C+4 INFORME DE ASESORAMIENTO DE DISEÑO BIOCLIMÁTICO

Transcripción

1 C+4 INFORME DE ASESORAMIENTO DE DISEÑO BIOCLIMÁTICO Este trabajo de asesoramiento ha sido realizado por el Dr. arquitecto Manuel Martín Monroy, profesor titular de la ULPGC, como colaboración profesional con el estudio de arquitectura Correa & Estévez Arquitectos, para la adaptación bioclimática del proyecto de la Consejería de Educación del Gobierno de Canarias en Santa Cruz de Tenerife, redactado en otoño de TOPOLOGÍA DEL EDIFICIO El edificio se configura como un único volumen longitudinal paralelo en la calle superior de la parcela, pero dejando un talud ajardinado que permite apoyarse en una cota muy inferior, disminuyendo las obstrucciones solares y visuales sobre el entorno, al tiempo que se protege de los vientos dominantes del NW y del soleamiento de las últimas horas de la tarde en verano, sin renunciar a las amplias vista y al soleamiento de la ladera en que se asienta, con pendiente hacia el SE. El edifico, debido su topología compacta de generosas dimensiones, presenta un factor de forma muy reducido, con relativamente poca superficie expuesta al exterior por unidad de volumen contenido (m2 de piel / m3 interior), lo cual hace posible que en meses de invierno el edificio garantice unas condiciones internas de comodidad sin necesitar sistemas de calefacción, pues el edificio genera una considerable cantidad de calor por las cargas térmicas interiores de ocupación e instalaciones eléctricas, mientras que su factor de forma reduce las perdidas de calor al exterior, ademar de estar diseñado para una permitir la ganancia solar directa en las horas mas frías de la mañana. Por otro lado, el edificio tiene la capacidad de aumentar dicho factor de forma en verano, mediante la apertura motorizada de grandes huecos de ventilación cruzada sobre el atrio interior, para permitir que el viento genere una intensa renovación que disipe del calor generado en su interior, pero conservando intacta su capacidad de protección solar. En las horas de máximo calor, después del mediodía, el edificio también puede recuperar su estanqueidad térmica, acumulando temporalmente el exceso de calor en su masa térmica, para disiparlo posteriormente mediante free-cooling en horas nocturnas. También se ha considerado la protección solar de toda la piel exterior del edificio con una retícula de parasoles, cuyas geometrías se han optimizado según las diferentes orientaciones, para conseguir una adecuada protección solar en verano sin perjudicar la calidad de la visión panorámica, además de contribuir a la iluminación natural del fondo de los locales. Además, casi toda la periferia de edificio está ocupada por locales de oficinas estancas con su propio sistema de climatización, haciendo de barrera térmica de todo el núcleo del edificio, que se encuentra prácticamente aislado por todos lados de los impactos climáticos. El concepto mas innovador de este edificio lo constituye el gran atrio interior, como alternativa al patio de manzana convencional, generando un amplio espacio perfectamente protegido de las inclemencias del tiempo por una cubierta inteligente adaptable a la C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 1

2 temperatura, al viento y al sol, hasta el punto de permitir que todas las oficinas paisaje interiores se encuentran totalmente abiertas a este espacio común. El atrio, en condiciones de invierno, se comporta como un invernadero protegido del viento, con suficiente entrada de radiación y luz solar directa mediante claraboyas diseñadas con una geometría solar óptima, mientras que en condiciones de verano el atrio proporciona en espacio sombreado y generosamente ventilado, a lo cual contribuye su tratamiento como gran zona verde con masa vegetal de elevado porte y con presencia de agua, cuyo enfriamiento evaporativo contribuye a mantener un agradable microclima interior. El paisaje visual interior se complementa con un abanico de visuales lejanas hacia el horizonte marino, a través de las áreas diáfanas que hacen de rótulas entre los bloques al SE y el Sur, que también tienen el tratamiento de zonas verdes interiores, 2. ORIENTACIÓN Y PROTECCIÓN SOLAR DE FACHADAS DEL EDIFICIO El eje transversal del edificio tiene una orientación SE-NW, formado un ángulo de 50º respecto al Sur. Esta orientación solar difiere de la óptima, que sería la orientación Norte-Sur exacta, por lo cual se fragmenta la segunda partilla y dos de sus bloques se giran 15º, con lo que se mejora su orientación con una desviación de sólo 35º respecto a sur. Fachadas Sureste Las fachadas Sureste (SE) se caracterizan por recibir en invierno un importante soleamiento durante casi todo el día, concentrado durante la mañana con una intensidad máxima a las 10 de la mañana de 770 W/m2 en los días despejados, lo cual es favorable por ser una fuente de calefacción solar pasiva. En verano la fachada SE recibiría mucho menos energía, al estar soleada sólo durante la mañana y con una altura solar muy elevada, con una intensidad máxima a las 9:15 de la mañana de 420 W/m2 en los días despejados. Estos datos son relativamente favorables y ha permitido optimizar el diseño geométrico de las protecciones solares, consistentes en un voladizo horizontal de gran vuelo en cada forjado, C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 2

