Análisis Lógico en Ventilación de Estacionamientos para Vehículos

1. Introducción

Resulta común, tanto en Chile como en otros muchos países, que para los efectos del diseño e ingeniería de diversas aplicaciones específicas, la legislación o normativa existente sea escasa, ambigua, con ciertos datos insertos en normativas de diferente aplicación, etc., o simplemente no exista.

Por tanto, de darse una situación como las mencionadas, resulta habitual que el ingeniero calculista y diseñador se base en datos o normas provenientes de organismos o países que las tienen más o menos desarrolladas y publicadas, aunque no siempre actualizadas u optimizadas a las nuevas realidades.

El objetivo de la siguiente exposición y con relación exclusivamente al tema de la ventilación en garajes o estacionamientos para automóviles, será mostrar un criterio de análisis conducente a la optimización del caudal de aire mínimo requerido para los efectos, teniendo en cuenta los diversos factores que en ello actúan y así, poder llegar a una conclusión convincente e ingenieril que satisfaga la aplicación.

2. Generalidades

La ventilación consiste en aportar aire exterior con una calidad adecuada y extraer el aire viciado del espacio a tratar, con el fin de diluir y reducir las sustancias contaminantes existentes en el mismo por debajo del límite admisible que la normativa legal vigente exige, sin perjudicar el ambiente donde luego se expulse.

Así mismo, no deben olvidarse contaminantes esporádicos como el humo proveniente por el incendio de algún vehículo en el interior del recinto, por lo que también deberá este concepto ser tomado en cuenta.

Como se ha dicho, no siempre existen normas específicas al respecto, o se encuentran referencias entre otras normas diversas, como Normas de Construcción, de Incendios, de Baja Tensión, etc.En los últimos años la Comunidad Europea ha venido trabajando en este sentido, por lo que en conjunto con lo proveniente de Norteamérica, textos diversos, artículos técnicos al respecto y la buena práctica de la ingeniería, lo indicado a continuación se ha basado en esos documentos y/o escritos.

Al estudiar la ventilación de los garajes – estacionamientos (aparcamientos), conviene considerar la siguiente tipología:

- Estacionamientos cubiertos (cerrados y abiertos) y no cubiertos.- Estacionamientos subterráneos y sobre el nivel del terreno.- Estacionamientos pequeños (S=100 m2), medianos (entre 100 y 1.000 m2) y grandes (S mayor de 1.000 m2).- Estacionamientos residenciales, de servicio o rotatorios (comercial, industrial, administrativo, etc.) y de punta (Pick) (entradas o salidas coincidentes).

3. Tipos y Sistemas de Ventilación

En función de las características del garaje o estacionamiento se utilizará el tipo de ventilación más adecuado.En garajes cerrados y de superficie inferior a 40 m2, se puede emplear exclusivamente una ventilación de tipo natural.Para superficies mayores se dispondrá además, de ventilación mecánica, dando lugar a una ventilación de tipo mixto.Esta última solución es la exigida por la normativa legal vigente en la mayoría de los países occidentales.

En cuanto a los sistemas a aplicar en la ventilación mecánica, tres son los posibles para la ventilación de un estacionamiento de vehículos automóviles:

- Por Impulsión o Inyección- Por Extracción- Sistema Mixto (Impulsión + Extracción)

3.1 Ventilación por Impulsión o Inyección

Sistema con pocas ventajas, el aire de aportación viene directamente del exterior, quedando todo el recinto en sobrepresión y obligando al aire viciado a salir por las rampas de acceso y salida del estacionamiento, arrastrando las emisiones que allí se producen hacia la misma calle.

Además, también sale el aire por cualquier abertura al exterior o zona en depresión, puertas, ventanas e incluso rendijas de la construcción, lo que representa un serio inconveniente al no poder controlar la descarga hasta lugares o espacios alejados de las personas u otros elementos de interés.

Así también, los humos producidos por incendio en algún vehículo saldrían por sitios inadecuados como las rampas de acceso, con la consiguiente problemática que ello acarrearía a las personas y al equipo de seguridad o bomberos. Las normas contra incendio solicitan una conveniente “evacuación del humo”, por lo que se descarta automáticamente este sistema en aplicaciones de estacionamientos subterráneos.

