Pared trombe

Un muro Trombe es un muro macizo orientado hacia el ecuador que está pintado de un color oscuro para absorber la energía térmica de la luz solar incidente y cubierto con un vidrio en el exterior con un espacio de aire aislante entre la pared y el esmalte. Un muro Trombe es una estrategia de diseño de edificios solares pasivos que adopta el concepto de ganancia indirecta, donde la luz del sol golpea primero una superficie de recolección de energía solar que cubre la masa térmica ubicada entre el Sol y el espacio. La luz solar absorbida por la masa se convierte en energía térmica (calor) y luego se transfiere al espacio habitable.

Los muros Trombe también se denominan muros masivos, muros solares o muros de almacenamiento térmico. Sin embargo, debido al extenso trabajo del profesor Félix Trombe y el arquitecto Jacques Michel en el diseño de estructuras solares con calefacción y refrigeración pasivas, a menudo se les llama Trombe Walls.

Este sistema es similar al calentador de aire (como una simple caja vidriada en la pared sur con un absorbente oscuro, espacio de aire y dos conjuntos de ventilaciones en la parte superior e inferior) creado por el profesor Edward S. Morse hace cien años..

Historia de los sistemas solares pasivos y evolución de las paredes de Trombe

En la década de 1920, la idea de la calefacción solar comenzó en Europa. En Alemania, los proyectos de vivienda se diseñaron para aprovechar el sol. La investigación y la experiencia acumulada con el diseño solar luego se extendió al otro lado del Atlántico por arquitectos como Walter Gropius y Marcel Breuer. Aparte de estos primeros ejemplos, la calefacción de las casas con el sol avanzó lentamente hasta la década de 1930, cuando varios arquitectos estadounidenses comenzaron a explorar el potencial de la calefacción solar. El trabajo pionero de estos arquitectos estadounidenses, la influencia de los inmigrantes europeos y el recuerdo de la escasez de combustible durante la guerra hicieron que la calefacción solar fuera muy popular durante el auge inmobiliario inicial al final de la Segunda Guerra Mundial.

Más tarde, en la década de 1970, antes y después de la crisis internacional del petróleo de 1973, algunas publicaciones periódicas de arquitectura europeas criticaron los métodos de construcción estándar y la arquitectura de la época. Describieron cómo los arquitectos e ingenieros reaccionaron ante la crisis, proponiendo nuevas técnicas y proyectos para intervenir de manera innovadora en el entorno construido, utilizando la energía y los recursos naturales de manera más eficiente. Además, el agotamiento de las fuentes naturales generó interés en las fuentes de energía renovables, como el sol. Además, paralelamente al crecimiento de la población mundial, el consumo de energía y los problemas medioambientales se convierten en una preocupación mundial, especialmente cuando el sector de la construcción consume la mayor cantidad de energía del mundo y la mayor parte de la energía se utiliza para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Por estas razones, se espera que los edificios actuales logren un diseño eficiente desde el punto de vista energético y respetuoso con el medio ambiente mediante el uso parcial o total de energía renovable en lugar de energía fósil para calefacción y refrigeración. En esta dirección, la integración de sistemas solares pasivos en edificios es una estrategia de desarrollo sostenible y cada vez más alentada por las normativas internacionales.

Los edificios actuales de bajo consumo energético con paredes Trombe a menudo mejoran la técnica antigua que incorpora un sistema de almacenamiento y suministro térmico que la gente ha usado: gruesas paredes de adobe o piedra para atrapar el calor del sol durante la día y liberarlo lenta y uniformemente por la noche para calentar su edificio. Hoy, el muro Trombe continúa sirviendo como una estrategia efectiva de diseño solar pasivo. El conocido ejemplo del sistema de paredes Trombe se utilizó por primera vez en la casa Trombe en Odeillo, Francia, en 1967. La pared pintada de negro está construida con hormigón de aproximadamente 2 pies de espesor con un espacio de aire y doble acristalamiento en su lado exterior. La casa se calienta principalmente por radiación y convección desde la superficie interior del muro de hormigón y los resultados de los estudios muestran que el 70 % de las necesidades anuales de calefacción de este edificio son abastecidas por energía solar. Por lo tanto, la eficiencia del sistema es comparable a un buen sistema de calefacción solar activo. La energía fotovoltaica, fotovoltaica para la producción eléctrica, convierte entre un 15 % y un 20 % de la radiación en energía. Lo que significa que su eficiencia energética es baja: se pierde el 85 % de la radiación solar. Mientras que el colector solar térmico, Trombe Wall puede convertir el 70%-80% de la radiación solar en calor, lo que significa que es mucho más eficiente energéticamente y su producción de calor es poderosa.

