Tema 3: Transmisión de calor en los edificios

UNIDAD 3 TRAYECTORIA SOLAR Y ANGULOS SOLARES

Temas

Consideraciones sobre la captación y el control solar.

Trayectoria aparente del sol.

Métodos para la determinación de los ángulos solares.

Método analítico

Métodos gráficos. Método gnomónico y Método de proyección estereográfica.

Empleo del Método Estereográfico.

Objetivos

Repasar lo relativo a la trayectoria solar en lo concerniente al diseño arquitectónico.

Adquirir los conocimientos básicos útiles para el diseño de la captación y el control solar (helioarquitectura).

Aprender a determinar la incidencia de los rayos solares y las sombras proyectadas en los espacios habitables, tanto para enfriar como para calentar los espacios interiores.

Aprender a dimensionar los elementos de sombra y calcular la sombra arrojada por estos elementos.

Introducción

En las clases anteriores hemos tratado el clima, el equilibrio del hombre y del edificio con el medio y el papel que juega en esto las características térmicas de los elementos constructivos y los materiales. Se ha destacado la influencia del sol en el clima y en el balance térmico de los edificios y por tanto en el confort humano. En esta clase analizaremos la trayectoria aparente del sol y los ángulos solares con el fin de utilizarlos en el diseño arquitectónico para captar o controlar el calor solar en los espacios habitables. Trataremos dos métodos para determinar la proyección de sombras, uno analítico y otro gráfico. La captación y el control solar son partes importantes en las estrategias de diseño, tanto para alcanzar el confort térmico como para usar racionalmente la energía en los edificios.

Desarrollo de la clase

Consideraciones sobre la captación y el control solar.

La importancia del control solar de los edificios, en climas calientes, es admitida sin discusión como un aspecto esencial de su diseño, esto se debe a su influencia, tanto en el comportamiento energético durante su período de explotación, como en las condiciones funcionales e higiénico ambientales de sus interiores y de sus áreas exteriores. Es recomendable lograr las mejores condiciones térmicas interiores con la propia arquitectura del edificio, lo cual puede obviar la necesidad de controles mecánicos o activos, o reducir al mínimo su utilización. Para ello hay que considerar: la orientación del edificio con respecto al norte, la distribución de los locales en planta, la volumetría del edificio, la sombra que proyectan los edificios cercanos y los elementos exteriores, el tipo y ubicación de las aberturas en las superficies exteriores y finalmente los elementos especiales para la captación o control solar.

Es conveniente tener en cuenta que un edificio que funcione bien energéticamente, por medios naturales, no constituirá una fuente de contaminación ambiental y en esto juega un papel muy importante bloquear o captar la radiación solar incidente y con ello evitar el exceso de calentamiento o enfriamiento del edificio. Cuando se trata de los espacios interiores de los edificios, la radiación solar

requiere un tratamiento cuidadoso por la incidencia que tiene en el confort térmico y visual. Son variadas las razones que deciden la conveniencia o no, de permitir la entrada del sol en el edificio. Se considera bienvenido el sol, por ejemplo, en los dormitorios en las primeras horas de la mañana por su efecto bactericida y sus valores terapéuticos en el tratamiento y prevención de enfermedades.

También en áreas de estar es beneficioso en períodos fríos. La entrada del sol es beneficioso en zonas húmedas, como baños, patios, piscinas, etc. y en climas cálidos, admisible en los espacios donde no se permanezca durante períodos largos de tiempo,

como son las escaleras, galerías, pasillos y otras espacios destinados a la circulación. En las áreas exteriores es necesaria la sombra para lograr espacios adecuados para la realización de actividades al exterior y para refrescar el aire que entra a la vivienda. Cuando se trate de captar el calor solar se requiere un análisis cuidadoso con el fin de evitar su incidencia directa en las zonas de

trabajo de la vivienda, porque el deslumbramiento y los contrastes de brillantez pueden causar molestias visuales, constituir un peligro potencial de accidentes y disminuir la eficiencia. En el proceso de proyecto, una vez decidido si es o no admisible la

penetración del sol, o en qué medida es admisible, la cuestión es entonces decidir cuál es la mejor solución de diseño y conciliar los diversos factores funcionales, económicos y formales de forma que se logre la captación o el control requerido y que a la vez se

logren adecuados costos iniciales de inversión y de mantenimiento Se recomienda estudiar cada fachada independientemente, lo cual puede dar como resultado soluciones fundamentadas por las características particulares muy diferentes unas de otras. Las

posibilidades de control solar son:

