• Author / Uploaded
• jhsalaza

• Categories
• Luz de sol
• Dom
• Ventana
• Tierra
• Clima

Citation preview

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos.

Artículo publicado en VII Encuentro nacional de estudiantes de arquitectura. Grupo EMAT. Facultad de Arquitectura. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín. 2003.

02 Documento actualizado el 02 de Diciembre de 2010 …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Matrícula A0570049534 …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… Teléfonos. 57-(9)4-511 46 56 / 513 17 48 …………………………………………………………………… Fax. 57-(9)4-5719062. Medellín, COLOMBIA. …………………………………………………………………… Email. [email protected] …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… …………………………………………………………………… ………………………………………………………5

Arq. Jorge Hernán Salazar Trujillo

.

Presentación

La arquitectura es una manifestación cultural que nació de la necesidad del ser humano de adaptarse a su medio ambiente. Si bien en la actualidad hay muchos otros requerimientos que atender, el edificio como mediador entre las necesidades fisiológicas y sicológicas del habitante y las condiciones ambientales reinantes en el exterior continúa siendo un pilar fundamental de la arquitectura. Los requerimientos que debe atender un arquitecto son de muy diversa índole y muchas veces de difícil conciliación, pero es bueno recordar que el alma de esta profesión está en responder coordinadamente a dichos condicionantes y que no se hace arquitectura respondiendo únicamente a un par de ellos. Un edificio que no responda a las necesidades biológicas de quien lo ocupa podrá ser entendido como objeto artístico, como moda, como renta del suelo pero nunca como labor arquitectónica, porque si bien es cierto que no basta ofrecer protección de los agentes atmosféricos para hacer arquitectura, el bienestar de las personas es uno de los objetivos que tampoco puede olvidarse durante la etapa de proyectación. De los elementos climáticos que influyen en el bienestar de los ocupantes de una edificación sin duda uno de los de mayor relevancia es el acertado manejo de la radiación solar; un proyecto bien resuelto aprovechará la radiación procedente del sol durante las horas más frías del día y se protegerá de ella durante las horas más calientes. El estudio de las relaciones entre la radiación solar y el edificio se denomina PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

1 Jorge Hernán Salazar Trujillo

asoleamiento y es una de las maneras más efectivas de reducir los costos de climatización artificial de los espacios interiores para lograr confort con economía. Las crisis energéticas que se han presentado en las últimas décadas propiciaron el auge de esta disciplina, pero el tema no es nuevo y no faltaron arquitectos que en el pasado tuvieran en cuenta el asoleamiento para responder exitosamente a las condiciones climáticas del lugar, algunas veces con soluciones bastante ingeniosas.

Arquitectura y asoleamiento El ser humano siempre ha procurado que los espacios donde habita sean tan cómodos como sea posible. Esta finalidad inherente a la arquitectura y enunciada por el arquitecto romano Marco Vitrubio desde principios de nuestra era tiene relación directa con el bienestar y la salud de quienes ocupan una edificación, por ello causa sorpresa que hoy, dos mil años más tarde, hablar de bienestar y medio ambiente en relación con la arquitectura sea una novedad. De una u otra forma se está haciendo arquitectura bioclimática desde hace muchos siglos, solo que ahora la ciencia y la tecnología aportan herramientas de cálculo y diseño que permiten trascender el empirismo con que tradicionalmente se manejaron estos temas para llevarlos al plano científico. Hoy día es posible predecir con cierto grado de precisión el comportamiento climático de una edificación en las fases previas a su construcción, aprovechando el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías para obtener edificaciones más confortables gracias al adecuado uso de los materiales de construcción, haciendo un uso inteligente de los recursos tecnológicos y un fuerte énfasis en el aprovechamiento, conservación y racionalización en el uso de los recursos naturales. Arquitectos convencidos de que una edificación además de satisfacer los requerimientos técnicos, estéticos y urbanos debe propiciar espacios más confortables mediante una relación más armónica con el medio ambiente han dado pie a que se hable de una arquitectura "nueva" y de proyectos bioclimáticos. Sobra decir que cualquier edificación debería serlo. Parecería que el bioclimatismo y su preocupación por el cauteloso uso de los recursos naturales estuviesen en contra de todo tipo de adelanto tecnológico, pero realmente se busca es un uso racional de este recurso, actitud que permite aprovechar los logros de la industria de este siglo sin olvidar soluciones tradicionales aparentemente obsoletas pero de gran eficacia y economía. La técnica sigue estando disponible y se utiliza cuando es realmente necesaria, pero edificaciones donde se aplican inteligentemente conceptos bioclimáticos experimentan significativas reducciones en sus costos de construcción, consumo energético y gastos de operación. Para alcanzar los objetivos propuestos por la arquitectura bioclimática es preciso tener en cuenta los factores que determinan el clima del lugar de manera simultánea con los otros factores propios a cualquier proyecto arquitectónico. El estudio de la dirección, temperatura e intensidad de los vientos, la humedad del aire, la nubosidad propia de la zona, la orientación de la edificación y las características físicas de los materiales con que será construida deberá ser hecho conjuntamente con su volumetría y espacialidad. De todos estos factores climáticos uno de los que tiene mayor peso en el bienestar de los

