04 geometria solar

Septiembre 2013

GEOMETRA SOLAR Conceptos Bsicos www.yusoproyectos.com

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INTRODUCCION

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El siguiente documento tiene el fin de ser una gua bsica para el desarrollo de estudios de tcnicasbioclimticas para cualquier lugar donde YUSO PROYECTOS tenga que proyectar. Es un documento quese retroalimenta por cada uno de los miembros a medida que se vayan desarrollando las distintasinvestigaciones.

Lo que se presenta a continuacin es una recopilacin de informacin que en muchos casos es textual ala fuente, no pretende ser un trabajo de investigacin o anlisis, es solo informativo. Parte de lainformacin es tomada del profesor Msc Michael Smith en la materia Tcnicas Bioclimticas, que imparteen el posgrado de Arquitectura Tropical en la Universidad de Costa Rica, adicionalmente se usaron otrasreferencias bibliogrficas y de paginas en internet.


La radiacin solar es el flujo de energa que recibimos del Sol en forma de ondaselectromagnticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojo y ultravioleta).

La Tierra recibe casi toda su energa del sol en forma de radiacin, por eso el sol es lainfluencia dominante en los climas.

El espectro de la radiacin sola se extiende desde 290 a 2.300 nm (nanmetros = 109). Deacuerdo con los medios humanos de percepcin podemos distinguir:

_Radiacin ultravioleta (290 a 380 nm): produce efectos fotoqumicos, blanqueamiento,quemaduras solares, etc.

_Luz visible (380 nm azul a 700 nm rojo):

_Radiacin infrarroja corta (700 a 2.300 nm): calor radiante con algn efecto fotoqumico.

RADIACION SOLARCONCEPTOS

EL SOLDistancia: 150 millones de kmTemperatura de la superficie: 6.000 CEnerga emitida por m2: 60.000.000 w/h

Informacin tomada del libro Vivienda y edificios en zonas clidas y tropicales.3


La intensidad de la radiacin que alcanza la superficie de la atmosfera se como constantesolar: 1.395 W/m2, pero realmente puede variar +/- 2% debido a las variaciones de energade propio sol y varia +/- 3,5% a cauda de alteraciones de la distancia Tierra-Sol.

Irradiacin es a magnitud que mide la radiacin solar que llega a la tierra. Se mide en watiospor metro cuadrado (W/m2).

CANTIDAD DE RADIACION SOLARCONCEPTOS



La relacin Tierra-Sol afecta a la cantidad de radiacin recibida en un punto particular de lasuperficie terrestre de tres modos:

1. La Ley del Coseno: que establece que la intensidad en una superficie inclinada es igual ala intensidad normal por el coseno del ngulo de inclinacin.

2. Disipacin atmosfrica: es la absorcin de radicacin por el ozono, vapores y partculas depolvo atmosfrico (factor de 0,2 a 0,7). Cuando mas bajo es el ngulo de altitud solar, maslarga es la trayectoria de la radicacin a travs de la atmosfera y en consecuencia llegamenor radicacin a la superficie terrestre.

3. Duracin de la luz solar: es la duracin de l periodo de luz diurna.

RADIACION EN LA SUPERFICIE TERRESTRECONCEPTOS

LEY DEL COSENOVaria distribucin segn Angulo incidencia = misma cantidad de radiacinen mayor superficie.

DISIPACION ATMOSFERICAMs bajo el ngulo altitud solar = mayor trayectoria radiacin a travs de laatmosfera

Informacin tomada del libro Vivienda y edificios en zonas clidas y tropicales. 5


La Tierra gira alrededor de su propio eje, haciendo una rotacin en 24horas. El eje de este giro (lnea que une los polos Polos Norte y Sur)esta inclinado con relacin al plano de la orbita elptica un ngulo de66,5, es decir una inclinacin de 23,5de la normal.

Si el eje de la Tierra fuese perpendicular al plano de la rbita, siempreseria las regiones ecuatoriales normales a la direccin de la radiacinsolar. Sin embargo, debido a la posicin inclinada, el rea que recibe lamxima intensidad se desplaza de norte a sur entre el trpico decncer (latitud 23,5N) y el trpico de Capricornio (latitu d 23,5S). Estaes la cauda principal de los cambios de estaciones.

El 21 de julio las reas que s extienden a los largo de la latitud 23,5Nson normales a los rayos solares, la trayectoria aparente del sol pasapor el cenit en esta latitud y se experimenta el periodo mas largo de luzdiurna. AL mismo tiempo la latitud 23,5S sufre el da mas cor to y unaradicacin mnima.

