Tema III Transcalor

8/9/2019 Tema III Transcalor

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BVSDE-PAHO Arquitectura Bioclimática y Construcción Sustentable Tema 3: Transmisión de calor en los edificios

Tema 3: Transmisión de calor en los edificios

UNIDAD 1 CONCEPTOS BASICOS DE LA TRANSMISION DE CALORDr. Carlos Barceló Pérez

Conceptos básicos Radiación Convección Conducción Temperatura sol aire Respuesta de los materiales de construcción ante la radiación térmica y solar

–

Reflexión– Absorción–

Emisión– Transmisión

Objetivos Describir los conceptos básicos de la transmisión de calor. Conocer el papel que juegan los materiales y las superficies en este proceso. Interpretar cómo los elementos constructivos participan en la transmisión de calor.

IntroducciónDespués de conocer las condiciones naturales y de mostrar la dependencia humana de las condiciones térmicaspasamos a aclarar algunos conceptos físicos básicos relacionados con la naturaleza del calor y sus medios depropagación. Después analizaremos como controlar las condiciones naturales térmicas.

Conceptos básicos.La condición esencial para la transmisión del calor es que los cuerpos tengan temperaturas diferentes. El flujo decalor se dirige del más caliente al más frío. La transmisión de calor supone una verdadera transformación deenergía térmica.

Veremos a continuación la transmisión del calor por conducción, convección y radiación.a. le cede el calor a b y baja su temperatura.b.

asimila el calor de a y aumenta su temperatura.

Radiación.Todos los cuerpos que poseen energía interna tienen la propiedad de transformar una parte de la misma en

energía radiante. Todos los elementos del ambiente árboles, tierra, edificios, etc, emiten radiaciones. La energíaradiante está constituida por ondas electromagnéticas que se desplazan a la velocidad de 300 000 km/s.

Tiene lugar mediante una doble transformación de energía. Una parte del calor de A y B se convierte en energíaradiante que llega al otro donde se absorbe en una proporción que depende de las características de lasuperficie, y es nuevamente transformada en calor.

La energía radiante emitida por un cuerpo se define por la cantidad y la calidad.

FA UAS - LUMA Arq. Celia R. Gastélum Ramírez 1


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Los cuerpos emisores.La cantidad está dada por la potencia total emitida en W u otras unidades equivalentes y se define por laEmisividad (E) o coeficiente de emisión: El mejor emisor de energía radiante es el cuerpo negro (que no se da enla naturaleza sino sólo en laboratorios) y tiene la propiedad de absorber toda la energía que llega a él. Laemisividad de un cuerpo se determina por la relación entre su irradiancia Hr y la del cuerpo negro Hrn a igualtemperatura E = Hr/Hrn. Los valores de E están comprendidos entre 0 y 1, dependen de la naturaleza del cuerpoy de su temperatura. Los materiales de construcción pueden clasificarse en dos grupos:

metálicos E = 0 - 0.30 los valores menores corresponden con las superficies más pulidas. no metálicos E = 0.85 - 1.00.

Los valores entre 0.30 y 0.85 corresponden a cuerpos como las pinturas metálicas que resultan de unacombinación de los dos grupos. La emisividad es una propiedad de la capa superficial del material.

TABLA 1Coeficiente de emitancia (emisividad) de radiación de onda larga, (E)

Superficie E(%)

Lechada 85-90Aluminio 20-30

acero galvanizado 40-60hormigón 85-95

ladrillo rojo 85-95

asfalto 85-95

Los cuerpos como receptores.La calidad está dada por la longitud de onda. Hay múltiples tipos y seidentifican por la longitud de su onda que es la distancia entre dosmáximos sucesivos. Las ondas electromagnéticas se desplazan entodas las direcciones y en línea recta a partir de la superficie emisora.Las radiaciones siguen las leyes de la óptica (como la luz) al llegar a uncuerpo son absorbidas, reflejadas o transmitidas. La energía radiante(onda corta) absorbida se transforma en energía térmica o calor (ondalarga). En cambio la energía reflejada o transmitida no se altera, semantiene como radiación de onda corta.

La longitud de ondade la radiación depende de la temperatura del cuerpo emisor.El sol tiene una temperatura alrededor de los 5 500° C y emite

ondas infrarrojas cortas.

Los objetos, cuya temperatura oscila entre 1 y 50°C, emitenondas infrarrojas largas.



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depende del color de su superficie y absorben sólo una parte de laradiación incidente.

A continuación se incluye un cuadro que refleja la categoría a quepertenecen los materiales más utilizados en la construcción. Indica sies cuerpo negro, cuerpo reflector, cuerpo selectivo caliente o cuerpo

selectivo frío.

TABLA 3 - Características de las superficies.

Material de Superficie Reflectividad (%)Radiación solar Radiación térmica

plata brillante 93 98aluminio brillante 85 92

cal 80 -

cobre brillante 75 85plancha de cromo 72 80

pintura croma blanca 71 11mármol blanco 54 5

pintura verde clara 50 5

pintura de aluminio 45 45

piedra caliza 43 5madera clara 40 5

asbesto cemento (vejez 1 año) 29 5ladrillo arcilla roja 23-30 6

pintura gris 25 5

hierro galvanizado oxidado 10 72negro mate 3 5



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Una aplicación de estas propiedades puede apreciarse en las superficies blancas, encaladas, de colores clarosque permanecen más frescas que superficies de metal pulido como el aluminio, por ejemplo. El aluminio tieneuna reflectividad mayor a la radiación solar pero la superficie blanca tiene una alta emisividad y pierde muchocalor por radiación. Sin embargo si los mismos materiales están expuestos no sólo al sol sino al suelo calientedonde la superficie blanca no es capaz de perder calor por radiación el aluminio pulido permanecerá más fresco.Este comportamiento se aprovecha en los aviones a los cuales se les pinta de blanco por arriba y se deja enaluminio por abajo.

Esta capacidad de reflejar la radiación se aprovechaen las soluciones de techo para clima.

Convección.Trataremos el fenómeno convectivo sólo entre el aire,el hombre y los edificios. La convección puede ser:

natural donde el aire es generado por la diferencia de temperatura (T). En las cámaras de aire sinventilación, en vidrios, paredes y techos dobles.

forzada donde el aire tiene velocidad propia.

Si ta > ts el aire se enfria y desciende Si ta < ts el aire se calienta y asciende

La convección se realiza entre dos cuerpos en contacto si uno de ellos es fluido. Se produce primero porconducción y ante el cambio en la temperatura del fluido éste adquiere movimiento que puede ser ascendentesi la temperatura aumenta y descendente si la temperatura disminuye.

Conducción.La conducción se realiza por contacto entre las moléculas de los cuerpos. Nos ocuparemos de los sólidos yfluidos en los que no haya fenómenos convectivos.

Conductividad térmica: La transmisión de calor por conducción consiste en la propagación del movimiento

molecular. Esta propagación del movimiento molecular varía con los diferentes materiales y constituye unapropiedad del material, esto es la conductividad térmica, que varía desde 0,03 W/m°C para materiales aislanteshasta 400 W/m°C para los metales.

Densidad: Frecuentemente la densidad es un indicador de la conductividad. Normalmente materiales de altadensidad tienen una alta conductividad. La relación es debido al hecho de que el aire tiene baja conductividad,0,026 W/m°C y los materiales ligeros tienen poros que contienen aire por lo que su conductividad tiende a ser



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menor. Si el aire de los poros se sustituye por agua, su conductividad crece porque el agua tiene unaconductividad de 0,58 W/m°C.

TABLA 4Valores prácticos de la conductividad térmica

Material densidad (kg/m3 ) conductividad térmica

Acero 7 800 60

piedra natural 2 700 3hormigón 2 300 1.7

ladrillo 1 700 0.6

madera 700 0.14lana mineral 50 0.04

Resistencia térmica total, Rt: La resistencia que opone un elemento al paso del calor es el resultado de dividir suespesor entre la conductividad del material.

Rb = b/k; [m 2 oC/ W]

b espesor, mk conductividad térmica, W/m°C

Si el elemento está constituido por diferentes capas, la resistenciatérmica será la suma de las resistencias de las capas.

Rb = R1 + R2 + R3 + .. Rn; [ m2 oC/ W ]

o sea que:

Rb =b/k; [ m2 oC/ W ]

A la resistencia que ofrece un cuerpo al paso del flujo de calor se añade laresistencia que ofrecen sus superficies donde una fina capa de aire separaal cuerpo del aire circundante, e incluye los componentes convectivos yradiantes del intercambio de calor. O sea que si se considera latransmisión de calor de aire a aire hay que considerar en el cálculo las dosresistencias superficiales.

Rt = Rex + Rb + Rin; [ m2 oC/W ]

Rex y Rin son las resistencias térmicas superficiales de las películas de aire interior y exterior.

TABLA 5Conductancia y resistencia superficial interior

Posición del elemento y direccióndel flujo térmico.

Conductancia superficialhin (W/m2 oC)

Resistencia superficialRin (m2 oC/W)

vertical y flujo horizontal 9,1 0,11

horizontal y flujo ascendente 11,1 0,09horizontal y flujo descendente 5,9 0,17



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TABLA 6Resistencia superficial interior y exterior

Resistencia superficial exteriorRex = 1/hex; [ m2 oC/W ]

Resistencia superficial interiorRin = 1/hin; [ m2 oC/W ]

hex = ( 5 + 10 v ) 1,16; [ W/m2 oC ]v = velocidad del aire en m/s

Ver valores en la Tabla 3.

