Un muro Trombe es una pared maciza que mira hacia el ecuador y que está pintada de un color oscuro para absorber la energía térmica de la luz solar incidente y cubierta con un vidrio en el exterior con un espacio de aire aislante entre la pared y el vidriado. Un muro Trombe es una estrategia de diseño de edificios solares pasivos que adopta el concepto de ganancia indirecta, donde la luz solar incide primero en una superficie de recolección de energía solar en contacto con una masa térmica de aire. La luz solar absorbida por la masa se convierte en energía térmica (calor) y luego se transfiere al espacio habitable.
Los muros Trombe también pueden denominarse muro de masa , [1] muro solar , [2] o muro de almacenamiento térmico . [3] Sin embargo, debido al extenso trabajo del profesor y arquitecto Félix Trombe en el diseño de estructuras solares calentadas y enfriadas pasivamente, a menudo se los llama Muros Trombe. [2]
Este sistema es similar al calentador de aire (como una simple caja vidriada en la pared sur con un absorbedor oscuro, espacio de aire y dos juegos de respiraderos en la parte superior e inferior) creado por el profesor Edward S. Morse hace cien años. [4] [5] [6]
En la década de 1920, la idea de la calefacción solar comenzó a surgir en Europa. En Alemania, se diseñaron proyectos de vivienda para aprovechar el sol. La investigación y la experiencia acumulada en diseño solar se difundieron más tarde al otro lado del Atlántico por arquitectos como Walter Gropius y Marcel Breuer. Aparte de estos primeros ejemplos, la calefacción de viviendas con el sol avanzó lentamente hasta la década de 1930, cuando varios arquitectos estadounidenses comenzaron a explorar el potencial de la calefacción solar. El trabajo pionero de estos arquitectos estadounidenses, la influencia de los inmigrantes europeos y el recuerdo de la escasez de combustible en tiempos de guerra hicieron que la calefacción solar fuera muy popular durante el auge inmobiliario inicial al final de la Segunda Guerra Mundial. [7]
Más tarde, en la década de 1970, antes y después de la crisis internacional del petróleo de 1973, algunas publicaciones periódicas europeas de arquitectura criticaron los métodos de construcción y la arquitectura estándar de la época. Describían cómo los arquitectos e ingenieros reaccionaron a la crisis, proponiendo nuevas técnicas y proyectos para intervenir de manera innovadora en el entorno construido, utilizando la energía y los recursos naturales de manera más eficiente. [8] Además, el agotamiento de los recursos naturales generó interés en las fuentes de energía renovables, como la energía solar . [9]
Paralelamente al crecimiento de la población mundial, el consumo de energía y las cuestiones ambientales se han convertido en una preocupación global, especialmente ahora que el sector de la construcción consume la mayor cantidad de energía del mundo y la mayor parte de ella se utiliza para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. [10]
Por estos motivos, se espera que los edificios actuales alcancen tanto la eficiencia energética como el diseño respetuoso con el medio ambiente mediante el uso de energía renovable, en parte o en su totalidad, en lugar de energía fósil para calefacción y refrigeración. En este sentido, la integración de sistemas solares pasivos en los edificios es una estrategia para el desarrollo sostenible y cada vez más fomentada por las normativas internacionales. [11]
Los edificios de bajo consumo energético actuales con muros Trombe suelen mejorar una técnica antigua que incorpora un sistema de almacenamiento y distribución térmica que la gente ya utilizaba: gruesos muros de adobe o piedra para atrapar el calor del sol durante el día y liberarlo lenta y uniformemente durante la noche para calentar el edificio. [12] Hoy en día, el muro Trombe sigue sirviendo como una estrategia eficaz de diseño solar pasivo.
