Diseño de edificios solares pasivos.

En el diseño de edificios solares pasivos, las ventanas, paredes y pisos están diseñados para recolectar, almacenar, reflejar y distribuir energía solar en forma de calor en el invierno y rechazar el calor solar en el verano. Esto se llama diseño solar pasivo porque, a diferencia de los sistemas de calefacción solar activa, no implica el uso de dispositivos mecánicos y eléctricos.

La clave para diseñar un edificio solar pasivo es aprovechar mejor el clima local para realizar un análisis preciso del sitio. Los elementos a considerar incluyen la colocación y el tamaño de la ventana, y el tipo de acristalamiento, el aislamiento térmico, la masa térmica y el sombreado. Las técnicas de diseño solar pasivo se pueden aplicar más fácilmente a los edificios nuevos, pero los edificios existentes se pueden adaptar o “adaptar”.

Ganancia de energía pasiva
Las tecnologías solares asistidas usan luz solar sin sistemas mecánicos activos (en contraste con la energía solar activa). Estas tecnologías convierten la luz solar en calor utilizable (en agua, aire y masa térmica), causan movimientos de aire para ventilación, o uso futuro, con poco uso de otras fuentes de energía. Un ejemplo común es un solarium en el lado ecuador de un edificio. El enfriamiento pasivo es el uso de los mismos principios de diseño para reducir los requisitos de enfriamiento durante el verano.

Algunos sistemas pasivos utilizan una pequeña cantidad de energía convencional para controlar las compuertas, las persianas, el aislamiento nocturno y otros dispositivos que mejoran la recolección, el almacenamiento y el uso de la energía solar, y reducen la transferencia de calor no deseada.

Las tecnologías solares pasivas incluyen ganancia solar directa e indirecta para calefacción de espacios, sistemas solares de calentamiento de agua basados ​​en termosifón, uso de masa térmica y materiales de cambio de fase para ralentizar la temperatura del aire interior, cocinas solares, la chimenea solar para mejorar la ventilación natural y protección de la tierra.

Más ampliamente, las tecnologías solares pasivas incluyen el horno solar, pero esto generalmente requiere un poco de energía externa para alinear sus espejos o receptores de concentración, e históricamente no han demostrado ser prácticos o rentables para un uso generalizado. Las necesidades de energía de ‘bajo grado’, como el espacio y el calentamiento de agua, han demostrado con el tiempo ser mejores aplicaciones para el uso pasivo de la energía solar.

Como ciencia
La base científica para el diseño de edificios solares pasivos ha sido desarrollada a partir de una combinación de climatología, termodinámica (particularmente transferencia de calor: conducción (calor), convección y radiación electromagnética), mecánica de fluidos / convección natural (movimiento pasivo de aire y agua sin el uso de electricidad, ventiladores o bombas) y el confort térmico humano basado en el índice de calor, psicrometría y control de entalpía para que los edificios sean habitados por humanos o animales, soláriums, solariums e invernaderos para la crianza de plantas.

La atención específica se divide en: el sitio, la ubicación y la orientación solar del edificio, la trayectoria local del sol, el nivel prevaleciente de insolación (latitud / sol / nubes / precipitación), calidad / materiales de diseño y construcción, ubicación / tamaño / tipo de ventanas y paredes, e incorporación de masa térmica que almacena energía solar con capacidad de calor.

Si bien estas consideraciones pueden estar dirigidas a cualquier edificio, lograr una solución ideal de costo / rendimiento optimizada requiere una ingeniería de integración de sistemas cuidadosa e integral de estos principios científicos. Los refinamientos modernos a través del modelado computacional (como el software de simulación de energía para edificios del Departamento de Energía de los EE. UU.) Y la aplicación de décadas de lecciones aprendidas (desde la crisis energética de los años 70) pueden ahorrar energía y reducir el daño ambiental sacrificando funcionalidad o estética. De hecho, las características de diseño solar pasivo, como un invernadero / solárium / solarium, pueden mejorar enormemente la habitabilidad, la luz natural, las vistas y el valor de una casa, a un bajo costo por unidad de espacio.

Se ha aprendido mucho sobre el diseño de edificios solares pasivos desde la crisis energética de los años setenta. Muchos experimentos de construcción caros, no científicos y basados ​​en la intuición han intentado y no han logrado alcanzar la energía cero: la eliminación total de las facturas de energía de calefacción y refrigeración.