3 que arrojaría sombra sobre toda la fachada acristalada cuando el sol tuviera una altura solar superior a los 45º. En los siguientes gráficos diarios se observa la intensidad solar (W/m2) en días despejados de invierno (21 enero) y verano (21 julio), correspondiendo la curva negra a huecos acristalados sin parasol, la curva roja a huecos acristalados con el parasol, y la curva gris a la componente de radiación difusa y reflejada con un entorno con una reflectancia de Se puede observar que para las condiciones de invierno se tolera la entrada moderada de radiación solar durante la mañana, mientras que en verano apenas se permite la entrada de radiación, y que sólo tiene componente solar directa antes de la 9 de la mañana. Fachadas Noroeste Las fachadas Noroeste (NW) se caracterizan en invierno por no recibir soleamiento directo durante casi todo el día, con una incidencia rasante a partir de las 2 de la tarde, que rápidamente se extingue por las sombras arrojadas por las obstrucciones solares del entorno (talud de la parcela y edificaciones próximas). En verano la fachada NW recibiría bastante mas energía, al estar soleada al partir del mediodía, aunque con rayos bastante rasantes por la altura solar bastante elevada o la orientación desviada de la fachada, con una intensidad máxima a las 16:15 de la tarde (18:15 hora legal) de 564 W/m2 en los días despejados. C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 3

4 Estos datos implican que la capacidad de calefacción solar pasiva en invierno es despreciable, pero también que la incidencia solar directa en verano se producirá cuando la gran mayoría de los ocupantes del edificio ya lo han abandonado. Ello ha permitido optimizar el diseño geométrico de las protecciones solares, consistentes en retranquear los huecos acristalados y añadir un parasol horizontal intermedio, que arrojaría sombra sobre todo el hueco acristalado superior cuando el sol tuviera una altura solar superior a los 45º, y de 55º sobre el inferior. También se disponen parasoles verticales cada 3,4 metros que protegen del sol cuando incide con poca altura, además de la protección adicional de las obstrucciones solares del entorno, lo cual justifica que las plantas inferiores puedan prescindir del parasol intermedio. En los siguientes gráficos diarios se observa la intensidad solar (W/m2) en días despejados de invierno (21 enero) y verano (21 julio), con el mismo código de colores del gráfico anterior. La influencia del parasol consigue que para las condiciones de invierno es prácticamente nula la entrada de sol directo, y que también que en verano apenas se permite la entrada de radiación directa, y que sólo tiene componente directa por la tarde a partir de las 15:00 hora solar, correspondiente a las 17:00 hora legal. Fachadas Suroeste La pequeña fachada al Suroeste (SW) se caracteriza por recibir en invierno un importante soleamiento durante casi todo el día, concentrado durante la tarde con una intensidad máxima a las 14:00 de 766 W/m2 en los días despejados, lo cual es favorable por ser una fuente de calefacción solar pasiva, sin peligro de recalentamiento por ser la radiación mas intensa en las horas en que se desocupa el edificio. C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 4

5 En verano la fachada SE recibiría bastante menos energía que en invierno, y además solo estaría soleada durante la tarde y con una altura solar muy elevada, con una intensidad máxima a las 15:00 (17:00 hora legal) de 450 W/m2 en los días despejados. Estos datos son bastante favorables y ha permitido aplicar el mismo diseño geométrico de las fachadas al NW, consistentes en retranquear los huecos acristalados y añadir un parasol horizontal intermedio, que arrojaría sombra sobre todo el hueco acristalado superior cuando el sol tuviera una altura solar superior a los 45º, y de 55º sobre el inferior, disponiendo también de parasoles verticales cada 3,4 metros. La influencia del parasol consigue que para las condiciones de invierno sea muy pequeña la entrada de sol directo durante la mañana, permitiendo calefactar moderadamente los locales por la tarde, y que también que en verano apenas se permita la entrada de radiación directa, que sólo tiene componente directa por la tarde a partir de las 15:00 hora solar, correspondiente a las 17:00 hora legal. Patios de fachada al Sureste Estos patios diáfanos, correspondientes a las rótulas de los bloques al SE, tienen un frente totalmente acristalado con un régimen de soleamiento idéntico a la fachada SE ya estudiada, y se encuentran protegidos por pasillos de un forjado que vuelan tanto al interior como al exterior, para permitir su limpieza, y que funcionan como parasoles horizontales con un ancho del 60% de la altura libre, ofreciendo una protección solar similar, aunque con una mayor permisividad a la entrada de soleamiento, tolerable porque incide sobre una zona ajardinada con vegetación de gran altura. Un caso muy diferente es la cubrición acristalada de estos grandes espacios, que se caracterizan por recibir en invierno un notable soleamiento durante todo el día, concentrado durante el mediodía con una intensidad máxima de 690 W/m2 en los días despejados, lo cual es favorable por ser una fuente de calefacción solar pasiva de todos los espacios abiertos interiores y favorecer el crecimiento de la vegetación. En verano, por el contrario, al estar soleada durante las 14 horas teóricas de sol y con una altura solar muy elevada existe el peligro de un sobrecalentamiento, con una intensidad máxima al mediodía que alcanza los 920 W/m2 en los días despejados y que requiere una eficaz protección solar. Estos datos han sido considerados para optimizar un diseño geométrico una parrilla horizontal de amplias lamas inclinadas 34º, abiertas hacia el SE, que se solapan un 20% para impedir la C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 5

