizadas para las 
diferentes estrategias de ventilación: 
� Ventilación inducida en una sola cara por la acción del viento. 
� ventilación cruzada por la acción del viento. 
� Presión debida a las fuerzas de flotabilidad del tiro térmico. 
Cuando la ventilación es necesaria para habitaciones individuales, ventilación 
“single side”, la ventilación natural puede ser la única opción disponible. Los sistemas 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
21 
de ventilación cruzada proporcionan ventilación a un piso de un edificio y dependen de 
la forma de construcción y del medio ambiente urbano. Las chimeneas de ventilación 
proporcionan ventilación a la construcción en su conjunto, y dependen de la forma de la 
construcción y del diseño interior. 
Las combinaciones de todas estas estrategias es la manera de contar con todas 
las ventajas de cada una de ellas. 
1.5.1. Ventilación inducida por la acción del viento en un lado de la fachada del 
recinto 
La ventilación natural, mediante la apertura de una ventana, permite que el flujo 
de aire entre en una habitación cerrada. El flujo de aire a través de la apertura se debe a 
las fuerzas del viento y de flotabilidad. El viento tiene una componente media y una 
componente de fluctuación que puede variar a lo largo de la apertura y producir un 
efecto de bombeo. Cuando la temperatura en el interior es más alta que la exterior, la 
flotabilidad hace que el aire frío entre en la parte inferior y el aire caliente en la parte 
superior de la apertura. Un modelo empírico de este fenómeno complejo es el siguiente 
(de Gidds and Phaff, 1982): 
( )0.51 2 3eff rv c v c H T c= + ⋅∆ + (Ec. 1.10) 
Donde c1 (c1 ≈ 0,001) es un coeficiente adimensional en función de la apertura 
de la ventana, c2 y c3 (c2 ≈ 0,0035, c3 = 0,01) son las constantes de flotabilidad y del 
viento, respectivamente, vr (m / s) es la velocidad media del viento, H (m) es la altura de 
la apertura y T (K) es la diferencia media de temperatura entre el interior y el exterior. 
El flujo a través de la apertura es: 
0.5 w effQ A v= ⋅ ⋅ (Ec. 1.11) 
Donde Aw es el área efectiva de la ventana abierta. Las recomendaciones cuando 
sólo hay en un lado una ventana de ventilación de la zona es elegir una superficie 1/20 
del área total de la planta, una altura de alrededor de 1,5 m y un máximo de profundidad 
de la sala de 2,5 veces la altura de techos. 
Se va a considerar la posibilidad de una típica oficina con altura h = 2,75 m, una 
ventana de altura h = 1,5 m y un área de ventana = de 1/20 veces el área de la planta, Aw 
= A/20. El volumen de esta sala es V= w h l = 2.5 h A. El flujo a través de la apertura 
sería Q = 0.5 A veff. Expresando esta corriente en renovaciones de aire por hora, se 
obtiene: 
3600 3600 0.5
0.5
2.5 20w eff eff
ACH A v v
V h
= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅
⋅
 (Ec. 1.12) 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
22 
Cuando la diferencia entre la temperatura interior y exterior es baja, o cuando la 
velocidad del viento es baja, el caudal del flujo de aire es bajo. La ventilación a una cara 
es una solución que no es muy efectiva para el enfriamiento por ventilación durante los 
períodos de verano. 
 
Figura 1.7: Ventilación con aberturas en un lado de la fachada. 
1.5.2. Ventilación cruzada inducida por el viento 
El flujo de viento en un edificio tiende a inducir de manera positiva (hacia 
adentro) las presiones sobre la superficie expuesta y de manera negativa en la superficie 
no expuesta (hacia el exterior) con lo que la creación de una red de diferencia de 
presión a través de la sección del edificio induce una seria de corrientes de aire de 
ventilación cruzada. La ventilación cruzada se produce cuando el aire entra en el 
edificiopor un lado, se extiende por el interior del recinto y sale del edificio por el otro 
lado. (Figure 1.8) 
 
Figura 1.8: Ventilación cruzada. 
Donde la presión positiva ∆pww de la fachada expuesta y la presión negativa 
∆plw de la fachada no expuesta son, de hecho, las diferencias de presión del aire, entre la 
presión del aire antes de la entrada en la abertura o justo a la salida de la misma y la 
presión del flujo libre de aire. Esta diferencia de presión varían rápidamente con el 
tiempo, debido a la turbulencia del viento en el flujo de aire, y con la posición debido a 
los efectos de la forma aerodinámica de la construcción, sin embargo, en promedio, se 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
23 
pueden relacionar con una velocidad de referencia en un tiempo promedio aproximado 
como es la velocidad del viento vr: 
2
2
(Ec.1.13)
(Ec.1.14)
2
2
r
ww p ww
r
lw p lw
v
p C
v
p C
ρ
ρ
−
−
 