El primer ejemplo conocido de un sistema de pared Trombe se utilizó en la casa Trombe de Odeillo, Francia, en 1967. [13] [3] La pared pintada de negro está construida con hormigón de aproximadamente 2 pies de espesor con un espacio de aire y un doble acristalamiento en su lado exterior. La casa se calienta principalmente por radiación y convección desde la superficie interior de la pared de hormigón y los resultados de los estudios muestran que el 70% de las necesidades anuales de calefacción de este edificio se satisfacen con energía solar. Por lo tanto, la eficiencia del sistema es comparable a un buen sistema de calefacción solar activo. PV, la energía fotovoltaica para la producción eléctrica convierte el 15%-20% de la radiación en energía. Lo que significa que su eficiencia energética es baja: se pierde el 85% de la radiación del sol. Mientras que el colector solar térmico, Trombe Wall, puede convertir el 70%-80% de la radiación del sol en calor, lo que significa que es mucho más eficiente energéticamente y su producción de calor es potente.
En 1970 se construyó en Montmedy (Francia) otro sistema de colector-distribuidor pasivo, el Trombe Wall. La casa, con una superficie habitable de 280 m3, necesitaba 7000 kWh anuales para calentar el espacio. En Montmedy (entre los 49° y 50° de latitud norte), 5400 kWh se suministraban mediante calefacción solar y el resto mediante un sistema eléctrico auxiliar. El coste anual de calefacción por electricidad era de aproximadamente 225 dólares, en comparación con los 750 dólares estimados para una casa calentada completamente con electricidad en la misma zona. Esto supone una reducción del 77% en la carga de calefacción y una reducción del 70% en el coste de las necesidades de calefacción en invierno. [14]
En 1974, el primer ejemplo del sistema de muro Trombe se utilizó en la Casa Kelbaugh en Princeton, Nueva Jersey. [4] La casa está ubicada a lo largo del límite norte del sitio para maximizar el acceso sin sombra a la luz solar disponible. El edificio de dos pisos tiene 600 pies cuadrados de muro de almacenamiento térmico que está construido de hormigón y pintado con una pintura negra selectiva sobre un sellador de mampostería. Aunque la calefacción principal se logra por radiación y convección desde la cara interior del muro, dos respiraderos en el muro también permiten la calefacción durante el día mediante el circuito de convección natural. Según los datos recopilados en los inviernos de 1975-1976 y 1976-1977, el sistema de muro Trombe redujo los costos de calefacción respectivamente en un 76% y un 84%. [3]
A diferencia de un sistema solar activo que emplea hardware y equipo mecánico para recolectar o transportar calor, un muro Trombe es un sistema pasivo de calefacción solar donde la energía térmica fluye en el sistema por medios naturales como la radiación, la conducción y la convección natural. Como consecuencia, el muro funciona absorbiendo la luz solar en su cara exterior y luego transfiriendo este calor a través del muro por conducción. El calor conducido a través del muro se distribuye luego al espacio habitable por radiación y, en cierto grado, por convección, desde la superficie interior del muro. [3]
El efecto invernadero ayuda a este sistema atrapando la radiación solar entre el vidrio y la masa térmica. El calor del sol, en forma de radiación de longitud de onda más corta, pasa a través del vidrio sin apenas obstáculos. Cuando esta radiación llega a la superficie de color oscuro de la masa térmica que mira hacia el sol, la energía es absorbida y luego reemitida en forma de radiación de longitud de onda más larga que no puede atravesar el vidrio tan fácilmente. Por lo tanto, el calor queda atrapado y se acumula en el espacio de aire entre la masa térmica de alta capacidad térmica y el vidrio que mira hacia el sol. [15]
Otro fenómeno que influye en el funcionamiento del muro Trombe es el desfase temporal provocado por la capacidad térmica de los materiales. Dado que los muros Trombe son bastante gruesos y están hechos de materiales con una alta capacidad térmica, el flujo de calor desde la superficie exterior más cálida a la superficie interior más fría es más lento que el de otros materiales con menor capacidad térmica. Este fenómeno de flujo de calor retardado se conoce como desfase temporal y hace que el calor obtenido durante el día llegue más tarde a la superficie interior de la masa térmica. Esta propiedad de la masa también ayuda a calentar el espacio habitable por las noches. [7] Por lo tanto, si hay suficiente masa, el muro puede actuar como un calentador radiante durante toda la noche. Por otro lado, si la masa es demasiado gruesa, tarda demasiado en transmitir la energía térmica que recoge, por lo que el espacio habitable no recibe suficiente calor durante las horas de la tarde, cuando más se necesita. Del mismo modo, si la masa térmica es demasiado fina, transmite el calor demasiado rápido, lo que da como resultado un sobrecalentamiento del espacio habitable durante el día y poca energía para la noche. Además, las paredes de Trombe que utilizan agua como masa térmica recogen y distribuyen calor a un espacio de la misma manera, pero transfieren el calor a través de los componentes de la pared (tubos, botellas, barriles, tambores, etc.) por convección en lugar de por conducción y el rendimiento de convección de las paredes de agua difiere según sus diferentes capacidades térmicas. [1] Los volúmenes de almacenamiento más grandes proporcionan una capacidad de almacenamiento de calor mayor y a más largo plazo, mientras que los volúmenes contenidos más pequeños proporcionan mayores superficies de intercambio de calor y, por tanto, una distribución más rápida.
