Diseño de edificios solares pasivos

En el diseño de edificios solares pasivos, las ventanas, paredes y pisos están hechos para recolectar, almacenar, reflejar y distribuir energía solar, en forma de calor en el invierno y rechazar el calor solar en el invierno. verano. Esto se denomina diseño solar pasivo porque, a diferencia de los sistemas de calefacción solar activos, no implica el uso de dispositivos mecánicos y eléctricos.

La clave para diseñar un edificio solar pasivo es aprovechar al máximo el clima local realizando un análisis preciso del sitio. Los elementos a considerar incluyen la ubicación y el tamaño de la ventana, el tipo de acristalamiento, el aislamiento térmico, la masa térmica y el sombreado. Las técnicas de diseño solar pasivo se pueden aplicar más fácilmente a los edificios nuevos, pero los edificios existentes se pueden adaptar o "reacondicionar".

Ganancia de energía pasiva

Las tecnologías de solar pasiva utilizan la luz solar sin sistemas mecánicos activos (a diferencia de la solar activa, que utiliza colectores térmicos). Tales tecnologías convierten la luz solar en calor utilizable (en agua, aire y masa térmica), provocan el movimiento del aire para ventilación o uso futuro, con poco uso de otras fuentes de energía. Un ejemplo común es un solarium en el lado del ecuador de un edificio. El enfriamiento pasivo es el uso de principios de diseño similares para reducir los requisitos de enfriamiento durante el verano.

Algunos sistemas pasivos utilizan una pequeña cantidad de energía convencional para controlar amortiguadores, persianas, aislamiento nocturno y otros dispositivos que mejoran la recolección, el almacenamiento y el uso de la energía solar, y reducen la transferencia de calor no deseada.

Las tecnologías solares pasivas incluyen la ganancia solar directa e indirecta para la calefacción de espacios, los sistemas solares de calentamiento de agua basados en el termosifón, el uso de masa térmica y materiales de cambio de fase para reducir los cambios de temperatura del aire interior, las cocinas solares, la chimenea solar para mejorar la ventilación y protección de tierra.

Más ampliamente, las tecnologías solares incluyen el horno solar, pero esto generalmente requiere algo de energía externa para alinear sus espejos de concentración o receptores, e históricamente no ha demostrado ser práctico o rentable para un uso generalizado. 'Grado bajo' Las necesidades energéticas, como el calentamiento de espacios y agua, han demostrado con el tiempo ser mejores aplicaciones para el uso pasivo de la energía solar.

Como ciencia

La base científica para el diseño de edificios solares pasivos se ha desarrollado a partir de una combinación de climatología, termodinámica (particularmente transferencia de calor: conducción (calor), convección y radiación electromagnética), mecánica de fluidos/convección natural (movimiento pasivo de aire y agua sin uso de electricidad, ventiladores o bombas), y confort térmico humano basado en índice de calor, psicrometría y control de entalpía para edificios para ser habitados por humanos o animales, soláriums, soláriums e invernaderos para cultivo de plantas.

La atención específica se divide en: el sitio, la ubicación y la orientación solar del edificio, la trayectoria del sol local, el nivel predominante de insolación (latitud/luz solar/nubes/precipitación), diseño y calidad/materiales de construcción, ubicación/tamaño/ tipo de ventanas y paredes, e incorporación de masa térmica acumuladora de energía solar con capacidad calorífica.

Si bien estas consideraciones pueden estar dirigidas a cualquier edificio, lograr una solución ideal optimizada de costo/rendimiento requiere una ingeniería de integración de sistemas cuidadosa y holística de estos principios científicos. Los refinamientos modernos a través del modelado por computadora (como el software integral de simulación de energía de edificios 'Energy Plus' del Departamento de Energía de EE. UU.) y la aplicación de décadas de lecciones aprendidas (desde la crisis energética de la década de 1970) pueden lograr ahorros y reducciones de energía significativos. del daño ambiental, sin sacrificar la funcionalidad o la estética. De hecho, las características del diseño de energía solar pasiva, como un invernadero, un solárium o un solarium, pueden mejorar en gran medida la habitabilidad, la luz del día, las vistas y el valor de una casa, a un bajo costo por unidad de espacio.

Se ha aprendido mucho sobre el diseño de edificios solares pasivos desde la crisis energética de la década de 1970. Muchos experimentos de construcción costosos, no científicos y basados en la intuición, han intentado y no han logrado lograr energía cero: la eliminación total de las facturas de energía de calefacción y refrigeración.

La construcción de edificios con energía solar pasiva puede no ser difícil ni costosa (usando materiales y tecnología existentes listos para usar), pero el diseño científico de edificios con energía solar pasiva es un esfuerzo de ingeniería no trivial que requiere un estudio significativo de lecciones previas contrarias a la intuición. aprendido y tiempo para ingresar, evaluar y refinar iterativamente la entrada y salida de la simulación.

Una de las herramientas de evaluación posteriores a la construcción más útiles ha sido el uso de termografía con cámaras termográficas digitales para una auditoría energética científica cuantitativa formal. Las imágenes térmicas se pueden utilizar para documentar áreas de rendimiento térmico deficiente, como el impacto térmico negativo del vidrio en ángulo del techo o un tragaluz en una noche fría de invierno o un día caluroso de verano.

Las lecciones científicas aprendidas durante las últimas tres décadas han sido capturadas en sofisticados sistemas integrales de software de simulación energética de edificios (como U.S. DOE Energy Plus).

El diseño científico de edificios solares pasivos con optimización de productos de costo-beneficio cuantitativa no es fácil para un novato. El nivel de complejidad ha resultado en una mala arquitectura continua y muchos experimentos de construcción no científicos basados en la intuición que decepcionan a sus diseñadores y desperdician una parte significativa de su presupuesto de construcción en ideas inapropiadas.

La motivación económica para el diseño científico y la ingeniería es importante. Si se hubiera aplicado integralmente a la construcción de nuevos edificios a partir de 1980 (basado en las lecciones aprendidas en la década de 1970), Estados Unidos podría estar ahorrando más de $250 000 000 por año en costosa energía y la contaminación relacionada en la actualidad.

Desde 1979, el diseño de edificios solares pasivos ha sido un elemento fundamental para lograr el consumo cero de energía mediante experimentos de instituciones educativas y gobiernos de todo el mundo, incluido el Departamento de Energía de EE. UU., y los científicos de investigación energética que han apoyado durante décadas. La prueba de concepto rentable se estableció hace décadas, pero el cambio cultural en la arquitectura, los oficios de la construcción y la toma de decisiones de los propietarios de edificios ha sido muy lento y difícil.

Las nuevas materias como ciencia arquitectónica y tecnología arquitectónica se están agregando a algunas escuelas de arquitectura, con el objetivo futuro de enseñar los principios científicos y de ingeniería energética mencionados anteriormente..

La trayectoria solar en diseño pasivo

La capacidad de lograr estos objetivos simultáneamente depende fundamentalmente de las variaciones estacionales en la trayectoria del sol a lo largo del día.

Esto ocurre como resultado de la inclinación del eje de rotación de la Tierra en relación con su órbita. El camino del sol es único para cualquier latitud dada.

En latitudes no tropicales del hemisferio norte a más de 23,5 grados del ecuador:

• El sol alcanzará su punto más alto hacia el sur (en la dirección del Ecuador)
• A medida que se acerca el solsticio de invierno, el ángulo en el que el sol se levanta y se mueve progresivamente hacia el sur y las horas de luz del día se volverán más cortas
• Lo contrario se observa en verano donde el sol se levantará y se pondrá más hacia el norte y las horas de luz del día se alargarán

Lo contrario se observa en el hemisferio sur, pero el sol sale por el este y se pone por el oeste, independientemente del hemisferio en el que se encuentre.

En las regiones ecuatoriales a menos de 23,5 grados, la posición del sol al mediodía solar oscilará de norte a sur y viceversa durante el año.

En las regiones a menos de 23,5 grados del polo norte o del polo sur, durante el verano el sol trazará un círculo completo en el cielo sin ponerse, mientras que nunca aparecerá sobre el horizonte seis meses después, en pleno invierno.