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

2 Jorge Hernán Salazar Trujillo

ocupantes es la radiación solar. Normalmente casi todo el calentamiento que experimenta una edificación depende del adecuado aprovechamiento o protección que se haga de la energía procedente del sol, esto explica por qué algunas personas creen -erróneamente- que el hecho de que un edificio esté correctamente asoleado es suficiente para que sea bioclimáticamente efectivo. El estudio del asoleamiento de una edificación busca optimizar la relación existente entre la radiación solar y la edificación, permitiendo por ejemplo proyectar ventanas más grandes y orientadas hacia las visuales más interesantes sin que esto implique aumentar la cantidad de energía que llega al interior de los diferentes espacios. Una acertada solución en el asoleamiento de un proyecto podrá influir significativamente sobre los costos de funcionamiento del aire acondicionado, la duración de los muebles y acabados, el bienestar y productividad de las personas que utilizan la edificación o aumentar incluso su valor comercial. Para optimizar el asoleamiento es necesario analizar de manera conjunta los factores de los cuales depende: la localización y orientación geográfica del edificio, el entorno que le circunda, la forma y tamaño de los vanos y el material con el que se hace el cerramiento. Todos estos temas deben ser estudiados de manera integral para alcanzar un objetivo común: evitar que el sol llegue al interior de los diferentes espacios durante las horas más calientes del día. Así parezca una tarea complicada todo apunta a un objetivo absolutamente simple: asegurar que los vanos de la edificación estén a la sombra durante las horas que sea conveniente. El asoleamiento de una edificación para un lugar supremamente frío buscara exactamente lo contrario.

Mecánica solar La dirección e intensidad con que la radiación solar incide sobre cualquier superficie depende de su latitud y orientación geográfica, por las características de la órbita de la tierra alrededor del sol sitios con latitud diferente presentan movimientos aparentes del sol particulares, lo que hace que las consideraciones de asoleamiento hechas para un lugar no sean válidas para otro. La localización de un proyecto incide de tal manera en su comportamiento climático que aplicar un sistema de protección solar en lugares u orientaciones diferentes para las que fue diseñado puede llevar a desagradables sorpresas. Para conocer con precisión las posiciones del sol es preciso aplicar los conceptos de la mecánica solar, conjunto de principios geométricos que describen el comportamiento del sistema tierra-sol y que permiten calcular mediante sencillas expresiones matemáticas la posición aparente del sol en la bóveda celeste en un instante y lugar determinado.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

3 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Gráfico 1. El movimiento aparente que realiza el sol alrededor de la tierra puede representarse como una espiral que tarda seis meses en ser recorrida y cuya inclinación depende de la latitud geográfica del lugar. La porción que está por encima del plano horizontal corresponde a las horas diurnas, la otra mitad de la espiral se desarrolla en la noche, De enero a junio la espiral se desarrolla de sur a norte, de junio a diciembre la espiral va en sentido contrario; las fechas en las que el desarrollo de la espiral invierte su dirección corresponden a los dos solsticios (junio 21 y diciembre 22).

