Simulación CFD para la ventilación por impulso en aparcamientos … · 2020. 6. 11. · Diseño...

Simulación CFD para la ventilación por impulso en aparcamientos

Ponente: Pedro Pereira

Empresa: SYSTEMAIR

INTRODUCCION

Los parques de estacionamento cubiertos son una estructura arquitectónica

bastante común en nuestros dias y principalmente en las grandes metrópolis, donde

el valor del m2 de terreno alcanza valores muy elevados.

Por ello se hace necesaria la construción subterranea como forma de ganar espacio y consecuentemente conseguir ahorro económico.

Así los parques de estacionamento cubiertos son en muchas ocasiones para los visitantes la puerta de entrada a recintos como (Centros comerciales, estadios, etc), donde como consecuencia el aspeto estético y la seguridad, merecen una atención especial por partes de la propiedad.

Ventilación por impulso en aparcamientos

INTRODUCCION

Los parques de estacionamento cubiertos de grandes dimensiones, con varias plantas en subsuelo, sin separaciones físicas destacables e incluso a veces con estructura comerciales y/o de servicios en su interior, existen en un gran número de nuestras ciudades, y son utilizados por un gran número de personas, por lo que se hace imperativo preservar la calidad del aire y la seguridad de quienes los utilizan.

Es cierto que a lo largo de los años, las emisiones de gases de combustión de los vehículos ha ido disminuyendo, pero sin embargo, han aumentado tanto en sus dimensiones como en la cantidad de material inflamable que contienen sus estructuras.

Ventilación en estos parques de estacionamiento, se destina tanto a limitar la concentración de gases poluantes (CO), como a la evacuación de humos y gases resultantes de un eventual incendio.


INTRODUCCION

Los caudales de ventilación para control de polución y extracción de humos en el interior de los parques de estacionamiento subterráneos, varían de un país a otro, teniendo como base el número de RPH del volumen del estacionamiento, o un volumen de ventilación por cada plaza de estacionamiento.

Estos valores están especificados mediante normas ó decretos en cada país, e incluso pueden darse casos de países en los que hay especificaciones particulares para la ventilación por impulso.

Como norma, tanto para el control de polución como para la extracción de humos, a través de sistemas de detección y automatización, se utilizan equipos que sirven para ambas funciones, simplificando así el sistema y su coste.


INTRODUCCION

El sistema tradicional de conductos para ventilacion en aparcamientos cerrados, se está revelando como un sistema deficitario para aparcamientos de grandes dimensiones

(Área > 6000 m2), principalmente en el caso de control de humos, ya que los caudales que tienen que ser transportados en los conductos implica que estos sean de unas dimensiones exageradas.

Ademas de las grandes dimensiones, estos conductos tienen que ser revestidos com material refractario resistente al fuego durante un periodo determinado de tiempo, los que los convierte en pesados, y de difícil y costoso mantenimiento.

Por outro lado, no debemos olvidar que al ser necesarias grandes redes de conductos, se generan importantes perdidas de carga que obligan a utilizar ventiladores de mucha potencia.

Por dichos motivos los ventiladores de impulso ofrecen una solucion técnica y economicamente muy interesante para aparcamientos de grandes dimensiones.


En un sistema de control de polucion/humos com ventiladores de impulso, asociados a extraccion e insuflacion de aire, existen factores relevantes que es necesario comprender:

Captacion de contaminantes :

Los chorros de aire generados por los ventiladores de impulso, crean un fenómeno inductivo en el aire que los rodea, que provocan un efecto de captacion y arrastre de las particulas y contaminantes que se encuentran en el ambiente. Ademas, dada la forma (turbulencia) de estos chorros de aire, se crea otro fenómeno importante , la de diluir los contaminantes, reduciendo asi la probabilidad que que se den picos de concentracion de estos. El fenómeno inductivo es importante para comprender el arrastre de los contaminantes como fenómenos de caudales de barrido en el interior del aparcamiento.


