En el diseño de edificios solares pasivos , las ventanas, paredes y pisos están hechos para recolectar, almacenar, reflejar y distribuir la energía solar , en forma de calor en invierno y rechazar el calor solar en verano. Esto se denomina diseño solar pasivo porque, a diferencia de los sistemas de calefacción solar activos , no implica el uso de dispositivos mecánicos y eléctricos. [1]
La clave para diseñar un edificio solar pasivo es aprovechar mejor el clima local realizando un análisis preciso del sitio . Los elementos a considerar incluyen la ubicación y el tamaño de las ventanas, el tipo de acristalamiento , el aislamiento térmico , la masa térmica y las sombras. [2] Las técnicas de diseño solar pasivo se pueden aplicar más fácilmente a edificios nuevos, pero los edificios existentes se pueden adaptar o "reequipar".
Las tecnologías solares pasivas utilizan la luz solar sin sistemas mecánicos activos (a diferencia de la solar activa , que utiliza colectores térmicos ). Estas tecnologías convierten la luz solar en calor utilizable (en agua, aire y masa térmica), provocan el movimiento del aire para ventilación o uso futuro, con poco uso de otras fuentes de energía. Un ejemplo común es un solárium en el lado ecuatorial de un edificio. El enfriamiento pasivo es el uso de principios de diseño similares para reducir los requisitos de enfriamiento en verano.
Algunos sistemas pasivos utilizan una pequeña cantidad de energía convencional para controlar compuertas, contraventanas, aislamiento nocturno y otros dispositivos que mejoran la recolección, el almacenamiento y el uso de la energía solar, y reducen la transferencia de calor no deseada .
Las tecnologías solares pasivas incluyen ganancia solar directa e indirecta para calefacción de espacios, sistemas solares de calentamiento de agua basados en termosifón , uso de masa térmica y materiales de cambio de fase para frenar los cambios de temperatura del aire interior, cocinas solares , chimenea solar para mejorar la ventilación natural y refugio de la tierra .
En términos más generales, las tecnologías solares incluyen el horno solar , pero esto generalmente requiere algo de energía externa para alinear sus espejos o receptores de concentración, e históricamente no han demostrado ser prácticos ni rentables para un uso generalizado. Las necesidades energéticas de "baja calidad", como la calefacción de espacios y de agua, han demostrado con el tiempo que son mejores aplicaciones para el uso pasivo de la energía solar.
La base científica para el diseño de edificios solares pasivos se ha desarrollado a partir de una combinación de climatología , termodinámica (particularmente transferencia de calor : conducción (calor) , convección y radiación electromagnética ), mecánica de fluidos / convección natural (movimiento pasivo de aire y agua sin el uso de electricidad, ventiladores o bombas), y el confort térmico humano basado en el índice de calor , la psicrometría y el control de entalpía para edificios destinados a ser habitados por humanos o animales, solarios , solariums e invernaderos para el cultivo de plantas.
La atención específica se divide en: el sitio, la ubicación y la orientación solar del edificio, la trayectoria solar local , el nivel predominante de insolación ( latitud /sol/nubes/ precipitación ), diseño y calidad/materiales de construcción, ubicación/tamaño/tipo de ventanas. y muros, e incorporación de masa térmica acumuladora de energía solar con capacidad calorífica .
Si bien estas consideraciones pueden dirigirse a cualquier edificio, lograr una solución ideal de costo/rendimiento optimizada requiere una ingeniería de integración de sistemas cuidadosa y holística de estos principios científicos. Los refinamientos modernos a través de modelos informáticos (como el completo software de simulación energética de edificios "Energy Plus" [3] del Departamento de Energía de EE. UU .) y la aplicación de décadas de lecciones aprendidas (desde la crisis energética de la década de 1970 ) pueden lograr importantes ahorros de energía y una reducción de los daños ambientales. daños, sin sacrificar la funcionalidad o la estética. [4] De hecho, las características de diseño solar pasivo, como un invernadero/terraza acristalada/solarium, pueden mejorar en gran medida la habitabilidad, la luz natural, las vistas y el valor de una casa, a un bajo costo por unidad de espacio.
Se ha aprendido mucho sobre el diseño de edificios solares pasivos desde la crisis energética de los años 1970. Muchos costosos experimentos de construcción, no científicos y basados en la intuición, han intentado y fracasado en lograr la energía cero : la eliminación total de las facturas de energía de calefacción y refrigeración.
La construcción de un edificio solar pasivo puede no ser difícil ni costosa (utilizando materiales y tecnología disponibles disponibles en el mercado), pero el diseño científico del edificio solar pasivo es un esfuerzo de ingeniería no trivial que requiere un estudio significativo de las lecciones aprendidas previas, contrarias a la intuición, y tiempo para ingresar, evaluar y refinar iterativamente la entrada y salida de la simulación .
Una de las herramientas de evaluación posterior a la construcción más útiles ha sido el uso de la termografía mediante cámaras termográficas digitales para una auditoría energética científica cuantitativa formal . Las imágenes térmicas se pueden utilizar para documentar áreas de bajo rendimiento térmico, como el impacto térmico negativo del vidrio en ángulo del techo o una claraboya en una fría noche de invierno o un caluroso día de verano.
Las lecciones científicas aprendidas durante las últimas tres décadas han sido capturadas en sofisticados sistemas de software integrales de simulación energética de edificios (como el US DOE Energy Plus).
El diseño científico de edificios solares pasivos con optimización cuantitativa del producto en términos de costos y beneficios no es fácil para un principiante. El nivel de complejidad ha resultado en una mala arquitectura continua y en muchos experimentos de construcción no científicos basados en la intuición que decepcionan a sus diseñadores y desperdician una parte importante de su presupuesto de construcción en ideas inapropiadas. [5]
La motivación económica para el diseño y la ingeniería científicos es significativa. Si se hubiera aplicado integralmente a la construcción de nuevos edificios a partir de 1980 (basándose en las lecciones aprendidas en los años 1970), Estados Unidos podría estar ahorrando hoy más de 250.000.000 de dólares al año en energía costosa y contaminación relacionada. [5]
Desde 1979, el diseño de edificios solares pasivos ha sido un elemento fundamental para lograr la energía cero mediante experimentos de instituciones educativas y gobiernos de todo el mundo, incluido el Departamento de Energía de EE. UU., y los científicos de investigación energética que han apoyado durante décadas. La prueba de concepto rentable se estableció hace décadas, pero el cambio cultural en la arquitectura, los oficios de la construcción y la toma de decisiones de los propietarios de edificios ha sido muy lento y difícil. [5]
Se están agregando nuevas materias, como ciencias y tecnología arquitectónicas , a algunas escuelas de arquitectura, con el objetivo futuro de enseñar los principios científicos y de ingeniería energética mencionados anteriormente. [ cita necesaria ]
La capacidad de alcanzar estos objetivos simultáneamente depende fundamentalmente de las variaciones estacionales en la trayectoria del sol a lo largo del día.
Esto ocurre como consecuencia de la inclinación del eje de rotación de la Tierra con respecto a su órbita . La trayectoria del sol es única para cualquier latitud determinada.
En latitudes no tropicales del hemisferio norte a más de 23,5 grados del ecuador:
Lo contrario se observa en el hemisferio sur, pero el sol sale por el este y se pone hacia el oeste independientemente del hemisferio en el que te encuentres.
