EDIFICIO SISTEMA ENERGÉTICO Accesibilidad solar y eólica, volumen y posición. Boris Véliz Gómez. Arquitectura Véliz
INDICE DE CONTENIDOS 01_EL SOL Y LA RADIACIÓN SOLAR Posición, diagramas, sombras, radiación y diseño. 02_EL VIENTO. Características, representación, métrica y diseño.
1_EL SOL Y LA RADIACIÓN SOLAR Posición, diagramas, sombras, radiación, diseño y HE1
EL SOL Y LA REDIACIÓN _El sol determina la posibilidad de la vida sobre la tierra, _Es la fuente energética que da lugar a toda la actividad atmosférica, _Aporta luz y calor al planeta y establece los ciclos naturales,(ciclo de carbono, del agua, etc). _Genera lo 4 parámetros climáticos críticos para la determinación de las estrategias de acondicionamiento climático pasivo: La radiación, temperatura, viento y humedad, _Es el origen de todas las formas de energía renovables que podemos utilizar. El conocimiento de esta energía primaria, y las características geofísicas del lugar, son la base para un diseño urbano o arquitectónico de alta eficiencia energética.
El SOL, POSICIÓN Azimut y altura solar Entender la trayectoria del sol en su ubicación, lo primero. En cualquier punto dado de la trayectoria del sol: _Su altura en el cielo se llama su altitud y, _Su ángulo con respecto al norte verdadero horizontal se llama su azimut.
El SOL, POSICIÓN Movimiento La tierra tiene un movimiento de rotación en torno a su eje vertical (días) y otro de translación de forma elíptica alrededor del sol (estaciones). Días de estudio: _Los solsticios: Extremos de la posición del sol. _Equinoccios: Posición media dominante. Ciclo anual Diferentes estaciones: _Invierno: Maximizar el sol para calentar pasivamente. _Verano: Minimizar el sol para evitar calentamiento Ciclo diario
EL SOL, POSICIÓN Latitud y altura solar _La altura del sol del mediodía en los equinoccios coincide con la latitud del lugar. _La línea horizontal representa la latitud del sitio en relación con el mapa superpuesto del mundo. La diferencia angular entre los dos solsticios y los equinoccios siempre permanece igual-sólo cambia el ángulo de rotación general.
EL SOL, POSICIÓN Hora solar y local _Entre la hora local y la hora solar en la mayoría de los lugares habrá una diferencia. _Al mediodía solar, el sol estará directamente encima de la cabeza. _Para cada grado de diferencia en longitud entre el real y de referencia, hay una diferencia de tiempo 4 min. Para convertir la hora solar en hora local, utilice la siguiente fórmula: Tlocal = Tsolar + ((Longitud Longitud ref) * 4)
EL SOL, POSICIÓN Calculador _Herramienta interactiva para calcular el azimut y la altitud del Sol en cualquier fecha y hora. _El primer paso en el uso de esta herramienta es establecer la latitud y longitud de la ubicación deseada (establecer primero el valor de zona horaria, hará más fácil entrar en la longitud). _Calcula además la salida y la puesta del sol. _La longitud de la sombra relativa. de un elemento vertical de altura específica h.
EL SOL, POSICIÓN Trayectoria, latitudes La variación estacional es la característica más importante de la posición solar: _Durante el verano en el hemisferio sur, el sol se eleva ligeramente al sur del este y se pone un poco al sur del oeste. En el hemisferio norte se eleva ligeramente al norte del este y se pone un poco al norte del Oeste. _En ambos hemisferios, el Sol sale más temprano y se pone más tarde en el verano que en el invierno. El grado de este efecto es mayor cuanto más se cerca el sitio a cualquiera de los polos. Latitud 90º (Polo norte ) Latitud 60º (Noruega) Latitud 30º (Israel) Latitud 0º (Ecuador) Latitud - 60º (Sudáfrica) Latitud - 30º (Océano Antártico) Latitud 90º (Polo sur)
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección estereográfica Es una manera sencilla y útil de representar y la trayectoria solar en un solo diagrama 2D. _Su uso más inmediato es que el Azimut y la altitud se puede leer directamente para cualquier hora del día y del año. _La herramienta Solar tool de Ecotect nos provee de un mecanismo sencillo, preciso y versátil para el proyecto, si bien es conveniente entender los detalles de la representación.
