Sistemas de evacuación de humos de calderas tipo C. ¿saturación de patios? y validación mediante fluidodinámica computacional

  1. Aingeru Basterretxea Bitorika
Dirigée par:
  1. Alfredo Trueba Ruiz Directeur/trice
  2. José Ignacio Loroño Lucena Directeur/trice
  3. Félix Modesto Otero González Directeur/trice

Université de défendre: Universidad de Cantabria

Année de défendre: 2013

Jury:
  1. Emilio Eguía López President
  2. Belén Río Calonge Secrétaire
  3. Miguel Ángel Gómez Solaetxe Rapporteur
  4. Alexis Dionis Melián Rapporteur
  5. Ernesto Cilleruelo Carrasco Rapporteur

Type: Thèses

Résumé

Resumen de la Tesis Doctoral 1 1. Introducción El gas natural comenzó a introducirse en España a finales de la década de los 60 a través de aprovisionamientos de gas natural licuado (GNL) procedente de Libia, descargados y regasificados en la planta de regasificación de Barcelona desde febrero de 1969. Entre los años 1985 y 1993 los aprovisionamientos por GNL (a través de la planta de Barcelona y de dos nuevas plantas de regasificación construidas en Huelva y Cartagena) se complementaban con la limitada producción de gas natural de los yacimientos de Serrablo y La Gaviota (hoy convertidos en instalaciones de almacenamiento subterráneo). En 1993 se puso en funcionamiento la primera conexión internacional del sistema gasista español en Larrun (País Vasco Francés, cerca de su frontera con Navarra), a través de la cual se importa gas procedente de Noruega. Posteriormente, en 1996, entró en operación el gasoducto del Magreb (conectado con la península en Tarifa), por el que se importa gas producido en Argelia. Este gasoducto supuso un hito importante al conectar España con los yacimientos de Argelia. Para su construcción, se hizo necesario un acuerdo con Marruecos (país de tránsito) y un compromiso del sector eléctrico para garantizar el consumo de determinados volúmenes de gas. La evolución de la industria de gas en España, en prácticamente los últimos 25 años, con un ritmo de expansión, dinamismo y crecimiento realmente inusitado, ha representado multiplicar, en el período 1985/2008, los municipios con servicio de gas por 9 veces, las redes instaladas por 8 veces, y los clientes del servicio de gas por 5 veces, pasando de representar un 3,1% en la demanda de energía primaria de España a un 24,3%, ya a un nivel normal en términos europeos. Dentro de esta demanda de energía, uno de los sectores de mayor consumo de energía es el sector de la edificación. Por esto, dentro de este sector se trabajó y se está trabajando muy intensamente en todo lo relativo al diseño, construcción y aislamiento de edificios, en el conjunto de las instalaciones, y en particular las instalaciones individuales de calefacción a gas. Las instalaciones relacionadas con el consumo de combustibles y evacuación de humos han experimentado un gran avance tecnológico, pero la incorporación de dichos avances a la realidad de las instalaciones se ha hecho de forma moderada o parcial en determinados ámbitos. De esta manera, se hizo necesario orientar y definir una nueva normativa referida a la incorporación de dichas instalaciones en la edificación. En primer lugar, el Código Técnico de la Edificación (CTE) ha sido un instrumento normativo que ha fijado las exigencias básicas de calidad de los edificios y sus instalaciones. A través de esta normativa se ha dado satisfacción a ciertos requisitos básicos de la edificación relacionados Resumen de la Tesis Doctoral 2 con la seguridad y el bienestar de las personas, que se referían, tanto a la seguridad estructural y de protección contra incendios, como a la salubridad, la protección contra el ruido, el ahorro energético o la accesibilidad para personas con movilidad reducida. En el CTE se ordenó de forma completa la reglamentación básica de la edificación relacionada con los requisitos básicos de seguridad y habitabilidad. El CTE se divide en dos partes, ambas de carácter reglamentario. En la primera se contienen las disposiciones