TESIS DOCTORAL

(1)

LA CONSTRUCCIÓN NAVAL

TESIS DOCTORAL

SISTEMAS DE EVACUACIÓN DE HUMOS DE

CALDERAS TIPO C. “SATURACIÓN DE

PATIOS” Y VALIDACIÓN MEDIANTE FLUIDO

DINÁMICA COMPUTACIONAL

Autor:

Aingeru Basterretxea Bitorika

Directores de tesis:

Iñaki Loroño Lucena

Félix Otero González

Alfredo Trueba Ruiz

(2)

Francisi eta Aitorri, horrenbeste denbora ebasteagaitik

Geure aitari eta bizitza emon eustanari

(3)

PRESENTACIÓN

Dr/a. _______________________________________________con N.I.F.________________________ Dr/a. _______________________________________________con N.I.F.________________________ Dr/a. _______________________________________________con N.I.F.________________________ como co-Directores de la Tesis Doctoral:

desarrollada en el Programa de Doctorado en

por el Doctorando/a Don/ña. ,

autorizamos la presentación de la citada Tesis Doctoral, dado que reúne las condiciones necesarias para su defensa.

En a de de

LOS/LAS DIRECTORES/AS DE LA TESIS

Fdo.:

(4)

ACTA DE DEFENSA DE TESIS DOCTORAL

DOCTORANDO/A DON/DÑA. TITULO DE LA TESIS:

El Tribunal designado por la Subcomisión de Doctorado de la UPV/EHU para calificar la Tesis Doctoral arriba indicada y reunido en el día de la fecha, una vez efectuada la defensa por el doctorando y contestadas las objeciones y/o sugerencias que se le han formulado, ha otorgado por___________________la calificación de:

unanimidad ó mayoría

Idioma/s de defensa (en caso de más de un idioma, especificar apartados o porcentaje defendido en cada idioma): ______________________________________________________

En a de de

EL/LA PRESIDENTE/A, EL/LA SECRETARIO/A,

Fdo.: Fdo.: Dr/a: ____________________ Dr/a: ______________________

VOCAL 1º, VOCAL 2º, VOCAL 3º,

Fdo.: Fdo.: Fdo.:

Dr/a: Dr/a: Dr/a:

EL/LA DOCTORANDO/A,

(5)

(6)

AGRADECIMIENTOS

Han sido tantas las personas que se han prestado en ayudarme para realizar este trabajo que ante el temor de olvidarme de alguna de ellas, deseo expresar mi reconocimiento dando las gracias a quienes me han ayudado más. Seguro que los demás no me lo tendrán en cuenta, pues ya lo saben por mí mismo.

El Doctor Iñaki Loroño (EHU/UPV), se puso desde el principio a mi disposición, para sacar adelante esta Tesis.

Los Doctores Félix Otero y Alfredo Trueba (UNICAN) sin cuya actuación, consejo y soporte no hubiera sido posible esta Tesis.

El Doctor Leopoldo Martin (EHU/UPV) cuyos consejos y comentarios han sido decisivos en la realización de este trabajo, mientras tomábamos un descanso.

Los Doctores Carmen Bao y Juan Carlos Lamarca por sus ánimos desmedidos, por su ayuda y por sus acertados consejos.

Iñaki García (NEGARRA), me proporcionó las chimeneas y la información que he necesitado de los productos de su empresa, incluyendo los planos de las chimeneas.

El Doctor Iñaki Alcedo (EHU/UPV) accedió a revisar y corregir algunos de los capítulos. El Doctor Manuel Clemente (EHU/UPV), con sus comentarios, y con su ayuda me ha hecho más fácil realizar mi trabajo.

El Doctor Félix Mendía quien ha plasmado en ecuaciones los fenómenos físicos y me ha aportado una visión crítica universitaria.

Jose Luis Valle Pérez (UNICAN), sin cuya maestría, amabilidad y profesionalidad, yo me hubiera perdido en un mar de papeles.

Los doctores Txema Mercero y Eduardo Ogando del centro de cálculo de Donostia (EHU/UPV) sin cuyos ordenadores, paciencia y soporte técnico, no habría sido posible realizar el grueso de los cálculos de las simulaciones.

El Doctor Imanol Basterretxea e Iranzu Sotés (EHU/UPV), por sus ánimos ininterrumpidos y por compartir los alimentos mientras trabajábamos en la redacción de este trabajo.

La Universidad de Cantabria por darme la oportunidad de presentar y defender esta Tesis. Irene Y Mikel (CENTRAL PERK). Por saber escuchar cuando los ánimos eren más bajos y saber diluirlo con líquidos.

Mi cuadrilla de amigos por estar ahí.

Todos los anónimos usuarios de Durango, Barakaldo y Bilbao, sin cuyas casas e instalaciones nunca hubiera sido posible realizar las investigaciones de campo.

(7)

i

Pág.

BLOQUE 1 – INTRODUCCIÓN. OBJETIVOS

1. INTRODUCCIÓN. OBJETIVOS

1.1 Antecedentes históricos……… 1

1.2 Introducción a la Tesis………. 4

1.3 Cronología de la investigación………. 8

1.4 Objetivos……….. 14

BLOQUE 2 – ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO 2. ESTADO ACTUAL DE LOS SISTEMAS DE EVACUACIÓN DE HUMOS EN INSTALACIONES CON CALDERAS ESTANCAS INDIVIDUALES A GAS 2.1 Introducción………..16

2.2 Componentes del sistema de evacuación de humos………. 17

2.3 Clasificación de las chimeneas……… 17

2.3.1 Atendiendo a la forma de funcionamiento……….. 17

2.3.2 Atendiendo al material……… 19

2.3.3 Atendiendo a la forma constructiva……… 19

2.3.4 Atendiendo al número de usuarios……….. 19

2.3.5 Atendiendo a la sección de las chimeneas……….. 20

2.4 Clasificación de las calderas a gas………... 20

2.4.1 Calderas a gas de circuito abierto……… 20

2.4.2 Calderas a gas de circuito estanco……….. 20

2.4.3 Marcado CE………. 24

2.5 Ventilación de locales que contienen aparatos a gas……… 24

2.6 Conceptos básicos para el dimensionamiento de las chimeneas………. 25

2.6.1 Tiro……….. 25

2.6.2 Chimeneas. Cálculos de las dimensiones teóricas………. 28

2.6.3 Energía necesaria para extraer los humos de las chimeneas……….. 30

2.6.4 Pérdidas de carga de los humos en las chimeneas………. 30

2.6.4.1 Material y forma del conducto de humos……….. 30

2.6.4.2 Velocidad de despliegue de los humos……….. 31

2.6.5 Cálculo de la altura de la chimenea……… 32

2.7 Normativa general sobre la evacuación de los PDC……… 33

2.8 Recomendaciones sobre diseño y dimensionamiento de chimeneas……….. 34

(8)

ii

2.8.8.1 Chimeneas individuales para calderas……… 36

2.8.8.2 Chimeneas colectivas para calderas………... 36

2.8.2 Ubicación de las calderas………. 36

2.8.3 Instalación de las calderas……….. 37

2.8.3.1 Ejemplos de instalaciones para distintos tipos de calderas estancas………. 39

2.9 Figuras anexas del capítulo 2………... 40

3. ESTUDIO DE LA NORMATIVA DEL ESTADO ESPAÑOL SOBRE LA EVACUACIÓN DE LOS PDC EN INSTALACIONES CON CALDERAS INDIVIDUALES ESTANCAS A GAS. 3.1 Introducción……… 65