El 21 de marzo y el 23 de septiembre las reas a lo largo del Ecuadorson normales a los rayos solares y experimentan una trayectoriacenital del sol. En todas las reas de la Tierra son estos los dasequinociales ( da y noche de igual extensin).

RELACION TIERRA Y SOLCONCEPTOS

Informacin tomada del libro Vivienda y edificios en zonas clidas y tropicales.

REVOLUCION DIARIA: sobre su eje N-S (eje inclinado 23,5)

REVOLUCION ANUAL: alrededor del sol (orbita)6


RELACION TIERRA Y SOLCONCEPTOS

Solsticio de junio = +23,45

Solsticio de diciembre = +23,45

Equinoccios = 0

Informacin suministrada por Arq. Michael Smith

LATITUD GEOGRAFICA: es el ngulo entre el plano del ecuadorrespecto al eje de la Tierra

Ecuador = 0Polo norte = 90Polo Sur = -90(negativo por convencin)

Costa Rica = 10Venezuela = 10

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Para hallar el ngulo de incidencia de la radiacin , hay que establecer la posicin del sol enrelacin con la elevacin para el punto dado en el trascurso del tiempo.

La posicin del sol en el hemisferio celeste se puede especificar con dos ngulos:

1. Angulo de altitud solar: es el ngulo vertical en el punto de observacin entre el planohorizontal y la lnea que une el sol con el observador

2. Angulo azimutal solar: es el ngulo en el punto de observacin medido sobre el planohorizontal entre la direccin norte y un punto en el circulo del horizonte, que es el deinterseccin del arco de un circulo vertical que pasa por el cenit y la posicin del sol.

ANGULOS DE INCIDENCIACONCEPTOS

AZIMUT:Norte = 0o 360Este = 90Sur = 180Oeste = 270



RECORRIDO SOLAR:El recorrido solar diario es una curva aparente en el domo del cielo, formada por lasposiciones sucesivas del sol, desde el amanecer hasta el atardecer. Cada recorrido solarpuede ser descrito geomtricamente, como la interseccin del sol con el domo del cielo.

CARACTERISTICAS DE LOS DIAGRAMAS O CARTAS SOLARES:_Mapas celestiales del domo que contienen las distintas posiciones solares en una altitudespecifica._muestra de manera eficaz ngulos solares anuales_Es una transformacin geomtrica del recorrido solar del domo 3D al grafico 2D._Es el resultado de una matriz de recorrido solar mensual horaria_Cualquier da del ao puede ser impreso en la matriz con su respectivo ngulo solar segnel diagrama correspondiente.

REPRESENTACIONES GRAFICASANGULOS DE INCIDENCIA

9Carta Estereogrfica (Barquisimeto 15 de Octubre) Carta Ortogrfica (Barquisimeto 15 de Octubre)


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COMO LEERLACARTA ORTOGRAFICA



CARTA ESTEREOGRAFICACOMO LEERLA

El punto nadir es el centro de la proyeccin y la posicin del sol en elhemisferio celeste aparente se proyecta en el plano del horizonte representadopor un circulo horizontal.

La trayectoria del sol en diversas fechas se representa mediante un grupo decurvas que se extienden de este a oeste (lneas de las flechas) y estncortadas por otras curvas cortas, que son las lneas de las horas. La serie decrculos concntricos constituyen una escala de ngulos de altitud y la escalaperifrica da el ngulo azimutal.

11Informacin suministrada por Arq. Michael Smith

1. Se selecciona la latitud 0del diagrama2. Se selecciona la lnea de la fecha deseada (ejemplo 21 sep)3. Se selecciona la lnea de la hora (ejemplo 9 am) y se marca su interseccin

con la lnea de la fecha.4. Se lee en los cirulos concntricos el ngulo de altitud (ejemplo 26)5. Se traza una lnea recta desde el centro de diagrama a travs del punto de la

hora marcado hasta la escala perifrica donde se lee el ngulo azimutal(ejemplo 128)


CONCEPTOSANGULOS DE SOMBRA

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La eficiencia de los dispositivos de sombra se especifica mediante dos ngulos: los ngulosde sombre horizontal y vertical. Ambos se miden a partir de una lnea perpendicular a laelevacin e indican el lmite ms all del cual queda excluido el sol, pero dentro de l, el solalcalizara el punto considerado.