3.2 Ventilación por Extracción

Este sistema, que es el más utilizado, tiene la ventaja de poder controlar la descarga, por ejemplo a través de conductos que canalicen el aire extraído hasta el lugar apropiado, de acuerdo a la normativa vigente, municipal u otras.

En lo posible es aconsejable prever otras entradas de aire, independientes de la propia rampa de acceso o de salida, pues allí se producen escapes de gases de los vehículos que entran y salen, con retenciones y aceleraciones altamente productivas de contaminantes.

3.3 Sistema Mixto (Impulsión y Extracción)

Este sistema posee una óptima distribución de aire por el interior del estacionamiento, permitiendo llegar a todos los rincones del mismo.

Su inconveniente es económico, pues en el supuesto de un determinado caudal de aire requerido para ventilación, con la solución de ventilación por extracción se tendría una red única de conductos para ese caudal, y en el caso de ventilación mixta dos redes de sección semejante, ya que deben actuar en serie impulsión y extracción.Así también y de acuerdo al ejemplo, se duplicaría el número de ventiladores requeridos.

4. Sustancias Contaminantes Emitidas por los Vehículos Automóviles

4.1 Emisiones contaminantes

La energía química contenida en los carburantes para automóviles se libera a través de un proceso de combustión, de la gasolina en los motores de encendido por chispa (ciclo Otto) y del gasóleo en los motores de encendido por compresión (ciclo Diesel), empleándose en ambos casos el oxígeno del aire como comburente.

Los motores de gasolina emiten Monóxido de Carbono (CO), Dióxido de Carbono (CO2), Aldehídos, Formaldehído, Óxidos de Nitrógeno (NOx), Dióxido de Azufre (SO2) y otros.

Del conjunto de contaminantes procedentes de un motor de encendido por chispa, en el momento actual, el más característico y peligroso es el monóxido de carbono, CO, por consiguiente, al diluir el CO a niveles admisibles, se suele resolver el problema para el resto de las sustancias contaminantes.

En los motores de encendido por compresión, las emisiones más características son los Humos, CO2, NOx, y, en menor medida, el Monóxido de Carbono (CO).

La incorporación de convertidores catalíticos a los actuales modelos de automóviles, está modificando la concentración de los gases de escape procedente de los vehículos, por tal razón, se ha venido trabajando en una cierta actualización, sobretodo en lo que se refiere a las cantidades volumétricas de emisión, ya que éstas tienden a disminuir en función de los nuevos y mejorados modelos de motores así como debido a una actualización del parque automotriz.

4.2 Evaluación de emisiones

La evaluación de emisiones de una sustancia contaminante no es fácil, es una tarea compleja determinar el valor de la “Emisión Base”, índice que junto a otras consideraciones permitirá evaluar la cantidad necesaria de aire de ventilación para diluir los contaminantes.

Por definición, la Emisión Base es el caudal de sustancia contaminante emitida por un vehículo que circula por una vía horizontal a una velocidad de 60 Km/h y a una altitud de 0 m sobre el nivel del mar, y depende fundamentalmente de las características del parque de automóviles, de las características de los motores, del peso de los vehículos y de las condiciones de funcionamiento de los mismos.

Para conseguir estos datos de forma eficaz, debería cuantificarse el nivel de renovación del parque automovilístico distribuido por carburante utilizado, años de antigüedad, consultar la normativa vigente, etc.

De acuerdo a lo anterior y sabiendo que el contaminante más peligroso en esas emisiones es el CO, estudios recientes basados en directrices europeas han llegado a establecer valores globales y aproximados de la Emisión Base de CO por vehículo, pudiendo estimarse, como promedio, entre 0,30 y 0,40 m3/h, valor que corresponde aproximadamente a la mitad de la emisión base indicada en Norma UNE 100 166-92, es decir, 0,2 L/s (0,72 m3/h), sin embargo, otras fuentes indican valores aún más críticos, hasta 0,6 L/s (2,16 m3/h).

4.3 Correcciones a las emisiones base de sustancias contaminantes (no consideradas en normas)

Entre los factores que ejercen mayor influencia sobre el valor de las emisiones base de las sustancias contaminantes, destacan: la altitud (m.s.n.m.), la pendiente de rampas (%) y la velocidad (Km/h).

