El calentamiento en un sistema pasivo implica el aprovechamiento de una fuente de energía que pueda proveer el calor necesario. Dentro de la arquitectura solar pasiva, existen elementos arquitectónicos que favorecen e intensifican la captación de energía solar.

Calentamiento Pasivo

Elementos arquitectónicos para la captación de energía solar

El calentamiento en un sistema pasivo implica el aprovechamiento de una fuente de energía que pueda proveer el calor necesario. Dentro de la arquitectura solar pasiva, existen elementos arquitectónicos que favorecen e intensifican la captación de energía solar.

Captación solar: Ganancia directa

Es el sistema más sencillo de los sistemas solares pasivos e implica la captación de la energía del sol por superficies vidriadas que son dimensionadas para cada orientación y en función de las necesidades de calor del edificio o local a climatizar.

Este sistema de ganancias directas a través de ventanas es generalmente el más económico. La estrategia es generar aberturas acristaladas en los espacios habitables del edificio, dispuestas de tal manera que tengan la máxima captación posible de radiación solar durante el invierno y la mínima durante el verano.

Generalmente la orientación ideal es hacia el ecuador, es decir, hacia el sur en el hemisferio norte y hacia el norte en el hemisferio sur. Las variaciones de los recorridos aparentes del sol a lo largo del año provocan que las fachadas con esa orientación reciban radiación solar con más intensidad durante el periodo frío que durante el cálido. Además en este último periodo, al incidir el sol en forma más vertical, resulta relativamente fácil proteger las ventanas de la radiación solar mediante aleros y dispositivos de sombreado similares.

En el momento de proyectar una obra la orientación ideal no siempre es posible debido a diversos factores (la traza urbana, por ejemplo) o si lo es resulta poco factible aprovechar las ganancias solares directas (por ejemplo cuando el predio es pequeño y/o tiene obstrucciones en el entorno). En esos casos es posible explorar configuraciones de fachada especiales, aberturas sobre la cubierta y, en casos extremos, optar por sistemas de ganancias solares indirectas o aisladas.

Ahora bien, dadas las condiciones de orientación, el fenómeno básico involucrado es el llamado efecto invernadero.

La radiación solar de onda corta, que representa su rango de energía más potente, atraviesa sin dificultad las superficies de vidrio (cuanto más claro mejor). Al ingresar al espacio, la radiación solar de onda corta incide sobre las superficies de los elementos constructivos, como suelos y muros. Los elementos constructivos absorben buena parte de la radiación solar de onda corta y, al calentarse, reemiten al espacio energía radiante de onda larga. La radiación de onda larga no atraviesa con facilidad las superficies vidriadas, por lo que tiende a quedar “atrapada” dentro del espacio.

La transmisión de calor entre las superficies y el aire interior, por medio de mecanismos convectivos, termina por completar el cuadro que explica el calentamiento gradual del espacio (en ocasiones incluso generando sobrecalentamiento).

Además de la orientación, existen otros factores que tienen un impacto importante en la eficiencia de los sistemas de calefacción solar mediante ganancias directas:

a.Proporción de las aberturas

Es importante que las aberturas tengan las dimensiones adecuadas para captar suficiente radiación solar en relación con el tamaño de los espacios habitables. Sin embargo también se debe considerar que las aberturas acristaladas demasiado grandes pueden propiciar pérdidas significativas de calor en los periodos sin soleamiento.

En términos generales podemos establecer una proporción adecuada de las aberturas sobre la fachada orientada al ecuador en el orden de 30 al 60%. Proporciones más pequeñas dificultan la captación de la radiación necesaria, mientras que proporciones más grandes suelen obligar a tomar medidas adicionales para evitar las pérdidas de calor.

b. Claridad y limpieza de las superficies acristaladas

El sistema de ganancia directa se puede reducir considerablemente si las superficies acristaladas no son de vidrio claro, presentan divisiones excesivas, se encuentran sucias o se les añade cortinas. Esto es simplemente porqué todos esos elementos interfieren en la captación de la radiación solar y reducen su ingreso al espacio.

c. Características térmicas y superficiales de los cerramientos (interiores)

Aun cuando se tengan cantidades importantes de radiación solar, su aprovechamiento se puede ver disminuido si los cerramientos sobre los que incide (suelos y muros, principalmente) no tienen las características térmicas y superficiales adecuadas.

