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Refrigeración pasiva

Un diseño tradicional iraní de refrigeración solar que utiliza una torre eólica

La refrigeración pasiva es un enfoque de diseño de edificios que se centra en el control de la ganancia de calor y la disipación de calor en un edificio con el fin de mejorar el confort térmico interior con un consumo de energía bajo o nulo. [1] [2] Este enfoque funciona ya sea impidiendo que el calor ingrese al interior (prevención de la ganancia de calor) o eliminando el calor del edificio (refrigeración natural). [3]

El enfriamiento natural utiliza energía local, disponible en el entorno natural, combinada con el diseño arquitectónico de los componentes del edificio (por ejemplo, la envoltura del edificio ), en lugar de sistemas mecánicos para disipar el calor. [4] Por lo tanto, el enfriamiento natural depende no solo del diseño arquitectónico del edificio, sino también de cómo se utilizan los recursos naturales del sitio como disipadores de calor (es decir, todo lo que absorbe o disipa el calor). Algunos ejemplos de disipadores de calor locales son la atmósfera superior (cielo nocturno), el aire exterior (viento) y la tierra/suelo.

La refrigeración pasiva es una herramienta importante para el diseño de edificios que se adapten al cambio climático , reduciendo la dependencia del aire acondicionado  de alto consumo energético en entornos cálidos. [5] [6]

Descripción general

El enfriamiento pasivo abarca todos los procesos y técnicas naturales de disipación y modulación del calor sin el uso de energía. [1] Algunos autores consideran que se pueden integrar sistemas mecánicos menores y simples (por ejemplo, bombas y economizadores) en técnicas de enfriamiento pasivo, siempre que se utilicen para mejorar la eficacia del proceso de enfriamiento natural. [7] Estas aplicaciones también se denominan "sistemas de enfriamiento híbridos". [1] Las técnicas de enfriamiento pasivo se pueden agrupar en dos categorías principales:

Técnicas preventivas

Esta antigua casa romana evita la acumulación de calor. Los muros de mampostería pesada, las pequeñas ventanas exteriores y un jardín amurallado estrecho orientado al norte dan sombra a la casa, lo que evita la acumulación de calor. La casa se abre a un atrio central con un impluvium (abierto al cielo); el enfriamiento por evaporación del agua provoca una corriente transversal desde el atrio hasta el jardín .

La protección o prevención de las ganancias de calor abarca todas las técnicas de diseño que minimizan el impacto de las ganancias de calor solar a través de la envoltura del edificio y de las ganancias de calor internas que se generan dentro del edificio debido a la ocupación y el equipamiento. Incluye las siguientes técnicas de diseño: [1]

Técnicas de modulación y disipación de calor.

Las técnicas de modulación y disipación de calor se basan en disipadores de calor naturales para almacenar y eliminar las ganancias de calor internas. Algunos ejemplos de disipadores naturales son el cielo nocturno, el suelo y la masa de los edificios. [11] Por lo tanto, las técnicas de enfriamiento pasivo que utilizan disipadores de calor pueden actuar para modular la ganancia de calor con masa térmica o disipar el calor a través de estrategias de enfriamiento natural. [1]

Ventilación

Un par de captadores de viento cortos ( malqaf ) utilizados en la arquitectura tradicional; el viento se fuerza hacia abajo en el lado de barlovento y sale por el lado de sotavento ( ventilación cruzada ). En ausencia de viento, la circulación puede impulsarse con enfriamiento por evaporación en la entrada. En el centro, una shuksheika ( ventilador de claraboya ), utilizada para dar sombra al qa'a de abajo mientras permite que el aire caliente salga de él ( efecto chimenea ). [13]

La ventilación como estrategia de enfriamiento natural utiliza las propiedades físicas del aire para eliminar el calor o brindar enfriamiento a los ocupantes. En algunos casos, la ventilación se puede utilizar para enfriar la estructura del edificio, que posteriormente puede servir como disipador de calor.

Estas dos estrategias forman parte de las estrategias de enfriamiento ventilatorio .

Una aplicación específica de la ventilación natural es el lavado nocturno.

