En el diseño de edificios con energía solar pasiva , las ventanas, las paredes y los pisos están diseñados para recolectar, almacenar, reflejar y distribuir la energía solar en forma de calor en el invierno y rechazar el calor solar en el verano. Esto se llama 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 al máximo el clima local mediante un análisis preciso del sitio . Los elementos que se deben considerar incluyen la ubicación y el tamaño de las ventanas, el tipo de acristalamiento , el aislamiento térmico , la masa térmica y el sombreado. [2] Las técnicas de diseño solar pasivo se pueden aplicar más fácilmente a los edificios nuevos, pero los edificios existentes se pueden adaptar o "renovar".
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 la ventilación o el uso futuro, con poco uso de otras fuentes de energía. Un ejemplo común es un solárium en el lado del ecuador de un edificio. La refrigeración pasiva es el uso de principios de diseño similares para reducir los requisitos de refrigeración en verano.
Algunos sistemas pasivos utilizan una pequeña cantidad de energía convencional para controlar compuertas, persianas, aislamiento nocturno y otros dispositivos que mejoran la recolección, almacenamiento y uso de energía solar y reducen la transferencia de calor no deseada .
Las tecnologías solares pasivas incluyen la ganancia solar directa e indirecta para calentar espacios, sistemas de calentamiento solar de agua basados en el termosifón , el uso de masa térmica y materiales de cambio de fase para ralentizar las oscilaciones de temperatura del aire interior, las cocinas solares , la chimenea solar para mejorar la ventilación natural y el refugio de tierra .
En términos más generales, las tecnologías solares incluyen el horno solar , pero esto generalmente requiere algo de energía externa para alinear sus espejos concentradores o receptores, e históricamente no ha demostrado ser práctico o rentable para un uso generalizado. Las necesidades energéticas de "bajo nivel", como la calefacción de espacios y agua, han demostrado con el tiempo ser 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 (en particular , 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 confort térmico humano basado en el índice de calor , psicrometría y control de entalpía para edificios que serán 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 ), la calidad/materiales del diseño y la construcción, la colocación/tamaño/tipo de ventanas y paredes y la incorporación de masa térmica que almacena energía solar con capacidad calorífica .
Si bien estas consideraciones pueden aplicarse a cualquier edificio, lograr una solución ideal de optimización de costos y rendimiento requiere una ingeniería de integración de sistemas holística y cuidadosa de estos principios científicos. Las mejoras modernas a través del modelado por computadora (como el software integral de simulación de energía de edificios "Energy Plus" [3] del Departamento de Energía de los EE. UU .) y la aplicación de décadas de lecciones aprendidas (desde la crisis energética de los años 70 ) pueden lograr ahorros significativos de energía y una reducción del daño ambiental, sin sacrificar la funcionalidad ni la estética. [4] De hecho, las características de diseño solar pasivo, como un invernadero/solárium/invernadero, 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 70. Muchos experimentos de construcción costosos, poco científicos y basados en la intuición han intentado, sin éxito, lograr el consumo de energía cero (la eliminación total de las facturas de calefacción y refrigeración).
La construcción de edificios solares pasivos puede no ser difícil ni costosa (utilizando materiales y tecnología existentes), pero el diseño científico de edificios solares pasivos es un esfuerzo de ingeniería no trivial que requiere un estudio significativo de lecciones contraintuitivas previas aprendidas y tiempo para ingresar, evaluar y refinar iterativamente la entrada y la salida de la simulación .
Una de las herramientas de evaluación post-construcción más útiles ha sido el uso de termografía mediante cámaras termográficas digitales para una auditoría energética cuantitativa y científica formal . La termografía se puede utilizar para documentar áreas con un rendimiento térmico deficiente, como el impacto térmico negativo de un vidrio inclinado en el techo o un tragaluz en una noche fría de invierno o un día caluroso de verano.
Las lecciones científicas aprendidas durante las últimas tres décadas se han capturado en sofisticados sistemas informáticos de simulación energética de edificios (como US DOE Energy Plus).
El diseño científico de edificios solares pasivos con optimización cuantitativa de la relación coste-beneficio no es fácil para un novato. El nivel de complejidad ha dado lugar a una arquitectura deficiente y a 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 inadecuadas. [5]
La motivación económica para el diseño y la ingeniería científicos es significativa. Si se hubieran aplicado de manera integral a la construcción de nuevos edificios a partir de 1980 (basándose en las lecciones aprendidas en la década de 1970), Estados Unidos podría estar ahorrando hoy más de 250.000.000 de dólares por año en energía costosa y contaminación relacionada. [5]
Desde 1979, el diseño de edificios solares pasivos ha sido un elemento fundamental para lograr el consumo de energía cero en experimentos de instituciones educativas y gobiernos de todo el mundo, incluido el Departamento de Energía de los EE. UU. y los científicos de investigación energética a los 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 los edificios ha sido muy lento y difícil. [5]
Se están añadiendo nuevas materias como ciencia arquitectónica y tecnología arquitectónica a algunas escuelas de arquitectura, con el objetivo futuro de enseñar los principios científicos y de ingeniería energética antes mencionados. [ cita requerida ]
La capacidad de alcanzar estos objetivos simultáneamente depende fundamentalmente de las variaciones estacionales en la trayectoria del sol a lo largo del día.
Esto se produce como resultado de la inclinación del eje de rotación de la Tierra con respecto a su órbita . La trayectoria del Sol es única para cualquier latitud dada.
En latitudes no tropicales del hemisferio norte situadas a más de 23,5 grados del ecuador:
En el hemisferio sur se observa lo contrario, pero el sol sale por el este y se pone por el oeste, independientemente del hemisferio en el que te encuentres.