Luego se construye otro colector-distribuidor pasivo Trombe Wall en 1970, en Montmedy, Francia. La casa con 280 m³ de espacio habitable requería 7000 kWh para la calefacción de espacios al año. En Montmedy, entre 49° y 50° de latitud norte, 5400 kWh fueron suministrados por calefacción solar y el resto por un sistema eléctrico auxiliar. El costo anual de calefacción por electricidad fue de aproximadamente $225 en comparación con un estimado de $750 para una casa totalmente calentada por electricidad en la misma área. Esto produce una reducción del 77 % en la carga de calefacción y una reducción del 70 % en el costo de los requisitos de calefacción en invierno.

En 1974, se utiliza el primer ejemplo del sistema de pared Trombe en Kelbaugh House en Princeton, Nueva Jersey. La casa está ubicada a lo largo del límite norte del sitio para maximizar el acceso sin sombra a la luz solar disponible. El edificio de dos pisos tiene 600 ft² de muro de almacenamiento térmico que está construido de concreto y pintado con una pintura negra selectiva sobre un sellador de mampostería. Aunque el calentamiento principal se logra por radiación y convección desde la cara interna de la pared, dos respiraderos en la pared también permiten el calentamiento durante el día por el circuito de convección natural. Según los datos recopilados en los inviernos de 1975-1976 y 1976-1977, el sistema de paredes Trombe redujo los costos de calefacción respectivamente en un 76 % y un 84 %.

La pared Trombe recoge calor durante el día.

Debido a la falta de tiempo de la pared causada por la capacidad de calor del material de la pared, la mayor parte del calor se libera por la noche.

Cómo funcionan las paredes Trombe

A diferencia de un sistema solar activo que emplea hardware y equipos mecánicos para recolectar o transportar calor, Trombe wall es un sistema pasivo de calefacción solar donde la energía térmica fluye en el sistema por medios naturales como radiación, conducción y convección natural. Como consecuencia, el muro funciona absorbiendo la luz del sol en su cara exterior y luego transfiriendo este calor a través del muro por conducción. Luego, el calor conducido a través de la pared se distribuye al espacio habitable por radiación, y hasta cierto punto por convección, desde la superficie interior de la pared.

El efecto invernadero ayuda a este sistema al atrapar la radiación solar entre el acristalamiento y la masa térmica. El calor del sol, en forma de radiación de longitud de onda más corta, pasa a través del acristalamiento en gran medida sin obstáculos. Cuando esta radiación golpea la superficie de color oscuro de la masa térmica que mira hacia el sol, la energía se absorbe y luego se vuelve a emitir en forma de radiación de longitud de onda más larga que no puede atravesar el acristalamiento con tanta facilidad. Por lo tanto, el calor queda atrapado y se acumula en el espacio de aire entre la masa térmica de alta capacidad calorífica y el acristalamiento que mira hacia el sol.

Otro fenómeno que influye en el funcionamiento del muro Trombe es el desfase temporal provocado por la capacidad calorífica de los materiales. Dado que las paredes de Trombe son bastante gruesas y están hechas de materiales de alta capacidad calorífica, el flujo de calor desde la superficie exterior más cálida hacia la superficie interior es más lento que otros materiales con menor capacidad calorífica. Este fenómeno de flujo de calor retardado se conoce como time lag y hace que el calor ganado durante el día llegue más tarde a la superficie interior de la masa térmica. Esta propiedad de la masa también ayuda a calentar el espacio habitable por las noches. Entonces, si hay suficiente masa, la pared puede actuar como un calentador radiante durante toda la noche. Por otro lado, si la masa es demasiado gruesa, tarda demasiado en transmitir la energía térmica que recoge, por lo que el espacio habitable no recibe suficiente calor durante las horas de la tarde cuando más se necesita. Asimismo, si la masa térmica es demasiado delgada, transmite el calor rápidamente, lo que provoca un sobrecalentamiento del espacio habitable durante el día y queda poca energía para la noche. Además, las paredes Trombe que utilizan agua como masa térmica recogen y distribuyen el calor a un espacio de la misma manera, pero transfieren el calor a través de los componentes de la pared (tubos, botellas, barriles, tambores, etc.) por convección en lugar de por conducción. y el rendimiento de convección de las paredes de agua difiere según sus diferentes capacidades caloríficas. Los volúmenes de almacenamiento más grandes brindan una mayor capacidad de almacenamiento de calor a largo plazo, mientras que los volúmenes contenidos más pequeños brindan mayores superficies de intercambio de calor y, por lo tanto, una distribución más rápida.

