GEOMETRÍA SOLAR Conceptos Básicos Septiembre

Septiembre 2013

GEOMETRÍA SOLAR

_{– Conceptos Básicos}

INTRODUCCION

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El siguiente documento tiene el fin de ser una guía básica para el desarrollo de estudios de técnicas bioclimáticas para cualquier lugar donde YUSO PROYECTOS tenga que proyectar. Es un documento que se retroalimenta por cada uno de los miembros a medida que se vayan desarrollando las distintas investigaciones.

Lo que se presenta a continuación es una recopilación de información que en muchos casos es textual a la fuente, no pretende ser un trabajo de investigación o análisis, es solo informativo. Parte de la información es tomada del profesor Msc Michael Smith en la materia Técnicas Bioclimáticas, que imparte en el posgrado de Arquitectura Tropical en la Universidad de Costa Rica, adicionalmente se usaron otras referencias bibliográficas y de paginas en internet.

La radiación solar es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojo y ultravioleta).

La Tierra recibe casi toda su energía del sol en forma de radiación, por eso el sol es la influencia dominante en los climas.

El espectro de la radiación sola se extiende desde 290 a 2.300 nm (nanómetros = 10_⁻9). De acuerdo con los medios humanos de percepción podemos distinguir:

_Radiación ultravioleta (290 a 380 nm): produce efectos fotoquímicos, blanqueamiento,

quemaduras solares, etc.

_Luz visible (380 nm azul a 700 nm rojo):

_Radiación infrarroja corta (700 a 2.300 nm): calor radiante con algún efecto fotoquímico.

RADIACION SOLAR

CONCEPTOS

EL SOL

Distancia: 150 millones de km

Temperatura de la superficie: 6.000 °C

Energía emitida por m2: 60.000.000 w/h

La intensidad de la radiación que alcanza la superficie de la atmosfera se como constante solar: 1.395 W/m2, pero realmente puede variar +/- 2% debido a las variaciones de energía de propio sol y varia +/- 3,5% a cauda de alteraciones de la distancia Tierra-Sol.

Irradiación es a magnitud que mide la radiación solar que llega a la tierra. Se mide en watios por metro cuadrado (W/m2).

CANTIDAD DE RADIACION SOLAR

CONCEPTOS

La relación Tierra-Sol afecta a la cantidad de radiación recibida en un punto particular de la superficie terrestre de tres modos:

1. La Ley del Coseno: que establece que la intensidad en una superficie inclinada es igual a la intensidad normal por el coseno del ángulo de inclinación.

2. Disipación atmosférica: es la absorción de radicación por el ozono, vapores y partículas de polvo atmosférico (factor de 0,2 a 0,7). Cuando mas bajo es el ángulo de altitud solar, mas larga es la trayectoria de la radicación a través de la atmosfera y en consecuencia llega menor radicación a la superficie terrestre.

3. Duración de la luz solar: es la duración de l periodo de luz diurna.

RADIACION EN LA SUPERFICIE TERRESTRE

CONCEPTOS

LEY DEL COSENO

Varia distribución según Angulo incidencia = misma cantidad de radiación en mayor superficie.

DISIPACION ATMOSFERICA

Más bajo el ángulo altitud solar = mayor trayectoria radiación a través de la atmosfera

La Tierra gira alrededor de su propio eje, haciendo una rotación en 24 horas. El eje de este giro (línea que une los polos Polos Norte y Sur) esta inclinado con relación al plano de la orbita elíptica un ángulo de 66,5°, es decir una inclinación de 23,5°de la normal.

Si el eje de la Tierra fuese perpendicular al plano de la órbita, siempre seria las regiones ecuatoriales normales a la dirección de la radiación solar. Sin embargo, debido a la posición inclinada, el área que recibe la máxima intensidad se desplaza de norte a sur entre el trópico de cáncer (latitud 23,5°N) y el trópico de Capricornio (latitu d 23,5°S). Esta es la cauda principal de los cambios de estaciones.

El 21 de julio las áreas que s extienden a los largo de la latitud 23,5°N son normales a los rayos solares, la trayectoria aparente del sol pasa por el cenit en esta latitud y se experimenta el periodo mas largo de luz diurna. AL mismo tiempo la latitud 23,5°S sufre el día mas cor to y una radicación mínima.

El 21 de marzo y el 23 de septiembre las áreas a lo largo del Ecuador son normales a los rayos solares y experimentan una trayectoria cenital del sol. En todas las áreas de la Tierra son estos los días equinociales ( día y noche de igual extensión).

