Enfriamiento pasivo

Diseño de edificio que reduce la temperatura interior sin aire acondicionado

Un diseño tradicional iraní de refrigeración solar utilizando una torre eólica

La refrigeración pasiva es un enfoque de diseño de edificios que se centra en el control de la ganancia de calor y la disipación de calor en un edificio para mejorar el confort térmico interior con un consumo de energía bajo o nulo. ^{[1] [2]} Este enfoque funciona evitando que el calor ingrese al interior (prevención de ganancia de calor) o eliminando el calor del edificio (enfriamiento natural). ^[3]

El enfriamiento natural utiliza energía in situ, disponible en el entorno natural, combinada con el diseño arquitectónico de los componentes del edificio (por ejemplo, la envolvente del edificio ), en lugar de sistemas mecánicos para disipar el calor. ^[4] Por lo tanto, el enfriamiento natural depende no sólo del diseño arquitectónico del edificio sino de cómo se utilizan los recursos naturales del sitio como disipadores de calor (es decir, todo lo que absorbe o disipa el calor). Ejemplos de disipadores de calor in situ son la atmósfera superior (cielo nocturno), el aire exterior (viento) y la tierra/suelo.

La refrigeración pasiva es una herramienta importante en el diseño de edificios para la adaptación al cambio climático , reduciendo la dependencia del aire acondicionado  que consume mucha energía en entornos cálidos. ^{[5] [6]}

Descripción general

El enfriamiento pasivo cubre todos los procesos y técnicas naturales de disipación y modulación del calor sin el uso de energía. ^[1] Algunos autores consideran que sistemas mecánicos menores y simples (por ejemplo, bombas y economizadores) pueden integrarse en técnicas de enfriamiento pasivo, siempre que se utilicen para mejorar la efectividad del proceso de enfriamiento natural. ^[7] Estas aplicaciones también se denominan "sistemas de refrigeración híbridos". ^[1] Las técnicas de refrigeración pasiva se pueden agrupar en dos categorías principales:

• Técnicas preventivas que tienen como objetivo brindar protección y/o prevención de ganancias de calor externas e internas.
• Técnicas de modulación y disipación de calor que permiten al edificio almacenar y disipar la ganancia de calor mediante la transferencia de calor desde los disipadores de calor al clima. Esta técnica puede ser el resultado de una masa térmica o de un enfriamiento natural.

Técnicas preventivas

Esta antigua casa romana evita ganar calor. Pesados ​​muros de mampostería, pequeñas ventanas exteriores y un jardín amurallado estrecho orientado hacia NS dan sombra a la casa, evitando la ganancia de calor. La casa se abre a un atrio central con impluvium (abierto al cielo); el enfriamiento por evaporación del agua provoca una corriente cruzada desde el atrio al jardín .

La protección o prevención de las ganancias de calor abarca todas las técnicas de diseño que minimizan el impacto de las ganancias de calor solar a través de la envolvente del edificio y de las ganancias de calor internas que se generan dentro del edificio debido a la ocupación y al equipo. Incluye las siguientes técnicas de diseño: ^[1]

