COMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO DE EDIFICIOS

 

Autor: Ing. Norberto Becerra
Gentileza Asociación argentina del Frío

La propagación del humo durante un incendio en un edificio, puede extenderse con el agregado evidente del piso que está en llamas a más pisos. Además puede propagarse (y de hecho lo hace) a los vanos verticales libres que conforman los ejes de escaleras de escape o de ascensores y montacargas, situación ésta por la cual pueden interferir seriamente con la evacuación.
Distintas experiencias y estudios han demostrado, que el efecto chimenea que generan estos vanos es responsable de originar el movimiento de humo de un incendio en desarrollo.
Se pone claramente en evidencia durante estos períodos de invierno la influencia de este “efecto de chimenea”, y con objeto de no dejar libradas a las personas y a la construcción a la potencial acción lesiva de los humos en caso de producirse un incendio, se hace necesario tomar previsiones para controlar los movimientos del humo cuando las condiciones antes enunciadas se presentan. Diferentes acciones pueden materializarse para mitigar estos efectos, y en todo caso cabrá distinguir claramente las soluciones que apuntan a controlar el “fuego” de las destinadas a controlar la propagación del “humo”, ubicando en primer término las soluciones vía arquitectura las que deben involucrar las “divisiones de riesgo” y un adecuado arreglo de las interconexiones (las que fueren necesarias) entre vanos abiertos verticales, los diferentes pisos del edificio y las puertas de salida. Un segundo lugar lo ocupan las de características mecánicas, que apuntan a la presurización de estos vanos verticales y la incorporación de dispositivos mecánicos (que llamaremos “dampers”) en la intención de controlar el modelo de flujo de humo resultante de una hipótesis de incendio.

PATRON DEL FLUJO DE HUMO CAUSADO POR EL “EFECTO CHIMENEA”
En general, para un edificio dado, donde se intenta esbozar prevenciones contra el efecto antes mencionado, cabe advertir que el humo sigue un modelo de movimiento donde se complementa el “efecto chimenea”, la influencia del viento y la acción de los equipos de manejo de aire del sistema de climatización.
En un evento de fuego puede coadyuvar a la migración del humo la diferencia de presión causada por la elevada temperatura del piso en llamas y la expansión térmica en el aire de éste, obviamente causada por esta excepcional elevación de temperatura del aire circundante.
En este contexto, la diferencia en las densidades del aire entre el interior y el exterior origina este efecto que puede ser calculado para cualquier condición interior/exterior y una altura del edificio dada.
El planteo teórico para un caso simple de un vano libre vertical con una altura H y una sección circular de un diámetro d dado está reflejado por la expresión:
γ humo < γ aire           Δρ = [H (γ humo < γ aire) – (1 + 0,09 H/d V2/2g)]
donde el primer termino de la ecuación es la diferencia de presión disponible para que el humo circule, y el segundo, la acción antagónica materializada por las perdidas de carga evidenciando así el flujo teórico.
Pero en realidad debemos plantearnos que:

Δρ = T1 - TD = Flujo teórico – Flujo disponible

Donde el término (TT) tiro teórico es siempre positivo mientras que el disponible (TD), puede ser negativo, neutro o positivo, dando lugar al tiro natural, al balanceado, y al forzado respectivamente.
La densidad de los humos involucrados en la circulación dentro de este vano genera un tiro. Consideremos el tiro teórico, que es determinado por la temperatura de este flujo.
Mientras los gases fluyen en el vano pierden calor continuamente desde la entrada a la salida lo que introduce una complicación al análisis, ya que nos presenta una variación de temperatura difícil de evaluar.
Una simplificación a este problema es definida por ASHRAE y plantea la definición de la temperatura media de este flujo teniendo como correlato una densidad media del mismo.
Podemos establecer entonces:
DT = C2 B H (1/T0 – TM)
Donde:
DT = tiro teórico en (pulgadas H2O),
C2 = 0,2554 cte. de conversión,
B = presión barométrica local en (pulgadas Hg),
H = altura del vano en (pies)
T0 = temperatura externa (ºF) abs,
TM = temperatura media de la mezcla humo – aire (ºF) abs.
Vemos que a medida que ganamos altura en el vano los gases se enfrían, y a medida que TM se reduce la presión en el vano también se reduce permitiéndonos interpretar el gráfico de la Figura nº 1.
Veamos el siguiente gráfico con valores de diferencia de presión en juego para un edificio tomado como modelo de 20 pisos de 1400 m2 de superficie y 3 metros de altura entre piso y piso.

