Manual de diseño para viviendas con climatización pasiva

Manual de diseño para viviendas con climatización pasiva

Ernst Müller
Manual de diseño para
viviendas con climatización pasiva
Forschungslabor für Experimentelles Bauen
Universidad de Kassel, Alemania
ii
autor:
Ernst Müller
(físico, especializado en energía solar y diseño pasivo)
contacto: [email protected] ([email protected])
editor:
Forschungslabor für Experimentelles Bauen FEB
(Laboratorio de Construcción Experimental)
Universidad de Kassel, Alemania
Primera edición revisada: Junio 2002
iii
Contenido:
Agradecimientos............................................................................................................................ iv
Prefacio............................................................................................................................................ v
1
Introducción a la climatización pasiva............................................................................ 1
1.1
1.2
1.3
Climatización pasiva ........................................................................................................................ 1
Confort térmico ................................................................................................................................ 1
Estrategias de climatización pasiva y matriz de soluciones constructivas .............................. 2
2
Herramientas para el diseño pasivo.............................................................................. 11
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.3
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
2.4.6
2.4.7
2.4.8
Herramientas tradicionales de diseño pasivo y comparación de métodos de diseño........... 11
Herramientas simples.................................................................................................................... 13
Análisis del clima.............................................................................................................................. 13
Herramientas de cálculo para el dimensionamiento de sobretechos .............................................. 14
Simulación térmica ........................................................................................................................ 19
Herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico en verano e invierno ......... 19
Desarrollo de las herramientas de cálculo....................................................................................... 19
Características térmicas básicas de una casa ................................................................................ 21
Elementos especiales: espacio ático ............................................................................................... 22
Determinación de los factores de corrección................................................................................... 23
Estimación del confort térmico en invierno ...................................................................................... 23
Estimación del confort térmico en verano........................................................................................ 25
Calificación del diseño térmico por las condiciones de confort térmico .......................................... 27
Resumen de las aplicaciones posibles de las herramientas de cálculo.......................................... 28
3
Recomendaciones de diseño pasivo ............................................................................ 30
3.1
3.2
3.3
Recomendaciones de diseño por aspecto constructivo para la zona central de Chile ......... 30
Estrategias y recomendaciones sistemáticas de diseño pasivo .............................................. 39
Comparación de propuestas de diseño pasivo con diseños convencionales........................ 44
4
Anexos ............................................................................................................................. 54
4.1
4.2
Referencias bibliográficas ............................................................................................................ 54
Instrucciones para el uso de las herramientas de cálculo para el confort térmico................ 57
iv
Agradecimientos
Este manual se publicó en el contexto del proyecto de investigación "Viviendas sismorresistentes con
materiales locales y climatización pasiva en zonas rurales de los Andes" bajo la dirección del prof. Dr.-Ing.
Gernot Minke del Forschungslabor für Experimentelles Bauen (FEB, Laboratorio de Investigación de
Construcciones Experimentales) de la Universidad de Kassel, Alemania. El proyecto y este manual fueron
patrocinados por las instituciones alemanas Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) y Cooperación
Técnica Alemana (Deutsche Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit gtz).
Informaciones sobre valores de materiales medidos en Chile se obtuvo de Gabriel Rodríguez del Instituto de
Investigaciones y Ensayos de Materiales IDIEM de la Universidad de Chile. Los datos climáticos fueren
preparados a partir de datos promedios de la Dirección Meteorológica de Chile y de datos horarios
obtenidos de mediciones de la Comisión Nacional de Medio Ambiente CONAMA a través del Centro
Nacional de Medio Ambiente CENMA, todos en Santiago de Chile.
El programa de simulación térmica DEROB-LTH fue utilizado gracias a la cooperación con la Universidad de
Lund, Division of Energy and Building Design y Department of Building Science, ambos parte del
Department of Construction and Architecture (Lund, Suecia), y los autores y otros usuarios del programa
allá.
Kassel, Mayo 2002
Ernst Müller
v
Prefacio
La calidad térmica y energética de la vivienda en Chile y América Latina todavía es un tema, que no recibe
la atención que merece a nivel de investigación y construcción: por lo tanto el uso de energía en viviendas y
edificios resulta altamente ineficiente y en su diseño raras veces se considera el confort térmico y el bajo
consumo de energía como criterios fundamentales. Condicionantes básicas como la zona climática o la
orientación son descuidadas en la construcción de la mayoría de las viviendas. Para la gente humilde, esto
significa bajo confort térmico, contaminación intradomiciliar por estufas sin chimenea y problemas de salud.
Cuando los habitantes disponen de mayores recursos económicos, el diseño deficiente es compensado por
un alto gasto energético. De todos modos, el confort térmico permanece deficiente y el consumo de energía
para calefacción (y refrigeración) es alto y creciente, así como los costos económicos y ecológicos por el
uso de fuentes convencionales de energía.
La climatización pasiva es una solución prometedora frente a esta problemática, porque puede ofrecer
buenas condiciones de confort térmico sin gasto energético ni contaminación. Pero faltan investigaciones
con métodos modernos sobre su aplicación en la región y existe poca información técnica orientada a las
condiciones regionales.
Enfrentando esta situación, este manual fue elaborado para presentar pautas de diseño y herramientas que
posibilitan construir viviendas, que cumplen con los siguientes requisitos importantes:
♦ adaptados al clima local ofrecen buen confort térmico y calidad de aire, tanto en invierno como en
verano, con un bajo consumo de fuentes no renovables de energía mediante un diseño arquitectónico
con elementos de calefacción solar pasiva y refrigeración pasiva;
♦ económicamente son accesibles por el bajo consumo energético y el uso de materiales locales, tanto
tradicionales como modernos, que mantienen bajo el costo efectivo de la construcción más gasto
energético.
La tierra es un material de bajo costo, alta capacidad térmica y conductividad térmica razonable, que es
apto para grandes espesores. Existen técnicas tradicionales y nuevas para su empleo en construcciones
sismorresistentes. Por eso la tierra es un material de gran interés para construcciones con climatización
pasiva en zonas climáticas con grandes variaciones térmicas diarias o la necesidad de calefacción solar.
Por lo tanto, la tierra como material de construcción recibió atención especial en este manual (los aspectos
constructivos de la tierra son tratados en las publicaciones de Gernot Minke).
Este manual está basado en la evaluación de la literatura existente y amplias investigaciones propias con
simulaciones térmicas, realizadas dentro de un proyecto de investigación "Viviendas sismorresistentes con
materiales locales y climatización pasiva en zonas rurales de los Andes". Se dirige a profesionales y
estudiantes de arquitectura e ingeniería, que quieren profundizarse en el tema de la climatización pasiva.
Existe bastante literatura ya “clásica” que explica los principios generales de la climatización pasiva y que
por su fecha de publicación y universalidad climática rara vez está basada en simulaciones exactas del
comportamiento térmico. Por eso, aquí se buscó un enfoque nuevo:
♦ fundamentar y explicar las recomendaciones de diseño pasivo con simulaciones térmicas;
♦ identificar claramente los parámetros más relevantes del diseño pasivo a partir de las simulaciones
térmicas;
♦ elaborar herramientas nuevas y relativamente simples para evaluar las condiciones de confort en casas
pasivas, que se fundamentan en normas térmicas internacionales y simulaciones térmicas específicas;
♦ ofrecer información técnica y recomendaciones claras, adaptadas a las condiciones climáticas y
constructivas de la región, en este caso la zona central de Chile.
Aunque algunas herramientas y recomendaciones se refieren a esta zona climática específica, los
resultados y métodos presentados tienen una relevancia y aplicación mucho más amplia:
♦ las recomendaciones cualitativas de diseño son transferibles para otras zona climáticas con veranos
calurosos y secos (de gran variación térmica diaria) e inviernos fríos con buenos niveles de radiación
solar, p. ej. en América Latina o la zona del Mediterráneo;
♦ un método de cálculo y modelo universal para las condiciones de invierno es fácilmente adaptable a
otras zonas climáticas por el usuario;
♦ la explicación del diseño pasivo a partir de los parámetros más relevantes permite un mejor
entendimiento del comportamiento térmico en general;
♦ la metodología de trabajo es aplicable para mejorar el diseño pasivo en otras zonas climáticas.
Las simulaciones térmicas permitieron evaluar a bajo costo un gran espectro de propuestas de diseño no
convencionales con el empleo de materiales de construcción locales. Constituyen una base científica para
el gran potencial de climatización pasiva. El enfoque metodológico empleado de un proceso de desarrollo
de alta tecnología para crear finalmente soluciones técnicas simples y económicas, resultó fructífero y
prometedor para la arquitectura pasiva.
De esta forma, este manual aporta al mejoramiento de las condiciones de vida y a la reducción de consumo
energético en el sector residencial como elementos esenciales de un proceso de desarrollo sostenible.
1
1
Introducción a la climatización pasiva
1.1
Climatización pasiva
El objetivo del diseño con climatización pasiva es el alcance de:
♦ mejor confort térmico
♦ menor consumo de energía en calefacción y refrigeración
♦ menor costo de energía y de mantenimiento
♦ menor impacto ambiental.
Como enfoque estratégico, climatización pasiva significa una forma de diseño de viviendas y otros espacios
habitados que:
♦ ofrece confort térmico con un consumo mínimo o cero de fuentes no renovables de energía,
♦ se adapta a las condiciones climáticas locales y
♦ aprovecha el entorno para mejorar el confort térmico.
Por eso, el arte de la climatización pasiva y del diseño pasivo básicamente consiste en entender y dirigir
bien los flujos de calor en una casa a través del diseño y del manejo adecuado, para obtener las
condiciones de confort térmico deseadas. Es importante que los que quieren aprender este arte formen su
propio modelo térmico de una casa en su mente antes de comenzar a realizar cálculos detallados con
herramientas y computadores. Los capítulos siguientes facilitarán los elementos fundamentales para este
modelo que solamente se completará con la experiencia propia.
1.2
Confort térmico
El rango de confort térmico descrito en la literatura [Bansal 1994] se puede resumir como sigue:
♦ temperatura:
19°C ~ 26°C
♦ humedad relativa: 20% ~ 80%.
Existen criterios y modelos mucho más complejos de confort térmico (vea p. ej. [Bedoya], [Docherty 1999],
[Bansal 1994], [Fanger 1982]), pero aquí se trabajará principalmente con el rango de temperaturas indicado.
Para el invierno, en Chile se puede permitir temperaturas algo inferiores como mostró [Taboada 1987]:
Incluso en los estratos socioeconómicos, donde el costo del combustible no significa mayores problemas,
las temperaturas interiores medias de invierno no alcanzaron los 19°C considerados mínimos en Europa,
así que un diseño pasivo que ofrece temperaturas solo levemente por debajo de 19°C puede ser
considerado suficiente.
tabla 1
Temperaturas interiores de invierno medias para cada estrato socioeconómico
en Santiago de Chile (valores medidos)
Estrato
1. Alto
2. Medio-alto
3. Medio
4. Medio-bajo
5. Bajo
Temperatura interior media
18,4 °C
17,2 °C
16,3 °C
14,3 °C
Para medir el grado de desviación de las temperaturas internas de las condiciones ideales de confort
térmico fueron definidos los grados-hora diarios de calor (base 26°C) y frío (base 19°C). Son calculados en
(Kh/d) en forma análoga a los grados-día usados en cálculos tradicionales de calefacción. El uso del
promedio para cualquier periodo de N horas hace comparables periodos de duración diferente (meses,
verano etc.):
⎧N
⎫
grados-hora diarios Ghbase = ⎨∑ (θ i - θ base) × 1h⎬ × 24 / N (Kh/d)
⎩i =1
⎭
Las temperaturas operativas θo constituyen un mejor indicador de confort térmico que las temperaturas de
aire θ, especialmente en construcciones mal aisladas térmicamente con temperaturas muy altas de algunas
superficies en verano (p. ej. el cielo) y temperaturas muy bajas de superficies exteriores en invierno: aquí y
en los resultados de las simulaciones térmicas más adelante, la temperatura operativa θo de un espacio
está definida como el valor promedio de la temperatura de aire interior θi y de la temperatura promedia de
las superficies interiores que deslindan el mismo espacio. La temperatura promedia de las superficies
interiores a su vez se calcula como promedio de las temperaturas de las superficies interiores ponderadas
por su área respectiva. De esta forma se puede obtener los grados-hora diarios de calor Gh26 o Gh26o en
verano y grados-hora diarios de frío Gh19 o Gh19o en invierno, donde el índice indica la temperatura de base
y el uso de temperaturas operativas cuando corresponde.