3.2 Normas de Obligado cumplimiento………. 65

3.2.1 Real Decreto 314/2006 de 17 de marzo. Código Técnico de la Edificación (CTE)…….. 65

3.2.2 Real Decreto 1027/2007 de 31 de julio. Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios (RITE)……….. 66

3.2.3 Instrucción Técnica IT1. Diseño y Montaje. IT 1.3.4.1.3 Chimeneas……… 69

3.2.3.1 Diseño y dimensionado de chimeneas……… 70

3.2.3.2 Evacuación por conducto con salida directa al exterior o a patio ventilado……. 72

3.2.4 UNE 123001/2009. Cálculo y diseño de chimeneas metálicas……….. 72

3.2.4.1 Prescripciones generales………. 73

3.2.4.1.1 Distancias de las salidas de humos a otras construcciones…………. 73

3.2.4.1.2 Diseño del conducto para la evacuación de los PDC……….. 74

3.2.4.1.3 Construcción del conducto para la evacuación de los PDC………… 76

3.2.4.1.4 Materiales a usar en los conductos para la evacuación de los PDC… 77 3.2.4.1.5 Aislamiento a usar en los conductos para la evacuación de los PDC. 78 3.2.4.1.6 Presión. Tipos de chimeneas……… 78

3.2.4.1.7 Temperatura. Tipos de Chimeneas………... 79

3.2.4.3 Evolución y derogaciones de la Norma UNE-123001………... 79

3.2.5 Reglamento de instalaciones de gas en locales destinados a usos domésticos, colectivos o comerciales. RIGLO……… 80

3.2.6 UNE-EN 1856-1/2004 Chimeneas. Requisitos para chimeneas metálicas. Chimeneas modulares……….. 83

3.2.7 UNE-EN 1856-2/2005 Chimeneas. Requisitos para chimeneas metálicas. Conductos interiores y conductos de unión metálicos………. 84

3.2.8 UNE-EN 13384-1/2003 Chimeneas. Métodos de cálculo térmicos y de fluido dinámicos. Parte 1: Chimeneas que se utilizan con un solo aparato……….. 85

3.2.9 UNE-EN 13384-2/2005 Chimeneas. Métodos de cálculo térmicos y de fluido dinámicos. Parte 2: Chimeneas que prestan servicio a más de un aparato………. 86

(9)

iii

3.2.10 UNE-EN 13384-3/2007 Chimeneas. Métodos de cálculo térmicos y de fluidodinámicos. Parte 3: Métodos para el desarrollo de gráficos y tablas para las chimeneas que

prestan servicio a un único aparato………. 88

3.2.10.1 Principio del método………. 89

3.2.10.2 Procedimiento del uso………... 89

3.2.10.3 Características para elaborar un gráfico o tabla según anexos normativos……. 90

3.3 Normas tecnológicas recomendadas……… 92

3.3.1 NTE-ISH/1974 Norma tecnológica de edificación. Instalaciones de salubridad, humos y gases………. 93

3.3.1.1 Material y dimensiones……….. 94

3.3.1.2 Construcción………... 94

3.3.2 RS-U-03 Recomendación técnica.……….. 95

3.3.3 UNE 60.670-6/2005. Instalaciones receptoras de gas suministradas a una presión máxima de operación inferior o igual a 5 bar. Parte 6: requisitos de configuración, ventilación y evacuación de los PDC en los locales destinados a contener los aparatos de gas………. 96

3.3.3.1 Características del conducto de evacuación con salida directa al exterior o a patio de ventilación……… 97

3.4 Normativa de diversas comunidades autónomas……… 98

3.4.1 Comunidad de Madrid………. 98

3.4.2 Comunidad de Cantabria………. 99

3.4.3 Comunidad Autónoma Vasca………. 100

3.4.4 Comunidad de La Rioja……….. 103

3.4.5 Comunidad de Aragón………. 104

3.4.6 Comunidad de Castilla y León……… 105

3.5 Figuras anexas del capítulo 3………... 106

4. ESTUDIO DE LAS NORMAS DE LA CEE. NORMAS (EN) Y PROYECTOS DE NORMA (PREN). 4.1 Introducción………..146

4.2 EN 1443-2003. Requisitos generales de chimeneas………. 146

4.2.1 Definiciones………. 147

4.2.2 Clasificación……… 149

4.2.2.1 Temperatura……… 149

4.2.2.2 Presión……… 149

4.2.2.3 Comportamiento frente a los condensados………. 150

4.2.2.4 Resistencia a la corrosión………... 150

(10)

iv

4.2.2.6 Distancia a materiales combustibles………... 151

4.2.2.7 Resistencia Térmica……… 151

4.2.2.8 Pérdida de carga……….. 151

4.2.2.9 Resistencia al fuego expresada en minutos……… 151

4.2.3 Dimensiones, formas y tolerancias……….. 152

4.2.4 Requisitos aplicables a chimeneas modulares y de obra………. 152

4.2.4.1 Resistencia mecánica y estabilidad………. 152

4.2.4.2 Comportamiento térmico……… 152

4.2.4.3 Higiene, salud y medio ambiente………... 152

4.2.4.4 Seguridad en el uso………. 153

4.2.4.5 Ahorro de energía y aislamiento térmico………... 153

4.2.4.6 Criterios adicionales relativos al funcionamiento de la chimenea……… 153

4.2.5 Marcado, etiquetado e instrucciones………... 153

4.2.5.1 Componentes de las chimeneas……….. 153

4.2.5.2 Chimenea……… 153

4.2.6 Evaluación del producto……….. 154

4.2.7 Anexos………. 154

4.3 EN 1457-1999. Conductos de humos de arcilla y cerámicos……….. 154

4.3.1 Conductos de humo y aberturas de inspección……… 155

4.3.1.1 Secciones de los conductos de humo……….. 155

4.3.1.2 Aberturas de inspección, tubos de conexión y puertas de visita……… 155

4.3.2 Definiciones………. 155

4.3.3 Clases de conductos de humo……….. 156

4.3.4 Materiales……… 156

4.3.5 Dimensiones……… 156

4.3.5.1 Diámetro interno de conductos………... 156

4.3.5.2 Altura………... 156

4.3.5.3 Ángulo de curvatura………... 156

4.3.5.4 Rectitud……….. 157

4.3.5.5 Escuadrado de los extremos………... 157

4.3.5.6 Desviación de la forma de la sección transversal……….. 157

4.3.5.7 Uniones………... 157

4.3.6 Resistencia a la compresión………. 157

4.3.7 Estanqueidad a los gases (Ensayo de fuga) después del ensayo de choque térmico para conductos de humo rectos……….. 158

4.3.7.1 Ensayo inicial………. 158 4.3.7.2 Ensayo final de estanqueidad a los gases después de los ensayos

(11)

v

de choque térmico……… 158

4.3.8 Resistencia a los ácidos………... 158

4.3.9 Absorción de agua y densidad aparente……….. 158

4.3.10 Resistencia al deshollinamiento……….. 158

4.3.11 Permeabilidad al agua y al vapor de agua………... 158

4.3.12 Resistencia térmica……….. 159

4.3.13 Evaluación de la conformidad………. 159

4.3.13.1 Muestreo y ensayos……….. 159

4.3.13.2 Muestreo para el control de la calidad en el taller del fabricante……… 159

4.3.13.3 Muestreo para lotes rechazados sometidos a un nuevo control……… 159

4.3.13.4 Ensayos de tipo………. 159 4.3.13.5 Aseguramiento de la calidad……… 160 4.3.14 Métodos de ensayo……….. 160 4.3.15 Designación………. 160 4.3.16 Marcado………... 161 4.3.17 Anexos………. 161 4.3.17.1 Normativo………. 161 4.3.17.2 Informativo………... 161

