Principios prácticos de protección y aprovechamiento pasivo de la energía solar para la arquitectura en el trópico.

David RuizMSc. Ing. Mecánica

Santiago de Cali, 12 de diciembre de 2015

2

Introducción

Tomado de: Shiller, M. (2004). Mechanical and electrical systems.

Enfoque térmico Confort

3

En el trópico: Radiación solar abundante

Contexto

 Parámetro Bogotá Santa Marta

Rango de temperatura (°C) 5 - 21 17 - 35Horas de sol diarias promedio 3.6 7.7Radiación diaria solar promedio (W-h/m2) 3700 5900

Potencia instantánea Energía Solar directa

1000 W/m2

Elementos de comparación:

Horno microondas: 500 – 1500 WSecador de pelo: 1500 W

Aspiradora: 500 WBombillo eficiente: 20 W

4

Contexto

51%47%

2%

Infrarroja VisibleUltra Violeta

Espectro de la luz solar directa

Tomado de:  http://asterisk.apod.com/ 

5

Contexto

Bogotá New York

Trópico: Energía solar diaria por unidad de área

Superficie Energía relativa

Cubierta 100%Fachada Oriente - Occidente 40%Fachada Norte – Sur (solsticio) 30%

6

Protección solar

Temperatura ambiental elevada+ Radiación solar elevada + Posibles cargas térmicas

= (casi) siempre enfriar

Estrategia• Evitar que se absorba la radiación solar1• Evitar que ingrese el calor que sé absorbió2• Evitar que el calor que ingresa se perciba3

Clima caliente

7

Protección solar

Sombras efectivas y sombras no tan efectivas

Tomado de: http://theretrospect.com/haddonfield-to-consider-shade-tree-ordinance-with-teeth-p4276-1.htm

Tomado de: http://www.titansrl.com.ar/images/productos/techos-metalicos/construccion-alero-industrial.jpg

8

Protección solarSombras e intercambio radiante

MaterialSobre-

temperatura (°C)

Cubierta plástica negra 46Cubierta plástica gris 38Fibro cemento gris 36Acero galvanizado 31Techo aluminio 27Cubierta plástica blanca 14Membrana blanca alto SRI 6

Fuente: Lawrence Berkeley National Laboratory

El intercambio radiante del techo y piso con las personas no depende de la distancia

3°C

49°C

30°C

33°C39°C54°C

9

Protección solarCubiertas sin aislamiento térmico

< Temperatura

Superficie con alto índice de reflectancia solar (SRI) y/o capasSuperficie interior con baja emisividad (metálica, limpia, sin corrosión)Distancia generosa de piso a techo (3 m mínimo) - estratificación

Otros:• Evitar mezclar el aire - corrientes• Lados totalmente abiertos• Incluir salida de aire superior

10

Protección solarCubiertas con aislamiento térmico

< Temperatura

Aplican los principios anteriores. + Al aislar hay las siguientes ventajas:• Permite la instalación de sistemas

de climatización y el movimiento de aire al interior.

• Se requiere menor altura de piso a techo.

• Menor sensibilidad a las características de las superficies internas y externas

* No es suficiente una cámara de aire.

11

Protección solarFachadas laterales

Doble fachada o elementos de sombra verticales

Extender cubiertas – generar aleros

Aislamiento térmico

Superficie Energía recibida relativaCubierta 100%Fachada Oriente - Occidente 40%Fachada Norte – Sur (en solticio) 30%

Priorizar:

12

Aprovechamiento solar

Ciclos de temperatura (altos, medios, bajos)+ Radiación solar elevada + Posibles cargas térmicas

Clima frío

= ???

Caso vivienda

Horarios de principal uso = horarios de

menor radiación solar

Pocas ganancias térmicas internas

Energía diaria requerida: 50 W/m2 x 24 h = 1200 W-h/m2

Energía solar diaria disponible promedio

(Bogotá): 3700 W-h/m2

13

Aprovechamiento solar

Estrategia vivienda• Captar energía solar térmica de día1• Almacenar la energía2• Evitar que se pierda el calor3

Se suman los componentes:

Comportamiento térmico dinámico

Inercia térmica

14

Aprovechamiento solar

Alcobas Estar / estudio

Zona social Comedor

Sol de mañana

Sol de tarde

Orientación adecuada Ori-Occ

PrincipiosAprovechar la

estratificaciónZonificación en

función de horarios

< Temperatura

15

Aprovechamiento solar

Alcobas Estudio

Zona social Comedor

El sol calienta la estructura

PrincipiosInercia térmica

al interiorAislamiento térmico en

fachadas, pisos y techos

Sol vertical

Patio interior

16

Aprovechamiento solar

Espacios externos para captar sol

PrincipiosImportancia

de doble vidrioAislamiento móvil

en ventanas

InvernaderoAlcobasEstudio

ComedorZona social

Gracias