La diferencia de 47 grados en la altitud del sol al mediodía solar entre el invierno y el verano constituye la base del diseño solar pasivo. Esta información se combina con los requisitos de calefacción y refrigeración de los datos climáticos locales (grados día) para determinar en qué época del año la ganancia solar será beneficiosa para el confort térmico y cuándo debe bloquearse con sombra. Mediante la colocación estratégica de elementos como dispositivos de acristalamiento y protección solar, se puede controlar el porcentaje de ganancia solar que ingresa a un edificio durante todo el año.

Un problema de diseño del camino del sol solar pasivo es que, aunque el sol está en la misma posición relativa seis semanas antes y seis semanas después del solsticio, debido al "retraso térmico" de la masa térmica de la Tierra, los requisitos de temperatura y ganancia solar son bastante diferentes antes y después del solsticio de verano o invierno. Las persianas móviles, las persianas, las pantallas de sombra o los edredones de ventana pueden adaptarse a los requisitos de aislamiento y ganancia solar del día a día y de la hora a la hora.

La disposición cuidadosa de las habitaciones completa el diseño solar pasivo. Una recomendación común para las viviendas residenciales es ubicar las áreas de estar frente al mediodía solar y los dormitorios en el lado opuesto. Un heliodón es un dispositivo de luz móvil tradicional utilizado por arquitectos y diseñadores para ayudar a modelar los efectos de la trayectoria del sol. En los tiempos modernos, los gráficos por computadora en 3D pueden simular visualmente estos datos y calcular las predicciones de rendimiento.

Principios de transferencia de calor solar pasiva

El confort térmico personal es una función de los factores de salud personal (médicos, psicológicos, sociológicos y situacionales), la temperatura del aire ambiente, la temperatura radiante media, el movimiento del aire (sensación térmica, turbulencia) y la humedad relativa (que afecta el enfriamiento evaporativo humano). La transferencia de calor en los edificios se produce por convección, conducción y radiación térmica a través del techo, las paredes, el suelo y las ventanas.

Transferencia de calor por convección

La transferencia de calor por convección puede ser beneficiosa o perjudicial. La infiltración de aire descontrolada debido a una mala climatización, burletes o protección contra corrientes de aire puede contribuir hasta en un 40 % a la pérdida de calor durante el invierno; sin embargo, la colocación estratégica de ventanas operables o rejillas de ventilación puede mejorar la convección, la ventilación cruzada y el enfriamiento de verano cuando el aire exterior tiene una temperatura y una humedad relativa agradables. Los sistemas de ventilación de recuperación de energía filtrada pueden ser útiles para eliminar la humedad, el polvo, el polen y los microorganismos no deseados en el aire de ventilación sin filtrar.

La convección natural que hace que el aire caliente suba y el aire más frío caiga puede dar como resultado una estratificación desigual del calor. Esto puede causar variaciones incómodas en la temperatura en el espacio acondicionado superior e inferior, servir como un método de ventilación de aire caliente o diseñarse como un bucle de flujo de aire de convección natural para la distribución pasiva del calor solar y la ecualización de la temperatura. El enfriamiento humano natural por la transpiración y la evaporación se puede facilitar a través del movimiento de aire convectivo natural o forzado de los ventiladores, pero los ventiladores de techo pueden perturbar las capas de aire aislante estratificadas en la parte superior de una habitación y acelerar la transferencia de calor desde un ático caliente o a través de ventanas cercanas.. Además, la humedad relativa alta inhibe el enfriamiento evaporativo por parte de los humanos.

Transferencia de calor por radiación

La fuente principal de transferencia de calor es la energía radiante y la fuente principal es el sol. La radiación solar se produce predominantemente a través del techo y las ventanas (pero también a través de las paredes). La radiación térmica se mueve de una superficie más cálida a una más fría. Los techos reciben la mayor parte de la radiación solar entregada a una casa. Un techo fresco o un techo verde además de una barrera radiante pueden ayudar a evitar que su ático se caliente más que la temperatura máxima del aire exterior en verano (ver albedo, absortividad, emisividad y reflectividad).

Las ventanas son un sitio listo y predecible para la radiación térmica. La energía de la radiación puede entrar en una ventana durante el día y salir por la misma ventana durante la noche. La radiación utiliza fotones para transmitir ondas electromagnéticas a través de un vacío o medio translúcido. La ganancia de calor solar puede ser significativa incluso en días claros y fríos. La ganancia de calor solar a través de las ventanas se puede reducir con cristales aislantes, sombras y orientación. Las ventanas son particularmente difíciles de aislar en comparación con el techo y las paredes. La transferencia de calor por convección a través y alrededor de las cubiertas de las ventanas también degrada sus propiedades de aislamiento. Al proteger las ventanas, las protecciones externas son más efectivas para reducir la ganancia de calor que las cubiertas internas de las ventanas.

El sol occidental y oriental puede proporcionar calor e iluminación, pero son vulnerables al sobrecalentamiento en verano si no están a la sombra. Por el contrario, el sol bajo del mediodía admite fácilmente la luz y el calor durante el invierno, pero se puede sombrear fácilmente con voladizos de longitud adecuada o persianas en ángulo durante el verano y con árboles de sombra de verano que arrojan sus hojas en el otoño. La cantidad de calor radiante recibido está relacionada con la latitud del lugar, la altitud, la cubierta de nubes y el ángulo de incidencia estacional/horario (consulte la trayectoria del sol y la ley del coseno de Lambert).

Otro principio de diseño solar pasivo es que la energía térmica puede almacenarse en ciertos materiales de construcción y liberarse nuevamente cuando la ganancia de calor disminuye para estabilizar las variaciones de temperatura diurnas (día/noche). La compleja interacción de los principios termodinámicos puede resultar contradictoria para los diseñadores novatos. El modelado informático preciso puede ayudar a evitar costosos experimentos de construcción.

Consideraciones específicas del sitio durante el diseño

• Latitud, camino del sol y la insolación (sunshine)
• Variaciones estacionales en ganancia solar, por ejemplo, días de refrigeración o grado de calefacción, aislamiento solar, humedad
• Variaciones diurnas en temperatura
• Detalles de microclima relacionados con brisas, humedad, vegetación y contorno terrestre
• Obstrucción / Sobrecorte – a la ganancia solar o los vientos cruzados locales

Elementos de diseño para edificios residenciales en climas templados

• Colocación de tipos de habitación, puertas y paredes internas y equipamiento en la casa.
• Orientar el edificio para enfrentar el Ecuador (o unos pocos grados al este para capturar el sol de la mañana)
• Ampliación de la dimensión del edificio a lo largo del eje este-oeste
• Adequately sizing windows to face the midday sun in the winter, and be shadowd in the summer.
• Minimización de ventanas en otros lados, especialmente ventanas occidentales
• Ejecutando correctamente tamaño, techo específico de latitud, o elementos de afeitado (shrubbery, árboles, trellises, cercas, persianas, etc.)
• Utilizando la cantidad y el tipo de aislamiento apropiados, incluyendo barreras radiantes y aislamiento a granel para minimizar el aumento de calor excesivo estacional o la pérdida
• Usando masa térmica para almacenar exceso de energía solar durante el día de invierno (que luego se re-radió durante la noche)

La cantidad precisa de vidrio orientado hacia el ecuador y la masa térmica deben basarse en una cuidadosa consideración de la latitud, la altitud, las condiciones climáticas y los requisitos de grados día de calefacción/refrigeración.

Factores que pueden degradar el rendimiento térmico:

• Desviación de la orientación ideal y de la relación entre el norte y el este y el oeste
• Superficie de vidrio Excesivo ("sobre-glazing") resultando en sobrecalentamiento (también resultando en resplandor y desvanecimiento de muebles suaves) y pérdida de calor cuando las temperaturas del aire ambiente caen
• La instalación de acristalamiento donde la ganancia solar durante el día y las pérdidas térmicas durante la noche no se puede controlar fácilmente, por ejemplo. Occidente, acristalamiento en ángulo, claraboyas
• Pérdidas térmicas mediante acristalamiento no aislado o desprotegido
• Falta de sombra adecuada durante períodos estacionales de alta ganancia solar (especialmente en la pared oeste)
• Aplicación incorrecta de masa térmica para modular variaciones de temperatura diaria
• Escalinatas abiertas que conducen a una distribución desigual del aire caliente entre los pisos superiores y bajos a medida que aumenta el aire caliente
• Superficie de edificio alto a volumen – Demasiados rincones
• Climaización inadecuada que conduce a una alta infiltración de aire
• Falta o incorrectamente instalado, barreras radiantes durante la temporada caliente. (Ver también techo fresco y techo verde)
• Materiales de aislamiento que no coinciden con el modo principal de transferencia de calor (por ejemplo, transferencia de calor convectiva/conductiva/radiante indeseable)

Eficiencia y economía de la calefacción solar pasiva

Técnicamente, PSH es muy eficiente. Los sistemas de ganancia directa pueden utilizar (es decir, convertir en calor "útil") entre el 65% y el 70% de la energía de la radiación solar que incide en la apertura o el colector.