=  
 
 
=  
 
 
Donde ρ es la densidad del aire, ρ vr / 2 es la energía cinética por unidad de 
volumen de referencia de la velocidad del viento y Cp-ww> 0, Cp-lw <0 son los 
coeficientes de presión para fachada expuesta y fachada no expuesta. La velocidad de 
referencia del viento es un promedio de la velocidad del viento a 10 m de altura por 
encima del edificio. La diferencia de presión del viento entre las fachadas es: 
( )
2
2
r
w ww wl p ww p lw
v
p p p C C
ρ
− −
 
∆ = − = −  
 
 (Ec. 1.15) 
Teniendo en cuenta, por ejemplo, los cambios de presión a lo largo de una 
determinada trayectoria del flujo de aire de ventilación en la figura 1.8: 
intw inlet ernal exhaustp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.16) 
Para las condiciones típicas de diseño, la velocidad del viento de referencia es 
alrededor de 4 m/s, el valor del coeficiente de presión de la fachada expuesta es 
alrededor de +0,5, el valor del coeficiente de presión de la fachada no expuesta es 
alrededor de -0,5 y la densidad del aire aproximadamente 1,2 kg/m3. Por lo tanto, 
podemos esperar que la presión del viento para la ventilación cruzada sea de unos 10 
Pa: 
( ) ( ) ( )( )
( )22 31.2 4
0.5 0.5 9.6
2 2
ref
w p ww p lw
kg m
U smp C C Pa
ρ
− −
⋅ 
∆ = − ⋅ ≈ + − − ⋅ =  
 
 
Los 10 Pa de presión es un valor relativamente pequeño con respecto al valor 
típico de la diferencia de presión de impulsión de un ventilador siendo uno o dos 
órdenes de magnitud más grande. Por lo tanto, para lograr caudales similares de 
ventilación, la resistencia ofrecida por el sistema de ventilación natural tendrá que ser 
relativamente pequeña con respecto a los sistemas de ventilación mecánica. 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
24 
Este sistema de ventilación natural adolece de una deficiencia fundamental: 
depende de la intensidad y dirección del viento. Como cambian la dirección del viento, 
así lo harán los coeficientes de presión del viento. En consecuencia, la presión del 
viento puede caer a valores bajos, incluso cuando prevalecen las condiciones de viento, 
con lo que disminuye el caudal de ventilación natural. Cuando la velocidad del viento 
baja, de nuevo disminuye la presión del viento y se reduce el flujo de aire 
independientemente de la dirección del viento. 
La variabilidad de la presión del viento induce a adoptar medidas especiales 
como la auto-regulación de la presión de aire o las instalación de Windcatchers y la 
realización de diseños que hacen que el edificio sea insensible a las variaciones de los 
vientos (por ejemplo, dobles fachadas). La variabilidad de la presión inducida por el 
viento hace que se tome como condición de diseño “viento cero” como una condición 
crítica a pesar de que algunos estudios indican que esta condición es poco probable en 
muchos lugares, aunque se puede dar con una corta duración (Skaret Et al, 1997; 
Deaves y Lines, 1999; Axley, 2000). 
A pesar de estas deficiencias, el viento impulsado por la ventilación cruzada se 
ha empleado en algunos edificios de reciente construcción no residenciales, a pesar de 
que su uso es poco frecuente. Los ejemplos incluyen la tienda de máquina de la Queen's 
Building de la Universidad De Montfort, Leicester, Inglaterra, diseñado por los 
arquitectos de Short Fort Max Associates y los ingenieros de Max Fordham Associates, 
y una serie de rascacielos diseñado por el arquitecto Ken Yeang de TR Hamzah y 
Yeang Sdn Bhd, Malasia. 
Incluso dentro del tiempo promedio de elaboración de las hipótesis de los 
modelos, existen importantes fuentes de incertidumbre que debe tenerse en cuenta. Los 
coeficientes de la presión del viento, Cp, rara vez se conoce con certeza ya que varían 
con la posición en la envolvente del edificio, son sensibles a los pequeños detalles de 
forma, son significativamente alterados por la proximidad de otras viviendas cercanas al 
edificio, varían con la dirección del viento y se ven afectados por la porosidad de la 
construcción. 
Las características del viento generalmente se conocen con certeza sólo para los 
aeropuertos donde se tienen registros detallados. En consecuencia, la evaluación de la 
velocidad de referencia y la dirección del viento en un determinado sitio es siempre 
problemática y está sujeta a error. 
Por último, los coeficientes empíricos asociados a la resistencia al paso del flujo 
introducen otra fuente de incertidumbre, aunque tal vez no tan significativas como las 
debidas a las incertidumbres del viento. 
1.5.3. Ventilación por tiro térmico 
El aire caliente dentro de un edificio tenderá a subir y la corriente de aire saldrá 
por el nivel superior de extracción mientras que el aire exterior más fresco tenderá a 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
25 
entrar a través de las entradas de aire inferiores para reemplazarlo. Por ejemplo, el bucle 
de presión se muestra en la Figura 1.9 es: 
0 int 0inlet ernal i exhaustg z p p g z pρ ρ⋅ ⋅∆ − ∆ − ∆ − ⋅ ⋅∆ − ∆ = (Ec. 1.17) 
La presión de la chimenea es igual a las pérdidas: 
in ints let ernal exhaustp p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.18) 
La carga de presión que introduce el tiro térmico varía con la altura de la 
construcción, h, y la diferencia de temperatura entre el interior y exterior: 
( )0
0
352.6 352.6
s i
i
p g z g z
T T
ρ ρ
 
