Determinación de la capacidad de las torres de viento para producir confort térmico en el interior de edificaciones de Zonas áridas y semiáridas de México - Reyes Herrera, Vladimir Arturo (Premio Internacional de Tesis de Investigación sobre Vivienda y Desarrollo Sustentable 2015, 2015)
Desde la antigüedad, en regiones de clima cálido húmedo y seco de países como Irán, Paquistán, la India y otros del mediterráneo, la utilización de elementos arquitectónicos como las Torres de Viento ha logrado que la población alcance el confort térmico en el interior de sus viviendas a pesar del clima hostil. Las torres de viento pueden ser definidas como estructuras masivas diseñadas para captar los vientos predominantes de una localidad y proveer su circulación natural a través de la edificación durante el verano, enfriando de esta manera el interior de la construcción. Las torres de viento son un ejemplo claro y contundente de cómo se pueden satisfacer los requerimientos de confort térmico en las edificaciones sin necesidad del uso de equipo electromecánico de aire acondicionado, impactando de esta manera en un ahorro energético considerable y en menor contaminación ambiental. El interés por las torres de viento ha aumentado en los últimos años, de tal forma que existe una amplia variedad de estudios realizados donde se corrobora su capacidad para ventilar viviendas en zonas áridas y semiáridas, especialmente son estudios de monitoreo en sitio y de modelos a escala de laboratorio para determinar, mediante visualización con humo, el efecto de la intensidad y dirección de los vientos captados. En el presente trabajo de tesis se estudia la capacidad de las torres de viento para propiciar confort térmico en viviendas de interés social de la Cd. de Monterrey N.L. durante el verano; involucrando estudios numérico-experimentales a escala de laboratorio para corroborar ciertos patrones de flujo y determinar el modelo de turbulencia más adecuado para los estudios numéricos de la distribución e intensidad del flujo de aire en el interior de este tipo de configuraciones, considerando la transferencia de calor. Para el diseño del modelo a escala se realizó un estudio de Similaridad Dinámica empleando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés) mediante el simulador comercial Ansys-Fluent y considerando una configuración Torre-Habitación (T-H) para 3 diferentes escalas: (1:1), (1:10) y (1:16). El modelo se construyó de acrílico para la escala (1:16). El estudio experimental se realizó en el Túnel de Viento del CIICAP-UAEM aplicando la técnica de Velocimetría por Imágenes de Partículas (PIV, por sus siglas en inglés), obteniéndose campos instantáneos de velocidades y líneas de corriente en diferentes zonas de la configuración. El estudio experimental se reprodujo de manera numérica empleando Ansys Fluent aplicando 5 diferentes modelos de turbulencia: modelo k-ε Estándar, modelo k-ε Realizable, modelo k-ε RNG, Modelo k-ω Estándar y Modelo k-ω SST. Se realizó una comparación entre los perfiles de velocidad experimentales y los obtenidos con Ansys-Fluent, resultando que el modelo k-ε Realizable brindó resultados más cercanos a los experimentales. Mediante la aplicación del modelo de turbulenciaseleccionado, como resultado del estudio numérico-experimental se analizó, utilizando el simulador Ansys-Fluent, el comportamiento del flujo de aire al interior de una vivienda de interés social con torre de viento integrada, considerando flujo turbulento tridimensional en estado permanente. Se inició con el estudio de la configuración más sencilla que consiste en la casa vacía de una sola planta y sin torre de viento. Posteriormente la complejidad de los estudios fue incrementándose paulatinamente hasta llegar a una casa de dos plantas, con torre de viento integrada de 4m de altura, y considerando la presencia de personas y mobiliario. Los estudios con Ansys-Fluent se realizaron con un mallado tetraédrico uniforme de 10cm, como resultado del análisis de independencia de malla efectuado previamente a todos los estudios teóricos. Una vez seleccionada la mejor configuración del sistema Torre-Casa (T C) que propiciara la mejor distribución e intensidad del flujo de aire en su interior, se realizó el estudio dinámico-térmico incorporando la transferencia de calor a través de paredes y techos del sistema. Para establecer las condiciones de temperatura en sus paredes exteriores (condiciones de frontera) se tomó como base la norma NOM-008-ENER-2001. Las condiciones de velocidad, temperatura y humedad del aire exterior se establecieron en base a los promedios para la ciudad de Monterrey, NL., para el verano; y se consideraron los promedios de las condiciones extremas. Se concluye de forma general que la torre de viento incrementa sustancialmente la intensidad del flujo de aire al interior del sistema T-C y además se propician mejores distribuciones del flujo de aire. Asimismo, a causa de esta buena ventilación por efecto de la torre de viento, el incremento de la temperatura del aire en el interior, por efecto del calentamiento de paredes y techos, fue apenas perceptible, incluso considerando el aporte de calor de los ocupantes como fuentes de calor a una temperatura de 36°C. Al incorporar a un Diagrama de Confort las condiciones obtenidas de temperatura y de velocidad del aire, representativas de diferentes zonas del interior del sistema T-C, se concluye que, no obstante de haber considerado las condiciones de frontera más extremas para el estudio (condiciones críticas), fue posible alcanzar condiciones de confort térmico al interior de la vivienda, por efecto de la integración de la torre de viento y al haber incorporado mejoras al diseño original de la casa, para incrementar la circulación del aire entre habitaciones. Las principales aportaciones del presente trabajo de tesis son básicamente tres: 1) El estudio de Similaridad Dinámica realizado para reproducir, en un modelo a escala, los patrones del flujo de aire obtenidos por Reyes et al., (2013) en una configuración T-H. 2) Los estudios numérico-experimentales realizados con PIV en túnel de viento, en el modelo a escala, para la selección del modelo de turbulencia más adecuado para el estudio del flujo de aire en este tipo de configuraciones (artículo en preparación). 3) Las mejoras al diseño y el estudio dinámico-térmico realizado a un sistema T-C, considerando el efecto de mobiliario y la presencia de ocupantes sobre el comportamiento del flujo y la transferencia de calor (artículo en preparación).