 

 

 

 

 

 

 

 

La diferencia de presión entre interior y exterior está dada por la línea horizontal en un piso dado entre el exterior y la del piso; así como la diferencia de presión entre el vano y un piso determinado estará dada por la distancia horizontal que los separa.
Como dijimos antes, la diferencia de presión dependerá pues de la diferencia de temperatura entre interior y exterior, la altura del edificio y la infiltración característica que exista entre el exterior e interior (fachada) e interior y el vano vertical.
En la figura siguiente Fig. Nº 2 puede verse el modelo de flujo reflejado por el diagrama presión/altura edificio de la Fig. Nº 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FLUJO A TRAVÉS DE LOS CONDUCTOS POR EL EFECTO CHIMENEA
Debido a esta posibilidad de circulación de humo a través de los conductos, NFPA 90A recomienda como mandatario el corte del servicio de aire acondicionado en caso de incendio.
Con el sistema de inyección de aire detenido, los montantes de conductos verticales también actúan como vanos de posible circulación de humo a los pisos superiores. Esta particularidad también dirige a que NFPA 90A además recomiende la colocación de "dampers" para reducir este riesgo hasta valores aceptables.
En caso de edificios muy altos (más de 16 pisos), es recomendable facilitar la expulsión del humo producto de un incendio antes de que este ascienda a los pisos superiores. Así pues y tomando el ejemplo de un edificio de 16 pisos, puede definirse un equipo en el piso 8° y aspirar por el retorno el humo generado por un incendio entre la P.B y el 7° piso; de igual forma un equipo situado en el piso 16° aspirará la generación de humo que se produzca entre el 8° piso y el 16° piso; expulsando al exterior esta mezcla de humo y aire a través de conducto y reja de expulsión. Otra posibilidad en caso de no contar con extracción mecánica es contar con dampers de expulsión en el tope de las montantes.
El proyectista deberá vigilar para cada piso la dirección del flujo de aire en los conductos, a fin de evitar la migración de humo fuera de los mismos, ya que en ese caso se deberá colocar un damper de contención "smoke damper".
Efectuaremos una breve revisión de estos dispositivos a fin de comprender mejor sus características y los fundamentos que propenden al uso; analizando posteriormente en forma global las distintas posibilidades del control del humo.

DAMPERS CORTAFUEGOS Y DAMPERS PARA CONTROL DE HUMOS.
La designación de damper cortafuego se aplica a aquellos elementos destinados a impedir la migración de fuego de un ambiente a otro. Sin embargo, la particularidad entre estos ambientes radica en que entre ellos debe existir una "división de riesgo" concebida para soportar 1½ hora o 3 horas de fuego manteniendo su condición estructural con una razonable integridad, así pues concebida ya para la protección de vidas humanas como para la separación y protección de locales que garanticen la continuidad del negocio u operaciones (ver Fig. Nº 6).

 

 

 

 

 

 

Cuando resulta necesario que conductos atraviesen estas divisiones de riesgo es necesario disponer de este tipo de elemento atendiendo a que:
- Deben resistir fuego, ser estancos al humo e impedir que se transmita la temperatura del lado donde hay fuego hacia el otro (ver Fig. Nº 7), criterio s/normas DIN,
- Deben resistir solamente fuego y ser estancos al humo (ver Fig. Nº 8), criterio s/normas americanas NFPA y UL/FM.
Las primeras son de robusta construcción, diseñadas con una resistencia al fuego R-120 según UNE 23-802-79, y estanca al humo según DIN 4102.

 

 

 

 

 

 

 

En el caso de los damper cortafuego especificados s/normas americanas, estos deberán concordar con los requisitos de las normas NFPA 90A en todos sus tipos de fabricación.

Su integridad estructural durante el desarrollo del incendio, grado de estanqueidad y confiabilidad del dispositivo sensible al fuego para actuarlo, son chequeados en el contexto de la norma UL Standard 555 de Underwriters Laboratories.
Puede apreciarse en Fig. Nº 9 como además de la integridad física del damper en si mismo debe este resistir el embate de los chorros de agua de las lanzas de extinción.

