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La ganancia solar (también conocida como ganancia de calor solar o ganancia solar pasiva ) es el aumento de energía térmica de un espacio, objeto o estructura a medida que absorbe la radiación solar incidente . La cantidad de ganancia solar que experimenta un espacio es función de la irradiancia solar incidente total y de la capacidad de cualquier material intermedio para transmitir o resistir la radiación.
Los objetos impactados por la luz solar absorben sus componentes visibles e infrarrojos de onda corta, aumentan su temperatura y luego vuelven a irradiar ese calor en longitudes de onda infrarrojas más largas . Aunque los materiales de construcción transparentes, como el vidrio, permiten que la luz visible pase casi sin obstáculos, una vez que los materiales del interior convierten esa luz en radiación infrarroja de onda larga, no puede escapar a través de la ventana, ya que el vidrio es opaco a esas longitudes de onda más largas. El calor atrapado provoca así una ganancia solar a través de un fenómeno conocido como efecto invernadero . En los edificios, la ganancia solar excesiva puede provocar un sobrecalentamiento dentro de un espacio, pero también puede utilizarse como estrategia de calefacción pasiva cuando se desea calor. [1]
La ganancia solar se aborda con mayor frecuencia en el diseño y selección de ventanas y puertas. Debido a esto, las métricas más comunes para cuantificar la ganancia solar se utilizan como forma estándar de informar las propiedades térmicas de los conjuntos de ventanas. En los Estados Unidos, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado ( ASHRAE ), [2] y el Consejo Nacional de Calificación de Fenestración (NFRC) [3] mantienen estándares para el cálculo y medición de estos valores.
El coeficiente de sombreado (SC) es una medida del rendimiento térmico radiativo de una unidad de vidrio (panel o ventana) en un edificio . Se define como la relación entre la radiación solar en una determinada longitud de onda y ángulo de incidencia que pasa a través de una unidad de vidrio y la radiación que pasaría a través de una ventana de referencia de vidrio flotado transparente sin marco de 3 milímetros (0,12 pulgadas). [3] Dado que las cantidades comparadas son funciones tanto de la longitud de onda como del ángulo de incidencia, el coeficiente de sombreado para un conjunto de ventana generalmente se informa para una única longitud de onda típica de la radiación solar que ingresa normal al plano del vidrio. Esta cantidad incluye tanto la energía que se transmite directamente a través del vidrio como la energía que es absorbida por el vidrio y el marco y reirradiada al espacio, y viene dada por la siguiente ecuación: [4]
Aquí, λ es la longitud de onda de la radiación y θ es el ángulo de incidencia. "T" es la transmisividad del vidrio, "A" es su absortividad y "N" es la fracción de energía absorbida que se reemite al espacio. Por tanto, el coeficiente de sombreado global viene dado por la relación:
El coeficiente de sombreado depende de las propiedades de radiación del conjunto de ventana. Estas propiedades son la transmisividad "T", la absortividad "A", la emisividad (que es igual a la absortividad para cualquier longitud de onda determinada) y la reflectividad , todas las cuales son cantidades adimensionales que en conjunto suman 1. [4] Factores como el color , El tinte y los revestimientos reflectantes afectan estas propiedades, lo que impulsó el desarrollo del coeficiente de sombreado como factor de corrección para tener en cuenta esto. La tabla de factores de ganancia de calor solar de ASHRAE [2] proporciona la ganancia de calor solar esperada para vidrio flotado transparente de ⅛” en diferentes latitudes, orientaciones y momentos, que se puede multiplicar por el coeficiente de sombreado para corregir las diferencias en las propiedades de radiación. El valor del coeficiente de sombreado varía de 0 a 1. Cuanto menor sea el índice, menos calor solar se transmite a través del vidrio y mayor será su capacidad de sombreado.
