Una chimenea solar , a menudo denominada chimenea térmica , es una forma de mejorar la ventilación natural de los edificios mediante la convección de aire calentado por energía solar pasiva . Una descripción simple de una chimenea solar es la de un eje vertical que utiliza energía solar para mejorar la ventilación natural de la chimenea a través de un edificio.
La chimenea solar se utiliza desde hace siglos, particularmente en Oriente Medio y Cercano Oriente por los persas , así como en Europa por los romanos .
En su forma más sencilla, la chimenea solar consta de una chimenea pintada de negro . Durante el día, la energía solar calienta la chimenea y el aire que contiene, creando una corriente ascendente de aire en la chimenea. La succión creada en la base de la chimenea se puede utilizar para ventilar y enfriar el edificio de abajo. [1] En la mayor parte del mundo es más fácil aprovechar la energía eólica para la ventilación, como con un captavientos , pero en los días calurosos y sin viento una chimenea solar puede proporcionar ventilación donde de otro modo no la habría.
Sin embargo, existen diversas variaciones de chimeneas solares. Los elementos básicos de diseño de una chimenea solar son:
Se ha propuesto un principio para la generación de energía solar : utilizar un gran invernadero en la base en lugar de depender únicamente del calentamiento de la propia chimenea. (Para obtener más información sobre este tema, consulte Torre de corriente ascendente solar ).
Las chimeneas solares están pintadas de negro para que absorban más eficazmente el calor del sol. Cuando el aire del interior de la chimenea se calienta, sube y extrae el aire frío del suelo a través de los tubos de intercambio de calor.
Las chimeneas solares, también llamadas chimeneas de calor o pilas de calor, también se pueden utilizar en entornos arquitectónicos para disminuir la energía utilizada por los sistemas mecánicos (sistemas que calientan y enfrían el edificio por medios mecánicos). Durante décadas, el aire acondicionado y la ventilación mecánica han sido el método estándar de control ambiental en muchos tipos de edificios, especialmente oficinas, en los países desarrollados. La contaminación y la reasignación del suministro de energía han dado lugar a un nuevo enfoque medioambiental en el diseño de edificios. A menudo se combinan tecnologías innovadoras junto con principios bioclimáticos y estrategias de diseño tradicionales para crear soluciones de diseño nuevas y potencialmente exitosas. La chimenea solar es uno de estos conceptos actualmente explorados tanto por científicos como por diseñadores, principalmente a través de la investigación y la experimentación.
Una chimenea solar puede servir para muchos propósitos. La luz solar directa calienta el aire dentro de la chimenea, lo que hace que se eleve por la parte superior y aspire aire desde la parte inferior. Esta extracción de aire se puede utilizar para ventilar una casa u oficina, para extraer aire a través de un intercambio de calor geotérmico o para ventilar solo un área específica, como un inodoro de compostaje.
Se puede crear ventilación natural proporcionando respiraderos en el nivel superior de un edificio para permitir que el aire caliente suba por convección y escape al exterior. Al mismo tiempo, se puede aspirar aire más frío a través de las rejillas de ventilación situadas en el nivel inferior. Se pueden plantar árboles en ese lado del edificio para proporcionar sombra para el aire exterior más fresco.
Este proceso de ventilación natural se puede aumentar con una chimenea solar. La chimenea debe estar más alta que el nivel del tejado y debe estar construida en la pared orientada hacia el sol. La absorción de calor del Sol se puede aumentar utilizando una superficie vidriada en el lado que mira al Sol. Se puede utilizar material absorbente de calor en el lado opuesto. El tamaño de la superficie absorbente de calor es más importante que el diámetro de la chimenea. Una gran superficie permite un intercambio de calor más eficaz con el aire necesario para la calefacción por radiación solar. El calentamiento del aire dentro de la chimenea mejorará la convección y, por tanto, el flujo de aire a través de la chimenea. Las aberturas de las rejillas de ventilación de la chimenea deben mirar en dirección contraria al viento predominante .
Para maximizar aún más el efecto de enfriamiento, el aire entrante puede conducirse a través de conductos subterráneos antes de permitirle ingresar al edificio. La chimenea solar se puede mejorar integrándola con una pared de trombe . La ventaja adicional de este diseño es que el sistema puede invertirse durante la estación fría, proporcionando en su lugar calefacción solar.