4.4 EN 1856-1:2003. Requisitos para chimeneas metálicas. Parte 1: Chimeneas modulares………… 161

4.4.1 Declaración del fabricante para el ensayo de tipo………... 162

4.4.2 Dimensiones y tolerancias………... 162

4.4.3 Requisitos de comportamiento……… 162

4.4.4 Información del producto……… 163

4.4.5 Marcado del producto……….. 163

4.4.6 Designación del producto……… 164

4.4.8 Anexos………. 164

4.4.8.1 Normativos………. 164

4.4.8.2 Informativos………... 164

4.5 EN 1856-2:2004. Requisitos para chimeneas metálicas. Parte 2: Conductos interiores y conductos de unión metálicos………. 164

4.5.1 Características del producto declaradas por el fabricante……….. 165

4.5.1.1 Materiales………... 165

4.5.1.2 Dimensiones………... 165

4.5.2 Dimensiones y tolerancias………... 165

4.5.2.1 Diámetro……… 165

(12)

vi

4.5.3 Características requeridas……… 165

4.5.5 Marcado del producto……….. 166

4.5.6 Designación………. 166

4.5.8 Anexos………. 166

4.6 EN 1857:2003+A1:2008. Chimeneas. Componentes. Conductos interiores de hormigón………. 167

4.6.1 Materiales y definiciones de chimeneas………. 167

4.6.1.1 Materiales………... 167 4.6.1.2 Definición……….. 167 4.6.2 Armadura………. 167 4.6.3 Tratamiento superficial……… 167 4.6.4 Tolerancias……….. 167 4.6.4.1 Dimensionado……… 167 4.6.4.2 Estiramiento……….. 167 4.6.4.3 Cuadratura………. 168 4.6.5 Características requeridas……… 168 4.6.6 Designación………. 168 4.6.7 Marcado………... 168

4.6.10 Control de la producción………. 169

4.6.11 Anexos………. 169

4.6.11.1 Normativos………... 169

4.6.11.2 Informativos………. 169

4.7 EN 1858:2003. Chimeneas. Bloques para conductos de hormigón………. 169

4.7.1 Materiales y tipificación de los bloques………. 170

4.7.2 Armadura………. 170

4.7.3 Tratamiento superficial……… 170

4.7.4 Formas, dimensiones y tolerancias……….. 170

4.7.4.1 Formas………... 170 4.7.4.2 Tolerancias………. 170 4.7.4.3 Estiramiento……….170 4.7.4.4 Cuadratura……….. 170 4.7.5 Características………. 171 4.7.6 Designación………. 171 4.7.7 Marcado………... 171

(13)

vii

4.7.11 Anexos………. 172

4.7.11.1 Normativos………... 172

4.8 EN1859:2000. Chimeneas metálicas. Métodos de ensayo……….. 172

4.8.1 Métodos de ensayo para los componentes de chimeneas metálicas……… 173

4.8.2 Informe de ensayos……….. 173

4.8.3 Anexos………. 173

4.8.3.1 Normativos………. 173

4.8.3.2 Informativos……… 174

4.9 EN 12446:2003. Chimeneas. Componentes. Elementos de pared exterior de hormigón………… 174

4.9.1 Materiales y designación de elementos de pared exterior………... 174

4.9.1.1 Materiales……….. 174

4.9.1.2 Definición y clases………. 174

4.9.2 Armadura………. 174

4.9.3 Tratamiento superficial……… 174

4.9.4.1 Formas………... 175 4.9.4.2 Dimensiones……….. 175 4.9.4.3 Tolerancias………. 175 4.9.4.4 Cuadratura………. 175 4.9.5 Características………. 175 4.9.6 Designación………. 175 4.9.7 Marcado………... 176

4.9.11 Anexos………. 176

4.9.11.1 Normativo………. 176

4.9.11.2 Informativo………... 177

4.10 EN 13063-1:2002+A1:2007. Chimeneas con conductos interiores de arcilla o cerámicos. Parte 1: Requisitos y métodos de ensayo para la resistencia al fuego de hollín…………. 177

4.10.1 Formas, dimensiones y tolerancias………. ……… 178

4.10.1.1 Conductos………. 178

(14)

viii

4.10.1.3 Elementos de pared exterior………. 178

4.10.1.4 Puerta de limpieza e inspección………... 178

4.10.2 Requisitos de los materiales……… 178

4.10.2.1 Requisitos generales para componentes………..………. 178

4.10.2.2 Seguridad de uso………... 179

4.10.2.3 Higiene, salud y medioambiente……….. 179

4.10.2.4 Puertas de limpieza e inspección……….. 179

4.10.2.5 Revestimientos y accesorios expuestos a hielo-deshielo……… ……… 179

4.10.3 Cambio de un componente de una chimenea……….. 179

4.10.3.1 Cambio de conducto (tramo)………... 179

4.10.3.2 Cambio de las secciones abiertas………. 179

4.10.3.3 Cambio del aislamiento……… 179

4.10.3.4 Cambio de los materiales de juntas para la parte interior de los conductos………. 180

4.10.3.5 Cambio de los elementos de la pared exterior………. 180

4.10.3.6 Cambio de puertas de inspección y limpieza………... 180

4.10.6 Marcado y etiquetado……….. 181

4.10.7 Evaluación de conformidad………... 181

4.10.8 Anexos………. 181

4.10.8.1 Normativos………... 181

4.11 EN 13063-2:2005+A1:2007. Chimeneas con conductos interiores de arcilla o cerámicos. Parte 2: Requisitos y métodos de ensayo en condiciones húmedas………. 182

4.11.1.1 Conductos………. 183

4.11.1.2 Aislante………. 183

4.11.2 Requisitos de los materiales……… 183

4.11.2.1 Requisitos generales para componentes………... 183

4.11.2.2 Seguridad de uso………... 183

4.11.2.3 Higiene, salud y medioambiente……….. 183

4.11.2.5 Revestimientos y accesorios expuestos a congelaciones y deshielos……….. 184

(15)

ix

4.11.3 Cambio de un componente de una chimenea……….. 184

4.11.3.1 Cambio de conducto………. 184

4.11.3.2 Cambio de las secciones abiertas………. 184

4.11.3.3 Cambio de aislamiento………. 184

4.11.3.4 Cambio de los materiales de unión para la parte interior de los conductos………. 185

4.11.3.5 Cambio de los elementos de la pared exterior………. 185

4.11.3.6 Cambio de las puertas de inspección y limpieza……….. 185

4.11.6 Marcado y etiquetado………... 186

4.11.7 Evaluación de conformidad……….. 186

4.11.8 Anexos……….. 186

4.11.8.1 Normativos………... 186

4.12 EN 13063-3:2008. Chimeneas con conductos interiores de arcilla o cerámicos. Parte 3: Requisitos y métodos de ensayo para chimeneas con sistema de tiro de aire………. 187

4.12.1 Formas, dimensiones y tolerancias………. 187

4.12.1.1 Chimenea con sistema de tiro de aire………... 187

4.12.1.2 Terminales……… 188

4.12.1.3 Aberturas para igualar presiones……….. 188

4.12.1.4 Dimensiones del conducto de aire……… 188

4.12.2 Requisitos……… 188

4.12.2.1 Requisitos generales para componentes……….. 188

4.12.2.2 Requisitos de los materiales para las chimeneas……… 188

4.12.2.3 Resistencia mínima a compresión para una sección con abertura para igualar presiones……….. 188

4.12.2.5 Seguridad de utilización………... 189

4.12.2.6 Resistencia al fuego exterior a exterior……… 189

4.12.2.7 Requisitos aerodinámicos………. 189

4.12.3 Reemplazo de los componentes individuales de chimeneas con sistema de tiro de aire 4.12.4 Designación………. 189

4.12.6 Marcado y etiquetado……….. 190

4.12.7 Evaluación de conformidad………. 190

(16)

x

4.12.8.1 Normativos………... 191

4.13 EN 13069:2005. Chimeneas. Paredes exteriores de arcilla o cerámicas para chimeneas modulares. Requisitos y métodos de ensayo……… 191