La fracción solar pasiva (PSF) es el porcentaje de la carga de calor requerida que cubre la PSH y, por lo tanto, representa una reducción potencial en los costos de calefacción. RETScreen International ha informado un PSF de 20 a 50%. Dentro del campo de la sustentabilidad, la conservación de energía incluso del orden del 15% se considera sustancial.

Otras fuentes informan las siguientes PSF:

• 5-25% para sistemas modestos
• 40% para sistemas "altamente optimizados"
• Hasta un 75% para sistemas "muy intensos"

En climas favorables como el suroeste de los Estados Unidos, los sistemas altamente optimizados pueden superar el 75 % de PSF.

Para obtener más información, consulte Calefacción solar por aire

Configuraciones clave de edificios solares pasivos

Hay tres configuraciones distintas de energía solar pasiva y al menos un híbrido notable de estas configuraciones básicas:

• sistemas solares directos
• sistemas solares indirectos
• sistemas solares híbridos directos e indirectos
• sistemas solares aislados

Sistema solar directo

En un sistema solar pasivo de ganancia directa, el espacio interior actúa como colector solar, absorbente de calor y sistema de distribución. El vidrio orientado al sur en el hemisferio norte (orientado al norte en el hemisferio sur) admite energía solar en el interior del edificio donde calienta directamente (absorción de energía radiante) o calienta indirectamente (por convección) masa térmica en el edificio, como hormigón o mampostería. pisos y paredes. Los suelos y paredes que actúan como masa térmica se incorporan como partes funcionales del edificio y atemperan la intensidad de calefacción durante el día. Por la noche, la masa térmica calentada irradia calor al espacio interior.

En climas fríos, un edificio templado por el sol es el tipo más básico de configuración solar pasiva de ganancia directa que simplemente implica aumentar (ligeramente) el área acristalada orientada al sur., sin añadir masa térmica adicional. Es un tipo de sistema de ganancia directa en el que la envolvente del edificio está bien aislada, se alarga en dirección este-oeste y tiene una gran fracción (~80% o más) de las ventanas en el lado sur. Tiene poca masa térmica añadida más allá de lo que ya está en el edificio (es decir, solo estructura, paneles de pared, etc.). En un edificio templado por el sol, el área de la ventana que mira hacia el sur debe limitarse a alrededor del 5 al 7 % del área total del piso, menos en un clima soleado, para evitar el sobrecalentamiento. Se pueden incluir acristalamientos orientados al sur adicionales solo si se agrega más masa térmica. Los ahorros de energía son modestos con este sistema y el templado solar es de muy bajo costo.

En los sistemas solares pasivos de ganancia directa genuinos, se requiere suficiente masa térmica para evitar grandes fluctuaciones de temperatura en el aire interior; se requiere más masa térmica que en un edificio templado al sol. El sobrecalentamiento del interior del edificio puede resultar en una masa térmica insuficiente o mal diseñada. Alrededor de la mitad a dos tercios de la superficie interior de los pisos, paredes y techos deben estar construidos con materiales de almacenamiento térmico. Los materiales de almacenamiento térmico pueden ser hormigón, adobe, ladrillo y agua. La masa térmica en pisos y paredes debe mantenerse lo más desnuda posible desde el punto de vista funcional y estético; la masa térmica necesita estar expuesta a la luz solar directa. Deben evitarse las alfombras de pared a pared, las alfombras grandes, los muebles grandes y los tapices grandes.

Normalmente, por cada 1 pie² de vidrio orientado al sur, se requieren entre 5 y 10 pies³ de masa térmica para la masa térmica (1 m³ por 5 a 10 m²). Cuando se tienen en cuenta muebles y revestimientos de paredes y pisos mínimos a promedio, esto generalmente equivale a alrededor de 5 a 10 pies² por pie² (5 a 10 m ² por m²) de vidrio orientado al sur, dependiendo de si la luz del sol incide directamente sobre la superficie. La regla general más simple es que el área de masa térmica debe tener un área de 5 a 10 veces el área de superficie del área del colector (vidrio) de ganancia directa.

La masa térmica sólida (p. ej., hormigón, mampostería, piedra, etc.) debe ser relativamente delgada, no más de 4 pulgadas (100 mm) de espesor. Las masas térmicas con grandes áreas expuestas y aquellas expuestas a la luz solar directa durante al menos parte del día (mínimo 2 horas) funcionan mejor. Los colores de medio a oscuro con alta capacidad de absorción deben usarse en superficies de elementos de masa térmica que estarán expuestos a la luz solar directa. La masa térmica que no está en contacto con la luz solar puede ser de cualquier color. Los elementos ligeros (p. ej., paredes y techos de paneles de yeso) pueden ser de cualquier color. Cubrir el acristalamiento con paneles aislantes móviles y ajustados durante los períodos oscuros y nublados y durante la noche mejorará en gran medida el rendimiento de un sistema de ganancia directa. El agua contenida dentro de contenedores de plástico o metal y colocada bajo la luz directa del sol se calienta más rápida y uniformemente que la masa sólida debido a la transferencia de calor por convección natural. El proceso de convección también evita que las temperaturas de la superficie se vuelvan demasiado extremas, como ocurre a veces cuando las superficies de masa sólida de color oscuro reciben luz solar directa.

Dependiendo del clima y con la masa térmica adecuada, el área de vidrio orientada al sur en un sistema de ganancia directa debe limitarse a alrededor del 10 al 20 % del área del piso (por ejemplo, de 10 a 20 pies² de vidrio para un área de piso de 100 pies²). Esto debe basarse en el vidrio neto o el área de acristalamiento. Tenga en cuenta que la mayoría de las ventanas tienen un área neta de vidrio/acristalamiento que es del 75 al 85% del área total de la unidad de ventana. Por encima de este nivel, es probable que haya problemas de sobrecalentamiento, deslumbramiento y decoloración de las telas.

Sistema solar indirecto

En un sistema solar pasivo de ganancia indirecta, la masa térmica (hormigón, mampostería o agua) se ubica directamente detrás del vidrio orientado al sur y frente a el espacio interior calentado y, por lo tanto, no hay calefacción directa. La posición de la masa evita que la luz del sol entre en el espacio interior y también puede obstruir la vista a través del vidrio. Hay dos tipos de sistemas de ganancia indirecta: sistemas de pared de almacenamiento térmico y sistemas de estanque de techo.

Muros de Almacenamiento Térmico (Trombe)

En un sistema de pared de almacenamiento térmico, a menudo llamado pared Trombe, una pared masiva se ubica directamente detrás de un vidrio orientado al sur, que absorbe la energía solar y la libera selectivamente hacia el interior del edificio por la noche. El muro se puede construir con unidades de mampostería de hormigón colado en el lugar, ladrillo, adobe, piedra o hormigón sólido (o relleno). La luz del sol entra a través del vidrio y se absorbe inmediatamente en la superficie de la pared de masa y se almacena o se conduce a través de la masa de material hacia el espacio interior. La masa térmica no puede absorber la energía solar tan rápido como entra en el espacio entre la masa y el área de la ventana. Las temperaturas del aire en este espacio pueden superar fácilmente los 120 °F (49 °C). Este aire caliente se puede introducir en los espacios interiores detrás de la pared mediante la incorporación de rejillas de distribución de calor en la parte superior de la pared. Este sistema de paredes fue ideado y patentado por primera vez en 1881 por su inventor, Edward Morse. Felix Trombe, por quien a veces se nombra este sistema, fue un ingeniero francés que construyó varias casas con este diseño en los Pirineos franceses en la década de 1960.

