Manual de diseño para viviendas con climatización pasiva

Transcripción

1 Ernst Müller Manual de diseño para viviendas con climatización pasiva Forschungslabor für Experimentelles Bauen Universidad de Kassel, Alemania

2 ii autor: Ernst Müller (físico, especializado en energía solar y diseño pasivo) contacto: Mueller.Ernst@gmail.com (ernstm@uni-kassel.de) editor: Forschungslabor für Experimentelles Bauen FEB (Laboratorio de Construcción Experimental) Universidad de Kassel, Alemania Primera edición revisada: Junio 22

3 Contenido: iii Agradecimientos... iv Prefacio... v 1 Introducción a la climatización pasiva Climatización pasiva Confort térmico Estrategias de climatización pasiva y matriz de soluciones constructivas Herramientas para el diseño pasivo Herramientas tradicionales de diseño pasivo y comparación de métodos de diseño Herramientas simples Análisis del clima Herramientas de cálculo para el dimensionamiento de sobretechos Simulación térmica Herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico en verano e invierno Desarrollo de las herramientas de cálculo Características térmicas básicas de una casa Elementos especiales: espacio ático Determinación de los factores de corrección Estimación del confort térmico en invierno Estimación del confort térmico en verano Calificación del diseño térmico por las condiciones de confort térmico Resumen de las aplicaciones posibles de las herramientas de cálculo Recomendaciones de diseño pasivo Recomendaciones de diseño por aspecto constructivo para la zona central de Chile Estrategias y recomendaciones sistemáticas de diseño pasivo Comparación de propuestas de diseño pasivo con diseños convencionales Anexos Referencias bibliográficas Instrucciones para el uso de las herramientas de cálculo para el confort térmico... 57

4 Agradecimientos iv Este manual se publicó en el contexto del proyecto de investigación "Viviendas sismorresistentes con materiales locales y climatización pasiva en zonas rurales de los Andes" bajo la dirección del prof. Dr.-Ing. Gernot Minke del Forschungslabor für Experimentelles Bauen (FEB, Laboratorio de Investigación de Construcciones Experimentales) de la Universidad de Kassel, Alemania. El proyecto y este manual fueron patrocinados por las instituciones alemanas Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) y Cooperación Técnica Alemana (Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit gtz). Informaciones sobre valores de materiales medidos en Chile se obtuvo de Gabriel Rodríguez del Instituto de Investigaciones y Ensayos de Materiales IDIEM de la Universidad de Chile. Los datos climáticos fueren preparados a partir de datos promedios de la Dirección Meteorológica de Chile y de datos horarios obtenidos de mediciones de la Comisión Nacional de Medio Ambiente CONAMA a través del Centro Nacional de Medio Ambiente CENMA, todos en Santiago de Chile. El programa de simulación térmica DEROB-LTH fue utilizado gracias a la cooperación con la Universidad de Lund, Division of Energy and Building Design y Department of Building Science, ambos parte del Department of Construction and Architecture (Lund, Suecia), y los autores y otros usuarios del programa allá. Kassel, Mayo 22 Ernst Müller

5 v Prefacio La calidad térmica y energética de la vivienda en Chile y América Latina todavía es un tema, que no recibe la atención que merece a nivel de investigación y construcción: por lo tanto el uso de energía en viviendas y edificios resulta altamente ineficiente y en su diseño raras veces se considera el confort térmico y el bajo consumo de energía como criterios fundamentales. Condicionantes básicas como la zona climática o la orientación son descuidadas en la construcción de la mayoría de las viviendas. Para la gente humilde, esto significa bajo confort térmico, contaminación intradomiciliar por estufas sin chimenea y problemas de salud. Cuando los habitantes disponen de mayores recursos económicos, el diseño deficiente es compensado por un alto gasto energético. De todos modos, el confort térmico permanece deficiente y el consumo de energía para calefacción (y refrigeración) es alto y creciente, así como los costos económicos y ecológicos por el uso de fuentes convencionales de energía. La climatización pasiva es una solución prometedora frente a esta problemática, porque puede ofrecer buenas condiciones de confort térmico sin gasto energético ni contaminación. Pero faltan investigaciones con métodos modernos sobre su aplicación en la región y existe poca información técnica orientada a las condiciones regionales. Enfrentando esta situación, este manual fue elaborado para presentar pautas de diseño y herramientas que posibilitan construir viviendas, que cumplen con los siguientes requisitos importantes: adaptados al clima local ofrecen buen confort térmico y calidad de aire, tanto en invierno como en verano, con un bajo consumo de fuentes no renovables de energía mediante un diseño arquitectónico con elementos de calefacción solar pasiva y refrigeración pasiva; económicamente son accesibles por el bajo consumo energético y el uso de materiales locales, tanto tradicionales como modernos, que mantienen bajo el costo efectivo de la construcción más gasto energético. La tierra es un material de bajo costo, alta capacidad térmica y conductividad térmica razonable, que es apto para grandes espesores. Existen técnicas tradicionales y nuevas para su empleo en construcciones sismorresistentes. Por eso la tierra es un material de gran interés para construcciones con climatización pasiva en zonas climáticas con grandes variaciones térmicas diarias o la necesidad de calefacción solar. Por lo tanto, la tierra como material de construcción recibió atención especial en este manual (los aspectos constructivos de la tierra son tratados en las publicaciones de Gernot Minke). Este manual está basado en la evaluación de la literatura existente y amplias investigaciones propias con simulaciones térmicas, realizadas dentro de un proyecto de investigación "Viviendas sismorresistentes con materiales locales y climatización pasiva en zonas rurales de los Andes". Se dirige a profesionales y estudiantes de arquitectura e ingeniería, que quieren profundizarse en el tema de la climatización pasiva. Existe bastante literatura ya clásica que explica los principios generales de la climatización pasiva y que por su fecha de publicación y universalidad climática rara vez está basada en simulaciones exactas del comportamiento térmico. Por eso, aquí se buscó un enfoque nuevo: fundamentar y explicar las recomendaciones de diseño pasivo con simulaciones térmicas; identificar claramente los parámetros más relevantes del diseño pasivo a partir de las simulaciones térmicas; elaborar herramientas nuevas y relativamente simples para evaluar las condiciones de confort en casas pasivas, que se fundamentan en normas térmicas internacionales y simulaciones térmicas específicas; ofrecer información técnica y recomendaciones claras, adaptadas a las condiciones climáticas y constructivas de la región, en este caso la zona central de Chile. Aunque algunas herramientas y recomendaciones se refieren a esta zona climática específica, los resultados y métodos presentados tienen una relevancia y aplicación mucho más amplia: las recomendaciones cualitativas de diseño son transferibles para otras zona climáticas con veranos calurosos y secos (de gran variación térmica diaria) e inviernos fríos con buenos niveles de radiación solar, p. ej. en América Latina o la zona del Mediterráneo; un método de cálculo y modelo universal para las condiciones de invierno es fácilmente adaptable a otras zonas climáticas por el usuario; la explicación del diseño pasivo a partir de los parámetros más relevantes permite un mejor entendimiento del comportamiento térmico en general; la metodología de trabajo es aplicable para mejorar el diseño pasivo en otras zonas climáticas. Las simulaciones térmicas permitieron evaluar a bajo costo un gran espectro de propuestas de diseño no convencionales con el empleo de materiales de construcción locales. Constituyen una base científica para el gran potencial de climatización pasiva. El enfoque metodológico empleado de un proceso de desarrollo de alta tecnología para crear finalmente soluciones técnicas simples y económicas, resultó fructífero y prometedor para la arquitectura pasiva. De esta forma, este manual aporta al mejoramiento de las condiciones de vida y a la reducción de consumo energético en el sector residencial como elementos esenciales de un proceso de desarrollo sostenible.

