Anales AFA - XVI Meeting on Recent Advances of Physics of Fluids and its Applications 71-76
INFILTRACIÓN EN UN EDIFICO COMPLEJO
INFILTRATION IN A COMPLEX BUILDING
N. Muñoz1, L. P. Thomas*1 y B. M. Marino1
1Centro de Investigaciones en Física e Ingeniería del Centro de la Prov. Buenos Aires (CIFICEN), UNCPBA – CONICET,
Pinto 399 – (7000) Tandil – Argentina.
Recibido: 15/10/21; Aceptado: 18/11/21
La infiltración de aire en un edificio depende fundamentalmente de la hermeticidad de las puertas y ventanas conside-
rada mediante las correspondientes áreas efectivas de fuga, y de la diferencia de presión entre el interior y exterior del
edificio. Si bien las normas técnicas proporcionan métodos simples para estimar los parámetros que regulan el movi-
miento de aire,el cálculo del caudal de aire renovado siguiendo métodos estandarizados presenta diferencias apreciables
con respecto a los más precisos, aunque complejos, que usan los principios de la fluido-dinámica tradicional. Nuestro
objetivo es evaluar la infiltración en un edificio de dos plantas con atrio central importante durante el día típico de
enero teniendo en cuenta todos los parámetros relevantes. El resultado analítico se incorpora a la simulación numérica
con el programa EnergyPlus para obtener la evolución de la temperatura interna del edificio, sensible al ingreso de
aire.Los resultados de la simulación se comparan con las mediciones in-situ. Se encuentra que el caudal de infiltración
estimado por las normas permite reproducir la evolución de la temperatura interna sólo si se ajusta considerablemente
el caudal de diseño de la infiltración. La metodología implementada brinda una estimación de la infiltración en edificios
bajo condiciones reales de uso y permite evaluar los efectos de las fugas de aire cuando no se cuenta con mediciones
directas.
Palabras Clave: infiltración, caudal de diseño, temperatura interior.
The air infiltration through building envelope mainly depends on the doors and windows tightness considered by means
of the corresponding effective leakage areas and the pressure difference between the building exterior and interior.
Although the standards provide simple methods to estimate the parameters that control the air movement, significant
differences in the volumetric flow of fresh air are observed between the standardized and the most accurate traditional
methods. Our aim is to evaluate the infiltration in a two-storey building with a large central atrium during the typical day
in January by considering all the relevant parameters. The analytical result is incorporated to the numerical simulation
with EnergyPlus to determine the internal temperature evolution that is sensitive to the air intake. Simulation results are
compared with in-situ measurements. It is found that the air infiltration rate calculated from the standardized procedure
only enables the internal temperature evolution to be reproduced with a substantial adjustment of the design air infiltra-
tion rate. The methodology developed is useful to calculate the infiltration in buildings under actual use conditions and
assess the air leakage when measurements are not available.
Keywords: infiltration, design flow, internal temperature.
https://doi.org/10.31527/analesafa.2022.fluidos.71 ISSN 1850-1168 (online)
I. INTRODUCCIÓN
La infiltración es el intercambio no controlado de aire a
través de la envolvente edilicia debido a la diferencia de pre-
sión entre el interior y el exterior. Permite la renovación del
aire manteniendo la calidad del mismo, aún con el edificio
cerrado, y evita la condensación indeseada [1]. No obstante,
las cargas de calefacción y refrigeración pueden aumentar
entre un 15% y 50% por el aire infiltrado [2], lo cual debe
considerarse en el diseño de los sistemas de termalización
y renovación del aire interior bajo las condiciones de tem-
peratura y humedad relativa acordes con el uso del edificio
[3-5].
