| 31 de marzo del 2002 Vol.3 No.2 |
Energía Solar y Arquitectura
Elvis
F. Mendieta Melchor
Palabras Clave: Arquitectura, Geometría solar, Bioclimática, Cálculo
térmico y Clima,
.
Recientemente la crisis energética que se avecina ha obligado a
buscar fuentes de energía alternativa, esto para satisfacer las necesidades
lumínicas y calóricas del hombre, enfocándose a la fuente de energía más
grande con la que contamos: el sol, que ha tratado de usar de diversas maneras,
en forma pasiva o implementando tecnologías para transformarla.
[English]
Toda la energía viene del sol
Las energías de que disponemos en nuestro planeta, exceptuando
quizá la energía nuclear de fisión, provienen del astro Rey. De esta manera
la energía hidráulica, la eólica, la de las mareas, los compuestos, la
biomasa, las energías fósiles y la geotérmica, entre otras, todas provienen
del Sol. Éste calienta el aire de la tierra para hacerlo ascender. Así se
crean las corrientes de aire y viento. 6·10^21 J de energía se producen en un
año. El sol produce energía calorífica y luminosa que las plantas utilizan
para sintetizar sus minerales y realizar el proceso de fotosíntesis. Esas
plantas crecen y pueden quemarse para obtener calor, o bien, quedar cubiertas
de lodo, para experimentar durante siglos transformaciones metamórficas que
las conviertan en carbón o, gracias a las bacterias, en gas y petróleo. Los
combustibles fósiles podrían darnos unos 3·10^22 J. Al igual que con el
viento, el Sol calienta el mar y da lugar a gradientes térmicos de 6·10^18 J
al año. Al calentar el mar, el Sol evapora el agua para transformarla en vapor
de agua, nubes, lluvia y ríos, es decir, en energía mecánica o hidráulica
en 35·10^28 J al año, de los cuales menos del 50% son aprovechables a lo
largo del año. Asimismo, la energía química de pilas y demás productos; la
biomasa, los residuos vegetales y los animales, quemados, darían 3·10^21 J.
Las mareas, resultado de la atracción que ejercen el sol y la luna sobre la
tierra y el mar, ofrecen 10^18 J al año. Podríamos seguir con más ejemplos,
pero lo que queda claro es que el sol es la base de la vida en nuestro planeta;
que nos envía mucha energía, y que es lógico intentar su utilización de
algún modo. En los siguientes apartados describiremos cómo.
¿Qué es la energía solar?
La energía solar es la potencia radiante producida por el Sol,
como resultado de reacciones nucleares de fusión, que llegan a la Tierra a
través del espacio en cuantos de energía. Estos son llamados fotones, que
interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres.
La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la
atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del
Sol, se llama constante solar, y su valor medio es de unas 2 cal/min/cm2. El
Sol, en concreto la radiación solar interceptada por la tierra en su
desplazamiento a su alrededor, constituye la principal fuente de energía
renovable a nuestro alcance. Nuestro planeta recibe del Sol la asombrosa
cantidad de energía anual de 5,4 x 10^24 J, una cifra que representa 4.500
veces el consumo mundial de energía. Aunque es muy abundante el
aprovechamiento de la radiación solar, ésta está condicionada por tres
aspectos: la intensidad de radiación solar recibida por la tierra, los ciclos
diarios y anuales a los que está sometida y las condiciones climatológicas de
cada emplazamiento.
En general la radiación solar hace referencia a los valores de
irradiación global, es decir, la unidad de energía recibida por unidad de
superficie en un tiempo determinado. Estos valores normalmente hacen referencia
a la energía que proviene directamente del disco solar (radiación directa) y
la energía que, difundida por la atmósfera, puede llegar al 100% de la
global.
La radiación solar es una forma de energía de baja
concentración. Fuera de la atmósfera, la intensidad de radiación oscila
entre 1.300 y 1.400 W/m^2. Las pérdidas en la atmósfera, por absorción,
reflexión y dispersión, la reducen un 30%. Si las condiciones climatológicas
son buenas, podemos llegar a tener 1000 W/m^2, aunque si las condiciones son
pésimas se tendrían sólo 50 W/m^2. Por eso estamos obligados a utilizar
superficies grandes de captación.
Sistemas de iluminación
Los motivos principales para incluir la iluminación natural
dentro del diseño de la vivienda, hacen referencia al ahorro energético,
relacionado con la reducción de las necesidades de luz artificial en los
edificios y la contribución para mejorar el confort lumínico.
Para hacer un buen uso de la luz natural dentro de los
edificios, los puntos clave que hay que remarcar son la introducción de luz
natural, en forma directa o reflejada, en todos los espacios habitados; la
gradación de la luz en cada espacio de la vivienda, en función de la
actividad que se va a realizar; la protección de aberturas, de manera que sea
posible reducir la luz en caso de sobrecalentamientos y demasiada luz, y la
disposición de las aberturas, de manera que se pueda captar la luz desde dos o
más orientaciones diferentes. Esto es importante en verano, cuando hay que
sombrear aberturas orientadas al sur y al oeste, para no vernos obligados a
utilizar luz artificial en pleno día.
celda fotovoltaica © solarsite.com
Arquitectura bioclimática
En el mundo de la arquitectura, el aprovechamiento de las
condiciones climáticas y los recursos naturales existentes, en especial la
energía solar para minimizar el consumo energético de un edificio, se conoce
como arquitectura bioclimática.
La arquitectura
bioclimática, o arquitectura solar pasiva, se refiere a las aplicaciones
en que la energía solar se capta, se guarda y se distribuye de
forma directa, es decir, sin mediación de elementos mecánicos.