Diseño y construcción

Los muros Trombe a menudo se diseñan para servir como una función de soporte de carga, así como para recolectar y almacenar la energía del sol y para ayudar a encerrar los espacios interiores del edificio. Los requisitos de un Muro Trombe son áreas de acristalamiento orientadas hacia el ecuador para obtener la máxima ganancia solar invernal y una masa térmica, ubicada a 4 pulgadas o más directamente detrás del vidrio, que sirve para el almacenamiento y la distribución de calor. Además, hay muchos factores, como el color, el grosor o los dispositivos de control térmico adicionales que tienen un impacto en el diseño y la eficacia de las paredes Trombe. Ecuatorial, que está hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur, es la mejor rotación para las estrategias solares pasivas porque captan mucho más sol durante el día del que pierden durante la noche, y recogen mucho más sol en invierno que en invierno. el verano.

Una pared de agua con 55-Gallon Water Filled Drums, Corrales, Nuevo México, EE.UU.

La primera estrategia de diseño para aumentar la eficacia de Trombe Walls es pintar la superficie exterior de la pared de negro (o un color oscuro) para lograr la mejor absorción posible de la luz solar. Además, un revestimiento selectivo de una pared Trombe mejora su rendimiento al reducir la cantidad de energía infrarroja que se irradia a través del vidrio. La superficie selectiva consiste en una hoja de lámina metálica pegada a la superficie exterior de la pared y 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 del sol en calor en la superficie de la pared y la baja emitancia evita que el calor se irradie hacia el vidrio.

Aunque las paredes de Trombe suelen estar hechas de materiales sólidos, como hormigón, ladrillo, piedra o adobe, también pueden ser de agua. La ventaja de usar agua como masa térmica es que el agua almacena considerablemente más calor por volumen (tiene una mayor capacidad calorífica) que la mampostería. El desarrollador de este muro de agua, Steve Bare, llama a este sistema "Drum Wall". Pintó los contenedores de acero similares a bidones de aceite y los llenó casi por completo de agua, dejando algo de espacio para la expansión térmica. Luego apiló los contenedores horizontalmente detrás de un doble acristalamiento orientado hacia el ecuador con los fondos ennegrecidos hacia el exterior. Este muro de agua involucra los mismos principios que los muros Trombe pero emplea un material de almacenamiento diferente y diferentes métodos para contener ese material. Al igual que la masa térmica de color oscuro de las paredes de Trombe, los recipientes que almacenan el agua también se pintan con frecuencia con colores oscuros para aumentar su capacidad de absorción, pero también es común dejarlos transparentes o translúcidos para permitir el paso de la luz del día.

Otra parte crítica del diseño de la pared Trombe es elegir el material y el espesor de la masa térmica adecuados. El grosor óptimo de la masa térmica depende de la capacidad calorífica y la conductividad térmica del material utilizado. Hay algunas reglas a seguir al dimensionar la masa térmica.

Efecto de la pared de la masa térmica Thickness en las fluctuaciones de la temperatura del aire del espacio vivo. Mazria, E.

Una pared de media altura permite una ganancia directa controlada para la calefacción diurna y la iluminación diurna, mientras que también guarda calor para la noche.

- El grosor óptimo de una pared de mampostería aumenta a medida que aumenta la conductividad térmica del material de la pared. Por ejemplo, para compensar una rápida transferencia de calor a través de un material altamente conductor, la pared debe ser más gruesa.

En consecuencia, dado que la pared más gruesa absorbe y almacena más calor para usar durante la noche, la eficiencia de la pared aumenta a medida que aumentan la conductividad y el grosor de la pared.

Existe un rango de espesor óptimo para los materiales de mampostería.

La eficiencia de la pared de agua aumenta a medida que aumenta el grosor de la pared. Sin embargo, es difícil notar un aumento considerable en el rendimiento a medida que las paredes superan las 6 pulgadas de grosor. Probablemente, una pared de agua más delgada de 6 pulgadas tampoco es suficiente para actuar como una masa térmica adecuada que almacena el calor durante el día.

