sistemas pasivosUna de las formas más favorables para comenzar a aplicar ahorros energéticos o diseñar una arquitectura sustentable es a través de sistemas pasivos. Los parámetros de diseño pasivo que influyen en el comportamiento térmico de los edificios son los siguientes:

Microclima y orientación:

Definida como el contexto mediático en donde se emplaza la obra, entendiéndola bajo los siguientes parámetros:

Parámetros Características de clima

Orientación Radiación solar, viento

Altitud, radiación solar Temperatura, lluvia, velocidad del viento

Topografía del terreno Flujos de viento, acumulación de temperatura, humedad

Presencia de agua, vegetación flujos de viento, humedad, temperatura, sombras

Edificaciones flujos de viento, humedad, temperatura, sombras

Debemos entender que cada una de las orientaciones de nuestra obra tiene condiciones diferentes para llegar a un aprovechamiento máximo de los factores externos a ella, exposición de vientos, radiación solar que afectan a la temperatura y humedad en diferentes épocas del año. De acuerdo a nuestra ubicación geográfica es sabido que la orientación con más asoleamiento es la fachada norte, recibiendo la cubierta hasta 4,5 veces mas radiación en la cubierta relacionando verano e invierno. y 2,5 veces mas para las fachas este- oeste. Quedando en situación mas desfavorable la fachada sur que solo logra un mínimo en verano de radiación solar.

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Desde tiempos históricos se han utilizados sistemas de aleros para proteger fachadas de su radiación solar al medio día en donde su intensidad es la mas alta. Este tipo de orientación también determina la orientación de los espacios interiores de acuerdo a nuestro programa arquitectónico. Por ejemplo. El determinar de acuerdo a sus usos y horario la distribución de los espacios en la vivienda, sabiendo que los muros expuestos en las fachadas nororiente y norponiente, aprovecharan la irradiación solar, reduciendo en invierno necesidades de calefacción y controlar en verano a través de sistemas pasivos la entrada de radiación solar.

Forma y volumen

La forma y orientación del edificio es lo que nos llevará a determinar que tipo de piel exterior tendrá ya que se directamente afectada por la radiación solar y los vientos. Cuanta mayor superficie exterior mayor es el intercambios térmicos se producirán, siendo favorable o desfavorable de acuerdo a las características climático. El volumen es un indicador de la cantidad de energía almacenada dentro del edificio. La relación entre superficie y volumen del edificio es el factor de forma, muy útil porque da una primera valoración de la sensibilidad de las condiciones interiores a variaciones de las condiciones exteriores.

De forma general los expertos recomiendan, en función del clima las siguientes formas:

• clima mediterráneo y climas templados: edificio lineal con la fachada más grande orientada al sur, con grandes aperturas que facilitan la ventilación natural del edificio y un buen grado de iluminación natural (factor de forma elevado f > 1,2).

• climas extremos, cálidos o fríos: edificios compactos con gran inercia térmica en el primer caso y buen aislamiento y control de infiltraciones de aire el segundo (factor de forma bajo).

• un factor demasiado bajo puede generar dificultades de ventilación y de luz natural de espacios interiores, al quedar sin contacto con el exterior.

Comportamiento de la masa del edificio:

inercia térmica: Es el comportamiento global del edificio lo que indica la inercia térmica y es posible si los elementos constructivos tienen inercia térmica, siendo más favorable en los edificios que ocupan sistemas pasivos para llegar al confort térmico, consumiendo un mínimo de energía. La inercia térmica es la capacidad de un material para acumular y ceder calor; o sea, su masa de acumulación. El diseño y dimensionado de los elementos constructivos dependerá del clima, la orientación y el uso de estos. En un clima frío y en invierno, un espesor excesivo hace que no llegue a calentarse interiormente todo el muro y por tanto puede coger el calor acumulado para calentarse él mismo antes de cederla al ambiente.

Las recomendaciones generales son las siguientes:

• en climas continentales y en invierno, inercia térmica elevada en las zonas más soleadas de los edificios y poca inercia en las partes dónde no da el sol. Así se podrán calentar rápidamente las segundas.

• En climas continentales y en verano, inercia térmica elevada para compensar las oscilaciones térmicas entre el día y la noche.

Los elementos con inercia térmica se consideran de captación solar indirecta. Presentan la ventaja que hacen de amortiguador del calor de la radiación directa, almacenando la energía, evitando sobrecalentamientos, para liberarla hacia el interior cuando la temperatura ambiental sea baja. Tienen que estar diseñados para que en verano sirva como elemento ventilador o que tenga protecciones solares para evitar la captación de calor. Hay dos sistemas principales: muros de acumulación de calor (muros inercia, muros trombe, camas de guijarros) y las cubiertas de agua.

Pero también a veces se necesita la inercia térmica de los elementos interiores como carpinterías y tabiques, o la del terreno en contacto con los muros enterrados.