Los muros Trombe suelen diseñarse para que cumplan una función de soporte de carga, así como para recoger y almacenar la energía del sol y ayudar a encerrar los espacios interiores del edificio. [2] Los requisitos de un muro Trombe son las áreas acristaladas orientadas hacia el ecuador para obtener la máxima ganancia solar en invierno y una masa térmica, ubicada a 4 pulgadas o más directamente detrás del vidrio, que sirve para almacenar y distribuir el calor. Además, hay muchos factores, como el color, el grosor o los dispositivos de control térmico adicionales que influyen en el diseño y la eficacia de los muros Trombe. [3] La rotación ecuatorial, que está hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur, es la mejor rotación para las estrategias solares pasivas porque recogen mucho más sol durante el día del que pierden durante la noche y recogen mucho más sol en invierno que en verano. [7]
La primera estrategia de diseño para aumentar la eficacia de los muros Trombe es pintar la superficie exterior del muro de negro (o de un color oscuro) para lograr la mejor absorción posible de la luz solar. Además, un revestimiento selectivo en un muro Trombe mejora su rendimiento al reducir la cantidad de energía infrarroja irradiada a través del vidrio. La superficie selectiva consiste en una lámina de metal pegada a la superficie exterior del muro y absorbe casi toda la radiación en la parte visible del espectro solar y emite muy poco en el rango infrarrojo. La alta capacidad de absorción convierte la luz solar en calor en la superficie del muro, y la baja emisión evita que el calor se irradie hacia el vidrio. [16]
Aunque los muros Trombe suelen estar hechos de materiales sólidos, como hormigón, ladrillo, piedra o adobe, también pueden estar hechos de agua. La ventaja de utilizar agua como masa térmica es que el agua almacena considerablemente más calor por volumen (tiene una mayor capacidad térmica) que la mampostería. [2] El desarrollador de este muro de agua, Steve Bare, llama a este sistema “muro de tambor”. [14] Pintó los contenedores de acero de forma similar a los bidones de petróleo y los llenó casi por completo de agua, dejando algo de espacio para la expansión térmica. Luego apiló los contenedores horizontalmente detrás de un doble acristalamiento orientado hacia el ecuador con las bases ennegrecidas hacia el exterior. Este muro de agua implica los mismos principios que los muros Trombe, pero emplea un material de almacenamiento diferente y diferentes métodos para contener ese material. [1] Al igual que la masa térmica de color oscuro de los muros Trombe, los contenedores que almacenan el agua también suelen pintarse con colores oscuros para aumentar su capacidad de absorción, pero también es común dejarlos transparentes o translúcidos para permitir que pase algo de luz natural.
Otra parte fundamental del diseño de la pared Trombe es la elección del material y el espesor adecuados de la masa térmica. El espesor óptimo de la masa térmica depende de la capacidad térmica y de la conductividad térmica del material utilizado. Hay algunas reglas que se deben seguir al calcular el tamaño de la masa térmica. [3]
El espesor óptimo de una pared de mampostería aumenta a medida que aumenta la conductividad térmica del material de la pared. Por ejemplo, para compensar una transferencia de calor rápida a través de un material altamente conductivo, la pared debe ser más gruesa.
En consecuencia, dado que la pared más gruesa absorbe y almacena más calor para utilizarlo durante la noche, la eficiencia de la pared aumenta a medida que aumentan la conductividad y el espesor de la pared.