6 1 Introducción a la climatización pasiva 1.1 Climatización pasiva El objetivo del diseño con climatización pasiva es el alcance de: mejor confort térmico menor consumo de energía en calefacción y refrigeración menor costo de energía y de mantenimiento menor impacto ambiental. 1 Como enfoque estratégico, climatización pasiva significa una forma de diseño de viviendas y otros espacios habitados que: ofrece confort térmico con un consumo mínimo o cero de fuentes no renovables de energía, se adapta a las condiciones climáticas locales y aprovecha el entorno para mejorar el confort térmico. Por eso, el arte de la climatización pasiva y del diseño pasivo básicamente consiste en entender y dirigir bien los flujos de calor en una casa a través del diseño y del manejo adecuado, para obtener las condiciones de confort térmico deseadas. Es importante que los que quieren aprender este arte formen su propio modelo térmico de una casa en su mente antes de comenzar a realizar cálculos detallados con herramientas y computadores. Los capítulos siguientes facilitarán los elementos fundamentales para este modelo que solamente se completará con la experiencia propia. 1.2 Confort térmico El rango de confort térmico descrito en la literatura [Bansal 1994] se puede resumir como sigue: temperatura: 19 C ~ 26 C humedad relativa: 2% ~ 8%. Existen criterios y modelos mucho más complejos de confort térmico (vea p. ej. [Bedoya], [Docherty 1999], [Bansal 1994], [Fanger 1982]), pero aquí se trabajará principalmente con el rango de temperaturas indicado. Para el invierno, en Chile se puede permitir temperaturas algo inferiores como mostró [Taboada 1987]: Incluso en los estratos socioeconómicos, donde el costo del combustible no significa mayores problemas, las temperaturas interiores medias de invierno no alcanzaron los 19 C considerados mínimos en Europa, así que un diseño pasivo que ofrece temperaturas solo levemente por debajo de 19 C puede ser considerado suficiente. tabla 1 Temperaturas interiores de invierno medias para cada estrato socioeconómico en Santiago de Chile (valores medidos) Estrato Temperatura interior media 1. Alto 18,4 C 2. Medio-alto 17,2 C 3. Medio 4. Medio-bajo 16,3 C 5. Bajo 14,3 C Para medir el grado de desviación de las temperaturas internas de las condiciones ideales de confort térmico fueron definidos los grados-hora diarios de calor (base 26 C) y frío (base 19 C). Son calculados en (Kh/d) en forma análoga a los grados-día usados en cálculos tradicionales de calefacción. El uso del promedio para cualquier periodo de N horas hace comparables periodos de duración diferente (meses, verano etc.): N grados-hora diarios Gh base = ( θ i -θ base) 1h 24 / N (Kh/d) i= 1 Las temperaturas operativas θ o constituyen un mejor indicador de confort térmico que las temperaturas de aire θ, especialmente en construcciones mal aisladas térmicamente con temperaturas muy altas de algunas superficies en verano (p. ej. el cielo) y temperaturas muy bajas de superficies exteriores en invierno: aquí y en los resultados de las simulaciones térmicas más adelante, la temperatura operativa θ o de un espacio está definida como el valor promedio de la temperatura de aire interior θ i y de la temperatura promedia de las superficies interiores que deslindan el mismo espacio. La temperatura promedia de las superficies interiores a su vez se calcula como promedio de las temperaturas de las superficies interiores ponderadas por su área respectiva. De esta forma se puede obtener los grados-hora diarios de calor Gh 26 o Gh 26o en verano y grados-hora diarios de frío Gh 19 o Gh 19o en invierno, donde el índice indica la temperatura de base y el uso de temperaturas operativas cuando corresponde.

