22
Mayo
2019

Ganancias solares indirectas

En términos generales, los sistemas de ganancias indirectas son aquellos que convierten la radiación solar en calor mediante su absorción en superficies externas a los espacios habitables. En otras palabras, la radiación solar no ingresa directamente a los espacios habitables, sino que es captada en dispositivos especialmente diseñados para ello. El calor se transmite a los espacios habitables por conducción (generalmente a través de cerramientos de elevada masa térmica) aunque también es posible generar procesos convectivos mediante el intercambio del aire entre los dispositivos y los espacios habitables. El sistema de ganancias indirectas más representativo y emblemático es el muro Trombe, aunque existen algunas variantes que pueden ser útiles en determinadas circunstancias.


Muros Trombe

El muro Trombe, o muro Trombe-Michel, es un dispositivo diseñado especialmente para incrementar las ganancias de calor en el interior de los edificios, mediante el aprovechamiento de la radiación solar disponible en el sitio. Su nombre se debe a Felix Trombe y Jacques Michel, quienes lo empezaron a popularizar durante la década de los sesenta en Francia.

En su forma básica, el dispositivo consiste en un muro con un espesor de 15 a 40cm, construido con un material de elevada masa térmica (tierra, ladrillo o concreto, por ejemplo), en cuya parte exterior se instala una superficie acristalada que se separa de 5 a 15cm del muro para generar una cámara de aire cerrada herméticamente. Generalmente la superficie acristalada es de vidrio de elevada transmisividad, para facilitar el paso de la radiación solar. Por otro lado, la superficie externa del muro (hacia la cámara de aire) se suele cubrir con un acabado absorbente solar de elevada absortividad y emisividad, por ejemplo pintura color negro mate, o mejor aún, chapa metálica también con terminado en negro adherida uniformemente al muro. Esto último tiene el cometido de maximizar la absorción superficial de energía calórica.

En términos generales, el funcionamiento de un muro Trombe con esta configuración básica es relativamente simple. Los rayos solares, principalmente sus componentes de onda corta, atraviesan la superficie vidriada e inciden directamente sobre la superficie exterior del muro. La superficie del muro absorbe la radiación y eleva significativamente su temperatura (mientras más alta sean la absortividad y la emisividad de la superficie mayor será el efecto de absorción y calentamiento). Al mismo tiempo, el vidrio provoca un efecto de invernadero al impedir la salida de la radiación de onda larga generada por los procesos de calentamiento, propiciando que el aire dentro de la cámara también eleve su temperatura de manera significativa. Gracias a sus movimientos convectivos, el aire caliente contribuye a elevar aún más la temperatura del muro. Debido a estos procesos el muro se calienta gradualmente y genera un efecto de almacenamiento de calor mientras éste es conducido al interior. Así, los máximos aportes de calor al interior del edificio, que pueden ser bastante significativos, suelen darse durante la tarde y las primeras horas de la noche. El tiempo de retraso térmico dependerá en buena medida del grosor del muro.

Para lograr su máxima eficiencia los muros Trombe deben orientarse hacia el ecuador (hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur), de tal manera que tengan la máxima exposición solar durante el invierno y la mínima en verano. En ocasiones es necesario prever un voladizo en la parte superior para evitar la incidencia de la radiación solar sobre el muro durante el verano, cuando el calentamiento no es necesario. Dado que durante el invierno los ángulos solares son mucho más bajos, el voladizo, si se dimensiona correctamente, no impide la exposición solar en ese periodo.

Existen algunas variaciones que pueden hacer más eficiente el funcionamiento de los muros Trombe, entre las que se encuentran las siguientes:

  • El uso de sistemas de acristalamiento de doble vidrio para reducir las pérdidas de calor hacia el exterior.
  • La implementación de sistemas aislantes para cubrir la superficie vidriada durante la noche, también para reducir las pérdidas de calor, y/o durante el verano para evitar las ganancias de calor en el interior.
  • La generación de aberturas practicables hacia el exterior en la cámara acristalada, con el objeto de permitir su ventilación durante el verano y reducir las ganancias de calor.
  • El uso de contenedores de agua, en lugar de materiales sólidos, que tratan de aprovechar la capacidad calorífica y los movimientos convectivos de este líquido para hacer más rápido el efecto de calentamiento del espacio interior.

Es recomendable evaluar cuidadosamente la relación costo beneficio de estas variaciones, así como las implicaciones que tienen en la operación y el mantenimiento del sistema, pues no siempre el costo de su implementación se ve traducido en beneficios con similares proporciones.

Muro Trombe ventilado

Más allá de la configuración básica y las variaciones descritas líneas arriba, donde la transmisión de calor hacia el interior del edificio se da solamente por conducción (aprovechando al máximo la masa térmica del muro), existe una variante que implica un cambio más significativo en su funcionamiento: el muro Trombe ventilado.

En esta variante se generan aberturas en las partes inferior y superior del muro, de tal manera que se produzcan intercambios convectivos de aire entre la cámara del muro Trombe y el espacio interior. Al calentarse dentro de la cámara, el aire tiende a subir e ingresar al espacio interior por las aberturas dispuestas en la parte superior, generando al mismo tiempo un efecto de succión que propicia el ingreso de aire desde el espacio hacia la cámara, a través de las aberturas inferiores. De esa manera se produce un intercambio constante que tiende a aumentar la temperatura del aire en el espacio habitable. El efecto, y la diferencia más importante respecto a la configuración básica descrita arriba, es que se puede calentar más rápidamente el espacio sin tener que esperar a que el calor atraviese el muro. Sin embargo hay que tomar en cuenta que al mismo tiempo se reduce el calentamiento del muro, por lo que sus aportes de calor durante la tarde y noche pueden disminuir. Por otro lado, es importante prever la posibilidad de cerrar las aberturas durante la noche para evitar que los flujos convectivos se inviertan y generen pérdidas de calor.

