Diseño de soluciones constructivas frente a radón ...±o de... · Borja Frutos. Instituto de...
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Borja Frutos Vázquez. Dr. Arquitecto.
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Diseño de soluciones constructivas frente a radón
Experiencias en aplicaciones y optimización
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
ÍNDICE
El Radón. Naturaleza. Salud
Mecanismos de entrada en la edificación
Técnicas de protección:
Estrategias, Ejemplos, Singularidades y Optimización
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Naturaleza del RADON
Gas inerte:
Químicamente estable.
No afinidad química.
Densidad
9,73 kg/m3. (a 0ºC y 1
atmósfera):
8 veces más pesado
que el aire (1,2 kg/m3)
Incoloro, inodoro, insípido
Soluble en agua u otros
líquidos
ELEMENTO QUIMICAMENTE ESTABLE.
Gas noble.
Naturaleza del RADON
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
ELEMENTO RADIACTIVO
Gas radiactivo de origen natural cuya fuente principal es el terreno. (Uranio-Radio-Radon)
Ra-226 1660 años
Rn-222 3,8 dias
alfa
RADON
Po-2183,05 minutos
alfa
Bi-214 19,7 minutos
Pb-214
alfa
26,8 minutos At-218 2 segundosbeta y gamma alfa
Pb-210 21 años
Po-214164
microseg.Tl-210 1,3 minutos
beta y gamma
alfabeta y gamma
beta
Bi-2105,01 días
beta
Pb-206
ESTABLE
Po-210 Tl-206 4,19 minutosalfa
138,4 díasbeta
alfabeta
URANIO 238
4500 millones
de años
- Radiación ALFA (menor penetración // mayor daño)- Radiación BETA- Radiación Gamma
Bequerel: nº desintegraciones/s.Concentración de actividad: Bq/m3
Afección sobre la salud
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SALUD
La inhalación del gas acerca la radiación a tejidos más sensibles en los que si se pueden producir alteraciones del ADN y provocar la aparición de tumores.
Considerado agente cancerígeno Grupo 1. (OMS)
• Segunda causa de contracción de cáncer pulmonar detrás del tabaco
• Riesgo multiplicado por 5 en caso de fumadores
• 15% de cáncer pulmonar en todo el mundo es causado por el radón
• 21.000 muertes al año en Estados Unidos se deben a la inhalación de gas radón, de ellas, 3.000 se encuentran entre personas no fumadoras.
• Equiparable a las muertes por accidente de tráfico DATOS: - Organización Mundial de la Salud (OMS)- International Agency for Research on Cancer(IARC)- Environmental Protection Agency (EPA). - ISS-33 del CSN
Afección sobre la salud
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EXPOSICIÓN A LAS RADIACIONES IONIZANTES
Radiación recibida de fuentes:
NATURALES: 80 %
ARTIFICIALES: 20 %
Consejo de Seguridad Nuclear. 2017
Estimación de radón en viviendas.
Datos geológicos-Medidas en
viviendas
Límites y Mapa de Riesgo
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Límites recomendados. NORMATIVA
Fuente Viv. Existentes Viv. Nuevas
Recomendación Europea. (90/143/EURATOM): 400 Bq/m3 200 Bq/m3
OMS (2009) 100 Bq/m3 100 Bq/m3
Nueva Directiva Europea (BSS-2013) 300 Bq/m3 300 Bq/m3
Fuentes de radón
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Radón en suelos terrestres:
1. Depende de la cantidad de uranio (y por tanto
radio) que se encuentre en la composición del
suelo
2. Y de la permeabilidad del mismo.
(Emanación y Exhalación)
TIPO DE ROCA Contenido medio
URANIO U238
Basálticas 1,0 (ppm)
Graníticas 5,0 (ppm)
Arcillas 3,7 (ppm)
Arenas 0,5 (ppm)
Libro: “Radón, un gas radiactivo de origen
natural”. CSN y Universidad de Cantabria)
Exposición Potencial al
Radón
(EN EDIFICIOS)
Concentración de 222Rn Bq/m3 (EN TERRENO)
Permeabilidad Baja < 4. 10-13 m2
PermeabilidadMedia
4. 10-13 m2
4. 10-12 m2
PermeabilidadAlta > 4.10-12 m2
Baja<200 Bq/m3 <30.000 <20.000 <10.000
Media200 – 400 Bq/m3 30.000 –100.000 20.000-70.000 10.000-30.000
Alta> 400 Bq/m3 >100.000 >70.000 >30.000
Consejo de Seguridad Nuclear.
