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La radiación solar
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INTRODUCCIÓN1
La Tierra recibe anualmente 1,5 x 1018 kWh. de energía solar lo que corresponde a 10.000 veces el consumo mundial de energía en ese período. Este hecho indica que además de ser responsable por la manutención de vida en la Tierra, la radiación solar constituye una inagotable fuente energética, habiendo un enorme potencial de utilización por medio de sistemas de captación y conversión en otra forma de energía (térmica, electricidad,...etc.).
Para maximizar la energía solar es necesario conocer las características más destacadas e importantes, como son las horas de Sol en un determinado lugar geográfico, la inclinación del Sol, la energía recibida por metro cuadrado, etc.
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TRAYECTORIA DEL SOL
� 2.1. Movimientos relativos
Nuestro planeta en su movimiento anual entorno al Sol, describe en trayectoria elíptica un plano que esta inclinado aproximadamente 23,5º con relación al plano ecuatorial. Esta in-clinación es responsable por la variación de la elevación del Sol en el horizonte con relación a la misma hora, a lo largo de los días, dando origen a las estaciones del año y dificultando los cálculos de la posición del Sol para una determinada fecha.
La Tierra tiene dos movimientos diferentes que lleva a cabo al mismo tiempo: uno de rota-ción en torno a un eje que pasa por los polos (eje polar) y otro de traslación siguiendo una órbita elíptica alrededor del Sol en la que éste ocupa uno de los focos.
El plano que contiene esta órbita se denomina plano de la Eclíptica y nuestro planeta tarda un año en recorrerlo por completo. La pequeña excentricidad de la Eclíptica (0,01673) hace que la distancia entre el Sol y la Tierra sea distinta en invierno y en verano.
El movimiento de rotación hace que un punto sobre ella se vea iluminado de forma periódi-ca por el Sol, originando el día y la noche. El movimiento de traslación hace que los tiempos de exposición al Sol sean variables originando las estaciones.
Esta variación en los tiempos de exposición es debido a que el eje de rotación de la Tierra permanece prácticamente siempre paralelo a si mismo con un ángulo de 66º 33` respecto al plano de la Eclíptica (plano que contiene a la trayectoria de la Tierra), esta desviación se denomina oblicuidad de la Eclíptica.
Ver vídeo : La Eclíptica y las estaciones
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� 2.3. La declinación solar
� 2.4. La distancia Tierra - Sol
Llamamos declinación solar (δ) al ángulo formado por la línea que une los centros de la Tierra y el Sol y su proyección sobre el Ecuador. En un solo día se considera que la declina-ción solo puede variar como máximo 0,5º
En el Hemisferio Norte, en el Solsticio de verano la declinación tiene su valor máximo positi-vo (23º 45’) disminuyendo hasta ser igual a 0º el 23 de septiembre (Equinoccio de otoño). Por contra, en el Solsticio de invierno, la declinación toma el valor su valor mínimo (-23º 27`) y vuelve a aumentar hasta anularse en el Equinoccio de Primavera.
La excentricidad de la Eclíptica hace que la distancia entre la Tierra y el Sol varíe durante el año de acuerdo con una fórmula sencilla. En los Equinoccios de Primavera y Otoño la distancia es de 1 UA (U.A = Unidad Astronómica), mientras que en el Afelio, que coincide con el Solsticio de Primavera, la distancia es máxima: 1,017 UA, y en el de Invierno, en el Perihelio, es mínima: 0,983 UA.Es decir, en el momento de los respectivos Solsticios de Verano, en el Hemisferio Norte la Tierra se encuentra en su punto de mayor alejamiento de nuestra estrella (Afelio) y cuando tiene lugar en el Hemisferio Sur la Tierra y el Sol se encuentran en su punto de máxima proximidad (Perihelio).
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� 2.5. La esfera celeste y la declinación solar
Aunque de todos es conocido que es la Tierra la que gira alrededor del Sol y no al revés, a efectos prácticos, resulta útil todavía, y conduce a los mismos resultados, suponer que es el astro rey el que gira alrededor de nuestro planeta describiendo una órbita aproximada-mente circular.Con este modelo ficticio, el Sol se comporta como una luminaria que se eleva todos los días desde el Este y describe en el cielo un arco más o menos amplio, según la época del año, en su viaje hacia el Oeste.
Es posible calcular, mediante una fórmula simplificada, la declinación solar un día cualquie-ra del año.
Siendo dn el día del año, comenzando a contar a partir del 1 de enero y considerando que febrero tiene 28 días, con lo que el día 365 corresponde al 31 de diciembre.
δ(º) ≈ 23,45 · sen [(360/365)·(dn + 284)]
La esfera celeste
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� 2.6. Declinación solar y elevación del Sol en el horizonte
En primavera y verano el arco de la trayectoria solar es más grande, el Sol se eleva más sobre el horizonte y permanece más tiempo brillando en el cielo. Por el contrario, en in-vierno los puntos del horizonte por donde sale y se oculta está más próximos entre sí, la trayectoria es más corta y menos elevada y el tiempo que transcurre entre el amanecer y la puesta del Sol es mucho menor (duración del día solar).
