Si bien la ventilación cruzada es la estrategia más simple y económica para lograr una ventilación natural eficiente, resulta bastante común, sobre todo en zonas urbanas densas, que las características del entorno la dificulten bastante. Las obstrucciones cercanas pueden hacer prácticamente imposible aprovechar los vientos locales a través de aberturas convencionales. En esos casos es posible aplicar una serie de estrategias de diseño que podríamos agrupar con el nombre genérico de ventilación vertical. Desde luego dichas estrategias también pueden aplicarse cuando la ventilación cruzada es factible, simplemente para hacerla más eficiente.

La característica común de los sistemas de ventilación vertical es que involucran el uso de espacios o dispositivos de altura considerable, generalmente bastante mayor que la de los espacios anexos a los que sirven, para reforzar los flujos verticales de aire en el interior de los edificios. Su funcionamiento podría clasificarse de acuerdo con la forma en que aprovechan:

• Las presiones provocadas por los vientos locales, cuyo efecto aumenta con la altura.
• Los flujos convectivos de aire provocados por las diferencias de temperatura que suelen presentarse en espacios de gran altura.
• Estos dos factores simultáneamente.

En términos arquitectónicos, podemos hablar de dos sistemas básicos de ventilación vertical: las torres de ventilación (captadoras, extractoras o con doble función) y los atrios ventilados. En las siguientes secciones haremos una descripción general de esos sistemas.

Torres de ventilación

El uso más intensivo de las torres de ventilación se ha dado históricamente en ciudades ubicadas en las regiones desérticas del medio oriente, donde los edificios se apiñan unos con otros para protegerse de la radiación solar y amplificar el efecto de masa térmica. Debido a esta configuración los vientos al nivel del suelo suelen ser demasiado débiles e irregulares para proporcionar una adecuada ventilación natural. Ahí las torres de ventilación constituyeron un ingenioso invento que permitió resolver en buena medida el problema: al elevarse sobre las cubiertas de los edificios, orientadas de manera correcta, se exponen a vientos relativamente más fuertes y constantes, conducen el aire hacia el interior y hacen más eficiente la ventilación natural.

Para comprender el funcionamiento de las torres de ventilación recurriremos nuevamente a simulaciones CFD. La imagen de la Figura 1 corresponde a un modelo en el que las obstrucciones del entorno dificultan la ventilación cruzada normal. Se trata de un volumen arquitectónico simple con aberturas tanto en la fachada orientada al viento como en la fachada contraria. La peculiaridad es que se han incluido un par de obstrucciones cercanas a esas fachadas, una situación muy común en entornos urbanos. La simulación CFD nos permite apreciar que las obstrucciones dificultan en gran medida la ventilación cruzada (que hubiera sido bastante efectiva sin ellas). De hecho, debido al efecto de turbulencia, el aire ingresa por la ventana de la fachada no expuesta a la dirección del viento y sale por la que sí lo está, generando un circuito inverso.

Figura 1. Ventilación natural con obstrucciones en el entorno.

Veamos ahora como las torres de captación y extracción pueden ayudar a revertir esta situación y mejorar la ventilación natural.

Torres captadoras

Las torres captadoras reciben ese nombre porque su cometido principal es captar los flujos de aire y conducirlos al interior del edificio. En su forma más simple, la torre captadora consiste en un dispositivo que se eleva sobre las cubiertas del edificio y las obstrucciones del entorno, generando en su parte superior una abertura orientada hacia la dirección de donde provienen los vientos dominantes. La imagen de la Figura 2 nos permite explicar mejor su funcionamiento. Se trata de un modelo basado en el anterior, con las mismas condiciones de viento, pero en el que se ha cancelado la ventana orientada al viento y se ha agregado un dispositivo en forma de torre captadora sobre la misma fachada.

Figura 2. Ventilación natural con torre captadora.