Se trata de diseñar y aportar soluciones constructivas, que permitan
que un edificio determinado capte o rechace energía solar, según
la época del año, a fin de regularla de acuerdo a las
necesidades de calefacción, refrigeración o de luz. En
estos casos, el aprovechamiento de la radiación que llega al
edificio se basa en la optimización de la orientación;
la definición de volúmenes y aberturas de los edificios;
la selección de materiales apropiados, y la utilización
de elementos de diseño específicos y adecuados. Los principios
de esta arquitectura están en el mismo diseño:
- El entorno
climático
- La forma,
orientación y distribución del edificio
- Los cierres,
el aislamiento y la inercia térmica
El entorno climático, por su influencia directa en el confort
térmico, es el primer factor a tener en cuenta a la hora de concebir un
proyecto de arquitectura bioclimática.
El entorno físico está directamente relacionado con el
climático y se refiere al emplazamiento de la vivienda. Los principales
factores, son:
- Altitud: la temperatura atmosférica disminuye
entre 0,5 y 1ºC cada 100 m
- Distancia al mar: el mar hace de regulador térmico;
eleva el nivel de humedad, y crea regímenes especiales de vientos,
denominados brisas marinas y de tierra.
- Orografía: los sitios más elevados
están más ventilados; reciben más radiación
solar, y tienen menos humedad que los valles y depresiones.
- Proximidad a vegetación: por la acción
del viento, hace de regulador térmico, y actúa como
filtro de polvo, ruido y contaminantes.
- Emplazamientos urbanos: presencia de microclimas,
con aumento de temperatura y contaminación, y posibles obstrucciones
de la insolación entre las diferentes construcciones vecinas.
©www.solarsite.com
La forma,
orientación y distribución
La forma de un edificio interviene de manera directa en el
aprovechamiento climático del entorno, esto a través de dos elementos
básicos: la superficie y el volumen. Con relación a la superficie de la
vivienda, por los intercambios de calor entre el exterior y el interior de un
edificio, a mayor superficie más capacidad para intercambiar calor entre
exterior e interior. El volumen del edificio está directamente relacionado con
la capacidad para almacenar energía: a más volumen, más capacidad para
almacenar calor.
Una manera de cuantificar la relación entre la forma de un
edificio y su capacidad para intercambiar calor con el exterior, es tomar en
consideración el factor de forma, que es el cociente entre la superficie del
edificio y su volumen. Para climas fríos conviene un pequeño factor de forma,
entre 0,5 y 0,8, mientras que para climas cálidos conviene uno grande,
superior al 1,2.
Otro aspecto que interviene en el mecanismo de intercambio
energético entre la vivienda y el exterior, es el color de la fachada. Los
colores claros en la fachada de un edificio facilitan la reflexión de la luz
natural y, por lo tanto, ayudan a repeler el calor de la insolación.
Contrariamente los colores oscuros facilitan la captación solar.
La orientación de un edificio determina su exposición al sol y
a los vientos. La orientación sur de un edificio, por ejemplo, es la más
favorable en los climas mediterráneos.
Los cierres,
aislamiento térmico e inercia térmica
La función principal de los cierres de un edificio es preservar
las condiciones interiores, independientemente de las exteriores. Una de las
maneras de conseguirlo es a través de la disminución del intercambio de calor
entre el interior y el exterior, de forma que los muros ejerzan una función de
aislamiento térmico:
-
El grosor del material
-
Las dimensiones del cierre
-
Las propiedades termofísicas de los materiales que lo
componen.
La transferencia de calor a través de los materiales, se puede
realizar mediante los mecanismos de conducción, convección y radiación. El
efecto conjunto de las tres formas de transferencia de calor, se expresa
mediante el coeficiente global de pérdidas de cierre (K), que representa la
cantidad de energía calorífica disipada por un cierre por segundo, por metro
cuadrado de superficie y por cada grado centígrado de diferencia entre la
temperatura exterior y la interior, entre más pequeña, más aislado estará
el edificio.
La masa de un edificio tiene la capacidad de almacenar energía
en forma de calor. Ésta puede ser liberada nuevamente al ambiente, cuando la
temperatura del entorno es menor a la temperatura de los materiales. Así, se
consigue evitar las variaciones de temperatura dentro del piso. A esto se le
llama inercia térmica, es decir, a la capacidad de realizarlo. Se mide con
base en la capacidad térmica (C), a partir de la cantidad de calor que puede
almacenar un elemento por unidad de masa, al incrementar su temperatura un
grado centígrado. Si es mayor, mejor: entre más inercia térmica tengan, más
ayudan a aislar el edificio y a mantener una temperatura constante en el
interior.
Combinando un buen diseño de sistemas de iluminación
naturales, con las formas de aprovechar el calor solar y las posibilidades
reguladoras de muchos materiales, y aislando bien todo el hogar, conseguiremos,
con la incorporación de paneles solares en edificios y casas, ser
completamente autónomos energéticamente, además de no enviar energía
calorífica a la tierra, con lo que tampoco se va a calentar. Cuando las casas
y edificios del planeta se construyan con estos criterios, habremos ganado la
batalla contra nosotros mismos, en busca de la energía verde
perfecta.
Guízar, Bermúdez José Gerardo . Medio Ambiente y
Ciudad. UNAM. tesis.
Lemvigh-Muller, Ricardo . (1999). Instalaciones de energía solar térmica manual de
energía solar térmica para producción de agua caliente sanitaria,
calefacción de viviendas y climatización de piscinas
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Técnicas.
Serrano, Francisco J . Soleamiento, Climas y
Edificaciones. 1a. ed. México:UNAM.
Rangel, Ruíz Rocío . Iluminación Natural y Ahorro Energético en
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