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.
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 que tienen como objetivo proporcionar protección y/o prevención de ganancias de calor externas e internas.
Técnicas de modulación y disipación de calor que permiten al edificio almacenar y disipar la ganancia de calor mediante la transferencia de calor desde los disipadores de calor al clima. Esta técnica puede ser el resultado de la masa térmica o del enfriamiento natural.
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]
Microclima y diseño del sitio - Teniendo en cuenta el clima local y el contexto del sitio, se pueden seleccionar estrategias de enfriamiento específicas para aplicar que sean las más apropiadas para evitar el sobrecalentamiento a través de la envoltura del edificio. El microclima puede desempeñar un papel importante en la determinación de la ubicación más favorable del edificio mediante el análisis de la disponibilidad combinada de sol y viento. El mapa bioclimático, el diagrama solar y la rosa de los vientos son herramientas de análisis relevantes en la aplicación de esta técnica. [8]
Control solar : un sistema de sombreado diseñado adecuadamente puede contribuir de manera eficaz a minimizar las ganancias de calor solar . El sombreado de las superficies transparentes y opacas de la envolvente del edificio minimizará la cantidad de radiación solar que induce el sobrecalentamiento tanto en los espacios interiores como en la estructura del edificio. Al sombrear la estructura del edificio, se reducirá la ganancia de calor capturada a través de las ventanas y la envolvente.
Forma y distribución del edificio : la orientación del edificio y una distribución optimizada de los espacios interiores pueden evitar el sobrecalentamiento. Las habitaciones se pueden dividir en zonas dentro de los edificios para rechazar las fuentes de ganancia de calor interna y/o asignar las ganancias de calor donde puedan ser útiles, considerando las diferentes actividades del edificio. Por ejemplo, la creación de un plano horizontal aumentará la eficacia de la ventilación cruzada en todo el plano. La ubicación de las zonas verticalmente puede aprovechar la estratificación de la temperatura. Por lo general, las zonas del edificio en los niveles superiores son más cálidas que las zonas inferiores debido a la estratificación. La zonificación vertical de los espacios y las actividades utiliza esta estratificación de temperatura para acomodar los usos de la zona según sus requisitos de temperatura. [8] El factor de forma (es decir, la relación entre el volumen y la superficie) también juega un papel importante en el perfil energético y térmico del edificio. Esta relación se puede utilizar para dar forma a la forma del edificio según el clima local específico. Por ejemplo, las formas más compactas tienden a conservar más calor que las formas menos compactas porque la relación entre las cargas internas y el área de la envoltura es significativa. [9] [10]
Aislamiento térmico : el aislamiento en la envolvente del edificio reducirá la cantidad de calor transferido por radiación a través de las fachadas. Este principio se aplica tanto a las superficies opacas (paredes y techo) como a las transparentes (ventanas) de la envolvente. Dado que los techos pueden contribuir en mayor medida a la carga térmica interior, especialmente en construcciones más ligeras (por ejemplo, edificios y talleres con techos hechos de estructuras metálicas), proporcionar aislamiento térmico puede reducir eficazmente la transferencia de calor desde el techo.
Patrones de comportamiento y ocupación : Algunas políticas de gestión de edificios, como limitar el número de personas en una zona determinada del edificio, también pueden contribuir de forma eficaz a la minimización de las ganancias de calor en el interior de un edificio. Los ocupantes del edificio también pueden contribuir a la prevención del sobrecalentamiento en interiores apagando las luces y los equipos de los espacios desocupados, utilizando persianas cuando sea necesario para reducir las ganancias de calor solar a través de las ventanas o vistiendo ropa más ligera para adaptarse mejor al entorno interior aumentando su tolerancia al confort térmico.
Control de ganancia interna : la iluminación y los equipos electrónicos más eficientes energéticamente tienden a liberar menos energía, lo que contribuye a menores cargas de calor internas dentro del espacio.
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]
Masa térmica: la modulación de la ganancia de calor de un espacio interior se puede lograr mediante el uso adecuado de la masa térmica del edificio como disipador de calor. La masa térmica absorberá y almacenará calor durante las horas diurnas y lo devolverá al espacio en un momento posterior. [1] La masa térmica se puede combinar con una estrategia de enfriamiento natural de ventilación nocturna si no se desea el calor almacenado que se entregará al espacio durante la tarde/noche.
Refrigeración natural : la refrigeración natural se refiere al uso de ventilación o disipadores de calor naturales para disipar el calor de los espacios interiores. La refrigeración natural se puede dividir en cinco categorías diferentes: ventilación, lavado nocturno, refrigeración radiativa , [12] refrigeración evaporativa y acoplamiento a tierra .
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.
Ventilación cruzada : la estrategia de ventilación cruzada se basa en el paso del viento a través del edificio con el fin de enfriar a los ocupantes. La ventilación cruzada requiere aberturas en dos lados del espacio, llamadas entrada y salida. El tamaño y la ubicación de las entradas y salidas de ventilación determinarán la dirección y la velocidad de la ventilación cruzada a través del edificio. Por lo general, también se debe proporcionar un área igual (o mayor) de aberturas de salida para proporcionar una ventilación cruzada adecuada. [14]
Ventilación por chimenea : la ventilación cruzada es una estrategia de refrigeración eficaz, sin embargo, el viento es un recurso poco fiable. La ventilación por chimenea es una estrategia de diseño alternativa que se basa en la flotabilidad del aire caliente para ascender y salir por aberturas ubicadas a la altura del techo. El aire exterior más frío reemplaza el aire caliente ascendente a través de entradas cuidadosamente diseñadas ubicadas cerca del piso.
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 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:
Lavado nocturno natural mediante la apertura de ventanas durante la noche, permitiendo que el flujo de aire impulsado por el viento o la flotabilidad enfríe el espacio y luego cerrando las ventanas durante el día. [21]
Lavado mecánico nocturno mediante la fuerza del aire a través de conductos de ventilación durante la noche a un alto caudal de aire y el suministro de aire al espacio durante el día a un caudal de aire mínimo requerido por el código. [16]
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.
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.
El acoplamiento directo o el aislamiento térmico se produce cuando un edificio utiliza tierra como amortiguador para las paredes. La tierra actúa como disipador de calor y puede mitigar eficazmente las temperaturas extremas. El aislamiento térmico mejora el rendimiento de las envolventes del edificio al reducir las pérdidas de calor y también reduce las ganancias de calor al limitar la infiltración. [35]
El acoplamiento indirecto significa que un edificio está acoplado a la tierra por medio de conductos de tierra. Un conducto de tierra es un tubo enterrado que actúa como vía para que el aire de suministro viaje a través de él antes de ingresar al edificio. El aire de suministro se enfría mediante transferencia de calor conductiva entre los tubos y el suelo circundante. Por lo tanto, los conductos de tierra no funcionarán bien como fuente de enfriamiento a menos que la temperatura del suelo sea inferior a la temperatura deseada del aire de la habitación. [35] Los conductos de tierra generalmente requieren tubos largos para enfriar el aire de suministro a una temperatura adecuada antes de ingresar al edificio. Se requiere un ventilador para extraer el aire del conducto de tierra hacia el edificio. Algunos de los factores que afectan el rendimiento de un conducto de tierra son: longitud del conducto, número de curvas, grosor de la pared del conducto, profundidad del conducto, diámetro del conducto y velocidad del aire.
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]
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