Los dos principales movimientos que efectúa la tierra alrededor del sol se evidencian sobre la superficie terrestre como la rotación aparente del sol alrededor de la tierra y como la variación de la posición del plano que contiene dicha órbita; por las características de ambos movimientos el sol nunca repite una posición en el cielo más de una vez en el año. El rango dentro del cual se describe este movimiento aparente depende de la latitud geográfica del lugar, pero está comprendido como mínimo entre 23°27' al norte y 23°27' al sur del eje oriente-occidente. Este rango de casi 47° lo recorre el sol en el transcurso de 6 meses, razón por la cual afirmar que el sol sale por el oriente y se oculta por el occidente es válido únicamente para dos días en el año. Para calcular los intervalos durante los cuales es probable que entre radiación solar a través de los vanos de una edificación se deben tener en cuenta las trayectorias aparentes del sol a lo largo del año; esto implica analizar la orientación de las ventanas en función de la posición del sol para una fecha y hora precisas. Si bien el cálculo de estas magnitudes no implica mayor esfuerzo, analizar lapsos de tiempo en vez de fechas y horas puntuales implica manejar simultáneamente gran cantidad de datos numéricos, por lo que la representación gráfica de estos valores toma tanta importancia.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

4 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Gráfico 2. Los diagramas de asoleamiento representan gráficamente las trayectorias aparentes descritas por el sol en la bóveda celeste en la latitud del lugar para la que fueron calculados. Existen numerosos diagramas de diferentes estilos pero todos comparten una misma finalidad; uno de los más comunes es el diagrama esférico que se representa aquí. Con este diagrama y trazando un par de líneas auxiliares puede obtenerse en pocos segundos la posición del sol en Medellín para cualquier fecha y hora.

Radiación solar La energía emitida por el sol está compuesta por radiaciones de diferente índole, pero para diseñar un sistema de protección solar basta considerar las radiaciones lumínicas y las radiaciones calóricas, responsables de la iluminación natural del espacio y de su calentamiento respectivamente. La intensidad de esta radiación presenta ligeras variaciones que dependen de la actividad solar, pero dichas fluctuaciones se perciben únicamente con la ayuda de equipos de gran precisión, razón por la cual la cantidad de energía que emite el sol puede considerarse constante, a pesar de ello en cualquier localidad se experimentan variaciones significativas en la intensidad de la radiación proveniente del sol. Esto ocurre porque la intensidad de energía que llega hasta la superficie terrestre depende de factores locales como la época del año, la altura del sol sobre el horizonte, las condiciones de nubosidad y la contaminación atmosférica, lo que hace que la intensidad de radiación solar sea mayor en enero que en junio, que el sol al medio día caliente más que en las horas de la mañana y que los días nublados sean más frescos que los días despejados.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

5 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Gráfico 3. La órbita de la tierra alrededor del sol no es circular sino elíptica, además el sol se localiza no en el centro de la elipse sino en uno de sus focos, razón por la cual ni la distancia entre la tierra y el sol ni la intensidad de radiación que llega al exterior de la atmósfera son constantes. En el perihelio (enero 3) esta distancia se hace mínima y como consecuencia la intensidad de radiación solar que llega al exterior de la atmósfera alcanza valores máximos. Seis meses más tarde, en el afelio (julio 6) la distancia se hace máxima y la intensidad de radiación mínima, con variaciones entre una y otra fecha de aproximadamente un siete por ciento.