La construcción de edificios solares pasivos puede no ser difícil o costosa (utilizando materiales y tecnología existentes disponibles en el mercado), pero el diseño científico pasivo de edificios solares es un esfuerzo de ingeniería no trivial que requiere un estudio significativo de lecciones contraintuitivas aprendidas previamente, y tiempo para ingresar, evaluar y refinar iterativamente la entrada y salida de la simulación.

Una de las herramientas de evaluación pos-construcción más útiles ha sido el uso de la termografía utilizando cámaras digitales térmicas para una auditoría de energía científica cuantitativa formal. Las imágenes térmicas se pueden utilizar para documentar áreas de rendimiento térmico deficiente, como el impacto térmico negativo de los vidrios en ángulo del techo o un tragaluz en una noche fría de invierno o en un día caluroso de verano.

Las lecciones científicas aprendidas en las últimas tres décadas han sido capturadas en sofisticados sistemas de software de simulación de energía para la construcción integral (como US DOE Energy Plus).

El diseño de edificios solares pasivos científicos con optimización cuantitativa de los beneficios del producto no es fácil para un principiante. El nivel de complejidad ha dado como resultado una mala arquitectura en curso, y muchos experimentos de construcción no científicos basados ​​en intuiciones que decepcionan a sus diseñadores y desperdician una parte significativa de su presupuesto de construcción en ideas inapropiadas.

La motivación económica para el diseño científico y la ingeniería es significativa. Si se hubiera aplicado de manera integral a la construcción de nuevos edificios a partir de 1980 (según las lecciones aprendidas en la década de 1970), Estados Unidos podría ahorrar más de $ 250,000,000 al año en energía costosa y contaminación relacionada en la actualidad.

Desde 1979, Passive Solar Building Design ha sido un elemento crítico para lograr energía cero en experimentos de instituciones educativas y gobiernos de todo el mundo, incluido el Departamento de Energía de EE. UU. Y los científicos de investigación energética que han apoyado durante décadas. La prueba de concepto rentable se estableció hace décadas, pero la asimilación cultural en la arquitectura, los oficios de la construcción y la toma de decisiones de los propietarios de edificios ha sido muy lenta y difícil de cambiar.

Los nuevos términos “Ciencia arquitectónica” y “Tecnología arquitectónica” se están agregando a algunas escuelas de arquitectura, con el objetivo futuro de enseñar los principios científicos y de ingeniería energética mencionados anteriormente.

El camino solar en diseño pasivo
La capacidad de alcanzar estos objetivos simultáneamente depende fundamentalmente de las variaciones estacionales en el camino del sol a lo largo del día.

Esto ocurre como resultado de la inclinación del eje de rotación de la Tierra en relación con su órbita. El camino del sol es único para cualquier latitud dada.

En el hemisferio norte, las latitudes no tropicales están a más de 23.5 grados del ecuador:

El sol alcanzará su punto más alto hacia el sur (en la dirección del ecuador)
A medida que se acerca el solsticio de invierno, el ángulo en el que el sol sale y se pone progresivamente se mueve más hacia el sur y las horas del día se acortarán
Se observa lo contrario en el verano, donde el sol saldrá y se pondrá más hacia el norte y las horas de luz se alargarán.
Lo contrario se observa en el hemisferio sur, pero el sol se eleva hacia el este y se pone hacia el oeste sin importar en qué hemisferio te encuentres.

En las regiones ecuatoriales a menos de 23.5 grados, la posición del sol al mediodía solar oscilará de norte a sur y de nuevo durante el año.

En regiones cercanas a 23.5 grados desde el polo norte o sur, durante el verano el sol trazará un círculo completo en el cielo sin establecerse, mientras que nunca aparecerá sobre el horizonte seis meses después, durante el apogeo del invierno.

La diferencia de 47 grados en la altitud del sol al mediodía solar entre el invierno y el verano forma la base del diseño solar pasivo. Esta información se combina con los requisitos climáticos locales (grados por día) de calefacción y refrigeración para determinar en qué momento del año la ganancia solar será beneficiosa para el confort térmico y cuándo debería bloquearse con el sombreado. Mediante la colocación estratégica de elementos como acristalamientos y dispositivos de sombreado, el porcentaje de ganancia solar que ingresa a un edificio se puede controlar durante todo el año.