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección estereográfica Como se genera: _La representación de cada línea del recorrido solar se realiza mediante la determinación de la posición exacta del Sol a su paso por el cielo en incrementos de 1 hora cada día ( en la mayoría de los casos, en día 1 o 21 de cada mes). _Esto entonces se proyecta desde la bóveda del cielo sobre la imagen plana, como se muestra a continuación.
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección estereográfica Azimut _Los ángulos de Azimut, se sitúan alrededor del borde del diagrama con incrementos de 15º. _El ángulo de Azimut de una posición de referencia se mide, en el sentido de las agujas del reloj, respecto al norte en el plano horizontal. _El Norte en el diagrama estereográfico coincide con el eje Y, y esta señalado con una N.
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección estereográfica Altitud _Ángulos de altitud se representan como líneas circulares concéntricas discontinuas que van desde el centro del diagrama con incrementos de 10º desde 90 hasta 0 º. _ La altitud de un punto de la posición de referencia se mide desde el plano horizontal.
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección estereográfica Fechas _Las líneas de fechas representan la trayectoria del sol a través del cielo en un día particular del año. Comienzan en el lado oriental de la gráfica y corren hacia el lado occidental. _Se muestran una línea por cada día primero de cada mes del año. _Los primeros 6 meses se muestran en línea continua mientras que los 6 siguientes en discontinua, aunque en este gráfico se superponen.
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección estereográfica Horas del día _Las líneas de horas representan la posición del sol a una hora específica del día, durante todo el año. _Se cruzan con las líneas de fecha indicando en ese punto la posición del sol. _La mitad de cada hora se muestra con líneas de puntos, para indicar que se trata de los últimos 6 meses del año.
EL SOL, DIAGRAMAS Proyección polar _Una proyección simple de líneas de altitud alrededor de la cúpula celeste directamente sobre una superficie plana, forma ángulos muy próximos entre sí, cerca del horizonte y bastante separados cerca del cenit. _Adecuado si nos interesase el efecto de un dispositivo de sombreado muy alto. _En la mayor parte de la situaciones arquitectónicas los edificios reciben sombras de elementos que le rodean, cuando el sol esta mucho más cerca del horizonte. Diferencia entre las principales proyecciones solares, en la distribución de las líneas de altitud.
EL SOL, DIAGRAMAS Posición puntual del sol La posición del Sol, en cualquier momento del día, cualquier día del año puede leerse en este diagrama. Pasos a seguir: 1_Asegurarse que el diagrama representa la latitud del lugar. 2_Seleccione la hora deseada. 3_Selecciones el mes. 4_Localice el punto de Intersección de la hora y el mes señalado. 5_Trace una línea desde el centro hasta el punto de intersección anterior, y lea el azimut solar. 6_Trace una línea concéntrica hasta la línea de Norte y lea el ángulo de altitud.
EL SOL, DIAGRAMAS Diagrama cartesiano _Se utiliza para determinar la ubicación de cualquier punto en el plano a través de dos números, Eje X (Azimut), Eje Y (altitud). _Los valores de la fecha y la hora se encuentra primero en exactamente la misma manera que en el diagrama polar. Para determinar la posición del sol: 1_Loclaiza la intersección entre el mes y la hora. 2_Azimut en el Eje X 3_Altitud en el Eje Y
EL SOL, SOMBRAS Máscaras de sombra _Se pueden visualizar la accesibilidad solar de un punto determinado representando los contornos de obstrucción de edificios y la vegetación en un diagrama estereográfico. _Ejemplo sobre un lente de ojo de pez de una cámara orientado hacía el cenit. _Se superpone la trayectoria solar y se delimitan las obstáculos. _Se podrá saber cuando el punto estará en sombra o soleado durante todo el año.
EL SOL, SOMBRAS Máscaras de sombra Procedimiento Para construir un diagrama: _Considere un continente imaginario que rodea un punto. (punto de enfoque). _ Las áreas de obstrucción del Sol se determinan mediante la proyección de líneas desde el punto de enfoque a los vértices en la silueta de cada objeto y determinar dónde se cruza este hemisferio imaginario. _ Las formas resultantes en este hemisferio se puede entonces transferir a un diagrama estereográfico.
EL SOL, SOMBRAS Máscaras de sombra Gráfica auxiliar: _Constituye una guía para trazar las máscaras de sombra. (Un plano semicircular acostado en el suelo que se inclina en función del ángulo de incidencia solar) _Las formas que se generan en los distintos ángulos de inclinación vistas en planta, representa la curvatura de las líneas horizontales para el mismo ángulo de sombra. _Abajo la gráfica auxiliar se muestra como un conjunto de rotación de líneas de puntos, y nos permite completar la proyección de las aristas horizontales.
