REDUCCIÓN DE LA GANANCIA SOLAR EN EDIFICIOS MEDIANTE EL USO DE CUBIERTAS TRANSLÚCIDAS ESPECIALES

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1 I CONFERÊNCIA LATINO-AMERICANA DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL X ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO 8-2 julho 24, São Paulo. ISBN REDUCCIÓN DE LA GANANCIA SOLAR EN EDIFICIOS MEDIANTE EL USO DE CUBIERTAS TRANSLÚCIDAS ESPECIALES RESUMEN Silvana Flores Larsen () ; Graciela Lesino INENCO - Instituto de Investigaciones en Energías No Convencionales Universidad Nacional de Salta - CONICET Avda. Bolivia 55 CP 44 Salta Capital - Argentina Tel Fax seflores@unsa.edu.ar () Becaria de CONICET En este trabajo se estudia la performance de un conjunto de cubiertas translúcidas utilizadas en la construcción de edificios. Para ello se utilizan datos medidos de la transmitancia global de policarbonatos alveolares con perfiles geométricos y con recubrimientos selectivos diseñados para disminuir el ingreso de radiación. Los primeros poseen un perfil con pequeños prismas especialmente desarrollados para reflejar gran parte de la energía incidente en verano, mientras que los segundos poseen un recubrimiento especial opaco al infrarrojo cercano que minimiza el ingreso de calor al edificio. Se realizaron mediciones para estudiar la variación de la transmitancia con el ángulo de incidencia y el azimut. Una vez caracterizadas las cubiertas se calculó para cada una de ellas el ahorro promedio diario y promedio de verano con respecto al vidrio, por metro cuadrado de construcción para un edificio liviano standard. La simulación se realizó utilizando los cuatro tipos de cubiertas disponibles, a fin de determinar la energía a extraer del local para mantener la temperatura interior alrededor de 22 C. Palabras-clave: cubiertas, policarbonatos, transmitancia, acondicionamiento de verano.. INTRODUCCIÓN En los últimos años y debido al preocupante incremento del consumo energético destinado al acondicionamiento térmico de edificios, se ha dedicado mucho esfuerzo a desarrollar cubiertas translúcidas con tratamientos especiales para controlar el ingreso de la radiación solar al interior de los mismos. La primera alternativa consiste en controlar el ingreso de radiación mediante la modificación de la forma de las cubiertas, por ejemplo, utilizando perfiles del tipo triangular, prismas o CPC (Compound Parabolic Concentrators) que reflejan la radiación solar directa cuando el ángulo de incidencia es cercano a la normal (verano), permitiendo el acceso de luz difusa para iluminación natural. Actualmente se está trabajando en el desarrollo de recubrimientos y pinturas que cumplen la misma función: el método consiste en depositar sobre la cubierta (generalmente vidrio) un film de pintura con características ópticas anisotrópicas (Sullivan et al., 998). La segunda alternativa consiste en disminuir el ingreso de energía al edificio mediante la aplicación en la cubierta de recubrimientos selectivos opacos al infrarrojo cercano, en el cual se encuentra aproximadamente el 5% de la energía solar. Estos recubrimientos son films microscópicos de baja emisividad, comúnmente denominados low-e. La elección de materiales de uno u otro grupo depende del costo, de las características técnicas de los mismos, del tipo de edificio, del uso que se le dará al mismo y de las características meteorológicas del lugar en que se encuentra ubicado. Las cubiertas deben cumplir ciertas funciones básicas que muchas veces son conflictivas entre sí: deben reducir la ganancia solar durante los periodos cálidos, permitir el pasaje de radiación solar durante los períodos fríos y simultáneamente contar con una óptima transmitancia de luz visible para favorecer la iluminación natural. De esta manera se consiguen ahorros considerables en la cantidad de