La superficie terrestre recibe los rayos con una inclinación diferente, según la época del año, y por tanto, la energía efectiva que incide en un metro cuadrado de superficie horizontal varía considerablemente.
En invierno los rayos del Sol caen en un ángulo pequeño respecto a la horizontal, lo con-trario que en verano, en que el ángulo es mucho mayor. Por esta razón la energía total incidente es muy superior en verano que en invierno, si se considera la energía incidente en un determinado periodo de tiempo, también es mucho mayor en las horas centrales del día que en las horas cercanas al amanecer o la puesta del sol.
La oblicuidad de la eclíptica permite explicar, por un lado, el distinto calentamiento de la Tierra en función de su posición en la órbita (estaciones), y por otro, la distinta duración del día y la noche a lo largo del año.
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� 2.7. Duración del día y la noche y radiación incidente
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3 LEYES DE LA RADIACIÓN
La materia emite constantemente radiación electromagnética. Esta radiación posee cierta energía, que es perdida por el cuerpo emisor. La potencia total radiada por un cuerpo es proporcional al área y depende de las características del cuerpo y de su T absoluta. Viene dada por la Ley de Stefan-Boltzmann:
P=eσAT4
“σ” es una constante universal, llamada constante de Stefan-Boltzman
y “e” es la emisividad, que caracteriza las propiedades de emisión de una superficie y de-pende del material. Es un número adimensional que puede valer entre 0 y 1.La ecuación anterior indica que la potencia emitida crece muy rápidamente con la tempe-ratura y sólo es cero en el cero absoluto.La energía perdida por el cuerpo que ha emitido la radiación puede ser ganada por otro cuerpo si este absorbe la radiación. No toda la radiación que incide sobre un cuerpo es absorbida, sino sólo una fracción. La termodinámica demuestra que la fracción de energía radiante absorbida por una superficie es precisamente “e”. Es decir, los cuerpos que mejor emiten son los que mejor absorben.
Un cuerpo con e=1, emisor perfecto, sería también un absorbente perfecto. A tal cuerpo se le llama cuerpo negro, porque al absorber por completo toda radiación que le llegara, se percibiría como negro.
(Un cuerpo negro es aquél que absorbe toda la radiación electromagnética que recibe y emite en todas las frecuencias. Cuando el cuerpo está caliente emite radiación electromag-nética y su comportamiento está gobernado por las siguientes leyes, encontradas primero experimentalmente y cuya explicación teórica fue dada por M. Planck (1900) lo que consti-tuyó el primer éxito de la Mecánica Cuántica.)
El efecto neto de la emisión de radiación por un cuerpo y su posterior absorción por otro es una transferencia de energía del primero al segundo. La radiación constituye, pues, un modo de transmisión de energía, el único que funciona incluso en el vacío, puesto que no necesita medio para propagarse.
La energía radiada se distribuye entre las diferentes frecuencias del espectroelectromagnético. Esta distribución está caracterizada por la función ℜ(v,T) definida por:
ℜ (v,T) dv = (potencia/área) emitida entre v y v + dv
σ=5.67·10-8 Wm-2K-4
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3 LEYES DE LA RADIACIÓN
A la función ℜ(v,T) se la suele llamar emitancia espectral. Para un cuerpo negro, su expre-sión analítica es la Distribución de Planck:
donde “h” es la constante de Planck
h=6,62·10-34 J·s
y “c” es la velocidad de la luz
c=3·108 m/s
Si representamos ℜ(v,T) frente a v a una temperatura dada, el área bajo la gráfica será la potencia total emitida por unidad de área a esa temperatura. Por tanto, integrando la distribución de Planck se obtiene la ley de Stefan-Boltzmann (lo que se puede comprobar integrando, aunque no es inmediato).
Para un cuerpo no negro, la emitancia en general, depende de la frecuencia ν (la emisividad e de la ley de Stefan-Boltzmann es un promedio de esta). Cuando la emisividad espectral es independiente de la frecuencia se dice que tenemos un cuerpo gris.
(La emitancia radiante es el flujo radiante emitido (directamente o por reflexión o transmi-sión) en todas direcciones desde una fuente de radiación por unidad de área. Se mide en vatios por metro cuadrado, W/m2)
Por otra parte, la gráfica de ℜ (v,T) presenta un máximo que depende de la temperatura. La posición de este máximo, expresada en longitudes de onda, está dada por la Ley del desplazamiento de Wien:
ℜ (v,T) dv = 2πhv3 dvc2 hv
kTe - 1o p
λ máx = 0,29·10-2
T(m)
Se indica que la longitud de onda a la que se da una emisión máxima se desplaza a longi-tudes de onda más cortas cuando la temperatura crece.
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3 LEYES DE LA RADIACIÓN
Esto permite saber la temperatura de un cuerpo si conocemos su espectro de emisión (por ejemplo, así se determina la temperatura de las estrellas). Para que λmax coincida con la lon-gitud de onda de máxima sensibilidad del ojo (0.5·10-6 m), se obtiene que T tenga que ser 5.800 K (que es, aproximadamente, la temperatura de la superficie del Sol). Esto explica (junto con la fuerte dependencia de la energía de T, dada por la ley de Stefan-Boltzmann) que sólo percibamos la emisión de los cuerpos muy calientes.