En las regiones ecuatoriales con temperaturas inferiores a 23,5 grados, la posición del sol al mediodía solar oscilará de norte a sur y viceversa durante el año. [7]
En regiones a menos de 23,5 grados de cualquier polo norte o sur, durante el verano el sol trazará un círculo completo en el cielo sin ponerse, mientras que nunca aparecerá sobre el horizonte seis meses después, durante el apogeo del invierno. [8]
La diferencia de 47 grados en la altitud del sol al mediodía entre invierno y verano constituye la base del diseño solar pasivo. Esta información se combina con los datos climáticos locales ( grados día ) y los requisitos de calefacción y refrigeración para determinar en qué época del año la ganancia solar será beneficiosa para el confort térmico y cuándo se debe bloquear con sombra. Mediante la colocación estratégica de elementos como dispositivos de vidriado y sombreado, se puede controlar el porcentaje de ganancia solar que ingresa a un edificio durante todo el año.
Un problema de diseño pasivo de la trayectoria solar es que, aunque el sol está en la misma posición relativa seis semanas antes y seis semanas después del solsticio, debido al "retraso térmico" de la masa térmica de la Tierra, los requisitos de temperatura y ganancia solar son bastante diferentes antes y después del solsticio de verano o de invierno. Las contraventanas móviles, las cortinas, las pantallas de sombra o las colchas para ventanas pueden adaptarse a los requisitos de aislamiento y ganancia solar del día a día y de cada hora.
Careful arrangement of rooms completes the passive solar design. A common recommendation for residential dwellings is to place living areas facing solar noon and sleeping quarters on the opposite side.[9] A heliodon is a traditional movable light device used by architects and designers to help model sun path effects. In modern times, 3D computer graphics can visually simulate this data, and calculate performance predictions.[4]
Personal thermal comfort is a function of personal health factors (medical, psychological, sociological and situational), ambient air temperature, mean radiant temperature, air movement (wind chill, turbulence) and relative humidity (affecting human evaporative cooling). Heat transfer in buildings occurs through convection, conduction, and thermal radiation through roof, walls, floor and windows.[10]
Convective heat transfer can be beneficial or detrimental. Uncontrolled air infiltration from poor weatherization / weatherstripping / draft-proofing can contribute up to 40% of heat loss during winter;[11] however, strategic placement of operable windows or vents can enhance convection, cross-ventilation, and summer cooling when the outside air is of a comfortable temperature and relative humidity.[12] Filtered energy recovery ventilation systems may be useful to eliminate undesirable humidity, dust, pollen, and microorganisms in unfiltered ventilation air.
Natural convection causing rising warm air and falling cooler air can result in an uneven stratification of heat. This may cause uncomfortable variations in temperature in the upper and lower conditioned space, serve as a method of venting hot air, or be designed in as a natural-convection air-flow loop for passive solar heat distribution and temperature equalization. Natural human cooling by perspiration and evaporation may be facilitated through natural or forced convective air movement by fans, but ceiling fans can disturb the stratified insulating air layers at the top of a room, and accelerate heat transfer from a hot attic, or through nearby windows. In addition, high relative humidity inhibits evaporative cooling by humans.
La principal fuente de transferencia de calor es la energía radiante y la fuente principal es el sol. La radiación solar se produce principalmente a través del tejado y las ventanas (pero también a través de las paredes). La radiación térmica pasa de una superficie más cálida a otra más fría. Los tejados reciben la mayor parte de la radiación solar que llega a una casa. Un techo fresco o un techo verde además de una barrera radiante pueden ayudar a evitar que su ático se caliente más que la temperatura máxima del aire exterior en verano [13] (consulte albedo , absortividad , emisividad y reflectividad ).
Las ventanas son un lugar preparado y predecible para la radiación térmica . [14] La energía de la radiación puede entrar en una ventana durante el día y salir por la misma ventana durante la noche. La radiación utiliza fotones para transmitir ondas electromagnéticas a través de un vacío o medio translúcido. La ganancia de calor solar puede ser significativa incluso en días fríos y despejados. La ganancia de calor solar a través de las ventanas se puede reducir mediante acristalamiento aislante , sombreado y orientación. Las ventanas son particularmente difíciles de aislar en comparación con el techo y las paredes. La transferencia de calor por convección a través y alrededor de las cortinas de ventanas también degrada sus propiedades de aislamiento. [14] Al dar sombra a las ventanas, el sombreado externo es más efectivo para reducir la ganancia de calor que las cubiertas internas para ventanas . [14]
El sol occidental y oriental puede proporcionar calidez e iluminación, pero son vulnerables al sobrecalentamiento en verano si no hay sombra. Por el contrario, el sol bajo del mediodía admite fácilmente luz y calor durante el invierno, pero se puede dar sombra fácilmente con voladizos de longitud adecuada o persianas en ángulo durante el verano y árboles con hojas de sombra en verano que mudan sus hojas en el otoño. La cantidad de calor radiante recibido está relacionada con la latitud del lugar , la altitud , la cobertura de nubes y el ángulo de incidencia estacional/horario (ver trayectoria del Sol y ley del coseno de Lambert ).
Otro principio de diseño solar pasivo es que la energía térmica se puede almacenar en ciertos materiales de construcción y liberarse nuevamente cuando la ganancia de calor disminuye para estabilizar las variaciones de temperatura diurnas (día/noche). La compleja interacción de los principios termodinámicos puede resultar contradictoria para los diseñadores primerizos. El modelado informático preciso puede ayudar a evitar costosos experimentos de construcción.
La cantidad precisa de vidrio orientado al ecuador y de masa térmica debe basarse en una cuidadosa consideración de la latitud, la altitud, las condiciones climáticas y los requisitos de grados día de calefacción/refrigeración .
Factores que pueden degradar el rendimiento térmico:
Técnicamente, PSH es muy eficiente. Los sistemas de ganancia directa pueden utilizar (es decir, convertir en calor "útil") entre el 65% y el 70% de la energía de la radiación solar que incide en la apertura o el colector.
La fracción solar pasiva (PSF) es el porcentaje de la carga de calor requerida que cubre la PSH y, por lo tanto, representa una reducción potencial en los costos de calefacción. RETScreen International ha informado un PSF del 20 al 50%. Dentro del campo de la sostenibilidad , se considera sustancial una conservación de energía incluso del orden del 15%.
Otras fuentes informan los siguientes PSF:
En climas favorables como el suroeste de los Estados Unidos, los sistemas altamente optimizados pueden superar el 75 % del PSF. [19]
Para obtener más información, consulte Calor solar del aire.
Hay tres configuraciones distintas de energía solar pasiva, [20] y al menos un híbrido digno de mención de estas configuraciones básicas:
En un sistema solar pasivo de ganancia directa , el espacio interior actúa como colector solar, absorbente de calor y sistema de distribución. El vidrio orientado al sur en el hemisferio norte (orientado al norte en el hemisferio sur) admite energía solar en el interior del edificio donde calienta directamente (absorción de energía radiante) o calienta indirectamente (mediante convección) la masa térmica del edificio, como el hormigón o la mampostería. pisos y paredes. Los suelos y paredes que actúan como masa térmica se incorporan como partes funcionales del edificio y moderan la intensidad de la calefacción durante el día. Por la noche, la masa térmica calentada irradia calor al espacio interior. [20]
En climas fríos, un edificio templado por el sol es el tipo más básico de configuración solar pasiva de ganancia directa que simplemente implica aumentar (ligeramente) el área acristalada orientada al sur, sin agregar masa térmica adicional. Es un tipo de sistema de ganancia directa en el que la envolvente del edificio está bien aislada, es alargada en dirección este-oeste y tiene una gran fracción (~80% o más) de las ventanas en el lado sur. Tiene poca masa térmica adicional más allá de la que ya hay en el edificio (es decir, solo marcos, paneles de pared, etc.). En un edificio protegido por el sol, el área de las ventanas orientadas al sur debe limitarse a aproximadamente del 5 al 7% del área total del piso, menos en un clima soleado, para evitar el sobrecalentamiento. Sólo se puede incluir acristalamiento adicional orientado al sur si se agrega más masa térmica. Los ahorros de energía son modestos con este sistema y el templado solar tiene un costo muy bajo. [20]
En los verdaderos sistemas solares pasivos de ganancia directa , se requiere suficiente masa térmica para evitar grandes fluctuaciones de temperatura en el aire interior; Se requiere más masa térmica que en un edificio templado por el sol. El sobrecalentamiento del interior del edificio puede deberse a una masa térmica insuficiente o mal diseñada. Aproximadamente entre la mitad y dos tercios de la superficie interior de los pisos, paredes y techos deben estar construidos con materiales de almacenamiento térmico. Los materiales de almacenamiento térmico pueden ser hormigón, adobe, ladrillo y agua. La masa térmica en pisos y paredes debe mantenerse tan desnuda como sea funcional y estéticamente posible; La masa térmica necesita estar expuesta a la luz solar directa. Deben evitarse las alfombras de pared a pared, las alfombras grandes, los muebles amplios y los tapices grandes.