Un efecto acumulativo común encontrado en los atrios de
los edificios de altura es la disminución de la densidad del
aireen las sucesivas plantas. Esta crea un efecto de chimenea
en invierno, provocando que el aire exterior fresco y denso
ingrese a los niveles inferiores, suba a través del edificio
* lthomas@exa.unicen.edu.ar
y escape por los pisos superiores; el proceso se invierte en
verano [4]. Como consecuencia, las plantas inferiores pre-
sentan la mayor carga de calefacción en invierno, mientras
las superiores presentan la mayor carga de refrigeración en
verano.
La distribución de presión en la superficie exterior de los
edificios depende de la velocidad y dirección del viento, y
de la orientación y altura de cada sector de la envolvente.
La capa límite atmosférica genera mayores velocidades del
viento en los niveles superiores de los edificios, mientras los
obstáculos eólicos (edificios, vegetación, etc.) de los alrede-
dores modifican la presión ejercida sobre la envolvente [6].
Cuanto más expuesto a la acción del viento se encuentra un
edificio, mayor es la infiltración de aire.
Una forma de cuantificar la cantidad de aire que ingresa a
un edificio por infiltración es realizando in-situ pruebas de
presurización [7]. Así se obtiene una curva caudal de aire-
diferencia de presión que da cuenta de la permeabilidad de
la envolvente cuando la presión en el interior se incrementa
©2022 Anales AFA 71
(o reduce) paulatinamente. Esta metodología permite deter-
minar el flujo de aire total a través de las fisuras en paredes,
techo, piso y juntas de las ventanas y el producido por el
funcionamiento normal de las puertas en un rango de pre-
sión 10 −75 Pa [3,7].
En la etapa de diseño de una construcción, el cálculo teó-
rico de la infiltración requiere una gran cantidad de detalles
del edificio y su entorno. En consecuencia, la infiltración
de aire a través de aberturas se estima por medio de mode-
los o aproximaciones establecidos en normas técnicas. En
Argentina, se utiliza la norma IRAM 11523 [8] mientras la
norma IRAM 11507-1 [9] establece 3 niveles de infiltración
en función del caudal de aire intercambiado por metro lineal
de junta medido a 100 Pa, y la norma IRAM 11900 [10] es-
tablece valores típicos del área efectiva de fuga por metro
lineal de junta de acuerdo con el tipo de abertura y nivel de
hermeticidad. El caudal de aire infiltrado total corresponde
a la suma de las infiltraciones de las diferentes carpinterías
de una construcción, mientras que el número de renovacio-
nes de aire es el cociente entre el volumen del edificio y
el caudal total. La información obtenida se utiliza en plan-
tillas simplificadas y programas numéricos para evaluar la
infiltración, el intercambio de calor con el exterior, la cali-
dad del aire en interiores, etc. considerando la meteorología
local, aunque los resultados no suelen ser verificados.
El objetivo de este trabajo es evaluar teórica y numérica-
mente la infiltración en un edificio complejo preexistente,
siguiendo los estándares argentinos y de ASHRAE [11], y
verificando los resultados con la medición in-situ de la tem-
peratura interna. La metodología empleada permite validar
y generalizarlos resultados en condiciones reales de uso del
edificio.
II. MARCO CONCEPTUAL
El cálculo del caudal de diseño del aire infiltrado en un
edificio, Qd(m3/s), correspondiente a una diferencia de pre-
sión de referencia ∆pr(Pa) entre el interior y el exterior, se
basa en suponer que un dado caudal infiltrado Qse relaciona
con la diferencia de presión ∆pen el lugar de la construc-
ción mediante la ley de potencia [12]
Q(t) = c[∆p(t)]x(1)
donde c=Qd/∆px
res el coeficiente de estanqueidad del
edificio y 0.65 <x<0.67 [4,11]. Alternativamente, Q(t)
puede hallarse a partir de Qdpor medio de [13]
Q=Qd(A+B|Ti−Te|+Cu +Du2)(2)
donde Aes un parámetro adimensional y B(1/ºC), C(s/m)
yD(s2/m2) son factores de corrección.
Notar que la Ec. (2) es una relación lineal entre la varia-
ble dependiente Qy las variables ∆T,uyu2. Los valores
de uyu2no guardan una relación lineal entre si y podrían
considerarse variables independientes.
