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sol (1…): o como utilizar directamente su energía

Publicado por - 14/03/2013

El aprovechamiento pasivo de la energía solar constituye el primer recurso del que el ser humano ha obtenido provecho. Tradicionalmente, y en ausencia de los medios actuales, las construcciones se diseñaban conforme a las particularidades del clima local, aprovechando al máximo los rayos solares en climas fríos, y protegiéndose de ellos en climas cálidos.

Los sistemas solares pasivos se diseñan para recoger y acumular la energía del sol en forma de reservorio térmico. La denominación de pasivos se debe a que no se utilizan elementos electromecánicos (bombas, etc.) para captar el calor. La captación se realiza principalmente por radiación de determinadas longitudes de onda.

Estos sistemas son sencillos de concepto y de uso, necesitan pocos elementos y su mantenimiento es reducido. Ademas, no originan contaminación térmica puesto que no exigen la entrada de energía exterior y no producen residuos ni desperdicios, y como la energía solar se caracteriza por su difusión uniforme sobre el globo, no es necesaria una costosa red de distribución de la energía. Son aquellos que se encuentran integrados en el edificio, formando parte de su arquitectura (muro de ladrillo, cerramiento de vidrio, cubierta…), es decir, en esencia, el sistema es el edificio mismo.

Podemos hacer un tipo de construcción que esté fuertemente relacionada con el emplazamiento, el clima, los materiales locales y el sol. Esto implica unas especiales afinidades con los procesos naturales, que nos ofrecen potencialmente la posibilidad de un consumo reducido de las energías vitales. El sistema térmico debe reunir necesariamente la capacidad de captar, acumular, distribuir y conservar la energía solar que incide en él.

El European Passive Solar Handbook  clasifica  los sistemas de captación pasiva en tres tipos, según la relación entre el Sol, el almacenamiento térmico y el espacio habitable:

Captación directa: la energía es captada  a través de elementos de cerramientos como vidrios y huecos.

Captación indirecta: realizada por los cerramientos con gran capacidad de almacenar calor (inercia térmica).

Captación aislada: se utiliza un invernadero adosado a la fachada sur.

PRINCIPALES VENTAJAS DE LOS SISTEMAS SOLARES PASIVOS

Pueden distinguirse en tres tipos: económicas, arquitectónicas y de comodidad e higiene. Es importante comprender que el resultado que puede obtenerse de cada ventaja potencial depende del grado de adecuación entre el programa y el proyecto. El mayor interés que presentan los sistemas pasivos es el hecho de que, además de procurar importantes ahorros de energía para calefacción, no presentan, o presentan escasos costes adicionales respecto a la construcción y proyecto del edificio.

Quizá la ventaja principal de un sistema pasivo es la simplicidad de su concepción, funcionamiento y mantenimiento. Un sistema pasivo normalmente lo pueden instalar, regular y mantener personas con escasos conocimientos técnicos. Estos sistemas se realizan con materiales normales de construcción y usualmente tienen una larga duración, bajas temperaturas de funcionamiento, sin ventiladores, bombas, compresores, tuberías ni conductos y pocas partes móviles. Como no existe instalación mecánica, el nivel de ruido es bajo y, por último, la mayoría de los sistemas son completamente invisibles desde el interior del edificio, sin radiadores, convectores ni tuberías visibles.

ASPECTOS A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO

Podemos percibir estas normas de manera casi intuitiva y en realidad resumen la acumulación de nuestra experiencia en el diseño y construcción de edificios. la calidad de un edificio y el hecho de que funcione bien o mal dependerá en gran parte de las decisiones tomadas al crearlo, o sea de las pautas que hayamos seguido, teniendo claro que no todas las pautas pueden aplicarse en cada proyecto.

Debe recordarse que estas pautas pueden evolucionar y cambiar con el tiempo. Cada pauta representa una recomendación práctica para resolver un problema particular. Cuando tengamos acceso a nueva información, las soluciones a los problemas pueden cambiar ligeramente. Si se definen nuevos problemas podrán generarse nuevas pautas y añadirse al proceso. Todas las pautas evolucionan con el tiempo en función de los resultados de la investigación, de la experiencia y de la observación.

Es importante recordar que las pautas no deben aplicarse demasiado literalmente. En algunos casos nos encontramos con mucha información precisa referente al caso en particular que nos interesa. Por otro lado, las pautas son lo suficientemente flexibles como para admitir modificaciones y están presentadas de forma que se puede añadir nueva información o cambiar una pauta, siempre respetando su esencia:

1. Ubicación del edificio.  La atención que se ponga en situar el edificio en un lugar soleado y abierto, quizás es la decisión más importante Que puede tomarse a nivel de proyecto. Para recoger el máximo de radiación solar en climas donde se necesite calefacción durante el invierno, debe elegirse la zona del emplazamiento que reciba el máximo de horas de Sol entre las 9 y las 15 h. Ubicándose el edificio en la parte norte de esta área soleada, 1) se asegurará que las zonas exteriores y jardines reciban un adecuado aporte solar en invierno y 2) disminuiremos los riesgos de obstrucción por futuras edificaciones vecinas.