 

 

 

 

Fig. nº 9

 

 

Cuando se trata de controlar el humo como hemos visto al principio del desarrollo del tema, se está frente a la situación de evitar que el humo frío con una temperatura por debajo de 80° C en el inicio del incendio, se propague a otros ambientes con riesgo de alcanzar los vanos verticales libres.
Puesto que con baja temperatura el fusible sensible al calor no actúa, un dispositivo eléctrico (o electroneumático) actuará el "damper", de forma que sin tensión cambia de posición. Esta modalidad solo puede ser lograda mediante la participación del detector de humo como dispositivo iniciador.

Vemos en la Fig. Nº 10 que sin la instalación de un damper cortafuego, este se propaga a otros locales a través del conducto de retorno pero mediante la instalación de este dispositivo y el aviso de alarma del detector de humo, tan pronto este produce la activación del esquema operativo de emergencia, el humo podrá ser expulsado al exterior.

Vemos en la Fig. Nº 12 como se puede evitar en un sistema de persianas economizadoras mediante la instalación de un "damper" para control de humos que este se introduzca por el by-pass y a través de este nuevamente en la alimentación.
Además puede mantenerse el aire acondicionado operativo en otras zonas no afectadas por un incendio (si por razones de proceso lo requiriese) mientras se expulsa al exterior el humo generado en una de las zonas a causa de un incendio en desarrollo Fig. Nº 13.

 

 

 

 

 

 

Los "dampers" para control de humos deben cumplimentar los requerimientos de las normas NFPA 92A y NFPA 92B; donde la estanqueidad al humo debe darse en cualquiera de las dos direcciones de sus caras, reconociendo la norma 3 clases de estanqueidad según el grado de exigencia a que someteremos al damper .En Fig. Nº 14 y 15 pueden verse un detalle de estos dispositivos.

 

 

 

 

 

 

 

Cabe destacar que si se combina la acción cortafuego y la posibilidad de control de la migración de humos el damper deberá cumplir además de los requisitos de las normas antes mencionadas los de la norma NFPA 90A.

 

 

 

 

La performance de estos dispositivos debe ser chequeada atendiendo al nivel de confiabilidad que deben prestar, valiéndose para ello de bancos de prueba en los que se pueda constatar la integridad del dispositivo durante el desarrollo del incendio o período de generación de humo (ver Fig. Nº 16).
Estos requisitos son delineados por las normas UL Standard 555S, en los cuales además del requisito de estanqueidad debe vigilarse su integridad estructural frente al efecto de la temperatura.

 

 

 

 

POSIBLE CORTE PARA POSIBLE SEGUNDA PARTE

El SISTEMA DE RETORNO COMO EXPULSION DE HUMO
Es práctica difundida proponer al sistema de retorno como un medio para evacuar humo de un potencial incendio producido en alguno de los pisos.
En aquellos edificios diseñados donde se diseña los sistemas involucrados siguiendo recomendaciones de NFPA-90 A, cuando el Sistema de Detección de Humos genera la detención de la climatización ante una detección en los "duct samplers", el uso de este sistema no es posible.
La actuación de dampers corta fuego (fusibles liberados) ubicados sobre los ramales de distribución restringirán la posibilidad de remover el humo aún cuando al ventilador de retorno se lo vuelva a poner en marcha manualmente con ese propósito.
Si se pretende que el sistema de retorno pueda evacuar efectivamente humo durante un incendio, deberá pensarse en un sistema de canalización de flujo de características constructivas resistente al fuego. Los ventiladores operarán extrayendo el 100% del caudal que son capaces de extraer (caso de ventiladores de retorno/expulsión en sistemas de persianas economizadoras) y los "dampers cortafuego se deberán evitar en los conductos de retorno. En cambio en ductos de alimentación estos serán necesarios.
Si solamente se mantiene operativo el Sistema de Retorno, la presión disminuirá uniformemente en los diferentes pisos del edificio con apreciable remoción del humo, pero todavía podría haber migración del mismo del piso con evento de incendio hacia los superiores, con la dificultad de poder precisar si la concentración de humo en el piso incendiado verifica una apreciable reducción.
Para lograr una efectiva reducción de la transferencia de humo hacia los pisos superiores desde un piso incendiado es necesario extraer desde ese mismo piso. Esto puede lograrse disponiendo "dampers" en los diferentes ramales de un sistema dado, y actuándolos en caso de incendio salvo el del piso con evento de fuego.
La presión en el piso con fuego, se reducirá con respecto al de las áreas adyacentes previniendo la transferencia.
En el caso de rotura de ventanas externas en el piso incendiado, la presión se aproximará mucho a la reinante en el exterior del edificio; y el flujo de humo a los vanos verticales de ascensores y escaleras podría ocurrir.