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Elementos de sombra exteriores.

Tienen la ventaja que deja fuera del edificio el calor indeseado, Puede solucionarse mediante elementos añadidos o con la forma misma de las fachadas y cubierta del edificio.

Se recomienda:

Emplear proyecciones horizontales, por ejemplo aleros, en la fachada sur. También son útiles en las orientaciones este y oeste.

Emplear proyecciones verticales, por ejemplo aletas en las orientaciones este y oeste y también útiles en el norte, para bloquear el sol en las primeras y últimas horas del día.

Priorizar la sombra en el oeste y el sur, ya que en la mañana el sol no constituye un problema crítico desde el punto de vista de la ganancia de calor.

Emplear elementos de sombra exteriores de color claro que transmiten luz difusa al interior y en dependencia de su forma pueden ayudar a elevar el nivel de iluminación en el interior. Estos elementos cuando son de color oscuro reducen la iluminación interior y contribuyen a la captación del calor solar.

Seleccionar los elementos de sombra exteriores fijos si se tiene un presupuesto bajo, ya que los ajustables son más eficientes desde el punto de vista de la iluminación pero sus costos iniciales y de mantenimiento son más altos. Es posible controlar automáticamente por medio de sensores lumínicos para lograr ahorros de energía.

Elementos de sombra en la ventanas.

Las persianas son muy efectivas en todas las orientaciones y permiten filtrar las vistas al exterior. Los vidrios especiales, por ejemplo reflectivos, pueden ser efectivos para reducir la transmisión de calor pero permiten la penetración de los rayos directos del sol. Se producen ventanas con dos y tres vidrios con persianas fijas o móviles entre los vidrios.

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Elementos de sombra interiores.

Son menos efectivos que los sistemas exteriores porque permiten que el calor entre al interior del edificio.

El mejor tipo es la cortina de persianas ajustables, preferiblemente de color claro o de material translúcido.

En climas fríos, cada día adquiere más importancia la captación solar para el calentamiento pasivo de los espacios interiores, lo cual exige también del arquitecto el dominio de todo lo relativo a la trayectoria e incidencia solar.

Además, la captación del calor y la luz directa del sol es apropiado en algunos casos. Sus efectos pueden ser:

Proporciona fuerte iluminación que acentúa detalles, texturas, forma y color.

Da vitalidad dinámica al espacio a través de sus variaciones diarias.

Proporciona un vínculo visual y emotivo con el mundo exterior.

Además de calor real, da una sugestiva calidez al espacio.

Ayuda al crecimiento de las plantas interiores.

La ganancia o pérdida de calor a través de las superficies transparentes, resulta una de las más importantes para el comportamiento térmico del edificio. Existe una marcada tendencia en la "arquitectura internacional" hacia el uso de generosas superficies transparentes y translúcidas en las fachadas y cubiertas, lo cual aporta ventajas desde el punto de vista visual, formal y psicológico al permitir la comunicación interior - exterior pero causan la ganancia o pérdida de importantes cargas de calor o frío en el edificio.