Las variaciones en la distancia entre la tierra y el sol influyen sobre la intensidad de radiación que llega hasta la superficie terrestre, pero su incidencia es poca comparada con la filtración que efectúa la atmósfera sobre la radiación solar; mientras más oblicuos sean los rayos solares mayor será el espesor de atmósfera que tendrán que atravesar y por tanto menor la intensidad de energía que alcanza a llegar a la superficie terrestre. Estas variaciones de intensidad que experimenta la radiación solar dificultan el cálculo de la efectividad de un protector solar. En las horas próximas al medio día la intensidad de radiación solar es máxima pero el ángulo de incidencia es tan pronunciado que la posibilidad de que estos rayos atraviesen una ventana vertical son pocas. En las horas próximas al ocaso los rayos solares son muy oblicuos y pueden atravesar con mayor facilidad la ventana, pero ahora la intensidad de radiación es mucho menor. Por esta razón el momento en que se presentan las condiciones de asoleamiento más desfavorables no puede ser calculado tan fácilmente y depende tanto de la fecha y hora del día como de la geometría y orientación de la ventana.

Gráfico 4. La radiación solar que llega a la superficie terrestre siempre es menor que la que se presenta en el exterior de la atmósfera, pero presenta variaciones que dependen de la altura del sol en el horizonte y la transparencia atmosférica. En las horas próximas al medio día la intensidad de radiación que llega a la superficie es mayor que en las horas del amanecer o el ocaso, cuando esta radiación es tan tenue que incluso el sol puede ser observado directamente.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

6 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Acceso solar Que la bóveda celeste este completamente despejada no es suficiente para garantizar que una ventana pueda recibir radiación solar en un momento determinado; puede ocurrir que existan elementos cercanos que bloquean los rayos solares e impiden que la radiación solar llegue hasta ella. Al estar las ventanas dentro de la sombra de otro objeto puede darse que estas condiciones favorables de acceso solar permitan mantener el clima interior de una edificación dentro de rangos confortables sin necesidad de ningún sistema de protección solar. Esto sucede entre otros gracias a las condiciones topográficas del terreno, la presencia de alguna construcción vecina o la existencia de una arborización adecuadamente seleccionada. Sin embargo no es prudente ceder a estos elementos toda la responsabilidad del control solar a no ser que pueda garantizarse su permanencia en el sitio. Todos los métodos utilizados para determinar el acceso solar tienen como objetivo común definir una poligonal denominada línea de horizonte que una vez calculada se superpone a un diagrama de asoleamiento convencional; los datos utilizados para trazar dicha poligonal se obtienen haciendo mediciones en el sitio.

Gráfico 5. Superponiendo la línea del horizonte de un lugar a un diagrama de asoleamiento en este caso un diagrama en campana- pueden calcularse los intervalos en los cuales la radiación solar será obstruida antes de llegar al sitio.

Vanos Buena parte de la radiación solar que calienta el interior de una edificación accede a través de las ventanas, puertas vidrieras y demás aberturas que puedan ser atravesadas por la luz proveniente del sol, por ello el problema de exceso de radiación al interior de un espacio se ha resuelto tradicionalmente reduciendo el tamaño de los vanos o incluso suprimiéndolos, a pesar de que las necesidades de ventilación o relación visual con el exterior no siempre hacen de esta la mejor solución. Una edificación bien resuelta evitará al máximo los inconvenientes propios de la radiación solar directa, aprovechará sus