Por lo general, una pared de almacenamiento térmico consiste en una pared de mampostería de 100 a 400 mm (4 a 16 in) de espesor recubierta con un acabado oscuro que absorbe el calor (o una superficie selectiva) y cubierta con una capa simple o doble de alta transmisividad. vaso. El vidrio generalmente se coloca de ¾ a 2 pulgadas de la pared para crear un pequeño espacio de aire. En algunos diseños, la masa se encuentra a una distancia de 0,6 m (1 a 2 pies) del vidrio, pero el espacio aún no se puede utilizar. La superficie de la masa térmica absorbe la radiación solar que incide sobre ella y la almacena para su uso nocturno. A diferencia de un sistema de ganancia directa, el sistema de pared de almacenamiento térmico proporciona calefacción solar pasiva sin un área de ventana excesiva ni deslumbramiento en los espacios interiores. Sin embargo, se elimina la posibilidad de aprovechar las vistas y la iluminación natural. El rendimiento de los muros Trombe se ve disminuido si el interior del muro no está abierto a los espacios interiores. Los muebles, estanterías y armarios de pared instalados en la superficie interior de la pared reducirán su rendimiento.

Un muro Trombe clásico, también llamado genéricamente muro de almacenamiento térmico ventilado, tiene ventilaciones operables cerca del niveles de techo y piso de la pared de masa que permiten que el aire interior fluya a través de ellos por convección natural. Como la radiación solar calienta el aire atrapado entre el vidrio y la pared y comienza a ascender. El aire ingresa a la ventilación inferior, luego al espacio entre el vidrio y la pared para ser calentado por la radiación solar, aumentando su temperatura y haciendo que se eleve, y luego sale a través de la ventilación superior (techo) de regreso al espacio interior. Esto permite que la pared introduzca directamente aire caliente en el espacio; generalmente a una temperatura de alrededor de 90 °F (32 °C).

Si las rejillas de ventilación se dejan abiertas durante la noche (o en días nublados), se producirá una reversión del flujo de aire convectivo, desperdiciando calor al disiparlo al aire libre. Los conductos de ventilación deben cerrarse durante la noche para que el calor radiante de la superficie interior de la pared de almacenamiento caliente el espacio interior. Por lo general, las ventilaciones también se cierran durante los meses de verano cuando no se necesita ganar calor. Durante el verano, se puede abrir una ventilación de escape exterior instalada en la parte superior de la pared para ventilar hacia el exterior. Esta ventilación hace que el sistema actúe como una chimenea solar que impulsa el aire a través del edificio durante el día.

Las paredes de almacenamiento térmico ventiladas hacia el interior han demostrado ser algo ineficaces, principalmente porque entregan demasiado calor durante el día en climas templados y durante los meses de verano; simplemente se sobrecalientan y crean problemas de comodidad. La mayoría de los expertos en energía solar recomendaron que las paredes de almacenamiento térmico no se ventilen hacia el interior.

Hay muchas variaciones del sistema de pared Trombe. Un muro de almacenamiento térmico sin ventilación (técnicamente no es un muro Trombe) captura la energía solar en la superficie exterior, se calienta y conduce el calor a la superficie interior, donde se irradia desde el superficie de la pared interior al espacio interior más tarde en el día. Un muro de agua utiliza un tipo de masa térmica que consiste en depósitos o tubos de agua que se utiliza como masa térmica.

Un muro de almacenamiento térmico sin ventilación típico consiste en un muro de mampostería o concreto orientado hacia el sur con un material oscuro que absorbe el calor en la superficie exterior y revestido con una capa simple o doble de vidrio. El vidrio de alta transmisión maximiza las ganancias solares para la pared de masa. El vidrio se coloca de ¾ a 6 pulg. (20 a 150 mm) de la pared para crear un pequeño espacio de aire. El marco de vidrio suele ser de metal (por ejemplo, aluminio) porque el vinilo se ablandará y la madera se secará mucho a la temperatura de 180 °F (82 °C) que puede existir detrás del vidrio en la pared. El calor de la luz solar que atraviesa el vidrio es absorbido por la superficie oscura, almacenado en la pared y conducido lentamente hacia el interior a través de la mampostería. Como detalle arquitectónico, el vidrio estampado puede limitar la visibilidad exterior de la pared sin sacrificar la transmisividad solar.

Un muro de agua utiliza contenedores de agua para la masa térmica en lugar de un muro de masa sólida. Las paredes de agua suelen ser un poco más eficientes que las paredes de masa sólida porque absorben el calor de manera más eficiente debido al desarrollo de corrientes convectivas en el agua líquida a medida que se calienta. Estas corrientes provocan una mezcla rápida y una transferencia de calor al edificio más rápida que la que pueden proporcionar las paredes de masa sólida.

Las variaciones de temperatura entre las superficies de la pared exterior e interior conducen el calor a través de la pared de masa. Sin embargo, dentro del edificio, la ganancia de calor durante el día se retrasa y solo está disponible en la superficie interior de la masa térmica durante la noche cuando se necesita porque el sol se ha puesto. El lapso de tiempo es la diferencia de tiempo entre el momento en que la luz del sol incide por primera vez en la pared y el momento en que el calor ingresa al interior del edificio. El tiempo de demora depende del tipo de material utilizado en la pared y del espesor de la pared; un mayor espesor produce un mayor desfase temporal. El lapso de tiempo característico de la masa térmica, combinado con la amortiguación de las fluctuaciones de temperatura, permite el uso de energía solar diurna variable como una fuente de calor nocturna más uniforme. Las ventanas se pueden colocar en la pared por razones estéticas o de iluminación natural, pero esto tiende a reducir un poco la eficiencia.

El grosor de una pared de almacenamiento térmico debe ser de aproximadamente 250 a 350 mm (10 a 14 in) para ladrillo, 300 a 450 mm (12 a 18 in) para concreto, 200 a 300 mm (8 a 12 in) para tierra/adobe, y al menos 6 pulgadas (150 mm) para el agua. Estos espesores retrasan el movimiento del calor de tal manera que las temperaturas de la superficie interior alcanzan su punto máximo durante las últimas horas de la noche. El calor tardará entre 8 y 10 horas en llegar al interior del edificio (el calor viaja a través de una pared de hormigón a una velocidad de aproximadamente una pulgada por hora). Es necesaria una buena conexión térmica entre los acabados de la pared interior (p. ej., paneles de yeso) y la pared de masa térmica para maximizar la transferencia de calor al espacio interior.

Aunque la posición de un muro de almacenamiento térmico minimiza el sobrecalentamiento durante el día del espacio interior, un edificio bien aislado debe limitarse a aproximadamente 0,2 a 0,3 pies² de superficie de muro de masa térmica por pie² de superficie de suelo que se está calentando (0,2 a 0,3 m² por m² de superficie de suelo), dependiendo del clima. Una pared de agua debe tener alrededor de 0,15 a 0,2 ft² de superficie de pared de agua por pie² (0,15 a 0,2 m² por m ²) de superficie construida.

Los muros de masa térmica se adaptan mejor a los climas invernales soleados que tienen cambios de temperatura diurnos (día-noche) altos (por ejemplo, suroeste, montaña-oeste). No funcionan tan bien en climas nublados o extremadamente fríos o en climas donde no hay un gran cambio de temperatura diurno. Las pérdidas térmicas nocturnas a través de la masa térmica del muro aún pueden ser significativas en climas nublados y fríos; la pared pierde calor almacenado en menos de un día y luego pierde calor, lo que aumenta drásticamente los requisitos de calefacción de respaldo. Cubrir el acristalamiento con paneles de aislamiento movibles y ajustados durante largos períodos nublados y durante la noche mejorará el rendimiento de un sistema de almacenamiento térmico.

El principal inconveniente de los muros de almacenamiento térmico es su pérdida de calor hacia el exterior. El vidrio doble (vidrio o cualquiera de los plásticos) es necesario para reducir la pérdida de calor en la mayoría de los climas. En climas templados, el vidrio simple es aceptable. Una superficie selectiva (superficie de alta absorción/baja emisión) aplicada a la superficie exterior de la pared de almacenamiento térmico mejora el rendimiento al reducir la cantidad de energía infrarroja radiada a través del vidrio; por lo general, logra una mejora similar en el rendimiento sin necesidad de instalar y quitar paneles aislantes a diario. Una superficie selectiva consiste en una lámina de lámina de metal pegada a la superficie exterior de la pared. Absorbe casi toda la radiación en la porción visible del espectro solar y emite muy poca en el rango infrarrojo. La alta absorbencia convierte la luz en calor en la superficie de la pared y la baja emitancia evita que el calor se irradie hacia el vidrio.