ANGULOS DE SOMBRA

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ANGULO DE SOMBRA HORIZONTAL (HSA):Caracteriza un dispositivo de sombra vertical, y es la diferencia entre el azimut del sol y de lapared, lo mismo que la componente horizontal en el ngulo de incidencia.

ANGULO DE SOMBRA VERTICAL (VSA):Caracteriza un dispositivo de sombra horizontal, por ejemplo una larga proyeccin horizontalde la pared, y se mide en un plano vertical normal de elevacin considerada.

CONCEPTOS



TIPOS DE DISPOSITIVOSDISPOSITIVOS DE SOMBRA

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DISPOSITIVOS VERTICALES:Constan de hojas de persianas o aletas saliendo en posicin vertical.El ngulo de sombra horizontal mide su eficacia (HSA). Hojasestrechas, poco separadas, pueden dar el mismo ngulo de sombraque hojas ms anchas y mas separadas.

Se vera que este tipo de dispositivos es ms eficaz cuando el sol estaun lado de la fachada, tal como ocurre en la fachadas este y oeste.Para que fuese eficaz un dispositivo vertical cuando el sol est opuestoa la pared considerada, tendra que cubrir casi por completo toda laventana.

DISPOSITIVOS HORIZONTALES:Estos pueden ser toldos, hojas horizontales o persianas veneciana porel exterior, Su eficacia se medir por el ngulo de sombra vertical(VSA). La huella de la sombra tiene forma de segmento. Sern maseficaces cuando el sol este opuesto a la fachada considerada deledificio y a un ngulo elevado, tal como las paredes norte y sur. Paracubrir un sol bajo, este tipo de dispositivo tendra que tapar la ventanacasi por completo, permitiendo solo la visin hacia abajo.

DISPOSITIVOS DE COMBINADOS:Se combinan elementos horizontales y verticales. Los mltiples tiposde enrejados y pantallas decorativas caen dentro de esta categora.Puedes ser eficaces en cualquier orientacin, dependiendo solo de lasdimensiones de los elementos.



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Huella desombra

Como primera medida hay que decidir cuando es necesaria la sombra, en que parte de l aoy a que horas del da. La mejor gua consiste en la definicin del periodo desobrecalentamiento. A partir de esto se definir los ngulo necesarios para dar sobra en estoperiodos. Luego estos ngulos HSA y VHA los usamos para las dimensiones finales de losdispositivos de sombra.

DISEO DE DISPOSITIVOSDISPOSITIVOS DE SOMBRA


PERIODOS DE SOBRECALENTAMIENTOTEMPERATURAS Y SOMBRA

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Para establecer las horas de sombra (huella de sombra) para un lugar,se toma los datos de la tabla de estrategias pasivas, los generado porel Ecotect (solar directa-difusa), y lo observado de modo presencial enel sitio

Se puede observar que los meses mas calientes son mayo junio yseptiembre, habra que tener mayor sombra para estas fechas. Aunquesegn las graficas de estrategias pasivas enero y diciembre nonecesita sombra, proponemos sombrear en las horas del medio dapara evitar calentamiento extra en el edificio.

Segn Ecotect

Segn TablaTemp-sombra

Definitivaen rojo

La zona en rojo indica las horas desombra tomadas para la elaboracindel estudio


EFECTOS DE SOMBREOENTORNO INMEDIATO



Es un aparato para crear una relacin geomtrica apropiada entre losmodelos a escala y la representacin del sol. Para simular penetracin deluz solar y sombreo para cualquier combinacin de localizacin y tiempo,pero siempre en condicin de cielo despejado.

Permite ajustar la declinacin solar /da del ao), la rotacin de la tierra(hora del da y la localizacin del lugar (latitud). La Tierra es la mvil y elsol siempre esta fijo

HELIODONHERRAMIENTAS



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DOMO DE CIELOHERRAMIENTAS

Es un dispositivo que combina condiciones de cielos generadas demodo artificial con las funciones del heliodon.

El domo hemisferico contiene ciento de luminarias individuales,instaladas sobre un marco geodsico que permite activarlas y regularla distribuciones de iluminacin para diferentes condiciones de cielo(nublado, mixto, despejado).

Con modelos a escala se puede simular condiciones externas deiluminacin natural en edificios, con distintos tipos de cielos, climas ylugares.



