Tema 3: Transmisión de calor en los edificios
UNIDAD 4 ESTRATEGIAS DE DISEÑO

Temas

Calentamiento solar.

Ventilación natural.

Masa térmica y ventilación nocturna.

Enfriamiento evaporativo.

Ejemplos de edificios de bajo consumo energético.


Objetivos

Seleccionar la estrategia de diseño apropiada de acuerdo con las características higrotérmicas del sitio climático.

Conocer las características de las técnicas pasivas y sus posibilidades de aplicación. .

Introducción

En las clases anteriores hemos analizado las características del clima, la respuesta humana al medio, los conceptos físicos básicos de la transmisión de calor y el equilibrio térmico del edificio y los aspectos básicos de la trayectoria solar y los ángulos solares. En esta unidad integraremos estos conocimientos en las estrategias de diseño que propician el bienestar térmico humano y la racionalidad energética.


Desarrollo de la clase

Técnicas pasivas.

Las técnicas pasivas se apoyan en el aprovechamiento de las condiciones naturales climáticas y la física de la Arquitectura para acondicionar el espacio interior de los edificios, sin emplear o con el mínimo empleo de sistemas mecánicos. Pueden dividirse en dos grandes grupos: calentamiento pasivo y enfriamiento pasivo.

Calentamiento pasivo.

Consiste en colectar, almacenar y distribuir la energía del sol en el interior del edificio. El llamado "diseño solar" depende principalmente del sol como fuente de calor. En esta estrategia de diseño juegan un papel fundamental los materiales transparentes y translúcidos en amplios ventanales, lucernarios, invernaderos y el empleo de materiales aislantes que permiten su conservación en los espacios interiores.

El calentamiento pasivo puede obtenerse por la ganancia directa o indirecta de calor y con sistemas híbridos. El calentamiento directo es cuando se deja penetrar la radiación solar a través de las aberturas, ventanas y lucernarios hacia el espacio interior. El calentamiento indirecto es cuando el calor se acumula en la masa de los muros, pisos y techos que después distribuyen el mismo a los espacios interiores.

Enfriamiento pasivo.
Consiste en evitar la ganancia térmica solar, reflejar la radiación, amortiguar y retrasar su entrada al edificio, disminuir cargas térmicas internas y cambiar el aire caliente por aire fresco. Se logra mediante la proyección de sombra por diversas vías, por ejemplo: elementos estructurales, vegetación, volúmenes del edificio, etc., con buen aislamiento térmico de la envolvente, masa térmica en los espacios interiores, buena ventilación cuando la temperatura exterior es más baja que la interior. El empleo de cualquiera de estas técnicas o de combinaciones de ellas debe ser objeto de un estudio cuidadoso de las condiciones climáticas. Para ello el diseñador puede auxiliarse del Método de Givoni que a continuación se trata.
Selección de la estrategia de diseño apropiada.

Como vimos en la Unidad Arquitectura y Clima, el método de Givoni basado en la carta bioclimática de los edificios (Building Bio Climatic Chart, BBCC) además de permitir la evaluación del microclima interior, propone una serie de precauciones y estrategias que deberán considerarse si las condiciones del clima exterior lo establecen.

Los límites de la zona de confort se especifican para condiciones de aire en calma.

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Estas recomendaciones permiten ajustar el clima interior del edificio con una solución arquitectónica que facilite el restablecimiento de las condiciones de bienestar y equilibrio termo higrométrico para el hombre, sin emplear sistemas artificiales para climatizar o para disminuir el tiempo en que estos últimos serían necesarios. Las soluciones arquitectónicas se obtienen con los datos de las temperaturas esperadas, que al ubicarse sobre el diagrama permiten seleccionar una estrategia de diseño o en caso de haberse decidido, determinar si la solución arquitectónica adoptada es correcta o no, de acuerdo con el clima del lugar. La envolvente y la estructura del espacio arquitectónico cumplen la función de estabilizar el microclima interior, lo cual permite que las variaciones que se registran en el exterior se puedan atenuar en el interior y que las diferencias de temperatura máxima y mínima sean casi imperceptibles en los espacios interiores. Esto puede lograrse con un apropiado diseño del espacio y una adecuada selección de materiales para la construcción. Estas estrategias de diseño permiten ahorros energéticos durante la época cálida o fría del año. A continuación se describen sus principales características.

