La energía solar pasiva se refiere al uso de la energía del sol para el calentamiento y enfriamiento de los espacios habitables a través de la exposición al sol. Cuando la luz solar incide en un edificio, los materiales de construcción pueden reflejar, transmitir o absorber la radiación solar. Además, el calor producido por el sol provoca movimiento del aire que puede ser predecible en espacios diseñados. Estas respuestas básicas al calor solar conducen a elementos de diseño, elecciones de materiales y ubicaciones que pueden proporcionar efectos de calefacción y enfriamiento en una vivienda.
Principios básicos del diseño de energía solar pasiva
Un diseño de energía solar pasiva completo consta de cinco elementos:
- Apertura/Colector: El área de vidrio grande por la cual ingresa la luz solar al edificio. La(s) apertura(s) deben estar orientadas dentro de 30 grados al sur verdadero y no deben estar sombreadas por otros edificios o árboles de 9 a.m. a 3 p.m. diariamente durante la temporada de calefacción.
- Absorbedor: La superficie dura y oscurecida del elemento de almacenamiento. La superficie, que podría ser una pared de mampostería, un piso o un contenedor de agua, se encuentra en el camino directo de la luz solar. La luz solar que incide en la superficie se absorbe como calor.
- Masa térmica: Materiales que retienen o almacenan el calor producido por la luz solar. Mientras que el absorbedor es una superficie expuesta, la masa térmica es el material debajo y detrás de esta superficie.
- Distribución: Método por el cual el calor solar circula desde los puntos de recolección y almacenamiento hacia diferentes áreas de la casa. Un diseño estrictamente pasivo utilizará exclusivamente los tres modos de transferencia de calor natural: conducción, convección y radiación. En algunas aplicaciones, se pueden utilizar ventiladores, conductos y sopladores para distribuir el calor por toda la casa.
- Control: Los aleros del techo se pueden utilizar para sombrear el área de la apertura durante los meses de verano. Otros elementos que controlan el sobrecalentamiento o la falta de calor incluyen dispositivos electrónicos de detección, como un termostato diferencial que activa un ventilador; respiraderos y compuertas operables que permiten o restringen el flujo de calor; persianas de baja emisividad; y toldos.
Calefacción solar pasiva
El objetivo de los sistemas de calefacción solar pasiva es capturar el calor del sol dentro de los elementos del edificio y liberar ese calor durante los períodos en que el sol está ausente, al tiempo que se mantiene una temperatura ambiente confortable. Los dos elementos principales de la calefacción solar pasiva son el vidrio orientado al sur y la masa térmica para absorber, almacenar y distribuir el calor. Existen varios enfoques diferentes para implementar estos elementos.
Ganancia directa
El propio espacio habitable funciona como un colector solar, absorbedor de calor y sistema de distribución. El vidrio orientado al sur permite que la energía solar ingrese a la casa, donde incide en los pisos y paredes de mampostería, que absorben y almacenan el calor solar, que se irradia de nuevo hacia la habitación durante la noche. Estos materiales de masa térmica suelen ser de color oscuro para absorber la mayor cantidad de calor posible. La masa térmica también atenúa la intensidad del calor durante el día al absorber energía. Los contenedores de agua dentro del espacio habitable se pueden utilizar para almacenar calor. Sin embargo, a diferencia de la mampostería, el agua requiere un soporte estructural cuidadosamente diseñado, lo que dificulta su integración en el diseño de la casa. El sistema de ganancia directa utiliza el 60-75% de la energía solar que incide en las ventanas. Para que un sistema de ganancia directa funcione correctamente, la masa térmica debe estar aislada de la temperatura exterior para evitar que el calor solar recogido se disipe. La pérdida de calor es especialmente probable cuando la masa térmica está en contacto directo con el suelo o con el aire exterior, que tiene una temperatura más baja que la temperatura deseada de la masa.
Ganancia indirecta
La masa térmica se encuentra entre el sol y el espacio habitable. La masa térmica absorbe la luz solar que incide en ella y la transfiere al espacio habitable por conducción. El sistema de ganancia indirecta utiliza el 30-45% de la energía solar que incide en el vidrio adyacente a la masa térmica.
El sistema de ganancia indirecta más común es una pared Trombe. La masa térmica, una pared de mampostería de 6-18 pulgadas de espesor, se encuentra inmediatamente detrás del vidrio orientado al sur, de una o dos capas, que está montado a aproximadamente 1 pulgada o menos frente a la superficie de la pared. El calor solar se absorbe en la superficie exterior de color oscuro de la pared y se almacena en la masa de la pared, donde se irradia hacia el espacio habitable. El calor solar migra a través de la pared, llegando a su superficie posterior por la tarde o temprano en la noche. Cuando la temperatura interior cae por debajo de la temperatura de la superficie de la pared, el calor se irradia hacia la habitación.
Las rejillas operables en la parte superior e inferior de una pared de almacenamiento térmico permiten que el calor convecte entre la pared y el vidrio hacia el espacio habitable. Cuando las rejillas están cerradas por la noche, el calor radiante de la pared calienta el espacio habitable.
Enfriamiento solar pasivo
Los sistemas de enfriamiento solar pasivo funcionan reduciendo la ganancia de calor no deseada durante el día, produciendo ventilación no mecánica, intercambiando aire interior cálido por aire exterior más fresco cuando es posible y almacenando la frescura de la noche para moderar las temperaturas cálidas durante el día. En su forma más simple, los sistemas de enfriamiento solar pasivo incluyen aleros o sombras en las ventanas orientadas al sur, árboles que proporcionan sombra, masa térmica y ventilación cruzada.
