Tesis:
Caracterización experimental y modelo predictivo de la calidad del aire interior en viviendas con sistemas de ventilación natural
- Autor: GARCÍA ORTEGA, Sonia María
- Título: Caracterización experimental y modelo predictivo de la calidad del aire interior en viviendas con sistemas de ventilación natural
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE ARQUITECTURA
- Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80533/
- Director/a 1º: LINARES ALEMPARTE, Pilar
- Resumen: Dwellings in Spain have traditionally been ventilated naturally, based on airing, opening and closing windows and with a high level of infiltration through the building envelope, mainly through joinery. At present, natural ventilation is still the most widespread ventilation system in existing dwellings.
Knowledge of indoor air quality is very important because of its influence on human health. However, there are no known large-scale experimental studies in existing dwellings, and methods for estimating indoor air quality are generally based on ventilation flow rates, which makes the task much more difficult in the case of natural ventilation. It was therefore proposed as a starting hypothesis for this thesis that air quality in dwellings with ventilation systems based mainly on natural ventilation could be predicted based on easily determinable parameters, so that it would not be necessary to rely on ventilation flow rates.
The primary objective was to develop a model capable of predicting indoor air quality. Two further subsidiary objectives included enhancing the understanding of air quality in existing dwellings equipped with natural ventilation systems; and proposing a modification of the current regulations to facilitate the use of natural ventilation in dwellings.
The studys scope was limited to the city of Madrid, which has an urban environment and a continental or cold semi-arid climate. The study included 12 single-storey dwellings within residential buildings. The dwellings were characterised, and a total of 75 measurements were conducted in 42 different rooms.
The primary objective has been fulfilled by proposing a generalised linear model of carbon dioxide concentration utilising the data gathered in the experimental phase. The proposed model allows the calculation of the average of carbon dioxide concentration in a room based on five readily available parameters: the season (categorised as summer or winter), the room usage (such as bedroom or living area), and concerning the dwelling: its floor area, the regular occupancy and the number of façades with openings.
This model provides the most accurate approximation of the current scenario, with a McFadden's D2 of 79.3% (coefficient of determination of 0.77) and a predictive power with cross-validation models of around 74%. As the information required for its use is readily available and does not require monitoring, it will enable both large-scale studies of indoor air quality in naturally ventilated dwellings and guidance on the feasibility of specific systems in a user-friendly approach.
In achieving the first subsidiary objective, it has been found that 50% of the monitored dwellings do not provide adequate indoor air quality in accordance with DB HS 3 Air Quality of the Technical Building Code. The cause of non-compliance is consistently linked to excessive bedroom carbon dioxide concentration. The monitored data suggests the indoor air quality situation in existing Madrid apartments is varied and typically poor. It presents good results during summer, but significantly deteriorates during winter, particularly in the bedrooms. Furthermore, it has been ascertained that occupants' ventilation behaviours heavily influence indoor air quality.
In compliance with the second subsidiary objective, a proposal has been made to modify requirement 13.3 of Part I and DB HS 3 of the Technical Building Code. The proposed changes aim to support the usage of ventilation systems based on natural ventilation, subject to certain criteria such as restriction to mild winter climates and utilization of air vents as the sole intake opening.
RESUMEN
Tradicionalmente la ventilación de las viviendas en España se ha realizado de forma natural, en base a la apertura y cierre de ventanas y con un gran aporte de infiltraciones a través de la envolvente, fundamentalmente por las carpinterías. En la actualidad, la ventilación natural sigue siendo el sistema más extendido de ventilación en las viviendas existentes.
El conocimiento de la calidad del aire interior es muy relevante por su influencia en la salud de las personas. Sin embargo, por un lado, no se conocen estudios experimentales a gran escala en viviendas existentes y, por otro, las metodologías de estimación de la calidad del aire interior generalmente se basan en el conocimiento de los caudales de ventilación lo que, en el caso de ventilación natural, lo dificulta en gran medida. Por ello, se planteó como hipótesis de partida para esta tesis doctoral que podría predecirse la calidad del aire en viviendas dotadas de sistemas de ventilación basados en ventilación natural en función de parámetros fácilmente determinables, de forma que no fuese necesario recurrir a los caudales de ventilación.
El objetivo principal fue por tanto desarrollar un modelo que permitiese predecir dicha calidad del aire. Como objetivos secundarios, se plantearon, primero, mejorar el conocimiento de la calidad del aire en viviendas existentes dotadas de sistemas basados en ventilación natural; y segundo, realizar una propuesta de modificación de la reglamentación vigente para facilitar la utilización de la ventilación natural en viviendas cuando fuese viable.
El alcance se acotó a la ciudad de Madrid, con un entorno urbano y clima continental, y se seleccionaron 12 viviendas de una planta situadas en edificios plurifamiliares. Dichas viviendas fueron caracterizadas y se realizaron en ellas 75 monitorizaciones en 42 locales diferentes.
La hipótesis de partida ha quedado demostrada con el desarrollo de un modelo lineal generalizado de la concentración de dióxido de carbono a partir de los datos de la fase experimental. El modelo propuesto permite calcular la concentración media de dióxido de carbono esperable en un determinado local en función de cinco parámetros fácilmente obtenibles: la estación del año (generalizada como verano o invierno), el uso del local (dormitorio, salón, etc.), y con respecto a la vivienda: la superficie útil, el número de ocupantes habituales y el número de fachadas con huecos.
Este modelo supone la mejor aproximación conocida a la situación real esperable, con un D2 de McFadden del 79,3 % (coeficiente de determinación de 0,77) y un poder predictivo con modelos de validación cruzada de en torno al 74%. Como la información requerida para su empleo es fácilmente obtenible y no requiere monitorización, permitirá tanto llevar a cabo estudios a gran escala de la calidad del aire en viviendas con ventilación natural como orientar sobre la viabilidad de sistemas concretos de forma sencilla.
En cumplimiento del primer objetivo secundario, se ha hallado que el 50 % de las viviendas monitorizadas no ofrecen una calidad del aire acorde al Documento Básico HS 3 Calidad del aire del Código Técnico de la Edificación. En base a los resultados de las viviendas monitorizadas, la calidad del aire en las viviendas existentes en Madrid se puede considerar heterogénea y de media mala. Presenta buenos resultados en verano, pero empeoran en gran medida en invierno, especialmente en los dormitorios. Por otro lado, se ha constatado que la calidad del aire está muy influenciada por el comportamiento de los ocupantes con respecto a la ventilación.
En cumplimiento del segundo objetivo secundario, se ha realizado una propuesta de modificación de la exigencia 13.3 de la Parte I y del Documento Básico HS 3 para facilitar el empleo de sistemas basados en ventilación natural, proponiendo criterios como la limitación a climas de inviernos suaves y la disposición de aireadores como única forma posible de abertura de admisión.