2
1.3
Estrategias de climatización pasiva y matriz de soluciones constructivas
Las tres tareas principales para obtener condiciones de confort térmico son:
♦ evitar el sobrecalentamiento con temperaturas demasiado altas:
principalmente en el Periodo Caluroso y en verano;
caracterizado por los grados-hora de calor (= sobrecalentamiento) Gh26 o Gh26o en base 26°C;
♦ evitar el enfriamiento con temperaturas demasiado bajas:
principalmente en el Periodo Frío y en invierno;
caracterizado por los grados-hora de frío Gh19 o Gh19o en base 19°C;
♦ mantener niveles confortables de humedad:
este no es un tema crítico en casas pasivas en la zona climática considerada en este manual, porque el
clima es seco; por lo tanto no será considerado con mayor detalle.
Dependiendo de la construcción, su uso (p. ej. las ganancias internas) y el tiempo de cada día, problemas
de calor o frío pueden ocurrir en cualquier época del año, por lo cual se evita de hablar simplemente de
invierno y verano.
Una primera impresión del intercambio térmico de una casa con su entorno físico da la figura siguiente:
figura 1
Intercambio térmico de una casa con su entorno físico
[Camous 1986] modificado por E.M.
En esta figura se puede observar como las temperaturas en una casa dependen de la relación dinámica de
los flujos de calor:
♦ El intercambio de calor con el exterior:
⎯ el flujo de calor y su dirección dependen de la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior;
ocurre principalmente por conducción (y convección o transmisión de radiación infrarroja dentro de
cámaras de aire) a través de la envolvente en muros, techos / cielos y pisos; las superficies externas
de una casa a su vez intercambian energía térmica con su entorno a través de dos mecanismos:
− conducción y convección transmiten la energía de la superficie externa al aire exterior; los
movimientos del aire exterior aumentan esta transmisión de calor;
− la superficie externa emite radiación térmica (infrarroja, IR) y absorbe la radiación térmica emitida
por el entorno; las intensidades de emisión crecen rápidamente con la temperatura (absoluta), lo
que influye el balance energético de este proceso; como las temperaturas del entorno físico son
parecidas a las externas de una casa, el componente más importante es el intercambio con el
cielo: especialmente el cielo claro tiene una temperatura más baja que la temperatura del aire y de
3
una casa, lo que aumenta las pérdidas de calor de una casa; la superficie más expuesta a la
temperatura del cielo es un techo horizontal o de poca inclinación;
⎯ el segundo mecanismo de intercambio son los movimientos del aire entre el interior y el exterior, que
dependen del tamaño de las rendijas y aberturas en ventanas, puertas (y muros) y de la diferencia de
presión entre diferentes aberturas. Esta ventilación se mide en cambios de aire del volumen interior
por hora; el valor mínimo en una casa habitada para eliminar la humedad de las personas y la
contaminación interior (sin estufa) es de aproximadamente 0,5 cambios por hora. Cuando las
aberturas principales se encuentran en fachadas opuestas, se habla de ventilación cruzada y las
tasas de ventilación son mucho más altas en comparación con aberturas en la misma fachada,
porque el viento puede producir una diferencia de presión entre estas fachadas opuestas.
♦ Las ganancias solares ocurren por todas las superficies externas expuestas a la luz solar, tanto la
radiación directa del sol (que produce una sombra), como la radiación difusa que viene del cielo azul, las
nubes o reflejada por el entorno:
⎯ La mayor parte se produce por superficies transparentes (ventanas): se habla de ganancias directas,
cuando la luz solar entra al espacio habitado y es absorbida directamente por las superficies en esto;
se habla de ganancias indirectas, cuando la luz solar es absorbida en elementos externos al espacio
habitado (p. ej. la superficie externa de un muro Trombe o en un invernadero) y después la energía
térmica es transferida al espacio habitado por conducción o convección.
⎯ Las ganancias solares también ocurren por superficies opacas, aunque en menor grado: las
superficies externas se calientan al absorber la radiación solar y traspasan parte de esta energía al
interior, mientras que la otra parte se pierde de nuevo al entorno; en un muro bien aislado este efecto
es casi despreciable, pero un techo de poca inclinación absorbe gran cantidad de radiación solar en
verano y la traspasa al interior si falta aislamiento térmico debajo.
♦ Las ganancias de calor internas: las personas que viven en una casa producen calor - dependiendo de
su actividad alrededor de 100W por persona (más detalles: [Bansal 1988] y otros), además
prácticamente toda la energía (eléctrica) “consumida” por los equipos domésticos se transforma en calor:
toda esa energía aumenta la temperatura interior de una casa.
♦ El proceso de acumulación de calor puede reducir las variaciones de temperatura en una casa de
forma significativa: cuando la temperatura del aire interior es superior a la temperatura de los elementos
internos pesados o estos reciben energía por radiación solar, la temperatura de estos elementos sube
lentamente y la energía es almacenada, cuando la temperatura interna es más baja de nuevo, los
elementos pesados entregan la energía almacenada al interior. De forma análoga se puede enfriar los
elementos pesados internos de una casa con el aire fresco de la noche en verano para que sean
capaces de absorber el excedente de energía durante el día sin elevar demasiado su temperatura. Este
proceso de variación térmica retrasada también se llama inercia térmica, la capacidad térmica de
cualquier objeto o elemento se mide por su capacidad térmica. La inercia térmica de un muro pesado
también retrasa y modifica el flujo de energía entre el interior y el exterior de una casa. Los principales
aportes a la capacidad térmica de una casa provienen de sus muros pesados (exteriores e interiores) y
de un piso pesado incluyendo la tierra debajo. Un cielo o techo pesado no es recomendable en una zona
sísmica.
Es importante tener claro que como resultado de las ganancias solares e internas la temperatura interna
promedia de una casa siempre es más alta que la temperatura exterior promedia. Así el flujo de calor
promedio es del interior al exterior y compensa exactamente las ganancias. Solamente de forma temporaria
y dinámica es posible obtener temperaturas internas inferiores a las externas en algunos periodos del día.
Un resumen general de estrategias posibles de climatización pasiva muestra la tabla siguiente, donde la
selección de los elementos más importantes y adecuados depende todavía de las características climáticas
locales.
Además se elaboró una segunda sistematización de soluciones para elementos constructivos en forma de
matriz con códigos, que permiten clasificar diseños arquitectónicos por los elementos de climatización
utilizados. A estos códigos se agrega algunos ejemplos y dibujos de elementos con sus respectivos
códigos. Es importante anotar, que para cada aspecto se puede aplicar también varias o ninguna de las
soluciones presentadas. Además las soluciones utilizadas pueden variar entre diferentes partes de la
misma construcción.
4
tabla 2
Estrategias de climatización pasiva (hemisférico sur)
Aspecto
Periodo Frío
Intercambio de calor ”reducir pérdidas de calor”:
con el exterior
•
aislamiento térmico:
– opaco (cielo, muros, piso, móvil
•
por la envolvente
en ventanas)
•
por ventilación
– transparente (ventanas)
•
tamaño de ventanas depende de
su calidad térmica y orientación
•
ventilación adecuada: reducir
infiltraciones de aire de acuerdo
con las necesidades higiénicas
(evitar emisión interior del humo de
estufas)
•
forma:
– tamaño (edificio mejor que casa)
– relación superficie / volumen
•
protección de vientos fríos:
– orientación de elementos
– vestíbulo de entrada
– vegetación
– otros elementos construidos
Ganancias solares
aprovechar ganancias directas e
por superficies
indirectas de energía solar:
opacas y
•
orientación: fachada norte más
transparentes
grande
•
orientación y tamaño de ventanas:
preferencialmente al norte
•
invernadero adosado, combinado
con capacidad térmica
•
muro acumulador o muro Trombe
•
aislamiento transparente (conserva
energía absorbida detrás)
•
colores oscuros internos y externos
•
elementos reflectantes externos
para aumentar radiación disponible
Ganancias de calor
internas:
personas y equipos
Acumulación de
calor
(inercia térmica)
Control de humedad
Periodo Caluroso
”aumentar pérdidas de calor”:
•
conducción: piso / subsuelo
•
radiación térmica (IR): techo (con protección
móvil)
•
convección / ventilación:
– ventilación cruzada
– efecto termosifón con aberturas en niveles
diferentes (ventilación, chimenea solar, etc.)
– patio interior (con vegetación o agua)
– ventilación por túnel de enfriamiento
– ventilación mecánica
•
evaporación:
– vegetación externa
– fuentes de agua
– otras formas de evaporación de agua
•
ventilación adecuada:
– ventilación nocturna (especialmente en
clima seco)
– ventilación aumentada (especialmente en
clima húmedo)
protección de la radiación solar
directa y difusa:
•
estructuras fijas:
– sobretechos y aleros
– estructuras verticales
– estructuras complejas
•
sombreamiento móvil, externo o interno
– marquesinas
– láminas de aluminio
– venecianas
– cortinas
•
orientación y tamaño de ventanas
•
elementos externos (vegetación, otros
elementos construidos)
”reducir ganancias de calor”:
•
aislamiento térmico: cielo y muros
•
forma: – tamaño
– relación superficie / volumen
•
orientación este - oeste del eje más largo:
– fachada norte más grande
– fachada este/oeste menor
•
ventilar entretechos sobrecalentados
•
protección de vientos calientes:
– orientación de elementos
– vegetación
– otros elementos construidos
•
colores claros externos
aprovechar ganancias internas:
reducir ganancias internas:
a través de la reducción de las pérdidas •
equipos de bajo consumo de energía
de calor y de la acumulación de calor
•
cocina separada o exterior
elementos constructivos pesados
compensar variaciones térmicas diarias y de
en el piso, muros externos e internos,
varios días, aprovechar bajas temperaturas
techo y cielo, con acumulación
nocturnas con elementos constructivos pesados
(y ventilación nocturna) en:
•
primaria: iluminación directa del
elemento pesado
•
el piso
•
secundaria: iluminación indirecta
•
muros externas e internas
•
terciaria: elementos independientes •
techo y cielo (no recomendable en zona
sísmica)
•
evitar emisión de humo de estufas •
ventilación adecuada
al interior
•
absorción / desorción
•
ventilación adecuada
(muros de tierra)
•
absorción / desorción
•
humidificación / dehumidificación
(muros de tierra)
•
humidificación / dehumidificación
SOLUCIONES
[10] elementos
reflectantes exteriores
[9] colores oscuros
absorbentes
l
k
i
techo
ganancia directa
(claraboyas)
ganancia directa
(ventanas grandes al
norte)
h
acumulación por
iluminación
directa:
iluminación
indirecta:
convección o
ventilación:
puertas exteriores
bien selladas
ventanas bien selladas
g
elementos protectores
orientación
protección de
vientos fríos
reducción de
infiltraciones de
aire
aprovechar
ganancias
solares
f
muros externos
volumen compacto
planta compacta
forma y
orientación
dos vidrios
e
un vidrio
muros:
pisos:
ventanas:
número:
1
2
reducir perdidas espesor y conductividad aislante térmico
de calor
de material
adicional
techo / cielo:
ASPECTO
[11] aislamiento
transparente en
elementos opacos
muros internos
ganancia indirecta
con muro de
acumulación
vestíbulo de entrada
vegetación
fachada norte
más grande
tres vidrio
3
cámara de aire
quieto
5
espacio tapón
(invernadero,
bodega, garage
etc.)