Muros de acumulación

Su espesor varia entre 25 a 40 cms. Y su características es que son de materiales de gran densidad y su cara exterior de color oscuro cubierto por un panel de vidrio que trabaja como efecto invernadero, que ayuda a captar y reducir las perdidas el exterior. Son aconsejables para la acumulación de calor en climas fríos donde hace falta calor durante el día y la noche. Se les dice así porque acumulan directamente la radiación solar para liberarlo por radiación entre 8 a 12 horas. A diferencia del muro trombe es que tiene unas rejillas regulables en la parte superior y inferior del muro que permiten la convección del aire del cuarto hacia el interior, de forma que parte del calor captado es entregado inmediatamente.

Cubiertas de agua

Recomendadas para ser utilizadas las cubiertas de agua en los siguientes casos:

• En climas fríos de baja latitud (menos de 36º) como elementos captadores. Por la noche cuando no hay radiación se protege y el calor acumulado se libera al interior del edificio por transmisión y radiación.

• En climas cálidos secos como elementos refrigeradores. Durante el día se protege de la radiación solar y por la noche se quita la protección. El agua capta el calor de dentro del edificio por convección y lo emite hacia el exterior.

Finalmente es importante considerar que en función del color y rugosidad del acabado exterior de las fachadas, habrá más absorción de la radiación solar incidente, los colores oscuros absorben más que los colores claros y por lo tanto tienen una mayor transmisión al interior.

Oberturas y protecciones solares

Dependiendo de las características de donde se emplace el edificio y su clima estas son:

1. Climas extremos: Aperturas pequeñas y bien protegidas de la radiación solar . En el caso de los climas calurosos y secos para protegerse del viento y en el caso de los climas fríos para protegerse de las bajas temperaturas.

2. Climas cálidos y húmedos: Aperturas grandes que permitan la ventilación del edificio.

3. En los climas templados, el diseño es más complejo para dar respuesta a la ventilación natural sin grandes ganancias ni pérdidas solares.

Hay que considerar que las aperturas expuestas al exterior deben contar con aislaciones móviles para evitar infiltraciones y si es directamente al sol protecciones solares, permitiendo a la vez una ventilación natural. Se recomiendan para climas fríos soluciones con cubiertas transparente, tipo invernadero o galerías, como espacios intermedio entre interior y exterior. En el caso de climas cálidos y templados donde sobrecalentamientos en verano por el efecto invernadero. Hará falta prever sistemas (tipos persianas, vidrios oscuros o reflectantes, toldos, etc.) para controlar las pérdidas térmicas en invierno, las condensaciones en la cubierta o el sobrecalentamiento en verano a la vez que se permite la ventilación.

Estanqueidad

Se calcula que 30 a 40% de la perdidas de calefacción en las vivienda, lo que se traduce a que se debe estar constantemente calefaccionado, la estanquidad permite conservar la calefacción dentro de los márgenes estándar de habitabilidad, ya que no hay aire que se pierda, o reduciendo al mínimo la circulación exterior e interior del mismo. Esto a la vez repercute en el ser humano ya que la estanqueidad no deja renovarse naturalmente el aire y perjudica la calidad ambiental interior de los ambientes acumulando CO2 derivado de la respiración humana, plantas interiores, etc. Incrementa además la humedad interior entre otros.

Protecciones solares

Si hablamos de apertura tenemos que lograr una buena media para lograr interactuar con los distintas características ambientales a través del año, controlando captaciones solar directas y evitando a la vez los sobrecalentamientos. Siendo dos sistemas las que las acompañan, las fijas y las móviles. Tambien son considerados elementos externos al edificio como vegetación que logran modificar el microclima inmediato mejorándolo. A los climas templados como los nuestros, en que son muy variables las condiciones climáticas a lo largo del año, se deben incorporar a las fachadas los elementos necesarios para adaptarse al grado de asoleo, ventilación o aislamiento.

En invierno se busca una protección de los efectos de la luz (deslumbramiento.) y no del calor, y por lo tanto es adecuado colocar los elementos de control solar en la cara interior del vidrio. Al contrario que en verano que se quiere proteger del calor y por lo tanto se debe colocar en la cara exterior del vidrio y mejor separado para tener un entorno inmediato más fresco. En este sentido, las protecciones fijas (tipo voladizo, porches) son adecuadas en orientaciones norte. En orientaciones oriente y poniente protecciones verticales tipo pantallas. Las protecciones móviles exteriores (toldos, persianas, pórticos, umbráculos, etc.), son adecuadas en orientaciones sur y en orientaciones este y oeste (persianas con lamas orientables verticales).

El dimensionado de las protecciones solares fijas depende de la orientación de la ventana considerada (y también de la latitud).

Para determinar la sombra de un voladizo se utiliza la metodología (ASHRAE Fundamentals, 1993) que define el factor de línea de sombra, FLS a la relación entre d y p (FLS=d/p) dónde:

• p es el ancho del voladizo medido en horizontal desde la superficie en la que se encuentra la ventana,

• d es la altura vertical entre la horizontal del voladizo y la línea de sombra que se coge como media por el cálculo de las sombras.

Iluminación natural

En este proceso intervienen tres factores: nivel de iluminación, el deslumbramiento (brillantez excesiva) y el color de la luz.