∆ = − ⋅ ⋅∆ = − ⋅ ⋅∆ 
 
 (Ec. 1.19) 
Durante los períodos cálidos, como la temperatura exterior del aire se aproxima 
a la temperatura interior, la diferencia de presión de la chimenea para edificios altos de 
varios pisos cabe esperar que sea pequeño en relación con la diferencia de presión 
inducida por el viento. Así, por ejemplo, para un edificio de tres pisos de 10 m de altura, 
la diferencia entre la temperatura interior y la exterior debe ser alrededor de 23 ° C con 
el fin de obtener una diferencia de presión de unos 10 Pa, típica de la diferencia de 
presión inducida por el viento. Para un edificio de ocho pisos, esta diferencia de 
temperatura debe ser de 10 º C (Figura 1.9.). Además, para los pisos altos, la carga de 
presión de la chimenea disponible para conducir el flujo de aire por convección natural 
será proporcionalmente menor. 
 
Figure 1.9: Ventilación con tiro térmico. 
Para el control de la calidad del aire en invierno, cuando las grandes diferencias 
de temperaturas entre el exterior y el interior son de esperar, las fuerzas de flotación que 
induce la chimenea será más eficaz, si bien las diferencias de distribución de aire en las 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
26 
plantas deben tenerse en cuenta para el adecuado dimensionamiento de las aperturas de 
impulsión de ventilación. 
En la práctica, las configuraciones de las chimeneas a menudo han logrado tasas 
de ventilación aceptable, pero el viento complicael comportamiento del sistema con 
chimenea. La ventilación provocada por los efectos de la flotabilidad por sí sola no 
puede llegar a ser una muy buena estrategia para el enfriamiento. Habida cuenta de que 
bajo condiciones de viento puede ser poco efectivo un sistema de ventilación simple por 
efecto de la flotabilidad del aire impulsado por una chimenea, no es probable que se 
utilice en la práctica. Por lo tanto, se recomienda usar una combinación de los efectos 
originados por el viento más el provocado por la chimenea de ventilación. 
1.5.4. Combinación del tiro térmico y la acción del viento 
Si está bien diseñado, el sistema de ventilación con chimenea se sirve de los 
efectos del viento y de flotabilidad. Por ejemplo, consideremos una chimenea de 
ventilación bajo la influencia combinada del viento y la flotabilidad (Figura 1.10). Este 
sistema es similar a la que se ilustra en la Figura 1.9, pero con un dispositivo añadido en 
la abertura de la chimenea que puede responder a la dirección del viento dominante para 
maximizar la presión negativa inducida por el viento (por ejemplo “operable louvers”, 
“rotating cowls”). 
Un bucle de presión representativo sería, por ejemplo, el bucle p1 – p2 – p3, - p4 - 
p5 – p6 – p7, donde ahora se ahora incluyen tanto la diferencia de presión originada por 
el efecto de flotabilidad como la originada por el viento que aparecen como una simple 
suma: 
in ints w let ernal exhaustp p p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.20) 
Donde haciendo uso de las ecuaciones 1.15 y 1.19: 
( )
( )
0
2
2
s s i
r
w p inlet p exhaust
p p g z
v
p C C
ρ ρ
ρ
− −
∆ ≡ = − ⋅ ⋅∆
 