4.14 EN 13384-1:2002. Métodos de cálculo térmico y de fluidos dinámicos. Parte 1: Chimeneas que se utilizan con un único aparato……….. 192

4.14.1 Método de cálculo………... 192

4.14.2 Aire secundario para chimeneas de presión negativa………. 193

4.14.2.1 Presiones………... 194

4.14.2.2 Temperatura requerida con aire secundario………. 194

4.14.3 Anexos………. 194

4.15 EN 13384-2:2003. Métodos de cálculo térmico y de fluidos dinámicos. Parte 2: Chimeneas que prestan servicio a más de un generador de calor………. 194

4.15.1 Método de cálculo………... 195

4.15.2 Características de los PDC de las calderas………. 195

4.15.3 Datos para la chimenea y los enlaces……….. 196

4.15.4 Datos básicos para el cálculo……….. 196

4.15.5 Determinación de las temperaturas………. 196

4.15.6 Cálculos de mezcla……….. 196

4.15.7 Datos de los PdC………. 197

4.15.8 Densidad y velocidad de los PdC……… 197

4.15.9 Tiro a la salida del enlace y tiro a la entrada del tramo de chimenea………. 197

4.15.9.1 Tiro a la entrada del segmento de chimenea……… 197

4.15.9.2 Requisito y cálculo de tiro a la salida del enlace………. 197

4.15.10 Temperatura de la pared interior………. 198

4.15.11 Instalaciones en cascada………... 198

4.15.11.1 Proceso de cálculo……….. 198

4.15.12 Chimeneas de flujo equilibrado (Doble conducto)………. 199

4.15.12.1 Proceso de cálculo……….. 199

4.15.13 Anexos……… 200

4.16 EN 13384-3:2005. Métodos para el desarrollo de gráficos y de tablas para las chimeneas que prestan servicio a un único generador……….. 201

4.16.1 Principio de método………. 201

4.16.2 Procedimiento del uso………. 202

4.17 EN 13501-2:2007. Clasificación en función del comportamiento frente al fuego de los PdC y elementos para la edificación. Parte 2: Clasificación a partir de datos obtenidos de los ensayos de resistencia al fuego excluidas las instalaciones de ventilación……… ……… 203

(17)

xi

4.18 Figuras anexas del capítulo 4……… 205

BLOQUE 3 – METODOLOGÍA Y RESULTADOS 5. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTO. CARACTERÍSTICAS DEL SOFTWARE CIENTÍFICO Y DE SIMULACIÓN. ELECCIÓN DEL PAQUETE INFORMÁTICO STARCCM+ 5.1 Metodología y procedimiento……….. 214

5.2 Introducción………..214

5.3 Utilidad………. 215

5.4 Algunas ventajas e inconvenientes………... 216

5.5 Explicación resumida del método……… 218

5.6 Resolución numérica de las ecuaciones de flujo……….. 218

5.6.1 Ecuaciones que describen el movimiento de un fluido………... 218

5.6.2 Modelos de turbulencia………... 219

5.6.3 Discretización de las ecuaciones de flujo……… 223

5.6.3.1 Métodos de los volúmenes finitos……….. 224

5.6.4 Resolución de las ecuaciones discretizadas……… 226

5.6.5 Dependencia del tiempo y no linealidad. Esquemas implícitos de integración temporal.. 226

5.6.6 Condiciones de contorno………. 228

5.6.7 Metodología………. 228

5.7 Características específicas del código STARCCM+……… 230

5.7.1.1 Velocity inlet………. 232

5.7.1.2 Mass flow inlet……….. 233

5.7.1.3 Pressure outlet……… 234

5.7.1.4 Wall………... 236

5.7.1.5 Planos de simetría……….. 238

5.7.1.6 Stagnation inlet………... 238

5.7.2 Modelos de turbulencia………... 239

5.7.2.1 Modelo de turbulencia Realizable k-ε Two-Layer……….. 240

6. CÁLCULO Y DISEÑO DE CHIMENEAS COLECTIVAS PARA CALDERAS ESTANCAS INDIVIDUALES A GAS SEGÚN NORMATIVA 6.1 Objeto y campo de aplicación……….. 245

6.2 Normas para consulta………... 245

6.3 Símbolos y definiciones………... 246

(18)

xii

6.4.1 Requisitos legales……… 247

6.4.1.1 Temperatura……… 247

6.4.1.2 Presión………... 247

6.4.1.2.1 Chimeneas individuales (Un solo aparato)………. 247

6.4.1.2.1.1 Caso general………... 247

6.4.1.2.1.2 Chimeneas individuales conectadas a calderas de condensación………. 248

6.4.1.2.2 Chimeneas colectivas (Varios aparatos)……… 248

6.4.1.2.2.1 Caso general………... 248

6.4.1.2.2.2. Chimeneas colectivas para calderas de baja temperatura o de condensación……….. 248

6.4.1.3 Resistencia a los condensados………... 249

6.4.1.4 Resistencia a la corrosión………... 249

6.4.1.5 Resistencia al fuego de hollín………... 250

6.4.2 Requisitos específicos………. 250

6.4.2.1 Chimeneas metálicas. Designación según las Normas UNE-EN 1856-1 y UNE-EN 1856-2………... 250

6.4.2.1.1 Chimeneas modulares metálicas………. 250

6.4.2.1.2 Conductos interiores metálicos para entubamiento, rígidos o flexibles………... 250

6.4.2.1.3 Conductos de unión metálicos rígidos……… 250

6.4.2.1.4 Resistencia a la corrosión………... 250

6.4.2.1.4.1 Clases de resistencia a la corrosión……… 250

6.4.2.1.4.2 Material de la pared interior……….. 251

6.4.2.1.5 Tablas de sección de chimeneas metálicas………. 252

6.4.2.2 Requisitos específicos para chimeneas de plástico. Designación según la norma UNE-EN 14471……….. 253

6.4.2.2.1 Resistencia a la corrosión de chimeneas de plástico……….. 253

6.4.2.2.2 Emplazamiento………... 253

6.4.2.2.3 Reacción al fuego y clase de envolvente……… 253

6.4.2.2.4 Tablas de selección de chimeneas de plástico……… 254

6.4.3 Resistencia a la corrosión ambiental de chimeneas metálicas y con conducto interior de plástico……… 254

6.5 Diseño………... 256

6.5.1 Generalidades……….. 256

6.5.2 Cálculo de la sección………... 256

(19)

xiii

6.5.3.1 Generalidades……… 256

6.5.3.2 Particularidades sobre chimeneas de plástico……… 256

6.5.4 Instalación interior………... 257

6.5.4.1 Instalación interior en locales habitados……… 257

6.5.4.2 Instalación interior en patinillos o galerías de obra……….. 257

6.5.4.3 Particularizaciones sobre chimeneas de plástico……… 258

6.5.5 Chimeneas individuales (un solo aparato)……….. 258

6.5.5.1 Conducto de unión o tramo horizontal de la chimenea………. 258

6.5.5.2 Tramo vertical de la chimenea………... 258

6.5.6 Chimeneas colectivas (Más de un aparato)………. 259

6.5.6.1 Generalidades……… 259

6.5.6.2 Configuración multientrada………... 259

6.5.6.2.1 Conexiones………. 259

6.5.6.2.2 Chimenea……… 259

6.5.6.2.2.1 Requisitos generales………... 259

6.5.6.2.2.2 Requisitos específicos. Chimeneas conectadas a aparatos estancos………. 259

6.5.6.3 Configuración en cascada……….. 260

6.5.6.3.1 Conductos de unión……… 260

6.5.6.3.1.1 Tramo horizontal de chimenea o colector……….. 260

6.6 Remate de la chimenea……… 260

6.6.1 Diseño……….. 260

6.6.2 Distancias………... 260

6.7 Medición, inspección y limpieza……… 261

6.8 Protección contra el ruido………261

6.9 Soportación de la chimenea………... 261

6.10 Anexo B (Informativo) de la Norma. Características de los combustibles……….. 261

6.11 Anexo C (Informativo) de la Norma. Catos de funcionamiento de los generadores de calor………... 262

6.11.1 Rendimiento……… 262

6.11.2 Contenido en volumen de CO2 en humos y relación CO2max / CO2... ………. 262

6.11.3 Coeficiente corrector cc del exceso de aire………. 262

6.11.4 Temperatura de humos en salida de generador………... 263

6.11.5 Depresión en hogares de generadores de calor (Combustibles gaseosos y líquidos)……. 263

6.11.6 Calor específico de los humos a presión constante………. 263

6.11.7 Temperatura de roció del vapor de agua……… 263

(20)