1. Calentamiento solar.

La calefacción es necesaria durante una gran parte del año en países de clima frío y aún en algunos climas calientes, también durante el invierno es necesaria la calefacción.

El calentamiento solar pasivo aprovecha la radiación solar para elevar la temperatura interior procurando no llegar al sobrecalentamiento y protegiendo el interior por la noche para evitar las pérdidas por radiación y convección. La pérdida de calor a través de los vidrios puede reducirse significativamente con el empleo de vidrios de alta resistencia térmica y aislamiento nocturno ya que debido a que la temperatura exterior baja sensiblemente el T aumenta y se incrementa el flujo de calor desde el interior hacia el exterior.

Givoni establece, en dependencia de las condiciones del cielo, las temperaturas límites de la temperatura media mensual por sobre las cuales es posible el calentamiento pasivo:

   
cielo claro 1.0°C
   
cielo semi cubierto 6.5°C
   
cielo muy cubierto 14.0°C
y se basa en que estén presentes las condiciones siguientes:
   
área de doble vidrio sea el 15% del área de piso con aislamiento nocturno.
   
la transmisión solar del vidrio es 0.7 y su valor K = 3 000 Wh/°C.
   
el coeficiente de pérdida de calor neta del edificio, sin considerar la pérdida de calor a través del vidrio, es de 3000 Wh/°C.
   
la radiación incidente en la pared Sur es de 40 a 140 kW/m² en dependencia del tipo de cielo.
De no contarse con estas condicionantes es necesario acudir a los sistemas activos o convencionales de calefacción.
2. Ventilación natural.
La ventilación es la primera estrategia de confort que se debe considerar al aumentar la humedad del ambiente y cuando la temperatura interior se eleva sobre el límite superior de la zona de confort. Cuando un edificio es ventilado por vía natural durante el día, la temperatura interior sigue de cerca el patrón de la temperatura exterior. Por tanto esta estrategia puede utilizarse sólo cuando el confort puede alcanzarse con la máxima temperatura exterior y una velocidad del aire interior aceptable, siempre menor de 1.5 m/s ya que velocidades mayores sostenidas durante un tiempo puede provocar malestar.

El flujo de aire exterior a través del edificio extiende el límite de temperatura y humedad de la zona de confort mas allá del límite de condiciones de confort con aire en calma y puede proveer un efecto de enfriamiento sicológico aun cuando la temperatura del aire sea alta.

Cuando la humedad es alta la velocidad del aire incrementa la cantidad de evaporación de sudor desde la piel, por lo que minimiza el disconfort por la sensación de la humedad en la piel.

Cuando la ventilación se selecciona como la principal estrategia, el diseño del edificio debe permitir altas velocidades del viento sobre los ocupantes y rápido enfriamiento de los espacios interiores en las últimas horas de la tarde cuando el viento exterior usualmente disminuye, lo cual pide grandes ventanas sombreadas . Los materiales no deben absorber ni almacenar el calor durante las horas del día, por tanto los materiales deben ser ligeros , tales como madera, bloques huecos, hormigón espumoso, etc. El valor de K (techo y falso techo) deberá estar alrededor de 0,8 W/m²°C, nunca sobrepasar 1 W/m²°C, y las superficies exteriores ser altamente reflectivas. Un valor bajo del coeficiente de transferencia de calor, K, reduce todas las formas de transferencia de calor por la envolvente del edificio. Puede conseguirse mediante cámaras de aire y aislantes térmicos.

 
Otras medidas deben ser protegerse del sol para evitar la incidencia directa solar, empleo de chimeneas de efecto Venturi, o torres de viento, ventilación cruzada, empleo de la vegetación para crear sombras y enfriar el aire antes de que entre al interior del edificio.
La estrategia de ventilación es aplicable cuando la temperatura exterior máxima no excede los 30 - 32°C, en dependencia del grado de aclimatación de las personas.