7 2 1.3 Estrategias de climatización pasiva y matriz de soluciones constructivas Las tres tareas principales para obtener condiciones de confort térmico son: evitar el sobrecalentamiento con temperaturas demasiado altas: principalmente en el Periodo Caluroso y en verano; caracterizado por los grados-hora de calor (= sobrecalentamiento) Gh 26 o Gh 26o en base 26 C; evitar el enfriamiento con temperaturas demasiado bajas: principalmente en el Periodo Frío y en invierno; caracterizado por los grados-hora de frío Gh 19 o Gh 19o en base 19 C; mantener niveles confortables de humedad: este no es un tema crítico en casas pasivas en la zona climática considerada en este manual, porque el clima es seco; por lo tanto no será considerado con mayor detalle. Dependiendo de la construcción, su uso (p. ej. las ganancias internas) y el tiempo de cada día, problemas de calor o frío pueden ocurrir en cualquier época del año, por lo cual se evita de hablar simplemente de invierno y verano. Una primera impresión del intercambio térmico de una casa con su entorno físico da la figura siguiente: figura 1 Intercambio térmico de una casa con su entorno físico [Camous 1986] modificado por E.M. En esta figura se puede observar como las temperaturas en una casa dependen de la relación dinámica de los flujos de calor: El intercambio de calor con el exterior: el flujo de calor y su dirección dependen de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior; ocurre principalmente por conducción (y convección o transmisión de radiación infrarroja dentro de cámaras de aire) a través de la envolvente en muros, techos / cielos y pisos; las superficies externas de una casa a su vez intercambian energía térmica con su entorno a través de dos mecanismos: conducción y convección transmiten la energía de la superficie externa al aire exterior; los movimientos del aire exterior aumentan esta transmisión de calor; la superficie externa emite radiación térmica (infrarroja, IR) y absorbe la radiación térmica emitida por el entorno; las intensidades de emisión crecen rápidamente con la temperatura (absoluta), lo que influye el balance energético de este proceso; como las temperaturas del entorno físico son parecidas a las externas de una casa, el componente más importante es el intercambio con el cielo: especialmente el cielo claro tiene una temperatura más baja que la temperatura del aire y de

8 3 una casa, lo que aumenta las pérdidas de calor de una casa; la superficie más expuesta a la temperatura del cielo es un techo horizontal o de poca inclinación; el segundo mecanismo de intercambio son los movimientos del aire entre el interior y el exterior, que dependen del tamaño de las rendijas y aberturas en ventanas, puertas (y muros) y de la diferencia de presión entre diferentes aberturas. Esta ventilación se mide en cambios de aire del volumen interior por hora; el valor mínimo en una casa habitada para eliminar la humedad de las personas y la contaminación interior (sin estufa) es de aproximadamente,5 cambios por hora. Cuando las aberturas principales se encuentran en fachadas opuestas, se habla de ventilación cruzada y las tasas de ventilación son mucho más altas en comparación con aberturas en la misma fachada, porque el viento puede producir una diferencia de presión entre estas fachadas opuestas. Las ganancias solares ocurren por todas las superficies externas expuestas a la luz solar, tanto la radiación directa del sol (que produce una sombra), como la radiación difusa que viene del cielo azul, las nubes o reflejada por el entorno: La mayor parte se produce por superficies transparentes (ventanas): se habla de ganancias directas, cuando la luz solar entra al espacio habitado y es absorbida directamente por las superficies en esto; se habla de ganancias indirectas, cuando la luz solar es absorbida en elementos externos al espacio habitado (p. ej. la superficie externa de un muro Trombe o en un invernadero) y después la energía térmica es transferida al espacio habitado por conducción o convección. Las ganancias solares también ocurren por superficies opacas, aunque en menor grado: las superficies externas se calientan al absorber la radiación solar y traspasan parte de esta energía al interior, mientras que la otra parte se pierde de nuevo al entorno; en un muro bien aislado este efecto es casi despreciable, pero un techo de poca inclinación absorbe gran cantidad de radiación solar en verano y la traspasa al interior si falta aislamiento térmico debajo. Las ganancias de calor internas: las personas que viven en una casa producen calor - dependiendo de su actividad alrededor de 1W por persona (más detalles: [Bansal 1988] y otros), además prácticamente toda la energía (eléctrica) consumida por los equipos domésticos se transforma en calor: toda esa energía aumenta la temperatura interior de una casa. El proceso de acumulación de calor puede reducir las variaciones de temperatura en una casa de forma significativa: cuando la temperatura del aire interior es superior a la temperatura de los elementos internos pesados o estos reciben energía por radiación solar, la temperatura de estos elementos sube lentamente y la energía es almacenada, cuando la temperatura interna es más baja de nuevo, los elementos pesados entregan la energía almacenada al interior. De forma análoga se puede enfriar los elementos pesados internos de una casa con el aire fresco de la noche en verano para que sean capaces de absorber el excedente de energía durante el día sin elevar demasiado su temperatura. Este proceso de variación térmica retrasada también se llama inercia térmica, la capacidad térmica de cualquier objeto o elemento se mide por su capacidad térmica. La inercia térmica de un muro pesado también retrasa y modifica el flujo de energía entre el interior y el exterior de una casa. Los principales aportes a la capacidad térmica de una casa provienen de sus muros pesados (exteriores e interiores) y de un piso pesado incluyendo la tierra debajo. Un cielo o techo pesado no es recomendable en una zona sísmica. Es importante tener claro que como resultado de las ganancias solares e internas la temperatura interna promedia de una casa siempre es más alta que la temperatura exterior promedia. Así el flujo de calor promedio es del interior al exterior y compensa exactamente las ganancias. Solamente de forma temporaria y dinámica es posible obtener temperaturas internas inferiores a las externas en algunos periodos del día. Un resumen general de estrategias posibles de climatización pasiva muestra la tabla siguiente, donde la selección de los elementos más importantes y adecuados depende todavía de las características climáticas locales. Además se elaboró una segunda sistematización de soluciones para elementos constructivos en forma de matriz con códigos, que permiten clasificar diseños arquitectónicos por los elementos de climatización utilizados. A estos códigos se agrega algunos ejemplos y dibujos de elementos con sus respectivos códigos. Es importante anotar, que para cada aspecto se puede aplicar también varias o ninguna de las soluciones presentadas. Además las soluciones utilizadas pueden variar entre diferentes partes de la misma construcción.