Este fenómeno aumenta el caudal del chorro de aire, pudiendo alcanzar valores de 10 veces el caudal nominal do ventilador. Asi, como demuestran estudios de simulacion CFD, un ventilador de 50N con una virola de 400mm de diametro, con un caudal de 8400 m3/h, puede inducir un caudal de 84.000 m3/h.* Este es el valor mas favorable, dependiendo de las condiciones de instalacion (localizacion), temperatura del aire y fabricante.

*Datos válidos para un ventilador determinado


Podemos por lo tanto reconocer 2 fenomenos importantes asociados el funcionamiento de los ventiladores de impulso en el interior de los aparcamientos cubiertos: Captacion y arrastre - Estratégia mas aconsejable en la mayoria de los casos, siempre que prevalezca un caudal de extracion igual o superior al inducido por los chorros, con un numero reducido de ventiladores de impulso. Para los diferentes limites de concentracion de contaminantes, deben corresponder los caudales de ventilacion con un numero apropiado de ventiladores en funcionamiento. Dilucion – Estratégia para ser utilizada cuando existen picos de concentracion de poluantes mas elevados que los valores medios del aparcamiento (disparo localizado). Puede igualmente ser utilizado como situacion de partida en concentraciones excesivas de CO (>200 ppm) que comprometam a los usuarios, seguido de processo de captacion e arrastre. En el caso de evacuacion de humos, la dilucion permite tambien un aumento de visibilidad localizado.


Pre-dimensionamento del sistema

Tomando como base la comprension de estos fenómenos, podemos proceder al

pré-dimensionamento del sistema de ventilacion, y control de humos , poniendo especial

atencion en:

•Arquitectura del aparcamiento

•Caudales de extraccion e impulsion

•Caudales inducidos por los ventiladores

•Red de posicionamento de los ventiladores

•Comunicaciones entre espacios adyacentes a través de rampas, puertas, etc


Diseño del sistema de control de humos

Arquitectura

Debemos iniciar el diseno de los sistemas de control de humos en aparcamientos cubiertos, por un análisis detallado de la arquitectura, ya que sera este el mayor, y a menudo único, condicionante del sistema.

A evitar:

Corto circuitos de aire entre pozos, o en rampas de acceso.

Impulsos elevados en la impulsion que perturben los flujos

Zonas de estancamiento o recirculacion de humos

Preferencialmente la localizacion de los puntos de extraccion e impulsion deben garantizar una elevada eficiencia de ventilacion.


La norma BS 7346-7 define la potencia calorifica total liberada durante un incendio.

Parametros del incendio Sin sprinklers Con sprinklers

Dimensiones 5x5 5x2

Perimetro 20 14

Potencia calorifica total (Mw) 8 4

Si no se dan las condiciones adecuadas para que la llegada de los bomberos sea inferior a 15 minutos despues de la alarma, deberá ser considerada la hipóteses de que haya dos coches en llamas, o sea 8 Mw.

La potencia convectiva (5Mw) que será cerca del 66% de la potencia total, será la que determine el valor del caudal volúmico de humos liberados en el incendio para una altura determinada.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50

Alt

ura

da

plu

ma

(m

)

Caudal de fumos (m3/s)

Caudal volúmico de fumos gerados por uma fonte de calor de 5Mw

22 m3/s



Caudales de ventilacion

El caudal que servirá de base para calcular el sistema será entendido como caudal volúmico de ventilacion necesario para evacuacion de humo, pero debemos considerar este caudal como:

Caudal de extracion si existe impulsion mecanica (60%) y entradas de aire naturales en la zona siniestrada.

Caudal de impulsion si solo existe impulsion mecanica en la zona. El caudal de extraccion debe ser aumentado en un 40%.

Vemos que la admision de aire fresco en la zona es menos penalizadora que cuando se trata de caudales de ventilacion, y corresponde a la mayoria de los casos practicos.