  1. Elevada masa térmica: Los materiales de elevada masa térmica, como el concreto y la piedra, se caracterizan por “absorber” y “almacenar” fácilmente la energía calórica. Cuando los cerramientos sobre los que incide la radiación solar tienen esta propiedad, permiten que buena parte de la energía recibida sea aprovechada de manera desfasada en el tiempo, por ejemplo durante la noche. Por otro lado, los materiales con escasa masa térmica (generalmente ligeros) tienden a calentarse más en sus capas más superficiales y a re-irradiar rápidamente dicho calor. Aunque esto puede tener un efecto benéfico en el corto plazo, no permite almacenar energía para los periodos en los que no se cuenta con radiación solar.
  2. Elevada absorción superficial: Esta cualidad, que depende en gran medida del color y el tipo de acabado de las superficies, resulta fundamental para que los cerramientos absorban (y posteriormente almacenen) la mayor cantidad posible de energía. Generalmente las superficies de color oscuro con acabado mate y rugoso son las que ofrecen una mayor absorción superficial, mientras que las superficies claras y pulidas tienden a reflejar buena parte de la radiación que incide sobre ellas.

d. Nivel de exposición de los cerramientos

Cuando los cerramientos se cubren con tapices, alfombras, mobiliario excesivo y otros objetos, se impide que la radiación solar incida sobre ellos, lo cual suele disminuir drásticamente la eficiencia del sistema. Debido a ello se debe hacer todo lo posible por dejar la mayor cantidad de superficies constructivas expuestas, planificando de manera correcta la relación entre las ventanas y los espacios interiores.

e. Aislamiento de la envolvente

El aprovechamiento de la calefacción solar pasiva se potencia cuando, además de materiales de elevada masa térmica, la envolvente del edificio cuenta con aislamiento exterior, es decir, capas continuas de algún material aislante en su parte externa. De esa manera se reducen significativamente las pérdidas de calor, mientras que se permite que la masa térmica interactúe con los espacios interiores. De igual manera el uso de ventanas con dos o más capas de vidrio y cámaras de aire (o mejor aun, de algún gas inerte como el argón o el criptón), y/o con pantallas aislantes, reducen las pérdidas de calor por conducción a través de las superficies acristaladas durante el periodo nocturno.

Captación solar: Ganancia indirecta

Los sistemas de ganancias indirectas son aquellos que convierten la radiación solar en calor mediante su absorción en superficies externas a los espacios habitables. Es decir que, la radiación solar no ingresa directamente a los espacios habitables, sino que es captada en dispositivos especialmente diseñados para ello. El calor se transmite a los espacios habitables por conducción (generalmente a través de cerramientos de elevada masa térmica) aunque también es posible generar procesos convectivos mediante el intercambio del aire entre los dispositivos y los espacios habitables.

Muro de acumulación o Muro Trombe

El sistema de ganancias indirectas más representativo y emblemático es el muro Trombe. Este sistema pasivo de recolección de energía solar de forma indirecta utiliza transferencia de calor ya sea por conducción, convección y/o radiación. El muro Trombe, o muro Trombe-Michel, es un dispositivo diseñado especialmente para amplificar las ganancias de calor en el interior de los edificios mediante el aprovechamiento de la radiación solar disponible. En su forma básica, el dispositivo consiste en un muro con un espesor de 15 a 40cm, construido con un material de elevada masa térmica (tierra, ladrillo o concreto, por ejemplo), en cuya parte exterior se instala una superficie acristalada que se separa de 5 a 15cm del muro para generar una cámara de aire cerrada herméticamente. Generalmente la superficie acristalada es de vidrio de elevada transmisividad, para facilitar el paso de la radiación solar.

Por otro lado, la superficie externa del muro (hacia la cámara de aire) se suele cubrir con un acabado absorbente solar selectivo, es decir, de elevada absortividad y baja emisividad, por ejemplo pintura color negro mate, o mejor aun, chapa metálica también con terminado en negro adherida uniformemente al muro, lo cuál tiene la finalidad de intensificar al máximo la absorción superficial de energía calórica.

