edificio sistema energÉtico accesibilidad solar y...
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EDIFICIO SISTEMA ENERGÉTICO
Accesibilidad solar y eólica, volumen y posición.
Boris Véliz Gómez. Arquitectura Véliz
INDICE DE CONTENIDOS
01_EL SOL Y LA RADIACIÓN SOLAR
Posición, diagramas, sombras, radiación y diseño.
02_EL VIENTO.
Características, representación, métrica y diseño.
1_EL SOL Y LA RADIACIÓN SOLAR
Posición, diagramas, sombras, radiación, diseño y HE1
EL SOL Y LA REDIACIÓN
_El sol determina la posibilidad de la vida sobre la tierra,
_Es la fuente energética que da lugar a toda la actividad
atmosférica,
_Aporta luz y calor al planeta y establece los ciclos
naturales,(ciclo de carbono, del agua, etc).
_Genera lo 4 parámetros climáticos críticos para la
determinación de las estrategias de acondicionamiento
climático pasivo: La radiación, temperatura, viento y
humedad,
_Es el origen de todas las formas de energía renovables
que podemos utilizar.
El conocimiento de esta energía primaria, y las
características geofísicas del lugar, son la base para un
diseño urbano o arquitectónico de alta eficiencia
energética.
El SOL, POSICIÓN
Azimut y altura solar
Entender la trayectoria del sol
en su ubicación, lo primero.
En cualquier punto dado de la
trayectoria del sol:
_Su altura en el cielo se llama
su altitud y,
_Su ángulo con respecto al
norte verdadero horizontal se
llama su azimut.
El SOL, POSICIÓN
Movimiento
La tierra tiene un movimiento de
rotación en torno a su eje vertical
(días) y otro de translación de
forma elíptica alrededor del sol
(estaciones).
Días de estudio:
_Los solsticios: Extremos de la
posición del sol.
_Equinoccios: Posición media
dominante.
Diferentes estaciones:
_Invierno: Maximizar el sol para
calentar pasivamente.
_Verano: Minimizar el sol para
evitar calentamiento
Ciclo anual
Ciclo diario
EL SOL, POSICIÓN
Latitud y altura solar
_La altura del sol del mediodía en
los equinoccios coincide con la
latitud del lugar.
_La línea horizontal representa la
latitud del sitio en relación con el
mapa superpuesto del mundo.
La diferencia angular entre los
dos solsticios y los equinoccios
siempre permanece igual-sólo
cambia el ángulo de rotación
general.
EL SOL, POSICIÓN
Hora solar y local
_Entre la hora local y la hora solar
en la mayoría de los lugares
habrá una diferencia.
_Al mediodía solar, el sol estará
directamente encima de la
cabeza.
_Para cada grado de diferencia
en longitud entre el real y de
referencia, hay una diferencia de
tiempo 4 min. Para convertir la
hora solar en hora local, utilice la
siguiente fórmula:
Tlocal = Tsolar + ((Longitud –
Longitud ref) * 4)
EL SOL, POSICIÓN
Calculador
_Herramienta interactiva para
calcular el azimut y la altitud del
Sol en cualquier fecha y hora.
_El primer paso en el uso de esta
herramienta es establecer la
latitud y longitud de la ubicación
deseada –(establecer primero el
valor de zona horaria, hará más
fácil entrar en la longitud).
_Calcula además la salida y la
puesta del sol.
_La longitud de la sombra relativa.
de un elemento vertical de altura
específica h.
EL SOL, POSICIÓN
Trayectoria, latitudes
La variación estacional es la
característica más importante de
la posición solar:
_Durante el verano en el
hemisferio sur, el sol se eleva
ligeramente al sur del este y se
pone un poco al sur del oeste.
En el hemisferio norte se eleva
ligeramente al norte del este y se
pone un poco al norte del Oeste.
_En ambos hemisferios, el Sol
sale más temprano y se pone más
tarde en el verano que en el
invierno. El grado de este efecto
es mayor cuanto más se cerca el
sitio a cualquiera de los polos.