Sistema de estanque en el techo

Un estanque en el techo sistema solar pasivo, a veces llamado techo solar, utiliza el agua almacenada en el techo para templar las temperaturas internas frías y calientes, generalmente en ambientes desérticos. Por lo general, se construye con contenedores que contienen de 6 a 12 pulgadas (150 a 300 mm) de agua en un techo plano. El agua se almacena en grandes bolsas de plástico o contenedores de fibra de vidrio para maximizar las emisiones radiantes y minimizar la evaporación. Se puede dejar sin esmaltar o se puede cubrir con acristalamiento. La radiación solar calienta el agua, que actúa como medio de almacenamiento térmico. Por la noche o cuando está nublado, los contenedores se pueden cubrir con paneles aislantes. El espacio interior debajo del estanque del techo se calienta con la energía térmica emitida por el almacenamiento del estanque del techo que se encuentra arriba. Estos sistemas requieren buenos sistemas de drenaje, aislamiento móvil y un sistema estructural mejorado para soportar una carga muerta de 35 a 70 lb/ft² (1,7 a 3,3 kN/m²)..

Con los ángulos de incidencia de la luz solar durante el día, los estanques de techo solo son efectivos para calentar en latitudes bajas y medias, en climas cálidos a templados. Los sistemas de estanques de techo funcionan mejor para refrescarse en climas cálidos y de baja humedad. No se han construido muchos techos solares y existe información limitada sobre el diseño, el costo, el rendimiento y los detalles de construcción de los techos de almacenamiento térmico.

Sistema solar híbrido directo/indirecto

Kachadorian demostró que los inconvenientes de las paredes de almacenamiento térmico pueden superarse orientando la pared Trombe horizontalmente en lugar de verticalmente. Si la masa de almacenamiento térmico se construye como un piso de losa de concreto ventilado en lugar de una pared, no bloquea la entrada de la luz solar a la casa (la desventaja más obvia de la pared Trombe), pero aún puede estar expuesta a la luz solar directa a través de Ventanas orientadas al ecuador con doble acristalamiento, que pueden aislarse aún más con persianas térmicas o cortinas por la noche. Se elimina el problemático retraso de la pared Trombe en la captura de calor durante el día, porque el calor no tiene que atravesar la pared para llegar al espacio de aire interior: parte de él se refleja o vuelve a irradiar inmediatamente desde el piso. Siempre que la losa tenga canales de aire como el muro Trombe, que la atraviesan en dirección norte-sur y se ventilan al espacio de aire interior a través del piso de la losa de concreto justo dentro de los muros norte y sur, todavía se produce un termosifón de aire vigoroso a través de la losa. como en el muro Trombe vertical, distribuyendo el calor acumulado por toda la casa (y refrescando la casa en verano por el proceso inverso).

La losa horizontal ventilada es menos costosa de construir que los muros Trombe verticales, ya que forma la base de la casa, lo cual es un gasto necesario en cualquier edificio. Los cimientos de losa a nivel del suelo son un componente de construcción común, bien entendido y rentable (modificado solo levemente por la inclusión de una capa de canales de aire de ladrillos de hormigón), en lugar de una construcción exótica de muro Trombe. El único inconveniente que le queda a este tipo de arquitectura solar de masa térmica es la ausencia de sótano, como en cualquier diseño de losa sobre rasante.

El diseño del piso kachadoriano es un sistema solar pasivo de ganancia directa, pero su masa térmica también actúa como un indirecto elemento de calentamiento (o enfriamiento), cediendo su calor durante la noche. Es un sistema de energía híbrido de ciclo alterno, como un vehículo eléctrico híbrido.

Sistema solar aislado

En un sistema solar pasivo de ganancia aislada, los componentes (p. ej., colector y almacenamiento térmico) están aislados del área interior del edificio.

Un espacio solar adjunto, también llamado a veces sala solar o solarium, es un tipo de sistema solar de ganancia aislada con un espacio o habitación interior acristalado que forma parte de un edificio o está adjunto a él, pero que puede estar completamente aislado de las principales áreas ocupadas. Funciona como un invernadero adjunto que hace uso de una combinación de características del sistema de ganancia directa e indirecta. Un espacio solar puede llamarse y parecer un invernadero, pero un invernadero está diseñado para cultivar plantas, mientras que un espacio solar está diseñado para proporcionar calor y estética a un edificio. Los espacios solares son elementos de diseño pasivo muy populares porque amplían las áreas habitables de un edificio y ofrecen un espacio para cultivar plantas y otra vegetación. Sin embargo, en climas moderados y fríos, se requiere calefacción adicional para evitar que las plantas se congelen durante el clima extremadamente frío.

El vidrio orientado hacia el sur de un espacio solar adjunto recolecta energía solar como en un sistema de ganancia directa. El diseño de espacio solar más simple es instalar ventanas verticales sin acristalamiento superior. Los espacios solares pueden experimentar una gran ganancia de calor y una gran pérdida de calor debido a la abundancia de cristales. Aunque el acristalamiento horizontal e inclinado acumula más calor en el invierno, se minimiza para evitar el sobrecalentamiento durante los meses de verano. Aunque el acristalamiento superior puede ser estéticamente agradable, un techo aislado proporciona un mejor rendimiento térmico. Los tragaluces se pueden utilizar para proporcionar algún potencial de iluminación natural. El acristalamiento vertical puede maximizar la ganancia en invierno, cuando el ángulo del sol es bajo, y generar menos ganancia de calor durante el verano. El vidrio vertical es menos costoso, más fácil de instalar y aislar, y no es tan propenso a fugas, empañamiento, rotura y otras fallas del vidrio. Una combinación de vidriado vertical y algo de vidriado inclinado es aceptable si se proporciona sombra en el verano. Un voladizo bien diseñado puede ser todo lo que se necesita para dar sombra al acristalamiento en el verano.

Las variaciones de temperatura causadas por las pérdidas y ganancias de calor pueden moderarse mediante ventanas de baja emisividad y masa térmica. La masa térmica puede incluir un piso de mampostería, un muro de mampostería que bordea la casa o contenedores de agua. La distribución del calor al edificio se puede lograr a través de ventilaciones a nivel del techo y del piso, ventanas, puertas o ventiladores. En un diseño común, la pared de masa térmica situada en la parte posterior del espacio solar adyacente al espacio habitable funcionará como una pared de masa térmica de ganancia indirecta. La energía solar que ingresa al espacio solar se retiene en la masa térmica. El calor solar se transmite al edificio por conducción a través de la pared de masa compartida en la parte trasera del espacio solar y por ventilaciones (como una pared de almacenamiento térmico sin ventilación) o a través de aberturas en la pared que permiten el flujo de aire desde el espacio solar al espacio interior por convección (como una pared de almacenamiento térmico ventilada).

En climas fríos, se debe usar doble acristalamiento para reducir las pérdidas conductivas a través del vidrio hacia el exterior. La pérdida de calor durante la noche, aunque significativa durante los meses de invierno, no es tan esencial en el espacio solar como con los sistemas de ganancia directa, ya que el espacio solar se puede aislar del resto del edificio. En climas templados y fríos, es importante aislar térmicamente el espacio solar del edificio durante la noche. Grandes paneles de vidrio, puertas francesas o puertas corredizas de vidrio entre el edificio y el espacio solar adjunto mantendrán una sensación de apertura sin la pérdida de calor asociada con un espacio abierto.

Un espacio solar con una pared térmica de mampostería necesitará aproximadamente 0,3 pies² de superficie de pared de masa térmica por cada pie² de superficie de suelo que se esté calentando (0,3 m² por m² de superficie construida), dependiendo del clima. Los espesores de pared deben ser similares a los de una pared de almacenamiento térmico. Si se utiliza una pared de agua entre el espacio solar y el espacio habitable, aproximadamente 0,20 pies² de superficie de pared de masa térmica por cada pie² de superficie del suelo que se calienta (0,2 m ² por m² de superficie de suelo) es adecuado. En la mayoría de los climas, se requiere un sistema de ventilación en los meses de verano para evitar el sobrecalentamiento. En general, las grandes áreas de vidrio elevadas (horizontales) y orientadas al este y al oeste no deben usarse en un espacio solar sin precauciones especiales para el sobrecalentamiento de verano, como usar vidrio que refleje el calor y proporcionar áreas de sistemas de sombra para el verano.