Sombreado
Para reducir la ganancia de calor no deseada en verano, todas las ventanas deben estar sombreadas por un alero u otros dispositivos como toldos, persianas y celosías. Si un toldo en una ventana orientada al sur se extiende hasta la mitad de la altura de la ventana, los rayos del sol se bloquearán durante el verano, pero aún penetrarán en la casa durante el invierno. El sol está bajo en el horizonte durante el amanecer y el atardecer, por lo que los aleros en las ventanas orientadas al este y al oeste no son tan efectivos. Trate de minimizar la cantidad de ventanas orientadas al este y al oeste si el enfriamiento es una preocupación importante. La vegetación se puede utilizar para sombrear dichas ventanas. El paisajismo en general se puede utilizar para reducir la ganancia de calor no deseada durante el verano.
Masa térmica
La masa térmica se utiliza en un diseño de enfriamiento pasivo para absorber el calor y moderar los aumentos de temperatura internos en días calurosos. Durante la noche, la masa térmica se puede enfriar mediante ventilación, lo que permite que esté lista al día siguiente para absorber calor nuevamente. Es posible utilizar la misma masa térmica para enfriar durante la temporada de calor y calentar durante la temporada de frío.
Ventilación
La ventilación natural mantiene una temperatura interior cercana a la temperatura exterior, por lo que solo es una técnica de enfriamiento efectiva cuando la temperatura interior es igual o más alta que la exterior. El clima determina la mejor estrategia de ventilación natural.
En áreas donde hay brisas durante el día y se desea ventilación durante el día, abra las ventanas en el lado del edificio que enfrenta la brisa y en el lado opuesto para crear una ventilación cruzada. Al diseñar, coloque ventanas en las paredes que enfrentan la brisa predominante y en las paredes opuestas. También se pueden utilizar paredes laterales para crear ventilación a través de ventanas en paredes perpendiculares a las brisas predominantes. Se coloca un panel vertical sólido perpendicular a la pared, entre dos ventanas. Acelera la velocidad del viento natural debido a las diferencias de presión creadas por la pared lateral.
En un clima como el de Nueva Inglaterra, donde las temperaturas nocturnas suelen ser más bajas que las diurnas, se debe enfocar en ingresar aire fresco durante la noche y luego cerrar la casa al aire caliente del exterior durante el día. La ventilación mecánica es una forma de ingresar aire fresco durante la noche, pero la refrigeración por convección es otra opción.
Refrigeración por convección
La forma más antigua y sencilla de refrigeración por convección está diseñada para ingresar aire fresco por la noche desde el exterior y expulsar el aire caliente del interior. Si hay brisas nocturnas predominantes, abrir una abertura alta o una ventana en el lado a sotavento (el lado opuesto al viento) permitirá que el aire caliente cerca del techo escape. Las aberturas bajas en el lado opuesto (el lado hacia el viento) permitirán que el aire fresco de la noche entre para reemplazar el aire caliente.
En lugares donde no hay brisas predominantes, aún es posible utilizar la refrigeración por convección mediante la creación de chimeneas térmicas. Las chimeneas térmicas se basan en el hecho de que el aire caliente se eleva; crean una zona de aire cálido o caliente (generalmente a través de la ganancia solar) y tienen una salida de escape exterior alta. El aire caliente sale del edificio en la abertura alta, y el aire más fresco entra a través de una abertura baja.
Existen muchos enfoques diferentes para crear el efecto de la chimenea térmica. Uno de ellos es un invernadero orientado al sur que está conectado y ventilado en la parte superior. El aire se extrae del espacio habitable a través de aberturas inferiores conectadas para ser expulsado a través de las aberturas superiores del invernadero (las aberturas superiores desde el invernadero hasta el espacio habitable y cualquier ventana operable deben estar cerradas y la pared de masa térmica del invernadero debe estar sombreada).
¿Cuál es un ejemplo de tecnología solar pasiva?
Los sistemas pasivos no utilizan dispositivos mecánicos como ventiladores, sopladores o bombas para distribuir el calor solar desde un colector. En cambio, aprovechan el flujo natural del calor para distribuir el calor. Un ejemplo de un sistema pasivo para calefacción de espacios es un invernadero solar o sunspace.
Los sistemas pasivos también utilizan materiales con grandes capacidades térmicas (piedra, agua o concreto) para almacenar y liberar calor. Estos se llaman masas térmicas.
Instrucciones: Haz clic en los puntos calientes de la imagen a continuación para ver los elementos esenciales de un sistema solar pasivo.
Los sistemas pasivos se pueden clasificar en tres tipos:
- Ganancia directa: Permite que la energía solar entre a través de los paneles de vidrio orientados al sur.
- Ganancia indirecta: Permite que la radiación solar caliente una pared y luego la energía se entrega lentamente al interior de la casa. Las aberturas en la pared (llamadas pared Trombe), como se muestra en la figura a continuación, promueven corrientes convectivas: el aire frío de la habitación ingresa al espacio entre el panel de vidrio y la pared a través de la abertura inferior. A medida que este aire frío se calienta, se eleva hacia la parte superior y entra a través de la abertura superior.
- Añadido de invernadero: Un invernadero o sunspace adjunto y/o un invernadero solar calentado por la energía solar, donde parte de la energía se utiliza para cultivar plantas y parte se utiliza para calentar el interior de la casa.
Estos sistemas se muestran a continuación.