Cavidades: Los espacios de aire o cavidades cerradas en un cuerpo forman una barrera al paso del calor y esmedido como la resistencia de la cavidad, Ra. En caso de existir espacios de aire o cavidades la resistencia totalse calcula por:

Rt = Rex + Rb + Ra + Rin ; [ m2 oC/W ]

TABLA 7Resistencia térmica de las cámaras de aire.

Espesor de la cámara de aire(mm)

Elemento vertical y flujo térmicohorizontal (m2 ºC/W)

Elemento horizontal y flujotérmico descendente (m2 ºC/W)

10 0,13 0,1320 0,14 0,16

30 0,14 0,17

50 0,14 0,18100 0,15 0,19

150 0,17 0,20

de 200 a 300 0,17 0,20El coeficiente de transferencia de calor, K : Es el recíproco de la resistencia de aire a aire, es la magnitud másutilizada para caracterizar térmicamente a los elementos constructivos, vidrios, etc, en los procesos de gananciay pérdida de calor porque simplifica los cálculos.

Se expresa como:

K = 1/ Rt; [ W/m2 oC ]

Para que una cubierta sea adecuada a un clima cálido húmedo el valor de K máximo no debe sobrepasar de 1,1W/m² °C.

Temperatura sol aire.La temperatura sol aire es la temperatura equivalente que combina los efectos de la temperatura caliente delaire y la radiación solar incidente. Tiene un valor más elevado que la temperatura del aire y puede utilizarse paralos cálculos del flujo de calor cuando se trate de superficiescuando reciben la radiación solar. Se expresa por la fórmula:

donde:a: coeficiente de absorción de la superficie con respecto la radiación solar.Is: intensidad de la radiación solar, W/m².hex: conductancia superficial de la superficie exterior, W / m² °C, (Tabla 5).Te: temperatura del aire exterior, °C.



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ConclusionesSe han descrito los procesos de transmisión de calor y la participación de los componentes constructivos en losmismos y el método para calcular el coeficiente de transferencia de calor K que define desde el punto de vistatérmico a los elementos constructivos, así como calcular la temperatura sol aire Tsa. Los alumnos están encondiciones, con estos conocimientos, de hacer una adecuada selección de materiales y terminaciones deacuerdo a las estrategias de diseño del sitio climático e interpretar la transmisión de calor en un edificio deacuerdo a las propiedades y características de los elementos que la componen.

Preguntas de comprobación1. ¿ Entre qué valores está la emitancia de los cuerpos metálicos? Respuesta2.

¿ Toda la energía que llega a un cuerpo es absorbida por éste? Respuesta3.

¿ De qué depende la longitud de onda de la radiación? Respuesta4. ¿ Los colores oscuros absorben poca radiación solar? Respuesta5.

¿ Una pared blanca absorbe y refleja igual las radiaciones solares y las procedentes de superficiescalientes? Respuesta

6. Si tenemos dos paredes de ladrillos una de 10 cm y otro de 25 cm.¿Cuál conduce más calor? Respuesta7.

¿ Por qué las cámaras de aire son buenas aislantes del calor ? Respuesta8.

¿ Qué papel juega una lámina de aluminio brillante dentro de una cámara aislante en la cubierta ?

Respuesta

Glosario Flujo de calor: Cantidad de calor que transmitido por conducción, convección o radiación atraviesa en

un tiempo unitario un área determinada, se expresa en W/m²s. Transmisión de calor: Paso del calor desde puntos de temperatura más elevada a puntos de

temperatura más baja, por conducción, convección, radiación o cualquiera combinación de estosfenómenos.

Coeficiente de emisión(E): Razón entre la potencia de la radiación emitida desde un área de un cuerpo omaterial dado y la potencia de la radiación emitida por igual área de un cuerpo negro a la mismatemperatura.

Coeficiente de absorción o absortividad: Razón entre la radiación térmica absorbida por una superficiey la que incide sobre esa superficie.

Coeficiente de reflexión, reflectividad: Razón entre la cantidad de radiación térmica reflejada por unasuperficie y la que incide sobre esa superficie.

Conductividad térmica: Cantidad de calor que cede un cuerpo al ambiente o que se propaga en su seno,se expresa en W/m°C.

Densidad aparente: Masa de la unidad de volumen de un cuerpo, incluyendo el volumen de todos sushuecos, se expresa en kg/m3 .

Bibliografía Architecture, Energy & Environment. Tools for Climatic Design. Postgraduate course. Lund, Suecia, 1996.

Givoni B. Man, Climate & Architecture. Applied Science Publishers. 1976. Koenigsberger O. H. Manual of Tropical Housing and Building. Part One, UK, 1974. NC 51-23:1983 Acondicionamiento térmico ambiental. Términos, definiciones y símbolos. NC 53-105:1983. Transferencia térmica de los edificios. Método de cálculo. Rivero, R. Arquitectura y Clima. Acondicionamiento Térmico Natural para el Hemisferio Norte, México,

1988.



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UNIDAD 2 PROCESO DE INTERCAMBIO DE CALOR DE LOS EDIFICIOS Procesos de intercambio de calor del edificio. Flujo de calor a través de elementos opacos. Flujo de calor a través de elementos transparentes.

Objetivos

Conocer el proceso de equilibrio térmico de un edificio con el medio y las vías por las cuales lo realiza. Dominarlos conceptos sobre el comportamiento de los materiales y sus superficies con relación a la reflexión,transferencia, absorción y emisión del calor. Conocer las características del comportamiento de los elementosconstructivos ante la radiación solar y la radiación térmica.

IntroducciónEn la clase anterior hemos conocido los conceptos básicos de la transmisión del calor y como participan loselementos constructivos, los materiales y las superficies en ese proceso. En esta clase continuaremos ampliandolos conocimientos en este sentido, analizando al edificio como un todo y aplicando los conceptos básicos a loselementos constructivos.

Procesos de intercambio de calor del edificio.Cuando estudiamos el equilibrio térmico del cuerpo humano, éste fue considerado como una unidad, el edificiopuede considerarse de igual forma. Su intercambio con el medio circundante lo realiza también a través de laconducción, convección, radiación y evaporación. En este proceso intervienen además las fuentes de calor quecontiene el edificio en su interior, tales como: los sistemas de iluminación artificial, las personas y los equiposdomésticos.

Si el resultado es negativo el edificio se enfriará y si es positivo la temperatura en el edificio se incrementará.

Por conducción (Qc): La conducción puede ocurrir a través de un área dada (de las paredes y techos) y puede serdescrita por

Qc = A* K* T



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donde:Qc: cantidad de flujo de calor por conducción, en W.A: área de la superficie, en m².K: valor del coeficiente de transferencia de calor, en W/m² °C.T: diferencia de temperatura entre el exterior y el interior, en °C.

Para todo el edificio, delimitado por elementos constructivos variados y cierta diferencia de temperatura aire -

aire, la ecuación se emplea para cada tipo de elemento diferente y los resultados se suman. Si hay pérdida decalor desde el edificio

T = Tin - Tex

si hay ganancia de calorT = Tex - Tin

Por convección (Qv): El flujo de calor por convección entre el interior del edificio y el aire exterior depende de lacantidad de ventilación, o sea del intercambio de aire que puede ser por infiltración o por ventilación natural. Lacantidad de ventilación puede ser dada en m³/s.

Qv = 1300 * V * T

donde:Qv: cantidad de flujo de calor por ventilación, en W.1 300: calor específico volumétrico del aire, en J/m³ °C.V: cantidad de ventilación, en m³/s.T: diferencia de temperatura entre el exterior y el interior, en °C.

Por radiación (Qs): la intensidad de radiación incidente en el plano o fachada se conoce como densidad de flujotérmico en W/m². El intercambio depende de las característica del elemento constructivo, si es opaco:

Qs = A* K* Is* a* Rex

donde:Qs: cantidad de flujo de calor solar, en W.A: área de la superficie, en m².K: valor del coeficiente de transferencia de calor, en W/m² °C.Is: densidad de flujo de radiación, en W/m².a: coeficiente de absorción.Rex: resistencia térmica superficial exterior, en m² °C /W.

Si la superficie es transparente: Qs = A* Is * Tv

donde:Qs: cantidad de flujo de calor solar, en W.A: área de la superficie, en m².Is: densidad de flujo de radiación, en W/m².Tv: factor de ganancia solar del material transparente o translúcido de la ventana o lucernario.



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Ganancia térmica interior (Qi): El calor disipado al medio por el cuerpo humano, ya estudiado, depende de lacantidad de calor que emitan las personas y se multiplica por la cantidad de personas. El resultado se expresa enW. Puede ser un valor significativo que se añade a Qi. La iluminación natural emite la mayor parte de la energíacomo calor (lámparas incandescentes emiten 95% y fluorescentes 79% de calor) y la parte emitida como luzcuando incide en las superficies puede convertirse en calor. El total de W de todas las lámparas se añade a Qi.De los equipos y motores se toma el total de W y se añade a Qi. Si se conocen los HP del motor la cantidad totalde W se puede calcular por:

W= 746 * HP

La cantidad de flujo de calor aportado por el equipamiento de climatización ambiental se denota como Qm.

Evaporación (Qe): El enfriamiento por evaporación puede calcularse sólo si se conoce la cantidad deevaporación. Si la cantidad de evaporación se expresa en kg/h la pérdida de calor puede encontrarse mediante:

Qe = 666 * kg/h

La estimación de la cantidad de evaporación es una tarea difícil y puede hacerse raras veces con algún grado deaproximación, excepto bajos condiciones mecánicas controladas.

