La presurización de escaleras es una estrategia de control de humo que introduce aire limpio en una caja de escalera protegida para mantener una presión mayor que la existente en las áreas potencialmente afectadas por el incendio.

Cuando las puertas permanecen cerradas, la diferencia de presión limita el paso del humo a través de juntas, ranuras y otras aberturas. Cuando una o varias puertas se abren, el sistema debe producir un flujo de aire hacia el exterior de la escalera que reduzca la entrada de humo.

Los sistemas de presurización de escaleras forman parte de las estrategias tratadas por la ingeniería de control de humo de NFPA y ASHRAE.

Información necesaria para realizar el cálculo

Antes de determinar el caudal del ventilador deben recopilarse, como mínimo, los siguientes datos:

• Número de niveles de la edificación.
• Altura total de la escalera.
• Dimensiones de la caja de escalera.
• Cantidad y dimensiones de las puertas.
• Tipo de puerta y características de sus sellos.
• Área de fuga de muros, puertas y elementos constructivos.
• Número de puertas que deben considerarse abiertas.
• Diferencia de presión requerida.
• Fuerza máxima permitida para abrir las puertas.
• Temperaturas interiores y exteriores.
• Velocidad y dirección de viento de diseño.
• Ubicación de la toma de aire.
• Distribución de los puntos de inyección.
• Pérdidas de carga en conductos, rejillas y compuertas.
• Condiciones de operación del sistema HVAC.
• Requisitos del proyecto, código adoptado y autoridad competente.

El diseño debe contemplar el efecto chimenea, el viento y la operación de otros sistemas mecánicos, especialmente en edificios altos. Estos fenómenos pueden modificar considerablemente la presión a lo largo de la escalera.

Escenarios que deben verificarse

Un sistema no debe diseñarse para una sola condición. Como mínimo, deben evaluarse los escenarios exigidos por el código o por la estrategia de control de humo del proyecto.

Escenario 1: todas las puertas cerradas

En esta condición, el ventilador debe mantener la diferencia de presión mínima requerida entre la escalera y las áreas adyacentes.

El caudal suministrado se utiliza principalmente para compensar las fugas existentes en:

• Perímetros de puertas.
• Muros.
• Juntas constructivas.
• Pasos de instalaciones.
• Compuertas.
• Ventanas, cuando existan.
• Puertas de descarga hacia el exterior.

Este escenario suele generar la presión máxima dentro de la escalera y, por tanto, debe comprobarse que las puertas continúen siendo operables.

Escenario 2: una o varias puertas abiertas

Cuando una puerta se abre, el área de salida de aire aumenta de manera considerable. El sistema debe suministrar el caudal necesario para mantener un flujo de aire desde la escalera hacia el espacio adyacente.

Dependiendo de la normativa y estrategia adoptada, puede ser necesario considerar:

• Una puerta abierta en el piso del incendio.
• Una puerta abierta en el nivel de descarga.
• Varias puertas abiertas simultáneamente.
• Puertas utilizadas durante la evacuación.
• Puertas abiertas por las operaciones del cuerpo de bomberos.

Este escenario normalmente determina el mayor caudal requerido.

Escenario 3: condiciones ambientales desfavorables

También deben analizarse:

• Temperatura exterior baja o elevada.
• Efecto chimenea normal o inverso.
• Presión generada por el viento.
• Rotura o apertura de puertas exteriores.
• Funcionamiento de extracción de humo.
• Operación de ascensores y otros sistemas HVAC.

NFPA 92 exige que el desempeño del sistema de control de humo se evalúe bajo las condiciones de diseño establecidas para el proyecto, en lugar de asumir que una única presión permanecerá uniforme en toda la edificación.

Paso 1: establecer la diferencia de presión de diseño

El primer paso es definir la presión diferencial que debe mantenerse entre la caja de escalera y los espacios adyacentes.

La presión seleccionada debe ser suficiente para limitar el movimiento de humo, pero no tan alta como para producir fuerzas excesivas en las puertas.

No existe un valor universal aplicable a todos los proyectos. La presión depende de:

• Código y edición adoptados.
• Altura del edificio.
• Existencia de rociadores.
• Tipo de cerramiento.
• Escenarios de puertas abiertas.
• Estrategia de evacuación.
• Requisitos de la autoridad competente.