Normalmente, por cada 1 pie 2 de vidrio orientado al sur, se requieren alrededor de 5 a 10 pies 3 de masa térmica (1 m 3 por 5 a 10 m 2 ). Cuando se tienen en cuenta muebles y revestimientos de paredes y pisos de mínimos a promedio, esto generalmente equivale a aproximadamente de 5 a 10 pies 2 por pie 2 (5 a 10 m 2 por m 2 ) de vidrio orientado al sur, dependiendo de si la luz del sol incide. la superficie directamente. La regla general más simple es que el área de masa térmica debe tener un área de 5 a 10 veces el área de superficie del área del colector de ganancia directa (vidrio). [20]
La masa térmica sólida (p. ej., hormigón, mampostería, piedra, etc.) debe ser relativamente delgada, no más de aproximadamente 4 pulgadas (100 mm) de espesor. Las masas térmicas con grandes áreas expuestas y aquellas a la luz solar directa durante al menos parte del día (mínimo 2 horas) funcionan mejor. Los colores medios a oscuros con alta capacidad de absorción deben usarse en superficies de elementos de masa térmica que estarán expuestos a la luz solar directa. La masa térmica que no está en contacto con la luz solar puede ser de cualquier color. Los elementos livianos (por ejemplo, paredes y techos de paneles de yeso) pueden ser de cualquier color. Cubrir el acristalamiento con paneles aislantes móviles y ajustados durante los períodos oscuros, nublados y durante las horas nocturnas mejorará en gran medida el rendimiento de un sistema de ganancia directa. El agua contenida en un recipiente de plástico o metal y expuesta a la luz solar directa se calienta más rápida y uniformemente que la masa sólida debido a la transferencia de calor por convección natural. El proceso de convección también evita que las temperaturas de la superficie sean demasiado extremas, como ocurre a veces cuando superficies de masas sólidas de colores oscuros reciben luz solar directa.
Dependiendo del clima y de una masa térmica adecuada, el área de vidrio orientada al sur en un sistema de ganancia directa debe limitarse a aproximadamente del 10 al 20 % del área del piso (por ejemplo, de 10 a 20 pies cuadrados de vidrio para un área de piso de 100 pies cuadrados ). . Esto debe basarse en la superficie neta del vidrio o del acristalamiento. Tenga en cuenta que la mayoría de las ventanas tienen un área neta de vidrio/acristalamiento que representa entre el 75 y el 85 % del área total de la unidad de ventana. Por encima de este nivel, es probable que surjan problemas de sobrecalentamiento, deslumbramiento y decoloración de las telas. [20]
En un sistema solar pasivo de ganancia indirecta , la masa térmica ( hormigón , mampostería o agua) se ubica directamente detrás del vidrio orientado al sur y frente al espacio interior calentado, por lo que no hay calefacción directa. La posición de la masa impide que la luz del sol entre en el espacio interior y también puede obstruir la vista a través del cristal. Hay dos tipos de sistemas de ganancia indirecta: sistemas de pared con almacenamiento térmico y sistemas de estanque en techo. [20]
En un sistema de muro de almacenamiento térmico , a menudo llamado muro Trombe , se ubica un muro macizo directamente detrás de un vidrio orientado al sur, que absorbe la energía solar y la libera selectivamente hacia el interior del edificio durante la noche. El muro puede construirse con hormigón vaciado in situ, ladrillo, adobe, piedra o unidades de mampostería de hormigón macizo (o relleno). La luz del sol entra a través del vidrio y es inmediatamente absorbida en la superficie de la pared de masa y almacenada o conducida a través de la masa de material hacia el espacio interior. La masa térmica no puede absorber la energía solar tan rápido como entra en el espacio entre la masa y el área de la ventana. La temperatura del aire en este espacio puede superar fácilmente los 49 °C (120 °F). Este aire caliente se puede introducir en los espacios interiores detrás de la pared incorporando rejillas de distribución de calor en la parte superior de la pared. Este sistema de pared fue ideado y patentado por primera vez en 1881 por su inventor, Edward Morse. Felix Trombe, que a veces lleva el nombre de este sistema, fue un ingeniero francés que construyó varias casas con este diseño en los Pirineos franceses en la década de 1960.
Una pared de almacenamiento térmico generalmente consiste en una pared de mampostería de 4 a 16 pulgadas (100 a 400 mm) de espesor recubierta con un acabado oscuro que absorbe el calor (o una superficie selectiva) y cubierta con una capa simple o doble de vidrio de alta transmisividad. Por lo general, el vidrio se coloca entre 3 ⁄ 4 y 2 pulgadas de la pared para crear un pequeño espacio de aire. En algunos diseños, la masa se ubica a 0,6 m (1 a 2 pies) de distancia del vidrio, pero el espacio aún no se puede utilizar. La superficie de la masa térmica absorbe la radiación solar que incide sobre ella y la almacena para su uso nocturno. A diferencia de un sistema de ganancia directa, el sistema de pared de almacenamiento térmico proporciona calefacción solar pasiva sin área excesiva de ventanas ni deslumbramiento en los espacios interiores. Sin embargo, se elimina la posibilidad de aprovechar las vistas y la luz natural. El rendimiento de las paredes Trombe disminuye si el interior de la pared no está abierto a los espacios interiores. Los muebles, estanterías y armarios de pared instalados en la superficie interior de la pared reducirán su rendimiento.
Una pared Trombe clásica , también llamada genéricamente pared de almacenamiento térmico ventilada , tiene respiraderos operables cerca de los niveles del techo y del piso de la pared masiva que permiten que el aire interior fluya a través de ellos por convección natural. A medida que la radiación solar calienta el aire atrapado entre el vidrio y la pared y comienza a ascender. El aire ingresa al respiradero inferior, luego al espacio entre el vidrio y la pared para calentarse con la radiación solar, lo que aumenta su temperatura y hace que se eleve, y luego sale por el respiradero superior (techo) de regreso al espacio interior. Esto permite que la pared introduzca directamente aire caliente en el espacio; generalmente a una temperatura de aproximadamente 90 °F (32 °C).
Si las rejillas de ventilación se dejan abiertas durante la noche (o en días nublados), se producirá una inversión del flujo de aire convectivo, desperdiciando calor disipándolo al aire libre. Las rejillas de ventilación deben cerrarse por la noche para que el calor radiante de la superficie interior de la pared de almacenamiento caliente el espacio interior. Generalmente, las rejillas de ventilación también se cierran durante los meses de verano, cuando no es necesario ganar calor. Durante el verano, se puede abrir un conducto de escape exterior instalado en la parte superior de la pared para ventilar hacia el exterior. Esta ventilación hace que el sistema actúe como una chimenea solar que impulsa el aire a través del edificio durante el día.