Flujo de calor a través de elementos opacos.El comportamiento de los elementos opacos y transparentes, en el proceso de equilibrio térmico del edificio, esel siguiente:

El cálculo de la ganancia o pérdida de calor en los elementosopacos se produce por conducción y radiación y se calculapor las fórmulas:

flujo de calor por conducción:

Qc = A * k * T

flujo de calor por radiación:

QI = A * K * Is * a * Rex

Este flujo de calor puede reducirse mediante:

la disminución de la radiación solar incidente, Is, porsombreado con elementos de control solar,vegetación, etc., evita o disminuye la ganancia decalor.

un bajo valor de coeficiente de transferencia de calorde aire a aire, K, evita la ganancia o pérdida de calor.

la utilización de superficies reflectivas, o seautilizando materiales con bajo coeficiente deabsorción de calor, disminuye la ganancia de calor yviceversa.

una adecuada orientación de la fachada puede conducir a regular la densidad de radiación incidente ypor tanto contribuir, o no, a la ganancia de calor.

la sombra para disminuir la temperatura del aire exterior y por tanto disminuir la diferencia de

temperatura entre el interior y el exterior, el T.



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Flujo de calor a través de elementos transparentes.El flujo de calor a través de elementos transparentes se produce por conducción y radiación y se calcula por lafórmula:

Flujo de calor por conducción:

Qc = A * K * T, W

El flujo de calor por conducción resulta insignificantecomparada con la resultante por radiación:

Flujo de calor por radiación:

Qs = A * Is * Tv, W

Este flujo de calor puede controlarse mediante:

La reducción de la radiación solar incidente, mediante la creación de sombra con el uso de elementos decontrol, la vegetación, etc. disminuye la ganancia de calor. Esta solución es la más efectiva ya que la

radiación incidente queda fuera del edificio. La utilización de protección solar interior mediante el uso de cortinas. Esta solución tiene el

inconveniente de que la radiación penetra al interior del edificio, pero es adecuada si la estrategia esconservar el calor

La utilización de vidrios especiales, absorbentes, reflectivos, fotosensibles, etc. contribuye a disminuirtanto las ganancias como las pérdidas.

La disminución de las superficies transparentes al mínimo necesario para la iluminación natural, lacomunicación visual con el exterior, etc. resulta correcta tanto para evitar la ganancia de calor comopara conservar el calor interior.

ConclusionesSe ha descrito el proceso de equilibrio térmico del edificio y las víaspor los cuales lo realiza y se ha valorado el aporte de las superficiesopacas y transparentes a este proceso. También hemos visto comopuede controlarse la ganancia o pérdida de calor en el edificio,manejando adecuadamente los factores que intervienen en elproceso físico del calor.

Preguntas de comprobación1.

¿Qué semejanzas tiene el proceso de equilibrio térmico delhombre y del edificio con el medio que le rodea? Respuesta

2.

¿Qué efecto tiene, para la entrada del flujo de calor, el color de la superficie exterior (a)?. ¿Cuál elcoeficiente de transmisión de calor, K?. Analizarlo con la expresión de cálculo. Respuesta

3.

En caso de que se necesite conservar el calor interior, es conveniente tener grandes superficies devidrio?. Analizarlo con la expresión de cálculo. Respuesta

4.

¿Qué ventajas brinda, en climas cálidos, proteger los vidrios en las fachadas? Respuesta

Glosario1.

Radiación térmica: Emisión de energía procedente de las superficie de los cuerpos, transportada porondas electromagnéticas.

2.

Calor específico: Equivale al calor específico del material multiplicado por su densidad.



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MATERIALCALOR ESPECÍFICO (c)

KJ/Kg. °CDENSIDAD (d)

Kg./m³

CALOR ESPECIFICOVOLUMETRICO (c×d)

KJ/ m³ °C

Hormigón 1,00 2,200 2,200

Ladrillo 0,920 1,600 1,472Madera 1,340 800 1,072

poliestireno expandido 1,420 20 28,4

agua 4,187 1,000 4,187

Bibliografía Croiset, M.: Humedad y Temperatura en los Edificios. ETA, S.A. Barcelona, 1970. González, E. et al.: Proyecto, Clima y Arquitectura. Universidad de Zulia, Venezuela. Editorial Gili, México,

1986. Koenigsberger, O. H.: Manual of Tropical Housing and Building. Part One. U. K 1974. Olgyay, V.D.: Clima y Arquitectura en Colombia. Universidad del Valle, Colombia 1969.



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UNIDAD 3 TRAYECTORIA SOLAR Y ANGULOS SOLARES Consideraciones sobre la captación y el control solar. Trayectoria aparente del sol. Métodos para la determinación de los ángulos solares.

o Método analíticoo Métodos gráficos. Método gnomónico y Método de proyección estereográfica.

Empleo del Método Estereográfico.

Objetivos Repasar lo relativo a la trayectoria solar en lo concerniente al diseño arquitectónico. Adquirir los conocimientos básicos útiles para el diseño de la captación y el control solar

(helioarquitectura). Aprender a determinar la incidencia de los rayos solares y las sombras proyectadas en los espacios

habitables, tanto para enfriar como para calentar los espacios interiores. Aprender a dimensionar los elementos de sombra y calcular la sombra arrojada por estos elementos.

Introducción

En las clases anteriores hemos tratado el clima, el equilibrio del hombre y del edificio con el medio y el papelque juega en esto las características térmicas de los elementos constructivos y los materiales. Se ha destacado lainfluencia del sol en el clima y en el balance térmico de los edificios y por tanto en el confort humano. En estaclase analizaremos la trayectoria aparente del sol y los ángulos solares con el fin de utilizarlos en el diseñoarquitectónico para captar o controlar el calor solar en los espacios habitables. Trataremos dos métodos paradeterminar la proyección de sombras, uno analítico y otro gráfico. La captación y el control solar son partesimportantes en las estrategias de diseño, tanto para alcanzar el confort térmico como para usar racionalmentela energía en los edificios.

Consideraciones sobre la captación y el control solar.La importancia del control solar de los edificios, en climas calientes, es admitida sin discusión como un aspecto

esencial de su diseño, esto se debe a su influencia, tanto en el comportamiento energético durante su períodode explotación, como en las condiciones funcionales e higiénico ambientales de sus interiores y de sus áreasexteriores. Es recomendable lograr las mejores condiciones térmicas interiores con la propia arquitectura deledificio, lo cual puede obviar la necesidad de controles mecánicos o activos, o reducir al mínimo su utilización.Para ello hay que considerar: la orientación del edificio con respecto al norte, la distribución de los locales enplanta, la volumetría del edificio, la sombra que proyectan los edificios cercanos y los elementos exteriores, eltipo y ubicación de las aberturas en las superficies exteriores y finalmente los elementos especiales para lacaptación o control solar.

Es conveniente tener en cuenta que un edificio que funcione bien energéticamente, por medios naturales, noconstituirá una fuente de contaminación ambiental y en esto juega un papel muy importante bloquear o captarla radiación solar incidente y con ello evitar el exceso de calentamiento o enfriamiento del edificio. Cuando se

trata de los espacios interiores de los edificios, la radiación solar requiere un tratamiento cuidadoso por laincidencia que tiene en el confort térmico y visual. Son variadas las razones que deciden la conveniencia o no, depermitir la entrada del sol en el edificio. Se considera bienvenido el sol, por ejemplo, en los dormitorios en lasprimeras horas de la mañana por su efecto bactericida y sus valores terapéuticos en el tratamiento y prevenciónde enfermedades. También en áreas de estar es beneficioso en períodos fríos. La entrada del sol es beneficiosoen zonas húmedas, como baños, patios, piscinas, etc. y en climas cálidos, admisible en los espacios donde no sepermanezca durante períodos largos de tiempo, como son las escaleras, galerías, pasillos y otras espaciosdestinados a la circulación. En las áreas exteriores es necesaria la sombra para lograr espacios adecuados para la



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realización de actividades al exterior y para refrescar el aire que entra a la vivienda. Cuando se trate de captar elcalor solar se requiere un análisis cuidadoso con el fin de evitar su incidencia directa en las zonas de trabajo dela vivienda, porque el deslumbramiento y los contrastes de brillantez pueden causar molestias visuales,constituir un peligro potencial de accidentes y disminuir la eficiencia. En el proceso de proyecto, una vezdecidido si es o no admisible la penetración del sol, o en qué medida es admisible, la cuestión es entoncesdecidir cuál es la mejor solución de diseño y conciliar los diversos factores funcionales, económicos y formalesde forma que se logre la captación o el control requerido y que a la vez se logren adecuados costos iniciales de

inversión y de mantenimiento Se recomienda estudiar cada fachada independientemente, lo cual puede darcomo resultado soluciones fundamentadas por las características particulares muy diferentes unas de otras. Lasposibilidades de control solar son:

Elementos de sombra exteriores.Tienen la ventaja que deja fuera del edificio el calor indeseado, Puede solucionarse mediante elementosañadidos o con la forma misma de las fachadas y cubierta del edificio.

Se recomienda:

Emplear proyecciones horizontales, por ejemplo aleros, en la fachada sur. También son útiles en lasorientaciones este y oeste.

Emplear proyecciones verticales, por ejemplo aletas en las orientaciones este y oeste y también útiles enel norte, para bloquear el sol en las primeras y últimas horas del día.