En las regiones ecuatoriales a menos de 23,5 grados, la posición del sol al mediodía solar oscilará de norte a sur y viceversa durante el año. [7]
En regiones situadas a menos de 23,5 grados del polo norte o del polo 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, en pleno invierno. [8]
La diferencia de 47 grados en la altitud del sol al mediodía solar entre el invierno y el 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 momento del año la ganancia solar será beneficiosa para el confort térmico y cuándo se debe bloquear con sombreado. Mediante la colocación estratégica de elementos como los dispositivos de acristalamiento y sombreado, se puede controlar el porcentaje de ganancia solar que ingresa a un edificio durante todo el año.
Un problema de diseño de la trayectoria solar pasiva es que, aunque el sol se encuentra en la misma posición relativa seis semanas antes y seis semanas después del solsticio, debido al "desfase térmico" con respecto a 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 persianas, las pantallas de sombra o las colchas para ventanas pueden adaptarse a los requisitos de aislamiento y ganancia solar diarios y horarios.
La cuidadosa disposición de las habitaciones completa el diseño solar pasivo. Una recomendación común para las viviendas residenciales es ubicar las áreas de estar orientadas al mediodía solar y los dormitorios en el lado opuesto. [9] Un heliodón es un dispositivo de luz móvil tradicional utilizado por arquitectos y diseñadores para ayudar a modelar los efectos de la trayectoria del sol. En los tiempos modernos, los gráficos de computadora en 3D pueden simular visualmente estos datos y calcular predicciones de rendimiento. [4]
El confort térmico personal es una función de factores de salud personales (médicos, psicológicos, sociológicos y situacionales), temperatura del aire ambiente, temperatura radiante media , movimiento del aire ( sensación térmica , turbulencia ) y humedad relativa (que afecta el enfriamiento evaporativo humano ). La transferencia de calor en los edificios se produce por convección , conducción y radiación térmica a través del techo, las paredes, el suelo y las ventanas. [10]
La transferencia de calor por convección puede ser beneficiosa o perjudicial. La infiltración de aire no controlada debido a una mala climatización , burletes o impermeabilización puede contribuir hasta en un 40 % a la pérdida de calor durante el invierno; [11] sin embargo, la colocación estratégica de ventanas o respiraderos operables puede mejorar la convección, la ventilación cruzada y el enfriamiento en verano cuando el aire exterior tiene una temperatura y una humedad relativa agradables . [12] Los sistemas de ventilación con recuperación de energía filtrada pueden ser útiles para eliminar la humedad, el polvo, el polen y los microorganismos no deseados en el aire de ventilación sin filtrar.
La convección natural que provoca la subida de aire caliente y la bajada de aire más frío puede dar lugar a una estratificación desigual del calor. Esto puede provocar variaciones incómodas de temperatura en el espacio acondicionado superior e inferior, servir como método de ventilación del aire caliente o diseñarse como un circuito de flujo de aire por convección natural para la distribución pasiva del calor solar y la igualación de la temperatura. El enfriamiento natural de los seres humanos por transpiración y evaporación puede facilitarse mediante el movimiento de aire convectivo natural o forzado por los ventiladores, pero los ventiladores de techo pueden alterar las capas de aire aislante estratificadas en la parte superior de una habitación y acelerar la transferencia de calor desde un ático caliente o a través de ventanas cercanas. Además, la humedad relativa alta inhibe el enfriamiento por evaporación de los seres humanos.
La principal fuente de transferencia de calor es la energía radiante , y la fuente primaria es el sol. La radiación solar se produce predominantemente a través del techo y las ventanas (pero también a través de las paredes). La radiación térmica se mueve desde una superficie más cálida a una más fría. Los techos reciben la mayor parte de la radiación solar que llega a una casa. Un techo frío o techo verde además de una barrera radiante puede ayudar a evitar que su ático se caliente más que la temperatura máxima del aire exterior en verano [13] (ver albedo , capacidad de absorción , emisividad y reflectividad ).
Las ventanas son un lugar predecible y preparado 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 del vacío o un 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 los techos y las paredes. La transferencia de calor por convección a través y alrededor de las cubiertas de las ventanas también degrada sus propiedades de aislamiento. [14] Al sombrear las ventanas, el sombreado externo es más eficaz para reducir la ganancia de calor que las cubiertas internas de las ventanas . [14]
El sol del oeste y del este puede proporcionar calor e iluminación, pero son vulnerables al sobrecalentamiento en verano si no se les da sombra. Por el contrario, el sol del mediodía, que está bajo, admite fácilmente luz y calor durante el invierno, pero se puede sombrear fácilmente con aleros de longitud adecuada o celosías en ángulo durante el verano y árboles de sombra de verano que dejan caer sus hojas en el otoño. La cantidad de calor radiante recibido está relacionada con la ubicación , la latitud , la altitud , la cobertura de nubes y el ángulo de incidencia estacional/horario (consulte la trayectoria del sol y la 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 liberar de nuevo cuando disminuye la ganancia de calor para estabilizar las variaciones de temperatura diurnas (día/noche). La compleja interacción de los principios termodinámicos puede resultar contraintuitiva para los diseñadores primerizos. El modelado informático preciso puede ayudar a evitar costosos experimentos de construcción.
La cantidad precisa de vidrio orientado hacia el 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, el 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 llega a la abertura o al colector.
La fracción solar pasiva (PSF) es el porcentaje de la carga térmica requerida que satisface la PSH y, por lo tanto, representa una reducción potencial en los costos de calefacción. RETScreen International ha informado de una PSF del 20 al 50 %. En el campo de la sostenibilidad , se considera sustancial una conservación de energía incluso del orden del 15 %.
Otras fuentes informan de los siguientes PSF:
En climas favorables como el suroeste de Estados Unidos, los sistemas altamente optimizados pueden superar el 75 % de PSF. [19]
Para obtener más información, consulte Calentamiento solar del aire.
