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