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XI X S i mposi o Peru ano de Energ a So la r y del Am biente (X I X - SP ES) , Pu no, 12- 7 .11.2012

SISTEMA SOLAR PASIVO MS EFICAZ PARA CALENTAR VIVIENDASDE DENSIDAD MEDIA EN HUARAZ

Miguel Ronald Corrales Picardo- [email protected] Nacional Santiago Antnez de Mayolo - Universidad Nacional de Ingeniera

Resumen

La i n vest i gaci n determ i n a el s i s tema solar pas i vo m s ef i caz para ca lentar

vi vi en das de den si dad medi a adaptada a las condi ci ones ambi en tales y a los aspectos

cultura l es de la c i udad de Huar az (ubi cada a un a lat i tud 9.5 Su r y a 3100 m snm ). E l

mtodo cons i st i en d i se ar 5 v i v i endas solares pasi vas s im i lar es de dens i dad medi a,

pero con d i ferente si s tema de ca lentami ento solar pas i vo y re laci onar las con un a

con strucci n t pi ca exi stente. P ara evaluar las energti camente, se ut i l i z mtodos de

an l i s i s de s i mu laci n corr elat i va. La v i v i enda que tuvo el mejor comportami ento trm i co,

en r elaci n a l os aspectos ambi en tales y cultu r ales de los habi tan tes de Hu ar az, f ue la

v i v i en da con s i s tema so lar pas i vo di recto.

Palabras clave: Viv i end as so lares pas ivas , con for t trm ico, energa so lar .

1. INTRODUCCIN

Huaraz es una ciudad andina ubicada en el Norte del Per a 931 de latitud Sur y a 7731 longitud Oeste y est auna altitud de 3050 a 3150 m.s.n.m. tiene un clima de altura, donde la temperatura ambiente promedio permanece

constante durante el ao con un valor de 14,3 C 1 C, con una mnima de 3.8 C durante las madrugadas y una

mxima de 23.4C al medio da, que influenciados por la humedad relativa, implica un invierno por las madrugadas y

un suave verano durante el da. Cosa que es totalmente diferente a lo que sucede en las latitudes entre 25 y 50, cuyosclimas son radicales en cada estacin climatolgica. Huaraz tiene una alta radiacin solar diaria anual

1 entre 5500 a

6000 W/m2, pero no es debidamente aprovechada.

Pese al fro existente al interior de las viviendas, los pobladores de Huaraz no utilizan ningn tipo de energa paracalentar sus viviendas; pues el bienestar se ha reducido a un problema de tener una cobertura donde vivir, no importa su

calidad en torno a la temperatura interna de sus moradas. Las viviendas edificadas generalmente son de densidad mediacon dos niveles, se hacen en forma emprica y tradicional, ms mirando a la ciudad de Lima que a las condicionesgeogrficas y climatolgicas que impone el lugar. En el caso de la ciudad de Huaraz, ingresa muy poca radiacin por el

Norte o Sur; sin embargo, algunos hacedores de forma, continan pensando en orientar las viviendas hacia el Nortesolar, tomando como referencia la bibliografa de otras latitudes. El confort trmico adecuado se puede lograr

construyendo viviendas solares pasivas, que son aquellas que se calientan utilizando medios sencillos para captar,almacenar, controlar y distribuir el calor solar en una edificacin.

Generalmente existen muchas referencias bibliogrficas como la Battellier, Steadman, Mazria y otros, que

muestran estudios y proyectos de viviendas solares pasivas en latitudes altas entre los 25 y 50, banda que es las msadecuada para utilizar la energa solar pasiva. En latitudes nrticas, la pared orientada al medio da al Sur, es la que

recibe ms radiacin solar debido a que existe bastante inclinacin del Sol y la forma ms conveniente es la alargada en

direccin Este-Oeste; con buen aislamiento y masa trmica, superficie mnima, reduccin de superficies acristaladas y