Latitud 90º (Polo norte )
Latitud 60º (Noruega)
Latitud 30º (Israel)
Latitud 0º
(Ecuador)
Latitud - 60º (Sudáfrica)
Latitud - 30º (Océano Antártico)
Latitud – 90º (Polo sur)
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección estereográfica
Es una manera sencilla y útil de
representar y la trayectoria solar
en un solo diagrama 2D.
_Su uso más inmediato es que el
Azimut y la altitud se puede leer
directamente para cualquier hora
del día y del año.
_La herramienta “Solar tool” de
Ecotect nos provee de un
mecanismo sencillo, preciso y
versátil para el proyecto, si bien
es conveniente entender los
detalles de la representación.
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección estereográfica
Como se genera:
_La representación de cada
línea del recorrido solar se
realiza mediante la
determinación de la posición
exacta del Sol a su paso por el
cielo en incrementos de 1 hora
cada día ( en la mayoría de los
casos, en día 1 o 21 de cada
mes).
_Esto entonces se proyecta
desde la bóveda del cielo
sobre la imagen plana, como
se muestra a continuación.
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección estereográfica
Azimut
_Los ángulos de Azimut, se sitúan
alrededor del borde del diagrama
con incrementos de 15º.
_El ángulo de Azimut de una
posición de referencia se mide, en
el sentido de las agujas del reloj,
respecto al norte en el plano
horizontal.
_El Norte en el diagrama
estereográfico coincide con el eje
Y, y esta señalado con una N.
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección estereográfica
Altitud
_Ángulos de altitud se
representan como líneas
circulares concéntricas
discontinuas que van desde el
centro del diagrama con
incrementos de 10º desde 90 °
hasta 0 º.
_ La altitud de un punto de la
posición de referencia se mide
desde el plano horizontal.
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección estereográfica
Fechas
_Las líneas de fechas
representan la trayectoria del sol
a través del cielo en un día
particular del año. Comienzan en
el lado oriental de la gráfica y
corren hacia el lado occidental.
_Se muestran una línea por cada
día primero de cada mes del año.
_Los primeros 6 meses se
muestran en línea continua
mientras que los 6 siguientes en
discontinua, aunque en este
gráfico se superponen.
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección estereográfica
Horas del día
_Las líneas de horas representan
la posición del sol a una hora
específica del día, durante todo el
año.
_Se cruzan con las líneas de
fecha indicando en ese punto la
posición del sol.
_La mitad de cada hora se
muestra con líneas de puntos,
para indicar que se trata de los
últimos 6 meses del año.
EL SOL, DIAGRAMAS
Proyección polar
_Una proyección simple de líneas
de altitud alrededor de la cúpula
celeste directamente sobre una
superficie plana, forma ángulos
muy próximos entre sí, cerca del
horizonte y bastante separados
cerca del cenit.
_Adecuado si nos interesase el
efecto de un dispositivo de
sombreado muy alto.
_En la mayor parte de la
situaciones arquitectónicas los
edificios reciben sombras de
elementos que le rodean, cuando
el sol esta mucho más cerca del
horizonte.
Diferencia entre las principales proyecciones solares,
en la distribución de las líneas de altitud.
EL SOL, DIAGRAMAS
Posición puntual del sol
La posición del Sol, en cualquier
momento del día, cualquier día
del año puede leerse en este
diagrama. Pasos a seguir:
1_Asegurarse que el diagrama
representa la latitud del lugar.
2_Seleccione la hora deseada.
3_Selecciones el mes.
4_Localice el punto de
Intersección de la hora y el mes
señalado.
5_Trace una línea desde el centro
hasta el punto de intersección
anterior, y lea el azimut solar.
6_Trace una línea concéntrica
hasta la línea de Norte y lea el
ángulo de altitud.
EL SOL, DIAGRAMAS
Diagrama cartesiano
_Se utiliza para determinar la
ubicación de cualquier punto
en el plano a través de dos
números, Eje X (Azimut), Eje Y
(altitud).
_Los valores de la fecha y la
hora se encuentra primero en
exactamente la misma manera
que en el diagrama polar.