En climas cálidos, y durante los meses de calor en otros climas, la solución más efectiva es bloquear los rayos del sol para evitar que entren al edificio. Las superficies transparentes y translúcidas permiten que pase la mayor parte de la radiación incidente (65-95%), pero actúan como una barrera que impide la salida del calor radiante que emiten los cuerpos calientes del interior del edificio, fenómeno que se conoce como efecto de invernadero. Si se trata de edificios con grandes superficies vidriadas dotados con climatización artificial los elementos de control exteriores diseñados con la precisión necesaria dan un buen efecto económico, al disminuir los costos de la inversión inicial y de operación del equipamiento para climatizar, por la sustancial disminución de la carga de climatización. Sin embargo, en climas cálidos frecuentemente el problema de la penetración del sol se resuelve por los usuarios una vez terminado el edificio.

Esta práctica debe evitarse, ya que el uso de cortinas o similares en el interior de los locales no resultan efectivos porque no evitan la entrada de la radiación al interior y bloquean la entrada de la luz natural. Aspectos de primera importancia son también la selección del tipo de vidrio y la solución de acceso para la limpieza y mantenimiento de los vidrios y de los elementos y materiales empleados. Será necesario considerar que el diseño logre una buena iluminación tanto en cantidad como en calidad y que no se obstaculicen las vistas al exterior. Existen ya soluciones de última tecnología que garantizan en gran medida este requerimiento funcional. Grandes superficies de vidrio orientadas al oeste hacen en extremo difícil proteger ese espacio de la penetración solar, si se quiere mantener la iluminación natural.

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Trayectoria aparente del sol.

Tomamos como convención que la Tierra está estacionaria, que somos observadores, estamos parados en algún lugar de su superficie y vemos la Tierra a nuestro alrededor como un plano circular de radio infinito limitado por el horizonte. Si también consideramos al cielo como una semi bóveda cubriendo totalmente el plano donde estamos parados, entonces el sol, durante el curso del día describirá su trayectoria a lo largo del arco de círculo.

Al mediodía solar las líneas que describe el sol en su recorrido por la bóveda celeste alcanzan su punto más alto. Además de este movimiento diario, el sol tiene un segundo movimiento aparente el cual sólo podría observarse si pudiera dejarse registrado día tras día y se manifiesta como trayectorias paralelas cada día. La posición del sol para cualquier mes del año y hora del día se define por dos ángulos: acimut del sol (AZ) y altura solar.(AL).

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Métodos para la determinación de los ángulos solares.

Existen diversos métodos para conocer y analizar el comportamiento solar en los edificios y espacios abiertos con fines de diseño y evaluación. Estos métodos son modelos matemáticos, algoritmos nomogramas, diagramas gráficos, modelos físicos tridimensionales, programas computarizados y medios fotográficos en combinación con métodos gráficos. Los métodos matemáticos proporcionan información precisa y se recomiendan cuando se requiere un alto grado de exactitud como es por ejemplo para cálculo de dispositivos de celdas fotovoltaicas, calentadores solares, etc.

1. Método analítico.

El método que se explica a continuación permite dimensionar los elementos de sombra horizontales y verticales y calcular la profundidad de la proyección horizontal de un elemento de sombra horizontal de determinadas dimensiones. Seleccionar para cada fachada el mes y tiempo que requiere la sombra. Se sugiere para ventanas orientadas al Sur septiembre 12:00 m, para el Este septiembre 10:00 a.m. y para el Oeste septiembre 3:00 p.m.

Encontrar el ángulo de altitud solar y acimut para el mes/hora seleccionada en el Diagrama Solar. Emplear las fórmulas (1) y (2) para dimensionar los elementos de sombra horizontal y vertical respectivamente. Si el alero es muy grande, seccionarlos en varios elementos mas pequeños o utilizar otras variantes de diseño.

Cuando se dimensione un alero para las orientaciones Este/Oeste puede observarse que es conveniente adicionar elementos verticales ya que tiene una dimensión exagerada.

Se recomienda probar la solución con un modelo (maqueta) en el reloj de sol. El alero, en sus extremos hay que extenderlo mas allá de la ventana para garantizar la sombra por sus extremos.

