31 de marzo del 2002 Vol.3 No.2

Energía Solar y Arquitectura

Elvis F. Mendieta Melchor

Palabras Clave: Arquitectura, Geometría solar, Bioclimática, Cálculo térmico y Clima, .

Resumen

Recientemente la crisis energética que se avecina ha obligado a buscar fuentes de energía alternativa, esto para satisfacer las necesidades lumínicas y calóricas del hombre, enfocándose a la fuente de energía más grande con la que contamos: el sol, que ha tratado de usar de diversas maneras, en forma pasiva o implementando tecnologías para transformarla.

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Toda la energía viene del sol

Las energías de que disponemos en nuestro planeta, exceptuando quizá la energía nuclear de fisión, provienen del astro Rey. De esta manera la energía hidráulica, la eólica, la de las mareas, los compuestos, la biomasa, las energías fósiles y la geotérmica, entre otras, todas provienen del Sol. Éste calienta el aire de la tierra para hacerlo ascender. Así se crean las corrientes de aire y viento. 6·10^21 J de energía se producen en un año. El sol produce energía calorífica y luminosa que las plantas utilizan para sintetizar sus minerales y realizar el proceso de fotosíntesis. Esas plantas crecen y pueden quemarse para obtener calor, o bien, quedar cubiertas de lodo, para experimentar durante siglos transformaciones metamórficas que las conviertan en carbón o, gracias a las bacterias, en gas y petróleo. Los combustibles fósiles podrían darnos unos 3·10^22 J. Al igual que con el viento, el Sol calienta el mar y da lugar a gradientes térmicos de 6·10^18 J al año. Al calentar el mar, el Sol evapora el agua para transformarla en vapor de agua, nubes, lluvia y ríos, es decir, en energía mecánica o hidráulica en 35·10^28 J al año, de los cuales menos del 50% son aprovechables a lo largo del año. Asimismo, la energía química de pilas y demás productos; la biomasa, los residuos vegetales y los animales, quemados, darían 3·10^21 J. Las mareas, resultado de la atracción que ejercen el sol y la luna sobre la tierra y el mar, ofrecen 10^18 J al año. Podríamos seguir con más ejemplos, pero lo que queda claro es que el sol es la base de la vida en nuestro planeta; que nos envía mucha energía, y que es lógico intentar su utilización de algún modo. En los siguientes apartados describiremos cómo.

¿Qué es la energía solar?

La energía solar es la potencia radiante producida por el Sol, como resultado de reacciones nucleares de fusión, que llegan a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía. Estos son llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.

La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es de unas 2 cal/min/cm2. El Sol, en concreto la radiación solar interceptada por la tierra en su desplazamiento a su alrededor, constituye la principal fuente de energía renovable a nuestro alcance. Nuestro planeta recibe del Sol la asombrosa cantidad de energía anual de 5,4 x 10^24 J, una cifra que representa 4.500 veces el consumo mundial de energía. Aunque es muy abundante el aprovechamiento de la radiación solar, ésta está condicionada por tres aspectos: la intensidad de radiación solar recibida por la tierra, los ciclos diarios y anuales a los que está sometida y las condiciones climatológicas de cada emplazamiento.

En general la radiación solar hace referencia a los valores de irradiación global, es decir, la unidad de energía recibida por unidad de superficie en un tiempo determinado. Estos valores normalmente hacen referencia a la energía que proviene directamente del disco solar (radiación directa) y la energía que, difundida por la atmósfera, puede llegar al 100% de la global.

La radiación solar es una forma de energía de baja concentración. Fuera de la atmósfera, la intensidad de radiación oscila entre 1.300 y 1.400 W/m^2. Las pérdidas en la atmósfera, por absorción, reflexión y dispersión, la reducen un 30%. Si las condiciones climatológicas son buenas, podemos llegar a tener 1000 W/m^2, aunque si las condiciones son pésimas se tendrían sólo 50 W/m^2. Por eso estamos obligados a utilizar superficies grandes de captación.

Sistemas de iluminación

Los motivos principales para incluir la iluminación natural dentro del diseño de la vivienda, hacen referencia al ahorro energético, relacionado con la reducción de las necesidades de luz artificial en los edificios y la contribución para mejorar el confort lumínico.

Para hacer un buen uso de la luz natural dentro de los edificios, los puntos clave que hay que remarcar son la introducción de luz natural, en forma directa o reflejada, en todos los espacios habitados; la gradación de la luz en cada espacio de la vivienda, en función de la actividad que se va a realizar; la protección de aberturas, de manera que sea posible reducir la luz en caso de sobrecalentamientos y demasiada luz, y la disposición de las aberturas, de manera que se pueda captar la luz desde dos o más orientaciones diferentes. Esto es importante en verano, cuando hay que sombrear aberturas orientadas al sur y al oeste, para no vernos obligados a utilizar luz artificial en pleno día.








celda fotovoltaica © solarsite.com

Arquitectura bioclimática

En el mundo de la arquitectura, el aprovechamiento de las condiciones climáticas y los recursos naturales existentes, en especial la energía solar para minimizar el consumo energético de un edificio, se conoce como arquitectura bioclimática.