Priorizar la sombra en el oeste y el sur, ya que en la mañana el sol no constituye un problema críticodesde el punto de vista de la ganancia de calor.

Emplear elementos de sombra exteriores de color claro que transmiten luz difusa al interior y endependencia de su forma pueden ayudar a elevar el nivel de iluminación en el interior. Estos elementoscuando son de color oscuro reducen la iluminación interior y contribuyen a la captación del calor solar.

Seleccionar los elementos de sombra exteriores fijos si se tiene un presupuesto bajo, ya que losajustables son más eficientes desde el punto de vista de la iluminación pero sus costos iniciales y demantenimiento son más altos. Es posible controlar automáticamente por medio de sensores lumínicospara lograr ahorros de energía.

Elementos de sombra en la ventanas.Las persianas son muy efectivas en todas las orientaciones y permiten filtrar las vistas al exterior. Los vidriosespeciales, por ejemplo reflectivos, pueden ser efectivos para reducir la transmisión de calor pero permiten la



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penetración de los rayos directos del sol. Se producen ventanas con dos y tres vidrios con persianas fijas omóviles entre los vidrios.

Elementos de sombra interiores.Son menos efectivos que los sistemas exteriores porque permiten que el calor entre al interior del edificio.

El mejor tipo es la cortina de persianas ajustables, preferiblemente de color claro o de material translúcido.

En climas fríos, cada día adquiere más importancia la captación solar para el calentamiento pasivo de losespacios interiores, lo cual exige también del arquitecto el dominio de todo lo relativo a la trayectoria eincidencia solar.

Además, la captación del calor y la luz directa del sol es apropiado en algunos casos. Sus efectos pueden ser:

Proporciona fuerte iluminación que acentúa detalles, texturas, forma y color. Da vitalidad dinámica al espacio a través de sus variaciones diarias. Proporciona un vínculo visual y emotivo con el mundo exterior. Además de calor real, da una sugestiva calidez al espacio.

Ayuda al crecimiento de las plantas interiores.

La ganancia o pérdida de calor a través de las superficies transparentes, resulta una de las más importantes parael comportamiento térmico del edificio. Existe una marcada tendencia en la "arquitectura internacional" hacia eluso de generosas superficies transparentes y translúcidas en las fachadas y cubiertas, lo cual aporta ventajasdesde el punto de vista visual, formal y psicológico al permitir la comunicación interior - exterior pero causan laganancia o pérdida de importantes cargas de calor o frío en el edificio.

En climas cálidos, y durante los meses de calor en otros climas, la solución más efectiva es bloquear los rayos delsol para evitar que entren al edificio. Las superficies transparentes y translúcidas permiten que pase la mayorparte de la radiación incidente (65-95%), pero actúan como una barrera que impide la salida del calor radiante

que emiten los cuerpos calientes del interior del edificio, fenómeno que se conoce como efecto de invernadero.Si se trata de edificios con grandes superficies vidriadas dotados con climatización artificial los elementos decontrol exteriores diseñados con la precisión necesaria dan un buen efecto económico, al disminuir los costos dela inversión inicial y de operación del equipamiento para climatizar, por la sustancial disminución de la carga declimatización. Sin embargo, en climas cálidos frecuentemente el problema de la penetración del sol se resuelvepor los usuarios una vez terminado el edificio.

Esta práctica debe evitarse, ya que el uso de cortinas o similares en el interior de los locales no resultanefectivos porque no evitan la entrada de la radiación al interior y bloquean la entrada de la luz natural. Aspectosde primera importancia son también la selección del tipo de vidrio y la solución de acceso para la limpieza ymantenimiento de los vidrios y de los elementos y materiales empleados. Será necesario considerar que el

diseño logre una buena iluminación tanto en cantidad como en calidad y que no se obstaculicen las vistas alexterior. Existen ya soluciones de última tecnología que garantizan en gran medida este requerimiento funcional.Grandes superficies de vidrio orientadas al oeste hacen en extremo difícil proteger ese espacio de la penetraciónsolar, si se quiere mantener la iluminación natural.



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Trayectoria aparente del sol.Tomamos como convención que la Tierra está estacionaria, quesomos observadores, estamos parados en algún lugar de susuperficie y vemos la Tierra a nuestro alrededor como un planocircular de radio infinito limitado por el horizonte. Si tambiénconsideramos al cielo como una semi bóveda cubriendototalmente el plano donde estamos parados, entonces el sol,durante el curso del día describirá su trayectoria a lo largo delarco de círculo.

Al mediodía solar las líneas que describe el solen su recorrido por la bóveda celestealcanzan su punto más alto. Además de estemovimiento diario, el sol tiene un segundomovimiento aparente el cual sólo podría

observarse si pudiera dejarse registrado díatras día y se manifiesta como trayectoriasparalelas cada día. La posición del sol paracualquier mes del año y hora del día se definepor dos ángulos: acimut del sol (AZ) y alturasolar.(AL).

Métodos para la determinación de los ángulos solares.Existen diversos métodos para conocer y analizar el comportamiento solar en los edificios y espacios abiertoscon fines de diseño y evaluación. Estos métodos son modelos matemáticos, algoritmos nomogramas, diagramas

gráficos, modelos físicos tridimensionales, programas computarizados y medios fotográficos en combinación conmétodos gráficos. Los métodos matemáticos proporcionan información precisa y se recomiendan cuando serequiere un alto grado de exactitud como es por ejemplo para cálculo de dispositivos de celdas fotovoltaicas,calentadores solares, etc.

1. Método analítico.El método que se explica a continuación permite dimensionar los elementos desombra horizontales y verticales y calcular la profundidad de la proyección horizontalde un elemento de sombra horizontal de determinadas dimensiones. Seleccionar paracada fachada el mes y tiempo que requiere la sombra. Se sugiere para ventanasorientadas al Sur septiembre 12:00 m, para el Este septiembre 10:00 a.m. y para el

Oeste septiembre 3:00 p.m.

Encontrar el ángulo de altitud solar y acimut para el mes/hora seleccionada en elDiagrama Solar. Emplear las fórmulas (1) y (2) para dimensionar los elementos de sombra horizontal y verticalrespectivamente. Si el alero es muy grande, seccionarlos en varios elementos mas pequeños o utilizar otrasvariantes de diseño.



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Cuando se dimensione un alero para las orientaciones Este/Oeste puede observarse que es convenienteadicionar elementos verticales ya que tiene una dimensión exagerada.

Se recomienda probar la solución con un modelo (maqueta) en el reloj de sol. El alero, en sus extremos hay queextenderlo mas allá de la ventana para garantizar la sombra por sus extremos.

Para un elemento horizontal o alero:

h=D*tan (altitud solar)/ cos (AZ solar - AZ ventana)

o

h=D*tan (altitud solar)/ cos (AZ ventana - AZ solar)

Para proteger la ventana totalmente, hacer (h) igual a la altura de la ventana y hallar la profundidad requeridade alero D. Para un sombreamiento parcial de la ventana (h) puede coonsiderarse 2/3 de la altura de la ventana.Cuando se requiere conocer la sombra proyectada por un elemento de dimensiones dadas, hallar (h) la sombraque proyectará para el mes/hora seleccionada.

Para un elemento vertical o aleta.

w= D*tan (AZ solar - AZ ventana)

o

w= D*tan (AZ ventana - AZ solar)

Resolver para (w), ancho de la sombra o D, profundidad de la aleta, igual que en el caso anterior del alero.Asegurarse de que el signo de las ecuaciones sea el correcto, si los dos ángulos de acimut están en diferenteslados del Norte o están a ambos lados del Norte. Los métodos gráficos y con modelos físicos tridimensionalesson los mas prácticos para los diseñadores y le proporcionan suficiente precisión.



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2. Métodos gráficos. Método gnomónico y Método de proyección estereográfica.

Métodos gráficos.Los diagramas solares (gráficas auxiliares) constituyen códigos que nos permiten describir gráficamente lasposiciones y trayectorias aparentes del sol en la bóveda celeste sobre un plano y se aplican a las proyeccionesutilizadas por el arquitecto en sus proyectos brindándoles un alto grado de precisión. Existen dos tipos dediagramas solares: los geométricos y los no geométricos. Los primeros son aquellos en que las trayectorias

aparentes del sol se trazan mediante proyecciones bien determinadas en la esfera celeste (analógicos) y los nogeométricos responden a criterios arbitrarios. Los diagramas geométricos pueden ser:

proyecciones cilíndricas sobre una superficie plana horizontal (ortográfica) o sobre una superficie curva(cilíndrica).

proyecciones cónicas, estereográficas, gnomónica (método de varilla), polar equidistante.

De los diagramas no geométricos, el másutilizado es el de las coordenadasrectangulares.

Las gráficas auxiliares del paso solarconstituyen una herramienta útil para eldiseño de los elementos de control solar ydeterminar la incidencia de los rayos del solen las superficies de los edificios.Seleccionamos el método de proyecciónestereográfico como uno de los másprácticos y simples para el diseñoarquitectónico.

Método de proyección gnomónica o

reloj de sol.Se construye un modelo simple a la escala conveniente. Puede estudiarse el edificio completo o una parte de él,por ejemplo una de las fachadas. Se utilizará el indicador solar universal, el cual secolocará en la maquetahaciendo coincidir el norte de la gráfica con el norte del proyecto.

El gnomon o estilete debe tener laaltura señalada . El estudio puedehacerse con el sol o con unalámpara de rayos paralelos. Sehace inclinar y rotar la maquetahasta que la punta del estiletecoincida con la fecha seleccionada,mes/hora. Pueden tomarse fotosde cada fecha estudiada paradejar constancia gráfica.