Las paredes ventiladas de almacenamiento térmico con ventilación hacia el interior han demostrado ser algo ineficaces, principalmente porque generan demasiado calor durante el día en climas templados y durante los meses de verano; simplemente se sobrecalientan y crean problemas de comodidad. La mayoría de los expertos en energía solar recomendaron que las paredes de almacenamiento térmico no tengan ventilación hacia el interior.
Hay muchas variaciones del sistema de pared Trombe. Una pared de almacenamiento térmico sin ventilación (técnicamente no una pared Trombe) captura la energía solar en la superficie exterior, se calienta y conduce el calor a la superficie interior, donde se irradia desde la superficie de la pared interior al espacio interior más tarde durante el día. Un muro de agua utiliza un tipo de masa térmica que consta de tanques o tubos de agua utilizados como masa térmica.
Un típico muro de almacenamiento térmico sin ventilación consiste en un muro de mampostería o concreto orientado al sur con un material oscuro que absorbe el calor en la superficie exterior y revestido con una capa simple o doble de vidrio. El vidrio de alta transmisión maximiza las ganancias solares en la pared de masa. El vidrio se coloca de 3 ⁄ 4 a 6 pulgadas (20 a 150 mm) de la pared para crear un pequeño espacio de aire. Los marcos de vidrio suelen ser metálicos (p. ej., aluminio) porque el vinilo se ablanda y la madera se seca a la temperatura de 82 °C (180 °F) que puede existir detrás del vidrio en la pared. El calor de la luz solar que pasa a través del vidrio es absorbido por la superficie oscura, almacenado en la pared y conducido lentamente hacia el interior a través de la mampostería. Como detalle arquitectónico, el vidrio estampado puede limitar la visibilidad exterior de la pared sin sacrificar la transmisividad solar.
Una pared de agua utiliza contenedores de agua para masa térmica en lugar de una pared de masa sólida. Las paredes de agua suelen ser ligeramente más eficientes que las paredes de masa sólida porque absorben el calor de manera más eficiente debido al desarrollo de corrientes convectivas en el agua líquida a medida que se calienta. Estas corrientes provocan una mezcla rápida y una transferencia de calor al edificio más rápida que la que pueden proporcionar las paredes de masa sólida.
Las variaciones de temperatura entre las superficies de las paredes exterior e interior impulsan el calor a través de la pared de masa. En el interior del edificio, sin embargo, la ganancia de calor diurna se retrasa y sólo está disponible en la superficie interior de la masa térmica durante la noche, cuando es necesaria porque el sol se ha puesto. El desfase de tiempo es la diferencia de tiempo entre el momento en que la luz del sol incide por primera vez en la pared y el momento en que el calor ingresa al interior del edificio. El retraso de tiempo depende del tipo de material utilizado en la pared y del espesor de la pared; un mayor espesor produce un mayor desfase temporal. El desfase temporal característico de la masa térmica, combinado con la amortiguación de las fluctuaciones de temperatura, permite el uso de energía solar variable durante el día como una fuente de calor nocturna más uniforme. Las ventanas se pueden colocar en la pared por motivos estéticos o de iluminación natural, pero esto tiende a reducir un poco la eficiencia.
El espesor de una pared de almacenamiento térmico debe ser aproximadamente de 10 a 14 pulgadas (250 a 350 mm) para ladrillo, de 12 a 18 pulgadas (300 a 450 mm) para concreto, de 8 a 12 pulgadas (200 a 300 mm) para tierra/adobe. y al menos 6 pulgadas (150 mm) para agua. Estos espesores retrasan el movimiento del calor de modo que las temperaturas de la superficie interior alcanzan su punto máximo durante las últimas horas de la noche. El calor tardará entre 8 y 10 horas en llegar al interior del edificio (el calor viaja a través de una pared de concreto a una velocidad de aproximadamente una pulgada por hora). Es necesaria una buena conexión térmica entre los acabados de la pared interior (por ejemplo, paneles de yeso) y la pared de masa térmica para maximizar la transferencia de calor al espacio interior.
Aunque la posición de una pared de almacenamiento térmico minimiza el sobrecalentamiento diurno del espacio interior, un edificio bien aislado debe limitarse a aproximadamente 0,2 a 0,3 pies 2 de superficie de pared de masa térmica por pie 2 de área de piso que se calienta (0,2 a 0,3 m 2 por m 2 de superficie), dependiendo del clima. Una pared de agua debe tener aproximadamente de 0,15 a 0,2 pies 2 de superficie de pared de agua por pie 2 (0,15 a 0,2 m 2 por m 2 ) de área de piso.
Los muros de masa térmica son más adecuados para climas invernales soleados que tienen grandes oscilaciones de temperatura diurnas (día-noche) (por ejemplo, suroeste, montaña-oeste). No funcionan tan bien en climas nublados o extremadamente fríos o en climas donde no hay una gran variación de temperatura diurna. Las pérdidas térmicas nocturnas a través de la masa térmica de la pared aún pueden ser significativas en climas fríos y nublados; la pared pierde el calor almacenado en menos de un día y luego pierde calor, lo que aumenta drásticamente las necesidades de calefacción de respaldo. Cubrir el acristalamiento con paneles aislantes móviles y ajustados durante períodos prolongados de nubosidad y horas nocturnas mejorará el rendimiento de un sistema de almacenamiento térmico.
El principal inconveniente de las paredes de almacenamiento térmico es su pérdida de calor hacia el exterior. Es necesario un doble vidrio (vidrio o cualquiera de los plásticos) para reducir la pérdida de calor en la mayoría de los climas. En climas templados, se acepta un vaso único. Una superficie selectiva (superficie de alta absorción/baja emisión) aplicada a la superficie exterior de la pared de almacenamiento térmico mejora el rendimiento al reducir la cantidad de energía infrarroja irradiada a través del vidrio; Por lo general, logra una mejora similar en el rendimiento sin la necesidad de instalar y retirar diariamente paneles aislantes. Una superficie selectiva consiste en una lámina de metal pegada a la superficie exterior de la pared. Absorbe casi toda la radiación de la porción visible del espectro solar y emite muy poca en el rango infrarrojo. La alta absorbencia convierte la luz en calor en la superficie de la pared y la baja emitancia evita que el calor se irradie hacia el vidrio. [20]
Un sistema solar pasivo de estanque en el techo , a veces llamado techo solar , utiliza agua almacenada en el techo para templar las temperaturas internas frías y calientes, generalmente en ambientes desérticos. Por lo general, se construye con contenedores que contienen de 150 a 300 mm (6 a 12 pulgadas) de agua sobre un techo plano. El agua se almacena en grandes bolsas de plástico o recipientes de fibra de vidrio para maximizar las emisiones radiantes y minimizar la evaporación. Se puede dejar sin vidriar o cubrir con vidriado. La radiación solar calienta el agua, que actúa como medio de almacenamiento térmico. Por la noche o cuando esté nublado, los contenedores se pueden cubrir con paneles aislantes. El espacio interior debajo del estanque del techo se calienta mediante la energía térmica emitida por el almacenamiento del estanque del techo que se encuentra arriba. Estos sistemas requieren buenos sistemas de drenaje, aislamiento móvil y un sistema estructural mejorado para soportar una carga muerta de 35 a 70 lb/pie 2 (1,7 a 3,3 kN/m 2 ).