Caudais inducidos por los chorros de aire

Siendo el caudal de extraccion de humos generado por un incendio de potencia convectiva 5Mw, aproximadamente 22 m3/s, los caudales de los chorros seran:

• Un chorro de 50 N podrá inducir 8 a 10 veces el caudal de la turbina, o sea, 25 m3/s.

• Dos chorros en paralelo podran inducir casi el doble de este caudal, aproximadamente 45 m3/s.

• El caudal inducido deberá ser igual al extraído, pudiendo en ocasiones limite el caudal extraido ser un 30% inferior, sin comprometer demasiado la eficiencia de la ventilacion.



Red de ventiladores de impulso

La disposicion de los ventiladores de impulso deverá ser tal que respete las siguientes limitaciones: •Distancia transversal – Esta distancia no deve ser excesiva para que todos los contaminantes sean captados por los chorros, eliminando asi las zonas de estagnamiento. •Distancia longitudinal – La velocidad de arrastre no debe ser demasiado baja, para evitar la dispersion de los contaminantes. La velocidad de arrastre esta relacionada con la velocidad axial, que decrece con la distancia, y existen limites claros para la anulacion entre impulsos longitudinales.



Red de ventiladores de impulso • La aspiracion del impulso debe estar lejos de obstáculos (vigas y paredes) por lo menos a 1 metro distancia. • La descarga del impulso debe estar a una distancia de vigas de no menos de 4 metros. La elevada velocidad provocada por los chorros puede causar la desviaciäon de este y dificultades para la aspiracion de los humos en los ejes, si dicho chorro se situa cerca de una pared. • Distancias aproximadas entre linhas de ventiladores - AJR 315 mm 26 m x 8 a 10 m (L x W) - AJR 355 mm 32 m x 10 a 12 m (L x W) - AJR 400 mm 36 m x 10 a 16 m (L x W)

W

W

L


Red de ventiladores de impulso - Distancia longitudinal

Alcance longitudinal AJR 55N (Vel. Máxima)

Alcance aprox. de 40 m, para vel. Terminal de 0,5

m/s


Diseno del sistema de control de humos

Comunicaciones entre espacios adyacentes

•Establecer un diferencial de presion entre los pisos /zonas del aparcamiento, de forma que se cree un flujo de aire de los pisos/zonas adyacentes hacia la zona siniestrada.

•El flujo debe tener una velocidad tal que impida la dispersion/alcance del humo, y que como vimos anteriormente podrá ser del orden de 0,5 a 1 m/s, para contrarrestar la velocidad del flujo del chorro del techo.

•Las rampas de comunicacion pueden estar localizadas donde la admision de aire pudiese ser perjudicial ( aguas abajo del incendio, perdida de extraccion, etc). En estos casos las rampas deben ser bloqueadas mediante cortinas resistentes al humo.



Resumen:

Los ventiladores de impulso estan orientados e dispuestos en una red, que evite el movimiento del humo de arriba hacia abajo y restrija la dispersion del mismo.

Los ventiladores de impulso deben ser colocados en zonas donde puedan desempeöar su funcion sin verse afectados por paredes u otros obstaculos.

El caudal extraído debe ser igual ou superior al caudal arrastado por los impulsos necesarios para controlar el humo proveniente del escenario de incendio del proyecto.

El sistema debe ser concebido de forma que evite el flujo del humo hacia zonas adyaccentes o de evacuacion.