Las superficies internas de la masa térmica deben ser de color oscuro. Se puede usar aislamiento móvil (p. ej., cubiertas de ventanas, persianas, persianas) para ayudar a atrapar el aire caliente en el espacio solar, tanto después de que se haya puesto el sol como durante el tiempo nublado. Cuando están cerrados durante los días extremadamente calurosos, las cubiertas de las ventanas pueden ayudar a evitar que el espacio solar se sobrecaliente.

Para maximizar la comodidad y la eficiencia, las paredes, el techo y los cimientos del espacio solar que no sean de vidrio deben estar bien aislados. El perímetro de la pared o losa de cimentación debe aislarse hasta la línea de heladas o alrededor del perímetro de la losa. En un clima templado o frío, las paredes este y oeste del espacio solar deben estar aisladas (sin vidrio).

Medidas adicionales

Deben tomarse medidas para reducir la pérdida de calor durante la noche, p. cubiertas de ventanas o aislamiento de ventanas móviles.

Almacenamiento de calor

El sol no brilla todo el tiempo. El almacenamiento de calor, o masa térmica, mantiene caliente el edificio cuando el sol no puede calentarlo.

En las casas solares diurnas, el almacenamiento está diseñado para uno o varios días. El método habitual es una masa térmica construida a medida. Esto incluye una pared Trombe, un piso de concreto ventilado, una cisterna, una pared de agua o un estanque en el techo. También es factible utilizar la masa térmica de la propia tierra, ya sea tal como está o mediante su incorporación a la estructura mediante bancales o utilizando tierra apisonada como medio estructural.

En áreas subárticas, o áreas que tienen períodos prolongados sin ganancia solar (por ejemplo, semanas de niebla helada), la masa térmica especialmente diseñada es muy costosa. Don Stephens fue pionero en una técnica experimental para usar el suelo como una masa térmica lo suficientemente grande para el almacenamiento de calor anualizado. Sus diseños ejecutan un termosifón aislado de 3 m debajo de una casa y aíslan el suelo con una falda impermeable de 6 m.

Aislamiento

El aislamiento térmico o superaislamiento (tipo, ubicación y cantidad) reduce las fugas de calor no deseadas. Algunos edificios pasivos en realidad están construidos con aislamiento.

Sistemas especiales de acristalamiento y coberturas de ventanas

La eficacia de los sistemas de captación solar directa mejora significativamente con el aislamiento (p. ej., doble acristalamiento), el acristalamiento espectralmente selectivo (baja emisividad) o el aislamiento de ventanas móviles (colchas para ventanas, persianas de aislamiento interior plegables, persianas, etc.).

Por lo general, las ventanas que dan al ecuador no deben emplear revestimientos de vidriado que inhiban la ganancia solar.

Hay un uso extensivo de ventanas súper aisladas en el estándar alemán de casas pasivas. La selección de diferentes revestimientos de ventana espectralmente selectivos depende de la proporción de grados día de calentamiento versus enfriamiento para la ubicación de diseño.

Selección de acristalamiento

Vidrio orientado al ecuador

El requisito para el vidrio orientado hacia el ecuador vertical es diferente de los otros tres lados de un edificio. Los revestimientos de ventanas reflectantes y múltiples paneles de vidrio pueden reducir la ganancia solar útil. Sin embargo, los sistemas de ganancia directa dependen más del doble o triple acristalamiento o incluso del cuádruple acristalamiento en latitudes geográficas más altas para reducir la pérdida de calor. Las configuraciones de ganancia indirecta y ganancia aislada aún pueden funcionar de manera efectiva con solo un acristalamiento de un solo panel. No obstante, la solución rentable óptima depende tanto de la ubicación como del sistema.

Vidrio de ángulo de techo y tragaluces

Los tragaluces admiten la luz solar directa intensa y el resplandor, ya sea horizontalmente (un techo plano) o inclinados en el mismo ángulo que la pendiente del techo. En algunos casos, los lucernarios horizontales se utilizan con reflectores para aumentar la intensidad de la radiación solar (y el deslumbramiento severo), dependiendo del ángulo de incidencia del techo. Cuando el sol de invierno está bajo en el horizonte, la mayor parte de la radiación solar se refleja en el vidrio inclinado del techo (el ángulo de incidencia es casi paralelo al vidrio inclinado del techo por la mañana y por la tarde). Cuando el sol de verano está alto, es casi perpendicular al vidrio en ángulo del techo, lo que maximiza la ganancia solar en el momento equivocado del año y actúa como un horno solar. Los tragaluces deben estar cubiertos y bien aislados para reducir la pérdida de calor por convección natural (aire caliente que asciende) en las frías noches de invierno y la intensa ganancia de calor solar durante los días calurosos de primavera/verano/otoño.

El lado de un edificio que mira hacia el ecuador está al sur en el hemisferio norte y al norte en el hemisferio sur. Los tragaluces en los techos que miran hacia el lado opuesto al ecuador brindan principalmente iluminación indirecta, excepto en los días de verano cuando el sol puede salir en el lado del edificio que no está en el ecuador (en algunas latitudes). Los tragaluces en los techos orientados al este proporcionan la máxima ganancia de luz directa y calor solar en las mañanas de verano. Los tragaluces orientados al oeste brindan luz solar por la tarde y ganancia de calor durante la parte más calurosa del día.

Algunos tragaluces tienen cristales costosos que reducen parcialmente la ganancia de calor solar en verano, al mismo tiempo que permiten cierta transmisión de luz visible. Sin embargo, si la luz visible puede pasar a través de él, también puede ganar algo de calor radiante (ambas son ondas de radiación electromagnética).

Puede reducir parcialmente parte de la ganancia de calor solar de verano no deseada del acristalamiento en ángulo del techo instalando una claraboya a la sombra de los árboles de hoja caduca (que arrojan hojas) o agregando una cubierta de ventana opaca aislada móvil en el interior o el exterior. del tragaluz. Esto eliminaría el beneficio de la luz del día en el verano. Si las ramas de los árboles cuelgan sobre un techo, aumentarán los problemas con las hojas en las canaletas de lluvia, posiblemente causen acumulaciones de hielo que dañen el techo, acorten la vida útil del techo y proporcionen un camino más fácil para que las plagas ingresen a su ático. Las hojas y ramitas en los tragaluces son poco atractivas, difíciles de limpiar y pueden aumentar el riesgo de rotura del vidriado en tormentas de viento.

"Acristalamiento de techo de diente de sierra" con solo vidrio vertical puede llevar algunos de los beneficios del diseño de edificios solares pasivos al núcleo de un edificio comercial o industrial, sin la necesidad de vidrios en ángulo o tragaluces en el techo.

Los tragaluces proporcionan luz natural. La única vista que proporcionan es esencialmente directa en la mayoría de las aplicaciones. Los tubos de luz bien aislados pueden llevar la luz del día a las habitaciones del norte, sin usar una claraboya. Un invernadero solar pasivo proporciona abundante luz natural para el lado ecuatorial del edificio.

Las cámaras termográficas en color de termografía infrarroja (utilizadas en auditorías energéticas formales) pueden documentar rápidamente el impacto térmico negativo del vidrio en ángulo del techo o una claraboya en una fría noche de invierno o un caluroso día de verano.

El Departamento de Energía de EE. UU. afirma: "el acristalamiento vertical es la mejor opción general para los espacios solares". El vidrio en ángulo del techo y el vidrio de las paredes laterales no se recomiendan para los espacios solares pasivos.

El DOE de EE. UU. explica los inconvenientes del acristalamiento en ángulo del techo: el vidrio y el plástico tienen poca resistencia estructural. Cuando se instala verticalmente, el vidrio (o el plástico) soporta su propio peso porque solo una pequeña área (el borde superior del acristalamiento) está sujeta a la gravedad. Sin embargo, a medida que el vidrio se inclina fuera del eje vertical, un área mayor (ahora la sección transversal inclinada) del acristalamiento tiene que soportar la fuerza de la gravedad. El vidrio también es frágil; no se flexiona mucho antes de romperse. Para contrarrestar esto, generalmente debe aumentar el grosor del acristalamiento o aumentar la cantidad de soportes estructurales para sostener el acristalamiento. Ambos aumentan el costo total y el último reducirá la cantidad de ganancia solar en el espacio solar.