6
piso
ventilación
mecánica
controlada
ganancia
indirecta con
ventilación
independiente
ganancia
indirecta con
ganancias
directas
ganancia
indirecta con
acumulación
independiente
vidrio especial de ventana con gas ventana
baja emisividad
especial
especial
zonificación
casa pareada
casas en filas
térmica de
acuerdo con el
uso
4
material
reflectante de
radiación IR
Matriz de soluciones para elementos constructivos para el periodo frío (invierno)
b
c
d
a
código
tabla 3
5
aislamiento
móvil interno
8
muro Trombe muro
sin ventilación Trombe con
ventilación
aislamiento
móvil externo
edificios
grandes
7
protección de
orientación
vientos calientes
ventilación
ventilación cruzada
F
fachada
Este/Oeste:
fachada Sur:
techo:
reducir
ganancias
internas
L
M
N
O
K
I
aumentar
pérdidas de
calor
inercia térmica
grande
evitar ganancias
solares por
fachada Norte:
H
G
iluminación natural
iluminación de bajo
consumo de energía
protección horizontal fija protección vertical fija
muros externos
techo
5
cámara de aire
ventilada
-
-
protección
vertical móvil
externa
piso
extractores de
aire
por evaporación
de agua
vegetación
zonificación
-
protección
vertical interna
(reflectante o
cortinas)
ventilación
mecánica
por vegetación
externa
fachadas este y
oeste menores
tamaño
reducido de
ventanas
por túnel de
ventilación
muro Trombe
superficie
externa
aumentada
vidrios de
color o
reflectantes
fuente de
agua
patio interior
aislamiento
móvil externo
7
ventilación
aumentada en
el espacio
ático
6
aislamiento
móvil en el
techo
vidrio especial de ventana con gas ventana
baja emisividad
especial
especial
4
material
reflectante de
radiación IR
equipos de bajo
cocina externa
consumo de energía
protección
horizontal móvil
externa
muros internos
por radiación IR y el
techo
chimenea solar
convección
ventilación nocturna
vestíbulo de entrada
fachadas este y
oeste menores
tres vidrios
3
cámara de aire
quieto
elementos protectores
volumen compacto
dos vidrios
2
aislante térmico
adicional
SOLUCIONES
al subsuelo
planta compacta
un vidrio
forma y
orientación
B
C
D
E
1
espesor grande y
conductividad térmica
baja del material
reducir
ganancias de
calor (por
transmisión)
techo / cielo:
muros:
piso:
ventanas:
número:
ASPECTO
Matriz de soluciones para elementos constructivos para el periodo caluroso (verano)
A
código
tabla 4
6
colores
claros
externos
aislamiento
móvil
interno
8
7
Algunos ejemplos de soluciones constructivos para la climatización pasiva (solamente principios
generales de función):
nota: las letras y los números entre [ ] se refieren a los códigos de fila y columna en la matriz anterior
figura 2
[h]
Ganancias solares:
componentes principales
[Sarmiento 1985]
figura 4
[h2]
Ganancia directa: [Sarmiento 1985]
figura 5
[h8]
Muro Trombe con ventilación
[Sarmiento 1985]
figura 7
[h8] [G6] Muro Trombe: calefacción en invierno y enfriamiento por ventilación en verano
[Sarmiento 1985]
figura 3
figura 6
[h1] Ganancia directa:
principio, ventanas [Sarmiento 1985]
[h10] Reflector exterior
(combinado con muro Trombe
sin ventilación) [Bansal 1994]
8
figura 8
[h7]
Muro Trombe sin ventilación [Evans 1994]
figura 9
[h3] Ganancia indirecta con muro de acumulación:
invernadero + muro acumulador sin ventilación [Evans 1994]
figura 10
[h4] Ganancia indirecta con ventilación:
invernadero + muro acumulador con ventilación [Evans 1994];
aberturas de ventilación interna más grandes que en el dibujo aquí serían más eficientes
figura 11
[h5] Ganancia directa con ganancias directas:
invernadero + ganancia directa [Evans 1994]
9
figura 12
[h6] Ganancia directa con acumulación independiente:
invernadero + lecho de piedras [Evans 1994]
figura 13
[G1]
figura 14
[G4] Ventilación con
extractores de aire [Cárcamo 1995]
Ventilación cruzada [Santamouris 1996]
figura 15
[H6] Enfriamiento por
túnel de ventilación subterránea
[Bansal 1994]
10
figura 16
[K1] Protección solar horizontal fija: diseños diferentes con efecto similar
[Santamouris 1996]
figura 17
[K1, K2] Protección solar fija: horizontal, vertical y combinada [Santamouris 1996]
11
2
Herramientas para el diseño pasivo
2.1
Herramientas tradicionales de diseño pasivo y comparación de métodos de diseño
Uno de los métodos tradicionales más interesantes son los diagramas de Mahoney (ver [Koenigsberger
1973] y para esta zona climática [Müller 1998]) que caracterizan el estrés térmico en cada mes a partir de
los datos climáticos (principalmente extremas mensuales de temperatura y humedad), con el fin de ofrecer
recomendaciones de diseño generales, que serán considerados más adelante.
tabla 5
Diagrama de Mahoney para Santiago de Chile (solo Tabla 2)
(nota: C = Calor; F = Frío; O = neutral)
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic
Diagnóstico: (°C)
Temperatura máxima media 29,4 28,7 26,7 23 17,9 14,4 14,5 16,2 18,4 22 25,1 28
Confort diurno: máximo
28 28 28 28 25 25 25 25 25 28 28 28
Confort diurno: mínimo
21 21 21 21 20 20 20 20 20 21 21 21
Temperatura mínima media
12,4 11,8 10,1 7,6 5,7 3,7 3,2 4,3 5,9 7,8 9,5 11,8
Confort nocturno: máximo
21 21 21 21 20 20 20 20 20 21 21 21
Confort nocturno: mínimo
14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14
estrés térmico: día
C
C
O
O
F
F
F
F
F
O
O
O
estrés térmico: noche
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
Indicadores:
Arido: A1 1
1
1
1
1
1
1
Arido: A3
1
1
1
1
1
Solo se muestra la Tabla 2 de Mahoney, la Tabla 1 contiene un resumen de datos climáticos mensuales, la
Tabla 3 de Mahoney permite identificar las siguientes recomendaciones de diseño de acuerdo con los
Indicadores A1 y A3 en la Tabla anterior:
♦ A1: capacidad térmica necesaria;
♦ A3: protección contra el frío en invierno necesaria;
♦ planta: eje más largo en sentido este – oeste;
♦ diseño compacto;
♦ previsión para ventilación cruzada temporaria;
♦ ventanas de tamaño mediano (20% - 40% del área del muro externo);
♦ muros pesados externos e internos;
♦ techos pesados (nota para Chile: térmicamente correcto, pero no recomendable por causa de los
sismos).
Otro método tradicional de diseño son los diagramas bioclimáticos (“bioclimatic diagrams of Givoni”), que
grafican los extremos climáticos mensuales y la zona de confort térmico para los parámetros de temperatura
y humedad junto con recomendaciones de diseño y climatización: ver [Bansal 1994, p. 18f], también [United
Nations 1990], [Olgyay 1963], [Evans 1994], [Koenigsberger 1974]. Lamentablemente no es posible
considerar la importante intensidad de radicación solar en este tipo de diagramas.
La principal ventaja de estos métodos es su aplicación rápida y simple. Sin embargo, sus limitaciones
radican en la cantidad reducida de informaciones que consideran con respecto al clima y al proyecto
arquitectónico, lo que lleva a recomendaciones de diseño poco detallados y poco exactos. Por consiguiente
presentan su mayor utilidad en casos simples y el análisis inicial de una zona climática nueva para el
diseñador.
Los métodos modernos de diseño en cambio consideran una descripción mucho más detallada de las
condiciones climáticas, del proyecto arquitectónico y de las condiciones de uso. Eso es posible ahora
gracias al uso de programas computacionales, que incluyen modelos matemáticos detallados y complejos.
En el caso de programas de simulación, estos modelos representan directamente los procesos físicos, p. ej.
la absorción de la radiación solar y los flujos energéticos en una vivienda. De esta forma pueden ofrecer
resultados detallados y más exactos del comportamiento térmico y energético de una casa o de un edificio.
Además son la única herramienta que puede considerar con precisión la dinámica de los procesos térmicos.
El inconveniente es su complejidad y la gran cantidad de información necesaria, que exige un mayor tiempo
de aprendizaje y de implementación para cada proyecto. Por lo tanto su uso se justifica principalmente para:
♦ proyectos novedosos, p. ej. de diseño pasivo
♦ proyectos grandes
♦ investigación:
⎯ estudios de caso
⎯ estudios paramétricos
12
⎯ elaboración de pautas y recomendaciones de diseño
⎯ desarrollo de herramientas simples de diseño y dimensionamiento
⎯ diseño pasivo, uso pasivo de la energía solar y climatización pasiva.
Una comparación resumida de los diferentes métodos diseño utilizados muestra la tabla siguiente:
tabla 6
Métodos tradicionales y modernos de diseño pasivo
Métodos tradicionales
Tipos y
Ejemplos
Ventajas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Desventajas
Utilidad
Principal
•
•
•
•
•
•
•
•
Métodos modernos
gráficos climáticos
•
diagramas solares y de sombra
cálculo de posición solar
diagramas bioclimáticos (Givoni)
diagramas de Mahoney
normas térmicas
exige poca información sobre:
•
- el proyecto y su ubicación
- el clima
- las condiciones de uso
aplicación rápida en casos simples •
de fácil manejo
generales, poco específicos
limitados a pocos factores de
influencia
poco detallados
poca precisión
recomendaciones generales de
diseño
casos estándares
análisis inicial
diseño preliminar (p. ej. elementos
de sombreamiento)
programas computacionales de simulación térmica y
energética con modelos matemáticos detallados de los
procesos físicos: p. ej. DEROB-LTH (U. de Lund, Suecia),
HAUSer (U. de Kassel), TRNSYS (U. de Wisconsin,
EE.UU. – programa comercial)
descripción detallada sobre:
- el proyecto
- el clima
- las condiciones de uso
resultados detallados y exactos de:
- el comportamiento térmico dinámico
- el comportamiento energético
•
•
•
•
exige gran cantidad y detalle de información
tiempo de aprendizaje
complejos y de difícil manejo
mayor tiempo de aplicación
•
•
•
proyectos novedosos
proyectos grandes
investigación:
- estudios de caso
- pautas de diseño
- herramientas simples de diseño y dimensionamiento
- diseño pasivo o bioclimático
Algunos elementos tradicionales de diseño serán presentados y adaptados aquí en el capitulo 2.2 siguiente
por su utilidad para entender el diseño pasivo y para el análisis inicial.
Las herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico presentados en este trabajo de cierta
forma constituyen una metodología intermediaria:
♦ orientadas en el cálculo de las normas térmicas tradicionales para limitar el aprendizaje y el trabajo
necesario;
♦ con una complejidad y cantidad de factores considerados mayor que los métodos tradicionales, pero
más simple y rápido que simulaciones térmicas;
♦ modernas por ser fundamentadas en simulaciones térmicas.
Aplicando y combinando los métodos analizados, se puede resumir el proceso de diseño pasivo y el papel
de las simulaciones térmicas de la siguiente manera:
1. Antecedentes:
♦ estrategias de climatización pasiva en base a:
- métodos tradicionales y simples de diseño pasivo
- literatura, estudios de caso y otras experiencias
- herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico presentadas aquí ("método rápido")
- estudios paramétricos con simulaciones térmicas si la zona climática es nueva
♦ materiales y soluciones constructivas preferidos para elementos principales
♦ diseño arquitectónico y materiales preferidos
♦ estrategias de construcción sismorresistente
♦ exigencias generales del proyecto (uso, economía, normas, etc.)
2. Diseño(s) preliminar(es):
♦ estimación del comportamiento térmico y energético esperado
(p. ej. con herramientas de cálculo simples)
♦ cálculo estructural (preliminar)
♦ evaluación cualitativa o cuantitativa aproximada
3. Simulación térmica: solo para diseños novedosos o experimentales
♦ optimización de los parámetros de diseño en su interdependencia
♦ evaluación cuantitativa del comportamiento térmico y energético
13
4. Diseño arquitectónico definitivo y construcción:
♦ decisión sobre el diseño definitivo
♦ cálculo estructural definitivo
♦ simulación térmica final, cuando corresponde
♦ elaboración de los planos arquitectónicos definitivos
♦ construcción
5. Mediciones del comportamiento térmico, cuando corresponde
6. Evaluación del comportamiento térmico, cuando corresponde
2.2
Herramientas simples
2.2.1
Análisis del clima
La zona climática considerada en el presente proyecto es la Zona Central Interior Chilena, de acuerdo con
la norma NCh 1079 sobre la zonificación climático - habitacional para Chile. Los resultados de las
simulaciones térmicas son aplicables para las viviendas de aproximadamente 40% de la población Chilena
que vive en la Región Metropolitana y algunas regiones vecinas hasta 1000m de altura, tomando en cuenta
la zona 3 de la nueva zonificación térmica Chilena en [MINVU 2000]. Esta zona climática muestra las
siguientes características generales:
♦ combinación de veranos calurosos e inviernos fríos;
♦ clima seco con gran variación térmica, diaria y anual;
♦ índices muy altos de radiación solar en verano;
♦ radiación solar relativamente alta en invierno (en comparación con Europa central con valores típicos de
solo 0,5kWh/m²d);
♦ precipitaciones bajas y prácticamente nulas en verano.