• Microclima y diseño del sitio : al tener en cuenta el clima local y el contexto del sitio, se pueden seleccionar estrategias de enfriamiento específicas que sean las más apropiadas para evitar el sobrecalentamiento en la envolvente del edificio. El microclima puede desempeñar un papel muy importante a la hora de determinar la ubicación más favorable para la construcción analizando la disponibilidad combinada de sol y viento. La carta bioclimática, el diagrama solar y la rosa de los vientos son herramientas de análisis relevantes en la aplicación de esta técnica. ^[8]
• Control solar : un sistema de protección solar diseñado adecuadamente puede contribuir eficazmente a minimizar las ganancias de calor solar . Sombrear las superficies transparentes y opacas de la envolvente del edificio minimizará la cantidad de radiación solar que induce el sobrecalentamiento tanto en los espacios interiores como en la estructura del edificio. Al dar sombra a la estructura del edificio, se reducirá la ganancia de calor capturada a través de las ventanas y la envolvente.
• Forma y distribución del edificio : la orientación del edificio y una distribución optimizada de los espacios interiores pueden evitar el sobrecalentamiento. Las habitaciones pueden dividirse en zonas dentro de los edificios para rechazar fuentes de ganancia de calor internas y/o asignar ganancias de calor donde puedan ser útiles, considerando las diferentes actividades del edificio. Por ejemplo, crear un plano horizontal aumentará la eficacia de la ventilación cruzada en todo el plano. Ubicar las zonas verticalmente puede aprovechar la estratificación de temperatura. Normalmente, las zonas de construcción en los niveles superiores son más cálidas que las zonas inferiores debido a la estratificación. La zonificación vertical de espacios y actividades utiliza esta estratificación de temperatura para acomodar los usos de la zona de acuerdo con sus requisitos de temperatura. ^[8] El factor de forma (es decir, la relación entre volumen y superficie) también juega un papel importante en el perfil energético y térmico del edificio. Esta relación se puede utilizar para adaptar la forma del edificio al clima local específico. Por ejemplo, las formas más compactas tienden a conservar más calor que las formas menos compactas porque la relación entre las cargas internas y el área envolvente es significativa. ^{[9] [10]}
• Aislamiento térmico : el aislamiento en la envolvente del edificio disminuirá la cantidad de calor transferido por radiación a través de las fachadas. Este principio se aplica tanto a las superficies opacas (paredes y techo) como a las transparentes (ventanas) de la envolvente. Dado que los techos podrían contribuir en mayor medida a la carga de calor interior, especialmente en construcciones más livianas (por ejemplo, edificios y talleres con techos hechos de estructuras metálicas), proporcionar aislamiento térmico puede disminuir efectivamente la transferencia de calor desde el techo.
• Patrones de comportamiento y ocupación : algunas políticas de gestión de edificios, como limitar el número de personas en un área determinada del edificio, también pueden contribuir eficazmente a minimizar las ganancias de calor dentro de un edificio. Los ocupantes del edificio también pueden contribuir a la prevención del sobrecalentamiento interior: apagando las luces y los equipos de los espacios desocupados, operando las cortinas cuando sea necesario para reducir las ganancias de calor solar a través de las ventanas o vistiendo de manera más ligera para adaptarse mejor al ambiente interior aumentando su confort térmico. tolerancia.
• Control de ganancia interna : la iluminación y los equipos electrónicos con mayor eficiencia energética tienden a liberar menos energía, lo que contribuye a reducir las cargas de calor internas dentro del espacio.

Técnicas de modulación y disipación de calor.

Las técnicas de modulación y disipación de calor se basan en disipadores de calor naturales para almacenar y eliminar las ganancias de calor internas. Ejemplos de sumideros naturales son el cielo nocturno, el suelo y la masa de los edificios. ^[11] Por lo tanto, las técnicas de enfriamiento pasivo que utilizan disipadores de calor pueden actuar para modular la ganancia de calor con masa térmica o disipar el calor a través de estrategias de enfriamiento natural. ^[1]

• Masa térmica: la modulación de la ganancia de calor de un espacio interior se puede lograr mediante el uso adecuado de la masa térmica del edificio como disipador de calor. La masa térmica absorberá y almacenará calor durante las horas del día y lo devolverá al espacio más tarde. ^[1] La masa térmica se puede combinar con la estrategia de enfriamiento natural de ventilación nocturna si el calor almacenado que se entregará al espacio durante la tarde/noche no es deseable.
• Enfriamiento natural : el enfriamiento natural se refiere al uso de ventilación o disipadores de calor naturales para la disipación del calor de los espacios interiores. El enfriamiento natural se puede dividir en cinco categorías diferentes: ventilación, lavado nocturno, enfriamiento radiativo , ^[12] enfriamiento evaporativo y acoplamiento a tierra .

Ventilación

Un par de cortavientos cortos ( malqaf ) utilizados en la arquitectura tradicional; el viento sopla hacia abajo por el lado de barlovento y sale por el lado de sotavento ( ventilación cruzada ). En ausencia de viento, la circulación se puede impulsar con enfriamiento evaporativo en la entrada. En el centro, un shuksheika ( ventilador de techo ), que se utiliza para dar sombra al qa'a de abajo y al mismo tiempo permitir que salga aire caliente ( efecto de pila ). ^[13]

La ventilación como estrategia de enfriamiento natural utiliza las propiedades físicas del aire para eliminar el calor o proporcionar enfriamiento a los ocupantes. En casos seleccionados, se puede utilizar la ventilación para enfriar la estructura del edificio, que posteriormente puede servir como disipador de calor.