Existe un rango de espesor óptimo para los materiales de mampostería.
La eficiencia de la pared de agua aumenta a medida que aumenta el espesor de la pared. Sin embargo, es difícil notar un aumento considerable del rendimiento a medida que las paredes superan los 15 cm de espesor. Es probable que una pared de agua con un espesor inferior a 15 cm tampoco sea suficiente para actuar como una masa térmica adecuada que almacene el calor durante el día.
En el diseño inicial de la pared Trombe, hay respiraderos en las paredes para distribuir el calor por convección natural (termocirculación) desde la cara exterior de la pared, pero solo durante el día y al anochecer. [3] La radiación solar que pasa a través del vidrio es absorbida por la pared, calentando su superficie a una temperatura de hasta 150 °F. Este calor se transfiere al aire en el espacio de aire entre la pared y el vidrio. A través de aberturas o respiraderos ubicados en la parte superior de la pared, el aire caliente que se eleva en el espacio de aire ingresa a la habitación mientras que simultáneamente atrae aire frío de la habitación a través de los respiraderos bajos en la pared. De esta manera, se puede suministrar calor adicional al espacio habitable durante los períodos de clima soleado. Sin embargo, ahora está claro que los respiraderos no funcionan bien ni en verano ni en invierno. [7] Se vuelve más común diseñar una mitad de pared Trombe y luego combinarla con un sistema de ganancia directa. La parte de ganancia directa entrega calor temprano en el día, mientras que la pared Trombe almacena calor para el uso nocturno. Además, a diferencia de un muro Trombe completo, la parte con ganancia directa permite disfrutar de las vistas y del sol invernal.
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Para minimizar los posibles inconvenientes del sistema de muro Trombe, existen estrategias de control térmico adicionales que se pueden emplear en el diseño del muro. Por ejemplo, la distancia mínima de 4 pulgadas entre el vidrio y la masa permite limpiar el acristalamiento y la inserción de una barrera radiante enrollable según sea necesario. [7] Agregar una barrera radiante o un aislamiento nocturno entre el acristalamiento y la masa térmica reduce las pérdidas de calor nocturnas y las ganancias de calor diurno en verano. Sin embargo, para evitar el sobrecalentamiento en verano, lo mejor sería combinar esta estrategia con un dispositivo de sombreado exterior como una contraventana, un alero de techo o un sombreado interior para bloquear la radiación solar excesiva que calienta el muro Trombe. [17] Otra estrategia que ayuda a beneficiarse de la recolección solar sin algunos de los inconvenientes de los muros Trombe es usar reflectores exteriores tipo espejo. [7] El área reflejada adicional ayuda a que los muros Trombe se beneficien más de la luz solar con la flexibilidad de quitar o rotar el dispositivo reflector si no se desea la recolección solar.
Cuando se comparan tres fachadas de muro Trombe diferentes con vidrio simple, vidrio doble y un módulo fotovoltaico semitransparente integrado en un clima cálido y húmedo, el vidrio simple proporciona la mayor ganancia de radiación solar debido a su mayor eficiencia de ganancia de calor solar. [18] Sin embargo, se recomienda utilizar el vidrio simple con una persiana para las horas de la tarde y la noche, para compensar sus pérdidas de calor. El acristalamiento de alta transmisión maximiza las ganancias solares del muro Trombe al tiempo que permite reconocer el ladrillo oscuro, las piedras naturales, los contenedores de agua u otro sistema de masa térmica atractivo detrás del acristalamiento. Sin embargo, desde una perspectiva estética, a veces no es deseable distinguir la masa térmica negra. Como detalle arquitectónico, se puede utilizar vidrio estampado para limitar la visibilidad exterior del muro oscuro sin sacrificar la transmisividad. [16]
El muro Trombe más grande del noreste de los Estados Unidos se encuentra en el edificio de Ingeniería Mecánica del NJIT, en 200 Central Avenue, Newark, Nueva Jersey.
El forjado kachadoriano supera las desventajas del muro trombe al orientarlo horizontalmente en lugar de verticalmente. El sistema Barra combina muros trombe reales con una losa ventilada como el forjado kachadoriano.