Para determinar la posición del
sol:
1_Loclaiza la intersección entre
el mes y la hora.
2_Azimut en el Eje X
3_Altitud en el Eje Y
EL SOL, SOMBRAS
Máscaras de sombra
_Se pueden visualizar la
accesibilidad solar de un punto
determinado representando los
contornos de obstrucción de
edificios y la vegetación en un
diagrama estereográfico.
_Ejemplo sobre un lente de ojo de
pez de una cámara orientado
hacía el cenit.
_Se superpone la trayectoria solar
y se delimitan las obstáculos.
_Se podrá saber cuando el punto
estará en sombra o soleado
durante todo el año.
EL SOL, SOMBRAS
Máscaras de sombra
Procedimiento
Para construir un diagrama:
_Considere un continente
imaginario que rodea un punto.
(punto de enfoque).
_ Las áreas de obstrucción del Sol
se determinan mediante la
proyección de líneas desde el
punto de enfoque a los vértices
en la silueta de cada objeto y
determinar dónde se cruza este
hemisferio imaginario.
_ Las formas resultantes en este
hemisferio se puede entonces
transferir a un diagrama
estereográfico.
EL SOL, SOMBRAS
Máscaras de sombra
Gráfica auxiliar:
_Constituye una guía para trazar
las máscaras de sombra. (Un
plano semicircular acostado en el
suelo que se inclina en función del
ángulo de incidencia solar)
_Las formas que se generan en
los distintos ángulos de
inclinación vistas en planta,
representa la curvatura de las
líneas horizontales para el mismo
ángulo de sombra.
_Abajo la gráfica auxiliar se
muestra como un conjunto de
rotación de líneas de puntos, y
nos permite completar la
proyección de las aristas
horizontales.
EL SOL, SOMBRAS
Máscaras de sombra
Ejemplo práctico animado:
Se muestra el procedimiento por
el cual se puede determinar la
sombra de un bloque y trasladarla
en el diagrama estereográfico de
la trayectoria solar.
Pasos breves:
1-Seleccciona punto de enfoque.
2-Azimut entre Norte verdadero y
la primera vertical del edificio.
3_Altitud del plano de tierra a la
parte superior de la línea.
4_Marcar ambos altitud y azimut
en la gráfica.
RADIACIÓN SOLAR
Concepto general
_La intensidad de la radiación solar es importante no sólo
para las estrategias pasiva, y la luz del día, sino también
para la generación de energía limpia en el sitio.
_La intensidad del sol varía por la claridad de la atmósfera
y el ángulo en el que el sol golpea una superficie, "ángulo
incidente". Mientras más perpendiculares a la superficie
son los rayos más calor y energía transmiten.
Radiación solar incidente esta formada por:
_Radiación directa (radiación de haz directo Ib), se mide
siempre perpendicular a los rayos del sol.
_Radiación difusa, de reflexiones de las nubes y la
atmósfera, (R. difusa de cielo = Id) y del suelo y otros
elementos de la superficie (R. difusa superficie = Ir), se
miden siempre en una superficie horizontal
_ Radiación Global =Directa + Difusa
Se mide en (W/m2) y es el valor más útil en las primeras
etapas de diseño. A veces se cita en términos de energía
acumulada por días o por años(kWh/m2/day ó kWh/m2/yr)
Radiación solar incidente o
radiación global
RADIACIÓN SOLAR
Medición y software
_Los datos de radiación solar directa y difusa se incluyen
en los archivos climáticos que el software utiliza.
_Los valores de la radiación solar incidente (RSI) que se
calculan y visualizan, se basan además en la geometría
específica del edificio y el periodo de tiempo de análisis.
_Un cielo nublado reduce la cantidad de radiación de haz
directo y aumenta la cantidad de radiación difusa.
_El cálculo incluye el sombreado de los objetos
circundantes (Fshading), la porción del cielo "visible" por la
superficie (Fsky), y el ángulo de incidencia entre el sol y la
cara que se analiza (theta).