EL SOL, SOMBRAS Máscaras de sombra Ejemplo práctico animado: Se muestra el procedimiento por el cual se puede determinar la sombra de un bloque y trasladarla en el diagrama estereográfico de la trayectoria solar. Pasos breves: 1-Seleccciona punto de enfoque. 2-Azimut entre Norte verdadero y la primera vertical del edificio. 3_Altitud del plano de tierra a la parte superior de la línea. 4_Marcar ambos altitud y azimut en la gráfica.
RADIACIÓN SOLAR Concepto general _La intensidad de la radiación solar es importante no sólo para las estrategias pasiva, y la luz del día, sino también para la generación de energía limpia en el sitio. _La intensidad del sol varía por la claridad de la atmósfera y el ángulo en el que el sol golpea una superficie, "ángulo incidente". Mientras más perpendiculares a la superficie son los rayos más calor y energía transmiten. Radiación solar incidente esta formada por: _Radiación directa (radiación de haz directo I b ), se mide siempre perpendicular a los rayos del sol. _Radiación difusa, de reflexiones de las nubes y la atmósfera, (R. difusa de cielo = I d ) y del suelo y otros elementos de la superficie (R. difusa superficie = I r ), se miden siempre en una superficie horizontal Radiación solar incidente o radiación global _ Radiación Global =Directa + Difusa Se mide en (W/m2) y es el valor más útil en las primeras etapas de diseño. A veces se cita en términos de energía acumulada por días o por años(kwh/m2/day ó kwh/m2/yr)
RADIACIÓN SOLAR Medición y software _Los datos de radiación solar directa y difusa se incluyen en los archivos climáticos que el software utiliza. _Los valores de la radiación solar incidente (RSI) que se calculan y visualizan, se basan además en la geometría específica del edificio y el periodo de tiempo de análisis. La cantidad de cielo visible para una superficie (F sky ) está determinada por una máscara de sombra que se coloca sobre la bóveda celeste _Un cielo nublado reduce la cantidad de radiación de haz directo y aumenta la cantidad de radiación difusa. Variable formula RSI I b = radiación directa, perpendicular al sol I d = radiación difusa cielo, medido en el plano horizontal I R = radiación reflejada desde el suelo F shading = factor (1 si es un punto que no está sombreada, 0 si un punto está sombreada, un porcentaje si se mide sobre una superficie) F sky = factor de cielo visible (un porcentaje basado en la máscara de sombra) theta = ángulo de incidencia entre el sol y la cara que se analiza. _El cálculo incluye el sombreado de los objetos circundantes (F shading ), la porción del cielo "visible" por la superficie (F sky ), y el ángulo de incidencia entre el sol y la cara que se analiza (theta). _La ecuación que está detrás de los valores del software es la siguiente: RSI = (I b * F shading * cos(theta)) + (I d * F sky )+ I r
RADIACIÓN SOLAR Absorbida, transmitida y reflejada Radiación absorbida _La radiación solar incidente no coincide con la radiación que es absorbida en la fachada y transmitida a través de las ventanas de un edificio, o reflejada. Esto depende de las propiedades del material y se rige por la ecuación siguiente: 100% Incidente - Reflejada = Absorbida + Transmitida Incidente (calienta la superficie) Absorbida (absorbe la superficie) Transmitida (pasa a través ) Directa ( total proveniente del sol) Difusa ( de la bóveda celeste) Reflejada ( de objetos del entorno) _Utilizando Ecotect, y según las propiedades de los materiales asignados a las paredes, techos y ventanas, se dispone de capacidades integradas de cálculo para la radiación absorbida y transmitida.
RADIACIÓN SOLAR Directa y difusa Ecotect Porcentaje de radiación diaria incidente en una superficie por meses del año. Radicación directa y difusa en la relación con la temperatura de bulbo seco y húmedo
RADIACIÓN SOLAR Periodos de medición, Picos Qué?: Cuándo?: Porqué?: Cargas de refrigeración y picos de ganancia solar. Paneles fotovoltaicos Periodo de tiempo para la simulación y análisis de la radiación solar: _El valor máximo calculado durante el período de estudio. _Para conocer el día, mes o estación con la mayor ganancia térmica por radiación. _Se utiliza principalmente para el dimensionamiento de la climatización, para evitar los extremos. La carga solar es uno de los principales componentes de las cargas de refrigeración. _ Cuál es la mayor ganancia solar el día más caluroso en el verano? Se puede reducir estos picos con elementos de sombra? Al reducir la carga de refrigeración máxima, se puede disminuir el tamaño de los equipos? _Determinar la cantidad máxima de energía que puede recibir un panel fotovoltaico, puede ayudar a dimensionar los inversores fotovoltaicos. _Una regla de oro es que el pico en la mayor parte del mundo es de unos 1000 W/m2; así que esto no se suele hacer en la práctica.
