22
Mayo
2019

Ganancias solares directas

Los sistemas de ganancias solares directas son aquellos que permiten el ingreso de la radiación solar a los espacios habitables (o a espacios que se usan de manera esporádica pero que guardan una estrecha relación con los primeros) mediante superficies acristaladas. Aunque las variaciones son numerosas, podemos definir tres tipos principales de sistemas de ganancias directas: ganancias a través de ventanas, invernaderos adosados y atrios.


Calentamiento solar a través de ventanas

El sistema de ganancias directas a través de ventanas es el más simple y económico de todos. La estrategia es sencilla: generar aberturas acristaladas en los espacios habitables del edificio, dispuestas de tal manera que tengan la máxima captación posible de radiación solar durante el periodo frío y la mínima durante el periodo cálido (si lo hay).

Generalmente la orientación ideal es hacia el ecuador, es decir, hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. Las variaciones de los recorridos aparentes del sol a lo largo del año provocan que las fachadas con esa orientación reciban radiación solar con más intensidad durante el periodo frío que durante el cálido. Además en este último periodo, al incidir el sol en forma más vertical, resulta relativamente fácil proteger las ventanas de la radiación solar mediante aleros y dispositivos de sombreado similares. La orientación polar (hacia el norte en el hemisferio norte, hacia el sur en el hemisferio sur) no suele presentar problemas relacionados con el sobrecalentamiento en verano, pero es poco útil en términos de captación solar en invierno. Las orientaciones este y oeste, por otro lado, suelen ser las más problemáticas debido a que presentan ganancias excesivas en verano y escasas en invierno.

Como ejemplo de lo expuesto arriba, las gráficas de la Figura 1 muestran los balances térmicos de dos viviendas, una con ventanas dispuestas en todas las orientaciones y otra en el que la mayor parte de las ventanas se han orientado hacia el sur (el área de acristalamiento es igual en ambas viviendas). Se observa que en el primer caso las ganancias solares (barras amarillas) son incluso mayores durante los meses de verano que durante los del invierno. En el segundo caso aumentan las ganancias solares durante el invierno y disminuyen sensiblemente durante el verano. El resultado es una disminución tanto de las demandas de calor como de las de frío.

Balance Termico Ganancias Solares Invierno Verano

Figura 1. Balances térmicos de un edificio mal orientado (izquierda) y otro bien orientado (derecha).

También es importante que las aberturas tengan dimensiones adecuadas, de acuerdo con el tamaño de los espacios correspondientes. Sin embargo, se debe tener en cuenta que las aberturas acristaladas demasiado grandes pueden propiciar importantes pérdidas de calor en los periodos sin sol. En términos generales, la proporción ventana-muro (PVM) debería mantenerse entre 20 y 40%. Proporciones más pequeñas dificultan la captación de la radiación necesaria, mientras que proporciones más grandes suelen obligar a tomar medidas adicionales para evitar las pérdidas de calor. De cualquier manera, se recomienda hacer los análisis adecuados en cada caso para establecer la PVM ideal, de acuerdo con las condiciones climáticas y las características del edificio.

La disposición de los espacios habitables y su orientación respecto al sol cobran gran importancia durante las primeras etapas del proyecto arquitectónico. Si no se toman las decisiones iniciales correctas, lograr una adecuada relación del edificio con el sol se hace una tarea difícil, y obviamente más costosa.

Por otro lado, en muchos proyectos la orientación ideal no es posible debido a otros factores (la traza urbana, por ejemplo) o si lo es resulta poco viable aprovechar las ganancias solares directas (por ejemplo cuando la parcela es pequeña y/o tiene obstrucciones en el entorno). En esos casos es posible explorar configuraciones de fachada especiales, aberturas sobre la cubierta y, en casos extremos, optar por sistemas de ganancias solares indirectas o aisladas.