La abertura superior de la torre, que sobrepasa la altura de la obstrucción, se ve sometida a presiones de viento relativamente altas, mientras que la ventana en la fachada contraria presenta presiones mucho menores. De esa manera se genera un flujo de aire que ingresa por la parte superior de la torre, atraviesa el espacio, y sale por la ventana contraria para volver a integrarse con las corrientes exteriores. La torre captadora permite así eludir el problema de las obstrucciones y lograr una adecuada ventilación natural.

Torres de extracción

Las torres de extracción pueden ser fácilmente confundidas con las torres captadoras, ya que tienen una configuración similar. Sin embargo, su funcionamiento es inverso: en lugar de captar y conducir los vientos hacia el interior de los edificios, como hacen las torres captadoras, las torres de extracción lo que hacen es generar bajas presiones de viento para extraer el aire del edificio y propiciar con ello el ingreso de aire fresco. Este efecto se ilustra en la Figura 3, que muestra un modelo en el que la torre se ubica en la fachada contraria al viento y su abertura se orienta en esa misma dirección.

Al elevarse en altura, la torre genera presiones de viento reducidas en su abertura superior y con ello un efecto de succión. Al mismo tiempo propicia la desviación de las corrientes de aire, que ahora ejercen mayor presión sobre la ventana inferior orientada al viento, a pesar de la obstrucción. El resultado final es que el aire ingresa por la ventana orientada al viento, atraviesa el espacio habitable y sale por la abertura de la torre. Así, aunque con un funcionamiento inverso al de las torres captadoras, las torres de extracción permiten eludir el problema de las obstrucciones y lograr una mejor ventilación natural.

Figura 3. Ventilación natural con torre extractora.

Cabe señalar que, como en el caso de la ventilación cruzada en altura, en las torres extractoras entra en juego el efecto chimenea, asociado a los movimientos ascendentes del aire caliente. Este fenómeno puede reforzar el efecto del viento e incrementar las tasas de ventilación. Además, al expulsar el aire más caliente del espacio interior, puede aumentar el efecto de enfriamiento de la ventilación natural.

Torres de doble función

Las torres de captación y extracción pueden invertir su funcionamiento si cambia la dirección del viento. Eso puede ser una ventaja o un problema, dependiendo de las características específicas del edificio y las condiciones climáticas del sitio. Sin embargo, esa doble función no se da de manera simultánea sino alternada, de acuerdo con los cambios en la dirección del viento.

Cuando hablamos de torres de doble función, por otro lado, nos referimos a aquellas que captan y extraen aire al mismo tiempo. Esto se puede lograr incluyendo particiones internas en torres con por lo menos dos aberturas, de tal manera que el aire ingrese por una de las aberturas, recorra los espacios interiores y luego salga por la abertura contraria. A manera de ejemplo, la Figura 4 muestra el funcionamiento de una torre de ventilación con dos aberturas contrarias y una partición interna. Las condiciones del viento son similares a las de los casos anteriores. Esta opción puede ser especialmente útil en entornos urbanos muy densos, en los cuales se dificulte generar aberturas de ventilación en el nivel de los espacios habitables. También puede ser un recurso para captar vientos con diversas direcciones.

Figura 4. Ventilación natural con torre de doble funcionamiento.

Otras consideraciones sobre las torres de ventilación

Las torres de ventilación pueden tener configuraciones más complejas que las descritas aquí. Es el caso de algunas torres de ventilación típicas de Irán y los países del Golfo Pérsico, que tienen aberturas en cuatro, ocho o incluso más orientaciones, para aprovechar los vientos provenientes de diversas direcciones. Estas torres también suelen tener particiones internas para facilitar tanto la captación como la extracción, aunque eso puede requerir un mayor control de su operación, por ejemplo abrir o cerrar algunas de las aberturas en determinados momentos.