9 tabla 2 Estrategias de climatización pasiva (hemisférico sur) Aspecto Periodo Frío Periodo Caluroso Intercambio de calor con el exterior por la envolvente por ventilación Ganancias solares por superficies opacas y transparentes Ganancias de calor internas: personas y equipos Acumulación de calor (inercia térmica) 4 reducir pérdidas de calor : aislamiento térmico: opaco (cielo, muros, piso, móvil en ventanas) transparente (ventanas) tamaño de ventanas depende de su calidad térmica y orientación ventilación adecuada: reducir infiltraciones de aire de acuerdo con las necesidades higiénicas (evitar emisión interior del humo de estufas) forma: tamaño (edificio mejor que casa) relación superficie / volumen protección de vientos fríos: orientación de elementos vestíbulo de entrada vegetación otros elementos construidos aprovechar ganancias directas e indirectas de energía solar: orientación: fachada norte más grande orientación y tamaño de ventanas: preferencialmente al norte invernadero adosado, combinado con capacidad térmica muro acumulador o muro Trombe aislamiento transparente (conserva energía absorbida detrás) colores oscuros internos y externos elementos reflectantes externos para aumentar radiación disponible aprovechar ganancias internas: a través de la reducción de las pérdidas de calor y de la acumulación de calor elementos constructivos pesados en el piso, muros externos e internos, techo y cielo, con acumulación primaria: iluminación directa del elemento pesado secundaria: iluminación indirecta terciaria: elementos independientes Control de humedad evitar emisión de humo de estufas al interior ventilación adecuada absorción / desorción (muros de tierra) humidificación / dehumidificación aumentar pérdidas de calor : conducción: piso / subsuelo radiación térmica (IR): techo (con protección móvil) convección / ventilación: ventilación cruzada efecto termosifón con aberturas en niveles diferentes (ventilación, chimenea solar, etc.) patio interior (con vegetación o agua) ventilación por túnel de enfriamiento ventilación mecánica evaporación: vegetación externa fuentes de agua otras formas de evaporación de agua ventilación adecuada: ventilación nocturna (especialmente en clima seco) ventilación aumentada (especialmente en clima húmedo) protección de la radiación solar directa y difusa: estructuras fijas: sobretechos y aleros estructuras verticales estructuras complejas sombreamiento móvil, externo o interno marquesinas láminas de aluminio venecianas cortinas orientación y tamaño de ventanas elementos externos (vegetación, otros elementos construidos) reducir ganancias de calor : aislamiento térmico: cielo y muros forma: tamaño relación superficie / volumen orientación este - oeste del eje más largo: fachada norte más grande fachada este/oeste menor ventilar entretechos sobrecalentados protección de vientos calientes: orientación de elementos vegetación otros elementos construidos colores claros externos reducir ganancias internas: equipos de bajo consumo de energía cocina separada o exterior compensar variaciones térmicas diarias y de varios días, aprovechar bajas temperaturas nocturnas con elementos constructivos pesados (y ventilación nocturna) en: el piso muros externas e internas techo y cielo (no recomendable en zona sísmica) ventilación adecuada absorción / desorción (muros de tierra) humidificación / dehumidificación

10 tabla 3 Matriz de soluciones para elementos constructivos para el periodo frío (invierno) código ASPECTO SOLUCIONES número: a reducir perdidas de calor techo / cielo: espesor y conductividad de material aislante térmico adicional cámara de aire quieto material reflectante de radiación IR b muros: c pisos: d ventanas: un vidrio dos vidrios tres vidrio vidrio especial de baja emisividad e forma y orientación f protección de vientos fríos g reducción de infiltraciones de aire h aprovechar ganancias solares i acumulación por iluminación directa: k iluminación indirecta: l convección o ventilación: planta compacta volumen compacto fachada norte más grande orientación elementos protectores vegetación ventanas bien selladas puertas exteriores bien selladas ganancia directa (ventanas grandes al norte) [9] colores oscuros absorbentes ganancia directa (claraboyas) [1] elementos reflectantes exteriores zonificación térmica de acuerdo con el uso vestíbulo de entrada ventilación mecánica ganancia indirecta con muro de acumulación [11] aislamiento transparente en elementos opacos controlada ganancia indirecta con ventilación espacio tapón (invernadero, bodega, garage etc.) ventana con gas especial ventana especial aislamiento móvil externo casa pareada casas en filas edificios grandes ganancia indirecta con ganancias directas techo muros externos muros internos piso independiente ganancia indirecta con acumulación independiente muro Trombe sin ventilación aislamiento móvil interno muro Trombe con ventilación 5

11 tabla 4 Matriz de soluciones para elementos constructivos para el periodo caluroso (verano) código ASPECTO SOLUCIONES número: A reducir ganancias de calor (por transmisión) techo / cielo: espesor grande y conductividad térmica baja del material aislante térmico adicional cámara de aire quieto material reflectante de radiación IR cámara de aire ventilada aislamiento móvil en el techo B muros: - - C piso: D ventanas: un vidrio dos vidrios tres vidrios vidrio especial de baja emisividad E forma y orientación F protección de vientos calientes planta compacta volumen compacto fachadas este y oeste menores orientación elementos protectores vestíbulo de entrada vegetación G ventilación ventilación cruzada convección chimenea solar extractores de aire H aumentar pérdidas de calor I inercia térmica grande K evitar ganancias solares por fachada Norte: al subsuelo ventilación nocturna por radiación IR y el techo techo muros externos muros internos piso protección horizontal fija protección vertical fija protección horizontal móvil externa ventana con gas especial zonificación fachadas este y oeste menores por evaporación de agua protección vertical móvil externa L fachada Este/Oeste: M fachada Sur: N techo: - O reducir ganancias internas iluminación natural iluminación de bajo consumo de energía equipos de bajo consumo de energía cocina externa ventilación mecánica por vegetación externa protección vertical interna (reflectante o cortinas) ventana especial superficie externa aumentada ventilación aumentada en el espacio ático aislamiento móvil externo muro Trombe patio interior por túnel de ventilación tamaño reducido de ventanas fuente de agua vidrios de color o reflectantes aislamiento móvil interno colores claros externos 6

12 7 Algunos ejemplos de soluciones constructivos para la climatización pasiva (solamente principios generales de función): nota: las letras y los números entre [ ] se refieren a los códigos de fila y columna en la matriz anterior figura 2 [h] Ganancias solares: componentes principales [Sarmiento 1985] figura 3 [h1] Ganancia directa: principio, ventanas [Sarmiento 1985] figura 4 [h2] Ganancia directa: [Sarmiento 1985] figura 5 [h8] Muro Trombe con ventilación [Sarmiento 1985] figura 6 [h1] Reflector exterior (combinado con muro Trombe sin ventilación) [Bansal 1994] figura 7 [h8] [G6] Muro Trombe: calefacción en invierno y enfriamiento por ventilación en verano [Sarmiento 1985]