de carácter general (ámbito de aplicación, estructura, clasificación de usos, etc¿) y las exigencias que deben cumplir los edificios para satisfacer los requisitos de seguridad y habitabilidad de la edificación. La segunda parte está constituida por los Documentos Básicos cuya adecuada utilización garantiza el cumplimiento de las exigencias básicas. En los mismos se contienen procedimientos, reglas técnicas y ejemplos de soluciones que permiten determinar si el edificio y sus instalaciones cumplen con los niveles de prestación establecidos. En segundo lugar, el Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE) respondió a la necesidad de transponer la Directiva 2002/91/CE, de 16 de diciembre, de eficiencia energética de los edificios. El RITE es el reglamento que constituye el marco normativo básico en el que se regulan las exigencias de eficiencia energética y de seguridad que deben cumplir las instalaciones térmicas en los edificios para atender la demanda de bienestar e higiene de las personas. Dicho reglamento se ha desarrollado con un enfoque basado en prestaciones u objetivos, es decir, expresando los requisitos que deben satisfacer las instalaciones térmicas sin obligar al uso de una determinada técnica o material, ni impidiendo la introducción de nuevas tecnologías y conceptos en cuanto al diseño, frente al enfoque tradicional de reglamentos que han consistido en un conjunto de especificaciones técnicas detalladas que presentaban el inconveniente de limitar la gama de soluciones aceptables e impedir el uso de nuevos productos y de técnicas innovadoras. Las medidas que este reglamento contempla presentan una clara dimensión ambiental. Por un lado, se ve que intenta contribuir a la mejora de la calidad del aire y, por otro, añade elementos en la lucha contra el cambio climático tan necesarios hoy en día. Para el primer caso, se tiene en cuenta que los productos de la combustión (PdC) son críticos para la salud y el entorno de los ciudadanos. Por esto, el RITE prevé la obligatoriedad de la evacuación por cubierta de esos productos en todos los edificios de nueva construcción. También se fomenta la instalación de calderas que permitan reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno, de otros contaminantes, y que contribuyen a la reducción de NOx, lo que supondría una mejora en la calidad del aire de las ciudades. Resumen de la Tesis Doctoral 3 Con el fin de facilitar la compresión del nuevo Reglamento y su utilización, éste está ordenado en dos partes: La Parte Iª: Disposiciones Generales, contiene las condiciones generales de su aplicación y las exigencias de bienestar e higiene, eficiencia energética y seguridad que deben cumplir las instalaciones térmicas. La Parte II, constituida por las Instrucciones Técnicas, (IT), contiene la caracterización de esta exigencias y su cuantificación, con arreglo al desarrollo actual de la técnica que se realiza mediante el establecimiento de niveles o valores límite, así como procedimientos expresados en forma de métodos de verificación o soluciones sancionadas por la práctica, cuya utilización permite acreditar su cumplimiento. El por qué de la utilización del gas natural como energía primaria está muy clara. El gas natural es, dentro de los combustibles fósiles, el combustible con mayor porcentaje de hidrógeno en su composición. Por esta razón, resulta ser el combustible menos contaminante dentro de los combustibles fósiles y sin embargo, su combustión presenta varios de los inconvenientes asociados a la mayoría de los tipos de combustión de combustibles fósiles. Estos problemas resultan ser principalmente la formación de CO2; en el caso de que la combustión no sea completa la formación de CO y finalmente, la formación NOx siendo éstos últimos los que representan un notable peligro para la salud. El hecho de ser más ¿limpio¿ que otros combustibles, que su precio sea relativamente competitivo y que no sea tan agresivo medioambientalmente hablando, como son el carbón y muchos de los