Si se planea incluir torres de ventilación en un edificio es muy importante evaluar previamente su viabilidad, así como diseñarlas de manera correcta. Cuando las condiciones del sitio no son las adecuadas, o son mal diseñadas, las torres de ventilación pueden ser poco eficientes. En general, conviene cuidar aspectos como los siguientes:

• La disponibilidad de viento. Cuando se tienen vientos regulares con direcciones más o menos predecibles las torres de ventilación tienen mayor potencial.
• La altura. Mientras mayor es la altura de la torre mayores son las presiones de viento y por lo tanto las tasas de ventilación. En todo caso, es importante evitar las obstrucciones del entorno (otros edificios, por ejemplo), pues de otra manera las torres de ventilación no tienen sentido.
• El tamaño de las aberturas. Es importante dimensionar correctamente las aberturas para lograr caudales de aire útiles.
• La posición respecto a los espacios servidos. Es importante que las torres se ubiquen de manera que los flujos de aire recorran los espacios habitables tanto como sea posible.
• Medios de control y protección. Es necesario disponer de medios de control accesibles, por ejemplo para modular la entrada de aire, o incluso cancelarla cuando las condiciones no sean adecuadas. También es importante prever protecciones para evitar la entrada de agua de lluvia a través de las aberturas de las torres.

Una forma relativamente económica de implementar torres de ventilación es aprovechar elementos arquitectónicos existentes, por ejemplo los huecos de escaleras. Si estos se diseñan de manera correcta, un simple añadido en la parte superior los puede convertir en torres de ventilación eficientes y con una buena relación coste-beneficio.

Finalmente, cabe señalar que las torres de ventilación se pueden utilizar en conjunto con otras estrategias, como el enfriamiento evaporativo y la masa térmica expuesta, para mejorar su eficiencia y evitar problemas relacionados principalmente con las elevadas temperaturas diurnas del aire exterior. Por ejemplo, las torres captadoras y de doble función pueden incluir sistemas humidificadores para propiciar el enfriamiento evaporativo. En el caso de las torres de extracción, el enfriamiento evaporativo se podría lograr haciendo que el aire que ingresa al edificio pase por patios con vegetación profusa. En la sección Ventilación + recursos adicionales abordamos con más detalle estas estrategias.

Atrios cubiertos y espacios altos

En términos generales, el concepto arquitectónico de atrio cubierto hace referencia a un espacio central de varios niveles de altura, rodeado de espacios habitables y protegido por una cubierta que suele ser traslúcida o transparente. Una de las funciones principales de los atrios es la captación de radiación solar durante el invierno, propiciando el calentamiento de los espacios interiores. Debido a eso son una solución más o menos frecuente en países con clima frío.

Estos espacios también pueden emplearse, si se diseñan de manera adecuada, para propiciar la ventilación natural durante el verano o durante periodos con sobrecalentamiento. Como se verá más adelante, los atrios pueden aprovechar las presiones del viento en la parte superior del edificio, tal como lo hacen las torres captadoras y de extracción. Sin embargo en este caso cobra mayor relevancia el efecto chimenea.

El efecto chimenea, llamado así por qué ha sido asociado con el funcionamiento de las chimeneas industriales, se produce debido a la diferencia en las densidades del aire exterior y el aire interior de los edificios, diferencia que a su vez se deriva de la variación en la temperatura y el nivel de humedad del fluido: el aire caliente es menos denso que el aire frío, dado un mismo nivel de humedad, mientras que el aire húmedo es menos denso que el aire seco, dada una misma temperatura. El resultado es que el aire en el interior de los edificios, cuando es más caliente y húmedo, y por lo tanto menos denso que el aire exterior, tiende a subir y salir por aberturas en la parte superior. Al mismo tiempo se produce una depresión que propicia el ingreso de aire fresco a través de las aberturas inferiores para completar un ciclo continuo de ventilación. Mientras más elevado sea el espacio, y mayor la diferencia higrotérmica, más fuerte puede ser este fenómeno.