6 entrada del sol en verano con alturas solares superiores a 75º, siendo prácticamente transparentes para el soleamiento en invierno durante las mañanas. En los siguientes gráficos diarios se observa la intensidad solar (W/m2) en días despejados de invierno (21 enero) y verano (21 julio), correspondiente a huecos acristalados sin parasol, con el parasol, y la componente de radiación difusa. Se puede observar que para las condiciones de invierno se consigue una entrada generosa de radiación solar de hasta 550 W/m2, durante la mañana y el mediodía pero limitada por la tarde, mientras que en verano apenas se permite la entrada de radiación y sólo a primeras horas de la mañana, y que tiene la máxima componente solar directa a las 7:30 de la mañana. 3. DISEÑO BIOCLIMÁTICO DEL ATRIO Ya se ha comentado los criterios innovadores que han determinado la concepción del gran atrio interior, como un amplio espacio perfectamente protegido de las inclemencias del tiempo y protegido por una cubierta inteligente adaptable a la temperatura, al viento y al sol, que se comporta en invierno como un invernadero protegido del viento, con suficiente entrada de radiación y luz solar directa, y en verano como un espacio sombreado y generosamente ventilado, como gran zona verde con presencia de masas vegetales y de agua que refrescan el microclima interior por evaporación adiabática, para permitir que todas las oficinas paisaje interiores se encuentran totalmente abiertas a este espacio común. Las condiciones ambientales deseadas en el interior son las de una temperatura estable y agradable durante todo el año en horas de oficina, con una humedad relativa en unos C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 6

7 márgenes que no afecten a la comodidad, con una ventilación reducida en invierno y refrescante en verano, con una correcta renovación para garantizar una adecuada pureza del aire, con una iluminación natural que contribuya al alumbrado artificial para permitir importantes ahorros energéticos, con una acústica controlada y un ambiente visual relajante, que en conjunto contribuyan al bienestar psicológico de sus ocupantes. Estrategias de comodidad térmica Un importante dato de partida son las elevadas cargas térmicas de este amplio espacio, que engloba al atrio propiamente dicho y todas las plantas de oficinas que comparten este volumen común, debido a la elevada ocupación de personas, trabajando con equipos informáticos y con una iluminación media que no deberá ser inferior a 300 luxes. En condiciones de invierno estas cargas interiores, unidas a las ganancias solares de los huecos de iluminación natural, superarán a las pérdidas por conducción, por lo cual se utilizará la renovación controlada de aire fresco exterior para regular el equilibrio de la temperatura de comodidad interior, mediante la apertura motorizada de los ventanales motorizados de la periferia de la cubierta, reguladas automáticamente mediante sensores higrotérmicos. En condiciones de verano se seguirán generando las mismas cargas térmicas interiores, pero coincidirán con temperaturas exteriores similares a las de comodidad interior en la primera mitad de la jornada, y serán superadas en la segunda mitad de la jornada de trabajo hasta valores del orden de 28ºC a partir de las 15 horas. Estas serán las condiciones de trabajo mas rigurosas, para las cuales se establecen las siguientes estrategias: 1. Reducir las cargas térmicas solares mediante un generoso aislamiento térmico de la cubierta del atrio, y reducción de la superficie soleada del los acristalamientos de iluminación natural. 2. Provocar una vigorosa ventilación interior mediante la apertura de ventanales perimetrales, expuestas a los vientos alisios, que se puede ampliar por dispositivos mecánicos de ventilación artificial en el interior del atrio. En el siguiente gráfico se puede observar que para una actividad sedentaria con ropa de verano (0,5 Clo), la temperatura de optima de comodidad con una humedad relativa tan elevada como del 80% y el aire en reposo es de 25ºC, pero que dicha temperatura optima puede aumentar hasta 27ºC con una ventilación de 0,5 m/s (velocidad admitida por el RD 486/1997 de Disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de trabajo). 3. En caso que se tenga que introducir aire a una temperatura superior, considerando que su humedad relativa no será superior al 45% con una temperatura de 28ºC, se puede provocar su enfriamiento adiabático mediante la evaporación de agua mediante la C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 7