Fuentes de radón
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(R: Radio content; E: Emanation fraction; λ Decay; ρ Density; L: Diffusion Length; d:
Thickness)
En condiciones normales:
- Tasa desde terreno 1-2 órdenes de magnitud > materiales:
• Materiales: 1.10-4 (Bq/m2/s)
• Terreno a través de soleras: 1.10-2 (Bq/m2/s)
- Contribución a concentración interior:
materiales: 20% (5 a 20 Bq/m3)
terreno: 80 % (Fuente principal)
República Checa (The National Radiation
Protection Institute)
Radón en materiales de construcción: Por su contenido en radio
SWISS RADON HANDBOOK.
Swiss Federal Office of Public
Health. 2000
Contenido en Radio - 226
Material de
construcción
Mínimo
[Bq/kg]
Máximo
[Bq/kg]
Ladrillos 45,2 143
Hormigón 21,1 192
Morteros 19,8 82
Plaqueta cerámica 63,0 117
Arena 13,3 41
Arcilla 40,9 199
Cemento 36,5 88
Yeso 12,1 86
(Nazaroff and Nero 1988)
Fuentes de radón
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Tasas de exhalación de materiales de construcción:
Amit Kumar. “Modeling of indoor radon concentration from radon exhalation rates of building materials and validation through
measurements” Journal of Environmental Radioactivity Volume 127, January 2014, Pages 50-55
Radón en agua:Disuelto en corrientes subterráneas
Radon generation.
Transporte /Entrada:
Acumulación : Riesgo en concentraciones > 300 Bq/m3
Advección : (PB > PA). (porosidad) , fisuras, juntas
Difusión: A través de materiales
Mecanismos de entrada
Los mecanismos de ventilación interior, Aseos, Chimeneas, etc, pueden favorecer un flujo mayor al aumentar el gradiente.
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Mecanismos de entrada
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Puntos comunes de entrada. Debilidades en la envolvente.
Principalmente debido al mecanismo advectivo a través:
- Materiales porosos
- Fisuras en envolvente
- Encuentros. Juntas artificiales
- Griteas.
- Tuberías de drenaje. Saneamiento
Concentraciones
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Concentraciones de registros reales. Vivienda en la sierra de Madrid.
Oscilaciones debidas a cambios en variables atmosféricas.
• Mecanismo Difusivo dependiente del Gradiente concentraciones (prácticamente estable). Típico terreno. 150.000; Típico interior 500. (FACTOR 300)
• Mecanismo Advectivo dependiente de Gradiente de Presiones.