La imagen de la Figura 5 muestra, de manera esquemática, el funcionamiento de la ventilación natural en un edificio con atrio cubierto. Se observa como el aire ingresa por las ventanas de los espacios habitables, los atraviesa, y finalmente sale por la abertura en la parte superior del atrio.

Figura 5. Uso de la ventilación natural en un edificio con atrio cubierto.

Los atrios y otros espacios altos, entre los que se puede incluir los huecos de circulación vertical, tienen un gran potencial para aprovechar el efecto chimenea y propiciar mejores tasas de ventilación. Sin embargo, es importante tener en cuenta que esta estrategia es más difícil de controlar, comparada con estrategias como la ventilación cruzada o la ventilación mediante torres.

Un punto crucial es la adecuada configuración de las aberturas superiores, de tal manera que permitan aprovechar las presiones del viento para hacer aún más intenso el efecto de extracción del aire caliente. También es necesario cuidar que esas aberturas no permitan que el aire, sobre todo cuando el viento es fuerte, sea conducido al interior. Eso invertiría su funcionamiento, regresando el aire caliente a los espacios habitables.

Referencias

[1] M. Afshin, A. Sohankar, M. D. Manshadi, and M. K. Esfeh, “An experimental study on the evaluation of natural ventilation performance of a two-sided wind-catcher for various wind angles,” Renewable Energy, vol. 85, pp. 1068–1078, Jan. 2016.

[2] J. Cheng, D. Qi, A. Katal, L. (Leon) Wang, and T. Stathopoulos, “Evaluating wind-driven natural ventilation potential for early building design,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 182, pp. 160–169, Nov. 2018.

[3] L. P. Chung, M. H. Ahmad, D. R. Ossen, and M. Hamid, “Effective Solar Chimney Cross Section Ventilation Performance in Malaysia Terraced House,” Procedia - Social and Behavioral Sciences, vol. 179, pp. 276–289, 2015.

[4] S. de la Torre and C. Yousif, “Evaluation of Chimney Stack Effect in a New Brewery Using DesignBuilder-energyPlus Software,” Energy Procedia, vol. 62, pp. 230–235, 2014.

[5] A. A. Dehghan, M. K. Esfeh, and M. D. Manshadi, “Natural ventilation characteristics of one-sided wind catchers: experimental and analytical evaluation,” Energy and Buildings, vol. 61, pp. 366–377, Jun. 2013.

[6] Á. Espinosa, “Torres de viento,” EL PAÍS, 26-Jan-2014. [Online]. Available: https://elviajero.elpais.com/elviajero/2014/01/24/actualidad/1390578693_503250.html. [Accessed: 23-May-2019].

[7] D. Micallef, V. Buhagiar, and S. P. Borg, “Cross-ventilation of a room in a courtyard building,” Energy and Buildings, vol. 133, pp. 658–669, Dec. 2016.

[8] M. Nomura and K. Hiyama, “A review: Natural ventilation performance of office buildings in Japan,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 74, pp. 746–754, Jul. 2017.

[9] V. Olgyay, Arquitectura y Clima - Manual de Diseño Bioclimático. Editorial Gustavo Gili, 1998.

[10] W. Pan, S. Liu, Y. Wang, X. Cheng, H. Zhang, and Z. Long, “Measurement of cross-ventilation rate in urban multi-zone dwellings,” Building and Environment, vol. 158, pp. 51–59, Jul. 2019.

[11] C. D. Pereira and E. Ghisi, “The influence of the envelope on the thermal performance of ventilated and occupied houses,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 12, pp. 3391–3399, 2011.

[12] B. Wang and A. Malkawi, “Design-based natural ventilation evaluation in early stage for high performance buildings,” Sustainable Cities and Society, vol. 45, pp. 25–37, Feb. 2019.

[13] A. Zaki, P. Richards, and R. Sharma, “Analysis of airflow inside a two-sided wind catcher building,” Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 190, pp. 71–82, Jul. 2019.

Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial del contenido de este artículo, incluyendo tablas y figuras, sin la autorización expresa de Seiscubos.