En el diseño temprano de la pared de Trombe, hay rejillas de ventilación en las paredes para distribuir el calor por convección natural (termocirculación) desde la cara exterior de la pared, pero solo durante el día y al anochecer. La radiación solar que atraviesa el vidrio es absorbida por la pared que calienta su superficie a una temperatura de hasta 150 °F. Este calor se transfiere al aire en el espacio de aire entre la pared y el vidrio. A través de las aberturas o rejillas de ventilación ubicadas en la parte superior de la pared, el aire caliente que sube en el espacio de aire ingresa a la habitación y, al mismo tiempo, atrae el aire frío de la habitación a través de las rejillas de ventilación bajas en la pared. De esta manera, se puede suministrar calor adicional a la vivienda durante los períodos de tiempo soleado. Sin embargo, ahora está claro que las rejillas de ventilación no funcionan bien ni en verano ni en invierno. Se vuelve más común diseñar un medio Trombe Wall y luego combinarlo con un sistema de ganancia directa. La parte de ganancia directa proporciona calor a primera hora del día, mientras que la pared Trombe almacena calor para el uso nocturno. Además, a diferencia de una pared Trombe completa, la parte de ganancia directa permite vistas y el deleite del sol de invierno.

Un edificio que utiliza la pared de Trombe como estrategia solar pasiva en Hopfgarten, Austria.

Una escuela con muro de Trombe en Salta, Argentina.

Para minimizar los posibles inconvenientes del sistema de pared Trombe, existen estrategias de control térmico adicionales para emplear en el diseño de la pared. Por ejemplo, la distancia mínima de 4 pulgadas entre el vidrio y la masa permite limpiar el acristalamiento y la inserción de una barrera radiante enrollable según sea necesario. Agregar una barrera radiante o aislamiento nocturno entre el acristalamiento y la masa térmica reduce las pérdidas de calor durante la noche y las ganancias de calor durante el día en verano. Sin embargo, para evitar el sobrecalentamiento en los veranos, lo mejor sería combinar esta estrategia con un dispositivo de sombra exterior como una contraventana, un voladizo del techo o una sombra interior para bloquear la radiación solar excesiva que calienta la pared Trombe. Otra estrategia que ayuda a beneficiarse de la captación solar sin algunos de los inconvenientes de las paredes Trombe es utilizar reflectores exteriores tipo espejo. El área reflejada adicional ayuda a las paredes de Trombe a beneficiarse más de la luz solar con la flexibilidad de quitar o rotar el dispositivo reflector si no se desea la captación solar.

Cuando se comparan tres fachadas de muros Trombe diferentes con vidrio simple, vidrio doble y un módulo fotovoltaico semitransparente integrado en climas cálidos y húmedos, el vidrio simple proporciona la mayor ganancia de radiación solar debido a su mayor eficiencia de ganancia de calor solar. No obstante, se recomienda utilizar el monocristal con persiana para los horarios vespertinos y nocturnos, para compensar sus pérdidas de calor. El acristalamiento de alta transmisión maximiza las ganancias solares del muro Trombe al mismo tiempo que permite reconocer el ladrillo oscuro, las piedras naturales, los recipientes de agua u otro atractivo sistema de masa térmica detrás del acristalamiento. Sin embargo, desde una perspectiva estética, a veces no es deseable distinguir la masa térmica negra. Como detalle arquitectónico, se puede usar vidrio estampado para limitar la visibilidad exterior de la pared oscura sin sacrificar la transmisividad.

El muro Trombe más grande del noreste de los Estados Unidos se encuentra en el edificio de ingeniería mecánica de NJIT, 200 Central Avenue, Newark, NJ.