xiv

6.13 Anexo E (informativo) de la Norma. Temperatura del aire exterior……… 264

6.14 Anexo F (Normativo) de la Norma. Cálculo de la resistencia térmica de la chimenea………… 264

6.15 Figuras anexas del capítulo 6………. 265

7. RENDIMIENTOS DE INSTALACIONES CON CALDERAS EN CONDICIONES REALES 7.1 Introducción………..270

7.2 Método de cálculo……….270

7.3 Resultados obtenidos……… 272

7.3.1 Temperatura ambiente superior a 20 ºC……….. 272

7.3.1.1 Comentarios a los resultados……….. 272

7.3.2 Temperaturas exteriores de 11 y 13 ºC……… 273

7.3.2.1 Comentarios a los resultados……….. 273

7.4 Consideraciones sobre los rendimientos……….. 273

7.5 Consideraciones sobre el ahorro energético y el ahorro ambiental………. 275

7.6 Ejemplo de medidas realizadas……….... 277

7.6.1 Introducción………. 277

7.6.2 Situación de las calderas en las viviendas………... 278

7.6.3 La instalación………... 278

7.6.4 Análisis de los Productos de Combustión………... 279

7.6.5 Temperaturas y caudal en las calderas……… 289

7.7 Conclusiones……….……….298

7.8 Discusión de resultados……… 298

7.9 Figuras Anexas al capítulo 7……….300

7.10 Fotos Anexas al capítulo 7………... 301

8. ESTUDIO DE LA SUSTITUCIÓN DE CALDERAS ATMOSFÉRICAS POR ESTANCAS EVACUANDO POR CHIMENEAS COLECTIVAS EN VIVIENDA HABITADA 8.1 Introducción……….315

8.2 Metodología de la inspección y su discusión……….. 315

8.2.1 Análisis de la situación inicial………. 315

8.2.2 Inspección del sistema de evacuación de humos………. 317

8.2.3 Resultado de los análisis……….. 319

8.2.4 Informe a emitir………... 320

8.2.5 Análisis, en su caso, de la nueva situación……….. 321

8.3 Mantenimiento del sistema de evacuación de humos………. 321 8.4 Repercusión de los condensados. Determinación de la temperatura de condensación

(21)

xv

de los humos procedentes de las combustiones en calderas individuales a gas………. 321

8.5 Estudio fluidodinámico de la evacuación de humos………... 323

8.5.1 La chimenea………. 323

8.5.2 Conducto de evacuación de humos………. 324

8.5.3 Las calderas………. 325

8.5.4 Los parámetros físicos………. 325

8.5.5 Los cálculos del estudio………... 326

8.5.6 Análisis gráficos de los resultados……….. 335

8.5.6.1 Caso 1. Todas las calderas funcionando a la vez………... 336

8.5.6.2 Caso 2. La 1ª caldera en marcha. El resto paradas……… 339

8.5.6.7 Caso 7. La caldera del 1º y 2º piso en marcha. El resto paradas………... 355

8.5.6.10 Caso 10. La caldera del 1º y 5º piso en marcha. El resto paradas……… 364

8.5.6.17 Caso 17. La caldera del 1º, 2º y 3º piso en marcha. El resto paradas…………... 385

8.5.6.21 Caso 21. La caldera del 2º, 3º y 5º piso en marcha. El resto paradas….. ……… 397

8.5.6.22 Caso 22. La caldera del 3º, 4º y 5º piso en marcha. El resto paradas….. ……… 400

8.5.6.24 Caso 24. La caldera del 1º, 2º, 3º y 4º piso en marcha. La última parada……… 406

8.5.6.25 Caso 25. La caldera del 2º, 3º, 4º y 5º piso en marcha. La primera parada…….. 409

8.5.7 Conclusiones del estudio de CFD……….412

8.6 Caso real. Presentación de resultados y análisis de la experiencia………. 414

8.6.1 Ensayos realizados………... 414

(22)

xvi

8.6.3 Pruebas de estanqueidad……….. 415

8.6.4 Análisis de combustión de las calderas………... 419

8.6.5 Conclusiones del estudio………. 444

8.7 Discusión de resultados………... 445 8.8 Figuras anexas del capítulo 8……….. 447 8.9 Fotografías anexas del capítulo 8……… 454 8.10 Tablas anexas del capítulo 8………... 467

9. ESTUDIO SOBRE EL ESTADO Y FUNCIONAMIENTO DEL CONDUCTO DE EVACUACIÓN DE HUMOS EN UNA VIVIENDA. CALIDAD DE AIRE INTERIOR

9.1 Introducción……….470

9.2 El CO2 cuando se evalúa la calidad del aire interior………... 472

9.2.1 Identificación de parámetros a través de mediciones de CO2………. 477

9.3 Difusión de contaminantes en viviendas………... 481

9.3.1 Dióxido de Nitrógeno (NO2)………... 481

9.3.2 Monóxido de Nitrógeno (NO)………. 483

9.3.3 Monóxido de Carbono (CO)……… 483

9.3.4 Dióxido de Carbono (CO2)……….. 484

9.4 Estudio y análisis, de un caso relacionado con la seguridad de las calderas y su

evacuación de humos, con CFD………... 486 9.5 Modelo realizado, casos estudiados y sus resultados……….. ……… 487

9.5.1 Geometría y mallado………... 487

9.5.3 Casos estudiados y resultados………. 490

9.6 Algunas consideraciones sobre el revoco………. 494 9.7 Estudio sobre el estado y funcionamiento del conducto de evacuación de humos de

una vivienda. Estudio de un caso real………. 495

9.7.1 Introducción………. 495

9.7.2 Inspección y análisis de la chimenea………... 496

9.7.3 Medición y análisis de la dispersión de contaminantes en la vivienda……….. 497

9.7.3.1 Recogida de datos en vivienda habitada………. 498 9.7.3.2 Medición de las combustiones. Calderas funcionando en modo

calefacción………... 500 9.7.3.3 Medición de las combustiones. Calderas funcionando en modo

ACS………. 502 9.8 Discusión de los resultados……… 504 9.9 Figuras anexas al capítulo 9……… 506

(23)

xvii

9.10Fotografías anexas al capítulo 9……….. 532

10. MEDICIÓN Y ESTUDIO DE LA SATURACIÓN AL EVACUAR LOS PdC A PATIO INTERIOR DE VIVIENDA HABITADA.

10.1 Introducción………... 549 10.2 Metodología de la inspección………550 10.2.1 Análisis de la situación………. 550 10.2.2 Inspección de un patio de viviendas………. 552 10.2.3 Obtención de resultados………... 553 10.3 Análisis de la saturación, al evacuar los PdC a un patio interior de un bloque de viviendas…… 553 10.3.1 Situación de la vivienda. Antecedentes históricos……….. 553 10.3.2 Tipología de evacuación de los PdC………... 555 10.3.3 Realización de los ensayos……….. 555 10.3.3.1 Toma de datos en condiciones iniciales. Descripción del proceso……….. 556 10.3.3.2 Calderas funcionando en modo ACS……….557