Además de las propiedades del vidrio, en el cálculo del SC también se incluyen los dispositivos de protección solar integrados en el conjunto de la ventana. Dichos dispositivos pueden reducir el coeficiente de sombreado bloqueando partes del acristalamiento con material opaco o translúcido, reduciendo así la transmisividad general. [5]
Los métodos de diseño de ventanas se han alejado del coeficiente de sombreado y se han acercado al coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC), que se define como la fracción de la radiación solar incidente que realmente ingresa a un edificio a través de todo el conjunto de la ventana como ganancia de calor (no solo la porción de vidrio). ). El método estándar para calcular el SHGC también utiliza un método más realista longitud de onda por longitud de onda, en lugar de simplemente proporcionar un coeficiente para una sola longitud de onda como lo hace el coeficiente de sombreado. [4] Aunque el coeficiente de sombreado todavía se menciona en la literatura de productos del fabricante y en algunos programas informáticos de la industria, [6] ya no se menciona como una opción en textos específicos de la industria [2] o códigos de construcción de modelos. [7] Aparte de sus imprecisiones inherentes, otra deficiencia del SC es su nombre contrario a la intuición, que sugiere que los valores altos equivalen a un sombreado alto cuando en realidad es todo lo contrario. Los expertos técnicos de la industria reconocieron las limitaciones del SC y presionaron hacia el SHGC en los Estados Unidos (y el valor g análogo en Europa) antes de principios de los años 1990. [8]
Una conversión de SC a SHGC no es necesariamente sencilla, ya que cada uno tiene en cuenta diferentes mecanismos y rutas de transferencia de calor (ensamblaje de ventana versus solo vidrio). Para realizar una conversión aproximada de SC a SHGC, multiplique el valor de SC por 0,87. [3]
El valor g (a veces también llamado factor solar o transmitancia de energía solar total) es el coeficiente comúnmente utilizado en Europa para medir la transmitancia de energía solar de las ventanas. A pesar de tener diferencias menores en los estándares de modelado en comparación con el SHGC, los dos valores son efectivamente los mismos. Un valor g de 1,0 representa la transmitancia total de toda la radiación solar, mientras que 0,0 representa una ventana sin transmitancia de energía solar. Sin embargo, en la práctica, la mayoría de los valores g oscilarán entre 0,2 y 0,7, y el acristalamiento de control solar tendrá un valor g inferior a 0,5. [9]
SHGC es el sucesor del coeficiente de sombreado utilizado en los Estados Unidos y es la relación entre la radiación solar transmitida y la radiación solar incidente de un conjunto de ventana completo. Varía de 0 a 1 y se refiere a la transmitancia de energía solar de una ventana o puerta en su conjunto, teniendo en cuenta el vidrio, el material del marco, la hoja (si está presente), las barras de luz divididas (si están presentes) y las pantallas (si están presentes). [3] La transmitancia de cada componente se calcula de manera similar al coeficiente de sombreado. Sin embargo, a diferencia del coeficiente de sombreado, la ganancia solar total se calcula longitud de onda por longitud de onda, donde la parte transmitida directamente del coeficiente de ganancia de calor solar viene dada por: [4]
Aquí está la transmitancia espectral a una longitud de onda determinada en nanómetros y es la irradiancia espectral solar incidente. Cuando se integra en las longitudes de onda de la radiación solar de onda corta, produce la fracción total de energía solar transmitida en todas las longitudes de onda solares. El producto es, por tanto, la porción de energía absorbida y reemitida por todos los componentes del conjunto, más allá del vidrio. Es importante señalar que el SHGC estándar se calcula sólo para un ángulo de incidencia normal a la ventana. Sin embargo, esto tiende a proporcionar una buena estimación en una amplia gama de ángulos, hasta 30 grados de lo normal en la mayoría de los casos. [3]
SHGC puede estimarse mediante modelos de simulación o medirse registrando el flujo de calor total a través de una ventana con una cámara calorimétrica. En ambos casos, los estándares de la NFRC describen el procedimiento para el procedimiento de prueba y el cálculo del SHGC. [10] Para fenestración dinámica o sombreado operable, cada estado posible puede ser descrito por un SHGC diferente.