Para un elemento horizontal o alero:

h=D*tan (altitud solar)/ cos (AZ solar - AZ ventana) o

h=D*tan (altitud solar)/ cos (AZ ventana - AZ solar)

Para proteger la ventana totalmente, hacer (h) igual a la altura de la ventana y hallar la profundidad requerida de alero D. Para un sombreamiento parcial de la ventana (h) puede coonsiderarse 2/3 de la altura de la ventana. Cuando se requiere conocer la sombra proyectada por un elemento de dimensiones dadas, hallar (h) la sombra que proyectará para el mes/hora seleccionada.

Para un elemento vertical o aleta.

w= D*tan (AZ solar - AZ ventana) o

w= D*tan (AZ ventana - AZ solar)

Resolver para (w), ancho de la sombra o D, profundidad de la aleta, igual que en el caso anterior del alero. Asegurarse de que el signo de las ecuaciones sea el correcto, si los dos ángulos de acimut están en diferentes lados del Norte o están a ambos lados del Norte. Los métodos gráficos y con modelos físicos tridimensionales son los mas prácticos para los diseñadores y le proporcionan suficiente precisión.

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2. Métodos gráficos. Método gnomónico y Método de proyección estereográfica.

Métodos gráficos.

Los diagramas solares (gráficas auxiliares) constituyen códigos que nos permiten describir gráficamente las posiciones y trayectorias aparentes del sol en la bóveda celeste sobre un plano y se aplican a las proyecciones utilizadas por el arquitecto en sus proyectos brindándoles un alto grado de precisión. Existen dos tipos de diagramas solares: los geométricos y los no geométricos. Los primeros son aquellos en que las trayectorias aparentes del sol se trazan mediante proyecciones bien determinadas en la esfera celeste (analógicos) y los no geométricos responden a criterios arbitrarios. Los diagramas geométricos pueden ser:

proyecciones cilíndricas sobre una superficie plana horizontal (ortográfica) o sobre una superficie curva (cilíndrica).

proyecciones cónicas, estereográficas, gnomónica (método de varilla), polar equidistante.

De los diagramas no geométricos, el más utilizado es el de las coordenadas rectangulares.

Las gráficas auxiliares del paso solar constituyen una herramienta útil para el diseño de los elementos de control solar y determinar la incidencia de los rayos del sol en las superficies de los edificios. Seleccionamos el método de proyección estereográfico como uno de los más prácticos y simples para el diseño arquitectónico.

Método de proyección gnomónica o reloj de sol.

Se construye un modelo simple a la escala conveniente. Puede estudiarse el edificio completo o una parte de él, por ejemplo una de las fachadas. Se utilizará el indicador solar universal, el cual secolocará en la maqueta haciendo coincidir el norte de la gráfica con el norte del proyecto.

El gnomon o estilete debe tener la altura señalada . El estudio puede hacerse con el sol o con una lámpara de rayos paralelos. Se hace inclinar y rotar la maqueta hasta que la punta del estilete coincida con la fecha seleccionada, mes/hora. Pueden tomarse fotos de cada fecha estudiada para dejar constancia gráfica.

Método de proyección estereográfica.

De todos los diagramas auxiliares de proyección solar seleccionamos el método estereográfico, para el diseño de los elementos de control solar y la determinación de las sombras proyectadas. Este método consta del Diagrama Solar y el Diagrama de Angulos de Sombra. El Diagrama Solar es una representación estereográfica de la trayectoria solar, generalmente los libros traen los Diagramas Solares para varias latitudes norte y sur. En el Diagrama Solar, el centro de la circunferencia y el plano del papel en que está dibujado representan respectivamente la posición del observador y el plano horizontal a través de esta posición. El círculo con su punto medio como centro define el horizonte del observador.