Un problema pasivo del diseño de la trayectoria del sol solar es que, aunque el sol está en la misma posición relativa seis semanas antes y seis semanas después, el solsticio, debido al “retraso térmico” de la masa térmica de la Tierra, la temperatura y los requisitos de ganancia solar. Son bastante diferentes antes y después del verano o solsticio de invierno. Las persianas móviles, las cortinas, las pantallas de sombra o las colchas de ventana pueden adaptarse a requisitos de aislamiento y ganancia solar de día a día y de hora a hora.

La cuidadosa disposición de las habitaciones completa el diseño solar pasivo. Una recomendación común para las viviendas residenciales es colocar las áreas de estar que enfrentan el mediodía solar y los dormitorios en el lado opuesto. Un heliodón es un dispositivo de luz móvil tradicional utilizado por arquitectos y diseñadores para ayudar a modelar los efectos de la trayectoria del sol. En los tiempos modernos, los gráficos 3D pueden simular visualmente estos datos y calcular las predicciones de rendimiento.

Principios pasivos de transferencia de calor solar
El confort térmico personal es una función de los factores de salud personales (médicos, psicológicos, sociológicos y situacionales), la temperatura del aire ambiente, la temperatura radiante media, el movimiento del aire (enfriamiento del viento, turbulencia) y la humedad relativa (que afecta el enfriamiento evaporativo humano). La transferencia de calor en los edificios ocurre a través de la convección, la conducción y la radiación térmica a través del techo, paredes, piso y ventanas.

Transferencia de calor convectiva
La transferencia de calor por convección puede ser beneficiosa o perjudicial. La infiltración de aire incontrolada debido a la mala climatización / burletes / prueba de corrientes puede contribuir hasta un 40% de pérdida de calor durante el invierno; sin embargo, la ubicación estratégica de ventanas o respiraderos operables puede mejorar la convección, la ventilación cruzada y el enfriamiento durante el verano cuando el aire exterior tiene una temperatura y humedad relativa adecuadas. Los sistemas de ventilación de recuperación de energía filtrada pueden ser útiles para eliminar la humedad indeseable, el polvo, el polen y los microorganismos en el aire de ventilación no filtrado.

La convección natural que causa el aumento del aire caliente y la disminución del aire más frío pueden provocar una estratificación desigual del calor. Esto puede causar variaciones incómodas en la temperatura en el espacio superior e inferior acondicionado, servir como un método de ventilación de aire caliente, o ser diseñado como un circuito de flujo de aire de convección natural para distribución de calor solar pasivo y ecualización de temperatura. El enfriamiento humano natural mediante transpiración y evaporación puede facilitarse mediante el movimiento de aire convectivo natural o forzado por los ventiladores, pero los ventiladores de techo pueden perturbar las capas de aire aislante estratificado en la parte superior de la habitación y acelerar la transferencia de calor desde un ático caliente o a través de ventanas cercanas . Además, la alta humedad relativa inhibe el enfriamiento por evaporación por parte de los humanos.

Transferencia de calor radiativo
La principal fuente de transferencia de calor es la energía radiante, y la fuente principal es el sol. La radiación solar ocurre predominantemente a través del techo y las ventanas (pero también a través de las paredes). La radiación térmica se mueve desde una superficie más cálida a una más fría. Los techos reciben la mayor parte de la radiación solar entregada a una casa. Un techo frío o verde, además de una barrera radiante, puede ayudar a evitar que su ático se caliente más que la temperatura máxima del aire exterior de verano (vea albedo, absortividad, emisividad y reflectividad).

Las ventanas son un sitio listo y predecible para la radiación térmica. La energía de la radiación puede pasar a una ventana durante el día y salir por la misma ventana durante la noche. La radiación usa fotones para transmitir ondas electromagnéticas a través de un vacío o medio translúcido. La ganancia de calor solar puede ser significativa incluso en días claros y fríos. La ganancia de calor solar a través de las ventanas se puede reducir por medio de acristalamiento, sombra y orientación aislados. Las ventanas son particularmente difíciles de aislar en comparación con el techo y las paredes. La transferencia de calor por convección a través y alrededor de las cubiertas de las ventanas también degradan sus propiedades de aislamiento. Cuando se sombrean las ventanas, el sombreado externo es más efectivo para reducir la ganancia de calor que las cubiertas internas de las ventanas.