RADIACIÓN SOLAR Periodos de medición, Promedios Qué?: Cuándo?: Porqué?: Calefacción y promedios de ganancia solar. Paneles fotovoltaicos y calefacción solar pasiva Periodo de tiempo para la simulación y análisis de la radiación solar: _El promedio por horas de los valores a lo largo del período de estudio. _Para determinar el promedio de las condiciones de diseño generales para un determinado mes o temporada. A menudo, es calculado sólo durante las horas de funcionamiento del edificio. _Se utiliza para calcular el uso de energía y las ganancias en un período de tiempo definido. (Promedio de radiación x horas totales de energía = energía total). _Estimar el potencial pasivo de calefacción solar mediante el estudio de la radiación solar media en épocas de baja temperatura (cuando la calefacción es necesaria). _Determine la potencia total disponible multiplicando la radiación solar promedio por las horas totales. Luego multiplique este valor por un coeficiente de eficiencia conocido, para obtener el total de la producción esperada de energía (para generar electricidad o calefacción)
RADIACIÓN SOLAR Periodos de medición, Acumulativo Qué?: Cuándo?: Porqué?: Calefacción y refrigeración pasivas. Paneles fotovoltaicos y calefacción solar pasiva Periodo de tiempo para la simulación y análisis de la radiación solar: _El total de todos los valores calculados en un período de tiempo determinado. _Para cualquier período de tiempo que interese, se puede determinar la generación total de energía o de ahorro. Este método puede ser más preciso que el uso de medias en el estudio de los períodos de tiempo específicos. _Utilice la búsqueda de la energía total que estará disponible durante un período de tiempo determinado. _Conocer el impacto de la carga de calefacción/ refrigeración durante un periodo de tiempo determinado y la cantidad total de energía que tengo que manejar. p.e. Cuál es la energía total que se puede obtener para el sistema directo de ganancia como un muro de masa térmica? _Esta es la principal aplicación. Qué energía total va a recibir un panel fotovoltaico, durante un periodo o durante todo el año. Pueden coincidir las necesidades del edificio con este potencial de producción?.
RADIACIÓN SOLAR Incidencia en el diseño, Componentes de la radiación sobre una superficie: _Directa: trayectoria desde el sol hasta la superficie. _Difusa: desde todas las direcciones de la bóveda celeste. _Reflejada: proveniente de otras superficies. Depende _Latitud _Pureza atmosférica _Obstrucciones: _Geométricas _Climáticas Determina _Ganancia térmica, _Aporte lumínico, _Características higrotérmicas _Movimiento de las masas..de aire En función de su ocurrencia e intensidad: _Ciclos de confort térmico en los ambientes exteriores _Estrategias de captación..solar invernales _Estrategias de protección..solar estivales. _Aprovechamiento de.gradientes T sol -T sombra, en.estrategias de ventilación.
2_EL VIENTO Características, representación, métrica y diseño.
Altura de la torre en ft EL VIENTO Características generales Características del aire como fluido: _Presión, _Temperatura _Densidad El viento depende de: _El medio geofísico general y local.(microclima) (Su generación, canalización y obstrucción) _Rugosidad del terreno _La velocidad varia exponencialmente con la altura El viento determina: _La temperatura _Humedad Su carácter estacional condiciona el diseño. Incremento de la energía %
EL VIENTO Representación y software _La velocidad y dirección del viento cambia durante el día Rosa de viento, gráfica de distribución de frecuencias y el año, y no es tan universalmente predecible como la trayectoria del sol. _La mejor manera de obtener datos precisos es realizar mediciones reales en el mismo sitio. _Debemos utilizar con cautela los datos meteorológicos de la estación más cercana contenidos en archivos, EPW o WEA. _Se representa comúnmente por medio de la "rosa de los vientos", y se puede medir en función de: _La dirección ( a través de los ángulos), _La velocidad (líneas concéntricas) y _Frecuencias de ocurrencia (intensidad de colores)
EL VIENTO Weather tools Las "Rosas de los vientos pueden ofrecer un promedio anual, por temporadas específicas, días o horas y se pueden visualizar datos de dirección y velocidad en relación con: _Frecuencia de ocurrencia. _Humedad relativa. _Temperatura. _Precipitaciones.
