PROPUESTA DE INTEGRACIÓN DE LA VENTILACIÓN NATURAL EN EL DISEÑO DE LA TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL DE ALOJAMIENTOS DE GANADO CAPRINO DE LECHE

Transcripción

1 PROPUESTA DE INTEGRACIÓN DE LA VENTILACIÓN NATURAL EN EL DISEÑO DE LA TIPOLOGÍA ESTRUCTURAL DE ALOJAMIENTOS DE GANADO CAPRINO DE LECHE J. Pérez Alonso 1, A.A. Peña Fernández 1p, D.L. Valera Martínez 1, M. C. Santamarina Siurana 1 Departamento de Ingeniería Rural, Universidad de Almería, Spain Departamento de Ingeniería de la Construcción y de Proyectos de Ingeniería, Universidad Politécnica de Valencia, Spain ABSTRACT In the phase of design of a project of cattle lodging it is fundamental question to integrate the ventilation system in the building, since it will allow to control the environmental parameters in the enclosure with the rising improvement of animal wellfare that in turn will redound in a bigger profitability of the cattle livestock. For it in this paper present a brief bibliographical revision of the explicit methods usually used in the design from the due natural ventilation to stack effect in cattle lodgings, and we carry out a practical application for two different cases of integration of the elements (inlet openings and outlet of the air, and the trajectories of the air through the enclosure) of natural ventilation of milk goats lodging, being observed clearly like different ventilation flows are obtained for both different geometries of ventilation elements, maintaining constant the other ventilation parameters. RESUMEN En la fase de diseño de un proyecto de alojamiento ganadero es cuestión fundamental integrar el sistema de ventilación en la edificación, ya que ello permitirá controlar los parámetros ambientales en el recinto con la consiguiente mejora de bienestar animal, que a su vez redundará en una mayor rentabilidad de la explotación ganadera. Por ello en esta comunicación presentamos una breve revisión bibliográfica de los métodos explícitos utilizados normalmente en el diseño de la ventilación natural debida a efecto 1651

2 estático en alojamientos ganaderos, y realizamos una aplicación práctica para dos casos diferentes de integración de los elementos (aberturas de entrada y salida del aire, y las trayectorias del aire a través del recinto) de ventilación natural en alojamientos de caprino de leche, observándose claramente como se obtienen caudales de ventilación diferentes para ambas geometrías diferentes de elementos de ventilación, manteniendo constantes los demás parámetros de ventilación. 1. INTRODUCCIÓN En los alojamientos de animales se debe asegurar un mínimo caudal de renovación de aire para asegurar un ambiente adecuado a los animales, en cuanto a temperatura, humedad, eliminación de gases y productos tóxicos, y ello se puede conseguir en una gran parte con un adecuado diseño del edificio. En este sentido, los tres factores más importantes que hay que considerar a la hora de diseñar el edificio para conseguir unas condiciones ambientales adecuadas para los animales serían: la orientación del edificio y las dimensiones de los aleros, su tipología estructural y aislamiento térmico, y por último el caudal de ventilación. Los sistemas de ventilación que se suelen utilizar son de dos tipos: ventilación mecánica o ventilación natural. La ventilación mecánica es un sistema de ventilación que crea un flujo de aire en el alojamiento mediante sistemas mecánicos, lo cual conlleva un gasto de energía; mientras que la ventilación natural es un sistema que no utiliza medios mecánicos y por lo tanto no consume energía, sino que el movimiento del aire se produce de forma natural por la aparición de fuerzas de doble naturaleza: por un lado por la diferencia de temperatura entre el aire interior y el exterior, que crea una fuerza ascensional en el aire caliente, debido a la diferencia de densidad, a este fenómeno se le suele denominar efecto estático, de forma que provoca que el aire exterior entre al alojamiento por las aberturas inferiores y salga por las superiores; y simultáneamente a esta fuerza, puede aparecer otra debida a la acción del viento exterior, que provoca una diferencia de presión entre el aire interior y el exterior, y además crea un gradiente de presiones en el interior del alojamiento, que induce que el aire circule de la zona con mayor presión a la zona con menor presión. En esta comunicación nos centraremos exclusivamente a la componente de fuerza ascensional generada por efecto estático, ya que en ausencia de viento en invierno, 165