(oscila con cambios atmosféricos)
Concentraciones. Casa Piloto
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Estudio experimental en vivienda piloto.Proyecto investigación. (IETcc-CSIC y Universidad de CantabriaConsejo de Seguridad Nuclear (CSN)
PROTOTIPO DE EDIFICIO en un lugar de altas concentraciones. • Con materiales y sistemas constructivos habituales • Dos plantas
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Concentraciones. Casa Piloto
LABORATORIO INSTALADO EN EL MÓDULO
(Universidad de Cantabria)
Concentraciones. Casa Piloto
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Concentraciones. Casa Piloto
0
20.000
40.000
60.000
80.000
100.000
120.000
140.000
3-1-
06
6-1-
06
9-1-
06
12-1
-06
15-1
-06
18-1
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21-1
-06
24-1
-06
27-1
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30-1
-06
2-2-
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5-2-
06
8-2-
06
11-2
-06
14-2
-06
17-2
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20-2
-06
23-2
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26-2
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1-3-
06
4-3-
06
7-3-
06
10-3
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13-3
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16-3
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19-3
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22-3
-06
25-3
-06
28-3
-06
31-3
-06
3-4-
06
Co
nce
ntr
ació
n R
n (
Bq
/m3)
Sotano (Bq/m3)
Planta 1 (Bq/m3)
Planta SÓTANO Planta 1ª
39.385 Bq/m3 6.855 Bq/m3
300 Bq/m3 300 Bq/m3
Máximo PLANTA 1ª
42.603 Bq/m3
Periodo de 3 meses
Concentraciones promedio
Máximo SÓTANO
130.347 Bq/m3
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Presión atmosférica: Comportamiento Dinámico
Un descenso en la presión atmosférica provoca un
aumento en el flujo de radón hacia el interior
-100.000
-50.000
0
50.000
100.000
150.000
3-1
-06
6-1
-06
9-1
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29-1
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23-2
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15-3
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24-3
-06
27-3
-06
31-3
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3-4
-06
Co
ncen
tració
n R
n (
Bq
/m3)
920
930
940
950
960
970
980
990
1000
Pre
sió
n A
tmo
sfé
rica (
mB
ar)
Sotano (Bq/m3)
Planta 1 (Bq/m3)
Presión Atmosférica (mBar)
El aire del terreno tarda más
en igualarse a la presión
atmosférica que el aire del
interior de una vivienda.
(Depende de la porosidad del
terreno)
Este desfase en tiempo
provoca un aumento del
gradiente de presiones e
induce un mayor flujo de
radón9
0.0
00 B
q/m
3
Concentraciones. Casa Piloto
The Pilot House
Atmospheric changes /CRn
Wind effect. Pressure It can be calculated: CTE DB-SE P=0,5**V2
Efecto stack. Funtion High and ∆T: P = Cah (1/Text -1/Tint)
Average radon concentration (4 winter months)
• Basement 39 385 Bq/m3
• 1st floor 6 855 Bq/m3
Correlation • Atmospheric Pressure drop of 3 000 Pa (30 mBar)
Increase of 90 000 Bq/m3 225 % more
• Increase or pressure (300 Pa) due wind velocity (8 m/s)
Increase of 900 Bq/m3 2.3 %
• Temperatures varying (night and day)
Radon diary varying
• Rains. (Also pressure drop)
increase Radon concentration.
Humidity in soil make it less permeable and so, the dry terrain beneath the house can act as a sump.
The Pilot House
Atmospheric changes /CRn
Estrategias de remedio
Diseños y ejemplos, singularidades, optimización
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Estrategias de remedio
Despresurización del Terreno
Evacuar el gas. Crear vías preferentes
(DRENAJE)
Barreras
Reforzar la estanquidad
Ventilación
Dilución y sobre-presión
Basadas en 3 mecanismos básicos
Natural
Forzada
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Extractor
Colector
Captación
Sistemas de extracción o presurización
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CAPTACIÓN• Extracción por arquetas • Extracción desde el terreno circundante• Extracción por cámara de forjado sanitario• Extracción por tubos “Dren” o sistemas similares
COLECTOR • A cubierta• A fachada
EXTRACTOR• Cuando se necesite según efectividad
Sistemas de extracción o presurización
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Elementos de captación
Extracción desde forjado sanitario
Sistemas de extracción o presurización
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Presurización. Crear bulbo de presiones bajo el edificio
Extracción para una gran superficie. Urbanizaciones
• Apto para terrenos permeables
• Uso de extractores de mayor potencia
Sistemas de Despresurización en terreno
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El objetivo del diseño: Extensión del campo de presiones.
Base científica: - Condiciones normales:
Pin < (Pout y Psoil ): 2-5Pa (stack effect)
- Si conseguimos Psoil < Pin
Pin Pout
Psoil
Se invierte el flujo advectivo
Reduce flujo difusivo por dilución del gas en terreno. Entrada de aire fresco
DISEÑO:
Objetivo: Extender el campo de presiones (-5Pa) a toda la superficie en una superficie.
Variables del diseño: A) Número de puntos, o red; B) Potencia necesaria
Parámetros a tener en cuenta: Superficie; Permeabilidad terreno; Juntas o grietas; barreras de cimentación
Valor de garantía: (-5, -10) Pa
- RADON CERO. (2015-2018). Mitigation solutions optimization.