2 energía convencional utilizada para acondicionar los ambientes. Además se exigen requerimientos adicionales, como 9la prevención de deslumbramientos y un buen contacto visual con el exterior. En el caso de las muestras estudiadas en este trabajo, para determinar las transmitancias en el rango solar se utilizaron piranómetros Eppley y LICOR 25, para lo cual se midió la energía incidente y la transmitida por la placa a distintos ángulos de incidencia y azimuts. El rango de dichos dispositivos de medida abarca desde los 3nm a 25nm, lo cual constituye el 95% de la energía total incidente sobre la cubierta. Con estos datos es posible calcular la energía transmitida por cada una de las cubiertas para cualquier lugar y día del año. Una vez caracterizadas cada una de las cubiertas se calculó el ahorro promedio diario y promedio de verano por metro cuadrado de construcción, de acuerdo al material utilizado con respecto al uso de vidrio, para un edificio liviano standard. La simulación se realizó utilizando los cuatro tipos de cubiertas disponibles, a fin de determinar la energía a extraer del local para mantener la temperatura interior alrededor de 22 C. 2. TRANSMITANCIA DE CUBIERTAS TRANSLÚCIDAS 2. Descripción de los materiales utilizados En materiales translúcidos homogéneos la transmitancia global depende del espesor e, de las propiedades ópticas del material y del ángulo de incidencia θ (ángulo entre la dirección de la radiación y la normal a la cubierta). La absorción de la radiación se describe mediante la ley de Bouguer, que supone que la radiación absorbida es proporcional a la intensidad local y a la distancia que la radiación ha recorrido dentro del material. La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de extinción, que toma valores entre 4m - para vidrio claro y 32m - para vidrio verde oscuro. La dependencia de la transmitancia con el ángulo de incidencia ha sido ampliamente estudiada, observándose una disminución de la transmitancia al aumentar el ángulo de incidencia (Duffie y Beckman, 99). En los policarbonatos alveolares existen nervaduras que conectan las capas superior e inferior del material y la transmitancia depende de cuántas nervaduras que atraviesa la radiación, por lo que a mayor ángulo de incidencia la transmitancia es menor. También existe una ligera dependencia con el ángulo azimutal γ, formado entre la dirección de las nervaduras y la proyección de la dirección de la radiación incidente. Existen trabajos realizados al respecto para policarbonatos alveolares y bialveolares de distinto espesor (Barral et al., 2; Flores Larsen y Lesino, 23), encontrándose que estudios realizados en placas con espesores de 6mm y 8mm no presentan variaciones sustanciales en la transmitancia (Perelló et al., 2). Un tratamiento realizado en policarbonatos alveolares consiste en disminuir la transmitancia de la placa en la zona del infrarrojo (53% de la energía solar), con lo que se minimiza el ingreso de dicha radiación al edificio permitiendo al mismo tiempo el pasaje de luz visible. Con estos recubrimientos se busca disminuir la energía infrarroja transmitida por la cubierta sin afectar sustancialmente la transmisión de la radiación visible, de modo de obtener una iluminación agradable en el interior del edificio. Para ello se utilizan pigmentos especiales, que en el caso de la muestra estudiada consiste de una pintura de 45µ de espesor. Estudios realizados sobre muestras pertenecientes a esta clase de policarbonatos indican que existe un máximo relativo de transmisión en el rango visible, el cual caracteriza el color de la luz transmitida por la cubierta. Para la muestra estudiada en este trabajo, dicho máximo se encuentra alrededor de los 55nm, que se corresponde con la tonalidad verdosa de la luz transmitida por la placa. La influencia del azimut de la cubierta generalmente es notoria recién en ángulos de incidencia mayores a 5º. Se puede obtener selectividad direccional utilizando perfiles en forma de V, de forma que cuando la radiación incidente esté cercana a la normal, se refleje varias veces en el interior de la V. Los pequeños prismas de la capa exterior devuelven gran parte de la radiación directa cuando el ángulo de incidencia es pequeño (en verano). En un trabajo previo (Flores Larsen et al., 22) se estudió el efecto de los prismas en la transmitancia de la placa mediante luz monocromática proveniente de un haz láser de HeNe de mw de 632.8nm de longitud de onda, mientras que se utilizó un espectrofotómetro LICOR para estudiar la transmitancia espectral y la variación de la transmitancia global visible con el ángulo de incidencia y con el azimut de la placa. El estudio