Cuando se disponga sólo de bajas velocidades de viento o cuando no es posible la ventilación cruzada, puede auxiliarse de ventiladores para extraer el aire que entra del exterior por las ventanas o enfriar el aire con sistemas de aire acondicionado que siempre serán mas eficientes si el diseño del edificio se ajusta a la estrategia de la ventilación natural debiéndose en el caso del aire acondicionado, asegurar la estanqueidad de la envolvente del edificio para evitar la pérdida de frío.

3. Masa térmica y ventilación nocturna.
El término de enfriamiento convectivo nocturno implica que el edificio es ventilado solo durante las horas de la noche y permanece cerrado durante el día. De esta forma la masa estructural del interior del edificio (paredes divisorias) es enfriado por convección durante la noche y es capaz de absorber el calor que penetra en el edificio durante el día y por tanto se produce sólo una pequeña elevación de la temperatura interior.

El edificio puede mantener las temperaturas interiores más bajas que la exterior cuando tiene suficiente masa térmica en su interior y resistencia térmica en su envoltura y si es protegido de la penetración de la radiación solar.

Así la amplitud diaria de temperatura interior es muy pequeña en comparación con la del exterior. La figura muestra la variación diaria de la temperatura del aire exterior y en el interior de una construcción.

Se observa que hay un desfase entre los valores máximos del exterior y el interior.

Este comportamiento está caracterizado por el factor de amortiguación (o reducción de la amplitud) y el tiempo de retardo.

En la envoltura del edificio, en horas de la mañana, la temperatura exterior se incrementa, el calor comienza a entrar por la superficie exterior de la pared. Dependiendo del calor específico del material, cada partícula absorbe cierta cantidad de calor por cada grado de incremento de temperatura. El calor pasa a la siguiente partícula sólo después que se incrementa la temperatura de la primera.

La temperatura alcanza su máximo valor y comienza a decrecer antes que la temperatura superficial interior alcance su máximo valor. Desde este momento el calor almacenado en la pared se disipará parcialmente al exterior y sólo parcialmente al interior. Como el aire exterior se enfría, una proporción de este calor almacenado fluye al exterior y cuando la temperatura de la pared cae debajo de la temperatura interior la dirección del flujo de calor se invierte completamente.

Para climas cálido húmedos los materiales de baja capacidad de almacenamiento de calor funcionan bien, ya que la inercia térmica puede causar reirradiación nocturna de calor y producir condensación en la mañana. El potencial climático para bajar la temperatura interior con esta estrategia está en las zonas climáticas con gran amplitud de temperatura, 15-20°C, donde la temperatura máxima está por arriba de los 30°C y donde la temperatura mínima nocturna está por debajo de los 20°C. La inercia térmica beneficia en aquellos climas que no presentan humedad elevada, de manera que se logra un adecuado amortiguamiento y retraso en tiempo de las temperaturas máximas y mínimas en los espacios interiores. Esto no sucede en clima húmedo, al no presentarse fluctuaciones importantes lo cual disminuye su efectividad. Como se ve en el diagrama la zona de masa térmica (inercia térmica) se limita cuando la tensión de vapor de agua llega a los 17 mm Hg. Se recomienda no permitir la penetración de los rayos solares, ni la ventilación durante el día, para reducir las ganancias de calor. La ventilación de los espacios interiores anula casi por completo el efecto provocado por la inercia térmica al arrastrar el aire caliente y la humedad acumulados Es importante una correcta selección de materiales, ya que junto al diseño deben lograr el retraso y amortiguamiento de los efectos de la radiación solar.
4. Enfriamiento evaporativo.

El aire exterior puede ser enfriado por evaporación del agua antes de ser introducido en el edificio. Este enfriamiento consiste en proporcionar agua al ambiente, con el fin de disminuir la temperatura del aire seco. Esto es posible por la alta capacidad que tiene el agua de absorber y retener el calor. Cada Kg de agua contenido en el aire que se evapora absorbe 2400 KJ, cuando la temperatura es de 20°C (El calor latente de evaporación del agua es de 2400 KJ/Kg). El enfriamiento evaporativo incrementa la presión de vapor de agua y disminuye la temperatura de bulbo seco, TBS, manteniendo constante la temperatura de bulbo húmedo, TBH. Esto se logra haciendo pasar el aire por una superficie constantemente húmeda. Tanto la presión de vapor de agua como la temperatura de bulbo seco afectan el estado de bienestar térmico del individuo. Una adecuada combinación de estas propiedades puede dar como resultado un mejoramiento de las condiciones de confort. Ello puede ser usado con éxito para enfriar el aire cuando está seco. El enfriamiento evaporativo puede realizarse por medios mecánicos o mediante el sistema pasivo utilizando el proceso natural (viento o diferencia de temperatura) Como el comportamiento del enfriamiento evaporativo directo depende de la temperatura de bulbo húmedo, éste es el criterio principal para su aplicación.