- RADON PERFORA. (2015-2018). Optimization solutions for big buildings.
Para comprender el transporte, acumulación y remedio. (PAUTAS PARA EL DISEÑO)
Software de MECANICA DE FLUIDOS.
Sistemas de Despresurización en terreno
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
E. Muñoz, B. Frutos, M. Olaya, J. Sánchez. “A finite element model development for simulation of the impact of slab thickness, joints, and membranes on indoor radon concentration” Journal of Environmental Radioactivity. Volume 177, October 2017, Pages 280–289
Sistemas de Despresurización en terreno
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Estudios parámetricos (EDUARDO MUÑOZ. Trabajo de Tesis)
Exhalation Flux vs. Permeability
Permeability vs. water saturation
Exhalación por juntas: Thickness ; Diffusion
FACTORES QUE AFECTAN A LA DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES en Técnicas de Extracción
Juntas abiertas. Estanqueidad del volumen que se encuentra bajo la losa
Junta perimetral ABIERTA
Junta perimetral CERRADA
Sistemas de Despresurización en terreno
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Con grava
Mayor extensión
Sin grava
FACTORES QUE AFECTAN A LA DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES en Técnicas de Extracción
Tipo de terreno bajo losa. Permeabilidad del sustrato Relación entre (K terreno) y (K grava)
Sistemas de Despresurización en terreno
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Sump Underneeth Sump outside thefoundation
Los efectos de las CIMENTACIONES.
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Sistemas de Despresurización en terreno
Barreras, Grietas, Extension, y Potencias
20 m
20 m
Grietas
Extracción
Cimentacion
Sistemas de Despresurización en terreno
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Depressurization -50 Pa
Depressurization -150 Pa
Depressurization -75 Pa(both side of the foundation)
Campo de experimentación y prácticas. Curso 2019
Software acquisition done by MatLab
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Campo de experimentación y prácticas. Curso 2019
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
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Caso práctico de REMEDIO
DIAGNÓSTICO. Obtención de parámetros para propuesta de remedio
Vivienda con elevadas concentraciones (> 1000 Bq/m3 en planta baja)
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Caso práctico de REMEDIO
Composición de capas de suelo
Estudios de inmisión por grietas y fisuras
Estudios de fugas
Underfloor heating system
Searching sources
Ventilation patterns
Caso práctico de REMEDIO
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Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Caso práctico de REMEDIO
DIAGNOSTICO DE EXTENSIÓN DE PRESIÓN.
Estudios de:
Permeabilidad. Resistencia del terreno
Alcance de presión. Radio de acción.
Presencia de barreras. Obstáculos.
Barreras. CIMENTACIONES
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Caso práctico de REMEDIO
Estudios de Resistencia del conjunto
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Caso práctico de REMEDIO
DIAGNOSTICO DE EXTENSIÓN DE PRESIÓN.
Nº
Distancia
desde el
Vacuum
(m)
0 0
Total -330
27m/s
Total -100
15 m/sEstática -790 Estática -240
Dinámica 460 Dinámica 140
1 0.5 -110 -52
2 4 -13 -4
3 4 -44 -19
4 4.6 -3 -2
5 1.3 -92 -36
6 3.8 -37 -18
7 2 -90 -35
8 2 -75 -30
9 7.13 0 0
10 5.70 -2 -1
11 6.30 -2 0
12 4.45 -1 0
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Caso práctico de REMEDIO
SUMULACION
DE EXTENSIÓN DE PRESIÓN.
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Caso práctico de REMEDIO
PROPUESTA DE REMEDIO
Esquema en PLANTA
Esquema en SECCION
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Caso práctico de REMEDIOEjecución de OBRA (ref: Geomnia y Trimar)
ActivoPasivo
800 Bq/m3
120 Bq/m3
Caso práctico de REMEDIO
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Applying knowledge
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Applying knowledge
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Applying knowledge
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Applying knowledge
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Applying knowledge
Algunos ejemplos Mas ejemplos…..
