Arquitectura bioclimática
Arquitectura bioclimática
Es aquella que hace de la arquitectura un intermediario entre el ambiente exterior y el ambiente interior.
Es aquella que nos permite integrar la forma, la materia y la energía en una sola respuesta arquitectónica.
Energía solar
Es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión. Llega a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía 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. La intensidad de energía real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorción y a la dispersión de la radiación que origina la interacción de los fotones con la atmósfera.
La intensidad de energía solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor.
Energía solar pasiva
Los sistemas de calefacción solar activa incluyen equipos especiales que utilizan la energía del sol para calentar o enfriar estructuras existentes. Los sistemas pasivos implican diseños de estructuras que utilizan la energía solar para enfriar y calentar. Por ejemplo, muros gruesos de hormigón permiten oscilaciones de temperatura ya que absorben calor en invierno y aíslan en verano.
Construcción solar pasiva
Recogida directa de energía solar
La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración.
Calentamiento solar
Las placas colectoras utilizan la energía del Sol para calentar un fluido portador que, a su vez, proporciona calor utilizable en una casa. El fluido portador, agua en este caso, fluye a través de tuberías de cobre en el colector solar, durante el proceso absorbe algo de la energía solar. Después, se mueve hasta un intercambiador de calor donde calienta el agua que se utilizará en la casa. Por último, una bomba lleva de nuevo el fluido hacia el colector solar para repetir el ciclo.
Calefón solar
Receptores centrales
La generación centralizada de electricidad a partir de energía solar está en desarrollo. En el concepto de receptor central, o de torre de potencia, una matriz de reflectores montados sobre heliostatos controlados por computadora reflejan y concentran los rayos del Sol sobre una caldera de agua situada sobre la torre. El vapor generado puede usarse en los ciclos convencionales de las plantas de energía y generar electricidad.
Energía solar en el espacio
Un proyecto futurista propuesto para producir energía a gran escala propone situar módulos solares en órbita alrededor de la Tierra. En ellos la energía concentrada de la luz solar se convertiría en microondas que se emitirían hacia antenas terrestres para su conversión en energía eléctrica. Para producir tanta potencia como cinco plantas grandes de energía nuclear (de mil millones de watt cada una), tendrían que ser ensamblados en órbita varios kilómetros cuadrados de colectores, con un peso de más de 4.000 tn; se necesitaría una antena en tierra de 8 m de diámetro. Se podrían construir sistemas más pequeños para islas remotas, pero la economía de escala supone ventajas para un único sistema de gran capacidad.
Dispositivos de almacenamiento de energía solar
Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los períodos de baja demanda debe almacenarse el sobrante de energía solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente. Además de los sistemas sencillos de almacenamiento como el agua y la roca, se pueden usar, en particular en las aplicaciones de refrigeración, dispositivos más compactos que se basan en los cambios de fase característicos de las sales eutécticas (sales que se funden a bajas temperaturas).
Almacenamiento de energía solar
Casa solar
En ésta casa solar en Corrales (Nuevo México, Estados Unidos) un colector solar de placa plana proporciona energía para calentar agua bombeada por el molino. El agua se almacena en grandes bidones.
Los aspectos climáticos a ser considerados por el diseñador
Información climática:
Interesan los aspectos climáticos que afectan al confort humano y al uso de los edificios.
El proyectista analiza la información climática e identifica los aspectos beneficiosos o perjudiciales para los futuros ocupantes del edificio.
Temperatura medida:
Temperatura de bulbo seco, escala Celsius, 1,20 - 1,80 m del suelo, 3 o 4 lecturas al día + máxima y mínima.
Temperatura datos:
Planillas simplificadas del Servicio Meteorológico Nacional.
Temperaturas máximas y mínimas extremas = temperaturas absolutas.
Humedad medida:
Humedad absoluta (ω) y humedad relativa (HR), se usa esta última y se mide con higrómetro (par TBS + TBH).
Vapor presión:
Para medir la humedad se puede utilizar la presión parcial de vapor en el aire.
Humedad datos:
Se emplean los valores medios mensuales.