Un resumen de los datos importantes del clima de la zona central Chilena y de la radiación solar, calculada
para superficies de diferentes orientaciones muestran las dos figuras siguientes (con datos de [Dirección
Meteorológica de Chile 1991] y [Sarmiento 1995]).
figura 18
Gráfico climático de Santiago de Chile (Pudahuel; QN = Quinta Normal)
latitud: 33,4° sur; longitud: -70,8°; altura: 475 m
Temperaturas (°C)
Radiación Solar Global (kWh/m²d)
40
Precipitaciones (mm/mes)
Humedad Relativa (%)
100
35
75
30
25
Precipitaciones
(QN)
50
20
15
Radiación solar
global
Temp. max.
media
25
10
5
Temperatura
media
Temp. min.
media
0
0
Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Set Oct Nov Dic
mes
Humedad
relativa
14
figura 19
Radiación Solar en Superficies con Diferentes Orientaciones
para Santiago de Chile (Pudahuel)
7
6
radiación solar (kWh/m²d)
horizontal
5
vertical al
norte
4
norte, incl. 33°
3
vertical, 30° al
este/oeste
2
vertical, 60° al
este/oeste
1
vertical al
este/oeste
0
Ene
2.2.2
Feb
Mar
Abr
May Jun Jul
mes
Ago Sep
Oct
Nov
Dic
vertical al sur
Herramientas de cálculo para el dimensionamiento de sobretechos
Los diagramas solares representan de forma gráfica (y normalmente con baja precisión) la posición solar
para todo el año en una cierta latitud geográfica; no dependen de la longitud y son simétricos para los dos
hemisferios, intercambiando el norte con el sur. La figura 20 siguiente muestra un ejemplo, que es válido
para la zona de Santiago de Chile. Las coordenadas son el Acimut de la posición solar, el ángulo medido en
el plano horizontal desde el norte, y la altitud (o altura) del sol, medida verticalmente desde el horizonte
hasta el zenit (punto verticalmente sobre el observador). La declinación del sol corresponde a la fecha del
año, una relación que consta de la tabla 7 siguiente. En estas coordenadas, el sistema de líneas
horizontales curvas corresponde al movimiento solar durante un día desde el este (derecha) al oeste
(izquierda). Las líneas verticales curvas indican la posición solar a cada hora solar (en la leyenda del gráfico
identificado desde las 8 horas hasta las 16 horas). Así se puede estimar p. ej. que el sol se encuentra a casi
80° de altura al mediodía del solsticio de verano (21.12. con declinación de -23°27’); en el solsticio de
invierno el sol se encuentra a poco más que 30° de altura al mediodía (21.6. con declinación de 23°27’).
Además se puede observar bien que en el verano (declinación negativa) el sol tiene una posición al sur del
este / oeste en las primeras y últimas horas del día, así que (solamente) en estas horas la fachada sur de
una casa recibe radiación solar directa. De esta forma la lectura de un gráfico solar permite una primera
impresión de la radiación solar que recibe una casa y se puede estimar la altitud del sol en diferentes
épocas del año para dimensionar por ejemplo un sobretecho para sombrear una ventana norte. Diagramas
solares para Santiago fueron publicados p. ej. en [Stuven], [Sarmiento 1985] y [Sarmiento 1985] (también
[Lippsmeier 1980], [Gut 1993], [Koenigsberger 1973]), donde también se puede encontrar más información
sobre su aplicación, especialmente para el dimensionamiento de elementos fijos de sombreamiento.
15
figura 20
Gráfico Solar para 35° Latitud Sur (de [Sarmiento 1985], leyendas modificadas)
Para indicar la relación de fecha y declinación solar y ofrecer mejor precisión en la determinación de la
altura del sol se elaboró la tabla 7. Esta muestra para la región de Santiago la declinación y altura del sol
para los días 5, 15 y 25 de cada mes y la hora solar de cada columna. Ayuda determinar el tamaño
adecuado de elementos fijos de sombreamiento y de ventanas de forma geométrica. Esto es especialmente
útil en una fachada norte en verano con un sobretecho para el sombreamiento, que se puede dimensionar
de acuerdo con la posición solar al mediodía, cuando el sol se encuentra exactamente en el norte frente a
esta fachada, pero a gran altitud solar. En las otras fachadas, elementos de sombreamiento fijos son mucho
menos eficientes: p. ej. las fachadas este y oeste reciben radiación solar directamente de frente en ciertas
horas de la mañana o de la tarde cuando la declinación del sol es negativa, como se puede concluir del
acimut 90° del sol (= este u oeste) en el diagrama solar.
Los diagramas de sombra parecidos sirven para las mismas finalidades y están descritos en [Lippsmeier
1980].
16
tabla 7
Altitud del sol (°) a la hora solar indicada para 33,5° Sur: zona de Santiago de Chile
(elaboración propia con fórmulas de [Duffie 1991])
hora 6
solar:
Mes día declina ángulo -90
ción (°) de hora
solar ω:
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
-75
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
Ene
Ene
Ene
5
15
25
-22,6
-21,3
-19,3
12,3 24,3 36,7 49,2 61,5 72,9 79,1 72,9 61,5 49,2 36,7 24,3 12,3
11,5 23,7 36,1 48,6 60,8 72,0 77,8 72,0 60,8 48,6 36,1 23,7 11,5
10,5 22,7 35,1 47,6 59,7 70,5 75,8 70,5 59,7 47,6 35,1 22,7 10,5
Feb
Feb
Feb
5
15
25
-16,4
-13,3
-9,8
9,0 21,3 33,8 46,2 58,1 68,2 72,9 68,2 58,1 46,2 33,8 21,3
7,3 19,7 32,2 44,5 56,1 65,6 69,8 65,6 56,1 44,5 32,2 19,7
5,4 17,8 30,3 42,4 53,7 62,6 66,3 62,6 53,7 42,4 30,3 17,8
9,0
7,3
5,4
Mar
Mar
Mar
5
15
25
-6,8
-2,8
1,2
3,7 16,2 28,6 40,6 51,5 59,9 63,3 59,9 51,5 40,6 28,6 16,2
1,6 14,0 26,3 38,0 48,5 56,3 59,3 56,3 48,5 38,0 26,3 14,0
11,8 23,9 35,3 45,3 52,5 55,3 52,5 45,3 35,3 23,9 11,8
3,7
1,6
Abr
Abr
Abr
5
15
25
5,6
9,4
13,0
9,3 21,2 32,2 41,7 48,4 50,9 48,4 41,7 32,2 21,2
7,0 18,7 29,4 38,5 44,8 47,1 44,8 38,5 29,4 18,7
5,0 16,4 26,8 35,5 41,4 43,5 41,4 35,5 26,8 16,4
9,3
7,0
5,0
May
May
May
5
15
25
16,1
18,8
20,9
3,1 14,3 24,4 32,7 38,4 40,4 38,4 32,7 24,4 14,3
1,5 12,5 22,4 30,4 35,8 37,7 35,8 30,4 22,4 12,5
0,3 11,1 20,7 28,5 33,7 35,6 33,7 28,5 20,7 11,1
3,1
1,5
0,3
Jun
Jun
Jun
5
15
25
22,5
23,3
23,4
10,0 19,5 27,1 32,2 34,0 32,2 27,1 19,5 10,0
9,5 18,8 26,4 31,4 33,2 31,4 26,4 18,8
9,5
9,4 18,8 26,3 31,3 33,1 31,3 26,3 18,8
9,4
Jul
Jul
Jul
5
15
25
22,8
21,5
19,6
9,8 19,3 26,9 31,9 33,7 31,9 26,9 19,3
9,8
10,7 20,2 28,0 33,2 35,0 33,2 28,0 20,2 10,7
1,0 12,0 21,7 29,7 35,0 36,9 35,0 29,7 21,7 12,0
1,0
Ago
Ago
Ago
5
15
25
16,8
13,8
10,3
2,7 13,8 23,9 32,1 37,7 39,7 37,7 32,1 23,9 13,8
4,5 15,9 26,2 34,7 40,6 42,7 40,6 34,7 26,2 15,9
6,5 18,1 28,8 37,7 43,9 46,2 43,9 37,7 28,8 18,1
2,7
4,5
6,5
Set
Set
Set
5
15
25
6,2
2,2
-1,8
8,9 20,8 31,8 41,2 47,8 50,3 47,8 41,2 31,8 20,8
8,9
11,2 23,3 34,6 44,4 51,6 54,3 51,6 44,4 34,6 23,3 11,2
1,0 13,5 25,7 37,4 47,7 55,3 58,3 55,3 47,7 37,4 25,7 13,5
1,0
Oct
Oct
Oct
5
15
25
-5,8
-9,6
-13,1
3,2 15,7 28,1 40,0 50,7 59,0 62,3 59,0 50,7 40,0 28,1 15,7
5,3 17,7 30,2 42,3 53,5 62,4 66,1 62,4 53,5 42,3 30,2 17,7
7,2 19,6 32,1 44,4 56,0 65,5 69,6 65,5 56,0 44,4 32,1 19,6
3,2
5,3
7,2
Nov
Nov
Nov
5
15
25
-16,5
-19,1
-21,2
9,0 21,4 33,8 46,3 58,2 68,3 73,0 68,3 58,2 46,3 33,8 21,4
9,0
10,4 22,6 35,1 47,6 59,7 70,4 75,6 70,4 59,7 47,6 35,1 22,6 10,4
11,5 23,6 36,0 48,5 60,8 71,9 77,7 71,9 60,8 48,5 36,0 23,6 11,5
Dic
Dic
Dic
5
15
25
-22,6
-23,3
-23,4
12,2 24,3 36,7 49,2 61,5 72,9 79,1 72,9 61,5 49,2 36,7 24,3 12,2
12,6 24,6 37,0 49,5 61,9 73,4 79,8 73,4 61,9 49,5 37,0 24,6 12,6
12,7 24,7 37,0 49,5 61,9 73,4 79,9 73,4 61,9 49,5 37,0 24,7 12,7
La situación más importante para el sombreamiento con elementos fijos es la fachada norte: solamente aquí
es posible con un elemento fijo - un sobretecho o alero simple - crear sombra en verano y al mismo tiempo
mantener la insolación favorable y necesaria en invierno. En zonas climáticas sin época fría esto se vería
diferente. La selectividad necesaria aquí no es posible con un elemento fijo en las otras fachadas, por lo
cual en orientaciones diferentes de la norte se recomienda usar elementos móviles en frente o detrás de a
las ventanas. Por eso se consideró solamente elementos fijos y la orientación norte en la herramienta
presentada aquí.
Se preparó una planilla de cálculo que permite calcular fácilmente la geometría de ventana y sobretecho:
basta decidir el periodo del año durante el cual se pretende sombrear totalmente una ventana (p. ej. hasta
mediados de enero) y el periodo del año durante el cual se quiere asoleamiento completo para la misma
ventana (p. ej. hasta inicio de agosto). Para este ejemplo, de la tabla se puede concluir que se necesita
sombreamiento hasta una altitud solar de 78°, porque en el verano antes de mediados de enero el sol está
más alto todavía; en el invierno la altitud solar límite es de 39°, porque antes de inicio de agosto la posición
17
solar está más baja todavía, además la posición solar está más baja por la mañana y por la tarde.
Obviamente la posición solar a una cierta hora cambia poco de un día al otro, así que en este ejemplo, la
ventana en febrero todavía recibirá buena sombra y a fines de agosto todavía va a recibir casi asoleamiento
completo también. Con estos datos de ángulo / fecha y la geometría de la ventana y del sobretecho se
puede calcular los tamaños exactos de ambos de forma geométrica con la planilla: el tamaño del
sobretecho es el resultado de su inclinación y de la exigencia de sombreamiento en verano hasta la parte
baja de la ventana; la altura de la ventana entonces es resultado de la exigencia de pleno asoleamiento en
invierno; la diferencia de altura entre los límites de la ventana determina su extensión vertical. Obviamente
no todos las pretensiones de asoleamiento y sombreamiento son viables, esto requiere la búsqueda de un
compromiso razonable de ángulos / fechas y dimensiones. Hay que tener en cuenta también que solamente
para el sombreamiento existen alternativas móviles, pero no para el asoleamiento. La ventaja de la planilla
es la facilidad de probar alternativas y la posibilidad de adaptar un parámetro de entrada para conseguir un
cierto resultado (con funciones estándar del programa de planilla de cálculo).
El método considera dos situaciones posibles:
1. techo inclinado hacia abajo: situación común, con inclinación positiva;
2. techo inclinado hacia arriba, con inclinación negativa; permite un mejor aprovechamiento de la fachada
norte para mayores ganancias solares en invierno.
Las referencias para los parámetros son el plano de la ventana (vidrio exterior en el caso de una ventana
doble) y los puntos donde este plano de referencia se encuentra con el piso y el lado exterior del techo.