Por ello, los valores definitivos deben obtenerse de la norma contractual y del criterio aprobado por la autoridad competente. Utilizar un número encontrado en otro proyecto sin revisar su contexto es técnicamente cómodo y profesionalmente desaconsejable.

Paso 2: calcular las áreas de fuga

El aire introducido en la escalera escapará a través de las aberturas existentes. Para calcular el caudal, deben estimarse las áreas efectivas de fuga.

Las principales fugas suelen localizarse en:

• Holguras inferiores de las puertas.
• Juntas laterales y superiores.
• Muros y tabiques.
• Pasos de cables y tuberías.
• Puertas de acceso a la azotea.
• Puerta de descarga en el primer nivel.
• Compuertas y rejillas.

El área total de fuga puede expresarse de forma simplificada como:

Aₜ = A₁ + A₂ + A₃ + … + Aₙ

Donde:

• Aₜ: área total efectiva de fuga.
• A₁, A₂… Aₙ: áreas equivalentes de cada abertura.

Las áreas no siempre pueden sumarse directamente como simples superficies geométricas. Cuando las fugas se encuentran en serie o conectan distintos recintos, debe emplearse un modelo de red de presiones.

Paso 3: calcular el caudal de fuga con puertas cerradas

El caudal que atraviesa una abertura puede estimarse mediante una ecuación de flujo por orificio:

Q = Cᵈ × A × √(2 × ΔP / ρ)

Donde:

• Q: caudal de aire, en m³/s.
• Cᵈ: coeficiente de descarga.
• A: área efectiva de fuga, en m².
• ΔP: diferencia de presión, en Pa.
• ρ: densidad del aire, aproximadamente 1.2 kg/m³ en condiciones habituales.

Para varias fugas:

Qₜ = Σ Qᵢ

Donde cada abertura debe evaluarse con la presión diferencial que realmente actúa sobre ella.

Ejemplo simplificado de fugas

Supongamos:

• Área efectiva total de fuga: 0.30 m²
• Diferencia de presión: 50 Pa
• Coeficiente de descarga: 0.65
• Densidad del aire: 1.20 kg/m³

Entonces:

Q = 0.65 × 0.30 × √[(2 × 50) / 1.20]

Q ≈ 1.78 m³/s

Conversión:

1.78 m³/s × 3 600 ≈ 6 408 m³/h

El caudal estimado para compensar las fugas sería aproximadamente:

6 400 m³/h

Este resultado corresponde únicamente al escenario simplificado con puertas cerradas. Todavía deben analizarse las puertas abiertas y otros efectos.

Paso 4: calcular el caudal con puertas abiertas

Cuando una puerta está abierta, el caudal puede calcularse inicialmente mediante:

Q = V × A

Donde:

• Q: caudal de aire, en m³/s.
• V: velocidad media de aire a través de la puerta, en m/s.
• A: área libre de la puerta, en m².

La velocidad requerida debe provenir del código adoptado o del análisis de ingeniería del proyecto.

Ejemplo de una puerta abierta

Supongamos una puerta con:

• Ancho: 1.00 m
• Alto: 2.10 m
• Área libre: 2.10 m²
• Velocidad de diseño asumida para el ejemplo: 1.00 m/s

Entonces:

Q = 1.00 × 2.10

Q = 2.10 m³/s

Conversión:

Q = 2.10 × 3 600

Q = 7 560 m³/h

Si deben considerarse tres puertas equivalentes abiertas al mismo tiempo:

Q = 3 × 7 560

Q = 22 680 m³/h

A este resultado deben añadirse las fugas restantes de la escalera y, cuando corresponda, un margen técnicamente justificado.

La velocidad de 1.00 m/s de este ejemplo es únicamente ilustrativa. No debe utilizarse como criterio universal sin verificar la norma aplicable.

Paso 5: determinar el caudal total de diseño

El caudal del ventilador se determina comparando los escenarios calculados.