Impulsos AJR 400 2/4(B) TR (reversibles) Cantida - 14 unidades Red de 35 x 16 m Caudal extraído – 311.000 m3/h Caudal induzido – 280.000 m3/h

Hipotesis1 - Aparcamiento sin compartimentacion

Saída cerrada

Entr

ada

aber

ta


Impulsos AJR 400 2/4(B) TR (reversibles) Cantidad - 14 unidades Red de 35 x 16 m Caudal extraído – 310.000 m3/h Caudal inducido – 280.000 m3/h Caudal insuflado – 200.000 m3/h Caudal entrada natural – 110.000 m3/h Potencia absorvida – 200Kw

Hipotesis 1 - Aparcamiento sin compartimentacion

Salida Cerrada

Entr

ada

aber

ta


Impulsos AJR 400 2/4(B) REV Cantidad - 14 unidad (7 un On) Red de 35 x 16 m Caudal extraído – 155.000 m3/h Caudal inducido – 140.000 m3/h Caudal insuflado – 95.000 m3/h Caudal entrada natural – 60.000 m3/h Potencia absorvida – 100 Kw

Hipotesis 1 - Parque con compartimentacion (SA & SB)

Salida abierta

Entr

ada

cerr

ada


Impulsos AJR 400 2/4(B) REV Cantidad - 14 unidades (7 un On) Red de 35 x 16 m Caudal extraído – 155.000 m3/h Caudal inducido – 140.000 m3/h Caudal insuflado – 95.000 m3/h Caudal entrada natural – 60.000 m3/h Potencia absorvida – 100 Kw

Hipotesis 1 - Parque con compartimentacion (SA & SB)

Salida abierta

Entr

ada

cerr

ada

Entrada de aire natural


Validacion mediante sistemas computacionales

Simulaciones CFD

Systemair tiene la capacidad de elaborar estudios CFD que sirvan de apoyo para el desarrollo técnico del proyecto, adquirido a largo de varios aöos de experiencia en mercados europeos como Portugal, Alemania, Holanda, Turquia, Reino Unido, etc.

El estucio CFD, no debe ser entendido

como el punto de partida para la concepcion del

sistema, si no como la confirmacion del

proyecto elaborado.


CFD (Computational Fluid Dynamics) - Introduccion

• Todos los movimientos de un fluido estan definidos de acuerdo a ecuaciones de

conservacion de masa, energia y cantidad de movimiento.

• Estas equaciones son tridimensionales, no lineales, conocidas como equaciones

de Navier-Stokes

• Soluciones matemáticas analíticas sólo son posibles con simplificaciones significativas de los

modelos y condiciones.

• El sistema CFD resuelve las equaciones aplicables por ordenador para cada problema

específico, presentado resultados para puntos concretos en el espacio a intervalos de tiempo

concretos.


• Pre-Procesamiento – Definicion de la geométrica y detalles, y definicion de la red

(elementos finitos).

• Definicion de la Equacion - eleccion de las ecuaciones aplicables, condiciones iniciales

y contorno.

• Resolucion del modelo– resoluciono de las equaciones utilizando ordnador, para obtener

• Resultados numericos.

• Verificacion/ Validacion - Sumario de los flujos de energia y masa, y visualizacion georáfica

de detalles de velocidades, presion, temperatura y concentracciones.


Algun riesgo Total Seguridad

Reducida Total Repetibilidad

Puntos de medicion Todas Informacion

Pequeña/Media Qualquiera Escala

Largo Reduzido Tiempo

Alto Reducido Coste

Experimental Simulacion (CFD)

Ventilación por impulso en aparcamientos CFD – Vantajas

HVAC Hidráulica

Automóvil

Energia

Naval

Aerospacial

Ventilación por impulso en aparcamientos CFD – Aplicaciones

CFD – Simulacion 3D


Simulacion de concentracion de humos

Simulacion de concentracion de temperatura

Simulacion de contornos de velocidad del aire

CFD – Resultados


CFD – Exemplo de proyecto valido


CFD – Ejemplo de proyecto valido


CFD – Ejemplo de proyecto de ventilacion natural


CFD – Ejemplo de proyecto de ventilacion natural - Configuracion 3D


CFD - Ejemplo de proyecto de ventilacion natural


CFD - Ventilacion natural - Resultados


Gracias por su atencion

Pedro Pereira - Diretor Comercial Systemair SA [email protected]

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