proteccin de las mismas.Las investigaciones efectuadas en los pases andinos cercanos al ecuador terrestre entre los 0 y 18, son escasas,

revelando que slo se orientan a estudios tericos y no prcticos. Para climas fros andinos la Cartilla de Construccin

de Madera y Herz sugieren que las casas a construir deben ser compactas, con un buen aislamiento trmico, con uncontrol adecuado de la ventilacin y con vanos de las fachadas orientadas al Este y Oeste. En una investigacin

realizada en Puno por Beltrn a una latitud 16 Sur, se efectu balances energticos de tres viviendas solares pasivassimilares - compacta, de patio abierto y de patio cubierto concluy que la que tiene mejor performance trmico es la

de patio cubierto.La hiptesis planteada del presente estudio fue que, el sistema solar pasivo ms eficaz para calentar viviendas de

densidad media en Huaraz es el sistema directo, que tiene el mejor comportamiento trmico en relacin a los factores

ambientales y culturales. El objetivo fue determinar el sistema solar pasivo ms eficaz para calentar viviendas dedensidad media que se adapte a las condiciones ambientales y a los aspectos culturales de la ciudad de Huaraz.


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2. METODOLOGA

La metodologa consisti en disear 5 tipos de viviendas de densidad media unifamiliar con diferente sistema solar

pasivo para compararlas energticamente con una existente o de control; todo dentro un terreno de 160 m2con un frente

de 8 m, con caractersticas comunes en su configuracin, de rea de piso, volumen de aire a calentar, de aislamientotrmico, con las mismas condiciones geogrficas y climatolgicas. La vivienda V1 es una existente con cierres

envolventes usados en Huaraz; la V2 es una casa con un sistema de calentamiento directo con cierres envolventesmejorados, la V3, la V4 y la V5 son similares a la anterior, pero con sistemas de calentamiento indirecto (muros

trombe), independiente (invernaderos) y mixto (integrando los sistemas anteriores) respectivamente y la V6 es de patiocentral cubierto.

Primeramente se analiz los aspectos culturales en la construccin de viviendas en Huaraz, en seguida, se obtuvo apartir de la radiacin horizontal conocida en Huaraz, la radiacin vertical en diferentes direcciones, se utiliz el mtododescrito por Battelier

y Bedoya. Se estudi la transmisin trmica de los diferentes tipos de cierre, se escogi los ms

adecuados y se calcul los flujos de calor de los diferentes elementos de cierre. Se efectu el balance energtico de lasviviendas y se las compar entre s. El balance energtico se efectu hora a hora en el da medio de cada mes de cada

vivienda en diferentes direcciones y se utiliz la Ec. (1), (2) y (3):

= + + +

= ( ) +

+

+() (1)

La temperatura interior hora a hora se obtuvo al aplicar la Ec. (2)

=

(2)

Donde K=es la conductancia del elemento de cierre. S i=es la superficie. Tsai=Temperatura sol aire. Tint=

temperatura interior de clculo (21C). = coeficiente de transmisin del vidrio. E si= Energa solar transmitida. Pi=calor

de fuentes internas: ocupantes, equipos e iluminacin. Qm=Caudal msico de ventilacin. Ca= calor especfico del aire.

Text= temperatura exterior. T=variacin de temperatura horaria. DHC= suma de Ai.dhci donde Ai = rea de paredes,

techos y pisos de almacenamiento y Dhci=respectiva capacidad diurna (Balcomb. La conductancia en caso de pisos es

KiSi(Tint-Tterreno).

Kise calcula segn la ecuacin (3), donde hext

es la conductancia del aire exterior y hint

es la conductancia del aire

interior:

=

(3)

Para Tsa se utiliza la Ec. (4) para cerramientos verticales y la Ec. (5) para cerramientos horizontales, donde =

absorcin del material, Es= energa solar y h= conductancia del aire exterior y Ta=temperatura ambiente.