De manera general:

Qventilador = máximo entre Qpuertas cerradas y Qpuertas abiertas

En un escenario de puertas abiertas puede plantearse:

Qtotal = Qpuertas abiertas + Qfugas restantes

Supongamos:

• Caudal por tres puertas abiertas: 22 680 m³/h
• Fugas restantes: 4 500 m³/h

Entonces:

Qtotal = 22 680 + 4 500

Qtotal = 27 180 m³/h

El ventilador deberá seleccionarse para entregar, como mínimo, el caudal calculado a la presión estática total del sistema.

No debe agregarse un porcentaje arbitrario sin analizar su efecto. Un exceso de caudal puede generar sobrepresión cuando las puertas vuelvan a cerrarse.

Paso 6: comprobar la fuerza de apertura de las puertas

La presión dentro de la escalera ejerce una fuerza sobre las puertas. Si la presión es excesiva, los ocupantes podrían tener dificultades para abrirlas.

La fuerza aproximada generada por la diferencia de presión puede relacionarse mediante:

Fpresión = ΔP × A

Donde:

• Fpresión: fuerza total ejercida por la presión, en N.
• ΔP: diferencia de presión, en Pa.
• A: superficie de la puerta, en m².

Sin embargo, la fuerza requerida en la manija depende también de:

• Ancho de la puerta.
• Ubicación de la manija.
• Distancia entre la manija y las bisagras.
• Fuerza del cierrapuertas.
• Fricción de bisagras y sellos.
• Presión diferencial.

Una expresión simplificada para el momento debido a la presión es:

M = ΔP × A × b / 2

Donde:

• M: momento sobre las bisagras.
• b: ancho de la puerta.

La fuerza aproximada en la manija puede estimarse como:

Fmanija = M / d

Donde:

• d: distancia horizontal desde las bisagras hasta la manija.

A esta fuerza debe sumarse la resistencia del cierrapuertas y de los demás elementos mecánicos.

Ejemplo simplificado

Supongamos:

• Presión diferencial: 50 Pa
• Puerta de 1.00 × 2.10 m
• Área: 2.10 m²
• Ancho: 1.00 m
• Distancia de la manija a las bisagras: 0.90 m

Momento generado:

M = 50 × 2.10 × 1.00 / 2

M = 52.5 N·m

Fuerza aproximada en la manija:

F = 52.5 / 0.90

F ≈ 58.3 N

A ese valor todavía debe añadirse la resistencia del cierrapuertas. Por eso el sistema de control debe evitar presiones excesivas. Las personas que evacúan ya tienen suficientes problemas sin tener que competir físicamente con una puerta presurizada.

Paso 7: calcular las pérdidas de carga de los conductos

Una vez determinado el caudal, debe calcularse la presión estática que vencerá el ventilador.

La presión total puede expresarse como:

Ptotal = Pconductos + Paccesorios + Prejillas + Pcompuertas + Pfiltros + Ppresurización

Deben considerarse las pérdidas en:

• Toma de aire exterior.
• Rejilla de ingreso.
• Conductos.
• Codos.
• Transiciones.
• Derivaciones.
• Compuertas cortafuego o de humo.
• Rejillas de inyección.
• Silenciadores.
• Elementos de regulación.

El ventilador debe entregar el caudal requerido en el punto correspondiente de su curva, considerando la presión estática total calculada.

Paso 8: definir la estrategia de inyección de aire

El aire puede introducirse mediante diferentes configuraciones.

Inyección simple

El ventilador impulsa el aire en un solo punto, normalmente en la parte inferior o superior de la escalera.

Puede funcionar en escaleras de menor altura, pero presenta mayor riesgo de producir diferencias importantes de presión entre niveles.

Inyección múltiple

El aire se distribuye mediante un conducto vertical con rejillas o puntos de impulsión en varios pisos.

Sus principales ventajas son:

• Presión más uniforme.
• Mejor distribución de caudal.
• Menor influencia del efecto chimenea.
• Mayor control en edificios altos.

Sistemas zonificados

En edificios de gran altura puede dividirse la escalera en zonas independientes o utilizarse más de un ventilador.

ASHRAE señala que el caudal necesario para presurizar escaleras está relacionado con el número de niveles atendidos, las fugas y la configuración de puertas, por lo que el sistema debe analizarse como una red completa y no solo como un recinto de volumen fijo.