13 figura 8 [h7] Muro Trombe sin ventilación [Evans 1994] 8 figura 9 [h3] Ganancia indirecta con muro de acumulación: invernadero + muro acumulador sin ventilación [Evans 1994] figura 1 [h4] Ganancia indirecta con ventilación: invernadero + muro acumulador con ventilación [Evans 1994]; aberturas de ventilación interna más grandes que en el dibujo aquí serían más eficientes figura 11 [h5] Ganancia directa con ganancias directas: invernadero + ganancia directa [Evans 1994]

14 figura 12 [h6] Ganancia directa con acumulación independiente: invernadero + lecho de piedras [Evans 1994] 9 figura 13 [G1] Ventilación cruzada [Santamouris 1996] figura 14 [G4] Ventilación con extractores de aire [Cárcamo 1995] figura 15 [H6] Enfriamiento por túnel de ventilación subterránea [Bansal 1994]

15 figura 16 [K1] Protección solar horizontal fija: diseños diferentes con efecto similar [Santamouris 1996] 1 figura 17 [K1, K2] Protección solar fija: horizontal, vertical y combinada [Santamouris 1996]

16 11 2 Herramientas para el diseño pasivo 2.1 Herramientas tradicionales de diseño pasivo y comparación de métodos de diseño Uno de los métodos tradicionales más interesantes son los diagramas de Mahoney (ver [Koenigsberger 1973] y para esta zona climática [Müller 1998]) que caracterizan el estrés térmico en cada mes a partir de los datos climáticos (principalmente extremas mensuales de temperatura y humedad), con el fin de ofrecer recomendaciones de diseño generales, que serán considerados más adelante. tabla 5 Diagrama de Mahoney para Santiago de Chile (solo Tabla 2) (nota: C = Calor; F = Frío; O = neutral) Diagnóstico: ( C) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Temperatura máxima media 29,4 28,7 26, ,9 14,4 14,5 16,2 18, ,1 28 Confort diurno: máximo Confort diurno: mínimo Temperatura mínima media 12,4 11,8 1,1 7,6 5,7 3,7 3,2 4,3 5,9 7,8 9,5 11,8 Confort nocturno: máximo Confort nocturno: mínimo estrés térmico: día C C O O F F F F F O O O estrés térmico: noche F F F F F F F F F F F F Indicadores: Arido: A Arido: A Solo se muestra la Tabla 2 de Mahoney, la Tabla 1 contiene un resumen de datos climáticos mensuales, la Tabla 3 de Mahoney permite identificar las siguientes recomendaciones de diseño de acuerdo con los Indicadores A1 y A3 en la Tabla anterior: A1: capacidad térmica necesaria; A3: protección contra el frío en invierno necesaria; planta: eje más largo en sentido este oeste; diseño compacto; previsión para ventilación cruzada temporaria; ventanas de tamaño mediano (2% - 4% del área del muro externo); muros pesados externos e internos; techos pesados (nota para Chile: térmicamente correcto, pero no recomendable por causa de los sismos). Otro método tradicional de diseño son los diagramas bioclimáticos ( bioclimatic diagrams of Givoni ), que grafican los extremos climáticos mensuales y la zona de confort térmico para los parámetros de temperatura y humedad junto con recomendaciones de diseño y climatización: ver [Bansal 1994, p. 18f], también [United Nations 199], [Olgyay 1963], [Evans 1994], [Koenigsberger 1974]. Lamentablemente no es posible considerar la importante intensidad de radicación solar en este tipo de diagramas. La principal ventaja de estos métodos es su aplicación rápida y simple. Sin embargo, sus limitaciones radican en la cantidad reducida de informaciones que consideran con respecto al clima y al proyecto arquitectónico, lo que lleva a recomendaciones de diseño poco detallados y poco exactos. Por consiguiente presentan su mayor utilidad en casos simples y el análisis inicial de una zona climática nueva para el diseñador. Los métodos modernos de diseño en cambio consideran una descripción mucho más detallada de las condiciones climáticas, del proyecto arquitectónico y de las condiciones de uso. Eso es posible ahora gracias al uso de programas computacionales, que incluyen modelos matemáticos detallados y complejos. En el caso de programas de simulación, estos modelos representan directamente los procesos físicos, p. ej. la absorción de la radiación solar y los flujos energéticos en una vivienda. De esta forma pueden ofrecer resultados detallados y más exactos del comportamiento térmico y energético de una casa o de un edificio. Además son la única herramienta que puede considerar con precisión la dinámica de los procesos térmicos. El inconveniente es su complejidad y la gran cantidad de información necesaria, que exige un mayor tiempo de aprendizaje y de implementación para cada proyecto. Por lo tanto su uso se justifica principalmente para: proyectos novedosos, p. ej. de diseño pasivo proyectos grandes investigación: estudios de caso estudios paramétricos