La calidad y la cantidad de la luz que entra por las aperturas varía en función de: 1) el acceso a la luz: obstáculos como edificaciones, sombras proyectadas. 2) las dimensiones y disposición. 3) la forma (incide sobre el reparto de la luz hacia el interior). 4) orientación de una fachada a la otra. La fachada sur recibe la mayoría del tiempo luz directa blanca mientras que la fachada norte recibe luz indirecta, estable. En las fachadas este y oeste, por su lado, existe mucha diferencia en función de la hora del día: directa de las primeras o últimas horas del día, rojiza y direccional, y el resto del día luz indirecta estable y azulada. La cubierta recibe luz directa todo el día y por lo tanto hará falta controlarla. 5) las protecciones solares y complementos que reducen la cantidad de luz, pero controlan el deslumbramiento.

Para solucionar el acceso a la luz natural directa en los espacios interiores que no tienen aperturas hay soluciones constructivas como por ejemplo los conductos de sol y de luz. Son conductos con recubrimiento interior reflectante que captan la luz natural en la parte superior de edificio y mediante reflexiones interiores, la conducen a zonas internas del edificio. También están los patios interiores. En cuanto a la cantidad de luz que captan, depende de las dimensiones y de los acabados interiores del patio. Cuanto más profundo sea menor luz, y al contrario, con superficies lisas y colores claros entrará luz a las ventanas de plantas inferiores.

Ventilación natural

Está muy relacionada con la refrigeración natural. Hay varios sistemas en función del principio físico que se use:

• movimiento del aire: El efecto de tiro térmico (movimiento del aire por diferencia de presión y temperatura). El aire caliente tiende a subir y su vacío se ocupa por aire que sale del edificio. Los sistemas más habituales son la ventilación natural cruzada, la chimenea solar (climas cálidos y soleados) o las torres de viento (climas cálidos con vientos frescos y constantes). Estos últimos, si el aire de renovación que penetra en edificio se hace pasar por lugares fríos como por ejemplo sótanos o cisternas, aumenta su efectividad como sistema de refrigeración.

• Inercia: se aprovecha la inercia térmica del terreno con temperatura más estable a lo largo del año que la del aire exterior. Se aprovecha para bajar la temperatura del aire interior a los climas cálidos. El sistema más habitual es bajar el edificio a nivel zócalo y los conductos enterrados (con control mecánico o natural).

• Humidificación: la evaporación del agua refrigera y humidifica el aire. Es muy adecuado en climas cálidos secos. Los sistemas más habituales son fuentes (mejores porque el agua esta en movimiento), y los estanques.

• Radiación: patios interiores que radian calor al exterior durante la noche.

Renovación del aire

Es importante determinar el momento en el día en que se haga y la duración dependiendo de la época del año en que se realice, asegurarse una renovación (del orden de 0,5 ren./hora), para mantener la calidad del aire en los espacios interiores. Las ventilaciones son logradas a través de infiltraciones de la estructura, paneles exteriores, ventanas, etc.

La envolvente del edificio: aislamiento térmico

El aislamiento es lo que os permite mantener la temperatura deseada al interior de los espacios, sin que se enfríe rápidamente liberándose la fuente de calor. Al estar mal aislado se necesita mayor energía. Cuando un aislante es deficiente puede generar puentes térmicos y provocar la aparición de condensación. La solución a evitar puente es logrando continuidad entre forjados y fachadas. Cuando se requiere eliminar el sobrecalentamiento en verano lo mas recomendable es utilizar cámara de aire ventiladas en las fechadas oriente, poniente y las cubiertas, mejorando la transmisión térmica y control térmico. Para asegurar efectos de enfriamientos dentro de l cámara de aire debe estar realmente ventilada y asegurar el tiro térmico. Hay que destacar la mejora en cuanto a evitar descompensaciones de calidad térmica entre diferentes espacios. Se calcula el espesor y el material de aislamiento adecuado según la orientación de las fachadas y de la cubierta, (hasta ahora a menudo el espesor del aislamiento era unitario para toda la piel de edificio).

Las soluciones que se valoran mejor en términos de ecoeficiencia son:

• Fachadas ventiladas, cubiertas ventiladas, cubierta ajardinada, sistemas preindustrializados en la estructura y en los cerramientos exteriores, asoleo en invierno, ventilación cruzada natural, nivel de aislamiento de 28 dBA en ventanas que dan al exterior.

• Aislamiento acústico: Los elementos horizontales y las paredes de separación entre propiedades o usuarios diferentes, y entre el interior de las viviendas y los espacios comunitarios, el nivel de aislamiento mínimo a sonido aéreo será de 48 dB.

Finalmente hace falta insistir que para que los sistemas pasivos funcionen correctamente y se obtengan los beneficios energéticos y de confort ambiental es importante una participación activa y responsable de los usuarios. Hoy en día está resuelto con los sistemas electrónicos de la domótica y la inmótica, que permiten regular y controlar de forma automática los sistemas pasivos, haciéndolos el máximo de eficientes y si hace falta, trabajando conjuntamente con el resto de elementos de edificio.

Fuente: construcción sostenible, España.

Revista INNOTEC Vol. 1, Eficiencia Energética

Marcelo Caprioglio, Magister arquitectura, ETSAB Barcelona.