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Pozo combinado con drenaje de agua
Cuando el nivel freático es alto
Arquetas previa construcción
Red Dren
Desde el exterior en viv. Construida
Sistemas de barreras
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Función:
Evitar el paso de radón hacia el interior.
Dotar de mayor estanquidad a la envolvente del edificio en contacto con el terreno
Sistemas de barreras
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Colocación
En todo elemento en contacto con el terreno
Materiales
En base a requisitos:
- Impermeables frente al paso del gas radón. Bajo coeficiente de difusión < 1.10-11m2/s
- Resistencias mecánicas y Durabilidad: Garantizar la estanquidad.
• Láminas de polietileno
• Láminas bituminosas
• Láminas de PVC
• Láminas de caucho
• Sistemas líquidos Proyección y pinturas
Barrera RMB 30 (Monarflex)
Sándwich de polietileno de baja densidad con malla de fibra de poliester
Sistemas de barreras
Borja Frutos . Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Tratamiento encuentros y puntos singulares (IMPORTANTE!!!)
Juntas
Solapes
Pasa tubos
(Frutos, B. Olaya, M. Las prestaciones en construcción de las barreras anti radón. La evaluación técnica de membranas.
II Congreso Nacional de Investigación en Edificación. UPM. Diciembre 2010)
Basados en 2 mecanismos:
1. Dilución del gas por intercambio de aire con el exterior.
Aire exterior (10-20 Bq/m3)
Aire interior (>100 Bq/m3) Mezcla concentración
2. Modificación del estado de presiones.
∆ P (Terreno-Interior) POSITIVO. Presurización∆ P (Terreno-Interior) NEGATIVO. Depresión
P int
P terreno
P int
P terreno
Ventilación
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Ventilación
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Infiltración Natural. Hermeticidad: Define el grado permeabilidad de la envolvente. (carpinterías, grietas, encuentros, etc.)
Intercambiando aire con el exterior. DILUCIÓN…..disminuye la concentración
Ensayo de Bloower Door- Viviendas de cierta antigüedad 1,5 (h-1) - Viviendas actuales 0,25 (h-1)
Directivas eficiencia energética. Dotar de mayor estanquidad para evitar pérdidas energéticas
Institute for Building Science Eduardo Torroja (CSIC). Borja Frutos
Impact on energy efficiency
Caso ejemplo:
Rehabilitación energética por infiltración:
1.5 ACH 0.25 ACH
Radon increase: 200 Bq.m-3 1000 Bq.m-3
Tasas en función de infiltración.
Concentración Inicial (900):
Objetivo: (200):
Case 1: 1.2 ACH
Case 2: > 6 ACH
Tasas de ventilación necesarias
Vivienda unifamiliar pareada.
2 plantas + ático. Sup. habitable: 240 m2. Vol. de aire 696 m3.
Objetivo. Reducir hasta 200 Bq/m3
C=R/V.t Desarrollo de ecuación diferencial para las condiciones de contorno.
R=Bq/s Tasa de entrada de radón por el suelo.
V. Volumen de acumulación. Espacio habitado.
t (h-1) Sumatorio (d const desintegración + h tasa de hermeticidad + r tasa de renovaciones /h)
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Ventilación
Repercusión en la eficiencia energética (ventilación)
1 ACH 5 ACH
Incremento aprox.: 36.000 kWh/año
2.600 €/año. Madrid
Borja Frutos y Eduardo Muñoz. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Simulación Energética
(Energy Plus-Design Builder)
Caso real
Borja Frutos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Ventilación
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Ventilación
Otro caso de tratamiento con técnica de Ventilación.
• Intercambiador +
• desequilibrio caudales (Sobrepresión)
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Sobre la elección de la Solución
En función de: EFECTIVIDAD REQUERIDA
BARRERAS
Aumentar ventilación interior
Ventilación natural bajo suelo
Ventilación forzada bajo suelo
Presurización
Sump pasivo
Sump forzado
Presencia interior de Radón ( Bq/m3)Tipo de solución
Cuadro de efectividadesBRE (Building Research Establishment. Reino Unido)
Borja Frutos Vázquez. Dr. Arquitecto. ([email protected])
Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja (CSIC)
Gracias por la atención