Altitud………………………………Fh = 1 + H(mts) / 1.000

Pendiente……………………… Fp = 1 (p, de –12% a 0%)Fp = 1 + 0,08333 p (p, de 0% a +12%)

Velocidad………………………. Fv = 0,50 + 0,03000 v ( v, de 0 a 10 Kph)Fv = 0,76 + 0,00400 v ( v, de 10 a 60 Kph)Fv = 0,60 + 0,00667 v ( v, de 60 a 90 Kph) Fv = -0,60 + 0,02000 v ( v, de 90 a 120 Kph)

4.3 Criterios de calidad del aire en garajes

Sin ninguna duda, el monóxido de carbono, CO, es el gas más peligroso de lo emitidos por un vehículo automóvil y el que requiere mayor dilución para que no sea perjudicial para las personas.

El CO es un gas imperceptible, sin olor ni sabor, cuyo efecto sobre las personas, aspirado en cantidades importantes, es la reducción progresiva de la capacidad de transporte de oxigeno por la sangre, pudiendo, en casos extremos, llegar a provocar la muerte. Sin embargo, los efectos por intoxicación son totalmente reversibles y sin secuelas, y la exposición breve a concentraciones elevadas de CO no representa riesgo alguno y puede tolerarse.El peso específico del CO es 0,967 – 0,968 con respecto al aire, por lo que su tendencia es acumularse en las partes altas de un recinto cerrado, como es el caso de un estacionamiento subterráneo.

La concentración máxima de CO admitida en los estacionamientos de USA y de la Comunidad Europea es de 50 ppm ( a excepción de Alemania que lo ha rebajado a 30 ppm).Este valor límite se corresponde con la concentración media ponderada, para una jornada laboral de 8 horas y una semana laboral de 40 horas, siendo internacionalmente conocido como TLV – TWA (Thershold Limit Values – Time Weighted Average).

Existe también otro valor límite, TLV – STEL (Short Term Exposure Limit), que indica la concentración a la que puede estar expuesta una persona durante un corto espacio de tiempo sin sufrir irritación, daños crónicos o narcosis. Este valor es de 400 ppm, sin embargo, el dato que usualmente se maneja es que para estancias inferiores a una hora, la concentración de CO puede alcanzar un valor aceptable de 125 ppm.

Nota: 1 ppm = 1,250 mg/m3 ( 0ºC, 1 at.); 1ppm = 1,145 mg/m3 ( 25ºC, 1 at.)

5. Movimiento de los Vehículos en los Garajes

El número de movimientos por hora depende fundamentalmente del tipo de estacionamiento.

Para los de uso residencial, este valor puede oscilar entre el 30% y el 50% (0,3 – 0,5) sobre el número de puestos de estacionamiento.En estacionamientos cuya aplicación es de servicio o rotatorios, varía entre 60% y 80% (0,6 – 0,8).En los estacionamientos de punta (Pick), el número de movimientos fluctúa entre 100% y 150% (1,0 – 1,5).

Respecto a la duración de cada movimiento se debe considerar, esencialmente, la geometría del estacionamiento y su nivel de conocimiento por los usuarios.

En estacionamientos residenciales, la duración media de cada movimiento es de unos 40 segundos, mientras que en los estacionamientos rotatorios es de alrededor de 120 segundos y en los estacionamientos de punta sobre los 140 segundos, en períodos críticos.

6. Objetivos

El sistema de ventilación de un estacionamiento tiene como objetivo, en primer lugar, garantizar que no se acumule monóxido de carbono en concentraciones peligrosas en ningún punto del estacionamiento.

Además, con la ventilación se mantendrá el resto de contaminantes emitidos por los automóviles en unos niveles mínimos.

En segundo lugar y en cumplimiento de normas contra incendio, garantizar la evacuación de humos que puedan generarse en caso de suceder el evento.La extracción de humo en caso de incendio de alguno de los vehículos automóviles en el interior de un estacionamiento, pretende evitar que los usuarios que se encuentren en el interior de dicho estacionamiento respiren los humos tóxicos generados y pierdan la visibilidad necesaria para alcanzar las vías de escape.

Debido a su temperatura, los humos se acumulan en la parte alta del recinto y deberían poderse evacuar antes de que se encuentren en cantidades importantes, lo que además dificultaría el trabajo de los equipos de extinción, o bien que se enfríen excesivamente y alcancen capas inferiores.

7. Evaluación de la Ventilación

Al determinar el caudal necesario para diluir el CO (q a.e.), deberá considerarse que la renovación del aire contaminado se realiza con aire procedente del exterior, y que éste, a su vez, puede contener cantidades significativas de monóxido de carbono (C ext).