= +

(4)

= +

(5)

Para efectuar los balances energticos de las viviendas, se tom como temperatura interior (T int) de clculo 21C;para evaluar el confort trmico se utiliz los siguientes rangos: confortable de 19.5C a 24.0 C, semiconfortable de

18.0C a 19.4C y menos de 18C inconfortable.

3. RESULTADOS

El clima de Huaraz es casi constante durante todos los das del ao (Fig.1) y se est en disconfort casi todo el da.


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Figura 1- El clima de Huaraz en el diagrama psicomtrico.

En el diagrama solar de la Fig. 2, es notorio que durante todo el ao existe asolamiento tanto al este como al oeste,

por el norte prcticamente el asoleamiento se da durante los meses de mayo, junio y julio; al sur casi no ingresa el sol.

Figura 2- Diagrama solar para Huaraz Latitud 9.5S

Segn la Fig. 3, la mejor orientacin para captar la radiacin solar es la Horizontal, seguida por la Noreste y laNoroeste, luego por la Este y Oestes, las peores son la Norte y Sur; si se suman las radiaciones en fachadas opuestas, lamejor es la direccin es Este-Oeste.

SOLAR PASIVOSOLAR ACTIVO GANANACIAS

INTERNASGIVONI:


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Figura 3- Radiacin solar en Huaraz en diferentes direcciones y sumadas en direcciones opuestas.Clculos segn Battelier

2y Bedoya

10a partir de la radiacin horizontal.

En la Fig. 4, se demuestra que el sol ingresa poco cuando se orienta al Norte o Sur; pero puede mejorarse el

ingreso cuando las ventanas no tienen aleros y el alfeizar se haga bajo. Cuando la ventana se orienta al Este u Oeste

(Fig. 5), el sol penetra profundamente al interior de las habitaciones. Cuando el sol ingresa en forma horizontal por

patios, cuando es alto, existe mucho sombreamiento que cuando es ms bajo (Fig. 6).

Figura 4- Ingreso del sol por ventanas orientadas al Norte y Sur al medio daen los meses de diciembre, junio, abril y octubre en Huaraz.

Figura 5- Ingreso del sol por ventanas orientadas al Este u Oeste en abril o agosto en Huaraz

Figura 6-Ingreso del sol por un patio en Huaraz con proporciones deancho por largo por alto de: 1 x 1 x 1.5 y x 1 x0.5

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SET

OCT

NOV

DIC

RADIACIN GLOBAL TERRESTRE EN PRINCIPALES DIRECCIONES

H

N

S

E O

NE NO

SE SO

W / m2

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SET

OCT

NOV

DIC

W / m2 da

RADIACIN GLOBAL SUMADASEN DIRECCIONES PRINCIPALES OPUESTAS

H

N + S

E + O

NE + SO


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Figura 1- Captacin almacenamiento y distribucin del calor de un patio cubierto

Las viviendas solares pasivas tienen doble sistema de captacin y almacenamiento, uno al Este y otro al Oeste,

unidos por un espacio central para transmitir el flujo de calor de la fachada caliente a la fra y viceversa calentando aslos ambientes adyacentes; cuentan con un ducto vertical en cada extremo para circular el aire entre los dos niveles,

favoreciendo la termo circulacin (Fig.11); en caso de patio cubierto ste se sita en la parte central (Fig.12). Lavivienda convencional de control V1 tiene una cobertura envolvente deficiente con una transmisin trmica en los

muros de U=2.93 y en el techo con un U= 1,51; en contrario, las solares pasivas cuentan con un buen aislamiento, conun coeficiente de transmisin en muros de U=1.71 W/m

2C y en techos U=0.30 (Fig. 13).

Figura 11- Esquema de concepcin del 1 y 2 nivel de las viviendas V2, V3, V4 y V5

Figura 12- Esquema de concepcin del 1 y 2 nivel de la vivienda V6.