Espectro de emisión.
LEYES DE LA RADIACIÓN3
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Una medida de la energía procedente del Sol la constituye la constante solar, Se denomina así a la energía que por unidad de tiempo, se recibe fuera de la atmósfera terrestre sobre la unidad de superficie perpendicular a la dirección de los rayos solares en su distancia media, el valor que se admite actualmente es de I=1354 W/m2 que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m2 y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m2.
Afín de especificar la radiación solar incidente en la superficie de la Tierra definiremos los siguientes conceptos:
Irradiancia: Es la potencia incidente por unidad de superficie, medida en W/m 2 (valor medio en una hora)
Irradiación: Es la energía incidente por unidad de superficie en un determinado período de tiempo y se mide en J/m 2. (aunque la irradiancia y la irradiación son magnitudes físicas distintas, coinciden numéricamente cuando la unidad de tiempo es la hora. La irradiación puede medirse por ejemplo en J/m 2 año)
Radiación directa: Es la radiación que corresponde al ángulo sólido limitado por el disco solar sin tener en cuenta la dispersión atmosférica. Es la que se recibe directamente desde elSsol en línea recta, sin que se desvíe en su paso por la atmósfera. Es la mayor y de las más importante en las aplicaciones fotovoltaicas.
Radiación difusa: Corresponde a la radiación solar dispersada por los diferentes compo-nentes de la atmósfera. Es la que se recibe del Sol después de ser desviada por dispersión atmosférica. Es radiación difusa la que se recibe a través de las nubes, así comola que proviene del cielo azul. De no haber radiación difusa, el cielo se vería negro, aún de día.
Radiación reflejada: Es la radiación reflejada por el suelo (albedo)
Albedo: es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras su-perficies próximas. A continuación albedo de algunas superficies comunes:
NATURALEZA DE LA RADIACIÓN SOLAR4
SUPERFICE ALBEDO (%)Nieve fresca 80-85
Arena 20-30
Pasto 20-25
Bosque 5-10
Suelo seco 15-25
Agua (sol cerca del horizonte) 50-80
Agua (sol cerca del cenit) 3-5
Nube gruesa 70-80
Nube delgada 25-30
Tierra y atmósfera global 30
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Radiación total: Es el resultado de la suma de las tres, (cuando la medida de la radiación se realiza sobre una superficie horizontal no se tiene en cuenta la reflejada, en este caso a la suma de la directa y la difusa se la denomina ℜadiación global).
RADIACIÓN GLOBAL (total) = R. DIRECTA + R. DIFUSA + R. REFLEJADA
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El espectro electromagnético es la distribución energética del conjunto de las ondas electro-magnéticas, (la forma de propagación que tienen las ondas a través del espacio).
En el espectro se representan medidas de longitud de onda (distancia entre dos crestas o valles consecutivos de la onda), frecuencia (número de repeticiones periódicas de la onda) e intensidad de la radiación. Las ondas con mayor longitud de onda tienen menor frecuencia y viceversa, las ondas de menor longitud tiene mayor nivel energético (véase en la siguiente tabla)
Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios, y se extiende desde la ra-diación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio.
ℜadio
Longitud de onda Frecuencia Energía
Muy Baja Frecuencia > 10 km < 30 Khz < 1.99 e-29 J
Onda Larga < 10 km > 30 Khz > 1.99 e -29 J
Onda media < 650 m > 650 Khz > 4.31 e-28 J
Onda corta < 180 m > 1.7 Mhz > 1.13 e-27 J
Muy alta frecuencia < 10 m > 30 Mhz > 2.05 e-26 J
Ultra alta frecuencia < 1 m > 300 Mhz > 1.99 e-25 J
Microondas < 30 cm > 1.0 Ghz > 1.99 e-24 J
Infrarrojo
Lejano
/ submilimétrico
< 1 mm > 300 Ghz > 199 e-24 J
Medio < 50 um > 6.0 Thz > 3.98 e-21 J
Cercano < 2.5 um > 120 Thz > 79.5 e-21 J
Luz visible < 780 nm > 384 Thz > 255 e-21 J
UltravioletaCercano < 380 nm > 789 Thz > 523 e-21 J
Extremo < 200 nm > 1.5 Phz > 993 e-21 J
ℜayos X < 10 nm > 30.0 Phz > 19.9 e-18 J
ℜayos Gamma < 10 pm > 30.0 Ehz > 19.9 e-15 J
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO5
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� 5.1. Espectro del Visible. Los colores.
Dentro del espectro visible por el hombre, observamos que la luz blanca se descompone en siete colores, la diferencia entre ellos está en su frecuencia y longitud de onda. Dos rayos de luz con la misma longitud de onda tienen la misma frecuencia y el mismo color. La longi-tud de onda de la luz es tan corta que suele expresarse en nanómetros (nm), que equivalen a una milmillonésima de metro, o una millonésima de milímetro.