∆ = − ⋅ 
 
 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
27 
 
Figura 1.10: Ventilación con tiro térmico más la acción del 
viento. 
Las ecuaciones para el bucle de presión para cada uno de los otros cinco 
circuitos de ventilación de la Figura 1.10 asumirán la misma forma general, aunque los 
valores de los distintos parámetros cambiarán. Para el bucle de presión que se muestra 
en la Figura 1.10, tanto el coeficiente de presión de entrada del viento Cp-inlet como el 
coeficiente de salida Cp-exhaust, es probable que sean negativos ya que ambos 
corresponden a la fachada no expuesta. En consecuencia, la diferencia de presión del 
viento actuará impulsando aire en la dirección indicada sólo si el valor absoluto de 
salida es mayor que la de la entrada. Por este motivo, la diferencia de presión del viento 
del sistema de ventilación tiende a ser más grande en la entrada que en la salida. Como 
resultado de ello, las entradas de ventilación se han diseñado en consecuencia, teniendo 
en cuenta los caudales de ventilación que caben esperar que sean menores en estas 
habitaciones y que pueden que se inviertan en determinadas condiciones. 
La utilización de rejillas de autorregulación de ventilación puede servir para 
mantener el nivel de diseño del caudal de ventilación, pero no puede inhibir el flujo de 
recirculación o proporcionar un flujo cuando la presión ∆ps + ∆pw cae a cero o se hace 
negativo. 
La contribución de la chimenea ∆ps, actuará para compensar la baja velocidad 
del viento o el cambio de signo de la diferencia de presione del viento. Las chimeneas 
de ventilación que se extienden por encima de los tejados, en especial cuando está con 
Windcatcher, tienden a crear una succión negativa que son relativamente 
independientes de la dirección del viento. 
Por lo tanto, estos sistemas de chimeneas híbridos superan la mayor limitación 
de los sistemas simples de ventilación cruzada identificados anteriormente al tiempo 
que suministran corrientes de aire similares en distintas salas del edificio. Como 
resultado de estas ventajas, el sistema de ventilación con chimenea (sobretodo 
utilizando un atrio central) se han convertido en el sistema más popular de ventilación 
natural utilizado en los edificios comerciales en los últimos años y una serie de 
fabricantes han desarrollado componentes especializados para suministrar estos 
sistemas. 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
28 
1.5.5. Combinación de estrategias fundamentales 
La mayoría de las veces, las tres estrategias básicas mencionadas anteriormente 
(ventilación inducida por una sola cara, ventilación cruzada y ventilación debida a las 
fuerzas de flotabilidad del tiro térmico) se utilizan simultáneamente en los edificios para 
controlar las necesidades de ventilación. El ejemplo más notable de este enfoque se 
encuentra en el Queen's Building de la Universidad De Montfort en Leicester, 
Inglaterra, un edificio que ha demostrado ser el más influyente de la primera generación 
de los nuevos edificios con ventilación natural. 
1.5.6. Ventilación solar 
A menudo, existe poca dificultad en el suministro del flujo de aire en un edificio 
cuando el viento ayuda a la chimenea. Sin embargo, dado que la velocidad del viento se 
reduce en un entorno urbano, los sistemas de ventilación natural en las zonas urbanas 
suelen ser diseñado sobre la base de un sistema donde se tiene en cuenta únicamente el 
efecto de flotabilidad que introduce la chimenea. Cuando la diferencia de presión 
inducida por el tiro térmico resultante de la diferencia de temperatura entre el interior y 
el exterior no es suficiente, entonces la ventilación solar puede ser una alternativa. El 
principio es aumentar la carga de presión de la chimenea mediante el calentamiento del 
aire de ventilación en la chimenea, resultando una mayor diferencia de temperatura que 
en los sistemas convencionales. 
 La pérdida de presión de un colector solar es: 
s i d ep p p p∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.21) 
Donde ∆pi, ∆pd y ∆pe son las pérdidas de la entrada, la distribución y las 
pérdidas de presión de salida, respectivamente. Dependiendo de la posición del control 
de amortiguación (“control damper”), ∆pi y ∆pe formarán parte de las pérdidas de 
presión del control. La presión de la chimenea es: 
0 0
1 1
s
e i
p T g z
T T
ρ  ∆ = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅∆  
 (Ec. 1.22) 
Donde Ti es la temperatura del aire de entrada al colector, normalmente igual a 
la temperatura del interior del recinto, y Te es la temperatura de salida del colector 
(Awbi, 1998): 
( ) expe i
e p
B w HA AT T
B B c Qρ
 − ⋅ ⋅= + − ⋅  ⋅ ⋅ 
 (Ec. 1.23) 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
29 
Con 1 1 2 2w wA hT h T= + y 1 2B T T= + , donde h1 y h2 2
W
m K
 
