Energía solar bioclimática

Concepto de arquitectura bioclimática

Se llama arquitectura bioclimática o pasiva a aquella que tiene en cuenta el clima en el que está inmersa, y utiliza estrategias clásicas o modernas para mantener en el interior de las edificaciones una condiciones de confort térmico y de luminosidad lo más libres posible de los avatares exteriores, sin el uso de tecnología o mecanismos complejos. Más restrictivamente, la arquitectura solar pasiva, o los elementos solares pasivos de la arquitectura, serían aquéllos en los que no intervienen energías convencionales en la función de adecuación y control de las condiciones de confort. De un modo amplio, la arquitectura bioclimatica también debe tener en cuenta el coste ecológico de los materiales que usa, la defensacontra la contaminación acústica y electromagnética, el uso de tecnologías renovables activas, y la implementación de sistemas de ahorro y recuèración de agua.
El concepto se basa en el empleo de un adecuado diseño de la edificación, asi como una apropiada utilización de materiales y sistemas constructivos. Para ello debe realizarse un estudio de muchos aspectos y factores climáticos como ser:

• Latitud y altitud de la zona de emplazamiento.
• Duración e intensidad de la redación solar.
• Temperatura del aire exterior y su variabilidad.
• Humedad relativa.
• Precipitación pluvial.
• Intensidad, frecuencia y dirección del viento.
• Grado de nubosidad y frecuencia.

Las puatas de diseño para captar o evitar los factores climaticos según nuestra conveniencia puede hacerse aprovechando:

• La orientación de la edificación y de las superficies expuestas.
• La relación entre superficie exterior y volumen interior (factor de forma).
• El color de los recubrimientos de superficie.
• El tamaño, ubicación, orientación y tipo de las ventanas.
• Los acristalamientos adosados tipo invernadero.
• El tipo, colocación y uso de persianas y cortinas.
• Los sistemas de penetración de luz y control lumínico.
• El uso de sistemas de sombreo fijos o móviles: aleros, toldos, pérgolas, etc.
• La distribución interior.
• Los huecos o patios interiores.
• La colocación y el tipo de vegetación en el exterior y en los patios.
• El uso del agua en fuentes y estanques.
• El espesor de los aislamientos y materiales de construcción de cerramientos
• xteriores y su posición relativa.
• El establecimiento de rejillas y huecos para el control de ventilación.
• El diseño de la trama y elementos urbanos.
• Los diseños especificos para captación de calor, refrigeración, ventilación iluminación, etc.

El 30 % de la energía consumida a nivel mundial se invierte en las edificaciones. Por ejemplo en España sólo con modificaciones en la legislación relativas a los aislamientos, a la introducción de factores de ganancia solar por orientación, y a la calidad energética de los edificios, se producirían ahorros superiores al 15 % sobre el total consumido en calefacción y refrigeración. Ecoetiquetas y certificaciones energéticas son actuaciones necesarias que debieran condicionar las ayudas publicas y privadas a la construcción de viviendas.

Estrategias para la climatización de ambientes

Dos enfoques resolutivos, y no excluyentes, permiten mantener temperaturas más elevadas en el interior de las construcciones. Uno es la implantación de sistemas de penetración, captación y acumulación de la energía de la radiación solar. Técnicas clásicas y modernas nos permiten enfocar el problema de la captación de energía. A continuación se exponen algunas soluciones que hay que considerar como esquemas de actuación a la hora del diseño de un edificio.
La siguiente figura muetra como son las trayectorias del sol durante el invierno y el verano, de acuerdo a esta caracteristica es la forma en que se proyectan los sistemas de calefacción en ivierno o ventilacion y refrescamiento en verano.

Variación de la altura del sol en verano e invierno

Sistema de calefacción en invierno

Sistema de captación solar aprovechando las alturas del sol

Se observa en la anterior figura cómo con la altura del sol y un adecuado aventanamiento se puede captar calor solar en invierno y proteger en el verano de su penetracion en el local.
La captación pasiva es una técnica simple y tiene un costo muy bajo, debido a que dotar a un edificio de estos sistemas supone una inversión adicional muy baja o incluso nula cuando se trata de proyectar con una orientación adecuada o ubicar convenientemente las superficies vidriadas. Por otra parte los materiales utilizados para esta tecnología son los convencionales en la industria de la construcción.