Hay tres configuraciones distintas de energía solar pasiva [20] y al menos un híbrido notable de estas configuraciones básicas:
En un sistema solar pasivo de ganancia directa , el espacio interior actúa como colector solar, absorbedor de calor y sistema de distribución. El vidrio orientado al sur en el hemisferio norte (orientado al norte en el hemisferio sur) admite la energía solar en el interior del edificio, donde calienta directamente (absorción de energía radiante) o calienta indirectamente (a través de convección) la masa térmica del edificio, como pisos y paredes de concreto o mampostería. Los pisos 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 (levemente) el área de acristalamiento orientada al sur, sin agregar masa térmica adicional. Es un tipo de sistema de ganancia directa en el que la envoltura del edificio está bien aislada, se alarga en dirección este-oeste y tiene una gran fracción (~80% o más) de las ventanas en el lado sur. Tiene poca masa térmica agregada más allá de la que ya está en el edificio (es decir, solo marcos, paneles de pared, etc.). En un edificio templado por el sol, el área de ventanas orientadas al sur debe limitarse a aproximadamente el 5 al 7% del área total del piso, menos en un clima soleado, para evitar el sobrecalentamiento. Se puede incluir acristalamiento adicional orientado al sur solo si se agrega más masa térmica. Los ahorros de energía son modestos con este sistema y el templado por el sol tiene un costo muy bajo. [20]
En los sistemas solares pasivos de ganancia directa genuinos , 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 resultar de una masa térmica insuficiente o mal diseñada. Aproximadamente la mitad a dos tercios de la superficie interior de los pisos, paredes y techos deben construirse 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 debe estar expuesta a la luz solar directa. Se deben evitar las alfombras de pared a pared, las alfombras grandes, los muebles voluminosos y los tapices de gran tamaño.
Por lo general, por cada 1 pie cuadrado de vidrio orientado al sur, se requieren aproximadamente de 5 a 10 pies cuadrados de masa térmica (1 m3 por cada 5 a 10 m2 ) . Si se tienen en cuenta los revestimientos de paredes y pisos y los muebles de mínimos a promedio, esto generalmente equivale a aproximadamente de 5 a 10 pies cuadrados por pie cuadrado (5 a 10 m2 por m2 ) de vidrio orientado al sur, dependiendo de si la luz solar incide directamente en la superficie. 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 colector de ganancia directa (vidrio). [20]
La masa térmica sólida (por ejemplo, hormigón, mampostería, piedra, etc.) debe ser relativamente delgada, no más de 100 mm (4 pulgadas) de espesor. Las masas térmicas con grandes áreas expuestas y aquellas que reciben luz solar directa durante al menos parte del día (mínimo de 2 horas) funcionan mejor. Se deben usar colores de medios a oscuros con alta capacidad de absorción en las superficies de los 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 de aislamiento 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 dentro de un contenedor de plástico o metal y colocada bajo la luz solar directa se calienta más rápidamente y de manera más uniforme 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 se vuelvan demasiado extremas, como sucede a veces cuando las superficies de masa sólida de color oscuro reciben luz solar directa.
Dependiendo del clima y con una masa térmica adecuada, el área de vidrio orientada al sur en un sistema de ganancia directa debe limitarse a aproximadamente el 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 el área neta de vidrio o acristalamiento. Tenga en cuenta que la mayoría de las ventanas tienen un área neta de vidrio o acristalamiento que es del 75 al 85 % del área total de la unidad de ventana. Por encima de este nivel, es probable que haya 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 evita que la luz solar ingrese al espacio interior y también puede obstruir la vista a través del vidrio. Hay dos tipos de sistemas de ganancia indirecta: sistemas de muros de almacenamiento térmico y sistemas de estanques en el 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 por la noche. El muro puede construirse con hormigón colado en el lugar, ladrillo, adobe, piedra o unidades de mampostería de hormigón macizo (o relleno). La luz del sol entra a través del vidrio y se absorbe inmediatamente en la superficie del muro macizo y se almacena o se conduce a través de la masa 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. Las temperaturas del aire en este espacio pueden superar fácilmente los 120 °F (49 °C). Este aire caliente se puede introducir en espacios interiores detrás del muro incorporando respiraderos de distribución de calor en la parte superior del muro. Este sistema de muro fue concebido y patentado por primera vez en 1881 por su inventor, Edward Morse. Félix Trombe, que a veces da nombre a este sistema, fue un ingeniero francés que construyó varias casas utilizando este diseño en los Pirineos franceses en la década de 1960.
Un muro de almacenamiento térmico consiste típicamente 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. El vidrio se coloca típicamente de 3 ⁄ 4 pulgadas a 2 pulgadas de la pared para crear un pequeño espacio de aire. En algunos diseños, la masa se ubica de 1 a 2 pies (0,6 m) de distancia del vidrio, pero el espacio aún no es utilizable. La superficie de la masa térmica absorbe la radiación solar que la golpea y la almacena para su uso nocturno. A diferencia de un sistema de ganancia directa, el sistema de muro de almacenamiento térmico proporciona calefacción solar pasiva sin un área de ventana excesiva ni deslumbramiento en los espacios interiores. Sin embargo, se elimina la capacidad de aprovechar las vistas y la luz natural. El rendimiento de los muros Trombe se ve disminuido si el interior del muro no está abierto a los espacios interiores. Los muebles, estanterías y armarios de pared instalados en la superficie interior del muro reducirán su rendimiento.
Un muro Trombe clásico , también llamado genéricamente muro de almacenamiento térmico ventilado , tiene respiraderos operables cerca de los niveles del techo y el piso del muro de masa 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 es atraído hacia el respiradero inferior, luego hacia el espacio entre el vidrio y la pared para calentarse por 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 aire caliente directamente 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, lo que desperdiciará calor al disiparlo al exterior. Las rejillas de ventilación deben cerrarse durante la noche para que el calor radiante de la superficie interior de la pared de almacenamiento caliente el espacio interior. Por lo general, las rejillas de ventilación también se cierran durante los meses de verano, cuando no se necesita ganar calor. Durante el verano, se puede abrir una rejilla de ventilación exterior instalada en la parte superior de la pared para ventilar al exterior. Dicha ventilación hace que el sistema actúe como una chimenea solar que impulsa el aire a través del edificio durante el día.