Paso 9: seleccionar el ventilador

La selección debe considerar:

• Caudal de diseño.
• Presión estática total.
• Curva de desempeño.
• Eficiencia.
• Potencia del motor.
• Condiciones ambientales.
• Altitud del proyecto.
• Temperatura de operación.
• Nivel sonoro.
• Disponibilidad de alimentación de emergencia.
• Compatibilidad con variador de frecuencia.
• Acceso para mantenimiento.

Los ventiladores centrífugos suelen utilizarse cuando existen redes de conductos con pérdidas elevadas. Los axiales pueden ser adecuados para grandes caudales y presiones moderadas, siempre que su curva sea compatible con el sistema.

No basta con seleccionar el ventilador por el caudal indicado en el catálogo. Debe comprobarse el punto de operación completo: caudal más presión estática.

Paso 10: diseñar el sistema de control

Cuando cambia la cantidad de puertas abiertas, cambia también la resistencia de la red.

Si el ventilador entrega siempre el mismo caudal:

• Con puertas abiertas puede faltar aire.
• Con puertas cerradas puede producirse sobrepresión.

Para controlar estas variaciones pueden emplearse:

• Variador de frecuencia.
• Sensor de presión diferencial.
• Compuerta de alivio.
• Damper de bypass.
• Sistema de control por zonas.
• Combinación de varios sensores.

Los sensores deben instalarse en ubicaciones representativas. Un único sensor mal ubicado puede hacer que el sistema responda correctamente en el tablero y deficientemente en la escalera, triunfo clásico de la instrumentación decorativa.

Ejemplo general de selección

Supongamos que los cálculos proporcionan:

Condición con puertas cerradas

• Caudal de fugas: 8 000 m³/h
• Presión diferencial requerida: según criterio aprobado.

Condición con tres puertas abiertas

• Caudal por puertas: 22 680 m³/h
• Caudal de fugas adicionales: 4 500 m³/h
• Caudal total: 27 180 m³/h

Pérdidas del sistema

• Conductos: 280 Pa
• Rejillas: 70 Pa
• Compuertas: 90 Pa
• Toma de aire: 40 Pa
• Presión de diseño de la escalera: 50 Pa

Presión estática total:

Ptotal = 280 + 70 + 90 + 40 + 50

Ptotal = 530 Pa

El punto preliminar de selección sería:

• Caudal: 27 180 m³/h
• Presión estática: 530 Pa

La selección final deberá comprobarse en la curva certificada del fabricante y validarse para todos los escenarios de operación.

Influencia del efecto chimenea

El efecto chimenea aparece por la diferencia de temperatura y densidad entre el aire interior y exterior.

En edificios altos puede provocar:

• Sobrepresión en determinados niveles.
• Presiones negativas en otros pisos.
• Movimiento vertical de aire.
• Dificultad para mantener una presión uniforme.
• Cambio de comportamiento entre verano e invierno.

Por ello, los edificios altos suelen requerir:

• Inyección múltiple.
• Zonificación.
• Modelos de redes de flujo.
• Simulación informática.
• Sensores en diferentes niveles.
• Pruebas bajo condiciones representativas.

Ubicación de la toma de aire exterior

La toma de aire debe ubicarse donde exista baja probabilidad de captar humo procedente del incendio.

Debe evitarse instalarla cerca de:

• Descargas de extracción de humo.
• Ventanas susceptibles de expulsar humo.
• Muelles de carga.
• Estacionamientos.
• Grupos electrógenos.
• Chimeneas.
• Otras fuentes de contaminantes.

Una toma mal ubicada puede convertir el sistema de protección en un eficiente distribuidor de humo hacia la ruta de evacuación.

Simulación CFD y modelos de redes

En proyectos complejos puede utilizarse:

Modelado de redes de presión

Programas como CONTAM permiten evaluar:

• Fugas.
• Presiones por piso.
• Efecto chimenea.
• Viento.
• Puertas abiertas.
• Interacción con sistemas HVAC.

El manual de ingeniería de control de humo de ASHRAE incluye métodos y ejemplos relacionados con herramientas como CONTAM y CFAST.