Enrojecimiento nocturno

Un patio en Florencia, Italia . Es alto y estrecho, con una fuente que arroja chorros de agua muy finos en la parte inferior y habitaciones superiores que dan a él. El lavado nocturno del patio se produce automáticamente a medida que el aire nocturno se enfría; el enfriamiento por evaporación lo enfría aún más y se puede utilizar para crear corrientes de aire y cambiar el aire durante el día. Las ventanas se pueden dejar abiertas durante todo el día.

El lavado nocturno (también conocido como ventilación nocturna, enfriamiento nocturno, purga nocturna o enfriamiento convectivo nocturno) es una estrategia de enfriamiento pasivo o semipasivo que requiere un mayor movimiento de aire durante la noche para enfriar los elementos estructurales de un edificio. [15] [16] Se puede hacer una distinción entre enfriamiento gratuito para enfriar el agua y lavado nocturno para enfriar la masa térmica del edificio . Para ejecutar el lavado nocturno, normalmente se mantiene la envoltura del edificio cerrada durante el día. La masa térmica de la estructura del edificio actúa como un sumidero durante el día y absorbe las ganancias de calor de los ocupantes, el equipo, la radiación solar y la conducción a través de paredes, techos y cielorrasos. Por la noche, cuando el aire exterior es más frío, la envoltura se abre, lo que permite que el aire más frío pase a través del edificio para que el calor almacenado pueda disiparse por convección. [17] Este proceso reduce la temperatura del aire interior y de la masa térmica del edificio, lo que permite que se produzca un enfriamiento convectivo, conductivo y radiante durante el día cuando el edificio está ocupado. [15] El lavado nocturno es más eficaz en climas con una gran oscilación diurna, es decir, una gran diferencia entre la temperatura exterior máxima y mínima diaria. [18] Para un rendimiento óptimo, la temperatura del aire exterior nocturno debe caer muy por debajo del límite de la zona de confort diurna de 22 °C (72 °F), y no debe tener una humedad absoluta o específica baja . En climas cálidos y húmedos, la oscilación de temperatura diurna suele ser pequeña y la humedad nocturna se mantiene alta. El lavado nocturno tiene una eficacia limitada y puede introducir una alta humedad que causa problemas y puede conducir a altos costos de energía si se elimina mediante sistemas activos durante el día. Por lo tanto, la eficacia del lavado nocturno se limita a climas suficientemente secos. [19] Para que la estrategia de lavado nocturno sea eficaz para reducir la temperatura interior y el uso de energía, la masa térmica debe tener un tamaño suficiente y distribuirse sobre una superficie lo suficientemente amplia para absorber las ganancias de calor diarias del espacio. Además, la tasa total de cambio de aire debe ser lo suficientemente alta para eliminar las ganancias de calor internas del espacio durante la noche. [17] [20] Hay tres formas de lograr la descarga nocturna en un edificio:

Estas tres estrategias forman parte de las estrategias de enfriamiento ventilatorio .

El uso de la limpieza nocturna como estrategia de refrigeración para los edificios ofrece numerosas ventajas, como una mayor comodidad y un cambio en la demanda máxima de energía. [22] La energía es más cara durante el día. Al implementar la limpieza nocturna, se reduce el uso de ventilación mecánica durante el día, lo que genera ahorros de energía y dinero.

También existen una serie de limitaciones para el uso del lavado nocturno, como la usabilidad, la seguridad, la reducción de la calidad del aire interior, la humedad y la mala acústica de la habitación. Para el lavado nocturno natural, el proceso de abrir y cerrar manualmente las ventanas todos los días puede ser tedioso, especialmente en presencia de mosquiteros. Este problema se puede aliviar con ventanas automatizadas o rejillas de ventilación, como en Manitoba Hydro Place . El lavado nocturno natural también requiere que las ventanas estén abiertas por la noche cuando el edificio está más probablemente desocupado, lo que puede plantear problemas de seguridad. Si el aire exterior está contaminado, el lavado nocturno puede exponer a los ocupantes a condiciones dañinas dentro del edificio. En lugares ruidosos de la ciudad, la apertura de ventanas puede crear malas condiciones acústicas dentro del edificio. En climas húmedos, el lavado nocturno puede introducir aire húmedo, normalmente por encima del 90% de humedad relativa durante la parte más fría de la noche. Esta humedad puede acumularse en el edificio durante la noche, lo que provoca un aumento de la humedad durante el día que provoca problemas de comodidad e incluso la aparición de moho.