Cuando no se dispone de datos del SMN (Servicio Meteorológico Nacional) se mide con higrógrafo, antes de la salida del sol y a las 15 h.
Precipitación:
Indica toda el agua que precipita de la atmósfera.
Los promedios mensuales-anuales determinan estaciones secas y lluviosas.
La precipitación máxima diaria permite el diseño de drenajes.
Lluvia torrencial:
Suma de lluvia y fuertes vientos.
Es el grado de exposición de una localidad.
∘ Protegida: hasta 3 m²/s
∘ Moderada: entre 3 y 7 m²/s
∘ Severa: más de 7 m²/s
Condiciones del cielo:
Indica el porcentaje de cielo cubierto.
Para el SMN se indica en octavas.
Radiación solar medida:
Se mide en W/m²
Se mide con solarímetros, heliómetros, actinómetros y piranómetros.
Radiación solar datos:
Se indica la radiación media diaria de cada mes del año (MJ/m²·día).
| Es importante para el diseño: |
∘ La radiación típica baja y alta de un día al mes (no se provee) ∘ La intensidad media por hora (no se provee) |
Vientos medida:
| La velocidad del viento se mide con: |
∘ Anemómetro de copa ∘ Anemómetro de hélice ∘ Tubo Pitot |
La dirección del viento se mide con veleta.
El anemógrafo registra continuamente velocidad y dirección.
En campo abierto se mide a 10 m de altura.
En ciudad se mide entre 10 a 20 m de altura.
Vientos datos:
| Importante: |
∘ Determinar si existe una dirección predominante ∘ Determinar si se producen cambios diarios o estacionales importantes ∘ Disponer de un diagrama de velocidades diarias o estacionales ∘ Determinar los períodos de calma de cada mes |
Se tabula velocidad y dirección en función de la frecuencia durante 25 a 50 años.
Características especiales:
Se deben clasificar los acontecimientos raros (granizo, helada, etc.) que puedan dañar instalaciones de sistemas solares activos.
Vegetación:
Importante para dar sombra e impedir el deslumbramiento.
Clima local - macroclimas - microclimas
Desviaciones dentro de la zona:
Dentro de una región climática, un lugar puede tener algunas diferencias con la zona.
Clima local:
Es el clima del volumen disponible para el proyecto.
La labor del proyectista:
∘ Identificar la zona más adecuada para el edificio
∘ Aprovechar la características favorables del clima
∘ Evitar las características desfavorables del clima
∘ Disponer de los datos de la región climática
∘ Considerar las desviaciones dentro de la zona
∘ Consultar con un lugareño acerca del clima local
∘ Considerar los efectos que producirá el edificio
Factores locales:
Topografía, naturaleza del suelo, vegetación, objetos tridimensionales.
Temperatura del aire:
Durante el día la capa de aire más próxima al suelo es la más caliente.
Se mezcla cuando convecciona.
Por la noche la temperatura del suelo es menor que la del aire.
Esto se denomina inversión térmica.
La topografía influye sobre la temperatura del aire.
Humedad:
Capas de aire sobre el suelo e inversión térmica:
| Día | Noche | |||
|---|---|---|---|---|
| Sin viento T₁ > T₂ HR₁ < HR₂ | 2 m | T₂ HR₂ | T₁ HR₁ | |
| 0 m | T₁ HR₁ | T₂ HR₂ |
Precipitaciones:
En las colinas llueve más en la ladera por donde viene viento (barlovento) y menos en la ladera de sotavento, cuando el viento trae humedad.
Radiación solar:
| La radiación solar se ve afectada por: |
∘ Principalmente por la transparencia del cielo ∘ Pendiente del suelo ∘ Árboles y edificios cercanos |
Movimiento del aire:
La topografía influye sobre el gradiente de velocidad del viento.
El viento cercano a una superficie sufre rozamiento.
Tener en cuenta orientación de valles y alineación de edificios en ciudades.
La brisa del mar durante el día puede bajar la temperatura en 10 °C.
Características especiales:
Las tormenta eléctricas son macroclimáticas y se ven afectadas por el clima local.
Tener en cuente altura del edificio para tormentas eléctricas.
La arena que trae el viento se puede parar con mamparas.