Sistemas indirectos de captación solar. Muro Trombe.

En estos casos la energía solar se capta y almacena en un elemento perimetral al ambiente, que tiene una importante masa térmica, cediéndose el calor con un cierto retardo por convección y radiación.
El método más conocido de captación indirecta es el muro Trombe. La energía solar pasa a través del vidrio y calienta el muro que puede ser de mampostería, hormigon o incluso agua.

Muro Trombe

El muro absorbe el calor y se calienta emitiendo a su vez calor por radiación, pero por efecto invernadero el mismo queda atrapado debido a que el vidrio no lo deja escapar.
El muro calienta el aire y éste por convección al estar a mayor temperatura se hace más liviano y asciende según se ve en la figura, produciéndose de esa manera una circulación permanente y constante del mismo en el local.
Por otra parte como el muro se calienta, transmite parte del calor por conducción al local, cediéndolo por convección y radiación, durante la noche, siendo conveniente cerrar la compuerta al aire.
El muro Trombe puede complementarse en la época de verano, cambiando la dirección del flujo de aire caliente y enviándolo hacia el exterior lograndose de esa manera una correcta ventilación del lugar.

En general el muro se construye en hormigon de 30 o 40 cm de espesor.

La experiencia práctica demuestra que para un muro de 35 cm de hormigón, si en invierno recibe una adecuada acción solar en el día, se obtiene una corriente de aire caliente que se mantiene prácticamente hasta la medianoche.

El local debe tener una adecuada aislación de modo poder mantener el calor sin demasiadas pérdidas. Si el local se encuentra muy bien aislado, puede adoptarse como norma práctica de diseño una superficie de muro colector en m2 igual a la décima parte del volumen del local a calentar en m3.

El almacenamiento térmico logrado por este método es sólo por corto plazo, como maximo un día, por lo que debe contarse siempre con una energía complementaria ya sea mediante otros sistemas captadores activos o eventualmente los equipos convencionales.

Sistema de ventilación y refrescamiento en verano

A veces la sensación de calor se debe al exceso de humedad en el ambiente. La ventilación con aire de renovación exterior contribuye a la disminución de la humedad relativa que causa la sensación de disconfort. La renovación del aire produce una sensación de refrigeración al aumentar la evaporación del cuerpo humano. Las aperturas se debe hacer de modo de favorecer la ventilación cruzada, siendo la apertura inferior en las paredes sur y las superiores en las paredes norte; Cuando hay un claro viento predominante las aperturas deben instalarse a barlovento y sotavento.
La cimenea solar como se muestra en la anterior figura crea un tiro natural que extrae el aire del interior de la vivienda. Esto se consigue creando un espacio acristalado en fachada o cubierta donde se produce el efecto invernadero.

Sistemas mixtos de calefacción y refrescamiento

En la figura se muestra un corte de un edificio que se climatiza mediante un techo de vidrio que actua como colector, utilizando un jardín de invierno para la calefacción. El lecho de piedra se utiliza para aumentar la inercia témrica entre las horas de captación de calor y la noche.
En verano el sistema funciona como ventilación utilizando para ello un tiraje natural, Para mejorar la circulación del aire en verano se puede adicionar un ventilador en la entrada inferior de la casa.

Construcciones para mejorar la producción de energía solar en sus techos

En las siguientes imágenes y videos se muestran distintas construcciones como casas o galpones industriales construidos para aprovechar de mejor la energía solar desde el punto de vista de la generación de energía solar térmica o fotovoltaica, construyendo el techo de manera de ampliar la captación de energía solar por parte de paneles solares para lograr el autoabastecimiento energético de la casa o de la industria.
Como se puede ver en el siguiente esquema y en el siguiente video las casas tienen un techo en forma de diente de sierra donde la parte que da al norte (si estamos en Argentina) tiene una inclinación mas suave tirando a ser horizontal para ampliar la superficie de captación de la energía solar y la parte que da al sur tiene una inclinación mas pronunciada, tirando a ser vertical para minimizar la superficie no utilizada para la generación de energía solar.

Esquema de la forma del techo de una casa para mejorar la producción de energía solar

Foto que muestra el techo de una fábrica construido en forma de diente de sierra para aumentar la superficie del techo expuesto al sol para mejorar la generación de energía solar para utilizar en la misma industria.

Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librearía y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.