Aunque el SHGC es más realista que el SC, ambos son sólo aproximaciones aproximadas cuando incluyen elementos complejos como dispositivos de protección solar, que ofrecen un control más preciso sobre cuándo la fenestración se protege de la ganancia solar que los tratamientos con vidrio. [5]
Además de las ventanas, las paredes y los tejados también sirven como vías para la captación de energía solar. En estos componentes, la transferencia de calor se debe enteramente a la absorbancia, la conducción y la rerradiación, ya que toda transmitancia está bloqueada en materiales opacos. La métrica principal en componentes opacos es el índice de reflectancia solar, que representa tanto la reflectancia solar (albedo) como la emitancia de una superficie. [11] Los materiales con un SRI alto reflejarán y emitirán la mayor parte de la energía térmica, manteniéndolos más fríos que otros acabados exteriores. Esto es muy importante en el diseño de tejados, ya que los materiales oscuros para tejados a menudo pueden estar hasta 50 °C más calientes que la temperatura del aire circundante, lo que provoca grandes tensiones térmicas y transferencia de calor al espacio interior. [5]
La ganancia solar puede tener efectos positivos o negativos según el clima. En el contexto del diseño de edificios solares pasivos, el objetivo del diseñador normalmente es maximizar la ganancia solar dentro del edificio en invierno (para reducir la demanda de calefacción ) y controlarla en verano (para minimizar los requisitos de refrigeración). La masa térmica se puede utilizar para igualar las fluctuaciones durante el día y, en cierta medida, entre días.
La ganancia solar incontrolada no es deseable en climas cálidos debido a su potencial de sobrecalentamiento del espacio. Para minimizar esto y reducir las cargas de refrigeración, existen varias tecnologías para reducir la ganancia solar. SHGC está influenciado por el color o tinte del vidrio y su grado de reflectividad . La reflectividad se puede modificar mediante la aplicación de óxidos metálicos reflectantes a la superficie del vidrio. El recubrimiento de baja emisividad es otra opción desarrollada más recientemente que ofrece una mayor especificidad en las longitudes de onda reflejadas y reemitidas. Esto permite que el vidrio bloquee principalmente la radiación infrarroja de onda corta sin reducir en gran medida la transmitancia visible . [3]
En el diseño sensible al clima para climas fríos y mixtos , las ventanas generalmente tienen un tamaño y una ubicación que permitan obtener ganancias de calor solar durante la temporada de calefacción. Con ese fin, a menudo se utilizan acristalamientos con un coeficiente de ganancia de calor solar relativamente alto para no bloquear las ganancias de calor solar, especialmente en el lado soleado de la casa. SHGC también disminuye con la cantidad de paneles de vidrio utilizados en una ventana. Por ejemplo, en ventanas de triple acristalamiento , SHGC tiende a estar en el rango de 0,33 - 0,47. Para ventanas de doble acristalamiento, SHGC suele estar en el rango de 0,42 a 0,55.
Se pueden usar diferentes tipos de vidrio para aumentar o disminuir la ganancia de calor solar a través de ventanas, pero también se pueden ajustar con mayor precisión mediante la orientación adecuada de las ventanas y mediante la adición de dispositivos de protección solar como voladizos , persianas , aletas, porches y otros. Elementos arquitectónicos de sombreado.
La calefacción solar pasiva es una estrategia de diseño que intenta maximizar la cantidad de ganancia solar en un edificio cuando se desea calefacción adicional. Se diferencia de la calefacción solar activa que utiliza tanques de agua exteriores con bombas para absorber la energía solar porque los sistemas solares pasivos no requieren energía para bombear y almacenan calor directamente en las estructuras y acabados del espacio ocupado. [12]
En los sistemas de ganancia solar directa, la composición y el revestimiento del acristalamiento del edificio también se pueden manipular para aumentar el efecto invernadero optimizando sus propiedades de radiación, mientras que su tamaño, posición y sombreado se pueden utilizar para optimizar la ganancia solar. La ganancia solar también se puede transferir al edificio mediante sistemas de ganancia solar indirectos o aislados.
Los diseños solares pasivos suelen emplear grandes ventanas orientadas al ecuador con un alto SHGC y voladizos que bloquean la luz solar en los meses de verano y le permiten entrar por la ventana en invierno. Cuando se colocan en el camino de la luz solar admitida, las características de alta masa térmica, como losas de concreto o paredes trombe, almacenan grandes cantidades de radiación solar durante el día y la liberan lentamente en el espacio durante la noche. [13] Cuando se diseña correctamente, esto puede modular las fluctuaciones de temperatura. Algunas de las investigaciones actuales en esta área temática abordan el equilibrio entre masa térmica opaca para almacenamiento y acristalamiento transparente para recolección mediante el uso de materiales transparentes de cambio de fase que admiten luz y almacenan energía sin la necesidad de un peso excesivo. [14]