PRESURIZACION DE VANOS VERTICALES
El flujo a través de vanos verticales como resultado de la acción del efecto chimenea puede ser alterado mediante la presurización del vano valiéndose de un sistema de inyección mecánica.
Como vimos antes en la Fig. Nº 1, la máxima diferencia de presión que ocasiona la circulación de aire dentro del vano vertical se manifiesta en el nivel mas inferior.
Valores de 1 a 1,2 mm col. H2O son habituales en edificios e 16 a 20 pisos durante temporadas invernales con temperatura bajo cero, donde el efecto chimenea solo se manifiesta por la influencia de la calefacción.
Así pues la presión dentro de los vanos verticales libres podrá incrementarse mediante una inyección mecánica que balancee y además supere la presión en los pisos en todos los niveles.
Esta inyección mecánica previo a la acción de presurización podrá además diluir la concentración de humo generada en el inicio del incendio a causa de las aberturas que conectan el piso en llamas con el vano vertical, y antes de que se puedan poner en marcha el sistema de inyección aludido.

VANOS VERTICALES DE ASCENSORES
La Fig. Nº 3 muestra el efecto de la presurización en el vano de un ascensor de una sola cabina y para el edificio tipo predefinido.
Para definir el caudal de inyección, se deberá evaluar el nivel de infiltración tanto del exterior al interior como del interior al vano vertical libre . Como ejemplo y para el edificio de 20 pisos, con un nivel de infiltración combinado por piso de 1 pie cuadrado tomado como orificio equivalente el caudal requerido será de aprox. 11.000 cfm .
La diferencia de presión entre el vano vertical y los pisos se incrementará con la altura; será nula en el 1er Piso alcanzando valores de 2 mm col. H2O en el piso 20; previendo de esta manera la entrada de humo en el vano vertical desde cualquier piso en llamas del edificio, el cual cancela el efecto de la presión originada por el fuego. Deberá revisarse la existencia de otros vanos que puedan permitir la migración de humos a otros pisos superiores.

 

 

 

 

 

 

 

 

Si ocurre un evento de fuego en el primer piso y se rompen varias ventanas, la presión en ese nivel superará a la del vano vertical presurizado, permitiendo que el humo fluya dentro del mismo en este nivel; y que en los superiores salga del mismo. Para prevenir esto es necesario elevar la presión en el vano vertical hasta alcanzar el nivel de la presión exterior.
El nuevo caudal requerido en función del factor de infiltración se acercará al doble del inicial, por encima de 19.000 cfm y la presión en el tope del vano vertical se incrementará notablemente. Ver Fig. Nº 4

 

 

 

 

 

 

 

Pero la falta de estanqueidad del vano vertical de ascensor incrementará la presión de las áreas adyacentes, resultando en un decremento de la diferencia de presión a través de las paredes del vano.
Si por ejemplo bajo este acontecimiento, se tomara el caso de un vano vertical para 4 ascensores (cuadriplicando el área de fuga), la diferencia de presión a través de las paredes del elevador se reduciría a la mitad y el caudal superaría al doble. Puede verse que el caudal por ascensor estará nuevamente en aprox. 11.000 cfm; o sea 48.000 cfm dividido 4.
La transferencia de humo desde el piso en llamas a los superiores a través de un eje vertical no presurizado, puede prevenirse por medio de un venteo en el tope del mismo y aceptando que se llene de humo durante esta función.
La fig. Nº 5 muestra la situación con un vano vertical de ascensor presurizado y los 3 restantes con venteo al tope del vano. El tamaño del venteo fue seleccionado para elevar el plano neutro de presión del vano al último piso, de forma que la presión dentro del mismo se sitúe por debajo de la presión de cualquiera de los pisos por debajo del último.