En términos generales, el funcionamiento del muro Trombe con esta configuración básica es relativamente simple. Los rayos solares, principalmente sus componentes de onda corta, atraviesan la superficie vidriada e inciden directamente sobre la superficie exterior del muro. La superficie del muro absorbe la radiación y eleva significativamente su temperatura (mientras más alta sea la absortividad y más baja la emisividad de la superficie mayor será el efecto de absorción y calentamiento). Al mismo tiempo, el vidrio provoca un efecto de invernadero al impedir la salida de la radiación de onda larga generada por los procesos de calentamiento, propiciando que el aire dentro de la cámara también eleve su temperatura de manera significativa.

Gracias a sus movimientos convectivos, el aire caliente contribuye a elevar aun más la temperatura del muro. Debido a estos procesos el muro se calienta gradualmente y genera un efecto de almacenamiento de calor mientras éste es conducido al interior. Así, los máximos aportes de calor al interior del edificio, que pueden ser bastante significativos, suelen darse durante la tarde y las primeras horas de la noche (el tiempo de retraso térmico dependerá en buena medida del grosor del muro).

Para un buen dimensionamiento de la pared Trombe se han de tener en cuenta factores externos e internos, entre los externos cabe destacar:

  1. El clima: Las pérdidas de calor dependen de la diferencia de temperaturas externa e interna del cuarto. Cuanto mayor sea esta diferencia mayores serán las pérdidas por lo que en climas muy fríos se deberá sobredimensionar el muro.
  2. Latitud y orientación: La energía solar incidente sobre la fachada sur en invierno en latitudes por encima del ecuador y sobre la fachada norte en latitudes por debajo del ecuador, cambia según la latitud, por ello se suele incrementar el tamaño del muro a medida que aumenta la latitud por recibir este menos calor. También se ha de tener en cuenta la trayectoria del sol durante las diferentes épocas del año. Inclinación y trayectorias del sol.

La orientación óptima, en el hemisferio norte, es a 5o del verdadero sur. A 15o funciona bien pero produce sobrecalentamientos en verano, a 30o empieza a no ser tan efectivo. En el hemisferio sur debe ser al contrario, el muro debe estar ubicado hacia el norte.

Existen algunas variaciones que se han intentado para hacer más eficiente el funcionamiento de los muros Trombe, entre las que se encuentran las siguientes:

  • El uso de sistemas de acristalamiento de doble vidrio (y hasta triple) para reducir las pérdidas de calor hacia el exterior.
  • La implementación de sistemas aislantes para cubrir la superficie vidriada durante la noche, también para reducir las pérdidas de calor, y/o durante el verano para evitar las ganancias de calor hacia el interior.
  • La generación de aberturas practicables hacia el exterior en la cámara acristalada, con el objeto de permitir su ventilación durante el verano y reducir las ganancias de calor.
  • El uso de contenedores de agua, en lugar de materiales sólidos, que tratan de aprovechar la capacidad calorífica y los movimientos conectivos de este líquido para hacer más rápido el efecto de calentamiento del espacio interior.

Siempre es recomendable evaluar cuidadosamente la relación costo beneficio de estas variables, así como las implicaciones que tienen en el mantenimiento del sistema, pues no siempre el costo de su implementación reditúa en similares proporciones.

Muro Trombe ventilado

Más allá de la configuración básica y las variaciones donde la transmisión de calor hacia el interior del edificio se da solamente por conducción (aprovechando al máximo la masa térmica del muro), existe una variante que implica un cambio más significativo en su funcionamiento: el muro Trombe ventilado.

En esta variante se suele generar aberturas en las partes superior e inferior del muro, de tal manera que se produzcan intercambios convectivos de aire entre la cámara del muro Trombe y el espacio interior. Al calentarse dentro de la cámara el aire tiende a subir e ingresar al espacio interior por las aberturas dispuestas en la parte superior, generando al mismo tiempo un efecto de succión que propicia el ingreso de aire desde el espacio hacia la cámara, a través de las aberturas inferiores. De esa manera se produce un intercambio constante que tiende a aumentar la temperatura del aire en el espacio habitable. El efecto (y la diferencia más importante respecto a la configuración básica de muro trombe no ventilado) es que se puede calentar más rápidamente el espacio sin tener que esperar a que el calor ganado atraviese el muro. Sin embargo hay que tomar en cuenta que al mismo tiempo se reduce el calentamiento del muro, por lo que sus aportes de calor durante la tarde y noche se pueden ver disminuidos. Por otro lado, es importante prever la posibilidad de cerrar las aberturas durante la noche para evitar que los flujos convectivos se inviertan y generen pérdidas de calor.