Según ASHRAE [11], el uso de la Ec. (1) implica calcu-
larla diferencia de presión total ∆ptdebida a las contribu-
ciones de la presión del viento ∆puy a la del efecto chime-
nea ∆pc:
∆pt=S2Cp∆pu+∆pc+∆pe(3)
donde ∆pees la ∆pde equilibrio de modo que ∆pt=0
cuando no hay viento y ∆T=Te−Ti=0, Ses el factor
de protección del viento, y Cpes el coeficiente de presión
del viento.
La distribución de presión sobre la superficie exterior de
los edificios depende de la velocidad y dirección del vien-
to, la densidad del aire, la orientación de las fachadas y los
obstáculos eólicos. La misma se estima como sigue:
∆pu=ρeU2
H
2,(4)
donde UH(m/s) es la velocidad efectiva del viento a la altura
del techo y ρees la densidad del aire exterior.
Por otra parte, UHa la altura efectiva Hees
UH=Umet δmet
Hmet amet He
δa
(5)
donde δes el espesor de la capa límite del viento sobre
el suelo. La velocidad del viento Umet (m/s) es la reporta-
da por los servicios meteorológicos, en general, a la altura
Hmet =10 m, sin obstáculos cercanos, por lo cual se usan
los valores estandarizados δmet yamet . Los valores de δy
asegún el terreno donde se localiza la construcción son re-
portados por ASHRAE [11].
Sse relaciona con los obstáculos eólicos circundantes de
la construcción y se obtiene de tablas [11]. Cpse relacio-
na con la orientación del edificio y se calcula mediante la
siguiente relación:
Cp=0.50.3(cos2ϕ)1/4+
sing(cosϕ)abs{0.9(cosϕ)3/4} − 1.3(sin2ϕ)2.(6)
La Ec. (6) define a Cpen función del ángulo ϕ=ϕw−ϕv
entre los ángulos ϕw, entre la normal a la pared considerada
y la dirección norte (0°), y ϕv, entre la dirección del viento
y la dirección norte.
Para obtener un único valor de CpS2para el edificio, se
calculan los promedios de los valores positivos de CpS2(ϕ)
(relacionados con el caudal del aire que ingresa al edificio) y
negativos (relacionados con el aire que sale) de cada sector
de la envolvente. Luego, el promedio de ambos (en valor
absoluto) es el CpS2para todo el edificio. Este cálculo se
realiza para cada valor de ϕv.
El efecto chimenea genera una diferencia de presión hi-
drostática debida a ∆T. En el caso de un edificio con Tiapro-
ximadamente constante, resulta
∆pc=gρeTe−Ti
TiH,(7)
donde ges la aceleración de la gravedad y Hes la diferencia
de altura entre las aberturas inferiores y superiores.
Para el cálculo de la infiltración por aberturas,la norma
IRAM 11900 [10] establece los valores del área efectiva de
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fuga por metro lineal de junta, av. Por lo tanto,
Qd=2.5 x
∑
n=1
av,ili!10−4(8)
donde li(m) es la longitud de la junta de la i-ésima abertura
(o su perímetro). El factor de conversión 10−4de cm2a m2
se usa para calcular Qden m3/s cuando av,ise expresa en
cm2.
III. MEDICIONES EXPERIMENTALES
El edificio de dos plantas evaluado es el de la Biblioteca
Central de la Universidad Nacional del Centro de la Pro-
vincia de Buenos Aires, diseñado y construido según las
normas técnicas provinciales vigentes. Se encuentra en un
terreno con pendiente en la zona semi-rural de Tandil carac-
terizada por su clima templado y húmedo (subhúmedo se-
rrano), con veranos suaves y poca amplitud térmica anual.
Los muros de la envolvente son de 0.30 m de espesor y tie-
nen aislante interno y abundantes ventanas y paneles de vi-
drio DVH con carpintería de aluminio distribuidos tanto en
planta alta (PA) como baja (PB). La cúpula del atrio central
es una lucarna vidriada cerrada a 10 m de altura.
