TEMA 4. Selección de sistemas constructivos para rehabilitación
1. Introducción al acondicionamiento de edificios por sistemas naturales
1.4. Principios de diseño bioclimático
Como se ha comentado anteriormente, los principios del diseño bioclimático se basan en el aprovechamiento de las condiciones ambientales exteriores de ma- nera que se optimicen las condiciones de confort térmico del interior. Se trata de sistemas pasivos de acondicionamiento, ya que su uso no implica consumo de recursos. Su aplicación es más sencilla en las fases de diseño del edificio, no obs- tante, algunas de estas estrategias podrían ser de aplicación en edificios objeto de rehabilitación con el objeto de disminuir su demanda energética. Los principales parámetros que debemos considerar en el diseño bioclimático se van a agrupar en cuatro grandes factores:
2. Soleamiento o protección solar: la radiación solar puede ser aprovechada como una ventaja o puede constituir un inconveniente, dependiendo de las latitudes en las que se sitúe el edificio y de los elementos de su entorno que puedan interferir en la captación de la energía calorífica del sol.
4. Materiales y sistemas constructivos empleados: su elección vendrá condicio- nada por sus características más o menos aislantes, cámaras de aire, inercia térmica, color, etc.
4. Ventilación: las diferencias de presión y temperatura del aire se pueden apro- vechar para generar corrientes de aire que faciliten la ventilación para mo- dificar la temperatura de una estancia o para evitar condiciones de humedad excesivas.
Orientación
Teniendo en cuenta, según el hemisferio en el que se encuentre el edificio, y según la latitud, se puede conocer cuáles son las zonas de la envolvente que reciben más o menos radiación solar durante el año, para la búsqueda de la solución construc- tiva idónea, tanto en cerramientos como en huecos. También dicha orientación debería tener en cuenta los vientos y las brisas predominantes en el lugar de em- plazamiento del edificio. En cualquier caso, las condiciones térmicas se pueden mejorar, aunque tal y como se ha comentado anteriormente, es necesario buscar una solución que también tenga en consideración otras características como una adecuada iluminación, características acústicas, etc.
Soleamiento y protección solar
La fuente energética más relevante es el calor del sol, sin embargo, es inconstante debido a múltiples factores:
• Ciclo estacional, ciclo diurno-nocturno
• Filtros solares naturales: días nublados, la niebla, la lluvia, la nieve, etc.... • Otros filtros como la turbiedad atmosférica provocada por la contaminación,
habitual en los entornos urbanos.
• Obstáculos a la radiación: elementos propios de la topografía y el medio geofí- sico, elementos de vegetación circundantes, sombra que provocan otros edifi- cios.
En el diseño del edificio hay que considerar la ganancia energética del sol jugando con factores como:
Orientación, ya que las orientaciones solares en las que se producen la captación solar, son la sur, este y oeste, para el hemisferio norte.
• Los elementos con mayor accesibilidad solar, como pueden ser los elementos horizontales como las cubiertas.
• Sistemas y materiales capaces de captar y acumular calor. • Formas de distribución del calor captado por las estancias.
La ganancia de energía solar puede realizarse de manera directa a través de venta- nas, huecos y lucernarios, e incluso incrementarse con elementos intermedios, tipo invernadero. También se puede aprovechar la inercia térmica de ciertos materiales o elementos constructivos como método de almacenamiento de la energía, para su uso de manera retardada. A continuación, se exponen algunos de estos sistemas y se describen brevemente:
La captación solar directa se logra por medio de elementos transparentes como
vidrios de ventanas, puertas y lucernarios. Las propiedades naturales del vidrio de- jan pasar la radiación solar visible (la térmica), de longitud de onda comprendida entre 400 y 750/800 nanómetros. Sin embargo, bloquean la radiación de onda lar- ga, es decir, la infrarroja, que es en la que transforma la radiación visible al entrar en el interior y aumentar su temperatura. El principal problema del intercambio térmico que se produce en las carpinterías, viene derivado de las pérdidas que se producen a través de vidrio, debido a su elevada transmitancia térmica. Sin em- bargo, al valorar este parámetro se considerará no solo el vidrio, sino el conjunto vidrio + marco, tal y como se verá en el tema 4. La transmitancia y la hermeticidad del marco serán parámetros a considerar también en el diseño.
En los vidrios hay que tener en cuenta los factores de transmisión, reflexión y absorción energética, que variarán según el espesor, número de láminas y el tipo de vidrio. Se conoce como factor solar (Fs) a la relación entre la energía total que penetra a través del acristalamiento y la energía solar incidente. Indica la transmi- tancia total a través del acristalamiento y enviada al interior del edificio y permite evaluar la protección que ofrece el vidrio. Así un vidrio incoloro presenta un Fs alrededor de 0,85, que disminuiría por ejemplo en vidrios coloreados (verde 0,57) o reflectantes (gris 0,20).
En temas posteriores se verán vidrios de distintos tipos (bajo emisivos, de control solar, etc.):
Figura 1. Distribución de la energía solar al pasar a través del vidrio
Además de la captación directa, con los vidrios se puede potenciar la absorción
de energía solar, gracias al efecto invernadero. Como se ha comentado, los vidrios
ordinarios son transparentes a la radiación solar de longitud de onda corta, pero prácticamente opacos a la radiación infrarroja de longitud de onda más larga. La radiación solar es de onda corta, pero la de los cuerpos calentados por la radiación solar es de onda larga, por ser su temperatura relativamente baja. Cuando el sol calienta los objetos del interior de un espacio a través de un cristal, estos objetos calentados ceden de nuevo ese calor en forma de radiación de onda larga, quedan- do esta radiación atrapada en el interior del espacio al no poder atravesar el vidrio. Es lo que se conoce como efecto invernadero.