Simulación CFD

La dinámica de fluidos computacional puede utilizarse para analizar:

• Distribución tridimensional del aire.
• Movimiento de humo.
• Temperaturas.
• Velocidades.
• Comportamiento de puertas y vestíbulos.
• Interacción entre extracción y presurización.

La simulación no reemplaza los requisitos normativos ni las pruebas de aceptación, pero permite comprobar escenarios difíciles de representar mediante cálculos simplificados.

Pruebas de aceptación

Después de la instalación deben realizarse pruebas para verificar:

• Activación automática.
• Caudal del ventilador.
• Presión diferencial por nivel.
• Condición con puertas cerradas.
• Condición con puertas abiertas.
• Fuerza de apertura.
• Funcionamiento de sensores.
• Modulación del variador.
• Operación de compuertas.
• Alimentación eléctrica de emergencia.
• Señales en el panel de incendios.
• Ubicación y limpieza de la toma de aire.

NFPA 92 no se limita al diseño. También contempla la instalación, las pruebas y el mantenimiento de los sistemas de control de humo.

Errores frecuentes

Entre los errores más comunes se encuentran:

• Calcular el caudal únicamente por renovaciones por hora.
• Ignorar las áreas de fuga.
• No analizar puertas abiertas.
• No comprobar la fuerza de apertura.
• Utilizar un único valor de presión para todos los pisos.
• Omitir el efecto chimenea.
• No considerar el viento.
• Sobredimensionar el ventilador.
• Instalar un solo punto de inyección en edificios muy altos.
• Colocar incorrectamente la toma de aire.
• Seleccionar el ventilador sin calcular pérdidas.
• No coordinar el sistema con la alarma contra incendios.
• No realizar pruebas integrales.

Normativa aplicable

El diseño debe revisarse de acuerdo con la normativa adoptada para el proyecto, que puede incluir:

• NFPA 92: sistemas de control de humo.
• NFPA 101: seguridad humana y medios de evacuación.
• ASHRAE Handbook of Smoke Control Engineering.
• International Building Code, cuando sea contractual.
• International Mechanical Code, cuando corresponda.
• Reglamento Nacional de Edificaciones del Perú.
• Requisitos de la autoridad competente.

La versión y edición aplicables deben definirse expresamente. El RNE constituye el marco técnico obligatorio para el diseño y ejecución de edificaciones en Perú y se actualiza mediante disposiciones del Ministerio de Vivienda.

¿Por qué confiar el cálculo a especialistas?

Calcular un sistema de presurización de escaleras exige integrar:

• Mecánica de fluidos.
• Sistemas HVAC.
• Control de humo.
• Arquitectura.
• Detección y alarma.
• Seguridad humana.
• Automatización.
• Simulación.
• Normativa nacional e internacional.

Una ingeniería especializada permite determinar el caudal real, seleccionar el ventilador, controlar las sobrepresiones y comprobar que las puertas puedan utilizarse durante una evacuación.

Conclusión

Para calcular un sistema de presurización de escaleras deben evaluarse las fugas de aire, la cantidad de puertas abiertas, la presión diferencial, la fuerza de apertura, las pérdidas en conductos y los efectos producidos por la altura, la temperatura y el viento.

El caudal del ventilador se obtiene del escenario más exigente, mientras que la presión estática se determina sumando las pérdidas del sistema y la presión necesaria dentro de la escalera. Posteriormente, el diseño debe comprobarse mediante modelos de presión, pruebas de campo y, en proyectos complejos, simulaciones CFD.

En Carnot Ingeniería desarrollamos ingeniería conceptual, básica y de detalle para sistemas de control de humo y presurización de escaleras. Nuestros servicios incluyen cálculos de caudal y presión, selección de ventiladores, diseño de conductos, modelado BIM, simulación CFD, automatización, integración con sistemas de detección, instalación, pruebas de aceptación, commissioning, puesta en marcha y mantenimiento.

Desarrollamos soluciones conforme a NFPA 92, criterios ASHRAE, el Reglamento Nacional de Edificaciones y las condiciones particulares de cada proyecto, garantizando rutas de evacuación seguras y sistemas técnicamente verificables.