Empleando la misma vivienda de los ejemplos anteriores, las imágenes de la Figura 1 muestran el funcionamiento de un muro Trombe ventilado. En este caso, en lugar del funcionamiento a las 15:00 horas se muestra el de las 17:00, ya que es el momento en el que se alcanzan las máximas temperaturas interiores.

Calentamiento Solar Trombe CFD

Figura 1. Calentamiento solar mediante un muro Trombe ventilado.

Lo primero que salta a la vista es que el muro Trombe ventilado permite alcanzar temperaturas operativas internas incluso superiores que con el invernadero. A las 12:00 horas la temperatura operativa interior es de 21.3ºC y a las 17:00 es de 22.8ºC. A las 21:00 horas la temperatura operativa se mantiene en 22.1ºC y a las 6:00 apenas disminuye a 20.3ºC. Estos datos también indican que el potencial de sobrecalentamiento es mayor, por lo que es muy importante prever las medidas necesarias para evitarlo, como se explica arriba.

En algunos casos, para hacer más eficientes los flujos de aire entre la cámara y el espacio interior, es posible incluir un sistema de ventilación mecánica. Este puede consistir, por ejemplo, en ventiladores dispuestos en las aberturas de la parte superior. Aunque de esa manera el muro Trombe deja de ser totalmente pasivo, la ventilación mecánica puede permitir el acondicionamiento de zonas relativamente alejadas del mismo. Nuevamente, sería conveniente evaluar la relación costo beneficio de esta estrategia.


Muros de precalentamiento

Los muros de precalentamiento, en algunos ámbitos también conocidos como parietodinámicos, presentan una configuración y funcionamiento similares a los muros Trombe, si bien tienen diferencias significativas. La más importante es que en lugar de vidrio se suele usar una superficie metálica delgada (como la lámina o chapa) con acabado negro mate. En la parte inferior la lámina tiene una abertura, o bien numerosas pequeñas perforaciones, para permitir el ingreso de aire hacia la cámara existente entre ésta y el muro. A su vez, el muro tiene aberturas en la parte superior para permitir el ingreso del aire caliente hacia los espacios interiores. La circulación del aire se puede dar exclusivamente mediante movimientos convectivos naturales (efecto de termosifón) o con el apoyo de ventiladores (ventilación forzada).

El funcionamiento general de los muros de precalentamiento se puede describir mediante la siguiente secuencia de eventos:

  • La radiación solar no atraviesa la superficie expuesta (lámina), ya que es opaca, pero provoca su calentamiento directo.
  • Al elevar considerablemente su temperatura, la lámina emite calor radiante hacia la cámara y provoca el aumento de la temperatura del aire contenido en la misma.
  • Los movimientos convectivos naturales propician que el aire ingrese a los espacios interiores a través de las aberturas en la parte superior del muro. Cuando se usan ventiladores es posible incrementar significativamente el caudal de aire las tasas de renovación.
  • Se genera de esta manera un flujo constante de aire que ingresa por la abertura o perforaciones de la lámina, se calienta por efecto de la temperatura de la misma y luego ingresa al interior.

Una variable del uso de los muros de precalentamiento consiste en conectarlos directamente al abastecimiento de aire de algún sistema de calefacción mecánica, como un medio de precalentar el aire exterior y reducir con ello los consumos energéticos.


Referencias

[1] S. S. Chandel and R. K. Aggarwal, “Performance evaluation of a passive solar building in Western Himalayas,” Renewable Energy, vol. 33, no. 10, pp. 2166–2173, Oct. 2008.

[2] S. S. Chandel and A. Sarkar, “Performance assessment of a passive solar building for thermal comfort and energy saving in a hilly terrain of India,” Energy and Buildings, vol. 86, pp. 873–885, Jan. 2015.

[3] G. Chiesa, M. Simonetti, and G. Ballada, “Potential of attached sunspaces in winter season comparing different technological choices in Central and Southern Europe,” Energy and Buildings, vol. 138, pp. 377–395, Mar. 2017.

[4] G. Kirankumar, S. Saboor, and T. P. Ashok Babu, “Investigation of Different Window and Wall Materials for Solar Passive Building Design,” Procedia Technology, vol. 24, pp. 523–530, Jan. 2016.

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

[6] P. Lotfabadi, “Analyzing passive solar strategies in the case of high-rise building,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 52, pp. 1340–1353, Dec. 2015.

[7] E. Mazria, “El libro de la energía solar pasiva,” SERBIULA (sistema Librum 2.0), May 2019.

[8] G. Mihalakakou, “On the use of sunspace for space heating/cooling in Europe,” Renewable Energy, vol. 26, no. 3, pp. 415–429, Jul. 2002.

[9] A. Monge-Barrio and A. Sánchez-Ostiz, “Energy efficiency and thermal behaviour of attached sunspaces, in the residential architecture in Spain. Summer Conditions,” Energy and Buildings, vol. 108, pp. 244–256, Dec. 2015.

[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.


Safe Creative #1905220961072 Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial del contenido de este artículo, incluyendo tablas y figuras, sin la autorización expresa de Seiscubos.


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

compass 1
Regístrate
en Seiscubos y se parte de nuestra comunidad


Al hacerlo podras recibir noticias sobre nuevos contenidos y hacer descargas en el sitio.


Copyright © 2018 | www.sol-arq.mx | Soluciones Arquitectónicas y Urbanas Sustentables S.A. de C.V.

¿No tienes una cuenta? Regístrate

Ingresar al sitio