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

7 Jorge Hernán Salazar Trujillo

ventajas en los lugares donde no sea dañina y sacará el máximo provecho de la luz natural indirecta para iluminar los espacios interiores. Incluso en climas fríos donde a veces se abren los espacios a los rayos solares para lograr su rápido calentamiento, las condiciones pueden volverse muy molestas para la visión y dañinas para la piel. Un sistema de protección solar bien resuelto permitirá vanos más amplios con mejores visuales y ventilación natural sin aumentar necesariamente el ingreso de radiación solar. El material con que se cierra el vano también puede influir en la cantidad de energía que llega al interior de la edificación; algunos vidrios y plásticos, producidos mediante tecnologías muy avanzadas, permiten filtrar o reflejar una porción de la energía que llega hasta ellos, reduciendo la cantidad de energía calórica que ingresaría a través de los vanos de la edificación. Sin embargo es conveniente tener en cuenta que con frecuencia se trata de materiales elaborados para condiciones climáticas muy concretas y en ocasiones estos productos han resultado ineficaces para controlar la radiación propia de una latitud ecuatorial, lo cual no quiere decir que el material sea malo, sino mal utilizado. Estos productos tienen desempeños excelentes pero no son imprescindibles, de hecho se pueden obtener excelentes resultados combinando vidrio claro con algún sistema de protección solar bien diseñado. De todos modos sigue existiendo la posibilidad de combinar protección solar y vidrios especiales para llegar a resultados absolutamente asombrosos. En este estudio la orientación de los vanos se representa mediante dos iniciales -N, S, W, E- que definen el cuadrante en el cual se localiza la recta normal a la fachada y un valor numérico que es el ángulo agudo comprendido entre dicha normal y el eje norte-sur. Una ventana que mire hacia el nor-oeste con una desviación de 20° tendrá una orientación N20W, si mira hacia el nor-este será N20E.

Gráfico 6. Orientación de una ventana y su correspondencia en la nomenclatura utilizada. En este caso, por ejemplo, la orientación del plano seria N26W.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

8 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Protección solar En las regiones cercanas a la línea del ecuador los rayos solares inciden pronunciadamente sobre la superficie terrestre durante buena parte del día, por lo que prácticamente cualquier edificación que se localice en la zona ecuatorial necesitará en mayor o menor grado del control solar. Quien proyecta aplicando los principios del asoleamiento podrá prevenir que la radiación solar caliente el interior de la edificación en las horas no deseadas, ya sea haciendo uso de la arborización, los aleros, los voladizos, los balcones y galerías, los parasoles, las persianas y cortinas, los toldos, las rejillas, los patios, las pantallas, las superficies vidriadas, los emparrados, los calados o la sombra propia de cada volumen. Además, así sea el vano el lugar donde comúnmente se coloca el sistema de protección solar, esto no descarta la posibilidad de sombrear un muro para reducir así su calentamiento.

Gráfico 7. Normalmente todo sistema de protección solar debe cumplir dos requisitos mínimos: evitar que la radiación solar directa llegue al interior del espacio y permitir la libre visual hacia el exterior. También es conveniente aprovechar el quiebrasol para aumentar el nivel de iluminación natural de los espacios así protegidos.

Se puede lograr protección solar aprovechando numerosos recursos tecnológicos desarrollados en la actualidad o usando el método más antiguo y económico para evitar o atenuar problemas de calentamiento en edificaciones; la sombra. La cantidad de radiación que puede llegar al interior de un espacio depende de la forma, orientación y dimensiones de la ventana, cuando ésta se diseña de manera tal que obstruya el paso de los rayos solares al interior de la edificación se habla entonces de un protector solar. Este elemento podrá tener formas muy diversas, pero en esencia no es más que una pantalla que proyecta sombra sobre el vano que protege y su efectividad depende de su capacidad para bloquear los rayos solares durante las horas del día más desfavorables para la ventana protegida.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

9 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Gráfico 8. Diferentes sistemas de protección solar pueden tener desempeños bastante similares aunque desde el punto de vista técnico, económico o estético sean completamente diferentes.

Es cierto que la protección solar permite reducir significativamente la cantidad de calor presente al interior de una edificación, pero esto no significa que automáticamente todo edificio correctamente protegido sea ambientalmente adecuado. Un sistema de quiebrasoles no basta para garantizar el bienestar de los ocupantes de una edificación, hay otros elementos que tienen gran influencia como la ventilación natural, el color y textura de los materiales, la ocupación del espacio o la humedad y pureza del aire con que se ventila. No es extraño encontrar edificios que a pesar de estar protegidos del sol cuentan además con sistemas de acondicionamiento mecánico de aire; la protección solar puede reducir el calor que entra a la edificación pero no puede evitar que éste se produzca al interior de ella. Algunos autores intentan clasificar las diferentes formas de protección solar para facilitar su estudio y análisis. Que los quiebrasoles puedan ser verticales, horizontales o reticulares es verdad, que tengan que serlo no; de hecho existen numerosos ejemplos que ilustran cómo sistemas de protección solar con formas poco convencionales pueden ofrecer efectividades muy altas. Vale la pena anotar que las virtudes de un protector solar no dependen de su forma sino de la relación existente entre su forma y el vano que sombrean y que es imposible dimensionarlo sin definir primero su geometría, etapa donde las ecuaciones tienen poco que aportar y donde el arquitecto debe hacer uso de toda su creatividad.