3 espectral indica que la transmitancia de la placa es constante hasta los 65nm y ligeramente creciente entre los 65 y 7nm, límite superior del rango visible. 2.2 Transmitancia global solar de los materiales mencionados. Se utilizaron tres muestras de policarbonatos: Polygal Standard, Polygal Selectogal y Polygal Primalite. Todas las placas cuentan con tratamiento antiuv y son prácticamente opacas al infrarrojo lejano. Las capas inferiores de Selectogal y de Primalite son translúcidas, a efectos de favorecer la iluminación difusa. Las características técnicas de cada muestra se pueden analizar en la Tabla. En dicha tabla, R solar y R vis son las reflectancias solar (3nm a 25nm) y visible (3nm a 7nm) de la superficie externa (hacia el ambiente exterior) e interna (hacia el local) a incidencia cercana a la normal.; T solar y T vis son las transmitancias solar y visible de la placa a incidencia normal; SHGC (Solar Heat Gain Coefficient) es el coeficiente de ganancia solar, definido como el cociente de la ganancia solar que ingresa al local a través de la placa y la radiación solar incidente; U es el coeficiente global de pérdida (W/m 2 C), medido de acuerdo a la norma ASTM C77 y Keff es la conductividad térmica efectiva de la placa (W/m K). LT ( transmisión de luz LT o turbidez ) es el porcentaje de radiación que incide sobre la placa y que es dispersado por la misma en otros ángulos diferentes al ángulo de incidencia. La turbidez puede ser inherente al material (como cuando es originada por su estructura molecular o debido a impurezas en la superficie o en el interior del polímero), o puede ser consecuencia de factores externos, como en el caso de envejecimiento o abrasión superficial. Para determinar la turbidez se coloca una muestra en el recorrido de un haz estrecho de luz brillante y se mide la energía incidente del haz y la energía transmitida a través del material que se desvía en más de 2.5 desde la normal. La transmitancia se define como el porcentaje de luz incidente que se transmite en un ángulo menor a 2.5. Tabla - Características técnicas de las muestras. Producto Standard Selectogal NGB35 Primalite 6PRL27 Estructura Peso (g/m 2 ) 2 26 % LT (ASTM D3) 82% 35% - 8U ASTM C77 (W/m 2 C) T solar Rsolar (ext) /.35 (int).54(ext) /.54 (int) Tvisible Rvisible (ext) /.349 (int).39 (ext) /.368 (int) SHGC Keff (W/m C) Al realizar un balance global de la energía transmitida por la placa debe utilizarse la transmitancia global solar, que considera la energía que se transmite en la misma dirección del ángulo de incidencia y la que se transmite con dispersión. Para estudiar el comportamiento de estos materiales se realizaron medidas de la energía incidente y de la energía transmitida por las placas mediante un piranómetro LICOR Model LI-25, a distintos ángulos de incidencia y para diferentes azimuts. La modelización matemática de la transmitancia global solar para los materiales estudiados se realizó a través de ecuaciones que permiten calcular la transmitancia global solar τ solar (γ, θ) en función del ángulo de incidencia y del azimut, para lo cual se aproximaron los valores medidos mediante rectas por tramos (método de los cuadrados mínimos). Para la variación con el ángulo de incidencia se utilizaron tres

4 tramos ( a 3, 3 a y a 9 ), mientras que para la variación con el azimut se precisaron cuatro tramos ( a, a 2, 2 a 3 y 3 a 9 ). Las ecuaciones resultantes pueden ser consultadas en Flores Larsen (23). En los gráficos de la Figura se puede analizar en un gráfico 3D la transmitancia global solar obtenida para cada uno de los materiales en función del ángulo de incidencia y del azimut, mientras que en las Figuras 2 y 3 pueden analizarse las transmitancias en función del ángulo de incidencia direcciones de las nervaduras superficiales de la placa paralelas (azimut º) y perpendiculares (azimut 9º) a la proyección del haz incidente, para policarbonato alveolar standard, vidrio, Primalite 6PRL27 y Selectogal NGB35. Vidrio Standard ángulo de incidencia azimut C 2 2 ángulo de 4 6 incidencia 2 C azimut Primalite 2 ángulo de 4 incidencia 2 C azimut Selectogal ángulo de incidencia C azimut C4 C7 C Figura - Variación de la transmitancia global solar de las muestras con el ángulo de incidencia en función del ángulo de incidencia y del azimut. En materiales transparentes macizos como el vidrio la transmitancia es constante hasta un cierto ángulo (del