El sol occidental y oriental puede proporcionar calor e iluminación, pero es vulnerable al sobrecalentamiento en verano si no está sombreado. En contraste, el sol del mediodía bajo admite fácilmente la luz y el calor durante el invierno, pero puede ser fácilmente sombreado con salientes apropiados o persianas angulosas durante el verano y árboles de sombra de verano que arrojan sus hojas en el otoño. La cantidad de calor radiante recibido se relaciona con la latitud de la ubicación, la altitud, la cubierta de nubes y el ángulo de incidencia estacional / por hora (consulte la trayectoria del Sol y la ley del coseno de Lambert).

Otro principio de diseño solar pasivo es que la energía térmica puede almacenarse en ciertos materiales de construcción y liberarse nuevamente cuando la ganancia de calor facilita la estabilización de las variaciones de temperatura diurnas (día / noche). La compleja interacción de los principios termodinámicos puede ser contradictoria para los diseñadores primerizos. El modelado preciso por computadora puede ayudar a evitar experimentos de construcción costosos.

Consideraciones específicas del sitio durante el diseño
Latitud, camino del sol e insolación (sol)
Variaciones estacionales en la ganancia solar, por ejemplo, días de grado de enfriamiento o calentamiento, insolación solar, humedad
Variaciones diurnas en la temperatura
Detalles microclimáticos relacionados con la brisa, la humedad, la vegetación y el contorno de la tierra
Obstrucciones / Sombreado excesivo – para ganancia solar o vientos cruzados locales

Elementos de diseño para edificios residenciales en climas templados.
Colocación de tipos de habitación, puertas y paredes internas y equipamiento en la casa.
Orientación del edificio para enfrentar el ecuador (o unos pocos grados hacia el este para capturar el sol de la mañana)
Extendiendo la dimensión del edificio a lo largo del eje este / oeste
Ajuste el tamaño adecuado de las ventanas para que enfrenten el sol del mediodía en invierno y sombree el verano.
Minimizar ventanas en otros lados, especialmente ventanas occidentales
Levantar techos de voladizo, sombreados, arbustos, árboles, enrejados, cercas, contraventanas, etc., correctamente dimensionados, según la latitud.
Usar la cantidad y el tipo de aislamiento adecuados, incluidas las barreras radiantes y el aislamiento a granel para minimizar la ganancia o pérdida de calor estacional excesiva
Uso de masa térmica para almacenar el exceso de energía solar durante el día de invierno (que luego se vuelve a irradiar durante la noche)

La cantidad precisa de vidrio térmico y de masa térmica orientada hacia el ecuador debe basarse en una cuidadosa consideración de la latitud, la altitud, las condiciones climáticas y los requisitos del día de grado de calentamiento / enfriamiento.

Factores que pueden degradar el rendimiento térmico:

Desviación de la orientación ideal y relación de aspecto norte / sur / este / oeste
Área de vidrio excesiva (“sobre-acristalamiento”) que produce un sobrecalentamiento (que también provoca deslumbramiento y decoloración de los muebles blandos) y pérdida de calor cuando baja la temperatura del aire ambiente
Instalación de acristalamiento donde la ganancia solar durante el día y las pérdidas térmicas durante la noche no pueden controlarse fácilmente, por ejemplo, acristalamiento en ángulo orientado al oeste, tragaluces
Las pérdidas térmicas a través de acristalamiento sin aislamiento o sin protección
La falta de sombreado adecuado durante los períodos estacionales de alta ganancia solar (especialmente en la pared oeste)
Aplicación incorrecta de la masa térmica para modular las variaciones diarias de temperatura.
Escaleras abiertas que conducen a una distribución desigual del aire caliente entre los pisos superiores e inferiores a medida que aumenta el aire caliente
Área de superficie de construcción alta a volumen: demasiadas esquinas
Climatización inadecuada que conduce a una alta infiltración de aire
La falta de barreras radiantes, o incorrectamente instaladas, durante la temporada de calor. (Véase también techo fresco y techo verde)
Materiales de aislamiento que no están adaptados al modo principal de transferencia de calor (por ejemplo, transferencia de calor convectiva / conductora / radiante no deseada)

Eficiencia y economía del calentamiento solar pasivo.
Técnicamente, PSH es altamente eficiente. Los sistemas de ganancia directa pueden utilizar (es decir, convertir en calor “útil”) 65-70% de la energía de la radiación solar que incide en la apertura o el colector.

La fracción solar pasiva (PSF) es el porcentaje de la carga de calor requerida por PSH y, por lo tanto, representa la reducción potencial de los costos de calefacción. RETScreen International ha informado una PSF de 20-50%. Dentro del campo de la sostenibilidad, la conservación de energía incluso del orden del 15% se considera sustancial.

Otras fuentes informan las siguientes PSF:

5-25% para sistemas modestos
40% para sistemas “altamente optimizados”
Hasta un 75% para sistemas “muy intensos”.
En climas favorables, como el suroeste de los Estados Unidos, los sistemas altamente optimizados pueden superar el 75% de PSF.

Paisajismo y jardines
Los materiales de jardinería con ahorro de energía para opciones solares pasivas cuidadosas incluyen el material de construcción resistente y las plantas de “softscape”. El uso de principios de diseño de paisaje para la selección de árboles, setos y características de pérgola-pérgola con vides; Todo se puede utilizar para crear sombreado de verano. Para la ganancia solar de invierno es deseable utilizar plantas de hoja caduca que dejan caer sus hojas en el otoño, lo que proporciona beneficios solares pasivos durante todo el año. Los arbustos y árboles de hoja perenne no caducifolios pueden ser cortavientos, en alturas y distancias variables, para crear protección y refugio contra el frío invernal. Xeriscaping con plantas autóctonas de tamaño maduro y plantas tolerantes a la sequía, riego por goteo, mulching y prácticas orgánicas de jardinería reducen o eliminan la necesidad de irrigación con uso intensivo de energía y agua, equipos de jardín alimentados con gas y reducen los desechos del vertedero huella. La iluminación de paisajes con energía solar y las bombas de fuentes, y las piscinas cubiertas y las piscinas de inmersión con calentadores solares de agua pueden reducir el impacto de tales servicios.

Jardinería sostenible
Paisajismo sostenible
Arquitectura de paisaje sostenible

Otros principios solares pasivos

Iluminación solar pasiva
Las técnicas de iluminación solar pasiva mejoran el aprovechamiento de la iluminación natural para los interiores y, por lo tanto, reducen la dependencia de los sistemas de iluminación artificial.

Esto se puede lograr mediante un diseño cuidadoso del edificio, la orientación y la colocación de secciones de ventanas para recoger la luz. Otras soluciones creativas implican el uso de superficies reflectantes para admitir la luz del día en el interior de un edificio. Las secciones de la ventana deben tener el tamaño adecuado y, para evitar la iluminación excesiva, se pueden proteger con un Brise soleil, toldos, árboles bien colocados, revestimientos de vidrio y otros dispositivos activos y pasivos.

Otro problema importante para muchos sistemas de ventanas es que pueden ser sitios potencialmente vulnerables de ganancia térmica excesiva o pérdida de calor. Si bien la ventana del piso alto y los tragaluces tradicionales pueden introducir la luz diurna en las secciones de un edificio con poca orientación, la transferencia de calor no deseada puede ser difícil de controlar. Por lo tanto, la energía que se ahorra reduciendo la iluminación artificial a menudo se compensa con creces por la energía requerida para operar los sistemas HVAC para mantener el confort térmico.

Se pueden emplear diversos métodos para abordar esto, que incluyen, entre otros, revestimientos de ventanas, acristalamiento aislante y materiales novedosos como aislamiento semitransparente de aerogel, fibra óptica incrustada en paredes o techo, o iluminación solar híbrida en Oak Ridge National Laboratory.

Los elementos reflectantes, de los colectores de luz diurna pasivos y activos, como estantes de luz, colores de pared y suelo más claros, secciones de pared con espejos, paredes interiores con paneles de vidrio superiores, puertas batientes acristaladas transparentes o translúcidas y puertas corredizas de vidrio toman la luz capturada y reflejan más adentro. La luz puede ser de ventanas pasivas o tragaluces y tubos de luz solar o de fuentes de luz natural activa. En la arquitectura tradicional japonesa, las puertas deslizantes del panel Shōji, con pantallas translúcidas de Washi, son un precedente original. El estilo internacional, la arquitectura moderna modernista y de mediados de siglo fueron innovadores anteriores de esta penetración y reflexión pasiva en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.

Calentamiento solar pasivo de agua
Hay muchas maneras de usar energía solar térmica para calentar agua para uso doméstico. Las diferentes tecnologías de agua caliente solar activa y pasiva tienen diferentes implicaciones de análisis de costo-beneficio económico de ubicación específica.

El calentamiento solar pasivo fundamental del agua caliente no implica bombas ni nada eléctrico. Es muy económico en climas que no tienen condiciones de congelación prolongadas o muy nubosas. Otras tecnologías activas de calentamiento solar de agua, etc. pueden ser más apropiadas para algunos lugares.

Es posible tener agua caliente solar activa que también es capaz de estar “fuera de la red” y puede considerarse sostenible. Esto se hace mediante el uso de una célula fotovoltaica que utiliza la energía del sol para alimentar las bombas.

Clima y confort
Cada edificio se construye para protegernos del entorno exterior creando un clima interior. Cuando las condiciones del exterior impiden la comodidad del espacio interior, se utilizan sistemas de calefacción o refrigeración.

Una de las medidas más efectivas es el ahorro de energía mediante el uso de aislamiento térmico. Pero la conservación de la energía significa aislarnos del exterior, el diseño pasivo busca abrir el edificio hacia el exterior de tal forma que se pueda lograr un acondicionamiento natural.

Por lo tanto, el clima donde se ubicará el edificio se define por la temperatura, los niveles de humedad, la velocidad y dirección de los vientos y la luz solar del sitio. Entonces las condiciones climáticas pueden constituir una desventaja o una ventaja para una eficiencia energética adecuada de la casa. Luego se aplican conceptos simples de la vida cotidiana, tales como:

Si hace demasiado frío para sentirnos cómodos, entonces nos envolvemos = aislamiento térmico
si es un día ventoso y tenemos frío, buscamos algún objeto que nos proteja y volvamos a la comodidad = protección contra el viento
si hace demasiado calor y estamos en el sol, buscamos la sombra = protección solar
si hace calor, incluso a la sombra, buscamos que la brisa nos refresque = ventilación
si hace calor y el aire es muy seco, busque algo de sombra y sótano fresco = masa térmica

Casa de montaña
Para una casa de montaña ubicada en un lugar donde hace mucho frío y hay mucho viento, queremos que la ubicación esté en una ladera soleada protegida del viento, incorporando aislamiento térmico a techos, paredes y ventanas; ubicar las ventanas hacia el sol del mediodía preferentemente; construir de tal manera que haya la menor cantidad de rendijas donde el aire frío penetra y disipa el calor en el interior.

Casa del desierto
Una casa en el desierto debe estar protegida de la radiación solar. Por otro lado, dado que la variación de temperatura entre el día y la noche es alta, debido a la falta de humedad en el aire, es recomendable utilizar la masa térmica mediante la construcción de paredes gruesas con materiales locales. Es necesario aprovechar la baja temperatura nocturna para enfriar la masa del edificio a través de aberturas ubicadas estratégicamente que permiten la ventilación.

La base de cualquier diseño respetuoso con el medio ambiente que se pretende que sea eficaz es una respuesta adecuada a los inconvenientes y ventajas del clima del lugar. Si esto no se tiene en cuenta, tendremos que recurrir a los sistemas mecánicos de acondicionamiento térmico, con el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero resultantes.

Comparación con el estándar de la Casa Pasiva en Europa.
Hay un impulso creciente en Europa por el enfoque adoptado por el Instituto de la Casa Pasiva (Passivhaus en alemán) en Alemania. En lugar de confiar únicamente en las técnicas tradicionales de diseño solar pasivo, este enfoque busca utilizar todas las fuentes pasivas de calor, minimiza el uso de energía y enfatiza la necesidad de altos niveles de aislamiento reforzados por una meticulosa atención a los detalles para abordar los puentes térmicos y infiltración de aire frío La mayoría de los edificios construidos según el estándar de la Casa Pasiva también incorporan una unidad de ventilación de recuperación de calor activa con o sin un componente de calefacción pequeño (típicamente 1 kW) incorporado.

El diseño energético de los edificios de casas pasivas se desarrolla utilizando una herramienta de modelado basada en hojas de cálculo llamada Paquete de planificación de casas pasivas (PHPP) que se actualiza periódicamente. La versión actual es PHPP2007, donde 2007 es el año de emisión. Un edificio puede ser certificado como una “Casa Pasiva” cuando se puede demostrar que cumple con ciertos criterios, el más importante es que la demanda de calor específica anual de la casa no debe exceder los 15kWh / m2a.

Sistemas solares pasivos
Los sistemas solares pasivos se utilizan principalmente para capturar y almacenar el calor de la energía solar. Se llaman pasivos ya que otros dispositivos electromecánicos no se utilizan para recircular el calor. Esto sucede debido a principios físicos básicos como la conducción, la radiación y la convección de calor.

Ganancia directa: es el sistema más simple e implica la captura de la energía del sol por las superficies acristaladas, que están dimensionadas para cada orientación y en función de las necesidades de calor del edificio o las instalaciones que se van a calentar.

Muro de acumulación no ventilado: también conocido como muro de trombe, que es un muro construido con piedra, ladrillos, concreto o incluso agua, pintado de negro o de color muy oscuro en el exterior. Para mejorar la captura, se utiliza una propiedad del vidrio, que es generar un efecto invernadero, a través del cual entra la luz visible y cuando se toca la pared, la calienta, emitiendo radiación infrarroja, que no puede penetrar el vidrio. Por esta razón, la temperatura de la superficie oscura y de la cámara de aire entre la pared y el vidrio se eleva.

Pared de acumulación ventilada: similar a la anterior pero que incorpora orificios en la parte superior e inferior para facilitar el intercambio de calor entre la pared y la atmósfera mediante convección.

Invernadero adjunto: en este caso, la pared al mediodía incorpora un área acristalada, que puede ser habitable, mejorando la captura de calor durante el día, reduciendo las pérdidas de calor hacia el exterior.

Techo de acumulación de calor: en ciertas latitudes es posible utilizar la superficie del techo para capturar y acumular la energía del sol. También conocidos como estanques solares, requieren dispositivos móviles complejos para evitar que el calor se escape por la noche.

Captación solar y acumulación de calor: es un sistema más complejo y permite combinar la ganancia directa de las ventanas con los colectores solares de aire o agua caliente para acumularlos debajo del piso. Luego, de manera similar a la pared del acumulador ventilado, el calor se lleva al ambiente interior. Correctamente dimensionado permite acumular calor durante más de siete días.

En casi todos los casos, se puede usar como sistemas de enfriamiento pasivo invirtiendo el sentido de operación.

Herramientas de diseño
Tradicionalmente, se utilizaba un heliodón para simular la altitud y el azimut del brillo del sol en un edificio modelo en cualquier momento de cualquier día del año. En los tiempos modernos, los programas informáticos pueden modelar este fenómeno e integrar los datos climáticos locales (incluidos los impactos del sitio como el sombreado y las obstrucciones físicas) para predecir el potencial de ganancia solar para un diseño de construcción particular en el transcurso de un año. Las aplicaciones basadas en GPS para teléfonos inteligentes ahora pueden hacerlo de manera económica en un dispositivo portátil. Estas herramientas de diseño proporcionan al diseñador solar pasivo la capacidad de evaluar las condiciones locales, los elementos de diseño y la orientación antes de la construcción. La optimización del rendimiento energético normalmente requiere un proceso de diseño y evaluación de refinamiento iterativo. No existe el diseño de un edificio de energía solar pasiva universal de “talla única” que funcione bien en todos los lugares.

Niveles de aplicación
Muchas casas suburbanas aisladas pueden lograr reducciones en el gasto de calefacción sin cambios obvios en su apariencia, comodidad o facilidad de uso. Esto se hace usando un buen posicionamiento de ubicación y ventana, pequeñas cantidades de masa térmica, con aislamiento bueno pero convencional, climatización y una fuente de calor suplementaria ocasional, como un radiador central conectado a un calentador de agua (solar). Los rayos solares pueden caer sobre una pared durante el día y elevar la temperatura de su masa térmica. Esto luego irradiará calor en el edificio en la noche. Se puede usar un sombreado externo, o una barrera radiante más espacio de aire, para reducir la ganancia solar de verano no deseada.

Una extensión del enfoque “solar pasivo” para la captura y almacenamiento solar de calor y refrigeración estacional. Estos diseños intentan capturar el calor solar de la estación cálida y transportarlo a un almacén térmico estacional para usarlo meses después durante la estación fría (“solar pasivo anualizado”). Se logra un mayor almacenamiento empleando grandes cantidades de masa térmica o acoplamiento de tierra. Los informes anecdóticos sugieren que pueden ser efectivos, pero no se ha llevado a cabo ningún estudio formal para demostrar su superioridad. El enfoque también puede mover el enfriamiento hacia la estación cálida. Ejemplos:

Almacenamiento de calor anual pasivo (PAHS) – por John Hait
Calefacción anualizada de energía solar geotérmica (AGS) – por Don Stephen

Techo a tierra
Una casa “puramente pasiva” calentada con energía solar no tendría una unidad de horno mecánico, sino que se basaría en la energía capturada de la luz solar, solo complementada por la energía térmica “incidental” emitida por luces, computadoras y otros aparatos específicos para tareas (como los de Cocina, entretenimiento, etc.), duchas, personas y mascotas. El uso de corrientes de aire de convección naturales (en lugar de dispositivos mecánicos como ventiladores) para hacer circular el aire está relacionado, aunque no estrictamente, con el diseño solar. El diseño de edificios solares pasivos a veces usa controles eléctricos y mecánicos limitados para operar amortiguadores, contraventanas aislantes, cortinas, toldos o reflectores. Algunos sistemas requieren pequeños ventiladores o chimeneas calentadas por el sol para mejorar el flujo de aire de convección. Una forma razonable de analizar estos sistemas es midiendo su coeficiente de rendimiento. Una bomba de calor puede usar 1 J por cada 4 J que entrega dando un COP de 4. Un sistema que solo usa un ventilador de 30 W para distribuir uniformemente 10 kW de calor solar a través de una casa completa tendría un COP de 300.

El diseño de edificios solares pasivos a menudo es un elemento fundamental de una construcción de energía cero costo-efectiva. Aunque un ZEB utiliza múltiples conceptos de diseño de edificios solares pasivos, un ZEB generalmente no es puramente pasivo, ya que cuenta con sistemas activos de generación de energía renovable mecánica como: turbina eólica, fotovoltaica, microhidráulica, geotérmica y otras fuentes emergentes de energía alternativa.

Diseño solar pasivo en rascacielos
Ha habido un interés reciente en la utilización de grandes cantidades de área de superficie en los rascacielos para mejorar su eficiencia energética general. Debido a que los rascacielos son cada vez más omnipresentes en los entornos urbanos, pero requieren grandes cantidades de energía para funcionar, existe un gran potencial de ahorro de energía que emplea técnicas de diseño solar pasivo. Un estudio que analizó la propuesta 22 torre Bishopsgate en Londres, encontró que una disminución del 35% de la demanda de energía puede lograrse teóricamente a través de ganancias solares indirectas, rotando el edificio para lograr una ventilación óptima y penetración de la luz solar, uso de materiales de pisos de alta masa térmica para disminuir la fluctuación de temperatura dentro del edificio, y el uso de vidrios de ventana de baja emisividad de vidrio doble o triple para la ganancia solar directa. Las técnicas indirectas de ganancia solar incluyen moderar el flujo de calor de la pared por variaciones de grosor de pared (de 20 a 30 cm), usar acristalamiento de ventana en el espacio exterior para evitar la pérdida de calor, dedicar 15-20% del área de suelo para almacenamiento térmico e implementar un Trombe pared para absorber el calor que entra al espacio.Los voladizos se usan para bloquear la luz solar directa en el verano y lo permiten en el invierno, y se insertan persianas que reflejan el calor entre la pared térmica y el acristalamiento para limitar la acumulación de calorías en los meses de verano.

Otro estudio analizó la fachada doble de piel verde (DGSF) en el exterior de los edificios de gran altura en Hong Kong. Tal fachada verde, o vegetación que cubre las paredes exteriores, puede combatir el uso del aire acondicionado en gran medida, hasta un 80%, como lo descubrieron los investigadores.

En climas más templados, las estrategias como el acristalamiento, el ajuste de la ventana de la pared, la protección solar y las estrategias de techo pueden ofrecer ahorros de energía considerables, en el rango del 30% al 60%.