17 elaboración de pautas y recomendaciones de diseño desarrollo de herramientas simples de diseño y dimensionamiento diseño pasivo, uso pasivo de la energía solar y climatización pasiva. Una comparación resumida de los diferentes métodos diseño utilizados muestra la tabla siguiente: tabla 6 Métodos tradicionales y modernos de diseño pasivo Métodos tradicionales Métodos modernos Tipos y Ejemplos gráficos climáticos diagramas solares y de sombra cálculo de posición solar diagramas bioclimáticos (Givoni) diagramas de Mahoney normas térmicas Ventajas exige poca información sobre: - el proyecto y su ubicación - el clima - las condiciones de uso aplicación rápida en casos simples de fácil manejo Desventajas generales, poco específicos limitados a pocos factores de influencia poco detallados poca precisión Utilidad Principal recomendaciones generales de diseño casos estándares análisis inicial diseño preliminar (p. ej. elementos de sombreamiento) 12 programas computacionales de simulación térmica y energética con modelos matemáticos detallados de los procesos físicos: p. ej. DEROB-LTH (U. de Lund, Suecia), HAUSer (U. de Kassel), TRNSYS (U. de Wisconsin, EE.UU. programa comercial) descripción detallada sobre: - el proyecto - el clima - las condiciones de uso resultados detallados y exactos de: - el comportamiento térmico dinámico - el comportamiento energético exige gran cantidad y detalle de información tiempo de aprendizaje complejos y de difícil manejo mayor tiempo de aplicación proyectos novedosos proyectos grandes investigación: - estudios de caso - pautas de diseño - herramientas simples de diseño y dimensionamiento - diseño pasivo o bioclimático Algunos elementos tradicionales de diseño serán presentados y adaptados aquí en el capitulo 2.2 siguiente por su utilidad para entender el diseño pasivo y para el análisis inicial. Las herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico presentados en este trabajo de cierta forma constituyen una metodología intermediaria: orientadas en el cálculo de las normas térmicas tradicionales para limitar el aprendizaje y el trabajo necesario; con una complejidad y cantidad de factores considerados mayor que los métodos tradicionales, pero más simple y rápido que simulaciones térmicas; modernas por ser fundamentadas en simulaciones térmicas. Aplicando y combinando los métodos analizados, se puede resumir el proceso de diseño pasivo y el papel de las simulaciones térmicas de la siguiente manera: 1. Antecedentes: estrategias de climatización pasiva en base a: - métodos tradicionales y simples de diseño pasivo - literatura, estudios de caso y otras experiencias - herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico presentadas aquí ("método rápido") - estudios paramétricos con simulaciones térmicas si la zona climática es nueva materiales y soluciones constructivas preferidos para elementos principales diseño arquitectónico y materiales preferidos estrategias de construcción sismorresistente exigencias generales del proyecto (uso, economía, normas, etc.) 2. Diseño(s) preliminar(es): estimación del comportamiento térmico y energético esperado (p. ej. con herramientas de cálculo simples) cálculo estructural (preliminar) evaluación cualitativa o cuantitativa aproximada 3. Simulación térmica: solo para diseños novedosos o experimentales optimización de los parámetros de diseño en su interdependencia evaluación cuantitativa del comportamiento térmico y energético

18 13 4. Diseño arquitectónico definitivo y construcción: decisión sobre el diseño definitivo cálculo estructural definitivo simulación térmica final, cuando corresponde elaboración de los planos arquitectónicos definitivos construcción 5. Mediciones del comportamiento térmico, cuando corresponde 6. Evaluación del comportamiento térmico, cuando corresponde 2.2 Herramientas simples Análisis del clima La zona climática considerada en el presente proyecto es la Zona Central Interior Chilena, de acuerdo con la norma NCh 179 sobre la zonificación climático - habitacional para Chile. Los resultados de las simulaciones térmicas son aplicables para las viviendas de aproximadamente 4% de la población Chilena que vive en la Región Metropolitana y algunas regiones vecinas hasta 1m de altura, tomando en cuenta la zona 3 de la nueva zonificación térmica Chilena en [MINVU 2]. Esta zona climática muestra las siguientes características generales: combinación de veranos calurosos e inviernos fríos; clima seco con gran variación térmica, diaria y anual; índices muy altos de radiación solar en verano; radiación solar relativamente alta en invierno (en comparación con Europa central con valores típicos de solo,5kwh/m²d); precipitaciones bajas y prácticamente nulas en verano. Un resumen de los datos importantes del clima de la zona central Chilena y de la radiación solar, calculada para superficies de diferentes orientaciones muestran las dos figuras siguientes (con datos de [Dirección Meteorológica de Chile 1991] y [Sarmiento 1995]). figura 18 Gráfico climático de Santiago de Chile (Pudahuel; QN = Quinta Normal) latitud: 33,4 sur; longitud: -7,8 ; altura: 475 m Temperaturas ( C) Radiación Solar Global (kwh/m²d) 4 Precipitaciones (mm/mes) Humedad Relativa (%) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic mes 5 25 Precipitaciones (QN) Radiación solar global Temp. max. media Temperatura media Temp. min. media Humedad relativa

19 14 figura 19 Radiación Solar en Superficies con Diferentes Orientaciones para Santiago de Chile (Pudahuel) 7 6 radiación solar (kwh/m²d) Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic mes horizontal vertical al norte norte, incl. 33 vertical, 3 al este/oeste vertical, 6 al este/oeste vertical al este/oeste vertical al sur Herramientas de cálculo para el dimensionamiento de sobretechos Los diagramas solares representan de forma gráfica (y normalmente con baja precisión) la posición solar para todo el año en una cierta latitud geográfica; no dependen de la longitud y son simétricos para los dos hemisferios, intercambiando el norte con el sur. La figura 2 siguiente muestra un ejemplo, que es válido para la zona de Santiago de Chile. Las coordenadas son el Acimut de la posición solar, el ángulo medido en el plano horizontal desde el norte, y la altitud (o altura) del sol, medida verticalmente desde el horizonte hasta el zenit (punto verticalmente sobre el observador). La declinación del sol corresponde a la fecha del año, una relación que consta de la tabla 7 siguiente. En estas coordenadas, el sistema de líneas horizontales curvas corresponde al movimiento solar durante un día desde el este (derecha) al oeste (izquierda). Las líneas verticales curvas indican la posición solar a cada hora solar (en la leyenda del gráfico identificado desde las 8 horas hasta las 16 horas). Así se puede estimar p. ej. que el sol se encuentra a casi 8 de altura al mediodía del solsticio de verano ( con declinación de ); en el solsticio de invierno el sol se encuentra a poco más que 3 de altura al mediodía (21.6. con declinación de ). Además se puede observar bien que en el verano (declinación negativa) el sol tiene una posición al sur del este / oeste en las primeras y últimas horas del día, así que (solamente) en estas horas la fachada sur de una casa recibe radiación solar directa. De esta forma la lectura de un gráfico solar permite una primera impresión de la radiación solar que recibe una casa y se puede estimar la altitud del sol en diferentes épocas del año para dimensionar por ejemplo un sobretecho para sombrear una ventana norte. Diagramas solares para Santiago fueron publicados p. ej. en [Stuven], [Sarmiento 1985] y [Sarmiento 1985] (también [Lippsmeier 198], [Gut 1993], [Koenigsberger 1973]), donde también se puede encontrar más información sobre su aplicación, especialmente para el dimensionamiento de elementos fijos de sombreamiento.