Las tormentas de polvo son macroclimáticas y no se ven afectadas por el clima local.
Para las tormentas de polvo se puede proteger el edificio con barreras de árboles, pero se pierde el efecto refrescante del viento.
Vegetación:
En una superficie cubierta por vegetación la superficie de contacto pasa a una capa más alta.
Datos sobre el clima local:
En general no se dispone de datos locales.
Analizar primero datos regionales y luego determinar que parámetro será afectado por las condiciones locales.
La sensación de confort en el ser humano
Introducción:
La tarea del proyectista consiste en crear el mejor clima interior.
En nuestro caso analizaremos el confort térmico humano.
La producción de calor del cuerpo humano
| El cuerpo humano produce continuamente calor |
∘ Metabolismo basal ∘ Metabolismo muscular |
El 80 % del metabolismo total se disipa al ambiente.
La pérdida de calor del cuerpo humano
La temperatura del cuerpo humano es de 37 °C.
Para mantener esta temperatura el cuerpo disipa el exceso de calor propio y el agregado.
∘ Convección - depende de la corriente de ventilación
∘ Radiación - depende de la temperatura de la piel y los objetos opuestos
∘ Evaporación - depende de la HR del aire
Mecanismos reguladores
Para disipar calor al ambiente aumenta la circulación sanguínea en la superficie de la piel.
Para disipar más calor al ambiente comienza a sudar.
Para no disipar calor al ambiente relentiza la circulación sanguínea en la superficie de la piel.
Si el ambiente sigue siendo frío comienzan los escalofríos.
Las glándulas endocrinas regulan el proceso de aclimatación.
Pérdida de calor en varios ambientes térmicos
| El confort humano depende de: |
∘ Temperatura del aire ∘ Humedad ∘ Movimiento del aire ∘ Radiación |
Estas variables influyen en la disipación del calor del cuerpo.
Aire cálido y en calma, humedad moderada
∘ TBS ≈ 18 °C
∘ v ≤ 0,25 m/s
∘ 40 % ≤ HR ≤ 60 %
Sin inconvenientes para disipar calor.
Aire caliente y radiación moderada
Cuando la temperatura del aire iguala o supera el límite máximo de la temperatura de la piel (34 °C) el cuerpo no disipa más calor por convección.
Si los objetos cercanos irradian más calor que el cuerpo humano, éste adicionará calor en ves de disiparlos.
Si la HR del aire es baja el cuerpo podrá disipar calor por evaporación.
Aire caliente, radiación y movimiento apreciable del aire
Si la HR del aire es alta pero el aire se mueve, el cuerpo podrá liberar calor por evaporación, aunque la temperatura del aire sea superior a la de la piel.
Aire saturado y tranquilo de temperatura superior al cuerpo humano
∘ TBS > 34 °C
∘ v ≤ 0,25 m/s
∘ HR ≤ 100 %
Habrá sudor pero no evaporación.
Habrá aporte de calor por convección y radiación.
El cuerpo no disipará el calor.
La temperatura del cuerpo aumentará para superar a la del aire.
∘ Si alcanza los 39 - 40 °C se produce la insolación
∘ Si alcanza los 41 °C se produce el coma
∘ Si alcanza los 45 °C se produce la muerte
Efectos de la exposición prolongada
La exposición prolongada a condiciones adversas ó confortables pero sin variación producen malestar.
Variables subjetivas
La adaptación a un clima ocurrirá luego de unos 30 días.
Las personas mayores tienen un metabolismo más lento, prefieren temperaturas más altas.
Las mujeres tienen un metabolismo más lento, prefieren temperaturas más altas (1 °C más que el hombre).
Una persona delgada (más superficie de contacto que un gordo) disipa más calor, prefiere temperaturas más altas.
La grasa es un aislante térmico.
Los enfermos requieren un margen más estrecho de temperaturas.
La piel más clara refleja mejor el calor por radiación, pero es más sensible a éste.
Profesores: Arquitecto Costoya. y J. F. Aguirre
Autor: Anselmo Robles Bentham, Ricardo Santiago Netto, Osvaldo Daniel Pumar. Argentina.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet).
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Calentamiento solar.