Con los ángulos de incidencia de la luz solar durante el día, los estanques de techo sólo son eficaces para calentar en latitudes bajas y medias, en climas cálidos a templados. Los sistemas de estanques en el techo funcionan mejor para enfriar en climas cálidos y de baja humedad. No se han construido muchos techos solares y existe información limitada sobre el diseño, costo, rendimiento y detalles de construcción de los techos de almacenamiento térmico. [20]
Kachadorian demostró que los inconvenientes de los muros de almacenamiento térmico se pueden superar orientando el muro Trombe horizontalmente en lugar de verticalmente. [21] Si la masa de almacenamiento térmico se construye como un piso de losa de concreto ventilado en lugar de una pared, no bloquea la entrada de luz solar a la casa (la desventaja más obvia de la pared Trombe), pero aún puede estar expuesta a la luz solar directa a través de doble -ventanas acristaladas orientadas al ecuador, que pueden aislarse aún más mediante persianas térmicas o cortinas por la noche. [22] Se elimina el problemático retraso de la pared Trombe en la captura de calor durante el día, porque no es necesario conducir el calor a través de la pared para llegar al espacio de aire interior: parte del mismo se refleja o reirradia inmediatamente desde el piso. Siempre que la losa tenga canales de aire como el muro Trombe, que lo atraviesan en dirección norte-sur y se ventilan al espacio de aire interior a través del piso de losa de concreto justo dentro de los muros norte y sur, aún se produce un vigoroso termosifón de aire a través de la losa. como en el muro Trombe vertical, distribuyendo el calor confinado por toda la casa (y enfriando la casa en verano mediante el proceso inverso).
La losa horizontal ventilada es menos costosa de construir que los muros Trombe verticales, ya que forma la base de la casa, lo cual es un gasto necesario en cualquier edificio. Los cimientos de losa a nivel son un componente de construcción común, bien comprendido y rentable (modificado sólo ligeramente por la inclusión de una capa de canales de aire de ladrillos de concreto), en lugar de una construcción exótica de muro Trombe. El único inconveniente que queda en este tipo de arquitectura solar de masa térmica es la ausencia de un sótano, como en cualquier diseño de losa.
El diseño del piso Kachadoriano es un sistema solar pasivo de ganancia directa , pero su masa térmica también actúa como un elemento de calentamiento (o enfriamiento) indirecto , cediendo su calor por la noche. Se trata de un sistema de energía híbrido de ciclo alterno, como un vehículo eléctrico híbrido .
En un sistema solar pasivo de ganancia aislada , los componentes (por ejemplo, colector y almacenamiento térmico) están aislados del área interior del edificio. [20]
Un espacio solar adjunto , también llamado a veces sala solar o solárium , es un tipo de sistema solar de ganancia aislada con un espacio o sala interior acristalada que forma parte de un edificio o está adjunto a él, pero que puede cerrarse completamente de las principales áreas ocupadas. Funciona como un invernadero adjunto que utiliza una combinación de características del sistema de ganancia directa e indirecta. Un espacio solar puede llamarse y parecerse a un invernadero, pero un invernadero está diseñado para cultivar plantas, mientras que un espacio solar está diseñado para proporcionar calor y estética a un edificio. Los espacios solares son elementos de diseño pasivo muy populares porque amplían las áreas habitables de un edificio y ofrecen espacio para cultivar plantas y otra vegetación. Sin embargo, en climas moderados y fríos, se requiere calefacción suplementaria para evitar que las plantas se congelen durante climas extremadamente fríos.
El vidrio orientado al sur de un espacio solar adjunto recoge la energía solar como en un sistema de ganancia directa. El diseño de espacio solar más simple es instalar ventanas verticales sin acristalamiento superior. Los espacios solares pueden experimentar una gran ganancia y pérdida de calor debido a la abundancia de acristalamiento. Aunque los acristalamientos horizontales e inclinados acumulan más calor en invierno, se minimizan para evitar el sobrecalentamiento durante los meses de verano. Aunque el acristalamiento superior puede ser estéticamente agradable, un techo aislado proporciona un mejor rendimiento térmico. Se pueden utilizar tragaluces para proporcionar algo de potencial de iluminación natural. El acristalamiento vertical puede maximizar la ganancia en invierno, cuando el ángulo del sol es bajo, y producir menos ganancia de calor durante el verano. El vidrio vertical es menos costoso, más fácil de instalar y aislar, y no es tan propenso a fugas, empañamiento, roturas y otras fallas del vidrio. Es aceptable una combinación de acristalamiento vertical y algo de acristalamiento inclinado si se proporciona sombra en verano. Un voladizo bien diseñado puede ser todo lo que se necesita para dar sombra al acristalamiento en verano.
Las variaciones de temperatura provocadas por las pérdidas y ganancias de calor pueden moderarse mediante masa térmica y ventanas de baja emisividad. La masa térmica puede incluir un piso de mampostería, un muro de mampostería que bordea la casa o contenedores de agua. La distribución de calor al edificio se puede lograr a través de respiraderos, ventanas, puertas o ventiladores a nivel del techo y del piso. En un diseño común, la pared de masa térmica situada en la parte posterior del espacio solar adyacente al espacio habitable funcionará como una pared de masa térmica de ganancia indirecta. La energía solar que ingresa al espacio solar se retiene en la masa térmica. El calor solar se transmite al edificio por conducción a través de la pared de masa compartida en la parte trasera del espacio solar y mediante respiraderos (como una pared de almacenamiento térmico sin ventilación) o a través de aberturas en la pared que permiten el flujo de aire desde el espacio solar al espacio interior por convección ( como una pared de almacenamiento térmico ventilada).
En climas fríos, se debe utilizar doble acristalamiento para reducir las pérdidas de conducción a través del vidrio hacia el exterior. La pérdida de calor nocturna, aunque significativa durante los meses de invierno, no es tan esencial en el espacio solar como con los sistemas de ganancia directa, ya que el espacio solar puede aislarse del resto del edificio. En climas templados y fríos, es importante aislar térmicamente el espacio solar del edificio durante la noche. Grandes paneles de vidrio, puertas francesas o puertas corredizas de vidrio entre el edificio y el espacio solar adjunto mantendrán una sensación de apertura sin la pérdida de calor asociada con un espacio abierto.
Un espacio solar con una pared térmica de mampostería necesitará aproximadamente 0,3 pies 2 de superficie de pared de masa térmica por pie 2 de área de piso que se calienta (0,3 m 2 por m 2 de área de piso), dependiendo del clima. El espesor de las paredes debe ser similar al de una pared de almacenamiento térmico. Si se utiliza una pared de agua entre el espacio solar y el espacio habitable, es apropiado aproximadamente 0,20 pies 2 de superficie de pared de masa térmica por pie 2 de área de piso que se está calentando (0,2 m 2 por m 2 de área de piso). En la mayoría de los climas, se requiere un sistema de ventilación en los meses de verano para evitar el sobrecalentamiento. Generalmente, las grandes áreas de vidrio elevadas (horizontales) y orientadas al este y al oeste no deben usarse en un espacio solar sin precauciones especiales para el sobrecalentamiento del verano, como usar vidrio que refleje el calor y proporcionar áreas con sistemas de sombra en verano.
Las superficies internas de la masa térmica deben ser de color oscuro. Se puede utilizar aislamiento móvil (p. ej., cortinas, persianas, contraventanas) para ayudar a atrapar el aire caliente en el espacio solar, tanto después de que se ha puesto el sol como durante el tiempo nublado. Cuando están cerradas durante los días extremadamente calurosos, las cortinas para ventanas pueden ayudar a evitar que el espacio solar se sobrecaliente.
Para maximizar la comodidad y la eficiencia, las paredes, el techo y los cimientos del espacio solar sin vidrio deben estar bien aislados. El perímetro de la pared o losa de cimentación debe aislarse hasta la línea de congelación o alrededor del perímetro de la losa. En un clima templado o frío, las paredes este y oeste del espacio solar deben estar aisladas (sin vidrio).