La temperatura del aire interior máxima es de alrededor de los 3-4°C sobre la máxima TBH, en edificios bien aislados y enfriados con esta técnica. Tomando en cuenta el efecto de aumento de la humedad en el interior asociado con el enfriamiento evaporativo directo se recomienda utilizarlo sólo donde y cuando la máxima temperatura de bulbo húmedo, TBH en verano, no sea mas alta que 22-24°C.

Algunos sistemas que se emplean son: la torre de viento, el enfriador regenerativo de lecho rocoso, el estanque de agua sombreada, la chimenea y el sistema túnel.

Ejemplos de edificios de bajo consumo energético.
Adaptar los edificios al sitio climático vale la pena aún cuando vayan a ser climatizados por medios mecánicos, ya que hace más económica la climatización al disminuir las cargas de frío o de calor, la inversión inicial en equipamiento, así como los costos de operación durante su vida de uso. La combinación de técnicas pasivas con las activas, cuando la inclemencia del clima así lo requiera, es una opción aceptable desde el punto de vista de la racionalidad energética de los edificios. El costo inicial y los costos de operación de un sistema de climatización artificial de un edificio puede llegar a duplicar el resto de los costos de la construcción cuando el edificio está mal concebido, sin aislamiento térmico. Se sugieren valores de K alrededor de 1 W/m²°C o menores, lo cual será cada día mas accesible con el desarrollo de las industria de materiales de la construcción. Los nuevos materiales permiten diseñar los edificios modernos con similares condiciones de adaptación al sitio que los edificios primitivos y vernáculos, pero con todas las ventajas del desarrollo tecnológico actual, con mayor grado de confort y con técnicas e imágenes modernas empleando los conocimientos de la física de la Arquitectura y aprovechando la extensa experiencia acumulada y resultados de las investigaciones para el empleo de los recursos naturales climáticos para acondicionar los edificios. Veamos algunas de los más modernas aplicaciones de las técnicas pasivas para la climatización natural de los edificios.

Prototipo de Casa terraza.

Cada casa tiene su propio espacio inteligente soleado, el cual puede usarse para producción de alimentos, colección de energía solar y tiene un espacio habitable extra que puede ocuparse estacionalmente. Fue construido con bajo presupuesto y poco consumo energético convencional. Tiene incorporado sistemas solares, y el ahorro de energía debido a la estrategia solar pasiva es de alrededor de 23 kWh/m² al año.

Vivienda de baja energía.

Es una vivienda de baja energía y situada en una pendiente Sur u Oeste. El diseño fue optimizado con una simulación computarizada. Se optimizan las ganancias solares en la fachada Suroeste y minimizan las pérdidas de energía en la fachada Noreste, mediante el uso de pequeñas aberturas y alto aislamiento térmico. Los espacios auxiliares se concentran en un bloque de servicio para el Noreste, mientras que los locales principales se abren hacia el Suroeste. En las ventanas se utiliza un material aislante térmico translúcido que funciona como un absorbente solar y los aleros protegen el sobre-calentamiento en verano.

La apariencia del edificio cambia de acuerdo a la estación, la hora del día y el estado del tiempo. El promedio del valor K del edificio es menor que 0.3 W/m²°C.

Viviendas Osuna.