Todos los ángulos son en grados, las medidas en metros. Los parámetros de entrada son entonces:
♦ la inclinación α del techo (positivo en caso 1, negativo en caso 2);
♦ el ángulo límite de verano γ: la ventana recibirá plena sombra en verano al mediodía con una altura del
sol igual o mayor que este valor − esto determina el tamaño necesario del sobretecho;
♦ el ángulo límite de invierno β: la ventana recibirá pleno asoleamiento en invierno con una altura del sol
igual o menor que este valor − esto determina el tamaño de la ventana posible bajo las exigencias de
verano;
♦ la altura total del espacio y del muro H1 entre el piso y el cruce con el techo;
♦ la altura h1 de la base opaca de la ventana entre el piso y el marco;
♦ la altura h2 del marco de la ventana;
♦ para muros Trombe etc.: la distancia horizontal d entre el plano de referencia (de las demás ventanas) y
el lado exterior del vidrio del muro Trombe (en otros casos: d = 0).
figura 21
Modelo para el cálculo de ventanas y sobretechos:
techo normal o techo con inclinación negativa
La latitud geográfica no entra como parámetro explícito en este cálculo – es considerada de forma indirecta
18
en el momento de escoger los ángulos β y γ: la manera más simple es revisar la tabla 7 o la planilla
correspondiente entre las herramientas, que se puede configurar para cualquier latitud. De acuerdo con la
estrategia deseada de asoleamiento y sombreamiento se escoge dos fechas y los ángulos
correspondientes de la tabla. En otras latitudes los ángulos serían diferentes para las mismas fechas y los
mismos ángulos corresponderían a otras fechas. Se puede probar varias combinaciones de los parámetros
de entrada hasta llegar a un tamaño razonable / deseado de ventanas y sobretecho o usar las funciones
propias de Excel para buscar el valor de entrada que lleva al resultado deseado.
figura 22
Modelo para el cálculo de ventanas y sobretechos:
muro Trombe con techo normal (inclinación negativa posible de forma análoga)
En el caso de muros Trombe hay dos posibilidades de uso:
♦ un cálculo como para ventanas con sombreamiento en verano y asoleamiento en invierno;
♦ si el muro Trombe está tapado con material opaco en verano, no precisa más sombra – entonces puede
existir un sobretecho de acuerdo con las necesidades de las ventanas en el mismo muro y se puede
calcular el tamaño del muro Trombe con las mismas formulas:
⎯ se define los parámetros de entrada para la ventana al lado en una línea y para el muro Trombe en
otra;
⎯ se ajusta el ángulo de verano del muro Trombe (automáticamente – ver ejemplo en planilla) hasta
obtener el mismo tamaño de techo como de la ventana; el ángulo de invierno puede ser igual o
diferente de la ventana;
⎯ el ángulo de verano indica el sombreamiento que el muro Trombe tendrá en verano (poco importante)
⎯ como resultado interesante se obtiene el tamaño posible del muro Trombe bajo este techo y con la
duración de pleno asoleamiento deseada.
Los resultados inmediatos de la planilla de cálculo son:
♦ la distancia D que el sobretecho sobresale a la ventana (medida horizontalmente);
♦ la longitud L del sobretecho necesario (medida en su inclinación);
♦ la altura H del punto extremo exterior del techo sobre el nivel del piso interior;
♦ la altura h del límite superior de la ventana sobre el piso (parte transparente de vidrio, sin marco);
♦ la altura de la parte transparente de la ventana: (h - h1 - h2) (para poder calcular su área transparente).
Las dimensiones de ventanas, muros Trombe y sobretechos de las casas simuladas fueron determinadas
con este método simple de cálculo geométrico.
19
2.3
Simulación térmica
La herramienta más universal y poderosa para la optimización del diseño térmico de una vivienda es la
simulación computacional de su comportamiento térmico: Para este trabajo se empleó ampliamente el
programa DEROB-LTH de la Universidad de Lund (Suecia). Este programa utiliza en forma detallada los
datos climáticos a nivel horario, el perfil de uso, el proyecto arquitectónico con su geometría y las
características de los materiales de todos los elementos constructivos para calcular en forma dinámica el
comportamiento térmico con valores horarios de temperaturas de aire, operativas y superficiales, así como
los flujos de energía radiativa y térmica. En comparación con otros programas de simulación térmica tiene la
ventaja de un modelo muy detallado para la radiación solar y térmica, que son de gran importancia en la
zona climática de este trabajo.
Los datos climáticos requeridos, tipo TRY ("test reference year", TRY en inglés) no estaban disponibles para
Chile, así que fueron preparados con una metodología propia, que se puede resumir como sigue: la base
formaron varios años con datos climáticos horarios de temperatura y de radiación solar global. De los datos
disponibles y completos de la estación La Platina en Santiago de [CONAMA] se seleccionó los 12 meses,
que mejor corresponden a los promedios de largo plazo de la Dirección Meteorológica de Chile y [Sarmiento
1995]. En base a esta información y fórmulas estándar de [Duffie 1991] se calculó datos horarios de
radiación difusa y directa. La temperatura del cielo, necesaria para la consideración de su radiación
infrarroja, fue calculada adaptando modelos disponibles después de una amplia revisión de literatura y
comparación con valores medidos, disponibles de otra zona climática. Mayores detalles se encuentran en la
publicación [Müller, Agosto 2001].
Fueron realizados varios estudios paramétricos con esta metodología, cuyos resultados son la base de las
herramientas de cálculo y recomendaciones de diseño más adelante. En un estudio paramétrico se varia
diferentes parámetros de una construcción a partir de un caso estándar para determinar su influencia en el
comportamiento térmico. Se simuló tanto el comportamiento térmico de un modelo de una vivienda de
dimensiones típicas como el modelo de una habitación dentro de una vivienda durante el año típico TRY
para la región de Santiago de Chile, lo que permitió el cálculo de diferentes indicadores de confort térmico
basados en las temperaturas horarias, por ejemplo los grados-hora diarios de frío y calor. Es importante
notar que las diferencias y variaciones de temperaturas y indicadores en los diferentes escenarios son más
significativos que los valores absolutos, ya que varios factores de influencia, como las temperaturas
ambientales y el comportamiento de los usuarios, pueden cambiar de un año o de un proyecto a otro.
2.4
Herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico en verano e invierno
2.4.1
Desarrollo de las herramientas de cálculo
La idea básica para estas herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico es la siguiente:
1. Se calcula las características térmicas básicas de una casa usando normas térmicas europeas
(principalmente la [DIN EN 832], continuada en el borrador [E DIN EN ISO 13790]). Estas normas son
parecidas a las normas Chilenas [NCh 853] y [NCh 1960], pero más completas.
2. Las características térmicas básicas, calculadas de una forma relativamente simple en una planilla de
cálculo, permiten estimar indicadores de confort térmico en base a temperaturas operativas en verano
(grados-hora diarios de calor Gh26o) e invierno (grados-hora diarios de frío Gh19o) para una casa pasiva
sin calefacción ni refrigeración con aire acondicionado. Esto es posible gracias a las correlaciones
establecidas con simulaciones térmicas en la investigación aquí.
La aplicación de las normas fue simplificada y adaptada a las condiciones climáticas de verano y locales en
algunos aspectos, en otros aspectos se utilizó partes no obligatorias de las normas para mayor precisión.
Por ejemplo, las ganancias por elementos opacos y las pérdidas adicionales por intercambio de radiación
infrarroja con el cielo son más importantes aquí que en el centro y norte de Europa, tanto por diferencias
climáticas (muy alta radiación solar en verano, baja temperatura del cielo en verano) como por diferencias
constructivas (falta de aislamiento térmico en muchos casos). En verano, las ganancias por un elemento
opaco – p. ej. el techo de "zinc" sin aislamiento – pueden ser tan grandes que llevan al sobrecalentamiento
de una casa.
Por simplicidad y para fines de diseño se optó por el mes extremo de cada temporada en vez de la
temporada completa. Para la estimación de las condiciones de confort térmico se considera solamente
enero como mes más caluroso del verano y julio como mes más frío de invierno. Si una casa dispone de
elementos suficientes de adaptación térmica, se puede esperar buenas condiciones de confort térmico en
todas las estaciones del año. En capítulo 3.2 se discute la relación entre las estaciones con mayor detalle.
Se realizó más que 500 simulaciones térmicas con el programa DEROB-LTH y el modelo de una habitación
como parte de una casa típica de un solo piso, considerando los siguientes parámetros constructivos en
diferentes combinaciones para cubrir el espectro de construcciones Chilenas típicas y con elementos de
diseño pasivo y materiales locales:
20
♦ orientación principal (de las ventanas): norte, sur, este, oeste;
♦ tipo de construcción:
⎯ 43cm de tapial, incluyendo el revoque de barro;
⎯ 41,5cm de tapial, incluyendo el revoque de barro interior, con 2,6cm de aislamiento térmico exterior,
espacio de aire y protección exterior de 1cm de machihembrado de pino;
⎯ tabique sin aislamiento térmico (1cm de machihembrado de pino exterior, 5cm de aire, 1,2cm de yeso
– cartón interior;
⎯ tabique con 7cm de aislamiento térmico en el medio;
⎯ ladrillos de 14cm sin revoque;
⎯ ladrillos de 14cm con 5cm de aislamiento térmico exterior, espacio de aire y protección exterior de
1cm de machihembrado de pino;
♦ muros interiores: livianos (tabique) o pesados (ladrillo o barro);
♦ ventanas con marcos de madera:
⎯ simples o dobles;
⎯ tamaño normal, grande o máximo posible;
♦ ganancias de calor internas promedios por personas y equipamientos de 5W/m² o 10W/m² (referencia:
área del piso);
♦ infiltraciones de aire: 0,5/h, 1/h, 2/h, 4/h (cambios de aire por hora), siendo 1/h el valor estándar;
♦ el techo es de zinc con espacio de aire debajo y un cielo de 1,2cm de yeso – cartón, sin aislante o con
8cm o 15cm de aislante de poliestireno expandido sobre el cielo;
♦ opciones en verano:
⎯ cortinas de color claro durante el día;
⎯ ventilación nocturna de 10/h de 20hrs a 6hrs de diciembre a febrero;
♦ los muros internos y externos son pintados de color blanco con 30% de absorción (piso mas oscuro:
50%);
♦ en ningún caso se consideró un sistema de calefacción o refrigeración de acuerdo con la finalidad de
diseño pasivo.
Los muros con aislamiento térmico fueron calculados de tal forma que todas las alternativas tengan las
mismas pérdidas de calor por transmisión. El piso es de 7cm de hormigón sobre 8cm de ripio y 1m de tierra
(como modelo). Las pérdidas laterales fueron consideradas respetando los valores calculados de acuerdo
con [DIN EN ISO 13370]. Las ganancias de calor internas varían de acuerdo con un perfil de uso típico.
Fueron realizados algunos estudios preliminares para evaluar y reducir las diferencias en las características
térmicas calculados con el método simples y con simulaciones especiales para situaciones típicas de
verano e invierno. Se sabia de trabajos propios anteriores para esta zona climática y de otros autores (ver
[Hauser 1997] y [Kolmetz 1996]), que habían trabajado para el clima alemán, que especialmente en verano
resulta difícil obtener una buena correlación entre cálculos con normas térmicas y simulaciones térmicas.
El método detallado descrito en [DIN EN ISO 13786] para la determinación de la capacidad térmica es
demasiado complicado para una herramienta simple de cálculo (efectivamente, simulaciones térmicas
serían más simples), pero resulta demasiado grosero considerar solamente los 10cm interiores de todos los
muros, como propone [E DIN EN ISO 13790, anexo H]. Se obtuvo una correlación mejor corrigiendo este
valor como describe la [DIN V 4108-6: 2000-11]: se considera la capacidad térmica de los 10cm interiores
de todos los muros, pero solamente hasta la mitad del grosor del muro y solamente las capas interiores
hasta la primera capa aislante (con conductividad térmica λ < 0,1W/mK y resistencia térmica
R > 0,25m²K/W). La razón es fácil de entender: una capa aislante impide el intercambio de calor con el
interior y con eso la "función" de almacenaje de la capacidad térmica; tanto con muros exteriores como
interiores, la segunda mitad de un muro intercambia calor principalmente con el otro lado, que le queda más
cerca.
El proceso principal de desarrollo de las herramientas de cálculo entonces se puede resumir como sigue:
1. Se calcula las características térmicas básicas de una casa de acuerdo con las (versiones alemanas de)
normas térmicas europeas ISO y EN.
2. Las características de los materiales de construcción Chilenos fueron tomadas de [NCh 853], que incluye
muchas mediciones realizadas en Chile por el IDIEM; valores no disponibles localmente fueron tomados
de [Hohmann 1997], [VDI 1994], [DIN V 4108-4], [DIN EN ISO 13370] y [Gut 1993]; las características
térmicas del barro fueron tomadas con preferencia de [Minke 1999], [Minke 2001] y [DIN 18953].