Se deben tomar medidas para reducir la pérdida de calor durante la noche, por ejemplo, cortinas para ventanas o aislamientos móviles para ventanas.
El sol no brilla todo el tiempo. El almacenamiento de calor, o masa térmica , mantiene el edificio caliente cuando el sol no puede calentarlo.
En las casas solares diurnas, el almacenamiento está diseñado para uno o varios días. El método habitual es una masa térmica construida a medida. Esto incluye una pared Trombe , un piso de concreto ventilado, [23] una cisterna, una pared de agua o un estanque en el techo. [24] También es factible utilizar la masa térmica de la tierra misma, ya sea tal cual o mediante incorporación a la estructura mediante bancadas o utilizando tierra apisonada como medio estructural. [25]
En áreas subárticas, o áreas que pasan largos períodos sin ganancia solar (por ejemplo, semanas de niebla helada), la masa térmica construida expresamente es muy costosa. Don Stephens fue pionero en una técnica experimental para utilizar el suelo como masa térmica lo suficientemente grande como para almacenar calor anualizado. Sus diseños colocan un termosifón aislado a 3 m debajo de una casa y aíslan el suelo con un faldón impermeable de 6 m. [26]
El aislamiento térmico o sobreaislamiento (tipo, ubicación y cantidad) reduce las fugas de calor no deseadas. [10] Algunos edificios pasivos en realidad están construidos con aislamiento .
La eficacia de los sistemas de captación solar directa se ve significativamente mejorada mediante aislamientos de ventanas (p. ej., doble acristalamiento ), acristalamientos espectralmente selectivos ( low-e ) o aislamientos de ventanas móviles (edredones para ventanas, contraventanas aislantes interiores plegables, cortinas, etc.). [22]
Generalmente, las ventanas orientadas al ecuador no deben emplear revestimientos de acristalamiento que inhiban la ganancia solar.
En el estándar alemán Passive House se utilizan ampliamente ventanas superaisladas . La selección de diferentes revestimientos de ventana espectralmente selectivos depende de la relación entre grados día de calefacción y refrigeración para la ubicación de diseño.
El requisito de vidrio vertical orientado hacia el ecuador es diferente al de los otros tres lados de un edificio. Los revestimientos reflectantes de las ventanas y los múltiples paneles de vidrio pueden reducir la ganancia solar útil. Sin embargo, los sistemas de ganancia directa dependen más del doble o triple acristalamiento o incluso del cuádruple acristalamiento en latitudes geográficas más altas para reducir la pérdida de calor. Las configuraciones de ganancia indirecta y de ganancia aislada aún pueden funcionar eficazmente con un solo acristalamiento de un solo panel. Sin embargo, la solución óptima y rentable depende tanto de la ubicación como del sistema.
Los tragaluces admiten la intensa luz solar directa y el deslumbramiento [27] , ya sea horizontalmente (un techo plano) o inclinados en el mismo ángulo que la pendiente del techo. En algunos casos, se utilizan lucernarios horizontales con reflectores para aumentar la intensidad de la radiación solar (y el fuerte deslumbramiento), dependiendo del ángulo de incidencia del tejado . Cuando el sol de invierno está bajo en el horizonte, la mayor parte de la radiación solar se refleja en el vidrio en ángulo del techo (el ángulo de incidencia es casi paralelo al vidrio en ángulo del techo por la mañana y por la tarde). Cuando el sol de verano está alto, es casi perpendicular al vidrio en ángulo del techo, lo que maximiza la ganancia solar en la época equivocada del año y actúa como un horno solar. Los tragaluces deben estar cubiertos y bien aislados para reducir la pérdida de calor por convección natural (aire caliente ascendente) en las frías noches de invierno y la intensa ganancia de calor solar durante los calurosos días de primavera/verano/otoño.
El lado de un edificio que mira al ecuador está hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. Los tragaluces en los techos que miran en dirección opuesta al ecuador proporcionan iluminación principalmente indirecta, excepto en los días de verano, cuando el sol puede salir por el lado del edificio no ecuatorial (en algunas latitudes ). Los tragaluces en los techos orientados al este brindan la máxima ganancia de luz directa y calor solar en las mañanas de verano. Los tragaluces orientados al oeste brindan luz solar por la tarde y ganancia de calor durante la parte más calurosa del día.
Algunos tragaluces tienen acristalamientos costosos que reducen parcialmente la ganancia de calor solar en verano, al tiempo que permiten cierta transmisión de luz visible. Sin embargo, si la luz visible puede atravesarlo, también puede hacerlo algo de calor radiante (ambas son ondas de radiación electromagnética ).
Puede reducir parcialmente parte de la ganancia de calor solar de verano no deseada por el acristalamiento en ángulo del techo instalando un tragaluz a la sombra de árboles de hoja caduca (que pierden hojas) o agregando una cubierta de ventana opaca aislante móvil en el interior o exterior del tragaluz. . Esto eliminaría el beneficio de la luz natural en el verano. Si las ramas de los árboles cuelgan sobre el techo, aumentarán los problemas con las hojas en las canaletas de lluvia, posiblemente causarán acumulaciones de hielo que dañen el techo , acortarán la vida útil del techo y proporcionarán un camino más fácil para que las plagas entren a su ático. Las hojas y ramitas de los tragaluces son poco atractivas, difíciles de limpiar y pueden aumentar el riesgo de rotura del vidriado en tormentas de viento.
El "acristalamiento de techo en dientes de sierra" con vidrio vertical únicamente puede aportar algunos de los beneficios del diseño de edificios solares pasivos al núcleo de un edificio comercial o industrial, sin la necesidad de vidrios en ángulo de techo o tragaluces.
Los tragaluces proporcionan luz natural. La única vista que ofrecen es esencialmente directa en la mayoría de las aplicaciones. Los tubos de luz bien aislados pueden llevar luz natural a las habitaciones del norte, sin necesidad de utilizar una claraboya. Un invernadero solar pasivo proporciona abundante luz natural al lado del ecuador del edificio.
Las cámaras termográficas en color con termografía infrarroja (utilizadas en auditorías energéticas formales ) pueden documentar rápidamente el impacto térmico negativo del vidrio en ángulo del techo o de un tragaluz en una fría noche de invierno o un caluroso día de verano.
El Departamento de Energía de EE.UU. afirma: "El acristalamiento vertical es, en general, la mejor opción para los espacios solares". [28] El vidrio en ángulo del techo y el vidrio de las paredes laterales no se recomiendan para espacios solares pasivos.
El Departamento de Energía de EE.UU. explica los inconvenientes del acristalamiento en ángulo para tejados: El vidrio y el plástico tienen poca resistencia estructural. Cuando se instala verticalmente, el vidrio (o el plástico) soporta su propio peso porque sólo una pequeña zona (el borde superior del acristalamiento) está sujeta a la gravedad. Sin embargo, cuando el vidrio se inclina fuera del eje vertical, un área mayor (ahora la sección transversal inclinada) del acristalamiento tiene que soportar la fuerza de gravedad. El vidrio también es quebradizo; No se flexiona mucho antes de romperse. Para contrarrestar esto, normalmente es necesario aumentar el espesor del acristalamiento o aumentar el número de soportes estructurales para sujetar el acristalamiento. Ambos aumentan el costo total y el último reducirá la cantidad de ganancia solar en el espacio solar.