La arquitectura bioclimática, o arquitectura solar pasiva, se refiere a las aplicaciones en que la energía solar se capta, se guarda y se distribuye de forma directa, es decir, sin mediación de elementos mecánicos. Se trata de diseñar y aportar soluciones constructivas, que permitan que un edificio determinado capte o rechace energía solar, según la época del año, a fin de regularla de acuerdo a las necesidades de calefacción, refrigeración o de luz. En estos casos, el aprovechamiento de la radiación que llega al edificio se basa en la optimización de la orientación; la definición de volúmenes y aberturas de los edificios; la selección de materiales apropiados, y la utilización de elementos de diseño específicos y adecuados. Los principios de esta arquitectura están en el mismo diseño:

  • El entorno climático
  • La forma, orientación y distribución del edificio
  • Los cierres, el aislamiento y la inercia térmica

El entorno climático, por su influencia directa en el confort térmico, es el primer factor a tener en cuenta a la hora de concebir un proyecto de arquitectura bioclimática.

El entorno físico está directamente relacionado con el climático y se refiere al emplazamiento de la vivienda. Los principales factores, son:

  • Altitud: la temperatura atmosférica disminuye entre 0,5 y 1ºC cada 100 m
  • Distancia al mar: el mar hace de regulador térmico; eleva el nivel de humedad, y crea regímenes especiales de vientos, denominados brisas marinas y de tierra.
  • Orografía: los sitios más elevados están más ventilados; reciben más radiación solar, y tienen menos humedad que los valles y depresiones.
  • Proximidad a vegetación: por la acción del viento, hace de regulador térmico, y actúa como filtro de polvo, ruido y contaminantes.
  • Emplazamientos urbanos: presencia de microclimas, con aumento de temperatura y contaminación, y posibles obstrucciones de la insolación entre las diferentes construcciones vecinas.







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La forma, orientación y distribución

La forma de un edificio interviene de manera directa en el aprovechamiento climático del entorno, esto a través de dos elementos básicos: la superficie y el volumen. Con relación a la superficie de la vivienda, por los intercambios de calor entre el exterior y el interior de un edificio, a mayor superficie más capacidad para intercambiar calor entre exterior e interior. El volumen del edificio está directamente relacionado con la capacidad para almacenar energía: a más volumen, más capacidad para almacenar calor.

Una manera de cuantificar la relación entre la forma de un edificio y su capacidad para intercambiar calor con el exterior, es tomar en consideración el factor de forma, que es el cociente entre la superficie del edificio y su volumen. Para climas fríos conviene un pequeño factor de forma, entre 0,5 y 0,8, mientras que para climas cálidos conviene uno grande, superior al 1,2.

Otro aspecto que interviene en el mecanismo de intercambio energético entre la vivienda y el exterior, es el color de la fachada. Los colores claros en la fachada de un edificio facilitan la reflexión de la luz natural y, por lo tanto, ayudan a repeler el calor de la insolación. Contrariamente los colores oscuros facilitan la captación solar.

La orientación de un edificio determina su exposición al sol y a los vientos. La orientación sur de un edificio, por ejemplo, es la más favorable en los climas mediterráneos.

Los cierres, aislamiento térmico e inercia térmica

La función principal de los cierres de un edificio es preservar las condiciones interiores, independientemente de las exteriores. Una de las maneras de conseguirlo es a través de la disminución del intercambio de calor entre el interior y el exterior, de forma que los muros ejerzan una función de aislamiento térmico:

  1. El grosor del material
  2. Las dimensiones del cierre
  3. Las propiedades termofísicas de los materiales que lo componen.

La transferencia de calor a través de los materiales, se puede realizar mediante los mecanismos de conducción, convección y radiación. El efecto conjunto de las tres formas de transferencia de calor, se expresa mediante el coeficiente global de pérdidas de cierre (K), que representa la cantidad de energía calorífica disipada por un cierre por segundo, por metro cuadrado de superficie y por cada grado centígrado de diferencia entre la temperatura exterior y la interior, entre más pequeña, más aislado estará el edificio.

La masa de un edificio tiene la capacidad de almacenar energía en forma de calor. Ésta puede ser liberada nuevamente al ambiente, cuando la temperatura del entorno es menor a la temperatura de los materiales. Así, se consigue evitar las variaciones de temperatura dentro del piso. A esto se le llama inercia térmica, es decir, a la capacidad de realizarlo. Se mide con base en la capacidad térmica (C), a partir de la cantidad de calor que puede almacenar un elemento por unidad de masa, al incrementar su temperatura un grado centígrado. Si es mayor, mejor: entre más inercia térmica tengan, más ayudan a aislar el edificio y a mantener una temperatura constante en el interior.

Combinando un buen diseño de sistemas de iluminación naturales, con las formas de aprovechar el calor solar y las posibilidades reguladoras de muchos materiales, y aislando bien todo el hogar, conseguiremos, con la incorporación de paneles solares en edificios y casas, ser completamente autónomos energéticamente, además de no enviar energía calorífica a la tierra, con lo que tampoco se va a calentar. Cuando las casas y edificios del planeta se construyan con estos criterios, habremos ganado la batalla contra nosotros mismos, en busca de la energía verde perfecta.




Bibliografía

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Lemvigh-Muller, Ricardo . (1999). Instalaciones de energía solar térmica manual de energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria, calefacción de viviendas y climatización de piscinas exteriores.. Madrid: SAPT, Publicaciones Técnicas.

Serrano, Francisco J . Soleamiento, Climas y Edificaciones. 1a. ed. México:UNAM.

Rangel, Ruíz Rocío . Iluminación Natural y Ahorro Energético en las Edificaciones. UNAM.

Thomas, Hegzog . Norbert, Kaiser MIchael . (c1996). Solar Energy in architecture and urban planning. . Munich:Prestel.


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