2. Forma y orientación del edificio. Es necesario definir la forma general del mismo, considerando esta forma como apta a la entrada del sol en el edificio, teniendo presente la distribución interior. Cuando se decide la forma general del edificio, es necesario pensar en la penetración solar dentro del mismo. Un edificio alargado según el eje Este-Oeste expondrá mayor superficie hacia el Sur durante el invierno y captará mayor radiación. Esta resulta la forma más eficaz en todos los climas para minimizar las necesidades de calefacción en invierno y las de refrigeración en verano.

3. Influencia de la fachada norte. La fachada norte de un edificio es la más fría, la más sombreada y normalmente la menos utilizada, debido a que no recibe la radiación solar directa en invierno. Los espacios del edificio con poca necesidad de calefacción y de iluminación se sitúan a lo largo de la fachada norte. Estos espacios actuarán como zonas de protección entre los espacios habitables y la fachada exterior norte, la más fría del edificio.

4. Distribución interior. La mayor parte de las necesidades de calefacción y alumbrado de los espacios interiores, pueden satisfacerse situándolos a lo largo de la fachada sur del edificio, para asl captar la energla solar durante las diferentes horas del día. Deben colocarse las habitaciones hacia el Sudeste, Sur y Sudoeste, de acuerdo con sus requerimientos de soleamiento. Los espacios que tienen las mínimas necesidades de calefacción y alumbrado, como pasillos, armarios, lavandería y garajes, pueden situarse a lo largo de la fachada norte del edificio, donde podrán servir como espacios protectores entre las zonas calentadas y la fachada norte fría.

5. Protección de la entrada. La entrada principal al edificio debe transformarse en un pequeño espacio cerrado (vestíbulo) que proporcione un espacio de separación entre el edificio y el exterior. Esto evitará que se pierda al exterior una gran cantidad de aire calentado (o enfriado), cada vez que se abra la puerta del edificio. La entrada debe protegerse respecto a los vientos fríos frecuentes en invierno, situándola en un rincón protegido o colocando paravientos exteriores. Este espacio de entrada puede utilizarse para almacenar elementos que puedan estar fríos, como armario para ropa de exterior o de lluvia o para otras actividades que no precisen un espacio bien calentado.

6. Situación de las ventanas. Situar las ventanas principales hacia el Sudeste, Sur y Sudoeste, de acuerdo con las necesidades internas de cada espacio. Hacia la fachada norte del edificio deben reducirse las superficies de ventanas y utilizar doble acristalamiento. Si es posible, las ventanas se rehundirán para reducir sus pérdidas térmicas. También puede introducirse la radiación solar en el espacio interior a través de lucernarios y claraboyas. Las superficies de vidrio principales deben protegerse respecto a los vientos fríos y utilizarse aislamientos móviles en las grandes superficies acristaladas para evitar que durante la noche se pierda el calor captado durante el día. Debe colocarse protección solar frente y sobre las ventanas para interceptar el sol de verano. Y debe elegirse qué ventanas serán practicables para proporcionar la ventilación adecuada para la refrigeración en verano.

7. Protección solar. Las grandes superficies vidriadas al Sur, dimensionadas para captar la máxima radiación solar en invierno, también captarán energía en verano cuando no se necesita. Aunque en verano incidirá menor cantidad de radiación en la superficie vertical al Sur, ésta es sin embargo suficiente como para causar problemas de sobrecalentamiento. Será necesario un correcto diseño de aleros y/o voladizos sobre el acristalamiento, que permitan la insola­ción directa en invierno y la creación de sombras en verano, para controlar efectivamente la radiación de verano. En el anexo del DB-HE1 del Código Técnico se proporcionan los datos necesarios para determinar los factores de sombra de diversos elementos constructivos utilizados para controlar la insolación directa: voladizos, retranqueos, lamas, toldos y lucernarios.

8. Utilización de materiales adecuados. Los materiales pesados deben distribuirse y dimensionarse de forma que trabajen efectivamente como almacenamiento de calor. Al seleccionar los materiales de construcción debemos informarnos sobre las posibilidades locales. Favoreciendo la industria local se ahorran costos de transporte (dinero y energla), manteniendo la actividad y favoreciendo nuestra forma de vida y bienestar. Los materiales se pueden agrupar en función de la capacidad calorífica de los mismos, es decir, de la capacidad de acumular calor en función del volumen unitario, obteniendo dos grandes grupos:
1. Los materiales destinados a la acumulación de calor (desde el agua al mortero de yeso) que tienen una capacidad calorífica importante.
2. Los materiales utilizados como aislamiento térmico del edificio (desde tejido de lana a fibra de vidrio), que impiden el paso de calor desde fuera del recinto o las pérdidas del mismo.