• Ventilación cruzada : la estrategia de ventilación cruzada se basa en que el viento pase a través del edificio con el fin de enfriar a los ocupantes. La ventilación cruzada requiere aberturas en dos lados del espacio, llamadas entrada y salida. El tamaño y la ubicación de las entradas y salidas de ventilación determinarán la dirección y la velocidad de la ventilación cruzada a través del edificio. Generalmente, también se debe proporcionar un área igual (o mayor) de aberturas de salida para proporcionar una ventilación cruzada adecuada. ^[14]
• Ventilación de chimenea : la ventilación cruzada es una estrategia de enfriamiento eficaz; sin embargo, el viento es un recurso poco confiable. La ventilación por chimenea es una estrategia de diseño alternativa que se basa en la flotabilidad del aire caliente para subir y salir a través de aberturas ubicadas a la altura del techo. El aire exterior más frío reemplaza el aire caliente que se eleva a través de entradas cuidadosamente diseñadas ubicadas cerca del piso.

Estas dos estrategias son parte de las estrategias de enfriamiento ventilativo .

Una aplicación específica de la ventilación natural es la descarga nocturna.

rubor nocturno

Un patio en Florencia, Italia . Es alto y estrecho, con una fuente de la que brotan finos chorros de agua en la parte inferior y habitaciones superiores que se abren a ella. El lavado nocturno del patio se produce automáticamente a medida que el aire nocturno se enfría; El enfriamiento por evaporación lo enfría aún más y puede usarse para crear corrientes de aire y cambiar el aire durante el día. Las ventanas se pueden dejar abiertas las 24 horas.

La descarga nocturna (también conocida como ventilación nocturna, enfriamiento nocturno, purga nocturna o enfriamiento convectivo nocturno) es una estrategia de enfriamiento pasiva o semipasiva que requiere un mayor movimiento de aire durante la noche para enfriar los elementos estructurales de un edificio. ^{[15] [16]} Se puede hacer una distinción entre enfriamiento gratuito para enfriar el agua y descarga nocturna para enfriar la masa térmica del edificio . Para ejecutar la descarga nocturna, normalmente se mantiene cerrada la envolvente del edificio durante el día. La masa térmica de la estructura del edificio actúa como un sumidero durante el día y absorbe las ganancias de calor de los ocupantes, los equipos, la radiación solar y la conducción a través de paredes, techos y techos. Por la noche, cuando el aire exterior es más frío, la envoltura se abre, permitiendo que el aire más frío pase a través del edificio para que el calor almacenado pueda disiparse por convección. ^[17] Este proceso reduce la temperatura del aire interior y de la masa térmica del edificio, permitiendo que se produzca un enfriamiento convectivo, conductivo y radiante durante el día cuando el edificio está ocupado. ^[15] La descarga nocturna es más eficaz en climas con una gran oscilación diurna, es decir, una gran diferencia entre la temperatura exterior máxima y mínima diaria. ^[18] Para un rendimiento óptimo, la temperatura del aire exterior durante la noche debe caer muy por debajo del límite de la zona de confort durante el día de 22 °C (72 °F) y no debe tener una humedad absoluta o específica baja . En climas cálidos y húmedos, la oscilación de la temperatura diurna suele ser pequeña y la humedad nocturna se mantiene alta. La descarga nocturna tiene una eficacia limitada y puede introducir una alta humedad que causa problemas y puede generar altos costos de energía si se elimina mediante sistemas activos durante el día. Por tanto, la eficacia de la limpieza nocturna se limita a climas suficientemente secos. ^[19] Para que la estrategia de descarga nocturna sea efectiva para reducir la temperatura interior y el uso de energía, la masa térmica debe tener un tamaño suficiente y distribuirse sobre una superficie lo suficientemente amplia para absorber las ganancias de calor diarias del espacio. Además, la tasa total de renovación de aire debe ser lo suficientemente alta como para eliminar las ganancias de calor internas del espacio durante la noche. ^{[17] [20]} Hay tres formas en que se puede lograr la descarga nocturna en un edificio:

• Descarga natural nocturna abriendo las ventanas por la noche, dejando que el flujo de aire impulsado por el viento o la flotabilidad enfríe el espacio y luego cerrando las ventanas durante el día. ^[21]
• Descarga mecánica nocturna al forzar el aire mecánicamente a través de conductos de ventilación durante la noche a una tasa de flujo de aire alta y suministrar aire al espacio durante el día a una tasa de flujo de aire mínima requerida por el código. ^[dieciséis]
• Descarga nocturna de modo mixto mediante una combinación de ventilación natural y ventilación mecánica , también conocida como ventilación de modo mixto , mediante el uso de ventiladores para ayudar al flujo de aire natural durante la noche.

Estas tres estrategias forman parte de las estrategias de enfriamiento ventilativo .

Existen numerosos beneficios al utilizar la descarga nocturna como estrategia de enfriamiento para los edificios, incluido un mayor confort y un cambio en la carga máxima de energía. ^[22] La energía es más cara durante el día. Al implementar la descarga nocturna, se reduce el uso de ventilación mecánica durante el día, lo que genera ahorros de energía y dinero.