Las variables meteorológicas locales presentan variacio-
nes periódicas, estacionales y aleatorias. Los registros hora-
rios de Te, presión atmosférica P
a,ϕwyUmet son proporcio-
nados por la estación del Servicio Meteorológico Nacional
localizada a 15 km del Campus en un terreno con similares
características al del Campus.
Tise mide en el atrio con sensores HOBO a 1 m (PB), 4.6
m (PA) y 6.6 m (justo debajo de la lucarna) desde el piso de
PB, dos en cada nivel sobre un plano vertical diagonal N-S.
Los valores horarios de Te,Ti,ϕwyUmet obtenidos durante
un año se promedian para cada mes agrupados por hora, ob-
teniéndose así 24 valores diarios para cada variable corres-
pondientes al “día típico” o “día representativo” del mes.
Así se obtiene la evolución diaria media de las variables y
no sólo los valores medios mensuales usualmente reporta-
dos. La Fig. 1muestra la evolución de los valores medios
de TeyTide enero a partir delos datos registrados en el pe-
riodo 20/02/2016 - 20/02/2017. Puesto que las diferencias
de Tientre los diferentes niveles son pequeñas comparadas
con ∆T, el atrio central constituye una única zona térmica.
IV. METODOLOGÍA
El cálculo de la infiltración en el edificio evaluado se rea-
liza siguiendo la metodología esquematizada en la Fig. 2.
Primero se determina avde las aberturas para determinar
Cdy el coeficiente c. Estos valores junto con las caracte-
rísticas del edificio y del clima local pueden ingresarse en
programas para estimar la infiltración.
Para obtener información detallada y/o verificar los re-
sultados y el funcionamiento del programa se procede como
sigue. Con la información meteorológica local y las medi-
ciones de Tise determinan los valores correspondientes al
día típico de cada mes. Esto permite calcular ∆Tpara las
24 h del día típico, y así obtener ∆pc(t). También se calcu-
lan los valores de los parámetros necesarios para determi-
nar ∆pu(t)para los diferentes sectores de la envolvente y
∆pt(t). Así se obtiene analíticamente Q(t)para ∆pt(t)du-
FIG. 1: Evolución de la temperatura interna medida en el atrio
central del edificio evaluado durante el día típico de enero. Las
barras de error corresponden a las desviaciones estándar hora-
rias.
FIG. 2: Diagrama de flujo para la metodología empleada.
rante las 24 horas del día típico. A continuación se aplica el
modelo de regresión lineal múltiple (RLM) para encontrar
las los coeficientes A,B,C,Dde la Ec. (2) para el edificio
evaluado en el mes típico, y establecer la infiltración para
las condiciones climáticas locales.
La norma IRAM 11900 [10] establece el cálculo del cau-
dal de infiltración total utilizando las Ecs. (8). La hermeti-
cidad se establece usando av,i=2.54 (cm2/m) para venta-
nas tipo batiente y puertas tipo oscilante,y av,i=0 (cm2/m)
para paños fijos. Finalmente, se obtiene Qd=0.479 m3/s
yc=0.19 (Pa m3/s) para todo el edificio, valores que
concuerdan bien con los establecidos por la norma CEN
15242:2006 [14] para edificios con escasa infiltración.
∆pcse calcula con la Ec. (7). Tipuede considerarse cons-
tante, ∆Tse obtiene a partir de la Fig. 1, y la diferencia
de altura entre la lucarna y las aberturas de PB es H≈8.5
m. El cálculo de ∆pucon Ec. (3) es más complejo porque
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depende de la dirección del viento y las barreras eólicas cir-
cundantes. SyCpmodifican el término que contiene a ∆pu.