3. Algunos valores característicos y factores de corrección propias de las normas térmicas fueron
determinados con simulaciones térmicas especiales para el clima local (ver capítulo 2.4.4).
4. Los datos climáticos mensuales y la radiación solar en superficies de diferentes orientaciones fueron
determinados de los datos horarios del TRY por razones de consistencia.
5. Fueron establecidos modelos simples especiales para elementos y aspectos de diseño, que no forman
parte de las normas térmicas, p. ej. ventilación nocturna.
6. Fue realizado un gran número de simulaciones térmicas para una gama amplia de parámetros de diseño
21
en una habitación con temperaturas que flotan libremente; los parámetros de simulación, p. ej.
coeficientes de transferencia de calor, fueron escogidos de forma adaptada a los valores de las normas
térmicas, pero no se efectuó ninguna simplificación al modelo de simulación propiamente tal.
7. Se calculó los grados-hora diarios de calor Gh26o para el mes más caluroso de verano (enero) y los
grados-hora diarios de frío Gh19o para el mes mas frío de invierno (julio) con un programa propio a partir
de los resultados de las simulaciones térmicas.
8. El análisis regresivo de la correlación entre las características térmicas básicas del cálculo simples por
un lado y los resultados de confort térmico de las simulaciones por el otro lado permitió establecer las
funciones correlativas más aptas para el verano y el invierno. Además fueron optimizados algunos
parámetros del modelo en este paso para obtener la mejor correlación posible. La identificación de las
características térmicas más significativas y de modelos matemáticos adecuados era crucial en este
paso.
9. El proceso simple de cálculo de acuerdo con las normas térmicas y las funciones de regresión fueron
implementados en un planillas de cálculo como programa (casa_pasiva.xls) para poder predecir las
condiciones de confort térmico en base a los parámetros de diseño o directamente a partir de las
características térmicas básicas del diseño.
2.4.2
Características térmicas básicas de una casa
Aquí se presenta un breve resumen del proceso de cálculo para las características térmicas básicas de una
habitación o casa. Esto incluye el modelo térmico simplificado utilizado por las normas térmicas, lo que
además ayuda a alcanzar un entendimiento de los procesos térmicos principales en una casa. Más detalles
se puede encontrar en las normas térmicas citadas (disponibles en Chile en la Universidad Técnica
Federico Santa María en Valparaíso y en el Instituto Nacional de Normalización INN en Santiago).
El balance energético de una casa pasiva sin calefacción se puede resumir de acuerdo con [DIN EN 832] (y
[E DIN EN ISO 13790]), usando la potencia media P = Q/t en vez de la energía Q durante el tiempo t en las
consideraciones siguientes. A diferencia de las normas citadas, aquí la temperatura interior puede ser
variable durante el mes.
Entonces, el balance energético para cualquier casa pasiva (temperaturas medias mensuales) se puede
resumir como sigue:
Ht (θi - θe) = (HT + Hv) (θi - θe) = Pg,eff = Pg η = (Ps + Pi) η
Los coeficientes de esta formula se explican en los siguientes párrafos:
El coeficiente de las perdidas totales de calor Ht es la suma del coeficiente de las perdidas de calor por
transmisión HT (de acuerdo con [DIN EN ISO 13789], [DIN EN ISO 6946] y [DIN EN ISO 13370]) y del
coeficiente de las perdidas de calor por ventilación Hv (de acuerdo con [DIN EN 832] o [E DIN EN ISO
13790]); θi es la temperatura interior, θr es la temperatura interior de referencia, asumida aquí como idéntica
a la temperatura base de 26°C en verano y 19°C en invierno; θe es la temperatura exterior media mensual;
las ganancias térmicas totales Pg son la suma de las ganancias solares Ps y de las ganancias internas Pi; se
multiplica enseguida con el factor de utilización η para obtener las ganancias efectivas Pg,eff. Las ganancias
solares fueron calculadas de acuerdo con [DIN EN 832] y su anexo D.5 incluyendo las ganancias solares a
través de elementos opacos y las pérdidas por radiación infrarroja de todos los elementos exteriores.
Ganancias solares opacas y radiación infrarroja son consideradas también en las simulaciones térmicas y
pueden asumir valores significativos aquí por causa del clima seco y del nivel muy bajo de aislamiento de
techos en algunos casos. Por eso las ganancias solares Ps (totales) son calculadas sumando las ganancias
solares por superficies transparentes Pst, las ganancias solares de superficies opacas Po y las pérdidas
adicionales por radicación infrarroja al cielo con las siguiente fórmulas:
Ps = Pst + Po – Hir (θe – θsky)
Pst = (I / t) A FF Fs Fc Fw g fa
con la radiación solar I durante el tiempo t en la superficie A (con marcos de ventanas, superficie
transparente A FF) y factores para sombreamiento Fs, cortinas Fc, marcos de ventanas FF y el factor Fw para
corregir el factor de ganancias solares g, que es definido solamente para radiación solar con incidencia
normal (= vertical a la superficie del vidrio) de acuerdo con [DIN EN 410]; el factor fa fue introducido
adicionalmente para considerar la reflexión de radiación solar para afuera, un efecto calculado por el
modelo de radiación detallado de DEROB-LTH, pero no considerado en las normas.
Las ganancias solares de superficies opacas Po son calculadas por la siguiente fórmula:
Po = (I / t) U A Rse αe Fs
con la radiación solar I durante el tiempo t en la superficie A con una absorbencia αe (p. ej. 30% para
blanco), la transmitancia térmica U, la resistencia térmica de superficie externa Rse y un factor de corrección
para sombreamiento Fs.
La consideración de las pérdidas adicionales por radicación infrarroja en Ps corresponde a la exigencia de
[DIN EN 832]. El coeficiente Hir de corrección para las perdidas adicionales de calor por radicación infrarroja
y la diferencia entre la temperatura del aire externo θe y la temperatura del cielo θsky se calcula para todos
22
las superficies transparentes y opacas como sigue:
Hir = U A Rse hr Ff = U A Rse 5W/m²K εr Ff
con la emisividad εr de la superficie externa para radiación infrarroja (p. ej. 90% para casi todos los
materiales), el coeficiente superficial de transferencia térmica externa por radiación infrarroja hr (hr =
5W/m²K εr aquí) y el factor de forma Ff que considera la relación geométrica entre la superficie y el cielo:
Ff = (1 + cos α) / 2
para una superficie con una inclinación α en relación con la horizontal (α >= 0 para todos los techos),
siendo Ff = 0,5 para superficies verticales y Ff = 1 para techos horizontales.
El factor de utilización η es calculado de acuerdo con las formulas de [DIN EN 832] como función de la
relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP y del constante de tiempo τ de la habitación o casa:
GP = Pg / (Ht (θr – θe));
η = (1 – GP a) / (1 – GP (a+1)) para GP ≠ 1
η = a / (a+1) para GP = 1
con τ = C / Ht; a = a0 + τ / τ0
El constante de tiempo τ indica la velocidad con la que una habitación o casa se calienta o enfría cuando
existe una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior. Los parámetros numéricos a0 y τ0 en la
fórmula fueron determinados de las simulaciones térmicas, porque los valores estándares en la norma son
para casas calefaccionadas.
De esta forma se puede describir las características térmicas básicas de una casa a partir de solo tres
parámetros, que permitirán predecir las condiciones de confort térmico:
♦ el coeficiente de perdidas totales de calor Ht en (W/K);
♦ la capacidad térmica C en (Wh/K);
♦ las ganancias térmicas totales Pg en (W).
2.4.3
Elementos especiales: espacio ático
El techo con espacio ático, que es bastante común en Chile, exige un tratamiento especial para su cálculo
térmico porque se trata de un segundo volumen térmicamente acoplado al espacio habitado. En Chile
además puede generar ganancias térmicas por elementos opacos significativos, que aportan al
sobrecalentamiento en verano cuando se trata de un techo de zinc y un cielo sin aislamiento térmico como
habían mostrado estudios propios anteriores.
La norma [DIN EN ISO 13789] describe como calcular las pérdidas de calor a través del ático, descrito aquí
para el caso que no hay intercambio de aire entre el interior y el ático. El coeficiente de las perdidas
específicas de calor HU en W/K, que corresponden al flujo de calor a través del ático entre el interior
habitado y el exterior, se calcula con:
HU = b Σ (Uc Ac)
Esto significa, que el coeficiente de perdidas entre interior y el ático en W/K (la suma de las pérdidas Uc Ac
sobre todas las áreas Ac del cielo) es ponderado por un factor de reducción b para obtener el coeficiente de
las perdidas efectivas entre el interior y el exterior:
b = Hue / (Hiu + Hue)
con el coeficiente de las perdidas específicas entre interior y el ático Hiu y el coeficiente de las perdidas
específicas entre el ático y el exterior Hue; el coeficiente Hue incluye también las pérdidas de calor del ático
por ventilación con el exterior Hv como descrito en [DIN EN 832]. HU entra de forma normal en la suma para
calcular el coeficiente de las perdidas totales: Ht = Hu + ....
El ático normalmente no tiene ventanas y ganancias solares por superficies transparentes, pero hay que
calcular las ganancias por elementos opacos (especialmente el techo) y la parte de ellos que llega al
interior. La norma no describe este caso de forma explícita, pero se puede adaptar el procedimiento de la
[DIN EN 832; anexo D.1] para invernaderos a este caso – las ganancias opacas y pérdidas por radiación
infrarroja del ático son ponderados por un factor (1 – b) y así entran en la suma del capítulo anterior para
calcular las ganancias solares PS:
Ps = (1 – b) [Po – Hir (θe - θsky)]ático + ...
El modelo de simulación para un espacio ático es mucho más detallado que para la cámara de aire en un
techo simple, especialmente para las resistencias superficiales interiores. Además las temperaturas y el
flujo de calor dentro de un espacio ático pueden alcanzar valores bastante fuera de lo normal en verano.
Por eso era necesario mejorar también el modelo en el cálculo simple y considerar en verano que el flujo de
calor dominante es desde el techo caliente hacia abajo y que es reducido por la baja emisividad infrarroja
del lado inferior de un techo metálico. Se escogieron los valores correspondientes para las resistencias
superficiales en el interior del espacio ático (techo y cielo). Las resistencias superficiales externas son
aproximadas como constantes porque son dominadas por la influencia del viento estimado de acuerdo con
23
la norma. En invierno se continua usando los coeficientes de resistencia superficial para una dirección
variable del flujo de calor. Este cálculo y los coeficientes están incluidos en la planilla de cálculo.
2.4.4
Determinación de los factores de corrección
Se precisaba de gran cuidado con los factores de corrección en la fórmula de las ganancias solares para
poder obtener una buena correlación con los resultados de las simulaciones térmicas:
♦ FF es un factor que puede ser determinado geométricamente de la relación entre el área transparente y
el área total de la ventana; es igual a 1 si los marcos son considerados de forma separada.
♦ El factor fa depende de la geometría y del color interno de la habitación, del tipo de ventana (simple o
doble) y del tamaño de la ventana, pero es prácticamente independiente de la orientación; valores
estándares fueron determinados con simulaciones térmicas como el cuociente de la radiación solar
absorbida y transmitida con valores resultantes que varían entre 90% y 95%.
♦ Factores de sombreamiento Fs para situaciones estándar se encuentran en [E DIN EN ISO 13790], [DIN
V 4108-6] y [DIN EN 410] o pueden ser determinados con mayor precisión a través de la comparación de
radiación solar incidente con y sin el elemento sombreador.
♦ Fw es un factor de corrección para ganancias solares con un ángulo non - vertical de incidencia de la
radiación solar y depende principalmente de la relación geométrica ventana - sol y de la dependencia
angular de la transmisividad de la ventana. Por eso el valor aproximado 0,9, ofrecido en [E DIN EN ISO
13790] para latitudes altas del hemisferio norte no es suficiente para 33,6° latitud sur aquí y Fw fue
calculado con simulaciones especiales de acuerdo con la definición en [DIN EN 410] con el modelo de
una “cámara de prueba” bajo condiciones estándar de 20°C temperatura interior y el clima del TRY de la
zona central, comparando dos simulaciones con ganancias solares y sin radiación solar (I = 0). Los
resultados aquí varían entre 71% y 93%, dependiendo del tipo de ventana, el mes (posición solar) y la
orientación. Son incluidas en la planilla de cálculo en una tabla para diferentes situaciones.