 
 
 son los coeficientes 
de transmisión de calor para superficies internas del colector, Tw1 y Tw2 (° C) son las 
temperaturas de la superficie del interior del colector, w (m) es el ancho del colector, H 
(m) es la altura entre la toma y la salida de las aberturas, ρe (kg/m
3) es la densidad del 
aire en la salida, Cp (J / (kg K)] es el calor específico del aire y el Q (m
3 / s) es el caudal 
volumétrico de aire. 
El principio del colector solar puede ser utilizada para diferentes tipos de 
dispositivos: muros Trombe, dobles fachadas, chimeneas solares o techos solares. 
Un muro Trombe es una pared de moderado espesor cubierto por un panel de 
cristal, ambos separados por una capa de un espesor de unos 50-100 mm. Es posible su 
utilización para ventilación o para la calefacción (figura 1.11). 
La chimenea solar, sin embargo, es una chimenea con un espesor de unos 200 
mm situada en el Sur o Sur-Oeste de la fachada del edificio. 
Los techos solares se utilizan cuando la altitud solar es grande. En este caso, el 
techo tiene una mayor área de superficie para la recogida de la radiación solar que una 
pared vertical o chimenea. 
 
Figura 1.11: Colector solar usado para (a) ventilación y b) 
calefactar. 
1.6. Estrategias de ventilación natural en el medio urbano 
El uso de la ventilación natural en el medio urbano debe tener en cuenta la 
reducción de la velocidaddel viento, además del ruido y la contaminación. Los sistemas 
de ventilación no pueden depender de las entradas de aire de baja altura del aire exterior 
desde la calle, ya que puede estar contaminado y, además, las entradas deben estar 
protegidas del viento. 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
30 
1.6.1. Chimenea de ventilación 
Está basada en una serie de antiguas estrategias de Oriente Medio que se servían 
de un techo plano con salidas de escape incluyendo la tradicional bagddir iraní o torres 
de viento y los captores de viento o malkaf de Asia oriental están siendo reconsideradas 
para su ampliación y perfeccionamiento técnico. 
En estos sistemas de ventilación, el aire se suministra a través de una chimenea 
fría (esto se consigue manteniéndola adecuadamente aislada de las condiciones 
exteriores mediante un adecuado aislamiento) y es extraído a través de una chimenea 
caliente (figura 1.12). 
 