10.3.3.3 Calderas funcionando en modo calefacción. Medición de las

combustiones en las calderas……….. 559 10.3.3.3.1 Análisis de la combustión………. 560 10.3.3.4 Ensayo del número máximo de calderas que pueden verter al patio

según normativa………567

10.3.4 El CO2 cuando se evalúa la calidad del aire interior en un patio de viviendas………… 568

10.3.5 Utilización del CO2 como gas trazador……… 569

10.4 Conclusiones del estudio……….. 570 10.5 Discusión de resultados……… 571 10.6 Fotografías anexas del capítulo 10………... 574 10.7 Figuras anexas del capítulo 10……….. 581

11. ESTUDIO CON TECNOLOGÍA CFD DE LA SATURACIÓN DE PdC EN PATIOS INTERIORES DE VIVIENDA HABITADA.

11.1 Introducción………....586 11.2 Estudio fluidodinámico de la saturación por evacuación de humos a un patio de viviendas…… 586

11.2.1 El patio de viviendas en el modelo……….. 586 11.2.1.1 Cálculo de las fracciones másicas a utilizar………. 588 11.2.2 Hipótesis de partida………. 589

11.2.2.1 Norma UNE-EN 13384-2:2005……… 589

(24)

xviii

11.3 Los cálculos………...595 11.4 Análisis gráficos de los resultados……… 598 11.4.1 Variables estudiadas y cálculos……… 599 11.5 Conclusiones de los casos con CFD………. 600 11.6 Discusión de resultados……… 601 11.7 Figuras anexas del capítulo 11……….. 603 11.8 Fotografías anexas del capítulo 11………... 622

12. ESTUDIO DE LA EVACUACIÓN DE HUMOS POR CHIMENEAS COLECTIVAS CON Y SIN AISLAMIENTO

12.1 Introducción………. 623 12.2 Situación tras la evacuación de los PdC al interior del patio. Instalación de chimeneas

colectivas en el interior del patio……….623 12.3 Análisis de la situación tras la instalación de las chimeneas de simple pared……… 624 12.4 Realización de los ensayos………... 626 12.4.1 Análisis de las combustiones en modo calefacción……… 627

12.4.1.1 Combustiones en modo calefacción a chimenea de doble pared,

diámetro de 200 mm, en mano B………..627 12.4.1.2 Combustiones en modo calefacción a chimenea de doble pared,

diámetro de 250 mm, en mano C………. 631 12.4.1.3 Combustiones en modo calefacción a chimenea de simple pared,

diámetro de 200 mm, en mano B………. 634 12.4.1.4 Combustiones en modo calefacción a chimenea de simple pared,

diámetro de 250 mm, en mano C………. 637 12.4.2 Análisis de las combustiones en modo ACS………... 640

12.4.2.1 Combustiones en modo ACS a chimenea de doble pared,

diámetro de 200 mm, en mano B………. 640 12.4.2.2 Combustiones en modo ACS a chimenea de doble pared,

diámetro de 250 mm, en mano C………. 643 12.4.2.3 Combustiones en modo ACS a chimenea de simple pared,

diámetro de 200 mm, en mano B………. 646 12.4.2.4 Combustiones en modo ACS a chimenea de simple pared,

diámetro de 250 mm, en mano C………. 649 12.4.3 Estimación del flujo másico existente………. 653 12.5 Comparativa de datos en las diferentes chimeneas……….. 654 12.6 Conclusiones de los ensayos del estudio en chimeneas……… 660 12.7 Estudio fluidodinámico de la evacuación de humos por chimeneas colectivas con y sin

(25)

xix

aislamiento……….. 661 12.7.1 Las chimeneas metálicas modulares en el modelo………. 661 12.7.2 Hipótesis de partida………. 662 12.7.2.1 Norma UNE-EN 13384-2:2005………... 662 12.7.2.2 Modelo físico………... 664 12.7.3 Los cálculos………. 667 12.8 Análisis gráficos de los resultados……… 669 12.9 Comparativas de datos en las diferentes chimeneas………. 671 12.10 Conclusiones de los estudios en el programa STARCCM+………... 677 12.11 Discusión de resultados……… 678 12.12 Fotografías anexas del capítulo 12………... 680 12.13 Figuras anexas del capítulo 12……….. 685

13. CONCLUSIONES GENERALES Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

13.1 Conclusiones generales………. 699 13.2 Discusiones de resultados………. 702 14. TRABAJOS FUTUROS 14.1 Trabajos futuros……….704 BIBLIOGRAFIA………. 705 ÍNDICE DE TABLAS………. 712 ÍNDICE DE FIGURAS………... 716 ÍNDICE DE FOTOGRAFÍAS………727 ABREVIATURAS Y ACRÓNIMOS... 731

(26)

BLOQUE 1

INTRODUCCIÓN.OBJETIVOS

CAPÍTULO 1-INTRODUCCIÓN A LA TESIS.

OBJETIVOS

(27)

1

1.1 Antecedentes históricos

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 (por medio 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 ello, 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 en 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

(28)

2

esta normativa se ha dado satisfacción a ciertos requisitos básicos de la edificación relacionados 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. (EPBD, 2011)

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, y de otros contaminantes, lo que supondría una mejora en la calidad del aire de las ciudades. (RITE, 2011)

(29)

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 dos 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.

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 a gas natural.

(30)

4

1.2 Introducción a la tesis

Esta masiva instalación de calderas individuales hizo que se instalaran un número enorme de calderas atmosféricas en nueva construcción, (son aquellas que toman el aire para la combustión del mismo local donde se encuentran). Debe destacarse que desde el punto de vista económico eran las más baratas para los usuarios.

Las instalaciones con calderas atmosféricas tienen problemas de seguridad. Por ejemplo, cuando un usuario en una vivienda, tenía la típica campana de absorción de humos y olores instalada en la cocina, y la ponía en marcha, esta generaba un tiro de tal magnitud que incluso provocaba revoco en los gases que estaba evacuando la caldera y los introducía en la vivienda (Loroño 2004). Para evitar este problema se instalaron discriminadores que no dejaban funcionar los dos elementos a la vez. Cuando funcionaba, por ejemplo, la campana no se podía poner en marcha la caldera y viceversa.

El parque de calderas fue envejeciendo y había que renovarlo por otras de mayor eficiencia y más seguras y esto se debía a que la normativa lo exigía. De esta manera, se empezó a sustituir las calderas atmosféricas por calderas estancas. Había otros tipos de calderas estancas (las calderas de condensación) pero tenían un precio más elevado para los usuarios.

En este punto, se hace necesario establecer un estado actual del conocimiento, que es el bloque dos de la presente Tesis, en el cual se analizan los sistemas de evacuación de humos en instalaciones con calderas estancas individuales a gas (véase el capítulo 2), así como la normativa existente en el Estado Español sobre la evacuación de los PdC en instalaciones con calderas individuales estancas a gas incluyendo a las CC.AA. (véase el capítulo 3) y la normativa de la Comunidad Económica Europea CEE (véase el capítulo 4).

En el bloque tres se explican la metodología seguida, los experimentos realizados así como los resultados obtenidos con su posterior discusión de resultados. Dada la extensión de algunos temas, era más conveniente estructurarla de esta manera para hacerla más manejable. La metodología es eminentemente experimental y se han diseñado los ensayos para realizar el estudio de los sistemas de evacuación con calderas estancas. No existen experimentos similares a los realizados en esta Tesis Doctoral. En la búsqueda bibliográfica realizada sólo hay un ensayo donde hayan construido una estructura con una chimenea simulando un edificio de cinco pisos, pero fue para otro tipo de estudios (Oscar Farías et al, 2007). Los datos obtenidos en los ensayos, se han comparado con simulaciones realizadas en ordenador. Véase el capítulo 5 de la presente Tesis.