Otro problema común con el acristalamiento inclinado es su mayor exposición a la intemperie. Es difícil mantener un buen sellado en el techo de vidrio en ángulo bajo la luz solar intensa. El granizo, el aguanieve, la nieve y el viento pueden causar la falla del material. Para la seguridad de los ocupantes, las agencias reguladoras generalmente requieren que el vidrio inclinado esté hecho de vidrio de seguridad, laminado o una combinación de estos, lo que reduce el potencial de ganancia solar. La mayor parte del vidrio en ángulo del techo en el espacio solar del Crowne Plaza Hotel Orlando Airport fue destruido en una sola tormenta de viento. El vidrio en ángulo del techo aumenta el costo de construcción y puede aumentar las primas de seguro. El vidrio vertical es menos susceptible al daño del clima que el vidrio en ángulo del techo.

Es difícil controlar la ganancia de calor solar en un espacio solar con cristales inclinados durante el verano e incluso en medio de un día de invierno templado y soleado. Los tragaluces son la antítesis de la refrigeración solar pasiva de edificios de energía cero en climas con requisitos de aire acondicionado.

Ángulo de radiación incidente

La cantidad de ganancia solar transmitida a través del vidrio también se ve afectada por el ángulo de la radiación solar incidente. La luz solar que incide sobre una sola hoja de vidrio dentro de los 45 grados de la perpendicular se transmite principalmente (se refleja menos del 10 %), mientras que para la luz solar que incide a 70 grados de la perpendicular, se refleja más del 20 % de la luz, y por encima de los 70 grados, este porcentaje reflejado aumenta considerablemente..

Todos estos factores se pueden modelar de forma más precisa con un fotómetro fotográfico y un heliodón o banco óptico, que puede cuantificar la relación entre la reflectividad y la transmisividad, en función del ángulo de incidencia.

Como alternativa, el software informático solar pasivo puede determinar el impacto de la trayectoria del sol y los grados día de refrigeración y calefacción en el rendimiento energético.

Dispositivos de protección solar y aislamiento operables

Un diseño con demasiado vidrio orientado hacia el ecuador puede provocar una calefacción excesiva durante el invierno, la primavera o el otoño, espacios habitables incómodamente iluminados en ciertas épocas del año y una transferencia de calor excesiva en las noches de invierno y los días de verano.

Aunque el sol está a la misma altitud 6 semanas antes y después del solsticio, los requisitos de calefacción y refrigeración antes y después del solsticio son significativamente diferentes. El almacenamiento de calor en la superficie de la Tierra provoca un "retraso térmico". La nubosidad variable influye en el potencial de ganancia solar. Esto significa que los voladizos de ventana fijos específicos de la latitud, si bien son importantes, no son una solución completa para el control de la ganancia solar estacional.

Los mecanismos de control (como cortinas aislantes interiores manuales o motorizadas, persianas, pantallas de sombra enrollables exteriores o toldos retráctiles) pueden compensar las diferencias causadas por el retraso térmico o la nubosidad, y ayudar a controlar la ganancia solar diaria/por hora. variaciones de requisitos.

Los sistemas de automatización del hogar que controlan la temperatura, la luz solar, la hora del día y la ocupación de la habitación pueden controlar con precisión los dispositivos motorizados de persianas y aislamiento de ventanas.

Colores exteriores que reflejan – absorben

Se pueden elegir materiales y colores para reflejar o absorber la energía solar térmica. El uso de información sobre un color para la radiación electromagnética para determinar sus propiedades de radiación térmica de reflexión o absorción puede ayudar en las elecciones.
Consulte Lawrence Berkeley National Laboratory y Oak Ridge National Laboratory: "Cool Colors"

En climas fríos con días de invierno cortos, los sistemas de ganancia directa que utilizan ventanas orientadas hacia el ecuador pueden funcionar mejor cuando la nieve cubre el suelo, ya que la luz solar directa y reflejada entrará en la casa y será capturada como calor.

Paisajismo y jardines

Los materiales de paisajismo energéticamente eficientes para elecciones solares pasivas cuidadosas incluyen material de construcción de paisajismo y "paisaje suave" plantas. El uso de los principios de diseño del paisaje para la selección de árboles, setos y elementos de pérgola enrejada con enredaderas; todos pueden usarse para crear sombreado de verano. Para ganar energía solar en invierno, es deseable usar plantas de hoja caduca que dejen caer sus hojas en otoño y brinden beneficios solares pasivos durante todo el año. Los arbustos y árboles de hoja perenne no caducos pueden ser cortavientos, a alturas y distancias variables, para crear protección y refugio contra la sensación térmica invernal. Xeriscaping con 'tamaño maduro apropiado' las especies nativas de plantas tolerantes a la sequía, el riego por goteo, el acolchado y las prácticas de jardinería orgánica reducen o eliminan la necesidad de riego intensivo en energía y agua, equipos de jardín a gas y reducen la huella de desechos en los vertederos. La iluminación de jardines con energía solar y las bombas de las fuentes, y las piscinas cubiertas y las piscinas de inmersión con calentadores de agua solares pueden reducir el impacto de dichos servicios.

• Jardinería sostenible
• paisajismo sostenible
• Arquitectura paisajística sostenible

Otros principios solares pasivos

Iluminación solar pasiva

Las técnicas de iluminación solar pasiva mejoran el aprovechamiento de la iluminación natural para interiores y, por lo tanto, reducen la dependencia de los sistemas de iluminación artificial.

Esto se puede lograr mediante un diseño cuidadoso del edificio, la orientación y la colocación de las secciones de las ventanas para recoger la luz. Otras soluciones creativas implican el uso de superficies reflectantes para admitir la luz del día en el interior de un edificio. Las secciones de las ventanas deben tener el tamaño adecuado y, para evitar la iluminación excesiva, pueden protegerse con un Brise soleil, toldos, árboles bien ubicados, revestimientos de vidrio y otros dispositivos pasivos y activos.

Otro problema importante para muchos sistemas de ventanas es que pueden ser sitios potencialmente vulnerables de ganancia o pérdida de calor excesivas. Mientras que la ventana del triforio montada en alto y los tragaluces tradicionales pueden introducir la luz del día en secciones mal orientadas de un edificio, la transferencia de calor no deseada puede ser difícil de controlar. Por lo tanto, la energía que se ahorra al reducir la iluminación artificial a menudo se ve más que compensada por la energía requerida para operar los sistemas HVAC para mantener el confort térmico.

Se pueden emplear varios métodos para abordar esto, incluidos, entre otros, cubiertas de ventanas, vidrios aislantes y materiales novedosos como aislamiento semitransparente de aerogel, fibra óptica incrustada en paredes o techos o iluminación solar híbrida en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

Los elementos reflectantes, de colectores de luz diurna activos y pasivos, como estantes de luz, colores de paredes y pisos más claros, secciones de paredes espejadas, paredes interiores con paneles superiores de vidrio y puertas con bisagras de vidrio transparente o translúcido y puertas corredizas de vidrio toman la luz capturada y pasivamente reflejarlo más adentro. La luz puede provenir de ventanas pasivas o tragaluces y tubos de luz solar o de fuentes activas de luz diurna. En la arquitectura tradicional japonesa las puertas correderas Shōji, con mamparas Washi translúcidas, son un original precedente. El estilo internacional, el modernismo y la arquitectura moderna de mediados de siglo fueron los primeros innovadores de esta penetración y reflexión pasiva en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.

Calentamiento de agua solar pasivo

Hay muchas formas de utilizar la energía solar térmica para calentar agua para uso doméstico. Las diferentes tecnologías activas y pasivas de agua caliente solar tienen diferentes implicaciones de análisis de costo-beneficio económico específicas de la ubicación.

El calentamiento de agua caliente solar pasivo fundamental no implica bombas ni nada eléctrico. Es muy rentable en climas que no tienen temperaturas bajo cero prolongadas o condiciones climáticas muy nubladas. Otras tecnologías activas de calentamiento solar de agua, etc. pueden ser más apropiadas para algunos lugares.