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Método de proyección estereográfica.De todos los diagramas auxiliares de proyección solarseleccionamos el método estereográfico, para el diseño de loselementos de control solar y la determinación de las sombrasproyectadas. Este método consta del Diagrama Solar y elDiagrama de Angulos de Sombra. El Diagrama Solar es unarepresentación estereográfica de la trayectoria solar,generalmente los libros traen los Diagramas Solares paravarias latitudes norte y sur. En el Diagrama Solar, el centro dela circunferencia y el plano del papel en que está dibujadorepresentan respectivamente la posición del observador y elplano horizontal a través de esta posición. El círculo con supunto medio como centro define el horizonte del observador.

El paso del sol durante el curso del día está representado porlas líneas curvas que corren desde el horizonte Este al Oeste;donde cada una corresponde a dos meses del año, excepto lasextremas al Norte y al Sur. La línea más al Norte representa el

mes de junio, cuando ocurre el solsticio de verano. En este mes se recibe la mayor radiación (puede nocomportarse así por la influencia de otros factores climáticos, como por ejemplo la nubosidad) y los días sonmás largos que las noches. La línea más al sur representa el mes de diciembre cuando ocurre el solsticio deinvierno, cuando se recibe la menor radiación y los días son más cortos que las noches. La línea intermedia quetiene la salida y puesta del sol coincidiendo con los puntos cardinales Este (90°) y Oeste (270°), corresponde a losmeses de marzo y septiembre cuando ocurren los equinoccios, durante los cuales los días y las noches tienenigual duración. Estas líneas están cruzadas por las líneas horarias. De modo que el punto donde una línea horariacruza la línea de paso del sol corresponde a la proyección en planta del sol para ese mes y hora. En la graduaciónangular marcada alrededor del círculo puede leerse, para cualquier dirección a través de la posición delobservador, la distancia angular a partir del Norte (ángulo de acimut). Una línea que una el centro de la carta yel punto correspondiente a una fecha (mes y hora) cualquiera, permite leer en el círculo graduado el ángulo de

acimut. En los círculos concéntricos puede determinarse, para cualquier fecha, el ángulo de altura del sol sobreel horizonte, o sea los ángulos de altura del sol que van desde0° en el horizonte hasta 90° en el cenit.

El Diagrama de Ángulos de Sombra es una gráfica auxiliar quese emplea para determinar el comportamiento de loselementos de sombra. Se define por dos ángulos : el ángulo desombra vertical (se representa en corte) y el ángulo de sombra

horizontal (serepresenta en planta).

Para medir estos ángulos se toma la convención demedirlos a partir de una línea perpendicular a la fachada eindican el límite fuera del cual el sol será excluido. Losángulos de sombra se determinan colocando el Diagramade Angulos de Sombra sobre el Diagrama Solar. Se hacencoincidir ambos centros y se adopta la convención de quela línea base del Diagrama de Sombras representa la



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fachada del edificio y por lo tanto se orienta como ésta. La recta perpendicular a la fachada se hace coincidir conel eje del Diagrama de Sombras y permite leer en el círculo graduado el ángulo de acimut correspondiente a esafachada (la orientación de esa fachada con respecto al Norte).

Esta forma de denominar a las fachadas contribuye a evitar errores. De acuerdo con la fecha que se analice, ypor la posición del sol en la bóveda se determinan los ángulos de sombra. La escala radial y las líneas curvas delDiagrama de Sombras a través de este punto muestran respectivamente los ángulos de sombra horizontal (ASH)

y vertical (ASV).

Ángulo de Sombra Horizontal.El ángulo de sombra horizontal (ASH) caracteriza a un elemento de sombra vertical y es la diferencia entre elángulo de acimut solar y el acimut de la pared. .En los dos diagramas superpuestos se muestra una selección deángulo de sombra horizontal para una fachada orientada al NE con un acimut de 30° ó para proteger del sol apartir de las 7:00 a.m. que da un ángulo de sombra horizontalde 40°.

Angulo de Sombra Vertical.El ángulo de sombra vertical (ASV) caracteriza a unelemento de sombra horizontal, es la proyecciónhorizontal desde la pared y se mide en un plano verticalnormal a la fachada considerada. La diferencia entre elángulo de altitud solar y el ángulo de sombra vertical es lasiguiente: el primero describe la posición del sol enrelación con el horizonte, el segundo describe la acción de



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un elemento de sombra. Tienen igual valor sólo cuando el acimut solar y el acimut de la pared son iguales ASH=0.En los dos diagramas superpuestos se muestra, para el mismo problema anterior, la determinación del ángulode sombra vertical de 25° . A partir de esta determinación puede seleccionarse una u otra posibilidad o unacombinación de ambas para diseñar elementos verticales, horizontales o combinados; para ello se tendrán en

cuenta problemas constructivos, estructurales, formales, de costo, entre otros. Se tendrá en cuenta también laafectación que puedan causar a la iluminación y a la ventilación natural, control de ruido, así como a lacomunicación visual con el exterior.

Empleo del Método Estereográfico.Cuando se trata de una estrategia de enfriamiento, como primer paso se define el período caliente o períodocrítico, o sea en qué tiempo del año y entre qué horas del día hay que proteger. Esto es relativamente fácil si losdatos del clima están compilados. También puede hacerse empleando un horario determinado, por ejemplo:permitir la penetración de los rayos solares solo en horas de la mañana. Esta información se traslada elDiagrama Solar de la latitud correspondiente. Ese será el tiempo durante el cual se protegerá de la incidenciasolar. Se seleccionan los ángulos de sombra que protegen la fachada durante el período crítico. Para ello se

superpone el Diagrama de Sombras al Diagrama Solar de forma que la línea base del Diagrama de Sombrascoincida con la fachada en estudio y se sitúa en elexterior del edificio.

Se buscan los ángulos que cubren el período crítico yde todas las combinaciones de ángulos posibles quesatisfacen la protección necesaria se selecciona lamás conveniente desde todos los puntos de vistaposibles: estructural, constructivos, de iluminación ,ventilación, de composición formal, etc.

En este ejemplo de la fachada Noreste, el ASH =+35º

protege totalmente la fachada en el horario crítico.En la fachada Suroeste, el ASV de 20º cumple igualfunción.



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Para diseñar los elementos se analizará el tipo de elemento que es más conveniente, proyecciones horizontaleso verticales. Las dimensiones de los elementos de protección que corresponden al ASV se determinan en elcorte de fachada.

Las dimensiones de los elementos de protecciónque corresponden al ASH se determinan en laplanta.

Cuando se trata de una estrategia decalentamiento se determina el período en que sequiere captar la energía solar y se procede de la

misma forma descrita anteriormente, pero con elobjetivo de dejar penetrar los rayos del sol enlugar de bloquearlos. En la planta y en la secciónse diseña la superficie captadora y se puedeconocer la profundidad y el barrido horizontal dela penetración. Ver figuras de los ASH y ASV.

ConclusionesHemos analizado la importancia de la trayectoria solar y los ángulos solares para la captación y el control solarcuando se trata de acondicionar los edificios por medios naturales. Se han relacionado los aspectos que hay queconsiderar en el diseño de los elementos de sombra. Se ha hecho referencia a los métodos que existen para este

objetivo y descrito un método analítico, un método tridimensional y el Método Estereográfico. Se está encondiciones de diseñar tanto la captación solar, como de controlar la penetración de los rayos solares en eledificio, también el alumno está en condiciones de evaluar estos aspectos en edificios existentes, todo lo cual esde suma importancia para la materialización de las estrategias de diseño que trataremos en la próxima clase.


¿En qué locales considera que es conveniente dejar entrar el sol? Respuesta



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2.

¿Considera que es correcto permitir la penetración en locales de trabajo? Justifique su respuesta.Respuesta

3.

¿Cuáles son los ángulos que permiten definir la posición del sol en la bóveda celeste? Respuesta4.

¿Qué utilidad tienen los diagramas solares? Respuesta5. ¿Dónde pueden leerse en el Diagrama Solar los ángulos de acimut y altura? Respuesta6.

¿Qué representan, en el Diagrama de Sombras la escala radial y las líneas curvas? Respuesta7.

¿Qué utilidad tiene el ángulo de sombra horizontal, ASH? Respuesta

8.

¿Qué utilidad tiene el ángulo de sombra vertical, ASV? Respuesta

Glosario1.

Helioarquitectura: Conjunto de estrategias de diseño orientadas al aprovechamiento de la energía solar,así como al control del asoleamiento, para obtener espacios climatizados en forma natural.

2.

Ángulo de acimut del sol (AZ): Ángulo que forma la proyección horizontal del rayo solar con el eje queune los puntos cardinales Norte - Sur. Se mide en el sentido de las manecillas del reloj.

3.

Ángulo de altura solar (AL): Ángulo que forma el rayo solar con su proyección horizontal.