ECOTECT - AUTODESKHERRAMIENTAS



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Porcentaje de sombras propuesta

Zona de sombra en rojoZona de sombra en rojo Zona de sombra en rojo

SALA DE REUNIONES - FACHADA SUR AULA 1- FACHADA SUR SALA DE REUNIONES - FACHADA ESTE

HERRAMIENTASECOTECT - AUTODESK


2424

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC

29,6 30,3 31,1 30,4 29,6 29,1 28,9 29,7 30,3 30,2 29,9 29,218,7 19,3 19,8 20,7 20,8 20,4 20 20,1 20,3 20,4 20,2 19,310,9 11 11,3 9,7 8,8 8,7 8,9 9,6 10 9,8 9,7 9,9

HORA S01:00 a.m. 0,07 19,5 20,1 20,6 21,4 21,4 21,0 20,6 20,8 21,0 21,1 20,9 20,002:00 a.m. 0,04 19,1 19,7 20,3 21,1 21,2 20,7 20,4 20,5 20,7 20,8 20,6 19,703:00 a.m. 0,02 18,9 19,5 20,0 20,9 21,0 20,6 20,2 20,3 20,5 20,6 20,4 19,504:00 a.m. 0 18,7 19,3 19,8 20,7 20,8 20,4 20,0 20,1 20,3 20,4 20,2 19,305:00 a.m. 0,02 18,9 19,5 20,0 20,9 21,0 20,6 20,2 20,3 20,5 20,6 20,4 19,506:00 a.m. 0,08 19,6 20,2 20,7 21,5 21,5 21,1 20,7 20,9 21,1 21,2 21,0 20,107:00 a.m. 0,16 20,4 21,1 21,6 22,3 22,2 21,8 21,4 21,6 21,9 22,0 21,8 20,908:00 a.m. 0,4 23,1 23,7 24,3 24,6 24,3 23,9 23,6 23,9 24,3 24,3 24,1 23,309:00 a.m. 0,63 25,6 26,2 26,9 26,8 26,3 25,9 25,6 26,1 26,6 26,6 26,3 25,510:00 a.m. 0,85 28,0 28,7 29,4 28,9 28,3 27,8 27,6 28,3 28,8 28,7 28,4 27,711:00 a.m. 0,97 29,3 30,0 30,8 30,1 29,3 28,8 28,6 29,4 30,0 29,9 29,6 28,912:00 p.m. 1 29,6 30,3 31,1 30,4 29,6 29,1 28,9 29,7 30,3 30,2 29,9 29,201:00 p.m. 0,98 29,4 30,1 30,9 30,2 29,4 28,9 28,7 29,5 30,1 30,0 29,7 29,002:00 p.m. 0,93 28,8 29,5 30,3 29,7 29,0 28,5 28,3 29,0 29,6 29,5 29,2 28,503:00 p.m. 0,7 26,3 27,0 27,7 27,5 27,0 26,5 26,2 26,8 27,3 27,3 27,0 26,204:00 p.m. 0,53 24,5 25,1 25,8 25,8 25,5 25,0 24,7 25,2 25,6 25,6 25,3 24,505:00 p.m. 0,43 23,4 24,0 24,7 24,9 24,6 24,1 23,8 24,2 24,6 24,6 24,4 23,606:00 p.m. 0,35 22,5 23,2 23,8 24,1 23,9 23,4 23,1 23,5 23,8 23,8 23,6 22,807:00 p.m. 0,3 22,0 22,6 23,2 23,6 23,4 23,0 22,7 23,0 23,3 23,3 23,1 22,308:00 p.m. 0,25 21,4 22,1 22,6 23,1 23,0 22,6 22,2 22,5 22,8 22,9 22,6 21,809:00 p.m. 0,21 21,0 21,6 22,2 22,7 22,6 22,2 21,9 22,1 22,4 22,5 22,2 21,410:00 p.m. 0,17 20,6 21,2 21,7 22,3 22,3 21,9 21,5 21,7 22,0 22,1 21,8 21,011:00 p.m. 0,14 20,2 20,8 21,4 22,1 22,0 21,6 21,2 21,4 21,7 21,8 21,6 20,712:00 a.m. 0,11 19,9 20,5 21,0 21,8 21,8 21,4 21,0 21,2 21,4 21,5 21,3 20,4

TEMPERATURAS = S X T + T Min

MES

T Max CT Min C

T Max - T Min

Ecotect Fachada oeste Ecotect Fachada este

Tabla de Temperatura y Sombra

Weather Toll Carta Psicromtrica para la ciudad de Barquisimeto.

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BIBLIOGRAFA

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