Gráfico 9. Tres sistemas de protección solar; elementos verticales, horizontales espaciados regularmente, o su combinación que da como resultado un sistema reticulado.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

10 Jorge Hernán Salazar Trujillo

Durante el apogeo de la arquitectura moderna se puso mucha atención a la relación existente entre las edificaciones y el sol, el mismo Le Corbusier en alguna ocasión afirmo: "Los materiales de la planificación urbana son: el sol, el espacio, la vegetación, el acero y el concreto. En ese preciso orden y subordinación". Las innumerables variaciones de sencillos principios de protección solar dieron como resultado edificaciones supremamente proporcionadas con el lenguaje ortogonal y sobrio propio de la arquitectura moderna, pero todavía muchos arquitectos siguen creyendo que la única manera de proteger una edificación del sol es proponer aletas espaciadas regularmente en disposición vertical u horizontal, cuando la realidad es que casi cualquier forma de quiebrasol diseñada correctamente permite obtener condiciones de asoleamiento muy satisfactorias. La timidez formal en el manejo del sistema de protección solar puede obedecer a numerosos factores que harían parte de otro estudio, pero la incertidumbre acerca del funcionamiento de un protector de difícil evaluación es sin lugar a dudas uno de los inconvenientes que han hecho que muchas de las edificaciones construidas durante los últimos años hagan uso de sistemas de protección solar tan convencionales, especialmente ahora cuando los recursos tecnológicos ofrecidos por la industria de la construcción y las herramientas de cálculo desarrolladas en la actualidad ofrecen muchísimas más alternativas que las que tuvieron a mano los arquitectos de la primera mitad del siglo.

Evaluación del asoleamiento Los principios aplicados para diseñar cualquier sistema de protección solar son exactamente los mismos que se utilizan para evaluarlo, pero las herramientas de evaluación y de diseño son diferentes. El diseño y predimensionamiento de un protector solar es una tarea relativamente sencilla pues basta un diagrama de asoleamiento y una mesa de dibujo, pero el refinamiento de este diseño y su posterior evaluación no son tan simples; los conceptos de mecánica, radiación y acceso solar, atenuación atmosférica, orientación de la edificación y forma geométrica del vano y quiebrasol, hacen que el número de variables que se deben conjugar sea demasiado alto como para ser manejadas de manera artesanal. Hace algunos años autores como Victor Olgyay propusieron métodos manuales que permitían evaluar el asoleamiento luego de hacer algunas simplificaciones, sin embargo estas mismas simplificaciones eran las que impedían analizar formas que no obedecieran a unas características geométricas supremamente restringidas. Quiebrasoles curvos o triangulares, fachadas inclinadas o cóncavas eran imposibles de evaluar con estos métodos y si bien es cierto que hoy existen otros métodos manuales para la evaluación de protectores solares que no implican tantas limitaciones geométricas, rápidamente se llega a que el tiempo que debe invertirse en la elaboración de los cálculos termina siendo excesivamente largo, lo que hace poco práctico este tipo de procedimientos. Para evaluar la calidad de un sistema de protección solar es necesario definir primero algún parámetro que mida su efectividad. La primera solución que suele proponerse es calcular la cantidad de energía que alcanzaría a llegar hasta el vidrio que cierra el vano,