El Sol emite energía en forma de radiación de onda corta, principalmente en la banda del ultravioleta, visible y cercano al infrarrojo, con longitudes de onda entre 0,2 y 3,0 micróme-tros (200 a 3.000 nanómetros).
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO5
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Existe una variedad de instrumentos para medir la radiación solar en todas sus componen-tes, así como también la radiación infrarroja que recibe la superficie desde la atmósfera, o que emite la superficie hacia la atmósfera. La unidad de medición es el W/m2 o W·m-2.Veamos una clasificación de instrumentos de radiometría:
Ö Solarímetros: medidas de insolación. Ö Pirheliómetros: radiación solar directa. Ö Piranómetros: radiación solar global. Ö Pirgeómetros : radiación de onda larga. Ö Pirradiómetro: radiación solar y terrestre. Ö Fotómetro: radiación solar en bandas espectrales. Ö Espectrorradiómetro: radiación solar espectral.
Pirheliómetros:Son instrumentos empleados para medir la intensidad a incidencia normal de la radia-ción solar directa emitida por el disco solar.
El sensor consiste en una termopila de co-bre-constatan con una superficie caliente de 9mm de diámetro. Este aparato necesita de un seguidor solar
Piranómetro:El instrumento de medición se llama pira-nómetro, y permite evaluar toda la energía solar que llega a una superficie horizontal, incluyendo la radiación directa y la difusa. Unas placas pintadas de blanco y de negro actúan como sensores (ver fotografía). Las placas negras se calientan más que las blan-cas, debido a que absorben más radiación.
Mediante termocuplas se mide la diferencia de temperatura entre las placas blancas y negras, la cual es función de la radiación so-lar global. Para evitar el enfriamiento producido por el viento y el efecto de la contaminación atmosférica sobre los sensores, éstos se aíslan mediante una cúpula de vidrio. Para medir la radiación difusa, se instala un sistema que evita la radiación solar directa sobre el sensor.
APARATOS DE MEDIDA DE LA RADIACIÓN6
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Pirorradiómetro:Permite evaluar toda la energía radiativa que recibe una superficie, incluyendo la ra-diación solar global y la radiación infrarroja que viene de la atmósfera. La combinación de dos pirorradiómetros en un solo equipo de medición, con uno expuesto hacia arriba y el otro hacia la superficie, permite medir el balance neto radiativo a nivel de superfi-cie. Los sensores son similares a los otros equipos de radiometría. Los sensores se protegen mediante cúpulas de silicona. Para evitar la condensación interior, se inflan con aire con bajo contenido de vapor de agua.
Heliógrafo:El instrumento que registra el periodo en que el sol alumbra se denomina heliógrafo. Este consiste en una esfera de vidrio que ac-túa como una lente concentradora de la luz solar sobre una banda de papel. Mientras que la radiación solar no es interceptada por las nubes la banda, que tiene una escala graduada en horas, se va quemando a lo largo de una línea.
Posteriormente, y en forma manual, se evalúa el periodo diario con insolación. Con el uso de estaciones automáticas que permiten registrar en forma continua la radiación solar, este equipo ha caído en desuso.
En las estaciones modernas, el registro de todas las variables se realiza en forma automá-tica, y los sensores están integrados en circuitos electrónicos. La información se guarda en un medio magnético para su posterior procesamiento informático.
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Piranómetro:Los piranómetros son los dispositivos de medida de valores de radiación solar de ma-yor precisión y fiabilidad. Aunque los hay de varios tipos, los más fiables se componen básicamente de dos semiesferas de vidrio, una placa negra (o blanca y negra como el de la fotografía) como superficie absorbedo-ra, debajo de la cual se encuentra un termo-par, y una carcasa metálica blanca. La ra-diación incide sobre la semiesfera de vidrio de manera vertical y la atraviesa hasta la superficie absorbedora, la cual se calienta.
La variación de temperatura que causa este calentamiento es directamente proporcional a la intensidad de la radiación, por lo que midiendo la diferencia de temperatura con el am-biente, o lo que es más exacto, con la carcasa o con la zona de color blanco, se obtiene un valor de la irradiación.
Para determinar esa diferencia de temperatura se utilizan termopares en serie y un voltí-metro, que proporcionan una medida de tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura. Aplicando un factor de conversión a dicha tensión se obtiene la medida de la radiación global. Para el caso de la radiación difusa se coloca un elemento (banda de sombra) que oculta el disco solar para el piranómetro. La componente directa hay que medirla con un pirheliómetro que recibe la radiación pro-cedente del disco solar. Por eso es necesario que estén montados sobre un seguidor solar que enfoca continuamente el dispositivo sensor hacia el sol. Por esta razón las medidas de la componente directa son raras y no todas fiables. Sin embargo, en el momento actual hay seguidores en dos ejes automatizados con una gran precisión y fiabilidad del seguimiento.