Esta circunstancia es variable en función de diversos parámetros, por ejemplo, localidad física, barrio, ambiente, etc. Como valor de referencia, podemos asumir C ext. entre 15 y 20 ppm para un grado de confianza del 95% al 98% aproximadamente, debiéndose contrastar en cada aplicación y lugar, pues podría darse el caso de requerirse un cierto grado de tratamiento a ese aire de inyección contaminado.

Por tanto, teniendo en cuenta tal circunstancia, el valor del caudal de aire exterior necesario para tal efecto viene dado por la expresión siguiente:

- q a.e. = Eb (1 – C int) / C int – C ext

Si además se toman en cuenta las correcciones indicadas previamente, la influencia de la altitud sobre el nivel del mar, la pendiente de las vías de acceso y salida, y la velocidad de circulación en el interior del estacionamiento, así como el número de movimientos de vehículos por unidad de tiempo, la duración de cada movimiento en el garaje en estudio y se sustituye la expresión (1 – C int) por la unidad al ser irrelevante (1 – 0,00005), entonces la expresión del caudal de aire exterior necesario para diluir el CO al valor límite admisible por cada puesto de estacionamiento será:

q a.e. = (1.000.000 x Eb x Fh x Fp x Fv x Nm x Tm) / 3.600 x (C int - C ext) m3/hr/vehíc.

dividiendo la expresión por s (m2/vehíc),

q’a.e. = (1.000.000 x Eb x Fh x Fp x Fv x Nm x Tm) / 3.600 x (C int – C ext) x s m3/h/m2

Ejemplo

Suponiendo que se tiene:

- Qb = 0,35 (m3/hr), valor de la emisión base de CO.- Fh = 1,50 (------- ), factor de altura para 500 m. s. n. m.- Fp = 1,25 (------- ), factor de pendiente, (acceso: 50% a p=12%, salida: 50% ap=-12%, resto con p=0%).- Fv = 0,81 (------- ), factor de velocidad para 12 Km/hr.- Nm = 0,70 (mov/h), número medio de movimientos de vehículos a la hora para estacionamiento de servicio.- Tm = 120 ( seg. ), duración media de cada movimiento en estacionamiento rotatorio o de servicio.- Cint= 50 (ppm), concentración máxima de CO permitida en el interior del estacionamiento.- Cext= 15 (ppm), concentración de CO en el aire exterior de los alrededores del estacionamiento.- S = 25 (m2/veh), superficie neta de estacionamiento.

Entonces:

- q a.e.= 354,375 m3/hr por cada puesto de estacionamiento o vehículo de capacidad.

Si el estacionamiento tiene capacidad para 400 vehículos estacionados:

- Q a.e. = 141.750 m3/h,

Entendiendo que la superficie media neta estimada de estacionamiento (s = 25–30 m2/vehículo), corresponde a la mínima superficie requerida para que un vehículo estacione y también circule, sin considerar las rampas, se obtiene:

- q’ a.e.= 354,375 / 25 = 14,175 m3/hr por m2 de superficie

Como son 400 vehículos, 400 x 25 m2/vehículo = 10.000 m2, entonces:

- Q a.e. = 141.750 m3/h.

8. Disposiciones Generales Basadas en Diferentes Normativas

Como se ha dicho, en realidad existen diversas normas, fundamentalmente europeas y también norteamericanas, bien desde la base de contaminación exclusivamente, bien desde el punto de vista de incendios, como generalidad.También existen una serie de textos y artículos técnicos que se refieren al tema, por lo que a continuación se indicará un resumen de los puntos fundamentales que deben considerarse en un buen sistema de ventilación destinado a estacionamiento de vehículos automóviles.

- Para estacionamientos subterráneos la ventilación será suficiente cuando se asegure una renovación mínima de aire tal, que corresponda al valor más alto entre 15 m3/hr por metro cuadrado de superficie, o bien, seis (6) renovaciones / hora.

- La ventilación forzada deberá ser capaz de realizar un mínimo de 6 renovaciones / hora.

- Cuando el local sea público y de más de 1000 m2, o bien sea privado y de más de 2500 m2, deberá existir un suministro complementario de energía capaz de por lo menos alimentar al 50% de los ventiladores.

- Los garajes dispondrán de ventilación natural o forzada para la evacuación de humos en caso de incendio.