DORMITORIO

BAO

S

EO

NJUN 21

OCT. 26

ABR 16

DIC. 21

CONST. ALEDAA

CONST. ALEDAA

ESPACIO DE

TRANSFERENCIADE CALOR

DORMITORIO

DORMITORIOESTAR

COMEDOR

ESTUDIO

COCINA

S

EO

NJUN 21

OCT. 26

ABR 16

DIC. 21

CONST. ALEDAA

CONST. ALEDAA

EXCLUSACIRCULACIN

ESPACIO DETRANSFERENCIA

DE CALORCALLE PATIO

ESTAR

DUCTODUCTO

CAPTACION

SOLAR

CAPTACION

SOLAR

DUCTO DUCTO

CAPTACIO

N

SOLAR

CAPTACION

SOLAR

1 PISO 2 PISO

S

EO

N

JUN 21

OCT. 26

ABR 16

DIC. 21

CONST. ALEDAA

CONST. ALEDAA

CALLE

PATIOPATIO

SALA COCINA

ESTUDIO

COMEDOR

DISTRIBUCIN DE

CALOR Y CIRCULACIN

EXCLUSA

S

EO

N

JUN 21

OCT. 26

ABR 16

DIC. 21

CONST. ALEDAA

CONST. ALEDAA

CALLE PATIO

PATIO DORMITORIO

ESCALERAS

DORMITORIO

ESTAR

DORMITORIOBAO

ESCALERAS

DISTRIBUCIN DE CALOR Y

CIRCULACIN

1 PISO 2 PISO


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Figura 13-Elementos de cierre envolventes de las viviendas

Las figuras 14 a 19 muestran las viviendas tipo diseadas, las que son similares en su diseo, pero con diferente

sistema solar pasivo, a las que se ha sometido a balances energticos.

Figura 14-Vivienda tipo 1 (tradicional)


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Figura 15- Vivienda tipo 2 (sistema solar directo)

Figura 16-Vivienda tipo 3 (sistema solar indirecto)

Figura 17- Vivienda tipo 4 (sistema solar independiente)

Figura 18- Vivienda tipo 5 (sistema solar mixto)


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Figura 19- Vivienda tipo 6 (sistema solar patio cubierto)

Durante el ao la vivienda V2 tiene mejor performance trmico seguida por la V5 de sistema mixto (Fig. 20 y 21).

Cuando las viviendas solares pasivas orientan sus fachadas al Este-Oeste, todas son confortables excepto la V4 (coninvernadero), cuando se orientan al Norte-Sur, solo son confortables la V1 y V2 (Tab.1). En caso de que la viviendatenga colindancias en sus costados su temperatura se incrementa (Tab.2). La vivienda V4 tiene mejor aislamiento

trmico que las V2, V3, V4, V5 y V6; la V1 tiene un mal aislamiento trmico (Tab.3). Las viviendas que mejor seadaptan a las condiciones culturales de los habitantes son la V2 y la V6, por ser similares a las construcciones

existentes. Las viviendas que tiene menos prdida de calor son las V2 a la V4, la V1 es l, se muestra que el coeficienteglobal (G) de prdidas de calor en las viviendas en W/mhC es mayor en la vivienda V1 pierde casi el 50% de calor

que las otra.

Figura 20- Temperaturas horarias en el da medio del mes de junio y diciembre, alcanzadas en el

interior de las viviendas tipo, con fachadas orientadas al Este-Oeste y Norte-Sur en C.

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2021

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1 6 12 18 24

C

Horas

JUN.E-O

V1

V2

V3

V4

V5

V613141516171819202122

232425262728

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C

horas

DIC.E-O

V1

V2

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V5

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C

Horas

JUN.N-S

V1

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V3

V4

V5

V614

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1920

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24

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1 6 12 18 24

C

horas

DIC.N-S

V1

V2

V3

V4

V5

V6


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Figura 21- Temperaturas interior promedio de las viviendas tipo, orientadas al Este-Oeste y

Norte-Sur durante los meses del ao en C.

