CaracterizaciĆ³n experimental y modelo predictivo de la calidad del aire interior en viviendas con sistemas de ventilaciĆ³n natural
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Date
2024-01-26
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E.T.S. Arquitectura (UPM)
Abstract
Description
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 faƧades 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 ventilaciĆ³n de las viviendas en EspaƱa se ha realizado de forma natural, en base a la apertura y cierre de ventanas y con un gran aporte de infiltraciones a travĆ©s de la envolvente, fundamentalmente por las carpinterĆas. En la actualidad, la ventilaciĆ³n natural sigue siendo el sistema mĆ”s extendido de ventilaciĆ³n 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 metodologĆas de estimaciĆ³n de la calidad del aire interior generalmente se basan en el conocimiento de los caudales de ventilaciĆ³n lo que, en el caso de ventilaciĆ³n natural, lo dificulta en gran medida. Por ello, se planteĆ³ como hipĆ³tesis de partida para esta tesis doctoral que podrĆa predecirse la calidad del aire en viviendas dotadas de sistemas de ventilaciĆ³n basados en ventilaciĆ³n natural en funciĆ³n de parĆ”metros fĆ”cilmente determinables, de forma que no fuese necesario recurrir a los caudales de ventilaciĆ³n.
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 ventilaciĆ³n natural; y segundo, realizar una propuesta de modificaciĆ³n de la reglamentaciĆ³n vigente para facilitar la utilizaciĆ³n de la ventilaciĆ³n natural en viviendas cuando fuese viable.
El alcance se acotĆ³ 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 hipĆ³tesis de partida ha quedado demostrada con el desarrollo de un modelo lineal generalizado de la concentraciĆ³n de diĆ³xido de carbono a partir de los datos de la fase experimental. El modelo propuesto permite calcular la concentraciĆ³n media de diĆ³xido de carbono esperable en un determinado local en funciĆ³n de cinco parĆ”metros fĆ”cilmente obtenibles: la estaciĆ³n del aƱo (generalizada como verano o invierno), el uso del local (dormitorio, salĆ³n, etc.), y con respecto a la vivienda: la superficie Ćŗtil, el nĆŗmero de ocupantes habituales y el nĆŗmero de fachadas con huecos.
Este modelo supone la mejor aproximaciĆ³n conocida a la situaciĆ³n real esperable, con un D2 de McFadden del 79,3 % (coeficiente de determinaciĆ³n de 0,77) y un poder predictivo con modelos de validaciĆ³n cruzada de en torno al 74%. Como la informaciĆ³n requerida para su empleo es fĆ”cilmente obtenible y no requiere monitorizaciĆ³n, permitirĆ” tanto llevar a cabo estudios a gran escala de la calidad del aire en viviendas con ventilaciĆ³n 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 BĆ”sico HS 3 Calidad del aire del CĆ³digo TĆ©cnico de la EdificaciĆ³n. En base a los resultados de las viviendas monitorizadas, la calidad del aire en las viviendas existentes en Madrid se puede considerar heterogĆ©nea 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 estĆ” muy influenciada por el comportamiento de los ocupantes con respecto a la ventilaciĆ³n.
En cumplimiento del segundo objetivo secundario, se ha realizado una propuesta de modificaciĆ³n de la exigencia 13.3 de la Parte I y del Documento BĆ”sico HS 3 para facilitar el empleo de sistemas basados en ventilaciĆ³n natural, proponiendo criterios como la limitaciĆ³n a climas de inviernos suaves y la disposiciĆ³n de aireadores como Ćŗnica forma posible de abertura de admisiĆ³n.
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Arquitectura