El paso del sol durante el curso del día está representado por las líneas curvas que corren desde el horizonte Este al Oeste; donde cada una corresponde a dos meses del año, excepto las extremas al Norte y al Sur. La línea más al Norte representa el mes de junio, cuando ocurre el solsticio de verano. En este mes se recibe la mayor radiación (puede no comportarse así por la influencia de otros factores climáticos, como por ejemplo la nubosidad) y los días son más largos que las noches. La línea más al sur representa el mes de diciembre cuando ocurre el solsticio de invierno, cuando se recibe la menor radiación y los días son más cortos que las noches. La línea intermedia que tiene la salida y puesta del sol coincidiendo con los puntos cardinales Este (90°) y Oeste (270°), corresponde a los meses de marzo y septiembre cuando ocurren los equinoccios, durante los cuales los días y las noches tienen igual duración. Estas líneas están cruzadas por las líneas horarias. De modo que el punto donde una línea horaria cruza la línea de paso del sol corresponde a la proyección en planta del sol para ese mes y hora. En la graduación angular marcada alrededor del círculo puede leerse, para cualquier dirección a través de la posición del observador, la distancia angular a partir del Norte (ángulo de acimut). Una línea que una el centro de la carta y el punto correspondiente a una fecha (mes y hora) cualquiera, permite leer en el círculo graduado el ángulo de acimut. En los círculos concéntricos puede determinarse, para cualquier fecha, el ángulo de altura del sol sobre el horizonte, o sea los ángulos de altura del sol que van desde 0° en el horizonte hasta 90° en el cenit.

El Diagrama de Angulos de Sombra es una gráfica auxiliar que se emplea para determinar el comportamiento de los elementos de sombra. Se define por dos ángulos : el ángulo de sombra vertical (se representa en corte) y el ángulo de sombra horizontal (se representa en planta).

Para medir estos ángulos se toma la convención de medirlos a partir de una línea perpendicular a la fachada e indican el límite fuera del cual el sol será excluido. Los ángulos de sombra se determinan colocando el Diagrama de Angulos de Sombra sobre el Diagrama Solar. Se hacen coincidir ambos centros y se adopta la convención de que la línea base del Diagrama de Sombras representa la fachada del edificio y por lo tanto se orienta como ésta. La recta perpendicular a la fachada se hace coincidir con el eje del Diagrama de Sombras y permite leer en el círculo graduado el ángulo de acimut correspondiente a esa fachada (la orientación de esa fachada con respecto al Norte).

Esta forma de denominar a las fachadas contribuye a evitar errores. De acuerdo con la fecha que se analice, y por la posición del sol en la bóveda se determinan los ángulos de sombra. La escala radial y las líneas curvas del Diagrama de Sombras a través de este punto muestran respectivamente los ángulos de sombra horizontal (ASH) y vertical (ASV).

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Ángulo de Sombra Horizontal.

El ángulo de sombra horizontal (ASH) caracteriza a un elemento de sombra vertical y es la diferencia entre el ángulo de acimut solar y el acimut de la pared. .En los dos diagramas superpuestos se muestra una selección de ángulo de sombra horizontal para una fachada orientada al NE con un acimut de 30° ó para proteger del sol a partir de las 7:00 a.m. que da un ángulo de sombra horizontal de 40°.

Angulo de Sombra Vertical.

El ángulo de sombra vertical (ASV) caracteriza a un elemento de sombra horizontal, es la proyección horizontal desde la pared y se mide en un plano vertical normal a la fachada considerada. La diferencia entre el ángulo de altitud solar y el ángulo de sombra vertical es la siguiente: el primero describe la posición del sol en relación con el horizonte, el segundo describe la acción de un elemento de sombra. Tienen igual valor sólo cuando el acimut solar y el acimut de la pared son iguales ASH=0. En los dos diagramas superpuestos se muestra, para el mismo problema anterior, la determinación del ángulo de sombra vertical de 25° . A partir de esta determinación puede seleccionarse una u otra posibilidad o una combinación de ambas para diseñar elementos verticales, horizontales o combinados; para ello se tendrán en cuenta problemas constructivos, estructurales, formales, de costo, entre otros. Se tendrá en cuenta también la afectación que puedan causar a la iluminación y a la ventilación natural, control de ruido, así como a la comunicación visual con el exterior.

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Empleo del Método Estereográfico.