Ventajas y desventajas

Ventajas

• Las oscilaciones de temperatura interior son de 10 °F a 15 °F menos con sistemas de ganancia indirecta que con sistemas de ganancia directa. Las paredes de trombe funcionan mejor manteniendo una temperatura interior estable que otros sistemas de calefacción indirecta.
• Entre las estrategias pasivas de calefacción solar, las paredes de Trombe pueden armonizar la relación entre humanos y el medio ambiente natural y son ampliamente utilizados debido a ventajas como configuración sencilla, alta eficiencia, cero costo de funcionamiento y así sucesivamente.
• Mientras que las técnicas solares pasivas pueden reducir la demanda anual de calefacción hasta un 25%, específicamente el uso de una pared de Trombe en el edificio puede reducir el consumo energético de un edificio hasta un 30%, además de ser respetuosa con el medio ambiente.
• Del mismo modo, los ahorros de calefacción de energía del 16,36% se pueden lograr si se añadía una pared de Trombe al sobre del edificio.
• Glare, degradación ultravioleta, o reducción de la privacidad del tiempo nocturno no son problemas con un sistema de pared trombe de altura completa.
• Como se observa en la sección de diseño y construcción de la pared de Trombe, el rendimiento de las paredes de Trombe se caracteriza por una variedad de parámetros de diseño y clima. Posibles otras modificaciones pueden añadir un tablero de aislamiento rígido a la zona de fundación y cortinas de aislamiento entre el vidrio y la masa térmica para evitar la transferencia de calor en el edificio durante períodos no deseados o la pérdida de calor de la pared de Trombe a la fundación, o agregar un sistema de ventilación en el sistema de pared (si la pared tiene ventos superiores e inferiores) para proporcionar una transferencia de calor adicional por convección de aire que es deseable para circular el aire uniformemente.
• La entrega de energía a un espacio habitable es más controlable que para un sistema de ganancia directa. Puede ser inmediato a través de la convección para satisfacer cargas diurnas o retrasadas a través de la conducción y re-radiación de la masa térmica en la superficie interior para satisfacer las cargas nocturnas.
• Múltiples usos de componentes de energía solar ayudan en gran medida a reducir el costo general de trabajo y material de construir un edificio pasivamente calentado.
• Los estanques de techo, como otra estrategia pasiva de calefacción solar, no funcionan bien con edificios multi pisos ya que sólo la planta superior está en contacto térmico directo con el techo. Sin embargo, las paredes de Trombe pueden ser la estructura de carga de los edificios, por lo que la fachada de cada piso frente a Ecuador puede aprovechar el sistema de la pared de Trombe.
• Comparado con otros sistemas solares pasivos, el uso de las paredes de Trombe en los edificios comerciales con cargas internas significativas (pueblo y equipo electrónico) es útil debido al tiempo que pasa en la transferencia de energía a través de la pared al espacio. Dado que la masa térmica alcanza su capacidad y se hace capaz de realizar calor en las horas de la noche, el espacio se beneficiará más por no causar problemas potenciales de sobrecalentamiento durante las horas ocupadas, aunque tendrá poco efecto en los costos de calefacción si el edificio no está ocupado después de la puesta del sol.

Desventajas

• Dado que la pared de Trombe se consolida en un elemento de construcción - sólo la fachada de Ecuador - su impacto en el diseño general del edificio es limitado en comparación con los estanques de techo o sistemas de ganancia directa.
• La luz natural del día se pierde en las paredes de trombe de altura completa a menos que el sistema se combina con un sistema de ganancia directa o ventanas se introducen.
• Las cortinas de pared u otro tipo de cubiertas no se permiten en las paredes de Trombe ya que bloquean la radiación emitida desde la superficie interior de la pared por la noche.
• Es importante asegurarse de que los espacios vivos detrás de las paredes del Trombe tengan suficiente acceso a la luz natural para evitar que estos espacios sean claustrofobos.
• Si la pared de Trombe se construye con ventosas superiores e inferiores, el conducto superior de la masa térmica puede chupar el aire caliente desde los espacios interiores más cálidos hasta el espacio de aire más fresco entre la masa y el acristalamiento (reversa-sinfónica) por la noche. Para evitar que esto suceda, es necesario utilizar los amortiguadores de retroproyectos.
• En regiones cercanas al ecuador, aunque la ventilación veraniega puede ayudar a mejorar el sobrecalentamiento, probablemente será importante aislar y sombrear la pared de Trombe para minimizar este sobrecalentamiento durante la temporada caliente.
• Es un sistema muy dependiente del clima y la temperatura externa y los niveles de radiación solar incidental tienen un papel significativo en los ahorros energéticos y CO₂ reducción de emisiones de las paredes de Trombe. Aunque las paredes de Trombe construidas en zonas de verano calientes y de invierno cálido proporcionan más ahorro de energía por área de pared unitaria en comparación con una pared convencional, muestran un rendimiento económico más bajo si la radiación solar es baja durante la temporada de calefacción.
• El sistema requiere la acción del usuario para operar aislantes o persianas móviles, a menudo a diario.
• En regiones donde los usuarios locales no están familiarizados con el sistema, para obtener el máximo rendimiento del sistema de pared de Trombe, es importante que los usuarios reciban orientación ya sea mediante el modelado de un prototipo o proporcionando un manual de operación fácil de usar para la pared durante diferentes estaciones o días. Esta participación puede dar lugar a la aceptación posterior al proyecto de la idea de la pared de Trombe y facilitar la reproducción local de los locales.

Mitigación de variaciones de diseño

El piso Kachadorian supera las desventajas del muro Trombe orientándolo horizontalmente en lugar de verticalmente. El sistema Barra combina muros Trombe reales con una losa ventilada como el piso Kachadorian.