3 esta fuerza asegura un caudal mínimo de ventilación gracias al calor aportado por los animales al aire interior del alojamiento, es decir, los animales inducen bioventilación.. TEORÍAS SOBRE VENTILACIÓN NATURAL.1. Efecto estático como columna de aire El efecto estático tradicionalmente se ha modelado como una columna de aire caliente vertical inmersa en una masa de aire frío, en la que el aire más caliente tiende a ascender debido a que pesa menos que el aire frío, y no se tenía en cuenta el efecto de perdida que se produce al entrar el aire por las aberturas de entrada debido a una diferencia de presión, la cual se convierte en energía cinética que induce movimiento al aire. Bajo este supuesto Barre et al. (1950) y Bruce (1973) demostraron que la velocidad del aire en la sección de salida de la columna U o se expresa como: gh T U o = C d ( ) T Sin embargo con esta expresión se comete imprecisión por despreciar las pérdidas de conversión de la diferencia de presión en la abertura en energía cinética, por ello Bruce (1977b) asumiendo dichas pérdidas realiza una nueva deducción para la velocidad del aire en la abertura de salida que arroja la siguiente expresión: 1/ gh T U o = C d ( ) [ ] 1/ 1/ + 1/ 1/ T Ai Ao Si se comparan las dos expresiones anteriores y se hace que el área de las aberturas de entrada y de salida sea igual, entonces el caudal de ventilación obtenido por la ecuación (1) sería 1/ veces más grande que el obtenido por la ecuación (). El caudal V de ventilación que fluirá a través de la abertura de salida se obtendría multiplicando la velocidad calculada por las ecuaciones (1) o () por el área de la abertura de salida. (1) ().. Validación del modelo de columna de aire para el efecto estático La validación del modelo de columna de aire para el efecto estático fue realizada por Bruce (1977a) y posteriormente por Xi et al. (1984), pero sin embargo no se validó que la geometría del edificio ganadero, que suele disponer de aberturas laterales verticales, se pueda modelar como una columna de aire con dos aberturas horizontales. Esta 1653

4 validación la realizan Foster et. al (1987) a partir de la teoría generaliza de convección natural por efecto estático propuesta por Bruce (1978), pero demuestran que solo es válido el modelo de columna de aire para la geometría de una granja cuando el plano neutro no corta las aberturas instaladas en los muros laterales de la misma, ya que en caso contrario las aberturas laterales se comportan de entrada y salida de aire, y el referido modelo no se valida..3. Teoría generalizada para el efecto estático La teoría generalizada para efecto estático, o modelo de presión, se basa en la diferencia de presión barométrica que existe entre el interior y el exterior de un edificio y la ecuación de equilibrio de masa, que conlleva la existencia de un plano o línea en el que no hay presión, llamado plano neutro. Fue formulada de forma generalizada por Bruce (1978), a partir de los trabajos de Emswiler (196) y Shaw (1971), estudiando el flujo de aire que atraviesa una abertura que forma un ángulo cualesquiera con un plano horizontal de referencia, despreciando las pérdidas de energía por conversión de la energía de presión en energía cinética en la abertura, y suponiendo que no existe gradiente de densidad del aire con la altura. Así el autor deduce la ecuación siguiente para determinar la posición del plano neutro en una abertura por la que fluye un flujo de aire por efecto estático: A h h h h 3 / da = 0 (3) Y la ecuación deducida para calcular el caudal de aire que atraviesa la abertura es la siguiente: 1/ V = C d ( g ρ / ρ) A( h) h h h h 3 / da (4).4. Validación de la teoría generalizada para el efecto estático La teoría generalizada fue contrastada por el propio Bruce (1978) con datos experimentales del trabajo experimental de Shaw (1971), y en otro trabajo posterior Bruce (198) a partir de datos experimentales del trabajo de Timmons et al. (1981). 1654

5 3. COMPARACIÓN DE LA TEORÍA GENERALIZADA Y EL MODELO DE COLUMNA DE AIRE PARA EFECTO ESTÁTICO Foster et al. (1987) realizan la comparación de los caudales de ventilación proporcionados para el modelo de columna y la teoría generalizada, y la proponen para dos casos diferentes, uno primero en el que habría dos aberturas horizontales separadas una altura H, y un segundo caso que refleja mas una granja real, que sería una geometría como la de la figura 1, en la que se dispone de una abertura cenital horizontal continua, y aberturas laterales verticales. Para el primer caso la posición del plano neutro y el caudal de ventilación presentan expresiones que coinciden con las obtenidas en los trabajos de Bruce según modelo de columna de aire. Sin embargo en el segundo caso, a partir de la teoría generalizada de Bruce (1978), la expresión que permite calcular la altura del plano neutro deducida por integración de la ecuación (3) para la geometría del edificio de la granja es: 3 / 3 / d d 3w h H h h + = 0 (5) 4 h H 3 / Figura 1: Edificación ganadera con abertura cenital continua y aberturas verticales laterales. La expresión para calcular el caudal de ventilación cuando el plano neutro se encuentra por encima de las aberturas laterales ( h d/) es: g T V = C d ( ) T 1/ wl( H h) 1/ (6) Y para el caso de que el plano neutro corte las aberturas laterales ( h <d/): 1655