Las paredes de almacenamiento térmico ventiladas hacia el interior han demostrado ser algo ineficaces, principalmente porque liberan 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 recomiendan que las paredes de almacenamiento térmico no se ventilen hacia el interior.
Existen muchas variantes del sistema de muro Trombe. Un muro de almacenamiento térmico sin ventilación (técnicamente no es un muro Trombe) capta la energía solar en la superficie exterior, la calienta y conduce el calor a la superficie interior, desde donde se irradia desde la superficie del muro interior al espacio interior más tarde durante el día. Un muro de agua utiliza un tipo de masa térmica que consiste en tanques o tubos de agua que se utilizan como masa térmica.
Una pared de almacenamiento térmico sin ventilación típica consiste en una pared de mampostería o de hormigón orientada al sur con un material oscuro que absorbe el calor en la superficie exterior y revestida con una capa simple o doble de vidrio. El vidrio de alta transmisión maximiza las ganancias solares hacia la pared de masa. El vidrio se coloca de 3 ⁄ 4 a 6 pulgadas (20 a 150 mm) desde la pared para crear un pequeño espacio de aire. El marco de vidrio suele ser de metal (por ejemplo, aluminio) porque el vinilo se ablanda y la madera se seca demasiado a la temperatura de 180 °F (82 °C) 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.
Un muro de agua utiliza recipientes de agua como masa térmica en lugar de un muro de masa sólida. Los muros de agua suelen ser ligeramente más eficientes que los muros 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 más rápida al edificio que la que pueden proporcionar los muros de masa sólida.
Las variaciones de temperatura entre las superficies de las paredes exteriores e interiores hacen que el calor atraviese la pared de masa. Sin embargo, en el interior del edificio, la ganancia de calor durante el día se retrasa y solo se encuentra disponible en la superficie interior de la masa térmica durante la noche, cuando se necesita porque el sol se ha puesto. El desfase temporal es la diferencia de tiempo entre el momento en que la luz solar llega por primera vez a la pared y el momento en que el calor entra en el interior del edificio. El desfase temporal depende del tipo de material utilizado en la pared y del espesor de la misma; un espesor mayor produce un desfase temporal mayor. El desfase temporal característico de la masa térmica, combinado con la amortiguación de las fluctuaciones de temperatura, permite el uso de la energía solar variable durante el día como una fuente de calor nocturna más uniforme. Se pueden colocar ventanas en la pared para obtener luz natural o por razones estéticas, pero esto tiende a reducir un poco la eficiencia.
El espesor de una pared de almacenamiento térmico debe ser de aproximadamente 10 a 14 pulgadas (250 a 350 mm) para ladrillo, de 12 a 18 pulgadas (300 a 450 mm) para hormigón, 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 tal manera que las temperaturas superficiales interiores alcanzan su punto máximo durante las últimas horas de la noche. El calor tardará aproximadamente de 8 a 10 horas en llegar al interior del edificio (el calor viaja a través de una pared de hormigón 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 cuadrados de superficie de pared de masa térmica por pie cuadrado de superficie de piso que se calienta (0,2 a 0,3 m2 por m2 de superficie de piso), según el clima. Una pared de agua debe tener aproximadamente 0,15 a 0,2 pies cuadrados de superficie de pared de agua por pie cuadrado (0,15 a 0,2 m2 por m2 ) de superficie de piso.
Los muros de masa térmica son los más adecuados para climas soleados de invierno con grandes oscilaciones de temperatura diurna (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 oscilación de temperatura diurna. Las pérdidas térmicas nocturnas a través de la masa térmica del muro pueden ser significativas en climas nublados y fríos; el muro pierde el calor almacenado en menos de un día y luego pierde calor, lo que aumenta drásticamente los requisitos de calefacción de respaldo. Cubrir el acristalamiento con paneles de aislamiento móviles y ajustados durante períodos nublados prolongados y horas nocturnas mejorará el rendimiento de un sistema de almacenamiento térmico.
El principal inconveniente de las paredes de almacenamiento térmico es la pérdida de calor hacia el exterior. En la mayoría de los climas, es necesario un doble vidrio (vidrio o cualquier otro plástico) para reducir la pérdida de calor. En climas templados, es aceptable un vidrio simple. 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 quitar paneles aislantes diariamente. Una superficie selectiva consiste en una lámina de metal pegada a la superficie exterior de la pared. Absorbe casi toda la radiación en la parte visible del espectro solar y emite muy poco en el rango infrarrojo. La alta absorción convierte la luz en calor en la superficie de la pared, y la baja emisión evita que el calor se irradie hacia el vidrio. [20]
Un sistema solar pasivo con estanque en el techo , a veces llamado techo solar , utiliza el agua almacenada en el techo para moderar las temperaturas internas frías y calientes, generalmente en entornos desérticos. Por lo general, se construye con contenedores que contienen de 6 a 12 pulgadas (150 a 300 mm) de agua en un techo plano. El agua se almacena en grandes bolsas de plástico o contenedores de fibra de vidrio para maximizar las emisiones radiantes y minimizar la evaporación. Se puede dejar sin vidriar o se puede cubrir con vidriado. La radiación solar calienta el agua, que actúa como un medio de almacenamiento térmico. Por la noche o durante el clima nublado, los contenedores se pueden cubrir con paneles aislantes. El espacio interior debajo del estanque del techo se calienta con la energía térmica emitida por el almacenamiento del estanque del techo por encima. Estos sistemas requieren buenos sistemas de drenaje, aislamiento movible y un sistema estructural mejorado para soportar una carga muerta de 35 a 70 lb/ ft2 (1,7 a 3,3 kN/m2 ) .