Se puede aprovechar en invierno, para calentar los espacios del edificio, dis- poniendo ventanas en orientación sur en el hemisferio norte, siempre conside- rando si las características del clima en el lugar pueden generar problemas de sobrecalentamiento en las estaciones cálidas. Se podrían, en este caso, incor- porar estrategias para evitar la radiación solar directa, cuando las temperaturas exteriores son superiores a las de confort. Simplemente con la incorporación de mecanismos correctamente dimensionados que impidan el acceso directo del sol en verano (voladizos, paneles móviles, persianas, vegetación), o bien favoreciendo los mecanismos de renovación del aire interior, con una cámara de aire ventilada, para lo que se debe incluir elementos practicables en la su- perficie de cristal, que puedan crear efectos de ventilación cruzada y ventila- ción por efecto chimenea.
Se puede además potenciar la captación de energía solar con cosas tan sencillas como los colores de los materiales, lo cual está relacionado con el albedo o grado de reflexión de la luz solar. Por ese motivo, encontramos fachadas e incluso cu-
biertas encaladas en blanco en lugares donde se alcanzan altas temperaturas o, por el contrario, edificios de colores oscuros en climas fríos. A modo orientativo, aca- bados claros presentan coeficientes de absorción de la radiación solar entre 0,10 y 0,20, mientras que acabados oscuros como el ladrillo o la pizarra pueden alcanzar un coeficiente de absorción de hasta 0,95.
Figuras 2 y 3. Edificios encalados en Menorca y Sidi Bu Said (Túnez)
Inercia térmica
Algunos materiales, como los pétreos, especialmente cuando presentan con es- pesores gruesos, tienen la capacidad de almacenar la energía durante el día para liberarla durante la noche, cuando la temperatura disminuye. Esta propiedad se puede aprovechar a favor de un diseño sostenible.
Una solución constructiva que aprovecha la inercia térmica de los materiales son los cerramientos vegetales, como cubiertas y fachadas. Los cerramientos de tierra tienen un efecto amortiguador, de manera que, en verano contrarresta el calor, al almacenar fresco de noche, y en invierno, contrarresta el frío, al acumular calor de día. La principal desventaja de estos sistemas es su peso y las labores de man- tenimiento que requieren para su adecuado comportamiento, fundamentalmente cuando tienen vegetación. Por otro lado, a su favor, puede considerarse su papel
como sumideros de CO2.
La inercia térmica llevada a su máxima expresión, se daría por ejemplo al aprove- char el terreno en edificaciones enterradas o semienterradas. Un ejemplo lo cons- tituyen las casas cueva, de las que encontramos representación en distintos puntos de la geografía, allí donde las condiciones del terreno hacen posible su construc- ción. Este sistema presenta muchas ventajas en cuanto a control de temperatura, aunque suele presentar problemas de humedad, lo cual se resuelve generalmente mediante chimeneas de ventilación.
Ventilación
Si bien la captación solar es una estrategia que permite conseguir mayores temperaturas, la ventilación es la estrategia más utilizada para lograr el enfria- miento o también para evitar elevadas humedades relativas. Puede aplicarse a la geometría del edificio, con la colocación estratégica de patios interiores que permitan la ventilación cruzada, también con elementos como chimeneas de ventilación e incluso en los propios sistemas constructivos, caso de las facha- das ventiladas.
Las estrategias señaladas, hasta el momento, pueden también utilizarse en com- binación. Un ejemplo son los muros trombé, donde se combina la captación solar con acumulación por efecto invernadero, con inercia térmica del muro y con ven- tilación para control de temperatura.
Es un sistema de captación solar pasivo que potencia la energía solar que recibe un muro, constituyendo un sencillo sistema de calefacción. Su componente principal es un muro orientado hacia la posición del sol más favorable a lo largo del día (sur en el hemisferio norte). La desventaja que presenta es que es un muro ciego en fachada donde se sitúe.
Está constituido por varias capas, por ejemplo:
1. Una lámina de vidrio, a unos 20 cm de la siguiente capa. Con trampillas supe- riores e inferiores para facilitar la evacuación del calor durante el verano. 2. Un muro interior de gran inercia térmica: pared gruesa (20 y 40 cm) de hor-
migón, ladrillo, piedra o adobe (materiales que puedan acumular calor bajo el efecto de masa térmica). Película oscura sobre la pared en la cara exterior 3. Un espacio intermedio delimitado por el muro y el vidrio, que debido a la ra-
diación solar siempre tendrá una temperatura mucho mayor que el exterior e interior, a través del efecto invernadero.
4. Dos conjuntos de orificios en el muro, unos en la parte superior y otros en la inferior para ventilación.
5. Voladizo u otros elementos de protección, para evitar sobrecalentamiento. Gestionado adecuadamente, entrega calor durante los meses fríos y permite una mejor refrigeración en los meses cálidos a través de una ventilación cruzada.
Figura 4. Esquema de muro trombé
Para finalizar, indicar que, en el diseño del edificio o de los espacios urbanos, también se pueden proponer sistemas que aprovechan la evapotranspiración como forma de enfriamiento. Se pueden aprovechar láminas de agua, vegeta- ción, etc.