- Tanto en ventilación natural como forzada, ningún punto de la superficie ventilada estará situado a más de 25 m. de distancia del hueco o punto de extracción de los humos.

- La ventilación forzada deberá ser activada mediante detectores automáticos de CO, de acción simultánea, cuando se alcance un cierto valor de concentración de gas. Estos detectores se instalarán cada 200 ó 300 m2 y a una altura de 1,5 a 2,0 m. aproximadamente, preferiblemente en las columnas de las vías de circulación.

- Dado el peso molecular del CO (28) con respecto al O2 (29), la detección del CO no es fácil, ya que se forman bolsas a volumen y altura variables según la temperatura y humedad en el ambiente. Para superar este hecho, se dotará a este tipo de recintos de una instalación con un sistema de ventilación por cada planta existente.

- Deberá disponerse interruptores independientes por cada planta que permitan la puesta en marcha de los ventiladores.

- En los casos de extracción, se deberá garantizar el funcionamiento de todos los componentes durante noventa (90) minutos como mínimo a una temperatura de 400ºC.

- Criterios adicionales útiles para diseñar correctamente una instalación:

a) Se dispondrán rejillas de extracción a razón de cada 100 m2 y no más de 10 m. una de otra.

b) Una de cada tres rejillas se colocará a 30 cm. del suelo para captar gases y vapores más densos que el aire.

c) La velocidad del aire en los conductos no será superior a 10 m/s y el nivel de presión sonora en el estacionamiento no deberá ser superior a 55 Db (A).

d) El aire extraído se descargará a un lugar que diste 10 m. como mínimo, de cualquier ventana o toma de aire, con descarga preferiblemente vertical, y si el conducto desemboca en un lugar de acceso al público, la boca de salida estará a una altura de 2,5 m. sobre el suelo, como mínimo, o bien sobrepasando un metro la altura máxima de los edificios colindantes.

e) Las bocas de captación del aire exterior deben alejarse del suelo de jardines o forestas para no captar hojas o polen; separadas de letreros luminosos por su atracción de insectos; lejos de descargas de aire para no recircular emisiones viciadas; nunca en el suelo porque puede obturarse por objetos o desechos.

9. Conclusiones

De esta presentación, basada en el trabajo de investigación de Don Tomás Gil Pérez, Doctor Arquitecto y Profesor de la Escuela Técnica Superior de Arquitectos de Madrid, se pueden extraer entre otras las siguientes conclusiones:

1. Es fundamental elegir el tipo y sistema de ventilación adecuado a cada caso, siendo en general la solución más utilizada la ventilación mixta por extracción. De esta forma se puede controlar la salida de aire viciado captando los contaminantes en las zonas donde se producen, consiguiendo una calidad del aire más homogénea en todo el estacionamiento.

2. Para determinar el caudal de renovación de aire, deben considerarse todos los factores incluidos en la expresión correspondiente (a pesar de no estar contemplados en la normativa legal vigente), así como los contaminantes existentes en la atmósfera de los alrededores del estacionamiento en estudio, especialmente el monóxido de carbono, lo cual, en caso de encontrarse en cantidades considerables, hace evidente que la solución idónea a utilizar sería la combinación inyección - extracción, debiéndose tratar debidamente la parte inyectada.

3. Deberá precisarse muy bien la utilización del estacionamiento en estudio, es decir, residencial, de servicio o punta, pues, si por ejemplo el uso es del tipo punta (Pick), su influencia es más que considerable.

De ser así, en el ejemplo tendríamos Nm = 1,25 y Tm = 140 seg., aumentando el caudal requerido en:f = 1,25 x 140 / 0,7 x 120 = 2,08 veces.Resultando: Q a.e. = 295.312 m3/hr.

4. Una vez establecido el caudal de renovación de aire mediante el criterio descrito, éste deberá contrastarse con el caudal obtenido por medio de los índices normados, seleccionándose en definitiva si resulta mayor que el caudal indicado por los índices, en caso contrario, se considerará este último.

10. Bibliografía

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- Wood, D. (1991): “Road tunnel ventilationdesign and application”. ASHRAE Journal. Octubre.

- Artículos varios de revistas técnicas.

Nota *: La palabra “aparcamiento”, en español quiere decir estacionamiento temporal, de reducida estancia, a diferencia de “estacionamiento”, que significa estacionamiento de larga estancia.