Debido a los ángulos de incidencia de la luz solar durante el día, los estanques en los tejados solo son eficaces para la calefacción en latitudes bajas y medias, en climas cálidos y templados. Los sistemas de estanques en los tejados funcionan mejor para la refrigeración en climas cálidos y de baja humedad. No se han construido muchos tejados solares y existe información limitada sobre el diseño, el coste, el rendimiento y los detalles de construcción de los tejados de almacenamiento térmico. [20]
Kachadorian demostró que las desventajas de los muros de almacenamiento térmico pueden superarse orientando el muro Trombe horizontalmente en lugar de verticalmente. [21] Si la masa de almacenamiento térmico se construye como un piso de losa de hormigón ventilado en lugar de como una pared, no bloquea la entrada de la luz solar a la casa (la desventaja más obvia del muro Trombe), pero aún puede estar expuesta a la luz solar directa a través de ventanas de doble acristalamiento orientadas al ecuador, que pueden aislarse aún más con contraventanas o cortinas térmicas por la noche. [22] El retraso problemático del muro Trombe en la captura de calor durante el día se elimina, porque el calor no tiene que atravesar la pared para llegar al espacio de aire interior: parte de él se refleja o se re-irradia inmediatamente desde el piso. Siempre que la losa tenga canales de aire como el muro Trombe, que la atraviesan en dirección norte-sur y se ventilan al espacio de aire interior a través del piso de losa de hormigón justo dentro de los muros norte y sur, todavía se produce una vigorosa termosifonación de aire a través de la losa como en el muro Trombe vertical, distribuyendo el calor retenido 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 que es un gasto necesario en cualquier edificio. Las cimentaciones de losa sobre el terreno son un componente de construcción común, bien entendido y rentable (modificado solo ligeramente con la inclusión de una capa de canales de aire de ladrillos de hormigón), en lugar de una exótica construcción de muro Trombe. El único inconveniente restante de este tipo de arquitectura solar de masa térmica es la ausencia de un sótano, como en cualquier diseño de losa sobre el terreno.
El diseño del suelo de Kachador es un sistema solar pasivo de ganancia directa , pero su masa térmica también actúa como un elemento de calefacción (o refrigeración) indirecto , cediendo su calor durante la noche. Es 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, el colector y el almacenamiento térmico) están aislados del área interior del edificio. [20]
Un solarium 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 adjunta a él, pero que puede cerrarse por completo de las áreas ocupadas principales. Funciona como un invernadero adjunto que utiliza una combinación de características de sistema de ganancia directa e indirecta. Un solarium puede llamarse y parecerse a un invernadero, pero un invernadero está diseñado para cultivar plantas, mientras que un solarium está diseñado para proporcionar calor y estética a un edificio. Los solariums son elementos de diseño pasivo muy populares porque amplían las áreas habitables de un edificio y ofrecen un espacio para cultivar plantas y otra vegetación. Sin embargo, en climas moderados y fríos, se requiere calefacción adicional para evitar que las plantas se congelen durante el clima extremadamente frío.
El vidrio orientado al sur de un solarium adjunto recoge la energía solar como en un sistema de ganancia directa. El diseño más simple de un solarium es instalar ventanas verticales sin acristalamiento superior. Los solares pueden experimentar una alta ganancia y pérdida de calor debido a su abundancia de acristalamiento. Aunque el acristalamiento horizontal e inclinado recoge más calor en invierno, se minimiza 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 luz 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 goteras, empañamiento, rotura y otras fallas del vidrio. Una combinación de acristalamiento vertical y algo de acristalamiento inclinado es aceptable si se proporciona sombreado en verano. Un alero bien diseñado puede ser todo lo que se necesita para dar sombra al acristalamiento en verano.
Las variaciones de temperatura causadas por las pérdidas y ganancias de calor se pueden moderar mediante la masa térmica y ventanas de baja emisividad. La masa térmica puede incluir un piso de mampostería, una pared de mampostería que bordea la casa o contenedores de agua. La distribución de calor al edificio se puede lograr a través de respiraderos a nivel del techo y del piso, ventanas, puertas o ventiladores. En un diseño común, la pared de masa térmica ubicada 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 posterior del espacio solar y por 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 conductivas 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 por la noche. Los paneles de vidrio grandes, las puertas francesas o las 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 cuadrados de superficie de pared de masa térmica por pie cuadrado de superficie de suelo a calentar (0,3 m2 por m2 de superficie de suelo), según el 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 adecuado aproximadamente 0,20 pies cuadrados de superficie de pared de masa térmica por pie cuadrado de superficie de suelo a calentar (0,2 m2 por m2 de superficie de suelo). En la mayoría de los climas, se requiere un sistema de ventilación en los meses de verano para evitar el sobrecalentamiento. Por lo general, no se deben utilizar grandes áreas de vidrio en altura (horizontales) y orientadas al este y al oeste en un espacio solar sin precauciones especiales para el sobrecalentamiento en verano, como utilizar vidrio que refleje el calor y proporcionar áreas con sistemas de sombreado en verano.
Las superficies internas de la masa térmica deben ser de color oscuro. Se pueden utilizar aislantes móviles (por ejemplo, cortinas, persianas, contraventanas) para ayudar a atrapar el aire caliente en el espacio solar tanto después de que se haya puesto el sol como durante el tiempo nublado. Cuando se cierran durante días extremadamente calurosos, las cortinas 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 los cimientos debe estar aislado 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, utilizando cubiertas para ventanas o aislamientos móviles.
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 un muro Trombe , un piso de hormigón ventilado, [23] una cisterna, un muro de agua o un estanque en el techo. [24] También es posible utilizar la masa térmica de la propia tierra, ya sea tal cual o incorporándola a la estructura mediante bancos o utilizando tierra apisonada como medio estructural. [25]
En las zonas subárticas, o en las que no se produce una gran cantidad de radiación solar durante largos periodos (por ejemplo, semanas de niebla helada), la construcción de una masa térmica a propósito resulta 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 hacen pasar un termosifón aislado a 3 m por debajo de una casa y aíslan el suelo con una capa impermeable de 6 m. [26]
El aislamiento térmico o superaislamiento (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 ganancia solar directa se mejora significativamente con aislamientos (por ejemplo, doble acristalamiento ), acristalamiento espectralmente selectivo ( low-e ) o aislamiento de ventanas móviles (colchas de ventanas, contraventanas de aislamiento interior plegables, cortinas, etc.). [22]
Por lo general, las ventanas que dan al Ecuador no deben utilizar revestimientos de vidrio que inhiban la ganancia solar.