La componente difusa se mide con un piranómetro dotado de un dispositivo que sombree el disco solar, que se suele banda aunque puede ser un disco. En el primer caso (el más frecuente en la realidad) es necesario hacer la correspondiente corrección ya que la banda oculta, además del disco solar, una parte significativa de la bóveda celeste. Los piranóme-tros y pirheliómetros bien cuidados y calibrados alcanzan un grado de exactitud razonable, en torno al 5%.
Claramente más económicos que los piranómetros termoeléctricos son los sensores foto-voltaicos, la mayoría de silicio monocristalino. Un sensor foto-voltaico se compone de una célula solar que produce una corriente eléctrica proporcional a la irradiancia incidente. Debido a que la respuesta espectral de las células fotovoltaicas no coincide totalmente con
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el espectro solar, la medida de un piranómetro fotovoltaica es menos fiable que la de uno termoeléctrico. Errores inferiores al 5% solo se alcanzan con el uso de piranómetros termo-eléctricos de buena calidad con compensación de temperatura.
Los sensores fotovoltaicos se usan bastante en plantas fotovoltaicas para las labores de mantenimiento. En estos casos hay que procurar utilizar el mismo tipo de células (amorfos, monocristalino, policristalino, CIS...) que en la planta instalada, con objeto de obtener ma-yor exactitud y favorecer la evaluación.
Procesadores de datos conectados a los aparatos de medida o a modernos inversores, que comparan la radiación solar medida con la corriente eléctrica producida, son muy útiles para analizar la efectividad y posibilitar el buen funcionamiento de la planta fotovoltaica.
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Para diseñar instalaciones de aprovechamiento solar, conviene convertir datos de radiación sobre una superficie horizontal, en datos de radiación sobre una superficie inclinada, tanto para la componente directa de la radiación, como para la difusa.
Si se supone que el Sol brilla uniformemente, de manera que tengamos una distribución igual durante el día y si adoptamos una curva standard de radiación para la irradiancia directa, que nos relacione la irradiancia normal directa con la altura cenital solar, se puede estimar la relación existente entre la radiación directa mensual sobre cualquier superficie plana inclinada y la correspondiente radiación directa media mensual sobre un plano hori-zontal.
El proceso se puede simplificar aplicando la formulación trigonométrica que permite seguir el movimiento aparente del Sol, junto con la curva de radiación standard elegida, obte-niéndose de esta forma los valores instantáneos de radiación sobre distintas superficies, en determinados intervalos de tiempo, en cualquier época del año y en distintos lugares; de esta forma se obtienen los gráficos de datos sobre irradiancia directa con el cielo sin nubes y el Sol brillante. Se puede obtener una aproximación más sofisticada teniendo en cuenta los efectos de la turbidez de la atmósfera y su efecto sobre la radiación solar.
CÁLCULO DE LA IRRADIANCIA SOBRE UNA SUPERFICIE ARBITRARIAMENTE ORIENTADA7
ℜelación entre la radiación horaria y la diaria, ambas sobre una superficie horizontal
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ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA8
Alrededor del 50% del consumo energético en nuestra sociedad está relacionado con la edi-ficación y con las diferentes fases de su ciclo de vida, tales como la extracción y fabricación de sus materiales, los procesos de construcción, su uso y mantenimiento, y finalmente su destrucción, su re-uso o bien su reciclaje.
La arquitectura bioclimática, también llamada arquitectura sostenible reflexiona sobre el impacto ambiental de todos los procesos implicados en una vivienda, desde los materiales de fabricación (obtención que no produzca deshechos tóxicos y no consuma mucha ener-gía), las técnicas de construcción que supongan un mínimo deterioro ambiental, la ubica-ción de la vivienda y su impacto con el entorno, el consumo de energía de la misma y su impacto, y el reciclado de los materiales cuando la casa ha cumplido su función y se derriba.
El calor que procede del sol es muy útil para evitar producir energía por otros medios, con la energía solar pasiva se consigue producir la energía necesaria mediante procesos naturales. El concepto de energía solar pasiva aplicado a la arquitectura se conoce como arquitectura solar pasiva o arquitectura bioclimática. Ésta tiene en cuenta el clima del lugar (temperatu-ra, radiación solar recibida, vientos dominantes,…), la vegetación del medio y la orientación para que el edificio reciba el máximo de energía solar posible. El principal objetivo es con-seguir con el mínimo consumo de energía convencional el máximo confort, logrando que las temperaturas sean constantes en el interior del edificio aunque la temperatura exterior sufra grandes oscilaciones.
En la arquitectura bioclimática en general se respetan las formas arquitectónicas locales (casas blancas en climas cálidos, grandes ventanas en climas fríos,…)La Arquitectura sostenible se basa en 5 pilares básicos:
» El ecosistema sobre el que se asienta. » Los sistemas energéticos que fomentan el ahorro » Los materiales de construcción » El reciclaje y la reutilización de los residuos » La movilidad
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� 8.1. Integración de las fuentes de las energías renovables en la Arquitectura Sostenible
» Favorece la utilización de captadores solares térmicos para el agua ca-liente sanitaria (ACS)
» Estimula la utilización de biomasa, sobre todo de residuos y pellets de aserrín.
» Integra los captadores solares de forma adecuada, con el objeto de reducir la eficacia de los mismos.