(31)

5

Para el estudio de estos datos se han utilizar técnicas de simulación, como es la técnica fluidodinámica computacional (CFD), acompañada de un estudio monitorizado en campo, que permita ajustar un modelo fiable y observar un comportamiento de los datos reflejados.

Por desgracia, se dieron y se dan anualmente bastantes casos de intoxicación con resultado de muerte en instalaciones con calderas atmosféricas. Pero todo se pretende corregir a partir del año 2010, momento en el que entró en vigor el vigente RITE, prohibiendo la instalación de nuevas calderas atmosféricas, y lo que supone la sustitución paulatina de calderas atmosféricas por otras de tipo estanco, que son las que el aire para la combustión lo toman de un lugar diferente al de su ubicación.

Como pasa con el cumplimiento de todas las normativas, desde que el RITE entra en vigor hasta que realmente se cumple todo lo que requiere, hay un periodo de tiempo en el que conviven los equipos que están desapareciendo y los nuevos que están llegando al mercado. En función de las diferentes instalaciones que se pueden encontrar, se generan las distintas soluciones que pueden adoptarse para cumplir el reglamento y más concretamente en el ámbito de la evacuación de los PdC.

Dentro de las instalaciones que se podían encontrar, existían viviendas de obra nueva que tenían calderas atmosféricas. A medida que se iban sustituyendo, había que ir solucionando las dificultades que surgían: validez de la chimenea existente para las nuevas calderas, forma de evacuación en caso de no valer la chimenea existente, qué posibilidades tenía la vivienda para cumplir la normativa de evacuación de humos, etc.

Tal es la importancia de este epígrafe que se ha realizado en el capítulo 8, el estudio de la sustitución de calderas atmosféricas por estancas, evacuando por chimeneas colectivas en vivienda ya habitada.

Se ha de decir que la normativa obliga a evacuar por cubierta. Si esto no es posible y bajo la debida justificación se puede evacuar por la fachada del edificio. Si se escogía esta opción, cuando la evacuación era por fachada principal no existía ningún problema. Pero dentro de la evacuación por fachada hay un caso particular que es cuando desembocan los humos a un patio interior.

En este último caso la normativa no permitía más que un número máximo de calderas que podían verter al patio en función de la superficie del mismo. Según el RITE en su Instrucción Técnica IT 1.3.4.1.3.3, se cita texturalmente: “Los patios de ventilación para la evacuación de PdC de aparatos conducidos en edificios existentes, deben tener como mínimo una superficie en

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planta, medida en m2, igual a 0,5 x NT, con un mínimo de 4 m2, siendo NT el número total de locales que pueden contener aparatos conducidos que desemboquen en el patio.”.

El caso de la normativa en el País Vasco es diferente y requiere que los patios deberán tener al menos una superficie en planta, medida en metros cuadrados, de valor igual al número de salidas instaladas que desemboquen en dicho patio. Esto quiere decir, que aproximadamente, es un metro cuadrado el que se requiere por cada caldera que quiera verter sus humos al patio interior. Por ejemplo, si el patio tenía 20 m2, pues podrían verter sus humos 20 aparatos, pero si tenía menos superficie empezaban a exhaustar las calderas, hasta un punto donde ya no se podía más, y el patio se iba saturando. Este concepto de “saturación” corresponde a aquellos patios donde el número de calderas, que potencialmente pueden desembocar en el mismo, es superior al correspondiente en función de la superficie disponible.

Para ver cómo se produce la saturación, se ha llevado a cabo un ensayo (véase el capítulo 10) con un doble objetivo. Por un lado, se ha ideado un experimento para conseguir que todas las calderas de una vivienda evacuen directamente sus PdC al interior de un patio, para medir y ver qué condiciones alcanza. Por otro lado, se ha recreado el mismo experimento pero sólo volcando PdC al patio el número máximo permitido de calderas por normativa, para poder estudiar las condiciones del patio en ese momento, y de alguna manera, y comprobar si son aceptables o no.

En el capítulo 11, se ha realizado una simulación del experimento realizado en el bloque de viviendas descrito en el capítulo 10, al objeto de poder estudiar, simular y visualizar, en un formato tridimensional los fenómenos físicos que han tenido lugar en el patio de ventilación. De esta manera, el análisis del proceso se completa, y por tanto, facilita su comprensión.

En el supuesto de no disponer de la superficie requerida, la evacuación debe realizarse por chimenea, y que discurra por el interior del patio hasta la cubierta. De esta manera, la chimenea a instalar podía ser una estándar según normativa, y para saber cómo ha de ser, se puede ver en el capítulo 6 el procedimiento de cálculo y diseño.

Una vez concretado el sistema por el que se evacuaban los humos según normativa, era y es importante conocer los rendimientos de las calderas. No obstante, las condiciones en que miden los fabricantes para la obtención de los rendimientos tanto de las calderas como de las chimeneas que manufacturan, son condiciones de laboratorio, o por lo memos, en ambientes muy controlados. En nuestro caso, esto no afecta mucho cuando se habla del de las chimeneas, pero las calderas si ven notablemente afectado su comportamiento/rendimiento cuando están situadas en su emplazamiento real si lo comparamos con el que aparece en el catálogo. Además,

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este emplazamiento real puede ser variado; en el interior de las viviendas, en el exterior, en un balcón protegido, etc. y en función de donde este colocado el aparato también variará la eficiencia. Por ello, conocer el alcance real del rendimiento de las instalaciones es muy importante, y de esta manera, se ha realizado un ensayo en una vivienda en condiciones normales de funcionamiento. (Véase el capítulo 7).

Otro de los aspectos que cobran importancia es cómo se ve afectado el ambiente cuando se plantea la posibilidad de un incorrecto funcionamiento de la evacuación de los gases. En el caso de las calderas atmosféricas es más grave, pues implica la posibilidad de que los PdC puedan penetrar en las viviendas si el tiro producido no es capaz de evacuar todos los humos, produciéndose un revoco y originando un grave riesgo para la salud de los usuarios de las citadas viviendas. La mera posibilidad de que por un error técnico o por accidente, no se estén evacuando correctamente los PdC de una vivienda, ha llevado a realizar un estudio sobre cuál sería el efecto sobre la calidad del aire interior de una vivienda cuando, en primer lugar, el estado y funcionamiento del conducto de evacuación de humos no es el que debiera (por ejemplo, el tiro no es suficiente y es incapaz de vencer las pérdidas de carga para sacar los humos).

Para ver el efecto de cómo afectaría esto a la calidad del aire interior, se han recreado las condiciones de un problema relacionado con la seguridad de las calderas situadas en el interior de las cocinas, que es el posible revoco de los humos de la combustión reproduciéndose la misma situación que se dio en un lamentable accidente en una vivienda, en un pueblo de Bizkaia. Véase el capítulo 9 de la presente Tesis Doctoral.

Dentro de la disposición de la evacuación de humos de calderas estancas, se ha de señalar que previamente a la instalación de una nueva chimenea, se debería examinar y analizar el estado de la chimenea existente, para ver si sería válida para las calderas estancas, pues las condiciones de presión y estanqueidad, entre otras, son totalmente diferentes de las que pudiera estar diseñada la chimenea originalmente, y por esta razón, no valer.