20 15 figura 2 Gráfico Solar para 35 Latitud Sur (de [Sarmiento 1985], leyendas modificadas) Para indicar la relación de fecha y declinación solar y ofrecer mejor precisión en la determinación de la altura del sol se elaboró la tabla 7. Esta muestra para la región de Santiago la declinación y altura del sol para los días 5, 15 y 25 de cada mes y la hora solar de cada columna. Ayuda determinar el tamaño adecuado de elementos fijos de sombreamiento y de ventanas de forma geométrica. Esto es especialmente útil en una fachada norte en verano con un sobretecho para el sombreamiento, que se puede dimensionar de acuerdo con la posición solar al mediodía, cuando el sol se encuentra exactamente en el norte frente a esta fachada, pero a gran altitud solar. En las otras fachadas, elementos de sombreamiento fijos son mucho menos eficientes: p. ej. las fachadas este y oeste reciben radiación solar directamente de frente en ciertas horas de la mañana o de la tarde cuando la declinación del sol es negativa, como se puede concluir del acimut 9 del sol (= este u oeste) en el diagrama solar. Los diagramas de sombra parecidos sirven para las mismas finalidades y están descritos en [Lippsmeier 198].

21 tabla 7 Mes 16 Altitud del sol ( ) a la hora solar indicada para 33,5 Sur: zona de Santiago de Chile (elaboración propia con fórmulas de [Duffie 1991]) hora día declina ción ( ) solar: ángulo de hora solar ω: Ene 5-22,6 12,3 24,3 36,7 49,2 61,5 72,9 79,1 72,9 61,5 49,2 36,7 24,3 12,3 Ene 15-21,3 11,5 23,7 36,1 48,6 6,8 72, 77,8 72, 6,8 48,6 36,1 23,7 11,5 Ene 25-19,3 1,5 22,7 35,1 47,6 59,7 7,5 75,8 7,5 59,7 47,6 35,1 22,7 1,5 Feb 5-16,4 9, 21,3 33,8 46,2 58,1 68,2 72,9 68,2 58,1 46,2 33,8 21,3 9, Feb 15-13,3 7,3 19,7 32,2 44,5 56,1 65,6 69,8 65,6 56,1 44,5 32,2 19,7 7,3 Feb 25-9,8 5,4 17,8 3,3 42,4 53,7 62,6 66,3 62,6 53,7 42,4 3,3 17,8 5,4 Mar 5-6,8 3,7 16,2 28,6 4,6 51,5 59,9 63,3 59,9 51,5 4,6 28,6 16,2 3,7 Mar 15-2,8 1,6 14, 26,3 38, 48,5 56,3 59,3 56,3 48,5 38, 26,3 14, 1,6 Mar 25 1,2 11,8 23,9 35,3 45,3 52,5 55,3 52,5 45,3 35,3 23,9 11,8 Abr 5 5,6 9,3 21,2 32,2 41,7 48,4 5,9 48,4 41,7 32,2 21,2 9,3 Abr 15 9,4 7, 18,7 29,4 38,5 44,8 47,1 44,8 38,5 29,4 18,7 7, Abr 25 13, 5, 16,4 26,8 35,5 41,4 43,5 41,4 35,5 26,8 16,4 5, May 5 16,1 3,1 14,3 24,4 32,7 38,4 4,4 38,4 32,7 24,4 14,3 3,1 May 15 18,8 1,5 12,5 22,4 3,4 35,8 37,7 35,8 3,4 22,4 12,5 1,5 May 25 2,9,3 11,1 2,7 28,5 33,7 35,6 33,7 28,5 2,7 11,1,3 Jun 5 22,5 1, 19,5 27,1 32,2 34, 32,2 27,1 19,5 1, Jun 15 23,3 9,5 18,8 26,4 31,4 33,2 31,4 26,4 18,8 9,5 Jun 25 23,4 9,4 18,8 26,3 31,3 33,1 31,3 26,3 18,8 9,4 Jul 5 22,8 9,8 19,3 26,9 31,9 33,7 31,9 26,9 19,3 9,8 Jul 15 21,5 1,7 2,2 28, 33,2 35, 33,2 28, 2,2 1,7 Jul 25 19,6 1, 12, 21,7 29,7 35, 36,9 35, 29,7 21,7 12, 1, Ago 5 16,8 2,7 13,8 23,9 32,1 37,7 39,7 37,7 32,1 23,9 13,8 2,7 Ago 15 13,8 4,5 15,9 26,2 34,7 4,6 42,7 4,6 34,7 26,2 15,9 4,5 Ago 25 1,3 6,5 18,1 28,8 37,7 43,9 46,2 43,9 37,7 28,8 18,1 6,5 Set 5 6,2 8,9 2,8 31,8 41,2 47,8 5,3 47,8 41,2 31,8 2,8 8,9 Set 15 2,2 11,2 23,3 34,6 44,4 51,6 54,3 51,6 44,4 34,6 23,3 11,2 Set 25-1,8 1, 13,5 25,7 37,4 47,7 55,3 58,3 55,3 47,7 37,4 25,7 13,5 1, Oct 5-5,8 3,2 15,7 28,1 4, 5,7 59, 62,3 59, 5,7 4, 28,1 15,7 3,2 Oct 15-9,6 5,3 17,7 3,2 42,3 53,5 62,4 66,1 62,4 53,5 42,3 3,2 17,7 5,3 Oct 25-13,1 7,2 19,6 32,1 44,4 56, 65,5 69,6 65,5 56, 44,4 32,1 19,6 7,2 Nov 5-16,5 9, 21,4 33,8 46,3 58,2 68,3 73, 68,3 58,2 46,3 33,8 21,4 9, Nov 15-19,1 1,4 22,6 35,1 47,6 59,7 7,4 75,6 7,4 59,7 47,6 35,1 22,6 1,4 Nov 25-21,2 11,5 23,6 36, 48,5 6,8 71,9 77,7 71,9 6,8 48,5 36, 23,6 11,5 Dic 5-22,6 12,2 24,3 36,7 49,2 61,5 72,9 79,1 72,9 61,5 49,2 36,7 24,3 12,2 Dic 15-23,3 12,6 24,6 37, 49,5 61,9 73,4 79,8 73,4 61,9 49,5 37, 24,6 12,6 Dic 25-23,4 12,7 24,7 37, 49,5 61,9 73,4 79,9 73,4 61,9 49,5 37, 24,7 12,7 La situación más importante para el sombreamiento con elementos fijos es la fachada norte: solamente aquí es posible con un elemento fijo - un sobretecho o alero simple - crear sombra en verano y al mismo tiempo mantener la insolación favorable y necesaria en invierno. En zonas climáticas sin época fría esto se vería diferente. La selectividad necesaria aquí no es posible con un elemento fijo en las otras fachadas, por lo cual en orientaciones diferentes de la norte se recomienda usar elementos móviles en frente o detrás de a las ventanas. Por eso se consideró solamente elementos fijos y la orientación norte en la herramienta presentada aquí. Se preparó una planilla de cálculo que permite calcular fácilmente la geometría de ventana y sobretecho: basta decidir el periodo del año durante el cual se pretende sombrear totalmente una ventana (p. ej. hasta mediados de enero) y el periodo del año durante el cual se quiere asoleamiento completo para la misma ventana (p. ej. hasta inicio de agosto). Para este ejemplo, de la tabla se puede concluir que se necesita sombreamiento hasta una altitud solar de 78, porque en el verano antes de mediados de enero el sol está más alto todavía; en el invierno la altitud solar límite es de 39, porque antes de inicio de agosto la posición