» Favorece la integración y complementación de diferentes energías: so-
lar-eléctrica, solar-biomasa.
» Favorece la utilización de energía solar por medio del corrector diseño bioclimático del edificio, sin necesidad de utilización de captadores so-lares mecánicos.
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� 8.2. Eficiencia energética en los edificios
Algunas pautas que nos ayudan a lograr la mayor eficiencia energética en los edificios son las siguientes:
» Aumentar el aislamiento de los edificios en torno a un 40% con respecto a la normativa actual.
» Utilizar tecnologías de alta eficiencia energética.
» Diseñar el edificio de tal modo que consuma la menor energía posible durante su utilización (diseño bioclimático, correcta ventilación e iluminación natural, facilidad de acceso, reducción de recorridos, fácil intercomunicación entre personas, etc.)
» Diseñar el edificio de tal modo que se utilice la menor energía posible durante su construcción, utilizando materiales que se hayan fabricado con el menor gasto energético posible; buscando la mayor eficacia durante el proceso constructivo; evitando al máximo el transporte de personal y de materiales; estableciendo estrategias de prefabricación e industrialización.
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� 8.3. Tipos de sistemas considerados en la arquitectura bioclimática
» Sistemas directos: El sol penetra directamente a través del acristalamiento al interior del recinto, son los sistemas de mayor rendimiento y de menor retardo.
» Sistemas semi-directos: Utilizan un adosado como espacio intermedio entre el exterior y el interior. La energía acumulada en este espacio intermedio puede utilizarse también, a ciertas horas del día, como espacio habitable. El rendimiento de este sistema es menor que en los sistemas directos pero su retardo es mayor.
» Sistemas indirectos: La captación la realiza directamente un elemento de almacenamiento dispuesto inmediatamente detrás del cristal, y el interior de la vivienda se encuentra anexo al mismo. El calor pasa al interior, llegando al sistema de almacenamiento, normalmente un material de alta capacidad calorífica. El rendimiento de estos sistemas es también menor, pero con unos retardos muy grandes.
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� 8.4. La captación solar pasiva
La captación se hace mediante el efecto invernadero, por lo que la radiación penetra a través del vidrio, calentando los materiales, el vidrio no deja pasar la radiación infrarroja emitida por estos materiales, por lo que queda confinada en el interior. Los materiales calentados por energía solar, guardan este calor y lo liberan. Para un mayor rendimiento, se aconseja el uso de sistemas de aislamiento móviles (persianas, contraventanas,…) que se pueden cerrar por la noche para evitar pérdidas de calor por conducción y convección a través del vidrio.
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� 8.5. Influencia en la orientación de una casa
» Captación solar
La finalidad de la orientación es lograr la mayor captación solar, porque esta es la fuente de climatización en invierno (en verano utilizaremos otras técnicas para evitar la radiación). En las latitudes en la que se encuentran nuestro país, conviene orientar siempre la superficie de captación (acristalado) hacia el sur. La casa ideal sería la de planta rectangular, cuyo lado mayor va de este a oeste, y en la fachada sur se encontrarían las mayores superfi-cies de acristalamiento, y el lado menor de la casa iría de norte a sur. Hay que reducir la existencia de ventanas en las fachadas norte, este y oeste, ya que no son muy útiles para la captación solar en invierno, (aunque pueden serlo para ventilación e iluminación), y sin embargo se producen muchas pérdidas de calor a su través.
» Ventilación.
La influencia de los vientos dominantes sobre la ventilación y las infiltraciones.
» La orientación en zonas cálidas
En zonas cálidas conviene diseñar el edificio de tal forma que se reduzca al máximo los aportes de calor, tanto por las paredes opacas como por las ventanas. La construcción típica del sur de España se fundamenta en las siguientes líneas:
- Paredes exteriores encaladas con la finalidad de tener una superficie externa reflec-tante y que absorba poca radiación.
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- Paredes exteriores gruesas para conseguir un buen aislamiento térmico y una capacidad calorífica importante, ambos factores contri-buyen a suavizar la variación de la carga tér-mica y a producir un retraso en la aparición de las demandas externas.
- Las ventanas orientadas al sur son pequeñas y están protegidas con persianas exteriores o celosías, la iluminación natural es indirecta y los ventanales grandes se orientan al norte o bien a patios interiores y sombreados.
» La orientación en zonas frías
En zonas de inviernos largos y fríos, como en la me-seta norte y zonas de alta montaña, la vivienda tra-dicional es diferente:
- Paredes exteriores de tonos oscuros y ab-sorbentes, con superficie áspera y poco re-flectante, para captar la luz solar. El tejado se suele poner de pizarra negra absorbente.
- Las paredes se construyen también gruesas y pesadas, con gran capacidad calorífica para usarlas de depósitos térmicos y conseguir que la oscilación térmica exterior afecte lo menos posible a las condiciones interiores.
- Las casas también se orientan al sur, las ventanas se sitúan preferentemente en las fachadas sur y suroeste, en la fachada norte no hay ventanas o son muy pequeñas. En la zona sur se sitúan balcones y galerías abiertas, en caso de lluvia, se cierran con grandes cristaleras y funcionan como invernaderos.