Otro problema común de los acristalamientos inclinados es su mayor exposición a la intemperie. Es difícil mantener un buen sellado en vidrios con ángulos de techo bajo luz solar intensa. El granizo, el aguanieve, la nieve y el viento pueden provocar fallos en el material. Para la seguridad de los ocupantes, las agencias reguladoras generalmente exigen que el vidrio inclinado esté hecho de vidrio de seguridad, laminado o una combinación de ambos, lo que reduce el potencial de ganancia solar. La mayor parte del vidrio en ángulo del techo del espacio solar del Crowne Plaza Hotel Orlando Airport fue destruido por una sola tormenta de viento. El vidrio en ángulo del techo aumenta el costo de construcción y puede aumentar las primas de seguros. El vidrio vertical es menos susceptible a los daños climáticos que el vidrio en ángulo.
Es difícil controlar la ganancia de calor solar en un espacio solar con acristalamiento inclinado durante el verano e incluso en medio de un día de invierno templado y soleado. Los tragaluces son la antítesis del enfriamiento solar pasivo de edificios de energía cero en climas con requisitos de aire acondicionado.
La cantidad de ganancia solar transmitida a través del vidrio también se ve afectada por el ángulo de la radiación solar incidente . La luz solar que incide sobre una sola hoja de vidrio dentro de los 45 grados de la perpendicular se transmite en su mayor parte (se refleja menos del 10% ), mientras que la luz solar que incide a 70 grados de la perpendicular se refleja más del 20% de la luz, y por encima de los 70 grados este porcentaje reflejado aumenta bruscamente. . [29]
Todos estos factores se pueden modelar con mayor precisión con un fotómetro fotográfico y un heliodón o banco óptico , que puede cuantificar la relación entre reflectividad y transmisividad , basándose en el ángulo de incidencia .
Alternativamente, el software informático solar pasivo puede determinar el impacto de la trayectoria del sol y los grados día de refrigeración y calefacción en el rendimiento energético .
Un diseño con demasiado vidrio orientado hacia el ecuador puede provocar una calefacción excesiva en los días de invierno, primavera u otoño, espacios habitables incómodamente luminosos en determinadas épocas del año y una transferencia excesiva de calor en las noches de invierno y los días de verano.
Aunque el sol está a la misma altitud 6 semanas antes y después del solsticio, los requisitos de calefacción y refrigeración antes y después del solsticio son significativamente diferentes. El almacenamiento de calor en la superficie de la Tierra provoca un "retraso térmico". La nubosidad variable influye en el potencial de ganancia solar. Esto significa que los voladizos de ventanas fijos específicos de latitudes, si bien son importantes, no son una solución completa de control de la ganancia solar estacional.
Los mecanismos de control (como cortinas interiores con aislamiento manual o motorizado, contraventanas, pantallas exteriores enrollables o toldos retráctiles) pueden compensar las diferencias causadas por el retraso térmico o la cobertura de nubes, y ayudar a controlar las variaciones en los requisitos de ganancia solar diaria/horaria.
Los sistemas de automatización del hogar que monitorean la temperatura, la luz solar, la hora del día y la ocupación de la habitación pueden controlar con precisión los dispositivos motorizados de aislamiento y protección de ventanas.
Se pueden elegir materiales y colores para reflejar o absorber la energía solar térmica . El uso de información sobre un color para la radiación electromagnética para determinar sus propiedades de reflexión o absorción de radiación térmica puede ayudar en la elección. [30]
En climas fríos con días cortos de invierno, los sistemas de ganancia directa que utilizan ventanas orientadas al ecuador pueden funcionar mejor cuando la nieve cubre el suelo, ya que la luz solar reflejada y directa entrará a la casa y será capturada en forma de calor. [31]
Los materiales de paisajismo energéticamente eficientes para una cuidadosa elección de energía solar pasiva incluyen materiales de construcción para jardines y plantas " softscape " . El uso de principios de diseño paisajístico para la selección de árboles , setos y elementos de pérgola - enrejado con enredaderas ; todos se pueden utilizar para crear sombras de verano. Para obtener energía solar en invierno, es aconsejable utilizar plantas de hoja caduca a las que se les caigan las hojas en otoño y que proporcionen beneficios solares pasivos durante todo el año. Los arbustos y árboles de hoja perenne no caducifolios pueden actuar como cortavientos , a alturas y distancias variables, para crear protección y refugio contra el viento helado del invierno . El xeriscaping con especies nativas de tamaño apropiado y plantas tolerantes a la sequía , el riego por goteo , el uso de mantillo y las prácticas de jardinería orgánica reducen o eliminan la necesidad de riego con uso intensivo de energía y agua , equipos de jardinería a gas y reducen los desechos de los vertederos. huella. La iluminación del paisaje con energía solar y las bombas para fuentes, y las piscinas cubiertas y de inmersión con calentadores de agua solares pueden reducir el impacto de dichos servicios.
Las técnicas de iluminación solar pasiva mejoran el aprovechamiento de la iluminación natural en los interiores y, por tanto, reducen la dependencia de los sistemas de iluminación artificial.
Esto se puede lograr mediante un cuidadoso diseño del edificio, orientación y colocación de secciones de ventanas para captar la luz. Otras soluciones creativas implican el uso de superficies reflectantes para dejar entrar la luz natural al interior de un edificio. Las secciones de las ventanas deben tener el tamaño adecuado y, para evitar el exceso de iluminación , se pueden proteger con un brise soleil , toldos , árboles bien colocados, revestimientos de vidrio y otros dispositivos pasivos y activos. [32]
Otro problema importante para muchos sistemas de ventanas es que pueden ser sitios potencialmente vulnerables a una ganancia o pérdida de calor excesiva. Si bien las ventanas altas y los tragaluces tradicionales pueden introducir luz natural en secciones mal orientadas de un edificio, la transferencia de calor no deseada puede ser difícil de controlar. [33] [34] Por lo tanto, la energía que se ahorra al reducir la iluminación artificial a menudo se compensa con creces con la energía necesaria para operar los sistemas HVAC para mantener el confort térmico .
Se pueden emplear varios métodos para abordar esto, incluidos, entre otros, cubiertas para ventanas , acristalamientos aislados y materiales novedosos como aislamiento semitransparente de aerogel , fibra óptica incrustada en paredes o techos o iluminación solar híbrida en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
Los elementos reflectantes, provenientes de captadores de luz natural activos y pasivos , como estantes luminosos , colores más claros de paredes y pisos, secciones de pared con espejos , paredes interiores con paneles de vidrio superiores y puertas con bisagras de vidrio transparente o translúcido y puertas corredizas de vidrio, toman la luz capturada y la reflejan pasivamente. más adentro. La luz puede provenir de ventanas o tragaluces pasivos y tubos de luz solar o de fuentes de iluminación natural activas . En la arquitectura tradicional japonesa, las puertas correderas Shōji , con biombos Washi translúcidos , son un original precedente. El estilo internacional , el modernismo y la arquitectura moderna de mediados de siglo fueron los primeros innovadores de esta penetración pasiva y reflejo en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.
Hay muchas formas de utilizar la energía solar térmica para calentar agua para uso doméstico. Las diferentes tecnologías solares activas y pasivas de agua caliente tienen diferentes implicaciones en el análisis de costos y beneficios económicos específicos de la ubicación.
El calentamiento solar pasivo fundamental de agua caliente no implica bombas ni ningún elemento eléctrico. Es muy rentable en climas que no tienen condiciones climáticas prolongadas bajo cero o muy nubladas. [35] Otras tecnologías solares activas de calentamiento de agua, etc., pueden ser más apropiadas para algunos lugares.