También existen una serie de limitaciones al uso de la descarga nocturna, como la usabilidad, la seguridad, la reducción de la calidad del aire interior, la humedad y la mala acústica de la habitación. Para la descarga nocturna natural, el proceso de abrir y cerrar las ventanas manualmente todos los días puede resultar tedioso, especialmente en presencia de mosquiteras. Este problema se puede aliviar con ventanas automatizadas o rejillas de ventilación, como en Manitoba Hydro Place . La descarga natural nocturna también requiere que las ventanas estén abiertas por la noche, cuando es más probable que el edificio esté desocupado, lo que puede generar problemas de seguridad. Si el aire exterior está contaminado, la descarga nocturna puede exponer a los ocupantes a condiciones dañinas dentro del edificio. En lugares urbanos ruidosos, la apertura de ventanas puede crear malas condiciones acústicas dentro del edificio. En climas húmedos, el lavado nocturno puede introducir aire húmedo, generalmente por encima del 90% de humedad relativa durante la parte más fresca de la noche. Esta humedad puede acumularse en el edificio durante la noche, lo que provoca un aumento de la humedad durante el día, lo que provoca problemas de comodidad e incluso el crecimiento de moho.

Enfriamiento radiativo

La ventana atmosférica infrarroja , frecuencias en las que la atmósfera es inusualmente transparente, es el gran bloque azulado de la derecha. Un objeto que es fluorescente en estas longitudes de onda puede enfriarse por debajo de la temperatura del aire ambiente.

Presupuesto de energía de enfriamiento radiativo en el elemento arquitectónico iraní , yakhchāl

Todos los objetos emiten y absorben constantemente energía radiante . Un objeto se enfriará por radiación si el flujo neto es hacia afuera, como ocurre durante la noche. Por la noche, la radiación de onda larga del cielo despejado es menor que la radiación infrarroja de onda larga emitida por un edificio, por lo que hay un flujo neto hacia el cielo. Dado que el techo proporciona la mayor superficie visible desde el cielo nocturno, diseñar el techo para que actúe como radiador es una estrategia eficaz. Los tipos de estrategias de enfriamiento radiativo que utilizan la superficie del techo incluyen directo e indirecto, ^[11] y fluorescente.

• Enfriamiento por radiación directa : en un edificio diseñado para optimizar el enfriamiento por radiación directa, el techo del edificio actúa como un disipador de calor para absorber las cargas internas diarias. El techo actúa como el mejor disipador de calor porque es la mayor superficie expuesta al cielo nocturno. La transferencia de calor irradiada con el cielo nocturno eliminará el calor del techo del edificio, enfriando así la estructura del edificio. Los estanques en los tejados son un ejemplo de esta estrategia. El diseño del estanque en el techo se hizo popular con el desarrollo del sistema térmico Sky diseñado por Harold Hay en 1977. Existen varios diseños y configuraciones para el sistema de estanque en el techo, pero el concepto es el mismo para todos los diseños. El techo utiliza agua, ya sea bolsas de plástico llenas de agua o un estanque abierto, como disipador de calor, mientras que un sistema de paneles aislantes móviles regula el modo de calefacción o refrigeración. Durante el día en verano, el agua del techo está protegida de la radiación solar y de la temperatura del aire ambiente mediante un aislamiento móvil, lo que le permite servir como disipador de calor y absorber el calor generado en el interior a través del techo. Por la noche, los paneles se retraen para permitir la radiación nocturna entre el estanque del tejado y el cielo nocturno, eliminando así el calor almacenado. En invierno, el proceso se invierte, de modo que el estanque del tejado puede absorber la radiación solar durante el día y liberarla durante la noche al espacio de abajo. ^{[7] [23]}
• Enfriamiento radiante indirecto : un fluido de transferencia de calor elimina el calor de la estructura del edificio mediante la transferencia de calor por radiación con el cielo nocturno. Un diseño común para esta estrategia implica un pleno entre el techo del edificio y la superficie del radiador. El aire ingresa al edificio a través del pleno, se enfría desde el radiador y enfría la masa de la estructura del edificio. Durante el día, la masa del edificio actúa como disipador de calor.
• Enfriamiento radiante fluorescente - Un objeto puede volverse fluorescente : luego absorberá luz en algunas longitudes de onda, pero irradiará la energía nuevamente en otras longitudes de onda seleccionadas. Al irradiar calor selectivamente en la ventana atmosférica infrarroja , un rango de frecuencias en el que la atmósfera es inusualmente transparente, un objeto puede utilizar eficazmente el espacio exterior como disipador de calor y enfriarse muy por debajo de la temperatura del aire ambiente. ^{[24] [25] [26]}

Enfriamento evaporativo

Un salasabil (actualmente seco) en el Fuerte Rojo de Delhi , India. Un salasabil está diseñado para maximizar el enfriamiento por evaporación; el enfriamiento, a su vez, puede usarse para impulsar la circulación de aire.