� 8.6. Los materiales de construcción y revestimiento de la vivienda influyen sobre:
- La superficie de contacto entre la vivienda y el exterior, lo cual influye en las pérdidas o ganancias caloríficas. Normalmente se desea un buen aislamiento, para lo cual, además de utilizar los materiales adecuados, la superficie de
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contacto tiene que ser lo más pequeña posible. Para un determinado volumen interior, una forma compacta (como el cubo), sin entrantes ni salientes, es la que determina la superficie de contacto más pequeña. La existencia de patios, alas, etc. incrementan esta superficie.
- La resistencia frente al viento. La altura, por ejemplo, es determinante: una casa alta siempre ofrece mayor resistencia que una casa baja. Esto es bue-no en verano, puesto que incrementa la ventilación, pero malo en invierno, puesto que incrementa las infiltraciones. La forma del tejado y la existencia de salientes diversos, por ejemplo, también influye en conseguir una casa más o menos “aerodinámica”. Teniendo en cuenta las direcciones de los vientos pre-dominantes, tanto en invierno como en verano es posible llegar a una situa-ción de compromiso que disminuya las infiltraciones en invierno e incremente la ventilación en verano.
- La captación solar (explicaremos esto un poco más en la orientación).
� 8.7. Protección contra la radiación de verano
Es evidente que en verano hay que reducir las ganancias caloríficas al mínimo. Ciertas técnicas utilizadas para el invierno (aislamiento, espacios tapón) contribuyen con igual eficacia para el verano. Otras técnicas, como la ventilación, ayudan casi exclusivamente en verano. Sin embargo, los sistemas de captación solar pasiva, tan útiles en invierno, son
ahora perjudiciales, por cuanto es necesario impedir la penetración de la radiación solar, en vez de captarla.En verano el sol está más alto que en invierno, lo cual dificulta su penetración en las crista-
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leras orientadas al sur. La utilización de un alero o tejadillo sobre la cristalera dificulta aún más la penetración de la radiación directa, afectando poco a la penetración invernal. Tam-bién el propio comportamiento del vidrio nos beneficia, porque con ángulos de incidencia de la radiación más oblicuos, el coeficiente de transmisión es menor.
Esto significa que necesitamos dispositivos de sombreado que impidan a esta radiación llegar hasta nuestra cristalera. Algunos de estos dispositivos son:
◊ Alero fijo, con unas dimensiones adecuadas que impidan algo la penetra-ción solar en verano y no estorben mucho en invierno.
◊ Toldos y otros dispositivos externos, cuya ventaja es que son ajustables a las condiciones requeridas.
◊ Alero con vegetación de hoja caduca. Debe ser más largo que el alero fijo y con un enrejado que deje penetrar la luz. Tiene la ventaja de que las hojas se caen en invierno, dejando pasar la luz a través del enrejado, mientras que en verano las hojas lo hace opaco. El ciclo vital de las plan-tas de hoja caduca coincide mejor con el verano real que con el solsticio de verano, con lo que no se tiene el inconveniente que comentábamos con el alero fijo.
◊ Persianas exteriores. Las persianas enrollables sirven perfectamente para interceptar la radiación.
◊ Contraventanas. Son más efectivas, pero quizá bloquean demasiado la luz.
◊ Árboles. Podemos utilizar varias estrategias. Por una parte, cualquier tipo de árbol, colocado cerca de la zona sur de la fachada, refrescará el am-biente por evapotranspiración. Por otra parte, podemos buscar que el árbol sombree la fachada sur e incluso parte del tejado, si es suficiente-mente alto, pero debemos evitar que su sombra nos afecte en invierno. Para conseguirlo, si el árbol es suficientemente alto y está suficientemente cerca, en invierno, al estar el sol más bajo, la única sombra que se proyec-tará sobre la fachada sur será la del tronco, mientras que en verano, será la sombra de la copa del árbol la que se proyecte sobre la fachada sur y parte del tejado. Por otra parte, un árbol de hoja caduca nos da mayor flexibilidad en cuanto a su posición relativa respecto de la casa, porque en invierno nunca podrá proyectar la sombra de una copa maciza.
Algunas de las técnicas anteriores son válidas en general para proteger también muros, y no sólo cristaleras, aunque quizá las mejores técnicas en este caso sean el disponer plantas
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trepadoras sobre los muros y el utilizar colores poco absorbentes de la luz solar (colores claros, especialmente el blanco). Las fachadas este (al amanecer) y oeste (al atardecer), así como la cubierta (durante todo el día), también están expuestas a una radiación intensa en verano. Se procurará que en estas zonas haya pocas aberturas (ventanas y claraboyas), o que sean pequeñas, puesto que no tienen utilidad para ganancia solar invernal, aunque se las puede necesitar para ventilación o iluminación. Si hay que proteger el muro, se pueden utilizar las técnicas co-mentadas anteriormente.