El valor de Ses proporcionado por la norma considerando
los obstáculos del entorno: S=1 para las caras NO y SO
del edificio ya que no hay obstáculos en esas direcciones,
S=0.9 para la cara NE y S=0.7 para la cara SE enfrentada
a un conjunto de árboles. Cpse calcula con Ec. (6) alcan-
zando su valor máximo en la cara enfrentada al viento.
La Fig. 3 muestra los valores de CpS2(ϕv)para los muros
perimetrales del edificio. Se observa que, por ejemplo, CpS2
alcanza su valor máximo sobre la cara SO cuando el viento
proviene del SO, y es negativo para ϕv<170◦o>278◦. La
forma de las curvas CpS2es la misma para todos los muros
aunque las curvas están desplazadas de modo que el valor
máximo se alcanza cuando el muro enfrenta al viento. Este
valor máximo es mayor para los muros NO y SO que para
los NE y SE.
FIG. 3: Valores de CpS2para los muros perimetrales del edificio
evaluado en función de la dirección del viento.
CpS2>0 (<0) corresponde a ∆pt>0 (<0), dando lu-
gar a un flujo de aire hacia el interior (exterior). Así, para
un viento soplando desde el SO, la cara SO experimenta una
∆pt>0 mientras que ∆pt<0 en el resto de las fachadas.
Por tanto, un flujo de aire ingresa por la fachada SO y sale
por el resto de la envolvente. En el caso que el viento pro-
venga del N, S, O o E, una esquina del edificio enfrenta al
viento por lo que habrá dos caras con CpS2>0 y dos con
CpS2<0.
El valor total de CpS2para el edificio para un dado ϕv(lí-
nea de trazos en Fig. 3) es intermedio a los valores absolutos
de CpS2en todos los muros, de modo de incluir la resisten-
cia al flujo del aire entrante y saliente del edificio según
las orientaciones de los muros y los tipos de terreno cer-
canos(Sección II). Aquí adoptamos el valor promedio del
promedio de los valores positivos por una parte y del va-
lor absoluto del promedio de los valores negativos por otra,
y es indicado con una línea de trazos en la Fig. 3. Para el
edificio evaluado, CpS2fluctúa entre 0.25 (para vientos pro-
venientes del O y S) y 0.5 (para vientos soplando desde el
NO).
El valor de ∆pudepende del perfil de velocidad del vien-
to. La categoría del terreno se elige consistentemente con el
cálculo de S: categoría 3 para vientos provenientes del NO
y SO, categoría 2 para vientos procedentes del NE y catego-
ría 1 para vientos desde el SE. También debe considerarse
que el edificio de 7 m de altura está construido en un terreno
con pendiente. En consecuencia, los muros NO y SO están
elevados respecto del nivel del terreno sobre un terraplén de
unos 2 m. La altura externa efectiva en estas direcciones es
He=9 m. Por el contrario, He=5 m para la cara enfrentada
al SE.
El perfil de velocidad del viento y Hedel edificio determi-
nan UH/Umet (Ec. (5)) en las direcciones NO, SO, SE y NE,
empleándose una interpolación lineal para las direcciones
intermedias. Multiplicando este factor por CpS2ya calcula-
do (Fig. 3), se tiene el factor direccional de la presión del
viento CpS2UH/Umet que depende de ϕv. Como resultado
se obtiene una fuerte reducción de este factor para un vien-
to procedente del SE con respecto avientos desde el NO y
SO, direcciones de las que el edificio se encuentra menos
protegido.
La evolución de ∆ptpara el edificio evaluado en un día
típico de enero se muestra en la Fig. 4.∆pcy∆pupresen-
tan amplitudes comparables todo el año pero en enero estas
son mayores por la mañana y notoriamente menores por la
tarde. Así, la situación típica de las tardes de enero corres-
ponde a un interior con alta temperatura y pequeña diferen-
cia térmica con el exterior, con el agravante de que no hay
viento significativo para refrescar los ambientes. Q(t)para
el día típico de enero mostrado en Fig. 5(símbolos) se cal-
cula con la Ec. (1) usando el valor de challado en Sección
4b y ∆ptrepresentado en la Fig. 4. La línea en Fig. 5corres-
ponde a una función que contiene los coeficientes hallados
con el modelo RLM.