_La ecuación que está detrás de los valores del software
es la siguiente:
RSI = (Ib* Fshading * cos(theta)) + (Id * Fsky)+ Ir
La cantidad de cielo visible para una superficie
(Fsky) está determinada por una máscara de
sombra que se coloca sobre la bóveda celeste
Variable formula RSI
Ib = radiación directa, perpendicular al sol
Id = radiación difusa cielo, medido en el plano
horizontal
IR = radiación reflejada desde el suelo
Fshading = factor (1 si es un punto que no está
sombreada, 0 si un punto está sombreada, un
porcentaje si se mide sobre una superficie)
Fsky = factor de cielo visible (un porcentaje
basado en la máscara de sombra)
theta = ángulo de incidencia entre el sol y la
cara que se analiza.
RADIACIÓN SOLAR
Absorbida, transmitida y
reflejada
_La radiación solar incidente no coincide con la radiación
que es absorbida en la fachada y transmitida a través de
las ventanas de un edificio, o reflejada. Esto depende de
las propiedades del material y se rige por la ecuación
siguiente:
100% Incidente - Reflejada = Absorbida + Transmitida
_Utilizando Ecotect, y según las propiedades de los
materiales asignados a las paredes, techos y ventanas, se
dispone de capacidades integradas de cálculo para la
radiación absorbida y transmitida.
Radiación absorbida
Incidente (calienta la superficie)
Absorbida (absorbe la superficie)
Transmitida (pasa a través )
Directa ( total proveniente del sol)
Difusa ( de la bóveda celeste)
Reflejada ( de objetos del entorno)
RADIACIÓN SOLAR
Directa y difusa Ecotect
Porcentaje de radiación diaria
incidente en una superficie por
meses del año.
Radicación directa y difusa en
la relación con la temperatura
de bulbo seco y húmedo
RADIACIÓN SOLAR
Periodos de medición,
Picos
Periodo de tiempo para la simulación y análisis de la
radiación solar:
_El valor máximo calculado durante el período de estudio.
_Para conocer el día, mes o estación con la mayor
ganancia térmica por radiación.
_Se utiliza principalmente para el dimensionamiento de la
climatización, para evitar los extremos. La carga solar es
uno de los principales componentes de las cargas de
refrigeración.
_¿Cuál es la mayor ganancia solar el día más caluroso en
el verano? ¿Se puede reducir estos picos con elementos
de sombra? Al reducir la carga de refrigeración máxima,
se puede disminuir el tamaño de los equipos?
_Determinar la cantidad máxima de energía que puede
recibir un panel fotovoltaico, puede ayudar a dimensionar
los inversores fotovoltaicos.
_Una regla de oro es que el pico en la mayor parte del
mundo es de unos 1000 W/m2; así que esto no se suele
hacer en la práctica.
Qué?:
Cuándo?:
Porqué?:
Cargas de refrigeración y
picos de ganancia solar.
Paneles fotovoltaicos
RADIACIÓN SOLAR
Periodos de medición,
Promedios
Periodo de tiempo para la simulación y análisis de la
radiación solar:
_El promedio por horas de los valores a lo largo del
período de estudio.
_Para determinar el promedio de las condiciones de
diseño generales para un determinado mes o temporada.
A menudo, es calculado sólo durante las horas de
funcionamiento del edificio.
_Se utiliza para calcular el uso de energía y las ganancias
en un período de tiempo definido. (Promedio de radiación
x horas totales de energía = energía total).
_Estimar el potencial pasivo de calefacción solar mediante
el estudio de la radiación solar media en épocas de baja
temperatura (cuando la calefacción es necesaria).
_Determine la potencia total disponible multiplicando la
radiación solar promedio por las horas totales. Luego
multiplique este valor por un coeficiente de eficiencia
conocido, para obtener el total de la producción esperada
de energía (para generar electricidad o calefacción)
Qué?:
Cuándo?:
Porqué?:
Calefacción y promedios de
ganancia solar.
Paneles fotovoltaicos y
calefacción solar pasiva
RADIACIÓN SOLAR
Periodos de medición,
Acumulativo
Periodo de tiempo para la simulación y análisis de la
radiación solar:
_El total de todos los valores calculados en un período de
tiempo determinado.