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

11 Jorge Hernán Salazar Trujillo

pero los valores calculados de esta manera dependerían del área de la ventana analizada y por lo tanto un mismo sistema de protección solar aplicado en áreas diferentes daría como resultado magnitudes diferentes. Si se desea medir la calidad de un protector solar el parámetro utilizado no deberá depender del área del vano sino únicamente de la efectividad con que dicho protector bloquea los rayos solares. Por esta razón es preferible definir un parámetro denominado Factor de Eficiencia de Protección Solar (E), porcentaje que representa la efectividad con que un sistema de protección solar bloquea la radiación proveniente del sol y que fue definido mediante las siguientes expresiones: S = Área Desprotegida ante el sol/ Área total del vano. El Factor de Sombra es el cociente entre el área desprotegida del vano para una fecha y hora determinadas y el área del vano analizado. Este factor está comprendido en un rango entre 0 y 1; valores cercanos a 1 indican que el área desprotegida es muy grande y que la mayor parte de la radiación que llega hasta la ventana llegaría a la superficie vidriada; valores cercanos a 0 indican que el área desprotegida es muy pequeña y que casi toda la radiación sería interceptada por el sistema de protección solar. I = Radiación Incidente / Radiación Máxima Posible El Factor de Insolación es el cociente entre la radiación incidente en un determinado momento del día y la radiación máxima que puede presentarse sobre la superficie terrestre; su rango de variación también está comprendido entre 0 y 1. Valores de I cercanos a 1 indican que la cantidad de radiación que incide sobre la ventana es muy alta y que en caso de que el factor de sombra sea muy bajo las condiciones de asoleamiento serían bastante desfavorables. Por el contrario valores cercanos a 0 indicarán que la intensidad de radiación incidente es muy tenue. Finalmente el Factor de Eficiencia de Protección Solar se define como el producto del Factor de Sombra y el Factor de Insolación E = S * I y tiene a su vez un rango de variación entre 0 y 1. Un valor de E=0 representa condiciones de asoleamiento altamente eficientes donde la radiación solar directa no logra cruzar el vano o llegar a la superficie vidriada, un valor de E cercano a 1 representa condiciones de asoleamiento muy desfavorables donde gran parte de la radiación solar atravesaría el vano o llegaría hasta la superficie vidriada. Para el cálculo del factor E se integran las condiciones de radiación, acceso y obstrucción solares, pero el valor puede calcularse únicamente para la posición del sol en una fecha y hora determinadas, por lo que es representativo para un instante particular. Para conocer el comportamiento de un sistema de protección solar será preciso calcular numerosos valores E que distribuidos adecuadamente a lo largo del año permitan revelar su eficacia. Al calcular la eficiencia de protección solar siempre hay una fecha y hora en la cual se presentan las condiciones de asoleamiento más desfavorables, fecha crítica que es diferente para cada ventana y que constituye una de las mejores herramientas para identificar el modo de optimizar un sistema de protección solar. Este valor es importante para analizar la ventana de manera independiente, pero al comparar varias ventanas ya no es de ninguna utilidad porque dicha magnitud es representativa únicamente para un instante particular y no para un comportamiento global; dos ventanas pueden presentar PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

12 Jorge Hernán Salazar Trujillo

un mismo valor máximo pero esto no significa que ambas reciban la misma cantidad de radiación solar durante todo el año. Por esta razón es preciso definir un segundo factor denominado Eficiencia Global (EG) que es el cociente -presentado en porcentaje- entre el volumen bajo la superficie de análisis de la ventana y un volumen utilizado como patrón de comparación y que tiene un valor de EG=1. Gracias a esto puede compararse la efectividad de varias ventanas de manera confiable; si una ventana tiene un EG=0.2 y otra un EG=0.4 podrá asegurarse que la primera tiene el doble de eficiencia que la segunda.