En la norma alemana Passivhaus se utilizan ampliamente ventanas con superaislamiento . La selección de un revestimiento espectralmente selectivo para ventanas depende de la relación entre los grados-día de calefacción y de refrigeración para la ubicación del diseño.
El requisito de vidrio orientado verticalmente hacia el ecuador es diferente al de los otros tres lados de un edificio. Los revestimientos reflectantes en las ventanas y los paneles de vidrio múltiples 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 ganancia aislada aún pueden funcionar de manera efectiva con un solo acristalamiento de panel único. No obstante, la solución óptima y rentable depende tanto de la ubicación como del sistema.
Los tragaluces admiten la luz solar directa y dura desde arriba y el deslumbramiento [27] ya sea horizontalmente (un techo plano) o inclinados en el mismo ángulo que la pendiente del techo. En algunos casos, los tragaluces horizontales se utilizan con reflectores para aumentar la intensidad de la radiación solar (y el deslumbramiento duro), dependiendo del ángulo de incidencia del techo . 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 el momento equivocado del año y actúa como un horno solar. Los tragaluces deben estar cubiertos y bien aislados para reducir la convección natural (aire caliente ascendente), la pérdida de calor en las noches frías de invierno y la intensa ganancia de calor solar durante los días calurosos de primavera/verano/otoño.
El lado de un edificio que mira hacia el ecuador está al sur en el hemisferio norte y al 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 que no mira hacia el ecuador (en algunas latitudes ). Los tragaluces en los techos que miran al este proporcionan la máxima luz directa y ganancia de calor solar en la mañana de verano. Los tragaluces que miran al oeste proporcionan luz solar por la tarde y ganancia de calor durante la parte más calurosa del día.
Algunos tragaluces tienen cristales costosos que reducen parcialmente la ganancia de calor solar en verano, pero permiten la transmisión de cierta luz visible. Sin embargo, si la luz visible puede atravesarlos, también puede hacerlo cierta cantidad de calor radiante (ambas son ondas de radiación electromagnética ).
Puede reducir parcialmente parte de la ganancia de calor solar no deseada del techo inclinado en verano instalando un tragaluz a la sombra de árboles de hoja caduca (que pierden hojas) o agregando una cubierta opaca aislante móvil en la ventana interior o exterior del tragaluz. Esto eliminaría el beneficio de la luz natural en el verano. Si las ramas de los árboles cuelgan sobre un techo, aumentarán los problemas con las hojas en las canaletas de lluvia, posiblemente causen presas de hielo que dañen el techo , acorten la vida del techo y proporcionen un camino más fácil para que las plagas ingresen a su ático. Las hojas y las ramitas en los tragaluces son poco atractivas, difíciles de limpiar y pueden aumentar el riesgo de rotura del vidrio en tormentas de viento.
Los techos acristalados en forma de dientes de sierra con solo vidrio vertical pueden incorporar algunos de los beneficios del diseño de edificios solares pasivos al núcleo de un edificio comercial o industrial, sin necesidad de vidrios en ángulo en el techo ni tragaluces.
Los tragaluces proporcionan luz natural. La única vista que proporcionan es básicamente hacia arriba en la mayoría de las aplicaciones. Los tubos de luz bien aislados pueden llevar la luz natural a las habitaciones del norte, sin necesidad de utilizar un tragaluz. Un invernadero solar pasivo proporciona abundante luz natural para el lado del ecuador del edificio.
Las cámaras termográficas en color con tecnología de termografía infrarroja (utilizadas en auditorías energéticas formales ) pueden documentar rápidamente el impacto térmico negativo de un vidrio inclinado en un techo o un tragaluz en una noche fría de invierno o un día caluroso de verano.
El Departamento de Energía de los EE. UU. afirma: "el acristalamiento vertical es la mejor opción general para los espacios solares". [28] El vidrio en ángulo del techo y el vidrio en las paredes laterales no se recomiendan para los espacios solares pasivos.
El Departamento de Energía de Estados Unidos explica las desventajas de los acristalamientos en ángulo para tejados: el vidrio y el plástico tienen poca resistencia estructural. Cuando se instalan verticalmente, el vidrio (o el plástico) soporta su propio peso porque solo una pequeña área (el borde superior del acristalamiento) está sujeta a la gravedad. Sin embargo, a medida que el vidrio se inclina respecto del eje vertical, una mayor área (ahora la sección transversal inclinada) del acristalamiento tiene que soportar la fuerza de la gravedad. El vidrio también es frágil; no se flexiona mucho antes de romperse. Para contrarrestar esto, generalmente se debe aumentar el espesor del acristalamiento o aumentar la cantidad de soportes estructurales para sostenerlo. Ambos aumentan el costo general y el último reducirá la cantidad de ganancia solar en el espacio solar.
Otro problema común con los vidrios inclinados es su mayor exposición a la intemperie. Es difícil mantener un buen sellado en los vidrios en ángulo del techo bajo la intensa luz solar. El granizo, el aguanieve, la nieve y el viento pueden provocar fallas en el material. Para la seguridad de los ocupantes, las agencias regulatorias generalmente requieren que los vidrios inclinados estén hechos de vidrio de seguridad, laminado o una combinación de ambos, lo que reduce el potencial de ganancia solar. La mayor parte de los vidrios en ángulo del techo del espacio solar del Crowne Plaza Hotel Orlando Airport fue destruida en una sola tormenta de viento. Los vidrios en ángulo del techo aumentan el costo de construcción y pueden aumentar las primas de seguro. Los vidrios verticales son menos susceptibles a los daños climáticos que los vidrios en ángulo del techo.