Se crea un nuevo barrio, como extensión del área urbana existente, en el extremo sureste de Osuna. El diseño fue desarrollado para viviendas individuales en dos niveles y su comportamiento climático fue monitoreado durante 18 meses antes que el diseño finalizara. El clima de Andalucía tiene veranos calientes que requieren enfriamiento y los inviernos son moderados. En invierno se requiere calentamiento, el cual se diseñó por medio pasivo directo mediante un área captadora habitable, orientada al Sur en la mayoría de los apartamentos. La distribución del calor es mediante convección natural. Los apartamentos tienen alta inercia térmica con pisos de hormigón y divisiones interiores pesadas con el fin de posibilitar adecuado almacenamiento diario de calor. Las ganancias externas son controladas mediante la sombra que proporcionan los árboles y las plantas trepadoras, las cuales cubren la pérgolas. El alero del techo es diseñado como una pantalla alta para el sol del verano. La ventilación en la tarde y la noche es a través del edificio, con el aire que entra desde la fachada Norte y sale por el nivel del techo. Los resultados del monitoreo en el prototipo mostraron que la contribución del sistema pasivo es alrededor del 70% de la calefacción en invierno.


Conclusiones
En esta unidad hemos integrado los conocimientos adquiridos en unidades precedentes para seleccionar la estrategia de diseño pasivo adecuada al sitio climático, basándonos en el método de Givoni, el cual se representa en la carta bioclimática de los edificios, (Building Bio Climatic Chart, BBCC).
Cada una de las estrategias de diseño ha sido analizada en sus características fundamentales, así como la posibilidad de su aplicación atendiendo a las condiciones del clima.
Hemos conocido también modernas aplicaciones que integran varias técnicas pasivas para producir edificios de bajo consumo energético y acercarse a la tendencia mundial de sustentabilidad.

Preguntas de comprobación
1. ¿Qué criterios de diseño deben ser considerados para una efectiva ventilación natural? Respuesta

2. ¿Que condiciones térmicas exteriores permiten aplicar la ventilación natural? Respuesta

3. ¿Qué función tienen las masas de las paredes interiores en el comportamiento de los edificios? Respuesta

4. ¿Qué condiciones climáticas son necesarias para aplicar el enfriamiento convectivo nocturno? Respuesta

5. ¿Cuál es el principal criterio para aplicar el enfriamiento evaporativo? Respuesta

6. ¿Qué condiciones climáticas son necesarias para aplicar el enfriamiento evaporativo? Respuesta


Las dudas acerca de los contenidos de las clases pueden ser consultadas con los profesores a través de la dirección e-mail: helen@inhem.sld.cu.

Glosario

1. Invernaderos: Espacios habitables cubiertos por material transparente o translúcido que acumulan calor solar para distribuirlos a otros espacios interiores del edificio.

2. Masa térmica: El calor captado en una construcción se puede conservar en algunos materiales con mayor capacidad para almacenar calor tales como el adobe, piedra, ladrillo, hormigón, agua, etc.
3. Efecto Venturi: El flujo de aire al pasar por una sección mas estrecha aumenta su velocidad.
4. Amplitud diaria de temperatura: Diferencia entre los valores máximos y mínimos de temperatura diarios registrados.
5. Inercia térmica: Término que expresa la magnitud del efecto que tiene un material para amortiguar y retardar la temperatura máxima en el interior de un espacio en relación con la temperatura exterior.
6. Enfriamiento evaporativo: El enfriamiento evaporativo funciona a través de un proceso conocido como enfriamiento adiabático. Este proceso cambia el estado de una mezcla de aire y vapor de agua sin cambiar el contenido total de calor o entalpía. El enfriamiento evaporativo incrementa la presión de vapor de agua y disminuye la temperatura de bulbo seco.

Bibliografía
Givoni, B.: Confort Diagrams and Design Guidelines for Hot Climates. Memoria 1er Encuentro Nacional de Diseño y Medio Ambiente. Universidad de Colima, México, 1990.
Hozerg, T.: Solar Energy in Architecture and Urban Planning. Prestel, Munich-New York, 1995.
Lacomba, R.: Manual de Arquitectura Solar. Editorial Trillas, México, 1991.
Orlandi, F.: Clima, Energía, Ambiente. Construire. Tecnologia e Ambiente. No. 167, Italia, 1995.
Rosenlund, H.: Design for Desert. Architecture and Development Studies, Lund University, Sweden, 1995.