Tabla 1- Comportamiento trmico de las viviendas solares en el mes de junio

Tabla 2- Temperatura interior (C) en el mes de junio al Este-Oeste segn colindancias

Tabla 3- Coeficiente global (G) de prdidas de calor en las viviendas en W/mhC.

4. DISCUSIN

El clima de Huaraz segn el diagrama de confort de Givoni, ocupa las zonas de ganancias internas y solar pasivomostrado en la Fig. 1; esto implica que para calentar las viviendas, se debe utilizar las ganancias de la ocupacin - calor

producido por artefactos, iluminacin y personas - y emplear la radiacin solar en forma pasiva.

Al igual que las recomendaciones de la Cartilla de Construccin de La Junta de Acuerdo de Cartagena y de Hertz,se ha encontrado que la mejor orientacin de las fachadas son con frentes tanto al Este como al Oeste, donde las casasdeben ser compactas, con un buen aislamiento trmico y con un control adecuado de la ventilacin, concordante con

sugerencias de estudios de latitudes altas. La investigacin realizada en Puno por Beltrn, concluye que la radiacin

Horizontal es la ms ventajosa para captar la energa solar en las viviendas y que debe de evitarse la Norte-Sur, es

coincidente con los resultados hallados (Fig. 20 y 21); pero la radiacin horizontal no debe utilizarse en ambiente

habitables por el deslumbramiento que ocasiona y la Norte-Sur por tener bastante componente de radiacin difusa, laque no es muy efectiva para el calentamiento; el resultado de Beltrn

8, de que la casa compacta con sistema directo,

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DIC MAR JUN SET DIC

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DIC MAR JUN SET DIC

C

N-S

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V4

V5

V6

DESCRIPCIN PROM REND. Sin confort Semiconfortable Confortable

C %


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tiene mejor comportamiento trmico que la casa con patio cubierto, difiere con el resultado hallado, debido a que en suestudio, duplic el sistema de captacin en la casa con patio cubierto.

Las viviendas solares que tienen factores culturales similares a como se construye en Huaraz, son las V2 y V6, desistema directo y de patio cubierto central respectivamente. Las viviendas V3 (con muro trombe), V4 (con

invernaderos) y V5 (mixta) son tipos de vivienda extraas que no estn de acorde a las condiciones culturales de los

habitantes de Huaraz.Las viviendas tienen un mejor comportamiento trmico cuando se orientan al Este-Oeste por tener radiacin solar

directa durante el ao (Fig. 20 y 21, Tab.1) y deficiente al Norte-Sur debido a que la radiacin directa recibida es de 3,5

meses al ao y el resto de meses, es difusa.Cuando se aplica el factor de colindancia a las viviendas orientadas al Este-Oeste (Tab.2), la temperatura internapara el confort trmico aumenta, a tal modo que cuando existen dos colindancias todas las viviendas solares V2 a V6son confortables, pero siempre la V1 es inconfortable. En la Tab.3 se aprecia que la V1 tiene prdidas globales de un

50% ms que las V2 a V6, la V3 es las que es ms aislada debido a que tiene invernaderos en ambas fachadas.

5. CONCLUSIONES

El sistema solar pasivo ms eficaz para calentar viviendas de densidad media que se adapta a las condicionesambientales y a los aspectos culturales de la ciudad de Huaraz, es el sistema solar pasivo directo. En segundo trmino,

se ubica la vivienda solar pasiva de patio cubierto. Las edificaciones deben tener un buen aislamiento trmico en laenvoltura de cierre y captar la radiacin solar del Este y Oeste por medio de ventanas, con apoyo de la radiacin solar

horizontal mediante claraboyas y/o patios con techado vidriado.

Con materiales y tcnicas utilizadas en la construccin actual en Huaraz, con ligeras modificaciones, es posibledisear y construir viviendas solares pasivas que estn acorde a los factores culturales de los habitantes de la ciudad.