RELACION TIERRA Y SOL

CONCEPTOS

Información tomada del libro Vivienda y edificios en zonas cálidas y tropicales. REVOLUCION DIARIA: sobre su eje N-S (eje inclinado 23,5°)

REVOLUCION ANUAL: alrededor del sol (orbita)

RELACION TIERRA Y SOL

CONCEPTOS

Solsticio de junio = +23,45°

Solsticio de diciembre = +23,45°

Equinoccios = 0°

Información suministrada por Arq. Michael Smith

LATITUD GEOGRAFICA: es el ángulo entre el plano del ecuador respecto al eje de la Tierra

Ecuador = 0° Polo norte = 90°

Polo Sur = -90°(negativo por convención) Costa Rica = 10°

Venezuela = 10°

Para hallar el ángulo de incidencia de la radiación , hay que establecer la posición del sol en relación con la elevación para el punto dado en el trascurso del tiempo.

La posición del sol en el hemisferio celeste se puede especificar con dos ángulos:

1. Angulo de altitud solar: es el ángulo vertical en el punto de observación entre el plano

horizontal y la línea que une el sol con el observador

2. Angulo azimutal solar: es el ángulo en el punto de observación medido sobre el plano

horizontal entre la dirección norte y un punto en el circulo del horizonte, que es el de intersección del arco de un circulo vertical que pasa por el cenit y la posición del sol.

ANGULOS DE INCIDENCIA

CONCEPTOS AZIMUT: Norte = 0°o 360° Este = 90° Sur = 180° Oeste = 270°

RECORRIDO SOLAR:

El recorrido solar diario es una curva aparente en el domo del cielo, formada por las posiciones sucesivas del sol, desde el amanecer hasta el atardecer. Cada recorrido solar puede ser descrito geométricamente, como la intersección del sol con el domo del cielo.

CARACTERISTICAS DE LOS DIAGRAMAS O CARTAS SOLARES:

_Mapas celestiales del domo que contienen las distintas posiciones solares en una altitud especifica.

_muestra de manera eficaz ángulos solares anuales

_Es una transformación geométrica del recorrido solar del domo 3D al grafico 2D. _Es el resultado de una matriz de recorrido solar mensual – horaria

_Cualquier día del año puede ser impreso en la matriz con su respectivo ángulo solar según el diagrama correspondiente.

REPRESENTACIONES GRAFICAS

ANGULOS DE INCIDENCIA

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COMO LEERLA

CARTA ORTOGRAFICA

CARTA ESTEREOGRAFICA

COMO LEERLA

El punto “nadir” es el centro de la proyección y la posición del sol en el hemisferio celeste aparente se proyecta en el plano del horizonte representado por un circulo horizontal.

La trayectoria del sol en diversas fechas se representa mediante un grupo de curvas que se extienden de este a oeste (líneas de las flechas) y están cortadas por otras curvas cortas, que son las líneas de las horas. La serie de círculos concéntricos constituyen una escala de ángulos de altitud y la escala periférica da el ángulo azimutal.

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Información suministrada por Arq. Michael Smith

1. Se selecciona la latitud 0°del diagrama

2. Se selecciona la línea de la fecha deseada (ejemplo 21 sep)

3. Se selecciona la línea de la hora (ejemplo 9 am) y se marca su intersección con la línea de la fecha.

4. Se lee en los cirulos concéntricos el ángulo de altitud (ejemplo 26°)

5. Se traza una línea recta desde el centro de diagrama a través del punto de la hora marcado hasta la escala periférica donde se lee el ángulo azimutal (ejemplo 128°)

CONCEPTOS

ANGULOS DE SOMBRA

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La eficiencia de los dispositivos de sombra se especifica mediante dos ángulos: los ángulos de sombre horizontal y vertical. Ambos se miden a partir de una línea perpendicular a la elevación e indican el límite más allá del cual queda excluido el sol, pero dentro de él, el sol alcalizaría el punto considerado.

ANGULOS DE SOMBRA

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ANGULO DE SOMBRA HORIZONTAL (HSA):

Caracteriza un dispositivo de sombra vertical, y es la diferencia entre el azimut del sol y de la pared, lo mismo que la componente horizontal en el ángulo de incidencia.

ANGULO DE SOMBRA VERTICAL (VSA):

Caracteriza un dispositivo de sombra horizontal, por ejemplo una larga proyección horizontal de la pared, y se mide en un plano vertical normal de elevación considerada.

CONCEPTOS

TIPOS DE DISPOSITIVOS

DISPOSITIVOS DE SOMBRA

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DISPOSITIVOS VERTICALES:

Constan de hojas de persianas o aletas saliendo en posición vertical. El ángulo de sombra horizontal mide su eficacia (HSA). Hojas estrechas, poco separadas, pueden dar el mismo ángulo de sombra que hojas más anchas y mas separadas.

Se vera que este tipo de dispositivos es más eficaz cuando el sol está aun lado de la fachada, tal como ocurre en la fachadas este y oeste. Para que fuese eficaz un dispositivo vertical cuando el sol está opuesto a la pared considerada, tendría que cubrir casi por completo toda la ventana.