22 17 solar está más baja todavía, además la posición solar está más baja por la mañana y por la tarde. Obviamente la posición solar a una cierta hora cambia poco de un día al otro, así que en este ejemplo, la ventana en febrero todavía recibirá buena sombra y a fines de agosto todavía va a recibir casi asoleamiento completo también. Con estos datos de ángulo / fecha y la geometría de la ventana y del sobretecho se puede calcular los tamaños exactos de ambos de forma geométrica con la planilla: el tamaño del sobretecho es el resultado de su inclinación y de la exigencia de sombreamiento en verano hasta la parte baja de la ventana; la altura de la ventana entonces es resultado de la exigencia de pleno asoleamiento en invierno; la diferencia de altura entre los límites de la ventana determina su extensión vertical. Obviamente no todos las pretensiones de asoleamiento y sombreamiento son viables, esto requiere la búsqueda de un compromiso razonable de ángulos / fechas y dimensiones. Hay que tener en cuenta también que solamente para el sombreamiento existen alternativas móviles, pero no para el asoleamiento. La ventaja de la planilla es la facilidad de probar alternativas y la posibilidad de adaptar un parámetro de entrada para conseguir un cierto resultado (con funciones estándar del programa de planilla de cálculo). El método considera dos situaciones posibles: 1. techo inclinado hacia abajo: situación común, con inclinación positiva; 2. techo inclinado hacia arriba, con inclinación negativa; permite un mejor aprovechamiento de la fachada norte para mayores ganancias solares en invierno. Las referencias para los parámetros son el plano de la ventana (vidrio exterior en el caso de una ventana doble) y los puntos donde este plano de referencia se encuentra con el piso y el lado exterior del techo. Todos los ángulos son en grados, las medidas en metros. Los parámetros de entrada son entonces: la inclinación α del techo (positivo en caso 1, negativo en caso 2); el ángulo límite de verano γ: la ventana recibirá plena sombra en verano al mediodía con una altura del sol igual o mayor que este valor esto determina el tamaño necesario del sobretecho; el ángulo límite de invierno β: la ventana recibirá pleno asoleamiento en invierno con una altura del sol igual o menor que este valor esto determina el tamaño de la ventana posible bajo las exigencias de verano; la altura total del espacio y del muro H 1 entre el piso y el cruce con el techo; la altura h 1 de la base opaca de la ventana entre el piso y el marco; la altura h 2 del marco de la ventana; para muros Trombe etc.: la distancia horizontal d entre el plano de referencia (de las demás ventanas) y el lado exterior del vidrio del muro Trombe (en otros casos: d = ). figura 21 Modelo para el cálculo de ventanas y sobretechos: techo normal o techo con inclinación negativa La latitud geográfica no entra como parámetro explícito en este cálculo es considerada de forma indirecta

23 18 en el momento de escoger los ángulos β y γ: la manera más simple es revisar la tabla 7 o la planilla correspondiente entre las herramientas, que se puede configurar para cualquier latitud. De acuerdo con la estrategia deseada de asoleamiento y sombreamiento se escoge dos fechas y los ángulos correspondientes de la tabla. En otras latitudes los ángulos serían diferentes para las mismas fechas y los mismos ángulos corresponderían a otras fechas. Se puede probar varias combinaciones de los parámetros de entrada hasta llegar a un tamaño razonable / deseado de ventanas y sobretecho o usar las funciones propias de Excel para buscar el valor de entrada que lleva al resultado deseado. figura 22 Modelo para el cálculo de ventanas y sobretechos: muro Trombe con techo normal (inclinación negativa posible de forma análoga) En el caso de muros Trombe hay dos posibilidades de uso: un cálculo como para ventanas con sombreamiento en verano y asoleamiento en invierno; si el muro Trombe está tapado con material opaco en verano, no precisa más sombra entonces puede existir un sobretecho de acuerdo con las necesidades de las ventanas en el mismo muro y se puede calcular el tamaño del muro Trombe con las mismas formulas: se define los parámetros de entrada para la ventana al lado en una línea y para el muro Trombe en otra; se ajusta el ángulo de verano del muro Trombe (automáticamente ver ejemplo en planilla) hasta obtener el mismo tamaño de techo como de la ventana; el ángulo de invierno puede ser igual o diferente de la ventana; el ángulo de verano indica el sombreamiento que el muro Trombe tendrá en verano (poco importante) como resultado interesante se obtiene el tamaño posible del muro Trombe bajo este techo y con la duración de pleno asoleamiento deseada. Los resultados inmediatos de la planilla de cálculo son: la distancia D que el sobretecho sobresale a la ventana (medida horizontalmente); la longitud L del sobretecho necesario (medida en su inclinación); la altura H del punto extremo exterior del techo sobre el nivel del piso interior; la altura h del límite superior de la ventana sobre el piso (parte transparente de vidrio, sin marco); la altura de la parte transparente de la ventana: (h - h 1 - h 2 ) (para poder calcular su área transparente). Las dimensiones de ventanas, muros Trombe y sobretechos de las casas simuladas fueron determinadas con este método simple de cálculo geométrico.