 

 

 

 

 

 

 

 

El venteo en el tope de los vanos origina un decremento de la presión en cada piso y por ende un incremento de la presión diferencial tomada entre las paredes divisorias del piso y el vano vertical.
Como resultado, el caudal requerido para presurización del vano de ascensor de una sola cabina se incrementa de 19.000 cfm a 26.000 cfm
La máxima presión diferencial se verifica a la altura del último piso entre el vano libre y el piso mismo; casi duplicándose ese valor de presión en relación al que se observa en la Fig. Nº 4.
Para el grupo de 4 ascensores antes mencionado, cuanto mas se presurice los vanos verticales de cada uno de ellos en vez de ventearlos en el tope, el caudal requerido por vano de ascensor será menor y también la diferencia de presión; extrayendo como conclusión que el flujo requerido para un vano vertical de ascensores en una condición dada dependerá solo del número de vanos de ascensores que o bien son presurizados o venteados en el tope.
Un elevador abierto representa un área de infiltración hacia el vano de ascensor (el área aumenta 6 veces respecto la inicial), y esto origina una pérdida de presurización en el vano vertical libre dependiendo de en que piso está abierta la puerta del ascensor, esto no es deseable y puede reducirse incorporando un vestíbulo frente a las entradas de los ascensores.
Así pues estos vestíbulos introducen una resistencia adicional al flujo de aire entre el vano vertical y los pisos reduciendo el caudal que se requeriría para presurizar el vano; incluso en el caso de varios ascensores.

NÚCLEOS DE ESCALERA
Si nos proponemos prevenir la entrada de humo en caso de incendio en el núcleo de escaleras para el caso más desfavorable que representa la Planta Baja de un edificio el que generalmente posee una gran abertura al exterior, su presión deberá aumentarse o balancearse con la de este nivel.
Esta presión se correspondería con la mostrada para el vano vertical de ascensor en la Fig. Nº 4.
EL área equivalente por donde puede infiltrarse el humo, en este caso es menor (antes hablábamos de 1 pie cuadrado, ahora de 0,25 píe cuadrado) por tanto el caudal también es menor reduciéndose a la mitad, y si el balanceo de presión entre la P.B. y el vano vertical se verifica, no habrá flujo de aire circulante entre estos.
Cuando una puerta de un núcleo de escaleras en un nivel superior se abre, se tendería a bajar la presión en el mismo y será en parte compensado por la entrada de aire en la salida principal en P.B.
Lo antedicho enuncia que en principio para una presurización del vano vertical de escaleras puedo omitir la inyección mecánica, y lograría simplemente si la salida de escalera en P.B. estuviese conectada al lobby generalmente bien ventilado con entrada de aire desde el exterior.
Pero en invierno esta entrada de aire enfría el flujo en el vano, baja su temperatura, y se verifica una reducción de la presión en este núcleo de escaleras. Lo acerca al valor de la presión que existe en los pisos superiores; y si en estos se abren las puertas que los interconectan, incrementa el flujo de aire exterior dentro del núcleo (desde P.B) y con ello la posibilidad de que baje aún mas la presión dentro de núcleo de escaleras con respecto al de las áreas adyacentes en los pisos.
En verano el problema será inverso. A través del área abierta en P.B. que la interconecta con el núcleo, la presión se equilibrará y también se equilibrará la presión entre el núcleo y las áreas adyacentes en los pisos.
Si se desata un incendio en algún piso, podrá producir una diferencia de presión a lo largo del núcleo de escaleras, y como consecuencia la migración de humo hacia al núcleo a través de las rendijas de las puertas.
Una forma de inhibir este flujo indeseable es presurizar con inyección mecánica hasta el nivel mostrado en la Fig. Nº 3 , aprox. 2 mm de col. H2O y un caudal entre 11.000 y 13.000 cfm con tiempo de eliminación del humo relativamente corto (8 a 12 min).
Si la interconexión entre la P.B. y el vano vertical de escaleras se cerrase la presión se incrementará fuertemente, por lo que mientras el ventilador de presurización esté operando, se deberá vigilar que la interconexión entre núcleo y vano esté abierta.