Una variación del concepto de chimenea solar es el ático solar . En un clima cálido y soleado, el ático suele ser extremadamente caluroso en verano. En un edificio convencional esto presenta un problema ya que conlleva la necesidad de aumentar el aire acondicionado . Al integrar el espacio del ático con una chimenea solar, se puede aprovechar el aire caliente del ático. Puede ayudar a la convección en la chimenea, mejorando la ventilación. [4]
El uso de una chimenea solar puede beneficiar las estrategias de ventilación natural y refrigeración pasiva de los edificios, ayudando así a reducir el uso de energía, las emisiones de CO 2 y la contaminación en general. Los beneficios potenciales con respecto a la ventilación natural y el uso de chimeneas solares son:
Los beneficios potenciales relacionados con el enfriamiento pasivo pueden incluir:
El edificio de oficinas del Building Research Establishment (BRE) en Garston, Watford, Reino Unido, incorpora chimeneas de ventilación pasiva asistida por energía solar como parte de su estrategia de ventilación.
Diseñadas por los arquitectos Feilden Clegg Bradley, las oficinas de BRE tienen como objetivo reducir el consumo de energía y las emisiones de CO 2 en un 30 % con respecto a las pautas actuales de mejores prácticas y mantener condiciones ambientales confortables sin el uso de aire acondicionado. Las chimeneas de ventilación pasiva, la protección solar y las losas de hormigón huecas con refrigeración integrada bajo el suelo son características clave de este edificio. Los sistemas de ventilación y calefacción son controlados por el sistema de gestión del edificio (BMS), mientras que se proporciona cierto grado de anulación por parte del usuario para ajustar las condiciones a las necesidades de los ocupantes.
El edificio utiliza cinco pozos verticales como parte integral de la estrategia de ventilación y refrigeración. Los componentes principales de estas chimeneas son una pared de bloques de vidrio orientada al sur, paredes de masa térmica y escapes redondos de acero inoxidable que se elevan unos metros por encima del nivel del techo. Las chimeneas están conectadas a losas huecas curvadas del suelo de hormigón, que se enfrían mediante ventilación nocturna. Las tuberías incrustadas en el suelo pueden proporcionar refrigeración adicional utilizando agua subterránea.
En los días cálidos y ventosos, el aire entra a través de pasajes en las losas huecas y curvadas del suelo de hormigón. La ventilación de las chimeneas que se eleva naturalmente a través de las chimeneas de acero inoxidable mejora el flujo de aire a través del edificio. El movimiento del aire a través de la parte superior de las chimeneas mejora el efecto de chimenea. Durante los días cálidos y tranquilos, el edificio se basa principalmente en el efecto de chimenea mientras el aire se toma del lado norte sombreado del edificio. También se pueden utilizar ventiladores de bajo consumo de energía en la parte superior de las chimeneas para mejorar el flujo de aire.
Durante la noche, los sistemas de control habilitan vías de ventilación a través de la losa hueca de hormigón, eliminando el calor almacenado durante el día, que luego permanece frío para el día siguiente. El techo curvo expuesto proporciona más superficie que la que tendría un techo plano, actuando como un disipador de calor y proporcionando nuevamente refrigeración en verano. La investigación basada en mediciones de rendimiento reales de las pilas pasivas encontró que mejoraban la ventilación del espacio durante los días cálidos y tranquilos y también pueden tener el potencial de ayudar a la refrigeración nocturna debido a su estructura térmicamente masiva. [5]
Una tecnología estrechamente relacionada con la chimenea solar es la torre de enfriamiento evaporativa de tiro descendente. En zonas con un clima cálido y árido, este enfoque puede contribuir a una forma sostenible de proporcionar aire acondicionado a los edificios.
El principio es permitir que el agua se evapore en la parte superior de una torre, ya sea mediante el uso de almohadillas de enfriamiento por evaporación o rociando agua. La evaporación enfría el aire entrante, provocando una corriente descendente de aire frío que reducirá la temperatura dentro del edificio. [6] El flujo de aire se puede aumentar utilizando una chimenea solar en el lado opuesto del edificio para ayudar a ventilar el aire caliente hacia el exterior. [7] Este concepto se ha utilizado para el Centro de Visitantes del Parque Nacional Zion . El Centro de Visitantes fue diseñado por la Investigación de Edificios de Alto Rendimiento del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
El principio de torre de enfriamiento de corriente descendente también se ha propuesto para la generación de energía solar. (Consulte Torre de energía para obtener más información).
La evaporación de la humedad de las almohadillas situadas en la parte superior de los edificios Toguna construidos por el pueblo Dogon de Malí, África, contribuye al frescor que sienten los hombres que descansan debajo. Los edificios de mujeres en las afueras de la ciudad funcionan como chimeneas solares más convencionales.