 
Figura 1.12: Sistema con dos chimeneas, una de impulsión y 
otra de extracción, colocadas a una cierta altura para acceder a 
un aire menos contaminado y con una mayor velocidad del 
viento. 
Se tiene, por ejemplo, el bucle a través de la segunda planta de la Figura 1.12 La 
ecuación para este bucle de presión será similar a la del caso de la combinación de 
viento y flotabilidad para la ventilación: 
ints w inlet ernal exhaustp p p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.24) 
La presión de la chimenea está determinada por la diferencia de densidad entre 
la entrada y la salida y la diferencia de altura desde la salida del aire hasta la entrada del 
flujo, si la temperatura del aire dentro de la chimenea de enfriamiento pueda mantenerse 
distinta a la exterior. 
El flujo de aire a través de cada nivel de piso, por lo tanto, debe ser idéntico al 
que se espera en un sistema simple, si la resistencia al flujo de aire de la chimenea y de 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
31 
sus elementos de entrada y salida es similar a la proporcionada por los elementos de 
ventilación de aire en el caso de la Figura 1.10. 
La presión del viento se determinará por la diferencia entre los coeficientes de 
viento de la entrada y la salida por la energía cinética de la velocidad del viento 
utilizando la ecuación 1.15: 
( )
2
2
ref
w p inlet p exhaust
v
p C C
ρ
− −∆ = − 
Sin embargo, en este caso, la elevada ubicación de la entrada asegura una mayor 
presión de entrada del viento y disminuye la sensibilidad con la dirección del viento. 
Esto, combinado con que la chimenea de extracción es menos sensible a la 
dirección del viento hace que este sistema sea especialmente atractivo para los entornos 
urbanos. 
6.6.2 Tiro térmico con enfriamiento evaporativo 
Una mejora del sistema de ventilación con chimenea, también se basa en 
soluciones de la Antigüedad de Oriente Medio y de Asia oriental, consiste en la adición 
de refrigeración por evaporación a la chimenea de impulsión. Tradicionalmente, la 
refrigeración por evaporación de agua se logró mediante el uso de macetas porosas con 
agua o la utilización de una piscina de agua en la base de la chimenea de impulsión 
(fria). Actualmente, el rociado de agua se realiza en la zona superior de la chimenea lo 
que produce el enfriamiento del aire de y el aumento de su densidad, con lo que 
aumenta el efecto del tiro térmico que induce la diferencia de presión que impulsa el 
flujo de aire. 
El análisis del bucle de presiones del sistema llamado “passive downdraught 
evaporative cooling” es similar al que se planteó para el sistema anterior sin 
evaporación, pero ahora los efectos del aumento del contenido de humedad en la 
flotabilidad deben tenerse en cuenta. 
 Considerando el diagrama que se muestra en la Figura 1.13 se distinguen dos 
alturas: za, la altura por encima del recinto de entrada hasta donde termina la columna 
de aire húmedo en la chimenea de impulsión, y zb la altura en la extracción por encima 
de dicha columna húmeda. La densidad del aire húmedo en la columna de suministro de 
aire, ρs, se acerca a la densidad de saturación que corresponde a la densidad del aire 
exterior a la temperatura de bulbo húmedo (más concretamente, los experimentos 
indican que las condiciones de suministro de aire estará entre 2 ° C la temperatura de 
bulbo húmedo). Por lo tanto, la ecuación del bucle de presiones para un tiempo 
promedio en función del flujo de aire de ventilación en este sistema será: 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
32 
ints w inlet ernal exhaustp p p p p∆ + ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (Ec. 1.25) 
Donde: 
( )
( )
0
2
(Ec.1.26)
2
s b s a i a b
ref
w p inlet p exhaust
p z z z z g
v
p C C
ρ ρ ρ
ρ
− −
∆ = + − +  
∆ = −
 
 
 
Figura 1.13: Sistema de pasivo de ventilación con 
enfriamiento evaporativo en el tiro térmico “Passive 
downdraught evaporative cooling stack ventilation”. 
Para obtener una medida cuantitativa de los efectos de esta estrategia, se 
considera un caso similar al que se indicó anteriormente para el caso que contemplaba 
un sistema que incluía los efectos del viento y del tiro térmico, pero con una altura de la 
columna húmeda, que es igual a la altura de la chimenea, 10 m (es decir, para za = 0 m y 
zb = 10 m). Si el aire exterior tiene una temperatura de 25 ° C y una humedad relativa 
(HR) del 20%, es decir, con una densidad de, aproximadamente, 1,18 kg/m3, este es 
enfriado mediante evaporación dentro de los 2 ° C de su temperatura de bulbo húmedo 
(12,5 ° C ), y su temperatura seca bajará a 14,5 º C y su densidad se incrementará en 
aproximadamente 1,21 kg/m3 con una RH del 77%. Si las condiciones internas se 
mantienen dentro de la zona de confort térmico para estas condiciones exteriores (es 
decir, 28 ° C y 60% RH), utilizando un caudal de ventilación apropiado dadas las 
ganancias internas, entonces la densidad del aire interior será de aproximadamente 1. 15 
kg/m3. En consecuencia, la diferencia de presión asociada al efecto de flotabilidad o tiro 
térmico dará como resultado: 
( ) ( ) ( )3 3 3 21.18 0 1.21 10 1.15 0 10 9.8 6.4s
kg kg kg m
p m m m Pa
m m m s
 ∆ = + − + = 
 
 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
33 
Sin el enfriamiento evaporativo con 10 0a bz m y z m∆ = ∆ = : 
( ) ( ) ( )3 3 3 21.18 10 1.21 0 1.15 10 0 9.8 2.9s
kg kg kg m
p m m m Pa
m m m s
 ∆ = + − + = 
 