Una vivienda solar pasiva no difiere mucho de una tradicional; en vez de construir viviendas demasiado grandes y maldiseadas, como es costumbre, es mejor construir de menor tamao; pero de mejor calidad. Para que las viviendas se

identifiquen con la tipologa serrana huaracina, debe ser una casa compacta de dos niveles, con contraventanas de

madera, cubiertas de tejas a dos aguas y con enlucido de yeso en el interior.

La mejor orientacin de los vanos de las viviendas para lograr la mxima ganancia de radiacin solar es laHorizontal, seguida de las del verticales Este-Oeste; la orientacin Noreste-Suroeste y Noroeste-Sureste por serintermedias son buenas. No es deseable la orientacin Norte-Sur por recibir ms radiacin difusa que directa, sobre todo

la Sur, por otro lado, tambin los vientos predominantes impactan en la cara Sur. Deben evitarse los quiebres, aleros ybalcones en las fachadas, stos impiden el ingreso adecuado de la radiacin solar por el sombraje excesivo que generan.

Las viviendas con prdidas globales de calor entre 1.3 a 1.7 W/mhC, sea cual sea su direccin son confortables o

semiconfortables. Todos los sistemas solares pasivos pueden adaptarse a las condiciones ambientales; pero no a los

aspectos culturales.

La ventaja de una vivienda solar pasiva con respecto a una de tipo convencional est dada por el buen conforttrmico que brinda a sus ocupantes. Esto se logra: 1) uti lizando un buen aislamiento trmico de la cobertura envolvente,

que impida el ingreso del calor o del fro; 2) con la captacin de la energa solar, el almacenamiento y distribucin delcalor generado al interior de los espacios habitables; 3) a una buena distribucin de la vivienda y a la correctaorientacin de las ventanas, o muros trmicos o invernaderos, tanto al Este como al Oeste y ; 4) al aprovechamiento del

calor generado por la ocupacin de edificio.Las viviendas existentes en Huaraz pueden tener un buen confort trmico siempre y cuando se introduzca mejoras

en el aislamiento exterior y en acabados; se modifique la distribucin de la planta para mejorar la distribucin del airecaliente; se reduzca los puentes trmicos ocasionados por elementos de concreto; se sustituya puertas y ventanas por

otras ms hermticas con empleo de cortinas o contraventanas; y se abran vanos orientadas al Este y Oeste, cerrando lasque dan al Sur, pero evitando la construccin de aleros.

6. RECOMENDACIONES

Se recomienda, que futuras investigaciones empleen mdulos de test, que son cubculos debidamente aisladoscon elementos de captacin, almacenamiento de calor y de control, que estn de acuerdo al sistema solar pasivo

empleado.El Gobierno u otras instituciones, deben construir prototipos de viviendas en diferentes regiones del pas con

diferentes climas, las que sean ocupadas y monitorizadas durante el periodo de uno o ms aos, usando varios sensores

conectados a equipos para grabaciones hora por hora.Se debe propiciar una herramienta de diseo que ha sido muy efectiva en otros pases, especficamente dirigida a

los arquitectos, ingenieros y constructores, la que es conformada por un conjunto de guas de diseo, donde cada

paquete de guas est escrito para cada localidad especfica.Deben efectuarse investigaciones de la temperatura efectiva de confort trmico de los habitantes de las diferentes

regiones peruanas,

El Reglamento Nacional de Edificaciones Peruano, debe incorporar zonificaciones climticas y exigencias de

condiciones mnimas de diseo para cada zona climtica y as obtener un adecuado confort trmico en las edificaciones.


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Debe realizarse campaas publicitarias por medios escritos y redes sociales de los beneficios de las viviendassolares pasivas

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

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Balcomb, J. Douglas. 1992- Passive Solar Building. Massachusetts. Edited by Douglas, p.195.Batellier, J. P.1995.La energa solar en la edificacin. Barcelona: Editores Tcnicos Asociados, pp.15-95, 162

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Steadman Philip. 1988. Energa, medio ambiente, y edificacin. Madrid: Editorial Grefol S.A. pp. 29 45

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