Bibliografía Ballast, D.: The Architectural Handbook of Formulas, Tables and Mathematical Calculations. Prentice Hall,

1988. García Chávez, J. R.: Geometría Solar. Manual Arquitectura Solar, 1991. González E, Oteiza P. y otros.: Proyecto Clima y Arquitectura, E. Gili, México, 1986. Herzog, T.: Solar Energy in Architecture and Urban Planning. Prestel. Munich-New York, 1995. Koenigsberger, O.H.: Manual of Tropical Housing and Building.Part One. UK, 1974. Lacomba R, García Chávez, J. R. y otros.: Manual de Arquitectura Solar. Edit. Trillas, México, 1991. NC 53-

93:1983 Determinación de la incidencia de los rayos solares y las sombras proyectadas en edificaciones. NC 53-143:1985 Protección solar de los locales de trabajo en edificios. Especificaciones de proyecto. Peña Cabrera, P. F.: Análisis y control del asoleamiento. IPN., México. 1989. Selkowitz, S.: Tips for Daylighting with Windows. Lawrence Berkeley National Laboratory, University of

California, 1997.



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UNIDAD 4 ESTRATEGIAS DE DISEÑO Técnicas pasivas. Selección de la estrategia de diseño apropiada.

o

Calentamiento solar.o Ventilación natural.o Masa térmica y ventilación nocturna.

o

Enfriamiento evaporativo. Ejemplos de edificios de bajo consumo energético.

Objetivos Seleccionar la estrategia de diseño apropiada de acuerdo con las características higrotérmicas del sitio

climático. Conocer las características de las técnicas pasivas y sus posibilidades de aplicación. .

IntroducciónEn las clases anteriores hemos analizado las características del clima, la respuesta humana al medio, losconceptos físicos básicos de la transmisión de calor y el equilibrio térmico del edificio y los aspectos básicos de la

trayectoria solar y los ángulos solares. En esta unidad integraremos estos conocimientos en las estrategias dediseño que propician el bienestar térmico humano y la racionalidad energética.

Técnicas pasivas.Las técnicas pasivas se apoyan en el aprovechamiento de las condiciones naturales climáticas y la física de laArquitectura para acondicionar el espacio interior de los edificios, sin emplear o con el mínimo empleo desistemas mecánicos. Pueden dividirse en dos grandes grupos: calentamiento pasivo y enfriamiento pasivo.

Calentamiento pasivo.Consiste en colectar, almacenar y distribuir laenergía del sol en el interior del edificio. Elllamado "diseño solar" depende principalmentedel sol como fuente de calor. En esta estrategiade diseño juegan un papel fundamental losmateriales transparentes y translúcidos enamplios ventanales, lucernarios, invernaderos yel empleo de materiales aislantes que permitensu conservación en los espacios interiores.

El calentamiento pasivo puede obtenerse por laganancia directa o indirecta de calor y consistemas híbridos. El calentamiento directo es

cuando se deja penetrar la radiación solar através de las aberturas, ventanas y lucernarioshacia el espacio interior. El calentamientoindirecto es cuando el calor se acumula en lamasa de los muros, pisos y techos que despuésdistribuyen el mismo a los espacios interiores.



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Enfriamiento pasivo.Consiste en evitar la gananciatérmica solar, reflejar la radiación,amortiguar y retrasar su entradaal edificio, disminuir cargastérmicas internas y cambiar elaire caliente por aire fresco. Selogra mediante la proyección desombra por diversas vías, porejemplo: elementos estructurales,vegetación, volúmenes deledificio, etc., con buenaislamiento térmico de laenvolvente, masa térmica en losespacios interiores, buenaventilación cuando latemperatura exterior es más bajaque la interior. El empleo de cualquiera de estas técnicas o de combinaciones de ellas debe ser objeto de un

estudio cuidadoso de las condiciones climáticas. Para ello el diseñador puede auxiliarse del Método de Givonique a continuación se trata.

Selección de la estrategia de diseño apropiada.Como vimos en la Unidad Arquitectura y Clima, el método de Givoni basado en la carta bioclimática de losedificios (Building Bio Climatic Chart, BBCC) además de permitir la evaluación del microclima interior, proponeuna serie de precauciones y estrategias que deberán considerarse si las condiciones del clima exterior loestablecen.

Los límites de lazona de confort se especifican para condiciones deaire en calma.



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Estas recomendaciones permiten ajustar el clima interior del edificio con una solución arquitectónica que faciliteel restablecimiento de las condiciones de bienestar y equilibrio termo higrométrico para el hombre, sin emplearsistemas artificiales para climatizar o para disminuir el tiempo en que estos últimos serían necesarios. Lassoluciones arquitectónicas se obtienen con los datos de las temperaturas esperadas, que al ubicarse sobre eldiagrama permiten seleccionar una estrategia de diseño o en caso de haberse decidido, determinar si la soluciónarquitectónica adoptada es correcta o no, de acuerdo con el clima del lugar. La envolvente y la estructura delespacio arquitectónico cumplen la función de estabilizar el microclima interior, lo cual permite que las

variaciones que se registran en el exterior se puedan atenuar en el interior y que las diferencias de temperaturamáxima y mínima sean casi imperceptibles en los espacios interiores. Esto puede lograrse con un apropiadodiseño del espacio y una adecuada selección de materiales para la construcción. Estas estrategias de diseñopermiten ahorros energéticos durante la época cálida o fría del año. A continuación se describen sus principalescaracterísticas.

1. Calentamiento solar.La calefacción es necesaria durante una gran parte del año en países de clima frío y aún en algunos climascalientes, también durante el invierno es necesaria la calefacción.

El calentamiento solar pasivo aprovecha la radiación solar para elevar la temperatura interior procurando no

llegar al sobrecalentamiento y protegiendo el interior por la noche para evitar las pérdidas por radiación yconvección. La pérdida de calor a través de los vidrios puede reducirse significativamente con el empleo devidrios de alta resistencia térmica y aislamiento nocturno ya que debido a que la temperatura exterior bajasensiblemente el T aumenta y se incrementa el flujo de calor desde el interior hacia el exterior.

Givoni establece, en dependencia de las condiciones del cielo, las temperaturas límites de la temperatura mediamensual por sobre las cuales es posible el calentamiento pasivo:

cielo claro 1.0°C cielo semi cubierto 6.5°C cielo muy cubierto 14.0°C

y se basa en que estén presentes las condiciones siguientes:

área de doble vidrio sea el 15% del área de piso con aislamiento nocturno. la transmisión solar del vidrio es 0.7 y su valor K = 3 000 Wh/°C. el coeficiente de pérdida de calor neta del edificio, sin considerar la pérdida de calor a través del vidrio,

es de 3000 Wh/°C. la radiación incidente en la pared Sur es de 40 a 140 kW/m² en dependencia del tipo de cielo.

De no contarse con estas condicionantes es necesario acudir a los sistemas activos o convencionales decalefacción.

2. Ventilación natural.La ventilación es la primera estrategia de confort que se debe considerar al aumentar la humedad del ambientey cuando la temperatura interior se eleva sobre el límite superior de la zona de confort. Cuando un edificio esventilado por vía natural durante el día, la temperatura interior sigue de cerca el patrón de la temperaturaexterior. Por tanto esta estrategia puede utilizarse sólo cuando el confort puede alcanzarse con la máximatemperatura exterior y una velocidad del aire interior aceptable, siempre menor de 1.5 m/s ya que velocidadesmayores sostenidas durante un tiempo puede provocar malestar.



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El flujo de aire exterior a través del edificio extiende el límite de temperatura y humedad de la zona de confortmas allá del límite de condiciones de confort con aire en calma y puede proveer un efecto de enfriamientosicológico aun cuando la temperatura del aire sea alta.

Cuando la humedad es alta la velocidad del aire incrementa la cantidad de evaporación de sudor desde la piel,por lo que minimiza el disconfort por la sensación de la humedad en la piel.

Cuando la ventilación se selecciona como la principal estrategia, el diseño del edificio debe permitir altasvelocidades del viento sobre los ocupantes y rápido enfriamiento de los espacios interiores en las últimas horasde la tarde cuando el viento exterior usualmente disminuye, lo cual pide grandes ventanas sombreadas . Losmateriales no deben absorber ni almacenar el calor durante las horas del día, por tanto los materiales deben serligeros , tales como madera, bloques huecos, hormigón espumoso, etc. El valor de K (techo y falso techo) deberáestar alrededor de 0,8 W/m²°C, nunca sobrepasar 1 W/m²°C, y las superficies exteriores ser altamentereflectivas. Un valor bajo del coeficiente de transferencia de calor, K, reduce todas las formas de transferenciade calor por la envolvente del edificio. Puede conseguirse mediante cámaras de aire y aislantes térmicos.

Otras medidas deben ser protegerse del sol para evitar la incidencia directa solar, empleo de chimeneas deefecto Venturi, o torres de viento, ventilación cruzada, empleo de la vegetación para crear sombras y enfriar elaire antes de que entre al interior del edificio.

La estrategia de ventilación es aplicable cuando la temperatura exterior máxima no excede los 30 - 32°C, endependencia del grado de aclimatación de las personas.

Cuando se disponga sólo de bajas velocidades de viento o cuando no es posible la ventilación cruzada, puedeauxiliarse de ventiladores para extraer el aire que entra del exterior por las ventanas o enfriar el aire consistemas de aire acondicionado que siempre serán mas eficientes si el diseño del edificio se ajusta a la estrategiade la ventilación natural debiéndose en el caso del aire acondicionado, asegurar la estanqueidad de laenvolvente del edificio para evitar la pérdida de frío.



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3. Masa térmica y ventilación nocturna.El término de enfriamiento convectivo nocturno implica que el edificio es ventilado solo durante las horas de lanoche y permanece cerrado durante el día. De esta forma la masa estructural del interior del edificio (paredesdivisorias) es enfriado por convección durante la noche y es capaz de absorber el calor que penetra en el edificiodurante el día y por tanto se produce sólo una pequeña elevación de la temperatura interior.