orden de 4, de acuerdo al tipo de vidrio) y luego disminuye al aumentar el ángulo de incidencia (Duffie y Beckman, 99); en los policarbonatos comunes sucede lo mismo, como se puede apreciar en la Fig.. Si se compara el policarbonato alveolar con el vidrio (Figs. y 2), se puede ver que en el primero se produce una disminución porcentual más pronunciada de la transmitancia con el ángulo de incidencia, debido a la cantidad de refracciones y reflexiones internas causadas por la presencia de las nervaduras. Un comportamiento similar se observa para la muestra de Primalite. El azimut de la placa con respecto a los rayos solares no es de fundamental importancia como en el caso del Selectogal, en que todo el beneficio obtenido mediante el tratamiento geométrico puede perderse si la placa no se orienta correctamente. En la Fig. 3 se puede observar para el Selectogal un comportamiento contrario a los materiales de la Fig. 2, puesto que la transmitancia aumenta al aumentar el ángulo de incidencia. Para un azimut de 9 en que los rayos solares son perpendiculares a las nervaduras, la placa trabaja de acuerdo a la geometría prevista por el fabricante y puede observarse la disminución de la transmitancia al disminuir el ángulo de incidencia. Cuando las nervaduras de la muestra son paralelas a la proyección del haz incidente (azimut de ), la transmitancia disminuye al aumentar el ángulo de incidencia debido a que el funcionamiento de los prismas no es el previsto por el fabricante. Es interesante observar que la transmitancia es en este caso aún más baja que cuando las nervaduras son perpendiculares al haz, mejorando el efecto de la cubierta en verano a costa de menor transmisión en invierno. Valores de la transmitancia para ángulos azimutales entre y 9 se encuentran comprendidos entre ambas curvas.

5 En el Selectogal, la variación con el azimut se debe principalmente a los canales que forman los prismas en la dirección de las nervaduras. Detalles de dicha variación pueden analizarse en el trabajo de Flores Larsen et al. (22) Policarbonato alveolar Vidrio º 9º.45 Primalite º.35 9º.25 º º 2º 3º 4º 5º º 7º Figura 2 - Variación de la transmitancia global solar con el ángulo de incidencia, para las placas con las nervaduras perpendiculares (9º) y paralelas (º) al haz incidente º.55 Selectogal.5 º º º 2º 3º 4º 5º º 7º Figura 3 - Variación de la transmitancia global solar de una muestra de Selectogal NGB35 con el ángulo de incidencia, para azimut º y 9º. Para un día del año y una posición de la cubierta determinados, deben calcularse hora por hora los ángulos de incidencia y azimutal de la radiación, se calcula luego la transmitancia de las cubiertas para esa geometría y finalmente se determina la energía transmitida por el material a partir de la transmitancia y de la energía incidente. Dicho cálculo se incorporó al programa SIMEDIF para Windows, programa de simulación térmica transitoria de edificios multiambientes descripto en trabajos previos (Flores Larsen y Lesino, 2a, 2b). EL cálculo indica que en los meses cálidos las placa de Selectogal con orientación Este-Oeste y las de Primalite transmiten un 45% de la radiación incidente frente a un 76% de un policarbonato y un 85% de un vidrio simple. En los meses fríos, la placa de Selectogal Este-Oeste transmite un % de la radiación incidente, frente a un 5% de una placa Norte-Sur, un 68% de un policarbonato alveolar y un 83% de un vidrio simple de 3mm. En climas calurosos intermedios, en que es necesario cierto grado de calefacción en invierno, el material que más se adecua a la carga térmica requerida es la placa de Selectogal, que permite conseguir baja transmitancia en verano y mayor transmitancia en invierno. En el caso de climas calurosos en que en invierno no se requiere del uso de calefacción, tanto el Primalite como el Selectogal son buenas opciones. En la Tabla 2 se muestra el ahorro promedio diario y promedio de verano por metro cuadrado de construcción, de acuerdo al material utilizado con respecto al uso de vidrio, para un edificio liviano con un único local de 5m 2 de planta y 2.5m de altura, con paredes de ladrillo cerámico y cubierta

