viernes, 29 de agosto de 2008

Calefacción solar (I) – Arquitectura

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Calefacción solar por aportes Pasivos (I). Captación directa.

Un arquitecto bioclimático tiene un punto de partida cuando comienza a proyectar un edificio: se concibe el mismo como una gran "máquina térmica" que tiene que ser capaz de captar, acumular, distribuir y conservar la energía solar incidente sobre él.
Son numerosos los elementos existentes de captación de energía solar (paneles solares fotovoltaicos, térmicos...), pero ahora nos vamos a centrar en los llamados sistemas pasivos. Estos sistemas se encuentran integrados en el edificio, forman parte de la arquitectura. Puede ser un muro de ladrillo, un cerramiento de vidrio, una cubierta... que además de cumplir sus funciones habituales (estructurales, constructivas, estéticas...) se les exige algo más: que capten la radiación solar y la trasmitan al interior del edificio.

El informe de European Passive Solar Handbook hace una clasificación de éstos sistemas de captación pasiva y los divide en sistemas de captación directa, sistemas de captación indirecta, y sistemas de captación aislada.
Captación directa: ganancia directa de energía a través de vidrios.
Captación indirecta: a través de muros acumuladores térmicos.
Captación aislada: a través de invernadero acumulador adosado a la fachada sur.
Son muchas las ventajas que tienen estos sistemas pasivos frente a los denominados activos. Las más destacables son: son elementos de un cierto valor arquitectónico, dada su integración dentro de la solución constructiva del edificio. Se trata de una solución económica, ya que no representan un sobrecosto frente a una construcción convencional. Tienen un ciclo de vida muy largo, semejante al del conjunto de la edificación, al no tratarse de mecanismos complicados que puedan estropearse.

Antes de comenzar a hablar de los sistemas directos de captación pasiva, conviene que nos detengamos un momento a comentar algunas características de la fachada sur del edificio. La fachada sur es la fachada solar del edificio, ya que es la única fachada que nos permite captar y controlar la radiación.
La fachada Norte no capta radiación directa, y las fachadas Este y Oeste captan radiación, pero precisamente en los períodos sobrecalentados (verano), y es muy difícil de controlar debido al ángulo de incidencia de la radiación (casi horizontal) tanto en el amanecer como en el crepúsculo. Así pues, la fachada sur es la que nos permite captar energía en invierno y protegernos de la radiación en verano.


Estas aportaciones directas a través de los vidrios se fundamentan en una aplicación del denominado efecto invernadero. El efecto invernadero se fundamenta en lo siguiente: la longitud de onda de la radiación solar que llega a la tierra se encuentra comprendida generalmente entre 0,3µm y 3,5µm. La mayor parte de los vidrios son permeables a estas longitudes de onda corta, lo que hace que aproximadamente un 80% de la radiación incidente sobre el vidrio lo atraviese (el otro 20% se refleja o lo absorbe el propio vidrio). Esta radiación que ha atravesado el vidrio calienta las paredes, el suelo, y en general todas las superficies contra la cuales incide, de forma que estos cuerpos, al calentarse, re-irradian al ambiente una energía que, en esta ocasión es de onda larga (del orden de los 11µm) frente a la cual el vidrio se comporta como un cuerpo opaco. De esta forma, el vidrio se comporta como la compuerta de una trampa de calor, de forma que permite la entrada de la energía pero no su salida, con lo que se calienta el ambiente exterior. Esto es, pues, lo que llamamos calefacción solar por aportes pasivos. A modo de ejemplo, se podría decir que la aportación de calor solar en una vivienda ordinaria podría ser del orden del 70% de sus necesidades caloríficas

Este sistema de captación a través del vidrio tiene, además, que cumplir otros requisitos indispensables: aislamiento térmico y control solar.
Para mejorar el balance térmico del conjunto es fundamental reducir las pérdidas que se producen a través de las ventanas por conducción, convección, radiación de onda larga e infiltraciones. Hay que conseguir que haya grandes ganancias energéticas, pero pocas pérdidas. Para esto es necesario disponer de un buen aislamiento nocturno (persianas, contraventanas...), una carpintería estanca, vidrio doble, y un diseño adecuado del hueco.
Por otra parte, el hueco necesita contar con una protección solar para limitar las ganancias solares en los períodos sobrecalentados. En este punto es especialmente interesante la utilización de voladizos que arrojen sombra sobre la superficie acristalada. El estudio detallado de los parámetros solares nos permite dimensionar el tamaño del voladizo para que nos arroje sobra en los momentos que lo necesitamos
Calefacción solar por aportes pasivos (II). Captación indirecta.

La captación directa de energía tiene como principal inconveniente la dependencia absoluta de las horas de sol, lo que unido al incontrolado proceso de acumulación en suelos y paredes, puede provocar una irregular distribución del calor a lo largo del día. Para intentar paliar en parte este problema se desarrollan los sistemas de ganancia indirecta.