Es difícil controlar la ganancia de calor solar en un espacio solar con ventanas inclinadas durante el verano e incluso en medio de un día templado y soleado de invierno. Los tragaluces son la antítesis de la refrigeración solar pasiva en edificios de energía cero en climas con necesidad 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 lámina de vidrio dentro de los 45 grados de la perpendicular se transmite en su mayor parte (menos del 10% se refleja ), mientras que si la luz solar incide a 70 grados de la perpendicular, más del 20% de la luz se refleja, y por encima de los 70 grados este porcentaje reflejado aumenta drásticamente. [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 la reflectividad y la transmisividad , en función del ángulo de incidencia .
Como alternativa, el software informático solar pasivo puede determinar el impacto de la trayectoria del sol y de los grados-día de refrigeración y calefacción en el rendimiento energético .
Un diseño con demasiado vidrio orientado hacia el ecuador puede generar un calentamiento excesivo en los días de invierno, primavera u otoño, espacios habitables incómodamente luminosos en ciertas épocas del año y una transferencia de calor excesiva en las noches de invierno y los días de verano.
Aunque el sol se encuentra a la misma altitud seis 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 causa un "desfase térmico". La cobertura de nubes variable influye en el potencial de ganancia solar. Esto significa que los aleros fijos específicos de la latitud, si bien son importantes, no son una solución completa para controlar la ganancia solar estacional.
Los mecanismos de control (como cortinas interiores aislantes manuales o motorizadas, persianas, pantallas de sombra exteriores enrollables o toldos retráctiles) pueden compensar las diferencias causadas por el desfase térmico o la nubosidad y ayudar a controlar las variaciones en los requisitos de ganancia solar diarios/horarios.
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 solar de las ventanas.
Se pueden elegir materiales y colores que reflejen o absorban la energía térmica solar . 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 de invierno cortos, 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 ingresará a la casa y será capturada como calor. [31]
Los materiales de jardinería energéticamente eficientes para una cuidadosa selección de energía solar pasiva incluyen materiales de construcción de paisaje duro y plantas de " paisaje blando " . El uso de principios de diseño de paisaje para la selección de árboles , setos y elementos de enrejados y pérgolas con enredaderas ; todos pueden usarse para crear sombra en verano. Para la ganancia solar en invierno es deseable usar plantas de hoja caduca que dejan caer sus hojas en el otoño, lo que brinda beneficios solares pasivos durante todo el año. Los arbustos y árboles de hoja perenne no caduca pueden ser cortavientos , a alturas y distancias variables, para crear protección y refugio contra el frío del viento invernal . La xerojardinería con especies nativas de "tamaño maduro apropiado" y plantas tolerantes a la sequía , riego por goteo , acolchado y prácticas de jardinería orgánica reducen o eliminan la necesidad de riego intensivo de energía y agua , equipo de jardinería a gas y reduce la huella de desechos en los vertederos. La iluminación de paisaje y las bombas de fuentes alimentadas por energía solar , y las piscinas cubiertas y las piscinas de inmersión con calentadores de agua solares pueden reducir el impacto de tales comodidades.
Las técnicas de iluminación solar pasiva mejoran el aprovechamiento de la iluminación natural en interiores y reducen así la dependencia de los sistemas de iluminación artificial.
Esto se puede lograr mediante un diseño cuidadoso del edificio, la orientación y la colocación de las secciones de las ventanas para captar la luz. Otras soluciones creativas implican el uso de superficies reflectantes para permitir la entrada de la luz natural al interior de un edificio. Las secciones de las ventanas deben tener el tamaño adecuado y, para evitar la sobreiluminación, se pueden proteger con brise soleil , toldos , árboles bien ubicados, 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 térmica excesiva o pérdida de calor. Si bien las claraboyas 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 ve compensada con creces por la energía necesaria para el funcionamiento de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado para mantener el confort térmico .
Se pueden emplear varios métodos para abordar este problema, incluidos, entre otros, revestimientos de ventanas , vidrios aislantes 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, de colectores de luz natural activos y pasivos , como estantes de luz , colores de pared y piso más claros, 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 luz natural activa . En la arquitectura tradicional japonesa , las puertas de paneles corredizos Shōji , con mamparas Washi translúcidas , son un precedente original. El estilo internacional , el modernista y la arquitectura moderna de mediados de siglo fueron innovadores anteriores de esta penetración y reflexión pasivas en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.
Existen muchas formas de utilizar la energía solar térmica para calentar agua para uso doméstico. Las distintas tecnologías de agua caliente solar activas y pasivas tienen diferentes implicaciones económicas en el análisis de costo-beneficio según la ubicación.
El calentamiento solar pasivo fundamental del agua caliente no requiere bombas ni ningún dispositivo eléctrico. Es muy rentable en climas en los que no se dan condiciones meteorológicas prolongadas de temperaturas bajo cero o de mucha nubosidad. [35] Otras tecnologías de calentamiento solar activo del agua, etc., pueden ser más apropiadas para algunas ubicaciones.
Es posible disponer de agua caliente solar activa que también se pueda utilizar "fuera de la red" y que se considere sostenible. Esto se logra mediante el uso de una célula fotovoltaica que utiliza la energía del sol para alimentar las bombas. [36]
En Europa, el enfoque adoptado por el Instituto de Casas Pasivas ( Passivhaus en alemán) de Alemania está cobrando cada vez más importancia . En lugar de basarse únicamente en las técnicas tradicionales de diseño solar pasivo, este enfoque busca aprovechar todas las fuentes pasivas de calor, minimizar el uso de energía y enfatizar la necesidad de altos niveles de aislamiento reforzados con una meticulosa atención a los detalles para abordar los puentes térmicos y la infiltración de aire frío. La mayoría de los edificios construidos según el estándar de Casas Pasivas también incorporan una unidad de ventilación con recuperación de calor activa con o sin un pequeño componente de calefacción incorporado (normalmente de 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 certificarse como "Casa Pasiva" cuando se puede demostrar que cumple ciertos criterios, siendo el más importante que la demanda térmica específica anual de la casa no debe superar los 15 kWh/m2 al año.