_Para cualquier período de tiempo que interese, se puede
determinar la generación total de energía o de ahorro.
Este método puede ser más preciso que el uso de medias
en el estudio de los períodos de tiempo específicos.
_Utilice la búsqueda de la energía total que estará
disponible durante un período de tiempo determinado.
_Conocer el impacto de la carga de calefacción/
refrigeración durante un periodo de tiempo determinado y
la cantidad total de energía que tengo que manejar. p.e.
¿Cuál es la energía total que se puede obtener para el
sistema directo de ganancia como un muro de masa
térmica?
_Esta es la principal aplicación. ¿Qué energía total va a
recibir un panel fotovoltaico, durante un periodo o durante
todo el año. Pueden coincidir las necesidades del edificio
con este potencial de producción?.
Qué?:
Cuándo?:
Porqué?:
Calefacción y refrigeración
pasivas.
Paneles fotovoltaicos y
calefacción solar pasiva
RADIACIÓN SOLAR
Incidencia en el diseño,
Componentes de la
radiación sobre una
superficie:
_Directa: trayectoria desde
el sol hasta la superficie.
_Difusa: desde todas las
direcciones de la bóveda
celeste.
_Reflejada: proveniente de
otras superficies.
Depende
_Latitud
_Pureza atmosférica
_Obstrucciones:
_Geométricas
_Climáticas
En función de su
ocurrencia e intensidad:
_Ciclos de confort térmico
en los ambientes exteriores
_Estrategias de captación
…..solar invernales
_Estrategias de protección
…..solar estivales.
_Aprovechamiento de
….gradientes Tsol-Tsombra, en
….estrategias de ventilación
.
Determina
_Ganancia térmica,
_Aporte lumínico,
_Características
higrotérmicas
_Movimiento de las masas
…..de aire
2_EL VIENTO
Características, representación, métrica y diseño.
EL VIENTO
Características generales
Características del aire como fluido:
_Presión,
_Temperatura
_Densidad
El viento depende de:
_El medio geofísico general y local.(Microclima)
(Su generación, canalización y obstrucción)
_Rugosidad del terreno
_La velocidad varia exponencialmente con la altura
El viento determina:
_La temperatura
_Humedad
Su carácter estacional condiciona el diseño.
Incremento de la energía %
Altu
ra d
e la
to
rre
en
ft
EL VIENTO
Representación y software
_La velocidad y dirección del viento cambia durante el día
y el año, y no es tan universalmente predecible como la
trayectoria del sol.
_La mejor manera de obtener datos precisos es realizar
mediciones reales en el mismo sitio.
_Debemos utilizar con cautela los datos meteorológicos
de la estación más cercana contenidos en archivos, EPW
o WEA.
_Se representa comúnmente por medio de la "rosa de los
vientos", y se puede medir en función de:
_La dirección ( a través de los ángulos),
_La velocidad (líneas concéntricas) y
_Frecuencias de ocurrencia (intensidad de colores)
Rosa de viento, gráfica de
distribución de frecuencias
EL VIENTO
Weather tools
Las "Rosas de los vientos”
pueden ofrecer un promedio
anual, por temporadas
específicas, días o horas y se
pueden visualizar datos de
dirección y velocidad en
relación con:
_Frecuencia de ocurrencia.
_Humedad relativa.
_Temperatura.
_Precipitaciones.
EL VIENTO
Velocidad, tabla de Beaufort
Escala de fuerza de viento basado en su efecto físico
sobre, personas, plantas y cosas
BEAUFORT KM/H NUDOS ALREDEDORES
0 (calma) 0 0-1 No se nota lo suficiente.
1 (viento ligero) 2-5 1-3 El humo se mueve ligeramente con la brisa y muestra la dirección del viento.
2 (brisa ligera) 6-12 4-6 Usted sólo puede sentir el viento en la cara y oír las hojas empiezan a crujir.
3 (brisa suave) 13-20 7-10 El humo se moverá casi horizontalmente y pequeñas ramas comienzan a
tambalearse.