Es posible tener agua caliente solar activa que también es capaz de ser "fuera de la red" y califica como sostenible. Esto se hace mediante el uso de una celda fotovoltaica que utiliza la energía del sol para alimentar las bombas.

Comparación con el estándar Passive House en Europa

Hay un impulso creciente en Europa por el enfoque adoptado por el Instituto de Casa Pasiva (Passivhaus en alemán) en Alemania. En lugar de depender únicamente de las técnicas tradicionales de diseño solar pasivo, este enfoque busca hacer uso de todas las fuentes pasivas de calor, minimiza el uso de energía y enfatiza la necesidad de altos niveles de aislamiento reforzados por una atención meticulosa a los detalles para abordar los puentes térmicos y infiltración de aire frío. La mayoría de los edificios construidos con el estándar Passive House también incorporan una unidad de ventilación de recuperación de calor activa con o sin un pequeño componente de calefacción incorporado (típicamente 1 kW).

El diseño energético de los edificios Passive House se desarrolla utilizando una herramienta de modelado basada en una hoja de cálculo llamada Passive House Planning Package (PHPP) que se actualiza periódicamente. La versión actual es PHPP 9.6 (2018). Un edificio puede ser certificado como "Casa Pasiva" cuando se puede demostrar que cumple con ciertos criterios, siendo el más importante que la demanda anual específica de calor de la casa no debe exceder los 15kWh/m²a.

Comparación con el edificio de calefacción cero

Con los avances en el acristalamiento de valor U ultrabajo, se propone un edificio de calefacción (casi) cero basado en una casa pasiva para reemplazar los edificios de consumo de energía casi nulo aparentemente fallidos en la UE. El edificio de calefacción cero reduce el diseño solar pasivo y hace que el edificio esté más abierto al diseño arquitectónico convencional. La demanda de calor específica anual para la casa de calefacción cero no debe exceder los 3 kWh/m²a. El edificio de calefacción cero es más simple de diseñar y operar. Por ejemplo: no hay necesidad de protección solar modulada en casas de calefacción cero.

Herramientas de diseño

Tradicionalmente, se usaba un heliodón para simular la altitud y el azimut del sol que brilla en un edificio modelo en cualquier momento de cualquier día del año. En los tiempos modernos, los programas de computadora pueden modelar este fenómeno e integrar los datos climáticos locales (incluidos los impactos del sitio, como el ensombrecimiento y las obstrucciones físicas) para predecir el potencial de ganancia solar para un diseño de edificio en particular en el transcurso de un año. Las aplicaciones de teléfonos inteligentes basadas en GPS ahora pueden hacer esto de forma económica en un dispositivo de mano. Estas herramientas de diseño brindan al diseñador solar pasivo la capacidad de evaluar las condiciones locales, los elementos de diseño y la orientación antes de la construcción. La optimización del rendimiento energético normalmente requiere un proceso de diseño y evaluación de refinamiento iterativo. No existe tal cosa como un "talla única" diseño universal de edificios solares pasivos que funcionaría bien en todos los lugares.

Niveles de aplicación

Muchas casas suburbanas independientes pueden lograr reducciones en los gastos de calefacción sin cambios evidentes en su apariencia, comodidad o facilidad de uso. Esto se logra utilizando una buena ubicación y posicionamiento de las ventanas, pequeñas cantidades de masa térmica, con un aislamiento bueno pero convencional, climatización y una fuente de calor suplementaria ocasional, como un radiador central conectado a un calentador de agua (solar). Los rayos del sol pueden caer sobre una pared durante el día y elevar la temperatura de su masa térmica. Esto luego irradiará calor al edificio por la noche. Se puede usar protección solar externa, o una barrera radiante más espacio de aire, para reducir la ganancia solar indeseable en el verano.

Una extensión de la "solar pasiva" enfoque de la captación solar estacional y el almacenamiento de calor y refrigeración. Estos diseños intentan capturar el calor solar de la estación cálida y transportarlo a un almacén térmico estacional para usarlo meses más tarde durante la estación fría ("solar pasiva anual"). Se logra un mayor almacenamiento empleando grandes cantidades de masa térmica o acoplamiento a tierra. Los informes anecdóticos sugieren que pueden ser efectivos, pero no se ha realizado ningún estudio formal para demostrar su superioridad. El enfoque también puede trasladar el enfriamiento a la estación cálida. Ejemplos:

• Almacenamiento anual de calor pasivo (PAHS) – por John Hait
• Calefacción geotérmica anualizada (AGS) – por Don Stephen
• Terrestre-roof

Un "puramente pasivo" la casa calentada por energía solar no tendría una unidad de horno mecánico, sino que dependería de la energía capturada de la luz solar, solo complementada con energía "incidental" energía térmica emitida por luces, computadoras y otros electrodomésticos para tareas específicas (como los que se usan para cocinar, entretenerse, etc.), ducharse, personas y mascotas. El uso de corrientes de aire de convección natural (en lugar de dispositivos mecánicos como ventiladores) para hacer circular el aire está relacionado, aunque no estrictamente, con el diseño solar. El diseño de edificios solares pasivos a veces utiliza controles eléctricos y mecánicos limitados para operar amortiguadores, persianas aislantes, cortinas, toldos o reflectores. Algunos sistemas incluyen pequeños ventiladores o chimeneas calentadas por energía solar para mejorar el flujo de aire convectivo. Una forma razonable de analizar estos sistemas es midiendo su coeficiente de rendimiento. Una bomba de calor podría usar 1 J por cada 4 J que entrega, lo que da un COP de 4. Un sistema que solo usa un ventilador de 30 W para distribuir de manera más uniforme 10 kW de calor solar por toda la casa tendría un COP de 300.

El diseño de edificios solares pasivos suele ser un elemento fundamental de un edificio rentable de energía cero. Aunque una ZEB utiliza múltiples conceptos de diseño de edificios solares pasivos, una ZEB generalmente no es puramente pasiva, ya que tiene sistemas activos de generación de energía renovable mecánica como: turbina eólica, fotovoltaica, micro hidro, geotérmica y otras fuentes de energía alternativas emergentes. La energía solar pasiva también es una estrategia central de diseño de edificios para la supervivencia pasiva, junto con otras estrategias pasivas.

Diseño solar pasivo en rascacielos

Ha habido un interés reciente en la utilización de grandes cantidades de superficie en los rascacielos para mejorar su eficiencia energética general. Debido a que los rascacielos son cada vez más omnipresentes en entornos urbanos, pero requieren grandes cantidades de energía para funcionar, existe la posibilidad de grandes cantidades de ahorro de energía empleando técnicas de diseño solar pasivo. Un estudio, que analizó la torre propuesta 22 Bishopsgate en Londres, encontró que teóricamente se puede lograr una disminución de la demanda de energía del 35 % a través de ganancias solares indirectas, girando el edificio para lograr una ventilación óptima y penetración de la luz del día, utilizando material de piso de alta masa térmica. para disminuir la fluctuación de temperatura dentro del edificio, y usar vidrio de ventana de baja emisividad de doble o triple acristalamiento para la captación solar directa. Las técnicas de ganancia solar indirecta incluyeron la moderación del flujo de calor de la pared mediante variaciones del grosor de la pared (de 20 a 30 cm), el uso de cristales en las ventanas del espacio exterior para evitar la pérdida de calor, la dedicación del 15 % al 20 % de la superficie del suelo para el almacenamiento térmico y la implementación de un Trombe pared para absorber el calor que ingresa al espacio. Los voladizos se utilizan para bloquear la luz solar directa en verano y permitirla en invierno, y se insertan persianas que reflejan el calor entre la pared térmica y el acristalamiento para limitar la acumulación de calor en los meses de verano.

Otro estudio analizó la fachada de doble piel verde (DGSF) en el exterior de edificios de gran altura en Hong Kong. Tal fachada verde, o vegetación que cubre las paredes exteriores, puede combatir el uso de aire acondicionado en gran medida, hasta en un 80%, según descubrieron los investigadores.

En climas más templados, las estrategias como el acristalamiento, el ajuste de la relación ventana-pared, la protección solar y las estrategias del techo pueden ofrecer ahorros de energía considerables, en el rango del 30 % al 60 %.