♦ La determinación del factor de corrección Fc para la reducción de las ganancias solares por las cortinas
exigió un procedimiento parecido a Fw, porque parte de la energía absorbida por las cortinas entra al
balance energético de la habitación. Los factores fueron optimizados para la mejor correlación posible en
verano, porque es en esta estación cuando son más importante. El resultado solamente depende del tipo
de cortina (absorbencia y transmisividad) y si la cortina es utilizada con una ventana simple o doble,
mientras que las dependencias de la orientación y del mes pueden ser despreciadas.
2.4.5
Estimación del confort térmico en invierno
Con las informaciones resumidas hasta ahora se puede calcular la relación entre ganancias efectivas y
pérdidas térmicas GPeff:
GPeff = GP η = Pg η / (Ht (θr - θe))
El factor de utilización η representa la parte (relativa) de las ganancias totales, que es utilizable. Así η
compensa por las ganancias que no son útiles para el confort térmico en el nivel de 19°C, porque la
temperatura interior operativa supera estos 19°C; cuando la temperatura interior de aire excede incluso los
26°C en invierno, se supone que la temperatura interior (de aire) es limitada a este valor. Esto se puede
alcanzar fácilmente con un aumento de la ventilación en las horas de ganancias excesivas, porque el
máximo de la temperatura exterior en julio es de solo 22,2°C. Matemáticamente, GPeff tiene un límite
superior de 1, porque η tiene un límite superior de 1/GP para GP>1 y grandes τ.
Del balance energético en el capítulo 2.4.2 se puede deducir fácilmente:
GPeff = Pg η / (Ht (θr - θe)) = Ht (θi - θe) / (Ht (θr - θe)) = (θi - θe) / (θr - θe)
Esto significa que GPeff mide el promedio del aumento relativo de la temperatura interior en comparación
con el aumento necesario para condiciones perfectas de confort térmico.
La regresión cuadrada entre los grados-hora diarios de frío Gh19o y GPeff es muy buena y graficada en la
figura 23 siguiente como “Gh19o/d (modelo)”. Los coeficientes de la correlación y los parámetros para τ
constan de la tabla 8 para la siguiente función:
Gh19o = m0 + m1 GPeff + m2 GPeff²
El gráfico en figura 23, que diferencia los puntos de acuerdo con la orientación, muestra que las
desviaciones no están relacionadas con este parámetro, pero los mejores diseños corresponden todos a la
orientación norte, que es la única aconsejable por esa razón. De la misma forma se ve en la figura 24
similar con los mismos diseños, que las mejores alternativas cuentan todas con un constante de tiempo τ
bastante grande sobre 32 horas lo que se explica por su construcción pesada de barro y bajas pérdidas de
calor por buen aislamiento térmico, que permiten un buen aprovechamiento de las ganancias solares e
internas.
El coeficiente de correlación r² entre los valores GPeff del cálculo simple y los resultados de las simulaciones
exactas Gh19o es muy bueno con un valor de 0,9922; por eso la estimación de los Gh19o solamente tiene un
error estándar de 4,0Kh/d, lo que para un valor medio de Gh19o de 150Kh/d corresponde a solo 2,7% de
discrepancia.
24
figura 23
Correlaciones de los grados-hora diarios de frío para diferentes orientaciones
en el mes más frío de invierno (julio) en Santiago de Chile
250
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
200
150
100
50
Gh19o/d (N)
Gh19o/d (S)
Gh19o/d (E)
Gh19o/d (O)
Gh19o/d (modelo)
Gh19o/d (modelo universal)
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
"ganancias efectivas" / "pérdidas totales" = GPeff
figura 24
Correlaciones de los grados-hora diarios de frío para diferentes constantes de tiempo τ
en el mes más frío de invierno (julio) en Santiago de Chile
250
200
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
150
100
50
Gh19o/d : tau=]0h-16h]
Gh19o/d : tau=]16h-24h]
Gh19o/d : tau=]24h-32h]
Gh19o/d : tau=]32h-96h]
Gh19o/d (modelo)
Gh19o/d (modelo universal)
0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
"ganancias efectivas" / "pérdidas totales" = GPeff
0,8
0,9
1,0
25
Un segundo “modelo universal” no depende de los coeficientes de la correlación (m0, m1, m2) y ofrece una
precisión solo levemente reducida se muestra junto con el modelo anterior: este “modelo universal” depende
solamente de los parámetros para η (a0, τ0) y su función establece una conexión lineal entre los grados-hora
diarios de frío Gh19 para el aire exterior (272,6Kh/d) para GPeff = 0 sin ganancias, es decir el clima, y
Gh19o = 0 para GPeff = 1, así que sería fácil adaptar esa relación para otras zonas climáticas, en tanto que
los factores de corrección del capitulo anterior continúan válidos o son sustituidos por valores adaptados. La
pequeña diferencia con la correlación exacta puede ser resultado de que aquí se usa temperaturas
operativas para describir el confort térmico y que las temperaturas superficiales en invierno son típicamente
más bajas que las temperaturas de aire. Ninguna simulación térmica adicional sería necesaria para
establecer este modelo universal para una zona climática y latitud parecida, así que constituye un resultado
y una herramienta adicional interesante para casas pasivas en invierno.
tabla 8
Valores de los coeficientes de la correlación y de los parámetros para el cálculo de η
Parámetro
temperatura de referencia para el confort térmico: θr
coeficiente para calcular el factor de utilización η: a0
coeficiente para calcular el factor de utilización η: τ0
factor de corrección para el factor de utilización η: fQi
coeficiente para calcular la ventilación nocturna: fVN
factor de corrección para el factor de utilización η: fo,N
factor de corrección para el factor de utilización η: fo,E
factor de corrección para el factor de utilización η: fo,S
factor de corrección para el factor de utilización η: fo,W
coeficiente para calcular el factor de utilización η: fγ
coeficiente para la correlación: m0
coeficiente para la correlación: m1
coeficiente para la correlación: m2
coeficiente para la correlación: m3
coeficiente de correlación: r²
error estándar de los valores Gh19o y Gh26o estimados
2.4.6
Julio (invierno) Enero (verano) Unidad
19
26 °C
0,4
0 1
8
6 h
0,769 1
0,0729 K/h
1,000 1
0,858 1
0,934 1
0,898 1
0,772 1
272,86
0,00 Kh/d
-248,92
376,98 Kh/d
-23,94
-795,19 Kh/d
846,07 Kh/d
0,9922
0,9814 1
4,00
1,98 Kh/d
Estimación del confort térmico en verano
Tomando como indicio los trabajos de [Kolmetz 1996] y [Hauser 1997] para Alemania, en verano se puede
esperar una correlación entre los grados-hora diarios de calor Gh26o y las ganancias excesivas, que no son
utilizables para la compensación de pérdidas de calor a la temperatura de referencia θr, utilizando la
relación entre ganancias excesivas y pérdidas térmicas GPexc:
GPexc = Pg (1 - η) / ( Ht (θr - θe) ); con θr = 26°C aquí
(1 - η) representa el porcentaje de las ganancias totales, que no es utilizable en el nivel de 26°C y por eso
es causa de un sobrecalentamiento por encima de esta temperatura de referencia.
La correlación de Gh26o con GPexc era promisoria, pero las desviaciones de la correlación todavía estaban
superiores a la situación de invierno. Por eso, la introducción de factores de corrección era necesario para
calcular mejor la relación entre ganancias excesivas y pérdidas térmicas GPexc en verano; además el efecto
de la ventilación nocturna es considerado con PVN (ver más adelante):
GP = (Pst fo,orient + (Po – Hir (θe - θsky)) + Pi fQi) / (Ht (θr - θe) + PVN)
El significado de estas correcciones se ve mejor con una pequeña transformación y calculando GPexc:
⇒ GPexc = (Pst {fo,orient (1 - η)} + (Po – Hir (θe - θsky)) (1 - η) + Pi {fQi (1 - η)} ) / (Ht (θr - θe) + PVN)
De las expresiones entre { } se ve, que efectivamente se trata de correcciones del porcentaje de ganancias
no utilizables (excesivas) dependiendo de su origen: este porcentaje es una magnitud básicamente
dinámica en verano y depende de la coincidencia en el tiempo de ganancias excesivas y temperaturas
altas, que el modelo estático de las normas térmicas no puede considerar con suficiente precisión. Por
ejemplo, la parte de las ganancias internas que ocurre durante las noches, que incluso en verano son
frescas en esta zona climática, prácticamente no aporta al sobrecalentamiento, lo que explica el valor bajo
de fQi. Los factores fo,orient asumen diferentes valores en función de la orientación de la ventanas (N, E, S, O)
y así consideran diferencias dinámicas entre las orientaciones; el valor para norte fue definido como fo,N = 1
para limitar las correcciones a estas diferencias sin modificar las ganancias solares en general. Las
ganancias opacas no fueron modificadas, porque corresponden a diferentes orientaciones, incluyendo el
techo, y su dinámica depende mucho del constante de tiempo de los diferentes elementos opacos, quiere
26
decir del tiempo que el calor demora para atravesar un elemento opaco y que puede variar entre casi 0
(techo de "zinc") y muchas horas (muro grueso y pesado). La forma de la curva para η recibió una pequeña
modificación con un factor de corrección fγ:
η = (1 - (fγ GP) a) / (1 - (fγ GP) (a+1)) para (fγ GP) ≠ 1
η = a / (a+1) para (fγ GP) = 1
La ventilación nocturna (VN) es esencial para la climatización pasiva en esta zona de clima mediterráneo,
pero no es considerada en las normas [DIN EN 832] y [E DIN EN ISO 13790] hechas para calefacción. El
efecto refrigerador de la ventilación nocturna depende fuertemente de la capacidad térmica C de una
habitación o casa, así que la ventilación nocturna fue considerada con una pérdida de calor adicional PVN
(promedio diario en W), proporcional a la capacidad térmica C, de la siguiente forma:
PVN = fVN C (C en Wh/K)
Los factores de corrección y el constante fVN fueron determinados para obtener un valor máximo para el
coeficiente de correlación r² del análisis de regresión entre los resultados de simulaciones térmicas Gh26o y
la relación entre ganancias excesivas y pérdidas térmicas GPexc del cálculo simple de las normas. Los
valores de todos los coeficientes están documentados en la tabla 8 anterior y la función de correlación
consta de la figura 25 para la siguiente función:
Gh26o = m0 + m1 GPexc + m2 GPexc² + m3 GPexc³
figura 25 Correlación de los grados-hora diarios de calor para diferentes orientaciones
en el mes más caluroso de verano (enero) en Santiago de Chile
70
60
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
50
40
30
20
10
Gh26o/d (N)
Gh26o/d (S)
Gh26o/d (E)
Gh26o/d (O)
Gh26o/d (modelo)
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
"ganancias excesivas" / "pérdidas totales" = GPexc
0,35
El gráfico similar figura 26, que diferencia los mismos puntos de acuerdo con la realización de ventilación
nocturna, muestra que las desviaciones no están relacionadas con este parámetro, es decir que la
ventilación nocturna es considerada de forma adecuada en el modelo. En cambio se puede observar que
los mayores problemas de confort son relacionados con la falta de ventilación nocturna, tanto por el criterio
de los grados-hora diarios de calor como por el criterio de la relación entre ganancias excesivas y pérdidas
totales. De forma análoga se puede observar en la figura 25 que la orientación no está relacionada con las
desviaciones, pero los mayores problemas de sobrecalentamiento corresponden a casas con orientación
este y oeste, que por eso no es aconsejable.
27
figura 26
Correlación de los grados-hora diarios de calor sin y con ventilación nocturna
en el mes más caluroso de verano (enero) en Santiago de Chile
70
60
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
50
40
30
20
10
Gh26o/d (con vn)
Gh26o/d (modelo)
Gh26o/d (sin vn)
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
"ganancias excesivas" / "pérdidas totales" = GPexc
0,30
0,35
A diferencia de otros modelos simples de diseño elaborados para zonas climáticas en Europa y Alemania,
con el método aquí presentado se puede estimar los grados-hora diarios de calor en verano y no solamente
el número de horas con temperaturas excesivas como con el “Method 5000” en [Goulding 1992] y una sola
función de correlación contiene todos los casos.
El coeficiente de correlación r² entre los valores GPexc del cálculo simple y los resultados de las
simulaciones exactas Gh26o es muy bueno con un valor de 0,9814 por eso la estimación de los Gh26o
solamente tiene un error estándar de1,98Kh/d, lo que para un valor medio de Gh26o de 40Kh/d corresponde
a solo 5% de discrepancia.