9. Elección y dimensionado del tipo de cerramientos. Cuando una pared de almacenamiento térmico esté adecuadamente dimensionada, la temperatura en el ambiente se puede mantener confortable a través de gran parte del invierno, sin ninguna fuente de calefacción adicional. El tipo y dimensionado correcto del cerramiento puede depender del clima, latitud y necesidades de calefacción del ambiente. Su eficiencia depende principalmente de su espesor, del material y del color superficial. La Exigencia HE1 del DB-HE “Ahorro de energía” del CTE define los parámetros más importantes a la hora de evaluar el impacto de la radiación solar en un paramento constructivo delos cerramientos exteriores del edificio.

10. Almacenamiento térmico en obra. El almacenamiento y el control del calor en la obra del edificio es el problema principal que se presenta al autor de un proyecto de sistema de aporte directo. En el proceso de almacenamiento y restitución del calor la temperatura de la obra fluctúa y la misión del sistema es mantener relativamente constante la temperatura del ambiente interior. La situación, cantidad, distribución y color superficial de la obra de un local determinarán las fluctuaciones interiores de temperatura durante el día. La inercia térmica se basa en la capacidad de los materiales para acumular energía en forma de calor. La acumulación de la energía depende de los siguientes parámetros del material utilizado en el elemento constructivo:
• Masa: cuanta más cantidad de material constituya el cerramiento más calor será capaz de retener.
• Calor específico: es una propiedad intrínseca de cada material que indica la energía que es necesario aportar para elevar en un grado la temperatura de su masa.
• Coeficiente de conductividad térmica: este coeficiente indica la facilidad que tiene el material para ganar o perder calor.

La máxima energía en forma de calor que puede acumular un material dependerá de la temperatura exterior y de la conductividad térmica, en tanto en cuanto, la temperatura final del cuerpo depende del equilibrio termodinámico que alcance con el medio con los procesos de radiación, convección y conducción. La inercia térmica puede tener dos finalidades si consideramos la fachada exterior, siendo las estrategias bioclimáticas que se fomentan las siguientes:
a) Calefacción: el cerramiento acumula calor durante las horas de insolación del día para luego radiar1o al interior durante la noche. Este fenómeno se da en invierno.
b) Refrigeración: retardar el paso de calor desde el exterior hacia el interior del edificio. Esta situación es propia del verano.

11. Posibilidad de invernadero adosado. Consiste en diseñar una habitación acristalada e independiente del edificio que puede utilizarse en invierno como estancia útil para desarrollar la actividad diaria (comedor, salón de estar…) y en los meses estivales sirve para amortiguar el calor y la insolación que inciden en la fachada.

12. Posibilidad de cubierta-estanque. Una cubierta-estanque actúa en general como una combinación de colector solar, disipador de calor (para refrigeración en verano), sistema de almacenamiento y superficie radiante La superficie requerida varia segun que los volúmenes de agua se utilicen para calefacción o refrigeración, el tipo de aislamiento móvil y el tipo de acristalamiento, asi como según el clima, la latitud y la carga térmica del edificio.

13. Almacenamiento de larga duración. En un edificio calentado de forma pasiva, donde la masa térmica forma parte del edificio habitable, toda captación de energía suplementaria elevará la temperatura media del espacio. Las pautas nos dan, para cada sistema, reglas prácticas de dimensionado para mantener una media de temperatura interior confortable durante los días despejados de invierno. Denominamos muros de acumulación a diversos sistemas pasivos de captación y acumulación de energía solar siendo el más conocido el Muro Trombe, creado en 1957 por Felix Trombe y Jacques Michel en un edificio experimental construido en el Pirineo francés.

14. Aislamiento móvil. Aunque el vidrio y los plásticos transparentes o translúcidos tienen capacidad para admitir gran cantidad de radiación aolar y luz natural dentro del espacio durante el día, sus malas propiedades aislantes comportan que un gran porcentaje de esta energía se pierda a través del vidrio, especialmente de noche. En un edificio bien aislado las aberturas vidriadas (ventanas, lucernarios y claraboyas) pueden ser una de las mayores fuentes de pérdidas energéticas del edificio. Si es posible, deben utilizarse aislamientos móviles sobre todas las aberturas vidriadas para evitar que la energía recogida durante el día se escape rápidamente de noche. Para su mayor eficacia el aislamiento asociado a una superficie vidriada debe cerrar de forma estanca.

En definitiva, podemos ayudar a controlar y optimizar el comportamiento energético de un edificio, y reducir con ello su impacto ambiental, a partir de unos criterios básicos de diseño basados en la obtención del máximo partido de los elementos constructivos y funcionales propios del edificio, teniendo en consideración y aprovechando al máximo las características climáticas del emplazamiento donde se ubica.

Fuentes:  
Apuntes – Curso de Arquitectura Bioclimática – EXITAE
El libro de la Energía Solar Pasiva, Edward Mazria



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