Es posible disponer de agua caliente solar activa que también es capaz de estar "fuera de la red" y califica como sostenible. Esto se hace mediante el uso de una célula fotovoltaica que utiliza energía del sol para alimentar las bombas. [36]
Hay un impulso creciente en Europa para el enfoque adoptado por el Instituto Passivhaus ( Passivhaus en alemán) en Alemania. En lugar de depender únicamente de las técnicas tradicionales de diseño solar pasivo, este enfoque busca hacer uso de todas las fuentes pasivas de calor, minimiza el uso de energía y enfatiza la necesidad de altos niveles de aislamiento reforzados por una atención meticulosa a los detalles para abordar los puentes térmicos y Infiltración de aire frío. La mayoría de los edificios construidos según el estándar Passive House también incorporan una unidad de ventilación con recuperación de calor activa con o sin un pequeño componente de calefacción incorporado (normalmente 1 kW).
El diseño energético de los edificios Passive House se desarrolla utilizando una herramienta de modelado basada en hojas de cálculo llamada Passive House Planning Package (PHPP) que se actualiza periódicamente. La versión actual es PHPP 9.6 (2018). Un edificio puede ser certificado como "Casa Pasiva" cuando se puede demostrar que cumple ciertos criterios, el más importante es que la demanda de calor específica anual de la casa no debe exceder los 15kWh/m 2 a.
Con los avances en acristalamientos de valor U ultra bajo , se propone un edificio de calefacción (casi) nulo basado en Passive House para reemplazar los aparentemente fallidos edificios de energía casi nula en la UE. El edificio con calefacción cero reduce el diseño solar pasivo y hace que el edificio esté más abierto al diseño arquitectónico convencional. La demanda de calor específica anual para una casa con calefacción cero no debe exceder los 3 kWh/m 2 a. Un edificio con calefacción cero es más sencillo de diseñar y operar. Por ejemplo: en casas con calefacción cero no es necesaria ninguna protección solar modulada.
Tradicionalmente se utilizaba un heliodón para simular la altitud y el acimut del sol brillando sobre un edificio modelo en cualquier momento y día del año. En los tiempos modernos, los programas informáticos pueden modelar este fenómeno e integrar datos climáticos locales (incluidos los impactos del sitio, como ensombrecimiento y obstrucciones físicas) para predecir el potencial de ganancia solar para un diseño de edificio particular en el transcurso de un año. Las aplicaciones para teléfonos inteligentes basadas en GPS ahora pueden hacer esto de forma económica en un dispositivo portátil. Estas herramientas de diseño brindan al diseñador solar pasivo la capacidad de evaluar las condiciones locales, los elementos de diseño y la orientación antes de la construcción. La optimización del rendimiento energético normalmente requiere un proceso de diseño y evaluación de refinamiento iterativo. No existe un diseño universal de construcción solar pasiva que funcione bien en todos los lugares.
Muchas casas suburbanas unifamiliares pueden lograr reducciones en los gastos de calefacción sin cambios obvios en su apariencia, comodidad o usabilidad. [37] Esto se logra utilizando una buena ubicación y ubicación de las ventanas, pequeñas cantidades de masa térmica, con un aislamiento bueno pero convencional, climatización y una fuente de calor suplementaria ocasional, como un radiador central conectado a un calentador de agua (solar). Los rayos del sol pueden caer sobre una pared durante el día y elevar la temperatura de su masa térmica . Este irradiará calor al edificio por la noche. Se puede utilizar sombra externa, o una barrera radiante más un espacio de aire, para reducir la ganancia solar indeseable en verano.
Una extensión del enfoque "solar pasivo" para la captura y almacenamiento solar estacional de calor y refrigeración. Estos diseños intentan capturar el calor solar de la estación cálida y transportarlo a un almacén térmico estacional para su uso meses después durante la estación fría ("solar pasiva anualizada"). Se logra un mayor almacenamiento empleando grandes cantidades de masa térmica o acoplamiento terrestre . Informes anecdóticos sugieren que pueden ser eficaces, pero no se ha realizado ningún estudio formal para demostrar su superioridad. Este enfoque también puede trasladar el enfriamiento a la estación cálida. Ejemplos:
Una casa "puramente pasiva" con calefacción solar no tendría una unidad de calefacción mecánica, sino que dependería de la energía capturada del sol, complementada únicamente con energía térmica "incidental" emitida por luces, computadoras y otros aparatos para tareas específicas (como los de cocinar, entretenimiento, etc.), ducharse, personas y mascotas. El uso de corrientes de aire de convección natural (en lugar de dispositivos mecánicos como ventiladores) para hacer circular el aire está relacionado, aunque no estrictamente, con el diseño solar. El diseño de edificios solares pasivos a veces utiliza controles eléctricos y mecánicos limitados para operar compuertas, contraventanas aislantes, cortinas, toldos o reflectores. Algunos sistemas utilizan pequeños ventiladores o chimeneas calentadas por energía solar para mejorar el flujo de aire convectivo. Una forma razonable de analizar estos sistemas es midiendo su coeficiente de rendimiento . Una bomba de calor podría usar 1 J por cada 4 J que entrega, lo que da un COP de 4. Un sistema que solo usa un ventilador de 30 W para distribuir de manera más uniforme 10 kW de calor solar en toda una casa tendría un COP de 300.
El diseño de edificios solares pasivos es a menudo un elemento fundamental de un edificio rentable de energía cero . [38] [39] Aunque un ZEB utiliza múltiples conceptos de diseño de edificios solares pasivos, un ZEB generalmente no es puramente pasivo y tiene sistemas mecánicos activos de generación de energía renovable como: turbinas eólicas , fotovoltaicas , microhidráulicas , geotérmicas y otras energías alternativas emergentes. fuentes. La energía solar pasiva también es una estrategia central de diseño de edificios para la supervivencia pasiva , junto con otras estrategias pasivas. [40]
Recientemente ha habido interés en la utilización de grandes cantidades de superficie en los rascacielos para mejorar su eficiencia energética general. Debido a que los rascacielos son cada vez más omnipresentes en entornos urbanos, pero requieren grandes cantidades de energía para funcionar, existe la posibilidad de lograr grandes ahorros de energía empleando técnicas de diseño solar pasivo. Un estudio, [41] que analizó la torre propuesta 22 de Bishopsgate en Londres, encontró que teóricamente se puede lograr una disminución de la demanda de energía del 35% a través de ganancias solares indirectas, rotando el edificio para lograr una ventilación y penetración de luz natural óptimas, el uso de altas temperaturas térmicas. material de piso masivo para disminuir la fluctuación de temperatura dentro del edificio, y el uso de ventanas de vidrio de baja emisividad con doble o triple acristalamiento para obtener ganancia solar directa. Las técnicas de ganancia solar indirecta incluyeron moderar el flujo de calor de las paredes mediante variaciones en el espesor de las mismas (de 20 a 30 cm), usar acristalamientos en las ventanas del espacio exterior para evitar la pérdida de calor, dedicar entre un 15% y un 20% del área del piso para almacenamiento térmico e implementar un Trombe. pared para absorber el calor que ingresa al espacio. Los voladizos se utilizan para bloquear la luz solar directa en verano y permitirla en invierno, y se insertan persianas reflectantes de calor entre la pared térmica y el acristalamiento para limitar la acumulación de calor en los meses de verano.
Otro estudio [42] analizó la fachada de doble piel verde (DGSF) en el exterior de edificios de gran altura en Hong Kong. Una fachada verde de este tipo, o la vegetación que cubre las paredes exteriores, puede combatir en gran medida el uso del aire acondicionado: hasta un 80%, según descubrieron los investigadores.
En climas más templados, estrategias como el acristalamiento, el ajuste de la relación ventana-pared, la protección solar y las estrategias de techo pueden ofrecer ahorros de energía considerables, en el rango del 30% al 60%. [43]