DISPOSITIVOS HORIZONTALES:

Estos pueden ser toldos, hojas horizontales o persianas veneciana por el exterior, Su eficacia se medirá por el ángulo de sombra vertical (VSA). La huella de la sombra tiene forma de segmento. Serán mas eficaces cuando el sol este opuesto a la fachada considerada del edificio y a un ángulo elevado, tal como las paredes norte y sur. Para cubrir un sol bajo, este tipo de dispositivo tendría que tapar la ventana casi por completo, permitiendo solo la visión hacia abajo.

DISPOSITIVOS DE COMBINADOS:

Se combinan elementos horizontales y verticales. Los múltiples tipos de enrejados y pantallas decorativas caen dentro de esta categoría. Puedes ser eficaces en cualquier orientación, dependiendo solo de las dimensiones de los elementos.

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Huella de

sombra

Como primera medida hay que decidir cuando es necesaria la sombra, en que parte de l año y a que horas del día. La mejor guía consiste en la definición del periodo de sobrecalentamiento. A partir de esto se definir los ángulo necesarios para dar sobra en esto periodos. Luego estos ángulos HSA y VHA los usamos para las dimensiones finales de los dispositivos de sombra.

DISEÑO DE DISPOSITIVOS

PERIODOS DE SOBRECALENTAMIENTO

TEMPERATURAS Y SOMBRA

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Para establecer las horas de sombra (huella de sombra) para un lugar, se toma los datos de la tabla de estrategias pasivas, los generado por el Ecotect (solar directa-difusa), y lo observado de modo presencial en el sitio

Se puede observar que los meses mas calientes son mayo junio y septiembre, habría que tener mayor sombra para estas fechas. Aunque según las graficas de estrategias pasivas enero y diciembre no necesita sombra, proponemos sombrear en las horas del medio día para evitar calentamiento extra en el edificio.

Según Ecotect

Según Tabla Temp-sombra Definitiva

en rojo

La zona en rojo indica las horas de sombra tomadas para la elaboración del estudio

EFECTOS DE SOMBREO

ENTORNO INMEDIATO

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Es un aparato para crear una relación geométrica apropiada entre los modelos a escala y la representación del sol. Para simular penetración de luz solar y sombreo para cualquier combinación de localización y tiempo, pero siempre en condición de cielo despejado.

Permite ajustar la declinación solar /día del año), la rotación de la tierra (hora del día y la localización del lugar (latitud). La Tierra es la móvil y el sol siempre esta fijo

HELIODON

HERRAMIENTAS

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DOMO DE CIELO

HERRAMIENTAS

Es un dispositivo que combina condiciones de cielos generadas de modo artificial con las funciones del heliodon.

El domo hemisferico contiene ciento de luminarias individuales, instaladas sobre un marco geodésico que permite activarlas y regular la distribuciones de iluminación para diferentes condiciones de cielo (nublado, mixto, despejado).

Con modelos a escala se puede simular condiciones externas de iluminación natural en edificios, con distintos tipos de cielos, climas y lugares.

ECOTECT - AUTODESK

HERRAMIENTAS

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ECOTECT - AUTODESK

HERRAMIENTAS

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ECOTECT - AUTODESK

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Porcentaje de sombras – propuesta

Zona de sombra en rojo

Zona de sombra en rojo Zona de sombra en rojo

SALA DE REUNIONES - FACHADA SUR _{AULA 1- FACHADA SUR SALA DE REUNIONES - FACHADA ESTE}

HERRAMIENTAS

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ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC

29,6 30,3 31,1 30,4 29,6 29,1 28,9 29,7 30,3 30,2 29,9 29,2 18,7 19,3 19,8 20,7 20,8 20,4 20 20,1 20,3 20,4 20,2 19,3 10,9 11 11,3 9,7 8,8 8,7 8,9 9,6 10 9,8 9,7 9,9 HORA S 01:00 a.m. 0,07 19,5 20,1 20,6 21,4 21,4 21,0 20,6 20,8 21,0 21,1 20,9 20,0 02:00 a.m. 0,04 19,1 19,7 20,3 21,1 21,2 20,7 20,4 20,5 20,7 20,8 20,6 19,7 03:00 a.m. 0,02 18,9 19,5 20,0 20,9 21,0 20,6 20,2 20,3 20,5 20,6 20,4 19,5 04:00 a.m. 0 18,7 19,3 19,8 20,7 20,8 20,4 20,0 20,1 20,3 20,4 20,2 19,3 05:00 a.m. 0,02 18,9 19,5 20,0 20,9 21,0 20,6 20,2 20,3 20,5 20,6 20,4 19,5 06:00 a.m. 0,08 19,6 20,2 20,7 21,5 21,5 21,1 20,7 20,9 21,1 21,2 21,0 20,1 07:00 a.m. 0,16 20,4 21,1 21,6 22,3 22,2 21,8 21,4 21,6 21,9 22,0 21,8 20,9 08:00 a.m. 0,4 23,1 23,7 24,3 24,6 24,3 23,9 23,6 23,9 24,3 24,3 24,1 23,3 09:00 a.m. 0,63 25,6 26,2 26,9 26,8 26,3 25,9 25,6 26,1 26,6 26,6 26,3 25,5 10:00 a.m. 0,85 28,0 28,7 29,4 28,9 28,3 27,8 27,6 28,3 28,8 28,7 28,4 27,7 11:00 a.m. 0,97 29,3 30,0 30,8 30,1 29,3 28,8 28,6 29,4 30,0 29,9 29,6 28,9 12:00 p.m. 1 29,6 30,3 31,1 30,4 29,6 29,1 28,9 29,7 30,3 30,2 29,9 29,2 01:00 p.m. 0,98 29,4 30,1 30,9 30,2 29,4 28,9 28,7 29,5 30,1 30,0 29,7 29,0 02:00 p.m. 0,93 28,8 29,5 30,3 29,7 29,0 28,5 28,3 29,0 29,6 29,5 29,2 28,5 03:00 p.m. 0,7 26,3 27,0 27,7 27,5 27,0 26,5 26,2 26,8 27,3 27,3 27,0 26,2 04:00 p.m. 0,53 24,5 25,1 25,8 25,8 25,5 25,0 24,7 25,2 25,6 25,6 25,3 24,5 05:00 p.m. 0,43 23,4 24,0 24,7 24,9 24,6 24,1 23,8 24,2 24,6 24,6 24,4 23,6 06:00 p.m. 0,35 22,5 23,2 23,8 24,1 23,9 23,4 23,1 23,5 23,8 23,8 23,6 22,8 07:00 p.m. 0,3 22,0 22,6 23,2 23,6 23,4 23,0 22,7 23,0 23,3 23,3 23,1 22,3 08:00 p.m. 0,25 21,4 22,1 22,6 23,1 23,0 22,6 22,2 22,5 22,8 22,9 22,6 21,8 09:00 p.m. 0,21 21,0 21,6 22,2 22,7 22,6 22,2 21,9 22,1 22,4 22,5 22,2 21,4 10:00 p.m. 0,17 20,6 21,2 21,7 22,3 22,3 21,9 21,5 21,7 22,0 22,1 21,8 21,0 11:00 p.m. 0,14 20,2 20,8 21,4 22,1 22,0 21,6 21,2 21,4 21,7 21,8 21,6 20,7 12:00 a.m. 0,11 19,9 20,5 21,0 21,8 21,8 21,4 21,0 21,2 21,4 21,5 21,3 20,4 TEMPERATURAS = S X ∆T + T Min MES T Max ˚C T Min ˚C T Max - T Min

Ecotect –Fachada oeste Ecotect – Fachada este

Tabla de Temperatura y Sombra

Weather Toll – Carta Psicrométrica para la ciudad de Barquisimeto.

HERRAMIENTAS

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 Olgyay, Victor. Arquitectura y clima, manual de diseño bioclimático para arquitectos y

urbanistas. Ed. Gustavo Gili. Barcelona, 1998.

 Tudela, Fernando. Ecodiseño. Colección Ensayos, Universidad Autónoma

Metropolitana - Xochimilco.

 Morillón Gálvez, David. Bioclimática. Sistemas pasivos de climatización. Universidad

de Guadalajara.

 Lippsmeier, George. Tropen bau. Building in the tropics.

 O. Koenisberger et. al. Viviendas y edificios en zonas cálidas y tropicales. Paraninfo.

Madrid, 1977.

 Rivero, Roberto. Arquitectura y clima. Acondicionamiento natural para el hemisferio

norte. Universidad Autónoma de México. México D.F. 1988.

 García José Roberto. Viento y Arquitectura. Ed Trillas. 1987,

 Serra, Rafael. Arquitectura y climas. Ed. Gustavo Gili. Barcelona, 1999.

 Fortín, Jacques. Para comprender el clima y el medio ambiente. Publicaciones

CITEM. México, 2002.

 Hinz, Elke; Gonzalez, Eduardo; de Oteiza, Pilar; Quiros, Carlos. Proyecto, clima y

arquitectura. Ediciones G. Gili. México, 1986.

 Wikipedia, The Free Encyclopedia: http://en.wikipedia.org

 http://habitat.aq.upm.es/select-sost/ab3.html

 http://www.construnario.com/ebooks/1126/@@cat%C3%A1logos/prestaciones%20t%

C3%A9rmicas%20-%20ac%C3%BAsticas/ventilaci%C3%B3n.pdf