combustibles derivados del petróleo, ha impulsado que las instalaciones individuales de calefacción para vivienda habitada en base a gas natural proliferaran rápidamente, aunque presenten inconvenientes como los de la formación de NOx anteriormente citado. Junto con el auge de la utilización de este tipo de energía, se evidencia también que la llegada del gas natural canalizado a un elevado porcentaje de nuestros hogares, supone una evidente mejora del confort en la vivienda, ya sea para su uso en calefacción, uso de agua caliente sanitaria (ACS), cocción de alimentos, etc. Esta penetración en el mercado ha traído: 1- La masiva instalación de calderas individuales a gas de calefacción y ACS en las viviendas tanto habitadas (existentes) como en las de nueva construcción. 2- La sustitución de combustibles (gasóleo y carbón) por gas natural en las instalaciones centrales existentes y la instalación en nueva construcción de calderas centrales de calefacción y ACS. Resumen de la Tesis Doctoral 4 Por esto, el Departamento de Industria Comercio y Turismo del Gobierno Vasco se ha visto en la imperiosa necesidad de redactar una normativa eficaz en este sentido. Si bien la reglamentación establece que la evacuación de los productos de la combustión (PdC) de las calderas ha de realizarse por cubierta, en el caso de la vivienda usada ello podría ocasionar graves problemas de instalación debido a la morfología de los edificios ya construidos, por lo que permite la evacuación por fachada (como caso particular de la evacuación por cubierta) al objeto de que gran parte de la población pueda disfrutar de sus ventajas. No obstante, este tipo de instalaciones individuales de calefacción para vivienda habitada, ha generado un gran problema como es el elevado número de calderas evacuando humos, bien por fachada o a través de los patios interiores de ventilación, con la consiguiente polución de nuestro entorno, y que por su disposición, geometría, condiciones, etc., afectan al lugar donde se vierten. En el caso de volcar los PdC a los patios interiores de ventilación esto implicaría un aumento de la concentración de los contaminantes en el citado recinto. La normativa que regula la problemática de la evacuación no realizada por cubierta requiere un cambio basado, como no puede ser de otra manera, en estudios teóricos (simulaciones por ordenador) y en experimentos realizados en campo. En el caso de la evacuación por fachada de calderas individuales a gas se requiere un esfuerzo especial debido a: 1- Al número de unidades instaladas (decenas de miles). 2- Existe una fuerte discrepancia en el mercado español, a pesar de que el RITE así lo exige, sobre la conveniencia o no de hacerlas evacuar por cubierta en el caso de nueva construcción. En el País Vasco es obligatorio hace años evacuar por cubierta (tejado). 3- La dispersión de PdC al evacuar por fachada, en bastantes situaciones, está resultando ser problemática hasta el caso de no poderse dar soluciones a todos los casos a causa de la falta de estudios científicos que describan los comportamientos y concentraciones de los humos en la descarga por fachada. 4- Negativo impacto visual de los penachos de ¿humos¿ saliendo por las fachadas, con especial mención a las calderas de baja temperatura y condensación. Un profundo estudio de las casuísticas descritas y otras que se puedan definir o encontrar en el día a día de las instalaciones, debe ser realizado por parte de agentes tanto científico como tecnológicos, libres de las presiones y variaciones financieras del mercado, al objeto de analizar Resumen de la Tesis Doctoral 5 y normalizar las diferentes situaciones y de esta manera, evitar el vació legal que muchas veces se pudiera producir. Para el estudio, análisis y resolución de estas problemáticas se deben utilizar técnicas de predicción en tiempo real, como es la fluido dinámica computacional (CFD), acompañada de un estudio monitorizado en campo, que permita ajustar un modelo de predicción fiable y observar