� 8.8. Correcta ventilación en una vivienda
» Usos de la ventilación:
En una vivienda bioclimática, la ventilación es importante, y tiene varios usos:
◊ ℜenovación del aire, para mantener las condiciones higiénicas. Un mínimo de ventilación es siempre necesario.
◊ Incrementar el confort térmico en verano, puesto que el movimiento del aire acelera la disipación de calor del cuerpo humano.
◊ Climatización. El aire en movimiento puede llevarse el calor acumulado en muros, techos y suelos por el fenómeno de convección. Para ello, la tem-peratura del aire debe ser lo más baja posible. Esto es útil especialmente en las noches de verano, cuando el aire es más fresco.
◊ Infiltraciones. Es el nombre que se le da a la ventilación no deseada. En invierno, pueden suponer una importante pérdida de calor. Es necesario reducirlas al mínimo.
» Formas de ventilar:
Ventilación natural. Es la que tiene lugar cuando el viento crea corrientes de aire en la casa, al abrir las ventanas. La ventilación más eficaz es cuando las ventanas están en fachadas opuestas, sin obstáculos entre ellas, y en fachadas que sean transversales a la dirección de los vientos dominantes. En verano, lo más eficaz ventilar durante la noche y cerrar durante el día.
Ventilación convectiva. Ocurre cuando el aire caliente asciende, siendo reemplazado por aire más frío. Durante el día, en una vivienda bioclimática, se pueden crear corrientes de
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aire aunque no haya viento provocando aperturas en las partes altas de la casa, por donde pueda salir el aire caliente. Si en estas partes altas se coloca algún dispositivo que caliente el aire de forma adicional mediante radiación solar (chimenea solar), el aire saldrá aún con más fuerza. Es importante prever de donde provendrá el aire de sustitución y a qué ritmo debe ventilarse. Una ventilación convectiva que introduzca como aire renovado aire caliente del exterior será poco eficaz. Por eso, el aire de renovación puede provenir, por ejemplo, de un patio fresco, de un sótano, o de tubos enterrados en el suelo. Nunca se debe ventilar a un ritmo demasiado rápido, que consuma el aire fresco de renovación y anule la capacidad que tie-
nen los dispositivos anteriores de refrescar el aire. En este caso es necesario frenar el ritmo de renovación o incluso detenerlo, esperando a la noche para ventilar de forma natural.
Un porcentaje importante de pérdidas de calor en invierno y ganancias de calor en verano ocurre a través del tejado de la vivienda. Disponer de un espacio tapón entre el último piso de la vivienda y el tejado reducirá de forma importante esta transferencia de calor. En verano, se puede hacer que el desván esté autoventilado por convección. Es normal que este lugar se convierta en un horno donde el aire alcance una temperatura mayor que el aire exterior; si se abren registros en su parte alta y en su parte baja, es posible dejar escapar este aire caliente, que será renovado por aire exterior. En invierno, estos registros deben estar cerrados.
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» Pérdidas por ventilación:
Siempre se debe reducir al mínimo las pérdidas de calor por infiltraciones. Estas serán importantes especialmente en los días ventosos. Sin embargo, un mínimo de ventilación es necesaria para la higiene de la vivienda. En la cocina, por ejemplo, es necesaria una salida de humos para la cocina, o para el calentador de gas, o registros de seguridad para la instalación de gas, o ventilar para eliminar los olores de la cocina. En el baño también es necesario ventilar por los malos olores. La pérdida de calor se verifica porque el aire viciado que sale es caliente, y el puro que entra es frío. Ciertas estrategias pueden servir para disminuir estas pérdidas, como colocar los espacios necesitados de ventilación en la periferia de la casa, tener la mayor parte de la instalación de gas en el exterior, o disponer de un electroventilador para forzar la ventilación sólo cuando sea necesario.
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Otro modelo actualmente muy publicitado, en relación a la arquitectura de alta eficiencia energética, es el tecnológico, el denominado “high-tech” o, en su versión supuestamente más orientada a la integración medio ambiental, “eco-tech”. Con gran repercusión mediáti-ca, se trata de un modelo exhibicionista que aplica los más espectaculares alardes técnicos en la resolución de edificios, con complejos sistemas activos de control climático (vidrios de alta eficiencia, sistemas móviles robotizados de protección, sistemas de captación solar activa) controlados por ordenador (domótica). Son edificios cuya eficiencia energética sólo se limita al mantenimiento, sin tener en cuenta otras premisas, como el coste energético de construcción (generalmente elevadísimo). Se trata de un modelo que se extiende como manifiesto de futuro, pero que debido a su elevado coste sólo es asumible por corporacio-nes de alto nivel económico.
A pesar de que en la arquitectura de vanguardia se puede constatar una mayor sensibilidad hacia los aspectos medioambientales y aunque últimamente se han incorporado eficazmen-te en el lenguaje formal vanguardista todos los dispositivos tecnológicos y de control climá-tico, haciendo de ellos su principal argumento expresivo, todavía existen fuertes carencias desde el punto de vista de la sostenibilidad si se considera que debe buscarse la eficiencia n todo el ciclo vital del edificio, más allá de su comportamiento térmico.
LA ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA DE ALTA TECNOLOGÍA9