Con los avances en el acristalamiento de valor U ultrabajo, se propone un edificio de calefacción (casi) nula basado en la Casa Pasiva para reemplazar a los edificios de energía casi nula aparentemente fallidos en la UE. El edificio de calefacción nula reduce el diseño solar pasivo y hace que el edificio sea más abierto al diseño arquitectónico convencional. La demanda de calor específica anual para la casa de calefacción nula no debe superar los 3 kWh/m2 al año. El edificio de calefacción nula es más simple de diseñar y operar. Por ejemplo: no hay necesidad de protección solar modulada en las casas de calefacción nula.
Tradicionalmente, se utilizaba un heliodón para simular la altitud y el acimut del sol que brillaba sobre un edificio modelo en cualquier momento de cualquier día del año. En la actualidad, los programas informáticos pueden modelar este fenómeno e integrar datos climáticos locales (incluidos los impactos del sitio, como sombras y obstrucciones físicas) para predecir el potencial de ganancia solar para un diseño de edificio en particular a lo largo de un año. Las aplicaciones para teléfonos inteligentes basadas en GPS ahora pueden hacer esto de manera 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 de edificio solar pasivo universal "de talla única" que funcione bien en todas las ubicaciones.
Muchas casas unifamiliares suburbanas pueden lograr reducciones en el gasto de calefacción sin cambios obvios en su apariencia, comodidad o usabilidad. [37] Esto se logra mediante una buena ubicación y posicionamiento de las ventanas, pequeñas cantidades de masa térmica, con un buen aislamiento 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 . Esto luego irradiará calor al edificio por la noche. Se puede utilizar sombreado externo, o una barrera radiante más un espacio de aire, para reducir la ganancia solar indeseable en verano.
Una extensión del enfoque de "solar pasivo" para la captura y almacenamiento de calor y refrigeración solar estacional. Estos diseños intentan capturar el calor solar de la estación cálida y transportarlo a un depósito térmico estacional para su uso meses después durante la estación fría ("solar pasivo anualizado"). Se logra un mayor almacenamiento empleando grandes cantidades de masa térmica o acoplamiento terrestre . Los informes anecdóticos sugieren que pueden ser eficaces, pero no se ha realizado ningún estudio formal para demostrar su superioridad. El enfoque también puede trasladar la refrigeración a la estación cálida. Ejemplos:
Una casa calentada con energía solar "puramente pasiva" no tendría una unidad de calefacción mecánica, sino que dependería de la energía captada de la luz solar, complementada únicamente por la energía térmica "incidental" emitida por luces, computadoras y otros electrodomésticos para tareas específicas (como los de cocinar, entretenimiento, etc.), duchas, 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 es estrictamente un diseño solar. El diseño de edificios solares pasivos a veces utiliza controles eléctricos y mecánicos limitados para operar compuertas, contraventanas aislantes, persianas, toldos o reflectores. Algunos sistemas utilizan pequeños ventiladores o chimeneas calentadas con 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 utilizar 1 J por cada 4 J que entrega, lo que da un COP de 4. Un sistema que solo utiliza un ventilador de 30 W para distribuir de manera más uniforme 10 kW de calor solar por toda una casa tendría un COP de 300.
El diseño pasivo de edificios solares es a menudo un elemento fundamental de un edificio de energía cero rentable . [38] [39] Aunque un ZEB utiliza múltiples conceptos de diseño de edificios solares pasivos, un ZEB por lo general no es puramente pasivo, ya que tiene sistemas de generación de energía renovable mecánica activa como: turbinas eólicas , fotovoltaica , microhidráulica , geotermia y otras fuentes de energía alternativas emergentes. La energía solar pasiva también es una estrategia central de diseño de edificios para la supervivencia pasiva , junto con otras estrategias pasivas. [40]
Recientemente, se ha generado un interés en la utilización de las grandes superficies de los rascacielos para mejorar su eficiencia energética general. Dado que los rascacielos son cada vez más comunes en los entornos urbanos, pero requieren grandes cantidades de energía para funcionar, existe el potencial de lograr grandes ahorros energéticos empleando técnicas de diseño solar pasivo. Un estudio [41] que analizó la torre propuesta 22 Bishopsgate en Londres descubrió que, en teoría, se puede lograr una disminución del 35 % de la demanda energética mediante ganancias solares indirectas, rotando el edificio para lograr una ventilación y penetración de luz natural óptimas, utilizando material de suelo de alta masa térmica para disminuir la fluctuación de temperatura en el interior del edificio y utilizando vidrios de doble o triple acristalamiento de baja emisividad para obtener una ganancia solar directa. Las técnicas de ganancia solar indirecta incluían moderar el flujo de calor de las paredes mediante variaciones del espesor de las mismas (de 20 a 30 cm), utilizar acristalamiento en las ventanas del espacio exterior para evitar la pérdida de calor, dedicar entre el 15 y el 20 % de la superficie del suelo al almacenamiento térmico e implementar una pared Trombe para absorber el calor que entra en el espacio. Se utilizan aleros para bloquear la luz solar directa en verano y permitirla en invierno, y se insertan persianas que reflejan el 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, por sus siglas en inglés) en el exterior de los edificios de gran altura en Hong Kong. Este tipo de fachada verde, o vegetación que cubre las paredes exteriores, puede reducir en gran medida el uso del aire acondicionado: hasta en un 80%, según descubrieron los investigadores.
En climas más templados, estrategias como el acristalamiento, el ajuste de la relación ventana-pared, el sombreado y las estrategias de techado pueden ofrecer ahorros considerables de energía, en el rango del 30% al 60%. [43]