6 translúcida. La simulación se realizó para un día de verano con SIMEDIF para Windows utilizando los cuatro tipos de cubiertas disponibles para calcular la energía a extraer del local para para mantener la temperatura interior alrededor de 22 C. Se consideró un equipo de aire acondicionado standard de 225 frigorías/hora. Tabla 2 -Energía media diaria y estacional ahorrada con respecto a un vidrio de 3mm de espesor (Noviembre a Febrero) y número de horas de funcionamiento de un equipo de aire acondicionado para mantener la temperatura del local alrededor de 22ºC. Energía ahorrada respecto del vidrio (MJ/m 2 día) Energía ahorrada respecto del vidrio (MJ/ m 2 verano) Horas de funcionamiento de AC (horas/verano) Standard Primalite Selectogal Vidrio CONCLUSIONES Las placas con perfiles geométricos y/o recubrimientos selectivos que disminuyen el ingreso de radiación en edificios son una alternativa interesante en su aplicación a climas calurosos con altos niveles de radiación. En el caso de policarbonatos con perfiles triangulares la orientación de las nervaduras con respecto a los rayos solares es de fundamental importancia, pudiendo disminuir hasta un 25% la efectividad de la placa si ésta se coloca en la dirección errónea. El efecto de los prismas consiste en un incremento de la transmitancia con el ángulo de incidencia, con lo que se obtiene buena transmisión de luz dentro del edificio en periodos invernales en que el sol se encuentra bajo, disminuyendo la cantidad de energía que ingresa al edificio cuando el sol incide con ángulos cercanos a la normal. De esta forma, se evitan el sobrecalentamiento y deslumbramiento en verano. En otros materiales translúcidos como policarbonato alveolar, vidrio y Primalite, la transmitancia se comporta de manera opuesta, disminuyendo con ángulos de incidencia grandes. Policarbonatos con tratamientos selectivos como el Primalite, se comportan en verano de manera semejante a los policarbonatos con tratamientos geométricos. La diferencia entre uno y otro radica principalmente en el comportamiento de invierno, puesto que la placa selectiva transmite un 38% de la energía solar incidente frente a un % de la placa con tratamiento geométrico. La incorporación de este tipo de materiales conlleva a un uso más eficiente de la energía requerida para acondicionamiento térmico de los ambientes, tendientes a mejorar el consumo de energía convencional destinada a tal fin. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARRAL J., MORICHETTI, G., GALIMBERTI P., FASULO A. Evaluación de la energía solar absorbida por un colector acumulador integrado monotanque con cubiertas de policarbonato alveolar. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 5, pp , 2. DUFFIE A., BECKMAN W. Solar Engineering of Thermal Processes, 2a edición, Wiley Interscience, New York, 99. FLORES LARSEN S. Modelización y Simulación Computacional de Sistemas de Acondicionamiento de Verano. Tesis Doctoral. Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas, Universidad Nacional de Salta, Argentina, 23. FLORES LARSEN S., LESINO G. A new code for the hour-by-hour thermal behavior simulation of buildings. In: SEVENTH INTERNATIONAL IBPSA CONFERENCE ON BUILDING SIMULATION, Río de Janeiro, Brasil. Proceedings, pp , ISBN , 2a.

7 FLORES LARSEN S., LESINO G. Modelo térmico del programa SIMEDIF de simulación de edificios. Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 9, pp.5-24, ISSN X, Argentina, 2b. FLORES LARSEN S., ALANÍS E., ROMERO G., LESINO G., 22, Estudio de cubiertas transparentes con tratamientos geométricos para disminuir la carga térmica en el interior de edificios. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 6, N 2, pp , ISSN , 22. FLORES LARSEN S., LESINO G. Performance of different translucent materials used in building covers. In: 2 CONFERENCE ON PASSIVE AND LOW ENERGY ARCHITECTURE CONFERENCES, Santiago de Chile. Proceedings, Pontificia Universidad Católica de Chile, 23. PERELLÓ D., FASULO A. Comparación de las transmitancias de policarbonato y vidrio. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 5, pp , 2. SULLIVAN R., BELTRAN L., LEE E.S., RUBIN M., SELKOWITZ S.E. Energy and daylight performance of angular selective glazing. In: ASHRAE/DOE/BTECC CONFERENCE ON THERMAL PERFORMANCE OF THE EXTERIOR ENVELOPES OF BUILDINGS VII, Clearwater Beach, Florida. Proceedings, 998. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por ANPCYT PICT 2 N y por CIUNSa N 88