FIG. 4: Diferencias de presión en el edificio evaluado para el día
típico de enero.
Verificación de los resultados
La evolución de Tien el atrio central se determina con la
simulación numérica usando el programa EnergyPlus (va-
lidado previamente [15]) para diferentes valores de infil-
tración. Se probaron diferentes valores de la conductividad
térmica de la envolvente y de las características del piso, ya
que estos cambian la temperatura promedio, la amplitud de
la oscilación y la fase de la evolución diaria de Ti(t). Tam-
bién se simuló el comportamiento térmico ingresando sólo
Qdoc. El mejor resultado se obtiene incorporando los va-
lores de A,B,C,Dhallados con el modelo de RLM. En Fig.
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FIG. 5: Evolución del caudal de aire en el edificio evaluado du-
rante el día típico de enero. Las barras representan las desviacio-
nes estándar calculadas a partir de las fluctuaciones de la tempe-
ratura y el viento durante todo el mes de enero.
6la Timedida se representa con símbolos acompañados de
sus correspondientes desviaciones estándar, mientras la lí-
nea magenta indica la evolución de Ticuando la infiltración
es estimada siguiendo la norma IRAM 11900. Esta conduce
a una mayor oscilación de Tiy una baja considerable de su
promedio, muy alejada de Timedida. En este caso, el ingre-
so de aire desde un exterior a Tees excesivo por lo que el
valor de la infiltración debe reducirse al 10 % para obtener
la evolución de Timedida (línea negra).
FIG. 6: Evolución de la temperatura interna durante el día típi-
co de enero para diferentes% de la infiltración determinada con
EnergyPlus siguiendo el procedimiento indicado por la norma
IRAM 11900 (línea magenta) y sin infiltración (línea celeste).
V. CONCLUSIONES
Se analizó la infiltración en un edificio en condiciones
reales de uso empleando los valores del caudal de aire in-
gresado por las aberturas siguiendo las normas. Sumando
las contribuciones de todas las aberturas se estableció el
caudal total a la presión de referencia y el correspondien-
te coeficiente de flujo de aire del edificio. Con este resulta-
do y la ley de potencia dada por la Ec. (1), se determinó la
relación entre la cantidad de aire que ingresa a un edificio
para cualquier diferencia de presión total entre el interior
y el exterior. Luego, empleando los valores promedio de la
temperatura exterior y la velocidad del viento, se calculó
teóricamente la infiltración durante el día típico de enero,
y se introdujo explícitamente la influencia del viento y de
las diferencias de temperatura por medio de la Ec. (2) obte-
niendo resultados concordantes con los medidos.
La metodología propuesta permite analizar la influencia
de los parámetros involucrados sobre la infiltración. Los re-
sultados revelan que la temperatura interna evolucionaría
como la medida si se considerara sólo el 10 % de la infil-
tración calculada. Esto destaca la importancia de validar los
resultados numéricos con los experimentales, ya que una
estimación incorrecta en la etapa de diseño cambiaría las
condiciones de confort y los requerimientos de calefacción
y/o enfriamiento. Luego, los valores de la infiltración por
aberturas determinados siguiendo las normas [10,12,14]
son excesivos para el edificio evaluado.
También se propone usar el modelo RLM para estable-
cer los efectos del viento y ∆Tsobre la infiltración total.
Los cuatro coeficientes característicos permiten generalizar
la respuesta del edificio (i.e., Q(t)) en función dela veloci-
dad del viento y ∆T, y determinar su importancia relativa.
Así es posible estimar la infiltración durante eventos me-
teorológicos específicos (e.g., olas de calor) durante el mes
analizado. En un próximo trabajo se evaluarán tales eventos
y los resultados se extenderán a otros meses energéticamen-
te exigentes del año.
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