un comportamiento de lo estudiado más real, que pueda reglamentar el mayor tipo de situaciones. El objeto final de esta tesis ha sido estudiar y aportar soluciones a la problemática de la contaminación en patios de ventilación existentes, debida a la evacuación de PdC, procedentes de calderas estancas. Para ello me he basado en la normativa existente a nivel autonómico, estatal y europeo, así como la tecnología CFD. Las viviendas de nueva construcción, como se ha dicho, evacuan por cubierta y no son objeto de estudio en esta tesis. Para conseguir el objetivo final, se han realizado cuatro experimentos consistentes en: 1º.- Estudio de la viabilidad de los sistemas de evacuación en la sustitución de calderas atmosféricas evacuando por chimenea colectiva, realizado en un edificio de viviendas de un municipio vizcaíno. 2º.- Estudio de la problemática generada cuando se tiene una caldera atmosférica instalada y no se respeta la normativa, efectuado en una vivienda en Bilbao. 3º.- Estudio de la saturación en patios cuando se vuelcan los PdC de más calderas que las permitidas por la norma. Además se ha realizado un experimento añadido, estudiando las condiciones finales del patio de ventilación, después de volcar los humos da las calderas máximas permitidas por la norma. Se ha realizado en un edificio de viviendas de un municipio vizcaíno. 4º.- Análisis de la repercusión del aislamiento térmico en sistemas de evacuación colectivos, ya que la norma manda que las chimeneas han de ir aisladas. Sin embargo, en este experimento se ha establecido una comparativa entre chimeneas de doble pared (aisladas) y de simple pared (sin aislar) En esta tesis, la cual está basada en una actividad tan compleja, han aparecido dificultades no pensadas en un principio que han significado retrasos, como han sido la coordinación con los vecinos de los inmuebles que se han prestado para las pruebas de campo, así como los grandes cálculos, y su extensión en el tiempo, que se ha requerido la CFD para poder resolver los modelos virtuales. Resumen de la Tesis Doctoral 6 2. Metodología y fundamentos teóricos La metodología seguida ha sido como aparece en el diagrama de bloques a continuación: Figura 1.1 Los fundamentos teóricos se basan en las ecuaciones de movimiento de fluidos (Navier-Stokes), de forma acoplada, y, que de una manera convencional (ordenadores) serían imposibles de resolver. En estas ecuaciones, se puede definir la velocidad y presión de un fluido en cualquier punto del espacio o del dominio. Los fundamentos teóricos de de los fenómenos de convección natural y flotabilidad (fuerzas de Buoyancy) también son tenidos en cuenta. Para flujos de densidad variable Para flujos de densidad connstante vgpdtvd¿¿2¿++¿¿=¿¿¿¿0=¿¿v¿()gfrefg¿¿=¿¿()TTgfrefg¿¿¿¿=ß¿ Resumen de la Tesis Doctoral 7 El modelo de turbulencia utilizado es el modelo k-¿, el cual incorpora dos ecuaciones en las que interrelacionan la energía cinética del fluido turbulento k y su velocidad de disipación ¿ al sistema de ecuaciones del fluido. Mediante estas dos ecuaciones se calculan los valores de estas variables para posteriormente calcular ¿. La normativa seguida es la que a continuación se representa en la figura 1.2. NORMATIVA ESTATAL. EVACUACIÓN DE PdC EN INST. CON CALDERAS INDIVIDUALES A GAS23REGLAMENTO DE INSTALACIONES TÉRMICAS EN EDIFICIOSRITEUNE 123001 (española)UNE EN 13384-1UNE EN 13384-2NTE-ISH/74Normas complementariasUNE EN 13384-3 Figura 1.2.- Normativa utilizada 3. Experimentos realizados Los experimentos realizados se resumen a continuación en los diagramas de las figuras 1.3, 1.4, 1.5 y 1.6. 