Ahora bien, ¿por qué es tan eficiente y cómo funciona el sistema de ganancias directas a través de ventanas? El fenómeno básico involucrado es el llamado efecto invernadero, el cual podemos describir a partir de la siguiente secuencia de eventos:

  • La radiación solar de onda corta, que representa su rango de energía más potente, atraviesa las superficies de vidrio (cuanto más claro el vidrio más radiación pasa).
  • Al ingresar al espacio, la radiación solar de onda corta incide sobre las superficies de los elementos constructivos, como suelos y muros.
  • Los elementos constructivos absorben buena parte de la radiación solar de onda corta y, al calentarse, reemiten al espacio energía radiante de onda larga.
  • La radiación de onda larga no atraviesa con facilidad las superficies vidriadas, por lo que tiende a quedar “atrapada” dentro del espacio.
  • La transmisión de calor entre las superficies y el aire interior, por medio de mecanismos convectivos, termina por completar el cuadro que explica el calentamiento gradual del espacio.

Las imágenes de la Figura 2, generadas con ayuda de una serie de simulaciones CFD, muestran el efecto del calentamiento solar a través de ventanas en una pequeña vivienda, considerando distintas horas de un día relativamente frío. Se asume que la vivienda tiene baja infiltración y buenos niveles de aislamiento y de masa térmica expuesta.

Calentamiento Solar Ventanas CFD

Figura 2. Calentamiento solar pasivo a través ventanas.

A las 12:00 horas, la radiación solar que ingresa por una gran ventana orientada al ecuador (en este caso hacia el sur) ha calentado el aire y las superficies interiores hasta alcanzar una temperatura operativa de 20.5 ºC (en la parte central). A las 15:00 horas la temperatura operativa ha aumentado hasta los 21.6 ºC, mientras que a las 21:00 horas, bastante tiempo después del ocaso, la temperatura operativa se mantiene en 19.8 ºC. A las 6:00 horas, después de enfriarse durante la noche, la temperatura operativa en el centro del espacio es de 18.8 ºC. Aunque esta última temperatura es un poco baja, podemos afirmar que gracias a la baja infiltración y a los elevados niveles de aislamiento y masa térmica la vivienda ha podido mantener buena parte del calor solar ganado durante el día.


Invernadero adosado

La calefacción solar pasiva a través de ventanas, si bien es la estrategia más sencilla y económica, suele presentar límites prácticos. Por ejemplo, cuando las superficies acristaladas son muy amplias la incidencia de la radiación solar directa puede afectar las condiciones de habitabilidad de los espacios interiores, generando problemas como sobrecalentamiento, deslumbramiento y exposición directa de las personas y objetos a los rayos solares, entre otros. Además, las grandes superficies acristaladas provocan que los espacios habitables queden más expuestos a las condiciones del ambiente exterior y pierdan demasiado calor durante la noche.

Los invernaderos adosados se han concebido para potenciar las ganancias de calor por radiación solar, pero reduciendo los problemas descritos arriba. En términos generales, se pueden describir como espacios con una gran proporción de acristalamiento (alcanzando en ocasiones el 100%) adyacentes y conectados a los espacios habitables de los edificios. También pueden funcionar como espacios habitables de uso esporádico.

Los principios del funcionamiento de los invernaderos adosados, así como las recomendaciones para maximizar su eficiencia, son prácticamente idénticos a los de ganancias por ventanas descritos arriba. Sin embargo, sus características pueden ofrecer algunas ventajas:

a) Las aberturas de conexión entre el invernadero y los espacios habitables pueden tener dispositivos de control como puertas, paneles o cortinas. Estos generalmente se abren durante el día, cuando se tiene la captación de radiación solar, para permitir la calefacción de los espacios habitables mediante los flujos convectivos de aire. Durante la noche se cierran para evitar que los espacios habitables pierdan calor hacia el exterior, de tal manera que el invernadero adosado se convierte en una especie de amortiguador térmico.

b) Al ofrecer un mayor control de su funcionamiento y de los intercambios de calor, los invernaderos adosados pueden proporcionar superficies acristaladas mucho más amplias que cuando sólo se emplean ventanas. En sitios con radiación solar reducida esto permite maximizar la calefacción solar pasiva sin comprometer la habitabilidad de los espacios interiores.

c) Si dispone de partes móviles o desmontables en sus superficies acristaladas, así como de elementos de protección solar, los invernaderos adosados se pueden convertir en espacios útiles también durante el verano (modo abierto).