PRESURIZACION DEL EDIFICIO
La transferencia de humo desde el piso en llamas a otros pisos puede ser prevenida como ya dijimos con el venteo al exterior del volumen de ese piso y presurizando el resto del edificio, de forma que todos los otros pisos se encuentren a una presión por encima de la exterior.
Para un edificio que cuente con un sistema de persianas economizadoras, podría ser presurizado cortando la operación de los ventiladores de retorno y extracción; haciéndolo en forma inmediata al momento en que se registre una excesiva cantidad de humo (o a nivel de prealarma); y mantener de esta manera una razonable inyección de aire en todos los demás pisos (ver Fig. Nº 17).

 

 

 

 

 

 

 

Venteando el piso en evento de fuego al exterior, la circulación del aire sería desde todos los vanos verticales conectados (sumado al resto de las interconexiones correspondientes a cada piso) hacia el piso en llamas; y de ahí venteado al exterior.

 

 

 

 

 

 

 

La Fig. Nº 18 muestra el juego de presiones para el ejemplo antes enunciado de un edificio de 20 pisos; y con un supuesto evento de fuego en el 2° Piso, donde se está efectuando la expulsión de humos al exterior. En función del nivel de infiltración, surge de la estimación un caudal de 3.000 cfm por piso totalizando 60.000 cfm.
El tamaño de la abertura de expulsión requerida para balancear la presión del piso en llamas con la exterior dependerá de la aberturas de infiltración que existan en el área de este piso en llamas y que la interconectan con las áreas adyacentes y con los vanos verticales contiguos. La abertura de expulsión al exterior será probablemente entre 2 a 3 veces más grande que las áreas de infiltración interior antes mencionadas. Si no es posible ventear los pisos a través de aberturas en la fachada, la alternativa es utilizar un vano vertical libre específicamente dispuesto para tal fin.
Cuando un piso está en llamas, este y el inmediato superior serán rápidamente abandonados ya que prevalecerán las instrucciones sobre como actuar en la emergencia. En el resto de los pisos durante el desarrollo inicial del incendio, habrá en un principio más seguridad.
Sin embargo estas áreas de seguridad, podrán limitarse a paliers de escaleras de escape o de ascensores presurizados. Deberán tomarse previsiones para permitir el suministro de aire fresco a estas áreas, a fin de mantener condiciones tolerables para los ocupantes, cancelando asimismo por esta vía la posibilidad de entrada de humo. Un valor piso de entre 3 a 4 cfm por persona resultará imprescindible para mantener el nivel de CO2 en rangos tolerables y superior a 10 cfm p/persona para mantener control sobre los olores proveniente de la contaminación cruzada por la migración de gases producto de la combustión en el piso en llamas.
Si se fijaran requerimientos de limitar también la temperatura en las áreas de seguridad antes mencionadas, se necesitará aún mas caudal de aire de presurización pudiendo trepar hasta valores necesarios para disipar el calor metabólico de no menos 20 cfm por persona. Habrá un salto de temperatura a adoptar que dependerá de la temperatura del aire inyectado; esto es según sea invierno o verano, con un máximo razonable de inyección para la estación calurosa de 10 cfm/p. persona. En algunos casos este caudal para un número dado de personas podría exceder al caudal que se requiere para presurización.

ACOTACIONES FINALES
Puede verse que son diversas las formas en que se puede controlar el movimiento del humo en un evento de fuego (especialmente en invierno) causado por el efecto chimenea.
El cálculo y diseño del sistema requerirá un prolijo conocimiento de las características de infiltración de las fachadas del edificio y sus divisiones internas.
En grandes edificios estas estimaciones resultarán suficientemente complejas como para recurrir al planteo de un modelo a resolver a través de una computadora.
Los caudales en juegos podrán ser definidos en base a los montos necesarios como para diluir la concentración de humo a niveles aceptables, o bien para reducir el impacto de un caudal de aire muy alto (en edificios con un intenso efecto chimenea), el de minimizar los caudales de inyección de aire con carga de humo que arrastran estos tirajes a través del control de la presurización dentro del edificio. Esta opción seguramente requerirá menores caudales de aire que el podría requerirse para alcanzar una dilución razonable en áreas vinculadas de alguna manera a las vías de escape.