El edificio puede mantener las temperaturas interioresmás bajas que la exterior cuando tiene suficiente masatérmica en su interior y resistencia térmica en suenvoltura y si es protegido de la penetración de laradiación solar.

Así la amplitud diaria de temperatura interior es muypequeña en comparación con la del exterior. La figuramuestra la variación diaria de la temperatura del aireexterior y en el interior de una construcción.

Se observa que hay un desfase entre los valores máximos del exterior y el interior.

Este comportamiento está caracterizado por el factor de amortiguación (o reducción de la amplitud) y el tiempode retardo.

En la envoltura del edificio, en horas de lamañana, la temperatura exterior seincrementa, el calor comienza a entrar porla superficie exterior de la pared.Dependiendo del calor específico delmaterial, cada partícula absorbe ciertacantidad de calor por cada grado de

incremento de temperatura. El calor pasaa la siguiente partícula sólo después quese incrementa la temperatura de laprimera.

La temperatura alcanza su máximo valor ycomienza a decrecer antes que latemperatura superficial interior alcance sumáximo valor. Desde este momento el

calor almacenado en la pared se disipará parcialmente alexterior y sólo parcialmente al interior. Como el aire

exterior se enfría, una proporción de este caloralmacenado fluye al exterior y cuando la temperatura dela pared cae debajo de la temperatura interior la direccióndel flujo de calor se invierte completamente.

Para climas cálido húmedos los materiales de bajacapacidad de almacenamiento de calor funcionan bien, yaque la inercia térmica puede causar reirradiación nocturna



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de calor y producir condensación en la mañana. El potencial climático para bajar la temperatura interior con estaestrategia está en las zonas climáticas con gran amplitud de temperatura, 15-20°C, donde la temperaturamáxima está por arriba de los 30°C y donde la temperatura mínima nocturna está por debajo de los 20°C. Lainercia térmica beneficia en aquellos climas que no presentan humedad elevada, de manera que se logra unadecuado amortiguamiento y retraso en tiempo de las temperaturas máximas y mínimas en los espaciosinteriores. Esto no sucede en clima húmedo, al no presentarse fluctuaciones importantes lo cual disminuye suefectividad. Como se ve en el diagrama la zona de masa térmica (inercia térmica) se limita cuando la tensión de

vapor de agua llega a los 17 mm Hg. Se recomienda no permitir la penetración de los rayos solares, ni laventilación durante el día, para reducir las ganancias de calor. La ventilación de los espacios interiores anula casipor completo el efecto provocado por la inercia térmica al arrastrar el aire caliente y la humedad acumulados Esimportante una correcta selección de materiales, ya que junto al diseño deben lograr el retraso yamortiguamiento de los efectos de la radiación solar.

4. Enfriamiento evaporativo.El aire exterior puede ser enfriado por evaporación del agua antes de ser introducido en el edificio. Esteenfriamiento consiste en proporcionar agua al ambiente, con el fin de disminuir la temperatura del aire seco.Esto es posible por la alta capacidad que tiene el agua de absorber y retener el calor. Cada Kg de agua contenidoen el aire que se evapora absorbe 2400 KJ, cuando la temperatura es de 20°C (El calor latente de evaporación

del agua es de 2400 KJ/Kg). El enfriamiento evaporativo incrementa la presión de vapor de agua y disminuye latemperatura de bulbo seco, TBS, manteniendo constante la temperatura de bulbo húmedo, TBH. Esto se lograhaciendo pasar el aire por una superficie constantemente húmeda. Tanto la presión de vapor de agua como latemperatura de bulbo seco afectan el estado de bienestar térmico del individuo. Una adecuada combinación deestas propiedades puede dar como resultado un mejoramiento de las condiciones de confort. Ello puede serusado con éxito para enfriar el aire cuando está seco. El enfriamiento evaporativo puede realizarse por mediosmecánicos o mediante el sistema pasivo utilizando el proceso natural (viento o diferencia de temperatura) Comoel comportamiento del enfriamiento evaporativo directo depende de la temperatura de bulbo húmedo, éste esel criterio principal para su aplicación.

La temperatura del aire interior máxima es de alrededor de los 3-4°C sobre la máxima TBH, en edificios bien

aislados y enfriados con esta técnica. Tomando en cuenta el efecto de aumento de la humedad en el interiorasociado con el enfriamiento evaporativo directo se recomienda utilizarlo sólo donde y cuando la máximatemperatura de bulbo húmedo, TBH en verano, no sea mas alta que 22-24°C. Algunos sistemas que se empleanson: la torre de viento, el enfriador regenerativo de lecho rocoso, el estanque de agua sombreada, la chimenea yel sistema túnel.

Ejemplos de edificios de bajo consumo energético.Adaptar los edificios al sitio climático vale la pena aún cuando vayan a ser climatizados por medios mecánicos,ya que hace más económica la climatización al disminuir las cargas de frío o de calor, la inversión inicial enequipamiento, así como los costos de operación durante su vida de uso. La combinación de técnicas pasivas conlas activas, cuando la inclemencia del clima así lo requiera, es una opción aceptable desde el punto de vista de la

racionalidad energética de los edificios. El costo inicial y los costos de operación de un sistema de climatizaciónartificial de un edificio puede llegar a duplicar el resto de los costos de la construcción cuando el edificio estámal concebido, sin aislamiento térmico. Se sugieren valores de K alrededor de 1 W/m²°C o menores, lo cual serácada día mas accesible con el desarrollo de las industria de materiales de la construcción. Los nuevos materialespermiten diseñar los edificios modernos con similares condiciones de adaptación al sitio que los edificiosprimitivos y vernáculos, pero con todas las ventajas del desarrollo tecnológico actual, con mayor grado deconfort y con técnicas e imágenes modernas empleando los conocimientos de la física de la Arquitectura yaprovechando la extensa experiencia acumulada y resultados de las investigaciones para el empleo de los



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recursos naturales climáticos para acondicionar los edificios. Veamos algunas de los más modernas aplicacionesde las técnicas pasivas para la climatización natural de los edificios.

Prototipo de Casa terraza.Cada casa tiene su propio espacio inteligentesoleado, el cual puede usarse para producción

de alimentos, colección de energía solar y tieneun espacio habitable extra que puede ocuparseestacionalmente. Fue construido con bajopresupuesto y poco consumo energéticoconvencional. Tiene incorporado sistemassolares, y el ahorro de energía debido a laestrategia solar pasiva es de alrededor de 23kWh/m² al año.

Vivienda de baja energía.Es una vivienda de baja energía y situada en

una pendiente Sur u Oeste. El diseño fueoptimizado con una simulación computarizada.Se optimizan las ganancias solares en lafachada Suroeste y minimizan las pérdidas deenergía en la fachada Noreste, mediante el usode pequeñas aberturas y alto aislamientotérmico. Los espacios auxiliares se concentranen un bloque de servicio para el Noreste,mientras que los locales principales se abrenhacia el Suroeste. En las ventanas se utiliza unmaterial aislante térmico translúcido que

funciona como un absorbente solar y los aleros protegen el sobre-calentamiento en verano. La apariencia del

edificio cambia de acuerdo a la estación, la hora del día y el estado del tiempo. El promedio del valor K deledificio es menor que 0.3 W/m²°C.

Viviendas Osuna.Se crea un nuevo barrio, como extensión del área urbana existente, enel extremo sureste de Osuna. El diseño fue desarrollado para viviendasindividuales en dos niveles y su comportamiento climático fuemonitoreado durante 18 meses antes que el diseño finalizara. El climade Andalucía tiene veranos calientes que requieren enfriamiento y losinviernos son moderados. En invierno se requiere calentamiento, elcual se diseñó por medio pasivo directo mediante un área captadora

habitable, orientada al Sur en la mayoría de los apartamentos. Ladistribución del calor es mediante convección natural. Losapartamentos tienen alta inercia térmica con pisos de hormigón ydivisiones interiores pesadas con el fin de posibilitar adecuadoalmacenamiento diario de calor. Las ganancias externas son controladas mediante la sombra que proporcionanlos árboles y las plantas trepadoras, las cuales cubren la pérgolas. El alero del techo es diseñado como unapantalla alta para el sol del verano. La ventilación en la tarde y la noche es a través del edificio, con el aire que



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entra desde la fachada Norte y sale por el nivel del techo. Los resultados del monitoreo en el prototipomostraron que la contribución del sistema pasivo es alrededor del 70% de la calefacción en invierno.

ConclusionesEn esta unidad hemos integrado losconocimientos adquiridos en unidadesprecedentes para seleccionar la estrategiade diseño pasivo adecuada al sitio climático,basándonos en el método de Givoni, el cualse representa en la carta bioclimática delos edificios, (Building Bio Climatic Chart, BBCC).

Cada una de las estrategias de diseño ha sido analizada en sus características fundamentales, así como laposibilidad de su aplicación atendiendo a las condiciones del clima. Hemos conocido también modernasaplicaciones que integran varias técnicas pasivas para producir edificios de bajo consumo energético y acercarsea la tendencia mundial de sustentabilidad.


¿Qué criterios de diseño deben ser considerados para una efectiva ventilación natural? Respuesta2.

¿Que condiciones térmicas exteriores permiten aplicar la ventilación natural? Respuesta3.

¿Qué función tienen las masas de las paredes interiores en el comportamiento de los edificios?Respuesta

4.

¿Qué condiciones climáticas son necesarias para aplicar el enfriamiento convectivo nocturno? Respuesta5.