Enfriamiento radiativo

En el estudio de la transferencia de calor , el enfriamiento radiativo [23] [24] es el proceso por el cual un cuerpo pierde calor por radiación térmica . Como describe la ley de Planck , todo cuerpo físico emite de manera espontánea y continua radiación electromagnética .

El enfriamiento radiativo se ha aplicado en varios contextos a lo largo de la historia de la humanidad, incluida la fabricación de hielo en India e Irán , [25] escudos térmicos para naves espaciales, [26] y en arquitectura. [27] En 2014, un avance científico en el uso de metamateriales fotónicos hizo posible el enfriamiento radiativo diurno. [28] [29] Desde entonces se ha propuesto como una estrategia para mitigar el calentamiento local y global causado por las emisiones de gases de efecto invernadero , conocida como enfriamiento radiativo diurno pasivo . [30]
La ventana atmosférica infrarroja , frecuencias en las que la atmósfera es inusualmente transparente, es el gran bloque azulado de la derecha. Un objeto que es fluorescente en estas longitudes de onda puede enfriarse por debajo de la temperatura del aire ambiente.
Balance energético de enfriamiento radiativo en el elemento arquitectónico iraní , yakhchāl

Enfriamiento evaporativo

Un salasabil (actualmente seco) en el Fuerte Rojo de Delhi , India. Un salasabil está diseñado para maximizar el enfriamiento por evaporación; el enfriamiento, a su vez, puede usarse para impulsar la circulación del aire.

Este diseño se basa en el proceso de evaporación del agua para enfriar el aire entrante y, al mismo tiempo, aumentar la humedad relativa. Se coloca un filtro saturado en la entrada de suministro para que el proceso natural de evaporación pueda enfriar el aire de suministro. Aparte de la energía para hacer funcionar los ventiladores, el agua es el único otro recurso necesario para proporcionar acondicionamiento a los espacios interiores. La eficacia del enfriamiento por evaporación depende en gran medida de la humedad del aire exterior; el aire más seco produce más enfriamiento. Un estudio de los resultados del rendimiento de campo en Kuwait reveló que los requisitos de energía para un enfriador evaporativo son aproximadamente un 75% menores que los requisitos de energía para un acondicionador de aire compacto convencional. [31] En cuanto al confort interior, un estudio descubrió que el enfriamiento por evaporación redujo la temperatura del aire interior en 9,6 °C en comparación con la temperatura exterior. [32] Un innovador sistema pasivo utiliza agua evaporada para enfriar el techo de modo que una parte importante del calor solar no ingrese al interior. [33]

El antiguo Egipto utilizaba refrigeración por evaporación; [13] por ejemplo, se colgaban juncos en las ventanas y se humedecían con agua corriente. [34]

La evaporación del suelo y la transpiración de las plantas también proporcionan refrigeración; el agua liberada por la planta se evapora. Los jardines y las plantas en macetas se utilizan para impulsar la refrigeración, como en el hortus de una domus , el tsubo-niwa de una machiya , etc.

Acoplamiento a tierra

Un qanat y un captador de viento que se utilizan como conducto de tierra, tanto para el acoplamiento a tierra como para la refrigeración por evaporación. No se necesita ventilador; la succión en el lado sotavento del captador de viento hace que el aire suba y salga.

El acoplamiento a tierra utiliza la temperatura moderada y constante del suelo para actuar como disipador de calor y enfriar un edificio por conducción . Esta estrategia de enfriamiento pasivo es más eficaz cuando las temperaturas de la tierra son más frías que la temperatura del aire ambiente, como en climas cálidos.

En edificios convencionales

Existen "recubrimientos para techos inteligentes" y "ventanas inteligentes" que permiten enfriar el ambiente y calentarlo cuando las temperaturas son bajas. [36] [37] La ​​formulación de pintura más blanca puede reflejar hasta el 98,1 % de la luz solar. [38]

Véase también

Referencias

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