En este tipo de sistemas, la captación se realiza a través de un elemento que actúa como acumulador de calor. Desde este elemento el calor es cedido al interior por convección y conducción, por lo que genera, debido a la inercia térmica del terreno, un retardo en la transmisión y un amortiguamiento en la oscilación de temperaturas.

Uno de los sistemas solares de captación pasiva más utilizado es el llamado Muro Trombe, desarrollado en Francia por Félix Trombe. Este sistema, que es básicamente un diminuto invernadero, consta de un vidrio exterior orientado al sur, una cámara de aire y un elemento confinador. Éste elemento confinador es un muro de gran espesor y densidad, frecuentemente de hormigón, aunque también puede ser de fábrica de ladrillo. Sus dos funciones son la captación y la acumulación de la energía aportada por la radiación solar.

El funcionamiento del muro Trombe es el siguiente

La radiación solar de onda corta atraviesa el vidrio y calienta al muro, produciéndose un efecto invernadero cuando la radiación de onda larga emitida por el muro no puede atravesar otra vez el vidrio (ver capítulo anterior) y calienta el aire que hay en la cámara. En el muro existen dos conjuntos de orificios, uno en la parte superior y otro en la inferior, de forma que cuando el aire de la cámara se calienta, asciende por convección natural y, atravesando el muro por los orificios superiores, pasa al interior del local. El vacío que se crea en la cámara de aire succiona, a través de los orificios inferiores del muro, el aire frío del interior del local, que se encuentra estratificado por su temperatura. De esta forma se crea el llamado bucle convectivo que hace circular el aire frío de la estancia a la cámara de aire, se calienta, y vuelve a entrar al interior del local.
El efecto directo del muro Trombe coincide con los momentos de incidencia de la radiación solar, es decir, la circulación del aire estancia-cámara-estancia cesa en el momento en el que la radiación deja de calentar el aire en el interior de la cámara. Es en este momento cuando cobra importancia la inercia térmica del muro. Mientras recibe la radiación solar, el muro va acumulando energía que luego, al cabo de un cierto tiempo, acaba atravesando el muro y aflorará en la cara interior, calentando la habitación por convección y transmisión. Para optimizar este doble funcionamiento del muro Trombe conviene dimensionar el muro de forma que este segundo fenómeno comience precisamente al concluir el primero, esto es, cuando se haga de noche. Dicho de otro modo, dado que la energía comienza a atravesar el muro en el momento en que comienza a recibir radiación solar, el desfase de la onda térmica, es decir, el número de horas que tarda el calor en atravesar el muro, debe coincidir con el número de horas de asoleamiento del muro.
Para dimensionar de una forma aproximada este sistema, hay que tener en cuenta los cuatro elementos que intervienen en él, esto es, el muro (espesor y material), la superficie de vidrio, el número y dimensiones de los orificios, y el espesor del la cámara de aire. Como ya hemos comentado en capítulos anteriores, la arquitectura bioclimática se basa en un estudio riguroso de las condiciones climáticas del entorno, por lo que no se pueden hacer cálculos generales. A modo de ejemplo, para una vivienda en Madrid se podría decir que un muro de hormigón pintado de negro y orientado al sur, necesitaría unos 25 cm de espesor para ajustar el desfase térmico a la media de las horas de asoleo en invierno. La superficie de vidrio sería del orden de 0.50 m2 por cada m2 de superficie a calefactar. Los orificios en el muro deberían ser de unos 100 cm2 por cada m2 de muro, y el espesor de la cámara de aire debe ser de unos 10 cm.
El gran problema de este sistema, es que precisa de un muro ciego en la fachada sur del edificio, por lo que se hipoteca tanto la entrada de luz como las posibles vistas que pudiera tener esa estancia. Por este motivo se han desarrollado variaciones del esquema descrito que buscan dar una respuesta a la captación de energía sin renunciar a la apertura de huecos. (ver dibujos). También se han desarrollado experimentos para intentar sustituir la masa del muro por algún otro tipo de material. En este sentido son interesantes los muros Trombe realizados con bidones de agua como elemento acumulador, o incluso los actualmente antieconómicos elementos de parafina la cual, por sus características físicas, cambia de estado de sólido a líquido con gran facilidad, de forma que se comporta como un gran captador en invierno, pero en verano actúa como un eficaz aislante.
Para terminar, comentar que existe un último elemento en el sistema de los muros Trombe que no habíamos comentado, pero cuya presencia es esencial para el correcto funcionamiento del sistema en los períodos sobrecalentados (verano) y durante la noche: una protección solar exterior. Lo ideal sería diseñar una visera fija, a modo de voladizo, sobre el vidrio de tal forma que dejara pasar la radiación en invierno pero que arrojara sombra sobre dicho vidrio en verano. Además de eso, es imprescindible colocar una protección solar móvil (cortinas, contraventanas...) para que en verano no se calentase la cámara de aire y se pudiese refrigerar el interior a través de una ventilación cruzada.

Bibliografia: Casadomo.com
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