¿Cuál es el principal criterio para aplicar el enfriamiento evaporativo? Respuesta6. ¿Qué condiciones climáticas son necesarias para aplicar el enfriamiento evaporativo? Respuesta

Glosario1.

Invernaderos: Espacios habitables cubiertos por material transparente o translúcido que acumulan calorsolar para distribuirlos a otros espacios interiores del edificio.

2.

Masa térmica: El calor captado en una construcción se puede conservar en algunos materiales conmayor capacidad para almacenar calor tales como el adobe, piedra, ladrillo, hormigón, agua, etc.

3.

Efecto Venturi: El flujo de aire al pasar por una sección mas estrecha aumenta su velocidad.4.

Amplitud diaria de temperatura: Diferencia entre los valores máximos y mínimos de temperatura diariosregistrados.

5. Inercia térmica: Término que expresa la magnitud del efecto que tiene un material para amortiguar yretardar la temperatura máxima en el interior de un espacio en relación con la temperatura exterior.

6.

Enfriamiento evaporativo: El enfriamiento evaporativo funciona a través de un proceso conocido comoenfriamiento adiabático. Este proceso cambia el estado de una mezcla de aire y vapor de agua sincambiar el contenido total de calor o entalpía. El enfriamiento evaporativo incrementa la presión devapor de agua y disminuye la temperatura de bulbo seco.

Bibliografía Givoni, B.: Confort Diagrams and Design Guidelines for Hot Climates. Memoria 1er Encuentro Nacional

de Diseño y Medio Ambiente. Universidad de Colima, México, 1990. Hozerg, T.: Solar Energy in Architecture and Urban Planning. Prestel, Munich-New York, 1995. Lacomba, R.: Manual de Arquitectura Solar. Editorial Trillas, México, 1991. Orlandi, F.: Clima, Energía, Ambiente. Construire. Tecnologia e Ambiente. No. 167, Italia, 1995. Rosenlund, H.: Design for Desert. Architecture and Development Studies, Lund University, Sweden, 1995.



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UNIDAD 5 SIMULACION Y MODELACION TERMICA DE LOS EDIFICIOS Generalidades. Modelación y simulación computarizada como método de diseño climático moderno.

Objetivos Conocer un estudio de simulación computarizada del comportamiento térmico de edificios en clima

cálido seco. Obtener información sobre herramientas modernas de diseño pasivo.

IntroducciónEn las unidades anteriores hemos conocido los principios elementales sobre la transferencia de calor en losedificios. Esos conocimientos nos permiten, en conjunto, evaluar el comportamiento térmico de los edificios yde sus elementos componentes y realizar algunos cálculos simples. El alumno está en disposición de seleccionarla estrategia de diseño adecuada al sitio climático, así como diseñar la captación o el control solar.

Generalidades.Los métodos de cálculo para la transferencia de calor, que hemos conocido hasta este punto, corresponden a

una época anterior al desarrollo de la computación. Una herramienta novedosa de simulación paramétricacomputarizada para el comportamiento térmico de los edificios viene a auxiliar a investigadores y proyectistasen el campo del diseño arquitectónico y de climatización. Aunque ya se contaba con programas de computación,éstos por lo general se limitan a automatizar los cálculos tradicionales, lo cual sin duda constituye una ayudaapreciable. Una nueva herramienta, la simulación térmica paramétrica, permite calcular en la etapa de proyecto,la temperatura del aire en los espacios interiores del edificio y las temperaturas superficiales interiores, cuestiónque hasta ahora, no era posible con los métodos tradicionales de que se disponía anteriormente.

Se basa en la similitud que existe entre la transmisión de la electricidad y el calor y establece una red deresistencias, conductancias y nodos en el modelo que se analiza. Permite conocer la temperatura operativa, quees una temperatura equivalente resultante de la temperatura del aire y la radiación de onda larga de las

superficies interiores y que permite, evaluar en la etapa de proyecto el confort interior, lo cual anteriormentesólo podía hacerse en edificios construidos.

Estos programas brindan la posibilidad de variar de forma rápida y simple los parámetros de diseño ( materiales,elementos constructivos, orientación y dimensiones del edificio, tipo de abertura, ventanas, vidrios, color de lassuperficies exteriores, etc. ) y tomar decisiones para lograr un diseño energéticamente eficiente y con ambientesinteriores funcionales y confortables. Ellos dibujan la representación de la vista solar del edificio, lo cual ayuda avisualizar las partes del edificio que reciben la radiación en las distintas fechas del año y horas del día.

Modelación y simulación computarizada como método de diseño climático moderno.Estudio de Caso en África del Norte.

Este documento presenta y discute algunos estudios en un clima caliente y árido, particularmente el del Nortede África. Se llevó a cabo un estudio en Ghardaia, en el desierto de Argelia, unos 600 km. al sur de Argel, en lacosta mediterránea (latitud 32º ) Como base para los estudios teóricos se escogió el clima del año 1975, el cualse comportó como un año normal. Se creó una base de datos del clima de un año que fue utilizadaprincipalmente para los cálculos del uso anual de energía en edificios climatizados. Fue creado también un díatípico normal para cada mes a partir de los datos estadísticos del clima. Estos días fueron utilizadosprincipalmente para estudios en edificios pasivos donde las condiciones típicas del tiempo constituyen el factor



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de medida más importante. Por último, los estudios han sido generalizados en Túnez, en los oasis de Tozeur yTamerza. Fueron creadas bases de datos con días típicos normales para cada mes.

Edificios.Edificios Tradicionales.Los pueblos tradicionales en las regiones desérticas son muy densos y claramente limitados al exterior. Esto espor supuesto debido a una estrategia de defensa, pero es también por razones climáticas. Una forma muyefectiva de protegerse del calor es minimizar el área exterior en relación al volumen. Dentro del pueblo, en lascalles, el clima es diferente al exterior. Las estrechas callejuelas hacen que las casas sombreen el terreno y lasparedes vecinas. Algunas veces se cubren las calles para dar aún mas protección contra el sol.

El microclima dentro de las ciudades difiere por tanto mucho del clima del desierto. La temperatura esfrecuentemente varios grados más bajos durante el día y la humedad puede ser más alta si hay vegetación yagua en las proximidades. Los edificios tradicionales son de materiales pesados. Son comunes las paredes depiedras de mas de 1 metro de espesor. Se usan comúnmente los techos de piedra en forma de cúpulas ybóvedas donde no se encuentra disponible la madera. En los oasis donde puede encontrarse madera, tambiénes común el techo plano utilizando tronco de palma para su estructura. En la parte superior de la estructura demadera se colocan hojas, barro y otros materiales disponibles para dar al techo capacidad de almacenamiento

térmico. Tales construcciones, techos de cúpula y bóvedas y de tronco de palma, limitaron el ancho de lashabitaciones a 3 metros, debido a que era una técnica simple y a la baja resistencia de los materiales que lacomponían. Las aberturas son pocas y pequeñas, frecuentemente abren hacia los patios interiores. Si abrenhacia el exterior tienen algunos tipos de protección, tales como meshrabiya, mallas, enrejados, letting wind,obstruyendo la entrada del viento y dejando pasar alguna luz pero cortando las vistas y la luz solar directa. Lamasa de las paredes se usa para disminuir la oscilación diaria de temperatura. De este modo el pico diurno detemperatura se reduce, pero durante la noche la temperatura interior no cae a los niveles del exterior. Sinembargo, con un incremento de la ventilación nocturna el edificio puede enfriarse. Además, los ocupantes usanlas distintas partes de la casa de forma diferente en cada estación. Por ejemplo, las habitaciones que se utilizanen invierno son del piso superior, mirando al sur y en verano son los del primer piso y mirando al norte. Algunasveces el techo se utiliza para dormir durante las noches calientes del verano. La pesada masa y las pequeñas

aberturas no son sólo por el clima, sino que responden también a razones estructurales. La técnica constructivaen aquella época no permitía paredes delgadas, grandes luces, ni edificios altos, tampoco existía ningún materialaislante eficiente.

Edificios modernos.El estilo constructivo en el norte de Africa comenzó a cambiar con la colonización al final del Siglo XIX. Hoy losmateriales y técnicas constructivas modernas, así como también la fuerte influencia del estilo de vidainternacional ha cambiado el concepto de construcción de viviendas. La economía de hoy también demandaconstrucciones racionales y bajos costos de inversión con el fin de responder a una demanda popular crecientede viviendas. Hoy día en regiones desérticas se han erigido edificios de viviendas del tipo de bloque de hormigónseparados unos de otros y con grandes ventanales. Estos conjuntos de edificios son orientados hacia fuera y

expuestos al crudo clima por todos sus lados y las anchas calles, para dar acceso a los autos, no proporcionan unmejoramiento del microclima. Los principios de la vieja climatización pasiva son a menudo reemplazados por losacondicionadores de aire eléctricos. La electricidad ha sido subsidiada después de los años del boom delpetróleo, lo cual ha hecho que comparativamente sus costos de operación sean menos atractivos que lainversión. Ahora se está iniciado un período de más conciencia energética, haciendo que estos edificios deviviendas sean muy caros y alternativamente muy inconfortables.



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Futuro?En años recientes se ha incrementado el interés en lasinvestigaciones sobre construcciones de baja energía,pero las técnicas que se han desarrollado no hantenido en general una aceptación popular.

Figura 1. Edificio experimental en Ghardaia con dos

locales térmicamente idénticos.

Hay realmente necesidad de desarrollar traba

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Tema III Transcalor