6 g V = C d ( T 1/ 1 / 4l d 3 / ) wl ( H h) + ( h) T 3 (7) 4. APLICACIÓN DE LA TEORÍA GENERALIZADA A DOS GEOMETRÍAS DE VENTILACIÓN DIFERENTES EN ALOJAMIENTOS DE GANADO CAPRINO DE LECHE Como aplicación de los métodos explícitos para determinar los parámetros de ventilación natural en granjas de caprino de leche, se presenta el caudal de ventilación calculado por la ecuación (6) habiendo calculado previamente la posición del plano neutro respecto del eje medio de las ventanas laterales mediante la ecuación (5), para dos tipologías de ventilación diferentes de una granja de caprino de leche con una capacidad de 00 cabezas: en la primera adoptamos una granja con aberturas cenitales continuas y ventanas laterales también continuas, y en el segundo caso una granja con chimeneas cenitales y aberturas laterales rectangulares discontinuas, en ambos casos para dos posiciones diferentes de las ventanas laterales, y la misma superficie para las aberturas. Las dimensiones y parámetros de ventilación se exponen en la tabla 1. Tabla 1: Resumen de resultados del cálculo realizado para dos tipologías de granjas. Tipología 1 Tipología Caso 1 Caso Caso 1 Caso W (m) 0,1 0,1 l cenital (m) d (m) 0, 0, l lateral (m) Número de chimeneas 7 7 Superficie de cada chimenea (m ) 0,5 0,5 Número de ventanas laterales 1 1 Longitud de cada ventana lateral (m) 1 1 Altura de cada ventana lateral (m) 0,56 0,56 H (m) 3,,1,78 3,5 h (m) 0,195 0,1303,681,1661 C d 0,6 0,6 0,6 0,6 T (ºC) T (ºC) V (m 3 /s) 46,61 4,70 3,68 10,

7 5. CONCLUSIONES La teoría analítica basada en métodos explícitos desarrollada por varios autores es una herramienta esencial para la fase de diseño de alojamientos ganaderos, ya que permite integrar los elementos de ventilación en la geometría de la tipología estructural para unas condiciones de trabajo dadas. Como se deduce de la aplicación realizada en el epígrafe 4, los métodos explícitos nos permiten evaluar de forma rápida, apoyándose de medios informáticos, las diferencias de caudal de ventilación natural por efecto estático que se presentaran al variar la posición y tipo de abertura en la geometría del edificio, manteniendo constantes el resto de variables de diseño. NOTACIÓN A = superficie de la abertura(m ). C d = coeficiente de descarga de la abertura de salida. d = altura de las aberturas laterales (m). g= aceleración de la gravedad (m/s ). h = altura variable respecto del plano de referencia (m). h = altura del plano neutro sobre el plano de referencia (m). H= diferencia de altura entre las aberturas de salida y entrada (m). l = longitud de las aberturas continuas (m). U = Velocidad del aire en las aberturas. V = caudal de aire a través de las aberturas cenitales (m 3 /s). w = ancho de las aberturas cenitales continuas (m). ρ = densidad del aire (kg/m 3 ). ρ = variación de la densidad del aire (kg/m 3 ). T = temperatura del aire (ºK). T= diferencia de temperatura entre el aire interior y el exterior (ºK). Subíndices i entrada. o salida. 1 fuera dentro REFERENCIAS Barre, H.S.; Sammett, L.L. (1950). Farm Structures. John Wile,

8 Bruce, J.M.(1973). Natural ventilation by stack effect. Farm Building Progress, 3: 3-7. Bruce, J.M.(1977a). Thermal buoyancy: a comparison of theory and experiment. Farm Building Progress 1977, 47: 3-5. Bruce, J.M. (1977b). Natural ventilation: Its role and application in the bio-climatic system. Farm Building Research and Dvelopment Studies, 8: 1-8. Bruce, J.M.(1978). Natural convection through openings and its application to cattle building ventilation. Journal of Agricultural Engineering Research,3: Bruce, J. M.(198). Ventilation of a model livestock building by thermal buoyancy. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 5(6): Emswiler, J. E.(196) The neutral zone in ventilation. Transactions of the American Society of Heating and Ventilating Engineers, 3: Foster, M.P.; Down, M.J.(1987). Ventilation of livestock buildings by natural convection. Journal of Agricultural Engineering Research, 37(1): Timmons, M.B.; Baughman, G.R.(1981). Similitude analysis of ventilation of the stack effect from an open ridge livestock structure. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 4(4): Timmons, M.B.; Bottcher, R.W.; Baughman, G.R.(1984). Nomographs for predicting ventilation by thermal buoyancy. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 7(6): , Shaw, B.H. (1971). Heat and mass transfer by natural convection and combined natural convection and forced air flow throught large rectangular openings in a vertical partition. Institution of Mechanical Engineers. Symposium on heat and mass transfer by combined forced and natural convection, Xi, C; Down, M.J. (1984). Natural ventilation by convection: a comparison of theory and experiment. Proccedings of the Conference on Agricultural Engineering, Bundaberg, Queensland. Institution of Ingineers, Australia,

9 CORRESPONDENCIA José Pérez Alonso Departamento de Ingeniería Rural Universidad de Almería Cañada de San Urbano s/n 0410 Almería Telf.: ; Fax: