Sistema de construcción solar pasivo.
El sistema de construcción solar pasiva se está convirtiendo cada vez más en un estilo arquitectónico independiente, que está formalmente en la tradición del modernismo clásico y sus corrientes y recepciones, en la subordinación del diseño bajo lo apropiado (la forma sigue la función, la escultura permanece en el fondo) Ser asignado al funcionalismo. En el diseño de edificios solares pasivos, ventanas, paredes y pisos están hechos 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 al máximo el clima local realizando un análisis del sitio preciso. Los elementos a considerar incluyen la ubicación y el tamaño de las ventanas, 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 nuevos edificios, pero los edificios existentes se pueden adaptar o «adaptar».
Configuraciones de edificios solares pasivos clave.
Hay tres configuraciones primarias de energía solar pasiva:
sistema solar directo
sistema solar indirecto
sistema solar aislado
Ganancia de energía pasiva
Las tecnologías solares asistidas usan luz solar sin sistemas mecánicos activos (en contraste con la energía solar activa). Dichas tecnologías convierten la luz solar en calor utilizable (en agua, aire y masa térmica), causan movimiento de aire para ventilar, o uso futuro, con poco uso de otras fuentes de energía. Un ejemplo común es un solárium 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 usan una pequeña cantidad de energía convencional para controlar amortiguadores, contraventanas, aislamiento nocturno y otros dispositivos que mejoran la recolección, el almacenamiento y el uso de la energía solar, y reducen la transferencia de calor indeseable.
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 típicamente requiere un poco de energía externa para alinear sus espejos de concentración o receptores, e históricamente no han demostrado ser prácticos o rentables para un uso generalizado. Las necesidades energéticas de «baja calidad», como el calentamiento del espacio y el agua, han demostrado con el tiempo ser mejores aplicaciones para el uso pasivo de la energía solar.
Sistema solar directo
En un sistema solar pasivo de ganancia directa, el espacio interior actúa como un colector solar, absorbedor de calor y sistema de distribución. El vidrio orientado hacia el sur en el hemisferio norte (orientado hacia el norte en el hemisferio sur) admite energía solar en el interior del edificio donde directamente calienta (absorción de energía radiante) o calienta indirectamente (a través de la convección) masa térmica en el edificio como concreto o mampostería pisos y paredes. Los pisos y las paredes que actúan como masa térmica se incorporan como partes funcionales del edificio y atenúan la intensidad de la calefacción durante el día. Por la noche, la masa térmica calentada irradia calor al espacio interior.
En climas fríos, un edificio atemperado por el sol es el tipo más básico de configuración solar pasiva de ganancia directa que simplemente implica aumentar (ligeramente) el área de acristalamiento orientada al sur, sin agregar masa térmica adicional. Es un tipo de sistema de ganancia directa en el que la envolvente del edificio está bien aislada, se alarga en dirección este-oeste y tiene una gran fracción (~ 80% o más) de las ventanas en el lado sur. Tiene poca masa térmica añadida más allá de lo que ya está en el edificio (es decir, solo encuadre, tablero de pared, etc.). En un edificio templado al sol, el área de la ventana orientada al sur debe limitarse a alrededor del 5 al 7% del área total del piso, menos en un clima soleado, para evitar el sobrecalentamiento. Se puede incluir acristalamiento adicional orientado hacia el sur solo si se agrega más masa térmica. El ahorro de energía es modesto con este sistema, y el templado al sol tiene un costo muy bajo.
En los sistemas solares pasivos de ganancia directa genuina, se requiere suficiente masa térmica para evitar grandes fluctuaciones de temperatura en el aire interior; se requiere más masa térmica que en un edificio con protección solar. El sobrecalentamiento del interior del edificio puede resultar con una masa térmica insuficiente o mal diseñada. Alrededor de la mitad a dos tercios de la superficie interior de los pisos, paredes y techos deben estar construidos con materiales de almacenamiento térmico. Los materiales de almacenamiento térmico pueden ser de concreto, adobe, ladrillo y agua. La masa térmica en pisos y paredes debe mantenerse lo más desnuda posible desde el punto de vista funcional y estético; La masa térmica debe exponerse a la luz solar directa. Se deben evitar las alfombras de pared a pared, las alfombras grandes, los muebles grandes y los tapices grandes.
Típicamente, para aproximadamente 1 pie cuadrado de vidrio orientado al sur, se requieren aproximadamente 5 a 10 pies3 de masa térmica para la masa térmica (1 m3 por 5 a 10 m2). Cuando se tienen en cuenta los revestimientos y muebles de pared y piso de mínimo a promedio, esto normalmente equivale a 5 a 10 pies2 por ft2 (5 a 10 m2 por m2) de vidrio orientado hacia el sur, dependiendo de si la luz solar golpea directamente la superficie. La regla más simple es que el área de masa térmica debe tener un área de 5 a 10 veces la superficie del área del colector de ganancia directa (vidrio).
La masa térmica sólida (por ejemplo, hormigón, mampostería, piedra, etc.) debe ser relativamente delgada, no más de aproximadamente 4 pulgadas (100 mm) de espesor. Las masas térmicas con grandes áreas expuestas y las que están expuestas a la luz solar directa durante al menos parte del día (mínimo 2 horas) se desempeñan mejor. Los colores medio a oscuro, con alta capacidad de absorción, se deben usar en superficies de elementos de masa térmica que estarán expuestos a la luz solar directa. La masa térmica que no está en contacto con la luz solar puede ser de cualquier color. Los elementos ligeros (p. Ej., Paredes y techos de paneles de yeso) pueden ser de cualquier color. Cubrir el acristalamiento con paneles de aislamiento ajustables y móviles durante los períodos oscuros, nublados y las horas nocturnas mejorará en gran medida el rendimiento de un sistema de ganancia directa. El agua contenida dentro de la contención de plástico o metal y colocada a la luz solar directa se calienta más rápidamente y de manera más uniforme que la masa sólida debido a la transferencia de calor por convección natural. El proceso de convección también evita que las temperaturas de la superficie se vuelvan demasiado extremas como a veces sucede cuando las superficies de masa sólida de color oscuro reciben luz solar directa.
Dependiendo del clima y con la masa térmica adecuada, el área de vidrio orientada hacia el sur en un sistema de ganancia directa debe limitarse a aproximadamente 10 a 20% del área del piso (por ejemplo, 10 a 20 pies2 de vidrio para un área de piso de 100 ft2). Esto debe basarse en el cristal neto o el área de acristalamiento. Tenga en cuenta que la mayoría de las ventanas tienen un área neta de vidrio / acristalamiento que es del 75 al 85% del área total de la unidad de la ventana. Por encima de este nivel, es probable que surjan problemas de sobrecalentamiento, deslumbramiento y decoloración de las telas.
Sistema solar indirecto
En un sistema solar pasivo de ganancia indirecta, la masa térmica (hormigón, mampostería o agua) está ubicada directamente detrás del vidrio orientado hacia el sur y frente al espacio interior calefaccionado, por lo que no hay calentamiento directo. La posición de la masa impide La luz del sol entra en el espacio interior y también puede obstruir la vista a través del cristal. Hay dos tipos de sistemas de ganancia indirecta: sistemas de pared de almacenamiento térmico y sistemas de estanque de techo.
Muros De Almacenamiento Térmico (Trombe)
En un sistema de pared de almacenamiento térmico, a menudo llamado pared Trombe, una pared masiva se encuentra directamente detrás del vidrio orientado hacia el sur, que absorbe la energía solar y la libera selectivamente hacia el interior del edificio por la noche. La pared puede construirse de concreto colado en sitio, ladrillo, adobe, piedra o unidades de mampostería de concreto sólido (o relleno). La luz solar entra a través del vidrio y se absorbe de inmediato en la superficie de la pared de la masa y se almacena o se conduce a través de la masa del material hacia el espacio interior. La masa térmica no puede absorber la energía solar tan rápido como entra en el espacio entre la masa y el área de la ventana. Las temperaturas del aire en este espacio pueden exceder fácilmente los 120 ° F (49 ° C). Este aire caliente se puede introducir en espacios interiores detrás de la pared incorporando respiraderos de distribución de calor en la parte superior de la pared. Este sistema de pared fue ideado y patentado por primera vez en 1881 por su inventor, Edward Morse. Felix Trombe, por quien a veces se nombra este sistema, fue un ingeniero francés que construyó varias casas con este diseño en los Pirineos franceses en los años sesenta.
Una pared de almacenamiento térmico consiste típicamente en una pared de mampostería de 4 a 16 pulgadas (100 a 400 mm) de espesor recubierta con un acabado oscuro que absorbe calor (o una superficie selectiva) y cubierta con una capa simple o doble de vidrio de alta transmisividad. El vidrio generalmente se coloca desde ¾ de pulgada a 2 pulgadas desde la pared para crear un espacio aéreo pequeño. En algunos diseños, la masa se encuentra a una distancia de 1 a 2 pies (0,6 m) del vidrio, pero el espacio aún no es utilizable. La superficie de la masa térmica absorbe la radiación solar que la golpea y la almacena para el uso nocturno. A diferencia de un sistema de ganancia directa, el sistema de pared de almacenamiento térmico proporciona calefacción solar pasiva sin un área excesiva de la ventana y deslumbramiento en los espacios interiores. Sin embargo, se elimina la capacidad de aprovechar las vistas y la iluminación natural. El rendimiento de las paredes de Trombe se ve disminuido si el interior de la pared no está abierto a los espacios interiores. Los muebles, estanterías y armarios de pared instalados en la superficie interior de la pared reducirán su rendimiento.
Una pared clásica de Trombe, también denominada genéricamente pared de almacenamiento térmico ventilada, tiene respiraderos operables cerca del techo y niveles del piso de la pared de masa que permiten que el aire interior fluya a través de ellos por convección natural. A medida que la radiación solar calienta el aire atrapado entre el vidrio y la pared y comienza a subir. El aire se introduce en la ventilación inferior, luego en el espacio entre el vidrio y la pared para calentarse por la radiación solar, aumentando su temperatura y haciéndolo subir, y luego sale por la ventilación superior (techo) de regreso al espacio interior. Esto permite que la pared introduzca directamente aire caliente en el espacio; generalmente a una temperatura de alrededor de 90 ° F (32 ° C).
Si los respiraderos se dejan abiertos por la noche (o en días nublados), se producirá una reversión del flujo de aire por convección, desperdiciando el calor al disiparlo al aire libre. Los respiraderos deben estar cerrados durante la noche para que el calor radiante de la superficie interior de la pared de almacenamiento calienta el espacio interior. Por lo general, los respiraderos también se cierran durante los meses de verano cuando no se necesita ganancia de calor. Durante el verano, un orificio de ventilación exterior instalado en la parte superior de la pared se puede abrir para ventilar hacia el exterior. Tal ventilación hace que el sistema actúe como una chimenea solar que impulsa el aire a través del edificio durante el día.
Las paredes ventiladas de almacenamiento térmico ventiladas hacia el interior han demostrado ser algo ineficaces, sobre todo porque proporcionan demasiado calor durante el día en climas templados y durante los meses de verano; simplemente se sobrecalientan y crean problemas de comodidad. La mayoría de los expertos en energía solar recomiendan que las paredes de almacenamiento térmico no se ventilen hacia el interior.
Hay muchas variaciones del sistema de pared Trombe. Un muro de almacenamiento térmico sin ventilación (técnicamente no es una pared Trombe) captura energía solar en la superficie exterior, se calienta y conduce calor a la superficie interior, donde se irradia desde la superficie de la pared interior al espacio interior más tarde en el día. Una pared de agua utiliza un tipo de masa térmica que consiste en tanques o tubos de agua utilizados como masa térmica.
Una pared de almacenamiento térmico no ventilada típica consiste en una pared de mampostería o concreto orientada al sur con un material oscuro que absorbe calor en la superficie exterior y se enfrenta con una capa de vidrio simple o doble. El vidrio de alta transmisión maximiza las ganancias solares en la pared de masa. El vidrio se coloca de ¾ a 6 pulg. (20 a 150 mm) de la pared para crear un espacio aéreo pequeño. El armazón de vidrio es típicamente de metal (por ejemplo, aluminio) porque el vinilo se ablandará y la madera se secará súbitamente a una temperatura de 180 ° F (82 ° C) que puede existir detrás del vidrio en la pared. El calor de la luz solar que pasa a través del vidrio es absorbido por la superficie oscura, almacenado en la pared y conducido lentamente hacia adentro a través de la mampostería. Como detalle arquitectónico, el vidrio modelado puede limitar la visibilidad exterior de la pared sin sacrificar la transmisividad solar.
Una pared de agua usa recipientes de agua para la masa térmica en lugar de una pared de masa sólida. Las paredes de agua suelen ser ligeramente más eficientes que las sólidas, ya que absorben el calor de manera más eficiente debido al desarrollo de corrientes convectivas en el agua líquida a medida que se calienta. Estas corrientes provocan una mezcla rápida y una transferencia de calor más rápida al edificio que la que pueden proporcionar las paredes de masa sólida.
Las variaciones de temperatura entre las superficies de las paredes exteriores e interiores conducen el calor a través de la pared de masa. En el interior del edificio, sin embargo, la ganancia de calor durante el día se retrasa, solo está disponible en la superficie interior de la masa térmica durante la noche cuando es necesario porque el sol se ha puesto. El retraso de tiempo es la diferencia de tiempo entre la primera luz del sol que golpea la pared y cuando el calor entra al interior del edificio. El retraso de tiempo depende del tipo de material utilizado en la pared y el grosor de la pared; un mayor espesor produce un mayor retraso de tiempo. El tiempo de retraso característico de la masa térmica, combinado con la disminución de las fluctuaciones de la temperatura, permite el uso de energía solar diurna variable como una fuente de calor nocturno más uniforme. Windows se puede colocar en la pared para la iluminación natural o razones estéticas, pero esto tiende a reducir la eficiencia de alguna manera.
El grosor de una pared de almacenamiento térmico debe ser de aproximadamente 10 a 14 pulgadas (250 a 350 mm) para ladrillos, de 12 a 18 pulgadas (300 a 450 mm) para hormigón, de 8 a 12 pulgadas (200 a 300 mm) para tierra / adobe , y al menos 6 pulgadas (150 mm) para agua. Estos espesores retrasan el movimiento del calor, de modo que las temperaturas de la superficie interior alcanzan su punto máximo durante las últimas horas de la noche. El calor tardará entre 8 y 10 horas en llegar al interior del edificio (el calor viaja a través de una pared de concreto a una velocidad de aproximadamente una pulgada por hora). Una buena conexión térmica entre los acabados de la pared interior (por ejemplo, paneles de yeso) y la pared de masa térmica es necesaria para maximizar la transferencia de calor al espacio interior.
Aunque la posición de un muro de almacenamiento térmico minimiza el sobrecalentamiento diurno del espacio interior, un edificio bien aislado debe limitarse a aproximadamente 0.2 a 0.3 pies2 de superficie de pared de masa térmica por pie cuadrado de área de piso que se calienta (0.2 a 0.3 m2 por m2 de Superficie del suelo), dependiendo del clima. Una pared de agua debe tener aproximadamente 0,15 a 0,2 pies2 de superficie de la pared de agua por pie2 (0,15 a 0,2 m2 por m2) de superficie.
Los muros de masa térmica se adaptan mejor a los climas soleados de invierno que tienen oscilaciones de temperatura diurnas (día-noche) altas (por ejemplo, suroeste, montaña-oeste). No funcionan tan bien en climas nublados o extremadamente fríos o en climas donde no hay un gran oscilación diurna de la temperatura. Las pérdidas térmicas durante la noche a través de la masa térmica de la pared aún pueden ser significativas en climas nublados y fríos; la pared pierde calor almacenado en menos de un día y luego pierde calor, lo que aumenta drásticamente los requisitos de calefacción de respaldo. Cubrir el acristalamiento con paneles aislantes móviles ajustables durante largos períodos nublados y horas nocturnas mejorará el rendimiento de un sistema de almacenamiento térmico.
El principal inconveniente de las paredes de almacenamiento térmico es su pérdida de calor hacia el exterior. El vidrio doble (vidrio o cualquiera de los plásticos) es necesario para reducir la pérdida de calor en la mayoría de los climas. En climas templados, solo vidrio es aceptable. Una superficie selectiva (superficie de alta absorción / baja emisión) aplicada a la superficie exterior de la pared de almacenamiento térmico mejora el rendimiento al reducir la cantidad de energía infrarroja irradiada a través del vidrio; por lo general, logra una mejora similar en el rendimiento sin la necesidad de instalación diaria y eliminación de paneles aislantes. Una superficie selectiva consiste en una lámina de lámina metálica pegada a la superficie exterior de la pared. Absorbe casi toda la radiación en la porción visible del espectro solar y emite muy poco en el rango infrarrojo. La alta absorbencia convierte la luz en calor en la superficie de la pared, y su baja emitancia evita que el calor se irradie hacia el vidrio.
Sistema Roof Pond
Un sistema solar pasivo de estanque de techo, a veces llamado techo solar, usa agua almacenada en el techo para templar las temperaturas internas frías y calientes, generalmente en ambientes desérticos. Por lo general, está construido con contenedores que contienen entre 6 y 12 pulgadas (150 a 300 mm) de agua en un techo plano. El agua se almacena en bolsas de plástico grandes o contenedores de fibra de vidrio para maximizar las emisiones radiantes y minimizar la evaporación. Puede dejarse sin esmaltar o puede cubrirse con acristalamiento. La radiación solar calienta el agua, que actúa como un medio de almacenamiento térmico. Por la noche o durante el tiempo nublado, los contenedores se pueden cubrir con paneles aislantes. El espacio interior debajo del estanque del techo se calienta con la energía térmica emitida por el almacenamiento del estanque del techo superior. Estos sistemas requieren buenos sistemas de drenaje, aislamiento movible y un sistema estructural mejorado para soportar una carga muerta de 35 a 70 lb / ft2 (1.7 a 3.3 kN / m2).
Con los ángulos de incidencia de la luz solar durante el día, los estanques de techo solo son efectivos para calentar en latitudes bajas y medias, en climas cálidos a templados. Los sistemas de estanques de techo funcionan mejor para el enfriamiento en climas cálidos de baja humedad. No se han construido muchos techos solares, y hay información limitada sobre el diseño, el costo, el rendimiento y los detalles de construcción de los techos de almacenamiento térmico.
Sistema solar aislado
En un sistema solar pasivo de ganancia aislada, los componentes (por ejemplo, el colector y el almacenamiento térmico) están aislados del área interior del edificio.
Un espacio solar adjunto, también denominado a veces sala solar o solarium, es un tipo de sistema solar de ganancia aislada con un espacio interior acristalado o una habitación que es parte o está unida a un edificio pero que puede estar completamente cerrada de las áreas ocupadas principales. Funciona como un invernadero conectado que hace uso de una combinación de características de ganancia directa y de ganancia indirecta. Un espacio solar puede llamarse y parecer un invernadero, pero un invernadero está diseñado para cultivar plantas, mientras que un espacio solar está diseñado para proporcionar calor y estética a un edificio. Los espacios solares son elementos de diseño pasivo muy populares porque expanden las áreas de vivienda de un edificio y ofrecen un espacio para cultivar plantas y otra vegetación. Sin embargo, en climas moderados y fríos, se requiere calefacción de espacio adicional para evitar que las plantas se congelen durante el clima extremadamente frío.
El vidrio orientado hacia el sur de un espacio solar adjunto recoge energía solar como en un sistema de ganancia directa. El diseño más simple de espacio solar es instalar ventanas verticales sin acristalamiento. Los espacios solares pueden experimentar un alto aumento de calor y una gran pérdida de calor a través de su abundancia de acristalamiento. Si bien el acristalamiento horizontal y en pendiente acumula más calor en el invierno, se minimiza para evitar el sobrecalentamiento durante los meses de verano. Aunque el acristalamiento elevado puede ser estéticamente agradable, un techo aislado proporciona un mejor rendimiento térmico. Las claraboyas se pueden utilizar para proporcionar un cierto potencial de iluminación natural. El acristalamiento vertical puede maximizar la ganancia en invierno, cuando el ángulo del sol es bajo, y producir menos ganancia de calor durante el verano. El vidrio vertical es menos costoso, más fácil de instalar y aislar, y no tan propenso a fugas, empañamiento, rotura y otras fallas de vidrio. Una combinación de acristalamiento vertical y algunos vidrios inclinados es aceptable si se proporciona sombreado de verano. Un voladizo bien diseñado puede ser todo lo que se necesita para sombrear el acristalamiento en el verano.
Las variaciones de temperatura causadas por las pérdidas y ganancias de calor pueden ser moderadas por la masa térmica y las ventanas de baja emisividad. La masa térmica puede incluir un piso de mampostería, una pared de mampostería que bordea la casa o recipientes de agua. La distribución de calor al edificio se puede lograr a través de los respiraderos, ventanas, puertas o ventiladores a nivel del techo y del piso. En un diseño común, el muro de masa térmica situado en la parte posterior del espacio solar adyacente al espacio habitable funcionará como un muro de masa térmica de ganancia indirecta. La energía solar que ingresa al espacio solar queda retenida en la masa térmica. El calor solar se transporta al edificio por conducción a través de la pared de masa compartida en la parte posterior del espacio solar y mediante respiraderos (como una pared de almacenamiento térmico sin ventilación) oa través de aberturas en la pared que permiten el flujo de aire desde el espacio solar al espacio interior como un muro de almacenamiento térmico ventilado).
En climas fríos, se debe usar doble acristalamiento para reducir las pérdidas conductivas a través del vidrio hacia el exterior. La pérdida de calor durante la noche, aunque significativa durante los meses de invierno, no es tan esencial en el espacio solar como en los sistemas de ganancia directa, ya que el espacio solar se puede cerrar del resto del edificio. En climas templados y fríos, es importante aislar térmicamente el espacio solar del edificio por la noche. Grandes paneles de vidrio, puertas francesas o puertas corredizas de vidrio entre el edificio y el espacio solar adjunto mantendrán una sensación de amplitud sin la pérdida de calor asociada a un espacio abierto.
Un espacio solar con una pared térmica de mampostería necesitará aproximadamente 0.3 pies2 de superficie de la pared de masa térmica por pie cuadrado de área de piso que se calienta (0.3 m2 por m2 de área de piso), dependiendo del clima. El espesor de la pared debe ser similar al de una pared de almacenamiento térmico. Si se usa una pared de agua entre el espacio solar y el espacio habitable, es apropiado usar aproximadamente 0.20 pies2 de superficie de la pared de masa térmica por pie cuadrado de superficie del piso (0.2 m2 por m2 de superficie del piso). En la mayoría de los climas, se requiere un sistema de ventilación en los meses de verano para evitar el sobrecalentamiento. En general, las vastas áreas aéreas (horizontales) y orientadas hacia el este y el oeste no deben usarse en un espacio solar sin precauciones especiales para el recalentamiento del verano, como el uso de vidrio que refleja el calor y áreas de sistemas de sombreado de verano.
Las superficies internas de la masa térmica deben ser de color oscuro. Se puede usar aislamiento móvil (p. Ej., Cubiertas de ventanas, persianas, persianas) para ayudar a atrapar el aire caliente en el espacio solar después de que se haya puesto el sol y durante el tiempo nublado. Cuando se cierra durante los días extremadamente calurosos, las cubiertas de las ventanas pueden ayudar a evitar que el espacio solar se sobrecaliente.
Para maximizar la comodidad y la eficiencia, las paredes, el cielo raso y la base del espacio solar sin vidrio deben estar bien aislados. El perímetro de la pared de cimentación o losa debe aislarse a la línea de escarcha o alrededor del perímetro de la losa. En un clima templado o frío, las paredes este y oeste del espacio solar deben estar aisladas (sin vidrio).
Medidas adicionales
Se deben tomar medidas para reducir la pérdida de calor durante la noche, por ejemplo, el recubrimiento de ventanas o el aislamiento de ventanas movibles.
Almacenamiento de calor
El sol no brilla todo el tiempo. El almacenamiento de calor, o masa térmica, mantiene el edificio caliente cuando el sol no puede calentarlo.
En las casas solares diurnas, el almacenamiento está diseñado para uno o varios días. El método habitual es una masa térmica construida a medida. Esto incluye una pared Trombe, un piso de concreto ventilado, una cisterna, una pared de agua o un estanque de techo. También es factible utilizar la masa térmica de la tierra en sí, ya sea tal como está o mediante la incorporación a la estructura mediante la banca o utilizando tierra apisonada como medio estructural.
En áreas subárticas, o áreas que tienen largos períodos sin ganancia solar (por ejemplo, semanas de niebla helada), la masa térmica construida especialmente es muy costosa. Don Stephens fue pionero en una técnica experimental para utilizar el suelo como masa térmica lo suficientemente grande como para el almacenamiento anual de calor. Sus diseños ejecutan un termosifón aislado a 3 m debajo de una casa, y aísla el suelo con una falda a prueba de agua de 6 m.
Aislamiento
El aislamiento térmico o superinsulación (tipo, ubicación y cantidad) reduce la fuga de calor no deseada. Algunos edificios pasivos están construidos de aislamiento.
Sistemas especiales de acristalamiento y ventanas.
La eficacia de los sistemas de ganancia solar directa se ve significativamente mejorada por aislantes (p. Ej., Doble acristalamiento), acristalamientos selectivos espectralmente (low-e) o aislantes de ventanas móviles (edredones de ventana, persianas aislantes interiores dobles, persianas, etc.).
En general, las ventanas que miran hacia el Ecuador no deben utilizar revestimientos acristalados que inhiban la ganancia solar.
Hay un uso extensivo de ventanas super-aisladas en el estándar de la Casa Pasiva alemana. La selección de diferentes revestimientos de ventana espectralmente selectivos depende de la proporción de días de calentamiento frente a grados de enfriamiento para la ubicación de diseño.
Selección de acristalamiento
Vidrio orientado al ecuador
El requisito para el vidrio vertical orientado al ecuador es diferente de los otros tres lados de un edificio. Los revestimientos reflectantes para ventanas y los múltiples paneles de vidrio pueden reducir la ganancia solar útil. Sin embargo, los sistemas de ganancia directa dependen más del doble o triple acristalamiento para reducir la pérdida de calor. Las configuraciones de ganancia indirecta y ganancia aislada aún pueden funcionar de manera efectiva con solo acristalamiento de panel único. Sin embargo, la solución óptima y económica depende tanto de la ubicación como del sistema.
Vidrio de ángulo de techo y tragaluces
Las claraboyas admiten una luz solar directa directa y un deslumbramiento horizontal (un techo plano) o inclinado en el mismo ángulo que la pendiente del techo. En algunos casos, los tragaluces horizontales se utilizan con reflectores para aumentar la intensidad de la radiación solar (y el brillo intenso), según el ángulo de incidencia del techo. Cuando el sol de invierno está bajo en el horizonte, la mayoría de la radiación solar se refleja en el vidrio inclinado del techo (el ángulo de incidencia es casi paralelo al vidrio inclinado en el techo mañana y tarde). Cuando el sol del verano es alto, es casi perpendicular al vidrio inclinado en el techo, lo que maximiza la ganancia solar en el momento del año equivocado y actúa como un horno solar. Los tragaluces deben estar cubiertos y bien aislados para reducir la pérdida de calor por convección natural (aumento de aire caliente) en las noches frías de invierno y el intenso aumento de calor solar durante los días de primavera / verano / otoño.
El lado que mira hacia el ecuador de un edificio está al sur en el hemisferio norte y al norte en el hemisferio sur. Las claraboyas en los techos que miran hacia el ecuador proveen iluminación indirecta en su mayoría, excepto en los días de verano cuando el sol puede elevarse en el lado no ecuatorial del edificio (en algunas latitudes). Las claraboyas en los techos orientados al este proporcionan la máxima luz directa y el aumento de calor solar en la mañana de verano. Los tragaluces orientados al oeste proporcionan la luz del sol de la tarde y el aumento de calor durante la parte más calurosa del día.
Algunos tragaluces tienen un acristalamiento costoso que reduce parcialmente el aumento de calor solar durante el verano, al tiempo que permite cierta transmisión de luz visible. Sin embargo, si la luz visible puede atravesarlo, también puede aumentar algo de calor radiante (ambas son ondas de radiación electromagnética).
Puede reducir parcialmente parte del aumento de calor solar de verano no deseado en el techo mediante la instalación de una claraboya a la sombra de los árboles caducos o al agregar una ventana opaca con cubierta aislante en el interior o el exterior de la claraboya . Esto eliminaría el beneficio de la luz del día en el verano. Si las ramas de los árboles cuelgan sobre un techo, aumentarán los problemas con las hojas en las canaletas, posiblemente causen daños en el techo, acortarán la vida del techo y facilitarán el acceso de las plagas al ático. Las hojas y ramitas en los tragaluces son poco atractivas, difíciles de limpiar y pueden aumentar el riesgo de rotura del acristalamiento en las tormentas de viento.
El «acristalamiento del techo con dientes de sierra» con vidrio vertical solo puede aportar algunos de los beneficios del diseño de edificios solares pasivos al núcleo de un edificio comercial o industrial, sin la necesidad de vidrios o claraboyas con techo inclinado.
Los tragaluces proporcionan la luz del día. La única vista que proporcionan es esencialmente recta en la mayoría de las aplicaciones. Los tubos de luz bien aislados pueden llevar la luz del día a las habitaciones del norte, sin usar una claraboya. Un invernadero solar pasivo proporciona abundante luz natural para el lado ecuador del edificio.
Las cámaras térmicas de termografía termográfica en color (utilizadas en auditorías energéticas formales) pueden documentar rápidamente el impacto térmico negativo del vidrio inclinado en el techo o de una claraboya en una fría noche de invierno o en un caluroso día de verano.
El Departamento de Energía de EE. UU. Afirma: «el acristalamiento vertical es la mejor opción general para los espacios solares». El vidrio inclinado en el techo y el vidrio de pared lateral no se recomiendan para los espacios solares pasivos.
El DOE de EE. UU. Explica los inconvenientes del acristalamiento en el techo: el vidrio y el plástico tienen poca resistencia estructural. Cuando se instala verticalmente, el vidrio (o plástico) tiene su propio peso porque solo un área pequeña (el borde superior del acristalamiento) está sujeto a la gravedad. Sin embargo, a medida que el vidrio se inclina fuera del eje vertical, una mayor área (ahora la sección transversal inclinada) del acristalamiento debe soportar la fuerza de la gravedad. El vidrio también es frágil; No se flexiona mucho antes de romperse. Para contrarrestar esto, generalmente debe aumentar el espesor del acristalamiento o aumentar el número de soportes estructurales para sostener el acristalamiento. Ambos aumentan el costo total, y el último reducirá la cantidad de ganancia solar en el espacio solar.
Otro problema común con el acristalamiento inclinado es su mayor exposición al clima. Es difícil mantener un buen sello en los vidrios de los techos con luz solar intensa. El granizo, el aguanieve, la nieve y el viento pueden causar fallas en los materiales. Para la seguridad de los ocupantes, las agencias reguladoras generalmente requieren que el vidrio inclinado esté hecho de vidrio de seguridad, laminado o una combinación de los mismos, lo que reduce el potencial de ganancia solar. La mayor parte del vidrio inclinado en el techo del espacio solar del Crowne Plaza Hotel Orlando Airport fue destruido en una sola tormenta de viento. El vidrio inclinado hacia el techo aumenta los costos de construcción y puede aumentar las primas de seguro. El vidrio vertical es menos susceptible al daño del clima que el vidrio con techo inclinado.
Es difícil controlar el aumento de calor solar en un espacio solar con acristalamiento inclinado durante el verano e incluso durante el medio de un día de invierno templado y soleado. Los tragaluces son la antítesis de la energía cero que genera la refrigeración solar pasiva en climas con requisitos de aire acondicionado.
Ángulo de radiación incidente
La cantidad de ganancia solar transmitida a través del vidrio también se ve afectada por el ángulo de la radiación solar incidente. La luz del sol golpeando una sola hoja de vidrio dentro de 45 grados de perpendicular se transmite principalmente (menos del 10% se refleja), mientras que para la luz solar se refleja a 70 grados de la perpendicular se refleja más del 20% de la luz y por encima de 70 grados. .
Todos estos factores se pueden modelar con mayor precisión con un fotómetro fotográfico y un heliodon o banco óptico, que pueden cuantificar la relación de reflectividad a transmisividad, según el ángulo de incidencia.
Alternativamente, el software de la computadora solar pasiva puede determinar el impacto de la trayectoria del sol y los días de grados de enfriamiento y calentamiento en el rendimiento energético.
Dispositivos de protección y aislamiento operables.
Un diseño con demasiado vidrio orientado hacia el ecuador puede provocar un calentamiento excesivo durante el invierno, la primavera o el otoño, espacios de vida incómodamente brillantes en ciertas épocas del año y excesiva transferencia de calor en las noches de invierno y los días de verano.
Aunque el sol está a la misma altitud 6 semanas antes y después del solsticio, los requisitos de calefacción y enfriamiento antes y después del solsticio son diferente diferentes. El almacenamiento de calor en la superficie de la Tierra causa «retraso térmico». La cobertura de nubes variable influye en el potencial de ganancia solar. Esto significa que los salientes de la ventana son específicos de latitud, aunque importantes, no hay una solución completa de control de ganancia solar estacional.
Los mecanismos de control (como cortinas con aislamiento interior manual o motorizado, contraventanas, pantallas de toldo retráctiles o toldos retráctiles) pueden compensar las diferencias causadas por el retraso térmico o la cobertura de nubes, y ayudar a controlar las variaciones diarias / horarias de los requisitos de ganancia solar.
Los sistemas de automatización del hogar que controlan la temperatura, la luz solar, la hora del día y la ocupación de la habitación pueden controlar con precisión los dispositivos motorizados de sombreado y protección de ventanas.
Colores exteriores que reflejan la absorción Los
materiales y los colores se pueden elegir para reflejar o absorber la energía solar térmica. Usar información sobre un color para la radiación electromagnética para determinar las propiedades de la radiación térmica o la eliminación de las partículas.