Procedimiento de evaluación El sistema utilizado para evaluar la eficiencia de protección solar está constituido por tres elementos diferentes; el parámetro de medición E, el programa de computador que lo calcula y el método gráfico que lo representa. El procedimiento es sencillo y comienza con una visita al sitio para hacer el levantamiento de la ventana y la medición de su orientación con una brújula, luego se construye en el computador un dibujo tridimensional del elemento a analizar para ejecutar el programa de computador que calcula la eficiencia de protección solar y elabora los diagramas tridimensionales de manera completamente automática. Para el cálculo de estas superficies se aplican las ecuaciones de la mecánica solar para calcular la posición del sol y la intensidad de radiación para cada día y hora del año, se mide el área desprotegida para calcular la cantidad de energía que llegaría al vano y se compara con la que sería obstruida por el elemento de protección solar. El resultado de esta comparación, hora a hora y día a día, es una lista de valores numéricos que para facilitar su interpretación son transformados en coordenadas tridimensionales y más tarde en los diagramas tridimensionales. Hay dos advertencias que hacer con respecto al sistema de evaluación propuesto; la primera es que debido a la complejidad matemática implícita en los cálculos de nubosidad y transparencia atmosférica se optó por omitir ambos factores y calcular preferiblemente las condiciones de asoleamiento para cielo despejado. Por lo tanto todos los cálculos se basan en la radiación teórica máxima y no coincidirán necesariamente con las condiciones medidas en el sitio. La segunda es que para simplificar la interpretación de los diagramas se trabajó siempre con la Hora Solar Local y no con la Hora Legal, por lo que hay pequeñas discrepancias entre las horas especificadas en los diagramas y las que puedan medirse en la realidad.

Interpretación de diagramas Los diagramas que se presentan más adelante representan la variación del factor de Eficiencia de Protección Solar para una latitud, orientación y ventana particulares. Para simplificar las comparaciones entre una y otra edificación todas las evaluaciones incluidas en la presente investigación fueron elaboradas con los mismos parámetros de cálculo; intervalos de media hora para cada día analizado e intervalos de siete días entre una y otra fecha. En la parte inferior izquierda de cada diagrama hay una planta del diagrama a la que se le ha hecho un corte horizontal a una altura de veinte por ciento 20% (E = 0.20) y que sirve como patrón de comparación entre los diferentes diagramas. Las zonas donde la cuadrícula desaparece representan los lapsos en los cuales las PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

13 Jorge Hernán Salazar Trujillo

condiciones de asoleamiento sobrepasan este nivel de referencia, nivel donde sólo llega a la superficie de cerramiento del vano la quinta parte de la radiación solar directa que podría presentarse sin protector. En el eje que va de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha se representan las fechas del año comprendidas entre junio 22 y diciembre 31. Solo se representa medio año porque la trayectoria del sol hace un recorrido doble cada 365 días y basta analizar la mitad del año para tener en cuenta todas las posibles posiciones del sol. Si se analizaran los meses entre enero y junio se tendría como resultado un diagrama simétrico al ya calculado. En el eje que va de abajo hacia arriba y de derecha a izquierda se consignan las horas del día en que el sol se encuentra por encima de la línea del horizonte. Comprende un rango aproximado de 12 horas; entre 6 de la mañana y 6 de la tarde, pero hay diferencias entre la duración de un día y otro, debido a que la latitud en que se localizan las edificaciones está varios grados al norte de la línea del Ecuador y por ello los días de diciembre son ligeramente más cortos que los de junio. Hacia arriba se representa el factor de eficiencia de protección solar para una fecha y hora determinadas y tiene un rango de variación entre 0 y 1. Mientras más alto sea el diagrama mayor cantidad de energía entraría a través de la ventana en caso de no haber vidrio, o llegaría hasta la superficie vidriada en caso de haberlo, mientras más achatado sucederá lo contrario. Las zonas donde el diagrama es plano representan los lapsos en los cuales la fachada esta a la sombra o en los que el protector solar es completamente efectivo. Fin del documento.

PROTECCIÓN SOLAR EN EDIFICACIONES. Fundamentos Teóricos Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín

14 Jorge Hernán Salazar Trujillo