4 (Brisa
moderada)
21-30 11-16 El polvo suelto o arena en el suelo se moverá y se mecen las ramas más
grandes.
5 (brisa fresca) 31-40 17-21 Las ondas superficiales se forman en el agua y los árboles pequeños se
balancean.
6 (brisa fuerte) 41-50 22-27 Los árboles comienzan a doblarse con la fuerza del viento.
7 (moderado
vendaval)
51-61 28-33 Los árboles grandes se balancean.
8 (vendaval
fresco)
62-72 34-40 Se rompen las ramas de los árboles, y las rayas largas de espuma aparecen
en el océano.
9 (fuerte
vendaval)
75-89 41-47 Rompe las ramas de los árboles.
EL VIENTO
Otras métricas
_Cuando el viento sopla sobre la piel, elimina las capas
aislantes de moléculas de aire caliente y los reemplaza
con más frías moléculas. Cuando todos los demás
factores son iguales, a mayor velocidad del viento, mayor
es la pérdida de calor, y mayor el frío que se siente.
_La cantidad de refrigerante que se siente debido a la
combinación del viento y la temperatura se denomina
sensación térmica.
_Factores de sensación térmica se expresa generalmente
como una temperatura equivalente en la escala Celsius, o
en unidades de energía por unidad de área.
_Debido a que el aire tiene masa y que se mueve para
formar el viento, posee energía cinética.
_Podemos decir que la potencia depende de la velocidad
al cubo, (ρ-densidad del aire, A-superficie incidente,
V-velocidad) Potencia eólica = 1/2 ρAV3
Factor de sensación térmica
Potencia eólica
EL VIENTO
Incidencia en el diseño
VERANO
Brisas frescas
_Reducen o anulan
demanda de refrigeración
_Refrescan la envolvente.
Determina
_Orientación general eólica
del edificio.
_Sistemas de ventilación
_Las características y
posición de los huecos.
VERANO
Vientos Cálidas
_Aumentan la demanda de
refrigeración.
_Ceden calor a la
envolvente
Determina
_Orientación general eólica
del edificio.
_Sistemas de aislamiento y
protección.
_Las características y
posición de los huecos.
INVIERNO
Vientos fríos
_Aumentan demanda de
calefacción
_Incrementan las perdidas
de calor de la envolvente
térmica
Determina
_Orientación general eólica
del edificio.
_Sistemas de aislamiento y
protección.
_Las características y
posición de los huecos.
CONCLUSIONES
_Estrategias de captación solar invernales y de
ganancia térmica, para calefacción.
_Estrategias de protección solar estivales.
_Aporte de iluminación natural.
_Aprovechamiento de gradientes Tsol-Tsombra, en
estrategias de ventilación.
_Potencial de sistemas pasivos de calefacción y
refrigeración, y de energía eléctrica fotovoltaica.
_Orientación general eólica del edificio.
_Sistemas de ventilación.
_Sistemas de aislamiento y protección.
_Las características y posición de los huecos.
Accesibilidad solar
Radiación
Accesibilidad eólica,
Vientos
_Granados Menéndez, Helena. “Principios y estrategias
del diseño bioclimático en la arquitectura y el urbanismo,
eficiencia energética”. Consejo Superior de los Colegios
de Arquitectos de España, 2006.
_Olgyay, Victor.”Arquitectura y clima. Manual de diseño
bioclimático para arquitectos y urbanistas”. Gustavo Gili,
Barcelona 1998.
_Baruch, Givoni. ”Man, climate and architecture”.
Elseveir Publishing Company. Amsterdam 1969.
_Alfonso González, Alfonso; Alemany Barreras, Alba,
“Climatología, iluminación, acústica, aplicación en la
arquitectura”, La Habana, ISPJAE, 1975
_Neíla González, F. Javier “Arquitectura bioclimática en
un entorno sostenible” Editorial Munilla-Lería, Madrid 2004
_Higueras, Esther. “Urbanismo bioclimático”. Gustavo
Gili, S.L, Barcelona, 2006.
BIBLIOGRAFÍA