8 vegetación y nebulizadores, lográndose un enfriamiento sin consumo de energía hasta los 22ºC con una humedad relativa del 80%. 4. Aprovechar la estratificación del aire cálido y húmedo en las zonas superiores para su extracción en la zona superior del atrio mediante ventilación cruzada, y de los espacios superiores y del fondo de las plantas de oficinas mediante extracción mecánica. 5. En el caso que todas estas medidas de refrigeración pasiva no sean suficientes para satisfacer la demanda de comodidad de los ocupante, se podrá recurrir al un sistema de refrigeración de apoyo mediante el soplado de aire enfriado desde los frentes de las oficinas hasta la toma y recirculación al fondo de dichos espacios. Estrategias de iluminación natural. Como punto de partida se asume que la cantidad de luz necesaria, que se establece en un nivel mínimo de 300 luxes en el puesto de trabajo, estará en todo momento garantizada por el alumbrado eléctrico general, pudiéndose recurrir al alumbrado localizado cuando la tarea visual requiera un nivel superior. Se plantea mejorar la calidad de la visión mediante la introducción complementaria de una iluminación natural interesante que pueda llegar a sustituir al alumbrado artificial y obtener importantes ahorros energéticos. También se valora el efecto psicológico de la luz solar al introducir un elemento de variabilidad según la estación, hora del día, nubosidad, e incluso el movimiento de la vegetación por corrientes de aire. Además, el espectro de color de la luz solar permite una optima reproducción cromática. El concepto tradicional del atrio central es difundir la luz natural en el núcleo del edificio, para que las salas perimetrales dispongan de una zona de luz complementaria que compense o sustituya el alumbrado artificial. Debido al ángulo de incidencia de la luz cenital se producirá diferentes profundidades de iluminación natural, que disminuirán en las plantas inferiores. Además, siempre será preferible la luz difusa, pero nunca los rayos solares directos por su efecto térmico y deslumbrante. Como solución general de iluminación del atrio se ha propuesto la disposición de huecos en el perímetro de la cubierta, acristalados con vidrio trasparente pero con ligero relieve que disperse la radiación solar directa en un haz de luz difusa. Estos huecos serán verticales, para reducir la ganancia solar al mediodía, y tendrán una superficie proporcionalmente pequeña para reducir los intercambios térmicos por conducción. Además, se dispondrán de un parasol C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 8

9 horizontal mínimo para captar el máximo de radiación solar difusa de la bóveda celeste. El objetivo pretendido es disponer de una amplia superficie perimetral de iluminación difusa que pueda penetrar profundamente en las oficinas, especialmente de las plantas superiores. Se plantea como una innovación la propuesta de introducir columnas de sol directo, prácticamente verticales, sobre la zona ajardinada del fondo del atrio, cuya vegetación se utilizará como difusores a diferentes alturas que reflejen luz difusa horizontal hasta el fondo de las oficinas, especialmente en las plantas inferiores. Se han diseñado un artefacto óptico en el eje longitudinal de las cubiertas del atrio, compuesto por claraboyas lineales orientadas al SE y al NW, por que capture fundamentalmente los rayos solares rasantes al principio y al final de la tarde, y reflejarlos verticalmente por medio de pantallas reflectoras especulares (aluminio pulido...), con una geometría tal que el haz de luz directa no se desvíe mas de 25º de la vertical. El flujo de luz transmitida por la claraboya es proporcional la radiación solar incidente, en una proporción de unos 135 lúmenes por Watio, que aplicando un factor de corrección del 0.75 por la transmitancia y la limpieza del vidrio se pueden reducir a unos 100 Lm/W útiles. C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 9

10 La radiación incidente sobre la claraboya orientada al SE con una inclinación de 60º, considerando en los meses de invierno la insolación media del 63% en enero, y en verano considerando la insolación del 73% en julio, se muestran en las siguientes gráficas: Los valores anteriores suponen un flujo luminoso máximo del orden de lúmenes/m2, y un flujo medio garantizado de lúmenes/m2 de 9 AM a 3 PM en invierno y verano. Como referencia del ahorro energético que puede suponer la claraboya, cada metro cuadrado de ella emite un flujo luminoso medio equivalente al de W de lámparas fluorescentes o a W de lámparas incandescentes. C+4 Informe de asesoramiento bioclimatico-um3.doc 10