Si este fuera el caso y no valiera el conducto de evacuación de humos existente, habría que conducir los humos a cubierta o, tal y como se ha dicho anteriormente, con la debida justificación evacuar por fachada. Esta conducción se realizaría a través de una chimenea para la evacuación de los gases. En esta parte, se propone otra chimenea de menor coste debido a que no lleva aislamiento, y su comportamiento es similar a las otras. En el capítulo 12 de la presente Tesis Doctoral, se ha realizado un ensayo de evacuación de humos por chimeneas colectivas, con diferentes diámetros, con y sin aislamiento.

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En el bloque cuatro, se exponen las conclusiones obtenidas y la posterior discusión de resultados. Del desarrollo de la presente Tesis Doctoral, se extraen unos resultados que llevan a plantear una serie de trabajos futuros que vienen recogidos en el capítulo 14 incluido dentro del bloque número cinco.

1.3 Cronología de la investigación

Realicé el bienio de doctorado de 2003-2005 en el departamento de Ingeniería de materiales, impartido por los departamentos de Ing. Química y del Medio Ambiente, Ingeniería Mecánica, Ing. Minera y Metalúrgica. Ciencia de los Materiales en la Universidad del País Vasco. (EHU/UPV).

El periodo de docencia fue cursado con 21 créditos con la calificación de Notable, en asignaturas de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales. El periodo de investigación de 12 créditos, como antesala al Diploma de estudios Avanzados (en adelante DEA), fue realizado en la línea de Innovación de aceros avanzados, comportamiento mecánico de la fractura y fatiga.

En este periodo, el Dr. Iñaki Loroño Lucena había presentado su Tesis Doctoral “Sistemas de evacuación colectiva de humos de calderas tipo B, problemática, proposición de una metodología de cálculo y su validación mediante fluidodinámica computacional” , y planteaba una serie de trabajos futuros entre los que se encontraba la idea original de esta Tesis Doctoral. Tomando esta idea como foco inicial, se fue trasformando hasta el desarrollo posterior y planteamiento de la Tesis que tiene el lector en sus manos “Sistemas de evacuación de humos de calderas tipo C. “Saturación de patios” y validación mediante fluido dinámica computacional”. Desde que finalice el bienio hasta la presentación del DEA pasaron dos años, en el que mi actividad investigadora se centró en los campos del gas, de las calderas y en la ingeniería térmica. Por esta razón, se me permitió realizar la prueba de obtención del DEA con el trabajo titulado “Investigación y desarrollo de una solución para la mejora del rendimiento térmico de las calderas individuales a gas y la contaminación de patios de ventilación” el 25 de noviembre de 2008.

Todos estos pasos me han llevado hasta la presentación y defensa de la citada tesis, además de las publicaciones, artículos y ponencias en relación a toda mi trayectoria como investigador, que son lo que a continuación se enumeran:

PARTICIPACIÓN EN CONTRATOS DE INVESTIGACIÓN DE RELEVANCIA CON EMPRESAS

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IP: D. Jesús Mª Blanco Ilzarbe

Título: Estudio y modelización de la dispersión de los productos de la combustión de calderas estancas a gas en patios de viviendas y riesgos de polución en el entorno.

Entidad Financiadora: EHU/UPV y Administración Gobierno Vasco Fecha Inicio: 2004 Fecha Fin: 2005

IP: D. José Ignacio Loroño Lucena

Título: Estudio sobre el estado y funcionamiento de los conductos de evacuaciones de humos en varias fincas de Bilbao

Entidad Financiadora: IRI ANAI jatetxea Fecha Inicio: 08/06/2004 Fecha Fin: 24/05/2005

Título: Estudio sobre la problemática de la evacuación de los PdC en las diferentes fincas del municipio de Berriz.

Entidad Financiadora: Administración Fincas Ezkurdi Fecha Inicio: 08/06/2004 Fecha Fin: 24/05/2005

Título: Estudio sobre la problemática de la evacuación de los PdC en las diferentes fincas de los municipios de Berriz y de Abadiño.

Entidad Financiadora: IBAP-8 S.L.

Fecha Inicio: 02/09/2004 Fecha Fin: 24/05/2005

Título: Estudio de las causas que provocan las roturas de las instalaciones de calefacción en 600 viviendas de una promoción del municipio de Erandio.

Entidad Financiadora: GOIKOGAS S.L. Fecha Inicio: 13/01/2005 Fecha Fin: 31/03/2005

Título: Estudio mediante fluido-dinámica Computacional de una instalación de suelo radiante y suelo refrescante

Entidad Financiadora: SAUNIER DUVAL Fecha Inicio: 3/11/2004 Fecha Fin: 15/04/2005

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Título: Análisis de la problemática y diseño de una solución para reglamentar la evacuación de humos de calderas individuales a gas en patios interiores.

Entidad Financiadora: Admón. Pública. Gobierno vasco Fecha Inicio: 10/1/2005 Fecha Fin: 25/04/2005

Título: Análisis mediante fluido-dinámica Computacional de una solución para reglamentar las distancias mínimas de huecos de edificación a descarga de Calderas.

Entidad Financiadora: Admón. Pública. Gobierno vasco Fecha Inicio: 03/5/2005 Fecha Fin: 10/09/2005

IP: D. Leopoldo Martín Gómez

Título: Proyecto para determinar el procedimiento de sustitución de calderas atmosféricas por estancas evacuando por chimeneas colectivas existentes (vivienda habitada).

Entidad Financiadora: Dpto. de Industria. Gobierno vasco Fecha Inicio: 01/12/2007 Fecha Fin: 01/09/2008

Título: Estudio del estado del sistema de evacuación de los productos de la combustión de la instalación central de calefacción y ACS de José Miguel de Barandiaran 7 (Galdakao)

Entidad Financiadora: Admón. Pública. Fecha Inicio: 01/6/2008 Fecha Fin: 01/07/2008

Título: Proyectos de investigación sobre el sistema de evacuación de los PDC en los edificios Sasikoa 28, Sasikoa 30, Sasikoa 32 y Sasikoa 34 (Durango)

Entidad Financiadora: Admón. Pública. Fecha Inicio: 01/6/2008 Fecha Fin: 02/12/2008

Título: Investigación y desarrollo de una solución para la mejora del rendimiento térmico de las calderas individuales a gas y la contaminación de patios de ventilación

Entidad Financiadora: NATURGAS Energía Distribución SAU. Fecha Inicio: 01/7/2008 Fecha Fin: 20/12/2008

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IP: Astillero Murueta, SISTEPLANT, INGETEAM Título: Buque Autómata Inteligente Polivalente-BAIP2020 Entidad Financiadora: CDTI (CENIT).

Fecha Inicio: 7/2007 Fecha Fin: 9/2011

IP: Imanol Basterretxea Iribar

Título: Proyecto de investigación de Nuevos desarrollos de Cámaras de Máquinas para gas sin ser buques gaseros

Entidad Financiadora: Construcciones Navales del Norte. Fecha Inicio: 5/2011 Fecha Fin: 12/2011

IP: Leopoldo Martín Gómez

Título: Diseño, construcción y ensayo de un precalentador de aire basado en tubos de calor (Heat Pipes)

Entidad Financiadora: SAIOTEK-2010700128. Fecha Inicio: 5/2010 Fecha Fin: 06/2012

PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN FINANCIADOS EN LOS ÚLTIMOS AÑOS

Título: Aplicación de la dinámica de fluidos computacional al cálculo de chimeneas y conductos de evacuación

Entidad Financiadora: Convocatoria INTEK. Fecha Inicio: 7/2005 Fecha Fin: 12/2005 IP: D. José Ignacio Loroño Lucena

Entidad Financiadora: Convocatoria INTEK. Fecha Inicio: 1/2006 Fecha Fin: 12/2006

Entidad Financiadora: Convocatoria PROFIT. Fecha Inicio: 1/2006 Fecha Fin: 12/2006