Este diseño se basa en el proceso de evaporación del agua para enfriar el aire entrante y al mismo tiempo aumentar la humedad relativa. Se coloca un filtro saturado en la entrada de suministro para que el proceso natural de evaporación pueda enfriar el aire de suministro. Aparte de la energía para impulsar los ventiladores, el agua es el único recurso necesario para acondicionar los espacios interiores. La eficacia del enfriamiento por evaporación depende en gran medida de la humedad del aire exterior; el aire más seco produce más enfriamiento. Un estudio de los resultados de rendimiento de campo en Kuwait reveló que los requisitos de energía para un enfriador evaporativo son aproximadamente un 75% menores que los requisitos de energía para una unidad de aire acondicionado convencional. ^[27] En cuanto al confort interior, un estudio encontró que el enfriamiento por evaporación reducía la temperatura del aire interior en 9,6 °C en comparación con la temperatura exterior. ^[28] Un innovador sistema pasivo utiliza agua que se evapora para enfriar el techo de modo que una gran parte del calor solar no entre. ^[29]

El antiguo Egipto utilizó el enfriamiento por evaporación; ^[13] por ejemplo, se colgaban juncos en las ventanas y se humedecían con agua corriente. ^[30]

La evaporación del suelo y la transpiración de las plantas también proporcionan enfriamiento; el agua liberada por la planta se evapora. Los jardines y las plantas en macetas se utilizan para impulsar la refrigeración, como en el hortus de una domus , el tsubo-niwa de una machiya , etc.

Acoplamiento a tierra

Un qanat y atrapavientos utilizado como conducto de tierra, tanto para acoplamiento a tierra como para enfriamiento por evaporación. No se necesita ningún ventilador; la succión a sotavento de la torre de viento aspira el aire hacia arriba y hacia afuera.

El acoplamiento a tierra utiliza la temperatura moderada y constante del suelo para actuar como un disipador de calor para enfriar un edificio mediante conducción . Esta estrategia de enfriamiento pasivo es más efectiva cuando las temperaturas de la Tierra son más frías que la temperatura del aire ambiente, como en los climas cálidos.

• El acoplamiento directo o protección de la tierra se produce cuando un edificio utiliza la tierra como amortiguador para las paredes. La tierra actúa como disipador de calor y puede mitigar eficazmente las temperaturas extremas. El refugio con tierra mejora el rendimiento de la envolvente de los edificios al reducir las pérdidas de calor y también reduce las ganancias de calor al limitar la infiltración. ^[31]
• El acoplamiento indirecto significa que un edificio está acoplado a la tierra mediante conductos de tierra. Un conducto de tierra es un tubo enterrado que actúa como vía para que el aire de suministro viaje antes de ingresar al edificio. El aire suministrado se enfría mediante transferencia de calor conductivo entre los tubos y el suelo circundante. Por lo tanto, los conductos de tierra no funcionarán bien como fuente de enfriamiento a menos que la temperatura del suelo sea inferior a la temperatura deseada del aire ambiente. ^[31] Los conductos de tierra generalmente requieren tubos largos para enfriar el aire de suministro a una temperatura adecuada antes de ingresar al edificio. Se requiere un ventilador para aspirar el aire del conducto de tierra al interior del edificio. Algunos de los factores que afectan el rendimiento de un conducto de tierra son: longitud del conducto, número de curvas, espesor de la pared del conducto, profundidad del conducto, diámetro del conducto y velocidad del aire.

En edificios convencionales

Existen "revestimientos de techo inteligentes" y "ventanas inteligentes" para enfriar, que cambian a calefacción durante las temperaturas frías. ^{[32] [33]} La formulación de pintura más blanca puede reflejar hasta el 98,1% de la luz solar. ^[34]

Ver también

• ab-anbar
• Cisterna
• Ventilación cruzada
• Ventilación pasiva
• qanat
• Superficies reflectantes (ingeniería climática)
• Shinsulator
• Pozo escalonado
• Enfriamiento ventilativo
• Cazavientos
• Yakhchal

Referencias

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