Cuando se trata de una estrategia de enfriamiento, como primer paso se define el período caliente o período crítico, o sea en qué tiempo del año y entre qué horas del día hay que proteger. Esto es relativamente fácil si los datos del clima están compilados. También puede hacerse empleando un horario determinado, por ejemplo: permitir la penetración de los rayos solares solo en horas de la mañana. Esta información se traslada el Diagrama Solar de la latitud correspondiente. Ese será el tiempo durante el cual se protegerá de la incidencia solar. Se seleccionan los ángulos de sombra que protegen la fachada durante el período crítico. Para ello se superpone el Diagrama de Sombras al Diagrama Solar de forma que la línea base del Diagrama de Sombras coincida con la fachada en estudio y se sitúa en el exterior del edificio. Se buscan los ángulos que cubren el período crítico y de todas las combinaciones de ángulos posibles que satisfacen la protección necesaria se selecciona la más conveniente desde todos los puntos de vista posibles: estructural, constructivos, de iluminación , ventilación, de composición formal, etc.

En este ejemplo de la fachada Noreste, el ASH =+35º protege totalmente la fachada en el horario crítico. En la fachada Suroeste, el ASV de 20º cumple igual función.

Para diseñar los elementos se analizará el tipo de elemento que es más conveniente, proyecciones horizontales o verticales. Las dimensiones de los elementos de protección que corresponden al ASV se determinan en el corte de fachada.

Las dimensiones de los elementos de protección que corresponden al ASH se determinan en la planta.

Cuando se trata de una estrategia de calentamiento se determina el período en que se quiere captar la energía solar y se procede de la misma forma descrita anteriormente, pero con el objetivo de dejar penetrar los rayos del sol en lugar de bloquearlos. En la planta y en la sección se diseña la superficie captadora y se puede conocer la profundidad y el barrido horizontal de la penetración. Ver figuras de los ASH y ASV.

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Conclusiones

Hemos analizado la importancia de la trayectoria solar y los ángulos solares para la captación y el control solar cuando se trata de acondicionar los edificios por medios naturales. Se han relacionado los aspectos que hay que considerar en el diseño de los elementos de sombra. Se ha hecho referencia a los métodos que existen para este objetivo y descrito un método analítico, un método tridimensional y el Método Estereográfico. Se está en condiciones de diseñar tanto la captación solar, como de controlar la penetración de los rayos solares en el edificio, también el alumno está en condiciones de evaluar estos aspectos en edificios existentes, todo lo cual es de suma importancia para la materialización de las estrategias de diseño que trataremos en la próxima clase.

Preguntas de comprobación

1. ¿En qué locales considera que es conveniente dejar entrar el sol? Respuesta

2. ¿Considera que es correcto permitir la penetración en locales de trabajo? Justifique su respuesta. Respuesta

3. ¿Cuáles son los ángulos que permiten definir la posición del sol en la bóveda celeste? Respuesta

4. ¿Qué utilidad tienen los diagramas solares? Respuesta

5. ¿Dónde pueden leerse en el Diagrama Solar los ángulos de acimut y altura? Respuesta

6. ¿Qué representan, en el Diagrama de Sombras la escala radial y las líneas curvas? Respuesta

7. ¿Qué utilidad tiene el ángulo de sombra horizontal, ASH? Respuesta

8. ¿Qué utilidad tiene el ángulo de sombra vertical, ASV? 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.

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Glosario

1. Helioarquitectura: Conjunto de estrategias de diseño orientadas al aprovechamiento de la energía solar, así como al control del asoleamiento, para obtener espacios climatizados en forma natural.

2. Ángulo de acimut del sol (AZ): Ángulo que forma la proyección horizontal del rayo solar con el eje que une los puntos cardinales Norte - Sur. Se mide en el sentido de las manecillas del reloj.

3. Ángulo de altura solar ( AL ): Ángulo que forma el rayo solar con su proyección horizontal. ARRIBA

Bibliografía

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