 
Por lo tanto, en este ejemplo representativo, el enfriamiento evaporativo 
aumenta a más del doble la diferencia de presión debida a la flotabilidad y, al mismo 
tiempo proporciona un enfriamiento adiabático. 
1.6.2. Doble fachada 
Una fachada de doble envolvente consiste en una pared de hormigón normal o 
una pared de vidrio combinada con una estructura de vidrio fuera de la pared. Las 
fachadas de doble envolvente ofrecen varias ventajas. Ellas pueden actuar como zonas 
de amortiguación entre las condiciones internas y externas, reduciendo la pérdida de 
calor en invierno y la ganancia de calor en verano. 
La combinación de la ventilación de un recinto entre dos fachadas con los 
efectos térmicos pasivos puede ser utilizada de la mejor forma posible y aumentar los 
efectos beneficiosos. La ventilación natural puede ser inducida en la zona de 
amortiguación, o zona colchón (“zona buffer”), del edificio mediante la apertura de las 
ventanas en el centro de fachada. 
Los tiros térmicos o chimeneas en edificios altos ofrecen ventajas sobre los de 
los edificios más bajos, ya que se eliminan los posibles problemas de seguridad y 
vigilancia causados por la apertura de aberturas y los problemas debidos a las 
diferencias de la presión del viento en todo el edificio. Las dobles fachadas se pueden 
utilizar con chimeneas solares o con chimeneas de ventilación.Por tanto se puede concluir el apartado diciendo que los recientes avances en las 
técnicas de ventilación natural contribuyen al desarrollo de nuevos edificios ecológicos. 
El edificio es considerado ahora como un elemento activo que contribuye a la 
consecución de confort térmico aprovechando el clima local. La envolvente del edificio 
interactúa con el interior y el exterior, y ambos medios deben ser controlados por el 
sistema de ventilación de ahorro de energía. La simbiosis de la envolvente de las 
edificaciones y de los equipamientos de la construcción (calefacción, ventilación, aire 
acondicionado, iluminación y seguridad) es la base de los edificios inteligentes. 
1.7. Modelo zonal para cálculo de ventilación en recintos 
En este proyecto se realizará un estudio de la ventilación natural en recintos 
tridimensionales centrándose en la elaboración de las ecuaciones necesarias que 
resuelvan el movimiento del aire en una chimenea. A partir de este estudio, se generará 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
34 
un modelo simplificado que resuelva sistemas compuestos por uno o varios recintos 
unidos a uno o varios tiros térmicos, lo cual es el objetivo del proyecto. 
Estos resultados servirán de base para el desarrollo de un algoritmo y su 
posterior implementación en el Modelo Zonal, al cual complementará, para el cálculo de 
los caudales de ventilación en recintos. Este posterior desarrollo no se realiza en este 
proyecto pero en él se desarrollan las ecuaciones y el algoritmo necesario para su 
posterior elaboración por parte del Grupo de Termotecnia. 
 Este Modelo Zonal ha sido desarrollado por el Grupo de Termotecnia, en 
concreto se desarrolla en el proyecto “Desarrollo de Modelo Zonal para Cálculo de 
Ventilación en Recintos” de Tomás Carmona Hernández. Sin embargo, inicialmente en 
este modelo no se considera la pérdida de carga debida al movimiento del aire a lo largo 
del interior del recinto, que depende de la fricción y del número de codos, y la variación 
de esta con la posición de las aberturas de entrada y la salida de aire. Este aspecto fue 
incorporado por Fernando Leñero en su Proyecto Fin de Carrera. 
En principio el proyecto de Tomás Carmona tampoco incorpora sistemas pasivos 
como el tiro térmico. Por esta razón se va crear un modelo simplificado que resuelva un 
sistema de ventilación que contenga un recinto y un tiro térmico y se va a incluir en el 
Modelo Zonal con el fin de completarlo. 
A continuación se va a proceder a explicar brevemente los fundamentos físicos 
del Modelo Zonal 
1.7.1. La distribución de presiones 
La distribución de presiones es debida a la acción combinada de viento, 
fenómenos de flotabilidad térmica y presencia de ventilación mecánica. 
La acción del viento sobre un edificio es difícilmente mesurable, debido sobre 
todo a que se trata de un fenómeno muy poco estacionario. Además, su efecto varía en 
cada punto de cada fachada expuesta, según parámetros geométricos del edificio y de su 
entorno, y otros intrínsecos al propio flujo de aire. Para modelar estos efectos, se 
recurrirá al uso de coeficientes de presiones adimensionalizados, obtenidos a partir de 
datos experimentales. 
Las diferencias de presiones debidas a los efectos de flotación tienen su origen 
en la diferencia de densidad del aire según la temperatura a la cual se encuentre. Así, un 
aire más caliente y por tanto menos denso, disminuirá menos su presión con la altura 
que un aire más frío y denso, dando lugar fenómenos como los explicados 
anteriormente para la convección natural. 
Por último, la presencia de ventilación mecánica forzada, induce flujos de aire 
ligados a las diferencias de presión generadas por la acción de estos sistemas. 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
35 
A continuación se presenta el desarrollo utilizado para modelar el efecto de cada 
uno de estos fenómenos sobre el campo de presiones. 
Efecto del viento 
Un flujo de viento produce un campo de velocidades y presiones alrededor de un 
edilicio. La relación, en flujo libre, entre la velocidad y la presión en los distintos puntos 
del campo puede ser obtenida a partir de la ecuación de Bernouilli. Asumiendo la 
densidad constante en una línea de corriente a una altura determinada, la citada ecuación 
toma la forma siguiente: 
21
2sat
P v cteρ+ = (Ec. 1.27) 
La velocidad en la capa límite varía desde cero para las partículas en contacto 
con la pared, hasta la velocidad del flujo libre para aquellas situadas en el extremo 
opuesto de la capa límite. Los efectos de viscosidad son los que predominan en esta 
capa. Según sea el número de Reynolds, el flujo en esta zona podrá ser laminar o 
turbulento. El caso particular del flujo de viento alrededor de un edificio corresponde a 
un movimiento turbulento con una anchura de capa límite de varias centenas de metros. 
La distribución vertical del perfil de velocidades en un edificio depende 
principalmente de las superficies que rodean al mismo. Este perfil se puede modelar a 
través de una expresión potencial, según una altura de referencia (zref ): 
( )
( )ref ref
v z z
v z z
α
 