Para hacer más eficientes los flujos de aire entre la cámara y el espacio es posible incluir un sistema de ventilación mecánica. Este puede consistir, por ejemplo, en ventiladores dispuestos en las aberturas de la parte superior. Aunque de esa manera el muro Trombe deja de ser totalmente pasivo, la ventilación mecánica puede permitir el acondicionamiento de zonas relativamente alejadas del mismo. Nuevamente, sería conveniente evaluar la relación costo beneficio de esta estrategia.

Captación solar: Ganancia aislada

Invernadero adosado

Es una forma sencilla de captar gran cantidad de calor del sol adosando un recinto acristalado cerrado construido en la cara sur (para el hemisferio norte y norte para el hemisferio sur) del edificio.

La calefacción solar pasiva a través de ventanas, si bien es la estrategia más sencilla y económica, suele presentar límites prácticos. Por ejemplo, cuando las superficies acristaladas son muy amplias la incidencia de la radiación solar directa puede afectar las condiciones de habitabilidad de los espacios interiores, generando problemas como sobrecalentamiento, deslumbramiento y exposición directa de las personas, muebles y objetos a los rayos solares, entre otros. Además, las grandes superficies acristaladas provocan que los espacios habitables queden más expuestos a las condiciones del ambiente exterior y pierdan demasiado calor durante el periodo nocturno.

Los invernaderos adosados se han concebido para potenciar al máximo las ganancias de calor por radiación solar, evitando los problemas descritos arriba (sobrecalentamiento, deslumbramiento, exposición directa al sol). En términos generales se pueden describir como espacios con una gran proporción de acristalamiento (incluso en ocasiones alcanzando el 100%) adyacentes y conectados a los espacios habitables de los edificios. Por otro lado, es importante señalar que los invernaderos en sí pueden funcionar como espacios habitables de uso esporádico.

El calor allí captado se distribuye por toda la casa por convección. Para evitar perder demasiado calor por la noche, ya que el vidrio es buen transmisor de calor, es posible:

  • Colocar persianas sobre los cristales que se cierran durante la noche.
  • Separar por medio de un muro el invernadero del resto del edificio. En este caso el acceso al invernadero queda cerrado por la noche reduciendo en gran medida las pérdidas.

Ventajas

Con respecto a las ganancias directas por ventanas, los invernaderos adosados ofrecen algunas ventajas:

  • Los vanos de conexión entre el invernadero y los espacios habitables pueden tener dispositivos de control como puertas, paneles o cortinas. Estos generalmente se abren durante el día, cuando se tiene la captación de radiación solar, para permitir la calefacción de los espacios habitables mediante los flujos convectivos de aire. Durante la noche se cierran para evitar que los espacios habitables pierdan calor hacia el exterior, de tal manera que el invernadero adosado se convierte en una especie de amortiguador térmico.
  • Al ofrecer un mayor control de su funcionamiento y de los intercambios de calor, los invernaderos adosados pueden proporcionar superficies acristaladas mucho más amplias que cuando sólo se emplean ventanas. En sitios con radiación solar reducida esto permite maximizar la calefacción solar pasiva sin comprometer la habitabilidad de los espacios interiores.
  • Si disponen de partes móviles o desmontables en sus superficies acristaladas, así como de elementos adecuados de protección solar, los invernaderos adosados se pueden convertir en espacios aprovechables también durante el verano.

Finalmente, es importante considerar que en sitios de climas muy fríos puede ser indispensable emplear acristalamiento de doble vidrio para reducir las pérdidas de calor por conducción. Así mismo, cuando se incluyen plantas dentro del invernadero (uno de sus usos más comunes), se debe tener cuidado de que estas obstruyan lo menos posible la incidencia de la radiación solar sobre los elementos constructivos con elevada masa térmica, en este caso principalmente el suelo.

FUENTES