EL VIENTO Velocidad, tabla de Beaufort Escala de fuerza de viento basado en su efecto físico sobre, personas, plantas y cosas BEAUFORT KM/H NUDOS ALREDEDORES 0 (calma) 0 0-1 No se nota lo suficiente. 1 (viento ligero) 2-5 1-3 El humo se mueve ligeramente con la brisa y muestra la dirección del viento. 2 (brisa ligera) 6-12 4-6 Usted sólo puede sentir el viento en la cara y oír las hojas empiezan a crujir. 3 (brisa suave) 13-20 7-10 El humo se moverá casi horizontalmente y pequeñas ramas comienzan a tambalearse. 4 (Brisa moderada) 21-30 11-16 El polvo suelto o arena en el suelo se moverá y se mecen las ramas más grandes. 5 (brisa fresca) 31-40 17-21 Las ondas superficiales se forman en el agua y los árboles pequeños se balancean. 6 (brisa fuerte) 41-50 22-27 Los árboles comienzan a doblarse con la fuerza del viento. 7 (moderado vendaval) 8 (vendaval fresco) 9 (fuerte vendaval) 51-61 28-33 Los árboles grandes se balancean. 62-72 34-40 Se rompen las ramas de los árboles, y las rayas largas de espuma aparecen en el océano. 75-89 41-47 Rompe las ramas de los árboles.
EL VIENTO Otras métricas Factor de sensación térmica _Cuando el viento sopla sobre la piel, elimina las capas aislantes de moléculas de aire caliente y los reemplaza con más frías moléculas. Cuando todos los demás factores son iguales, a mayor velocidad del viento, mayor es la pérdida de calor, y mayor el frío que se siente. _La cantidad de refrigerante que se siente debido a la combinación del viento y la temperatura se denomina sensación térmica. _Factores de sensación térmica se expresa generalmente como una temperatura equivalente en la escala Celsius, o en unidades de energía por unidad de área. Potencia eólica _Debido a que el aire tiene masa y que se mueve para formar el viento, posee energía cinética. _Podemos decir que la potencia depende de la velocidad al cubo, (ρ-densidad del aire, A-superficie incidente, V-velocidad) Potencia eólica = 1/2 ρav 3
EL VIENTO Incidencia en el diseño INVIERNO VERANO VERANO Vientos fríos _Aumentan demanda de calefacción _Incrementan las perdidas de calor de la envolvente térmica Brisas frescas _Reducen o anulan demanda de refrigeración _Refrescan la envolvente. Vientos Cálidas _Aumentan la demanda de refrigeración. _Ceden calor a la envolvente Determina Determina Determina _Orientación general eólica del edificio. _Sistemas de aislamiento y protección. _Las características y posición de los huecos. _Orientación general eólica del edificio. _Sistemas de ventilación _Las características y posición de los huecos. _Orientación general eólica del edificio. _Sistemas de aislamiento y protección. _Las características y posición de los huecos.
CONCLUSIONES Accesibilidad solar _Estrategias de captación solar invernales y de ganancia térmica, para calefacción. _Estrategias de protección solar estivales. _Aporte de iluminación natural. Radiación Accesibilidad eólica, _Aprovechamiento de gradientes T sol- T sombra, en estrategias de ventilación. _Potencial de sistemas pasivos de calefacción y refrigeración, y de energía eléctrica fotovoltaica. _Orientación general eólica del edificio. _Sistemas de ventilación. Vientos _Sistemas de aislamiento y protección. _Las características y posición de los huecos.
BIBLIOGRAFÍA _Granados Menéndez, Helena. Principios y estrategias del diseño bioclimático en la arquitectura y el urbanismo, eficiencia energética. Consejo Superior de los Colegios de Arquitectos de España, 2006. _Olgyay, Victor. Arquitectura y clima. Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Gustavo Gili, Barcelona 1998. _Baruch, Givoni. Man, climate and architecture. Elseveir Publishing Company. Amsterdam 1969. _Alfonso González, Alfonso; Alemany Barreras, Alba, Climatología, iluminación, acústica, aplicación en la arquitectura, La Habana, ISPJAE, 1975 _Neíla González, F. Javier Arquitectura bioclimática en un entorno sostenible Editorial Munilla-Lería, Madrid 2004 _Higueras, Esther. Urbanismo bioclimático. Gustavo Gili, S.L, Barcelona, 2006.