3.1 Viabilidad de chimeneas ISH/74 para calderas estancas tipo C ¿¿¿¿2kC¿¿= Resumen de la Tesis Doctoral 8 ENSAYOS Y EXPERIMENTOSVIABILIDAD CHIMENEAS ISH/74 PARA CALDERAS ESTANCAS TIPO C ISH-5 ISH-9ISH-5RPE-4PTL-6ISV-91Ultima plantaPenultima2 a 6ISH-13ISH-10ISH-14ISH-7PTL-4RPE-3ISH-4ISH-4ISH-7ISH-9ISH-13ISH-9ISH-4plantaISH-5ISH-5ISH-4ISH-4ISH-4150cotas en cm 39Comprobación de viabilidad del sistema de evacuación existenteAnálisis de combustiónFilmaciónPrueba de estanqueidadAjuste de rendimientosPrueba de revocosEstanqueidadInstalación calderas estancasISH-26 Figura 1.3 3.2 Justificación del RITE, por qué no se permite poner calderas atmosféricas ENSAYOS Y EXPERIMENTOSQUÉ OCURRE CUANDO NO SE TIENE CALDERAS ESTANCASInspección del sistema de evacuación existenteFilmaciónAnálisis de contaminaciónToma de datosRecreación situaciónRecreación45 Figura 1.4 Resumen de la Tesis Doctoral 9 3.3 Estudio de la saturación al evacuar a patio de ventilación ENSAYOS Y EXPERIMENTOSESTUDIO DE LA SATURACIÓN AL EVACUAR LOS PdC A PATIO Inspección del patioRecomendacióninspecciónToma de datosAnálisis de combustiónEnsayo de saturaciónRealización ensayoEnsayo según normativaRealización ensayo47 Figura 1.5 3.4 Repercusión del aislamiento térmico en sistemas de evacuación colectivos ENSAYOS Y EXPERIMENTOSREPERCUSIÓN DEL AISLAMIENTO TÉRMICO EN SISTEMAS EVACUACIÓN COLECTIVOSMontaje nuevas chimeneasInstalación según normativaAnálisis del sistemaAnálisisEnsayo según UNE EN 13384-2Realización ensayoAnálisis de combustiónToma de datos56 Figura 1.6 Resumen de la Tesis Doctoral 10 4. Conclusiones Si bien todos los aspectos de esta Tesis Doctoral están íntimamente relacionados, se ha de delimitar aspectos concretos exponiéndolos por separado, aunque esta separación sólo tenga importancia desde un punto de vista meramente expositivo. Se han contemplado los siguientes puntos: ¿ La evacuación de humos en instalaciones de calderas estancas individuales. ¿ El estudio de la sustitución de calderas atmosféricas por estancas evacuando por chimeneas colectivas en vivienda habitada. ¿ El estudio de la saturación de patios. ¿ El estudio del mal funcionamiento en la evacuación de humos y causa del revoco de los humos al interior de una vivienda. ¿ El análisis y estudio de la evacuación de humos por chimeneas colectivas con y sin aislamiento Cada uno de ellos influye en los otros. En aras de una exposición clara y lógica, se ha adoptado esta estructura. Aún así, las conclusiones hacen referencia a todas ellas en conjunto, siendo en algunos de los casos pioneros, pues no hay ensayos precedentes de similares características. Al estudiar los sistemas de evacuación de humos en instalaciones con calderas estancas que cumplan la normativa actual, así como la transición de aquellas instalaciones que tenían calderas de tipo atmosférico a otras que pudieran evacuar los PdC de acuerdo a la legislación vigente, se puede afirmar que: 1. Se constata que la evacuación de PdC cumpliendo la normativa, conduce a un descenso de la dispersión de contaminantes en el interior, y a un aumento de la contaminación (saturación del patio). 2. Se ha constatado que todas las situaciones requieren, independientemente de los materiales, geometrías y diseños, de una inspección visual más pormenorizada (cámara de video) incluyendo los conductos de humos, y de un ensayo de estanqueidad. 3. Se evidencia que las chimeneas colectivas metálicas y de simple pared (sin aislamiento) son capaces de evacuar los humos, de la misma manera que las chimeneas aisladas, y se presentan como una buena solución para poder exhaustar a cubierta, sin saturar los patios de ventilación Resumen de la Tesis Doctoral 11 4. La tecnología CFD demuestra ser una eficaz herramienta para la realización de estudios de difícil ejecución (movimiento de fluidos), siempre supeditado a la capacidad de cálculo de las máquinas disponibles 5. Bibliografía consultada Bibliografía general ¿ AENOR, ¿Reglamento de instalaciones Térmicas en edificios¿ (CD-ROM), 2ª edición. ISBN: 978-8143-727-0. Ed: Aenor Ediciones. 2011 ¿ AENOR, UNE-EN 13779 ¿Ventilación de los edificios no residenciales¿, Dep. legal M 27052: Aenor Ediciones. 2008. Pág. 18 ¿ AENOR, UNE-CEN TR 1749 IN. ¿Esquema europeo para la clasificación de los aparatos que utilizan combustibles gaseosos según la forma de evacuación de los PdC (tipos)¿. 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