=   
 
 (Ec. 1.28) 
Para describir la distribución de presiones alrededor de la envoltura del edificio 
se suele usar un coeficiente adimensional denominado Coeficiente de Presiones (Cp), 
que corresponde al cociente entre la presión dinámica sobre la superficie y la presión 
dinámica del flujo no perturbado a la altura de referencia. Para un punto k (x, y, z) de la 
superficie, la expresión del Coeficiente de Presiones con una altura de referencia zref es 
la siguiente: 
( ) 0
2
0
( )
1
( )
2
k
p ref
ref
P P z
C z
v zρ
−
= (Ec. 1.29) 
Para evaluar las distribuciones de Cp en la cubierta de un edificio, se pueden 
seguir diversas estrategias: 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
36 
� Realizar medidas directas, cuando el edificio a estudiar existe. 
� Desarrollar ensayos en túneles sobre modelos de los edificios a estudiar. 
� Generar los valores de Cp a partir de modelos numéricos tridimensionales de 
flujos de aire. 
� Generar los valores de Cp a partir de modelos numéricos basados en análisis 
paramétricos de los resultados de los ensayos sobre túnel de viento. 
Esta última opción es la escogida para desarrollar los modelos por parte de 
COMIS (Conjunction of Multizone Infiltration Specialists). La primera opción resulta 
inviable para trabajos de diseño y demasiado cara incluso en los casos en los que es 
posible llevarla a cabo. La segunda depende en exceso de la disponibilidad del equipo 
de ensayo y la tercera requiere un consumo de tiempo excesivo. 
El algoritmo desarrollado permite obtener los valores del Cp en función de 
distintos parámetros (entorno del edificio, dirección del viento), a partir de la 
interpolación de los resultados obtenidos en diversos ensayos. Es evidente que la 
precisión del modelo obtenido dependerá en gran manera de la calidad de los datos 
experimentales utilizados. 
Los parámetros que se han tenido en cuenta para implementar el cálculo de los 
Cp han sido los siguientes: 
� Parámetros climáticos 
a) Ángulo de incidencia del viento. 
b) Exponente de la ley potencial del perfil de velocidades. 
� Parámetros medioambientales 
a) Densidad de área alrededor del edificio. 
b) Altura relativa del edilicio. 
� Parámetros del edificio 
a) Proporción de orientación frontal. 
b) Proporción de orientación lateral. 
c) Posición vertical relativa. 
Capítulo 1. Introducción 
Modelo Simplificado para el Cálculo de Caudales de Ventilación en Recintos con Tiro Térmico 
37 
d) Posición horizontal relativa. 
El modelo de COMIS tiene por objetivo calcular la relación entre las variaciones 
que experimenta el valor de Cp y la variación