Las imágenes de la Figura 3, también generadas a partir de simulaciones CFD, muestran el funcionamiento de un invernadero adosado y su efecto en los espacios interiores de una vivienda durante cuatro momentos del día. Nuevamente, se asume que la vivienda tiene baja infiltración y buenos niveles de aislamiento y masa térmica expuesta. Por otro lado, se considera que las aberturas que comunican el invernadero con los espacios habitables se abren solo durante el día.

Calentamiento Solar Invernadero CFD

Figura 3. Calentamiento solar pasivo mediante invernadero adosado.

Se observa que las temperaturas operativas internas son ligeramente superiores a las obtenidas con el sistema de calentamiento solar a través de ventanas. Así, a las 12:00 horas el invernadero ha generado suficiente calor para mantener el espacio interior con temperaturas operativas por arriba de 21 ºC, mientras que a las 15:00 horas las temperaturas operativas se acercan a los 23 ºC. A las 21:00 horas las temperaturas se mantienen cercanas a los 21 ºC, y a las 06:00 horas, cuando se tienen las temperaturas más bajas, en el interior se siguen teniendo temperaturas operativas de alrededor de 20 ºC. Es evidente que el invernadero, al cerrarse durante los periodos sin radiación solar, funciona como un “amortiguador térmico”, reduciendo las pérdidas de calor de la vivienda.

Nota: Como muestra este ejemplo, es relativamente fácil que los invernaderos produzcan sobrecalentamiento durante los días que no son muy fríos. Eso también es una razón de peso para disponer de medios de control adecuados entre el invernadero y los espacios habitables, idealmente puertas acristaladas.

Finalmente, es importante considerar que en sitios de climas muy fríos suele ser aconsejable emplear acristalamiento de doble vidrio en los invernaderos adosados para reducir las pérdidas de calor por conducción. Así mismo, cuando se incluye vegetación dentro del invernadero (uno de sus usos más comunes) se debe tener cuidado de que estas obstruyan lo menos posible la incidencia de la radiación solar sobre los elementos constructivos con elevada masa térmica.


Atrio cubierto

El atrio tiene una larga tradición en la historia de la arquitectura, desde su origen como patio principal (atrium) de algunas casas y templos romanos, su posterior adaptación por parte de las culturas paleocristianas y medievales y su extensión en las manifestaciones arquitectónicas novohispanas. Sin embargo en todos esos casos el atrio tiene una característica común: se trata de espacios abiertos, lo que hoy en lenguaje coloquial se conoce como patios.

Con la llegada de la revolución industrial y el desarrollo de materiales constructivos como el acero y el vidrio, muchos edificios comenzaron a cubrir esos antiguos patios, dando origen al atrio moderno. En la actualidad se identifica como atrio un espacio central de gran altura, el cual generalmente abarca todos los niveles de la edificación, rematado con una cubierta acristalada.

Los atrios pueden representar también un medio de calefacción solar pasiva, ya que su cubierta acristalada permite el ingreso de la radiación solar al espacio interior. En sitios con clima relativamente frío, con radiación solar moderada, esto permite generar espacios agradables, en ocasiones con un carácter público o semipúblico. La imagen de la Figura 4 ilustra las condiciones térmicas de un edificio con atrio acristalado.

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Figura 4. Calentamiento solar mediante atrio acristalado.

Es importante tener en cuenta que en los lugares en los que se tienen periodos muy cálidos y/o radiación solar intensa, los atrios pueden fácilmente provocar condiciones de disconfort térmico, por lo que es necesario evaluar cuidadosamente su viabilidad y control. Una estrategia posible, como veremos más adelante, es usar los atrios para mejorar la ventilación natural.


Referencias

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[5] P. Lotfabadi, “Solar considerations in high-rise buildings,” Energy and Buildings, vol. 89, pp. 183–195, Feb. 2015.

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[10] V. Olgyay, Arquitectura y Clima - Manual de Diseño Bioclimático. Editorial Gustavo Gili, 1998.

[11] G. Oliveti, N. Arcuri, M. De Simone, and R. Bruno, “Solar heat gains and operative temperature in attached sunspaces,” Renewable Energy, vol. 39, no. 1, pp. 241–249, Mar. 2012.


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Última actualización Viernes, 24 Mayo 2019 Categories: Calentamiento solar pasivo, Estrategias de diseño

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