2.4.7
Calificación del diseño térmico por las condiciones de confort térmico
La calificación del diseño térmico en la tabla 9 partió por la evaluación de la reducción relativa del disconfort
térmico en verano e invierno en comparación con el máximo posible en invierno y el máximo encontrado en
las simulaciones de verano. A partir de eso se llegó a la calificación del diseño térmico entre pasivo, cuando
el diseño compensa prácticamente por completo los efectos del clima, hasta simplemente insuficiente,
cuando las condiciones interiores son iguales o incluso peores (en verano) que la intemperie. Para dar un
ejemplo: más de 40Kh/d de sobrecalentamiento en verano significan 13 horas diarias con más de 29°C,
bastante superior a la temperatura exterior; la distribución en solo 13 horas es realista, porque por la noche
baja la temperatura en una casa con la ventilación y por las temperaturas exteriores bajas.
tabla 9
Calificación del diseño térmico por las condiciones de confort térmico
período frío
(invierno)
GPeff
Gh19o/d
(Kh/d)
> 0,95
< 15
0,9 - 0,95
< 30
0,8 – 0,9
< 60
0,5 – 0,8
< 150
< 0,5
> 150
eficiencia en la
reducción
del disconfort
térmico
> 95%
90% – 95%
80% – 90%
50% – 80%
< 50%
calificación
del
diseño
térmico
pasivo
bueno
aceptable
mejorable
insuficiente
calificación de las
condiciones
de confort térmico
seguro / muy buenas
bueno
pocos problemas
problemas seguros
problemas grandes
período
(verano)
Gh26o/d
(Kh/d)
< 4
< 8
< 15
< 40
> 40
caluroso
GPexc
< 0,008
0,008 – 0,015
0,015 – 0,025
0,025 – 0,130
> 0,130
28
Las calificaciones de confort y las recomendaciones para GPeff y GPexc consideran también el rango de
variabilidad y la inseguridad en la estimación de los valores exactos de las simulaciones térmicas a través
del cálculo simple como se las puede observar en figura 23, figura 24, figura 25 y figura 26.
Hay que tener en cuenta que una casa puede recibir calificaciones diferentes en verano e invierno y que un
diseño simplemente bien hecho y manejado puede alcanzar condiciones por lo menos buenas en verano,
mientras que en invierno un diseño pasivo o bueno exige también un esfuerzo económico, especialmente
para el mejor aislamiento térmico, como se puede observar en los ejemplos de los capítulos 3.1 y 3.3.
Como resumen se propone para una casa bien diseñada y económicamente accesible:
♦ en invierno, un valor de GPeff entre 0,9 y 0,95 es recomendable, tomando en cuenta las reducidas
exigencias de confort en Chile y porque las temperaturas más bajas típicamente ocurren por la mañana
antes de la salida del sol, cuando temperaturas inferiores a 19°C son más aceptables;
♦ en verano, un valor de GPexc inferior a 0,008 es recomendable y alcanzable, considerando que la
temperatura máxima de 26°C debería ser excedida solamente en pequeña medida en una casa usada
durante el día.
2.4.8
Resumen de las aplicaciones posibles de las herramientas de cálculo
El los capítulos anteriores se presentó herramientas novedosas de cálculo, que permiten la estimación del
confort térmico a través de la correlación entre las características térmicas básicas de una casa, calculadas
de forma simple, y las condiciones de confort descritas por los grados-hora diarios de calor o frío. Estas
herramientas pueden ser utilizadas de diferentes formas:
1. Para su destino original – la estimación de las condiciones de confort térmico:
♦ en las primeras fases de diseño con una estimación aproximada de las características térmicas
básicas del diseño (Ht, C y Pg) para obtener una primera idea de los niveles necesarios y
mejoramientos recomendables;
♦ en fases más avanzadas del diseño con un cálculo simple completo para evaluar, si el tamaño y la
calidad de los elementos de construcción previstos en un diseño son suficientes para alcanzar las
condiciones de confort deseadas (p. ej. tamaño de ventanas, niveles de aislamiento térmico);
♦ como herramienta inicial para la concepción de estudios paramétricos detallados con simulaciones
térmicos de un diseño complejo; esto facilita aumentar considerablemente la eficiencia de las
simulaciones y así permite economizar tiempo;
♦ como una herramienta simple para estudios paramétricos de estudiantes.
2. Para formular recomendaciones de diseño:
♦ las herramientas de estimación de confort térmico permiten recomendaciones cuantitativas de diseño
en términos de la relación entre ganancias efectivas y pérdidas térmicas GPeff para el invierno y de la
relación entre ganancias excesivas y pérdidas térmicas GPexc para el verano (ver capítulo 2.4.7);
♦ estos recomendaciones son presentadas en el capítulo 3.2 basados en las características térmicas
del diseño y los parámetros del cálculo térmico;
♦ se puede analizar los resultados de las simulaciones con gráficos que diferencian los puntos de
acuerdo con diferentes parámetros y características de diseño como en los gráficos anteriores: p. ej.
se puede observar fácilmente que en invierno la orientación norte obtiene las mejores ganancias
solares y condiciones de confort, mientras que en verano se puede observar los grandes problemas
que causan las orientaciones este y oeste, que por eso no son recomendables (ver capítulos 2.4.5 y
2.4.6).
Estas aplicaciones pueden ser útil tanto para el proceso de diseño mismo como para futuras extensiones
de normas térmicas, especialmente con respecto a casas pasivas y el confort térmico en verano.
3. Para una mejor comprensión del diseño pasivo:
♦ las características térmicas básicas de un diseño pasivo son descritas por los parámetros primarios,
que todavía dependen del tamaño de un espacio habitado:
⎯ el coeficiente de pérdidas totales de calor Ht en W/K;
⎯ la capacidad térmica C en Wh/K;
⎯ las ganancias térmicas totales Pg en W.
♦ las características térmicas básicas de un diseño pasivo pueden ser comprendidas a través de los
parámetros secundarios identificados aquí, que son combinaciones de los anteriores y universales
por ser independientes del tamaño de un espacio habitado:
⎯ el constante de tiempo τ (= C/Ht) en horas mide la velocidad con la cual una casa se calienta o
enfría;
⎯ el factor de utilización η como porcentaje mide la eficiencia de la utilización de las ganancias
solares e internas, respectivamente la parte complementaria (1 - η), que causa el
sobrecalentamiento;
⎯ la relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP = Pg/(Ht(θr − θe) es el indicador relevante para
29
la magnitud relativa de las ganancias;
⎯ en invierno, la relación entre ganancias efectivas y pérdidas térmicas GPeff = (θi - θe)/(θr - θe) mide
el promedio del aumento relativo de la temperatura interior en comparación con el aumento
necesario para condiciones perfectas de confort térmico;
⎯ en verano, la relación entre ganancias excesivas y pérdidas térmicas GPexc mide la cantidad
relativa de las ganancias excesivas de calor y con eso indica el riesgo de sobrecalentamiento.
30
3
Recomendaciones de diseño pasivo
3.1
Recomendaciones de diseño por aspecto constructivo para la zona central de Chile
En éste capítulo se muestra la variación del comportamiento térmico en función de los aspectos
constructivos más importantes para facilitar el entendimiento de las recomendaciones de diseño. El
comportamiento térmico se caracteriza aquí a través de los grados-hora diarios de calor en verano (valores
positivos, diciembre hasta febrero) y de los grados-hora diarios de frío en invierno (valores negativos, mayo
hasta septiembre; las escalas en los gráficos para calor y frío son diferentes y variables). En ambas
estaciones del año, los mejores diseños son aquellos, cuyos valores se aproximan más al cero, porque la
distancia del cero corresponde al grado de disconfort térmico. Se seleccionó casos correspondientes de las
simulaciones térmicas realizadas para la elaboración de las herramientas de cálculo, así que cada punto en
las figuras de este capitulo corresponde al promedio de varios diseños que comparten el aspecto
constructivo indicado. Así las tendencias y las variaciones mostradas en cada figura o grupo de figuras son
más significativas y universales que comparaciones paramétricas donde se comparan solamente diseños
únicos. En cada figura, lo importante es la tendencia de la variación y la diferencia entre diferentes diseños
básicos, mientras que para un valor absoluto sería necesario realizar el cálculo del caso específico.
Si no hay otra indicación con la figura, aquí se compararán tres tipos de construcciones básicas:
1. casas de tabique (muro tabiquería, con paneles huecos y estructura de madera), sin aislamiento
térmico con muros internos de tabique y piso de cemento: construcción liviana;
2. casas de tapial (tierra apisonada) con muros internos de tabique y piso de cemento: construcción
pesada (nota: térmicamente el adobe se comporta igual al tapial si la densidad de la tierra es igual);
en estos dos casos y el de ladrillo, el techo considera 80mm de aislamiento térmico; casas con y sin
sombreamiento móvil y ventilación nocturna en verano son consideradas; las ventanas pueden ser
“pequeñas”, “normales” o ”grandes”, realizadas como ventana simple o doble; las infiltraciones de aire
pueden ser de 1, 2 o 4 cambios por hora.
3. casas pasivas corresponden a un diseño mejorado con muros de tapial aislado exteriormente, muros
internos de tabique y piso de cemento; el techo considera 150mm de aislamiento térmico; las casas
pasivas siempre consideran sombreamiento móvil y ventilación nocturna en verano; las ventanas pueden
ser ”grandes” o “máximas”, realizadas como ventana doble o doble con una superficie de baja emisividad
infrarroja, lo que reduce aún más las perdidas térmicas; las infiltraciones de aire puede ser de 0,5 o 1
cambio por hora.
Las ganancias internas de calor son consideradas con 5W/m², la orientación de la fachada exterior puede
ser Norte, Este, Oeste o Sur. Por la consistencia de los diseños, no siempre fueron consideradas todas las
combinaciones teóricamente posibles. Las simulaciones fueron seleccionadas del conjunto usado para las
herramientas de cálculo, así que mayores detalles constructivos se encuentran en el capítulo 2.4.1.
En las dos figuras siguientes se analiza el comportamiento térmico en función del coeficiente de pérdidas
totales, que suma las pérdidas por la envolvente y por ventilación.
La figura 27 muestra el comportamiento térmico en función del aislamiento térmico de la envolvente para
casas de diferentes orientaciones con protección solar y ventilación nocturna en verano; las ventanas aquí
son de tamaño normal y simples, respectivamente ventanas grandes dobles en el caso de la casa pasiva.
La gran importancia del aislamiento del techo para el confort térmico llama la atención en verano: la causa
son las grandes ganancias solares no deseables de un techo de poca inclinación sin aislamiento térmico,
que recibe gran cantidad de radiación solar en verano y traspasa esa energía excesiva al interior. El
aislamiento térmico tiene poco y además ambiguo efecto en el confort térmico en verano, porque un mejor
aislamiento puede impedir que el exceso de ganancias térmicas es transportado al exterior (especialmente
durante el día), pero también puede reducir ganancias térmicas no deseadas a través de elementos opacos,
especialmente el techo. El efecto neto depende del nivel de referencia y de los detalles de la variación de
temperatura durante el día. Por eso, el mejoramiento menor de la casa de tabique a la casa de ladrillo y de
tapial en verano se explica también por la capacidad térmica creciente, que es importante en esta estación
(ver figura 33).
En invierno, las condiciones de confort térmico siempre mejoran de forma proporcional a la reducción de las
pérdidas de calor con el material de los muros y el aislamiento térmico adicional.
Así los niveles de aislamiento térmico deben ser aumentados de acuerdo con las necesidades de invierno –
en los momentos de sobrecalentamiento existe la alternativa más flexible de aumentar las pérdidas de calor
por ventilación de forma selectiva y más adecuada.
La figura 28 muestra la importancia de la ventilación: solamente en verano, la ventilación nocturna es
considerada con 10 cambios de aire por hora desde las 20 hasta las 6 horas (hora solar). En las casas de
tabique y de tapial, la tasa constante varía de 1 a 2 a 4 cambios de aire por hora; en la casa pasiva, que
debería contar con ventanas de mejor hermeticidad, la tasa constante varía de 0,5 a 1 a 4. La mejor
31
estrategia en verano es la ventilación nocturna y bajo esta condición un aumento de las infiltraciones
generales tiene solamente un pequeño efecto negativo por la entrada de aire caliente durante el día. En una
casa con un coeficiente de pérdidas térmicas relativamente alto como la de tabique y de tapial (con
ventanas simples), la variación de la ventilación constante en verano hace poca diferencia. En el caso de la
casa pasiva con un coeficiente muy bajo, un aumento de la ventilación constante por lo menos permite
compensar este coeficiente bajo en verano y eliminar el excedente de ganancias térmicas. Obviamente la
estrategia más recomendable sería un aumento selectivo de la ventilación – la ventilación nocturna. En
invierno la situación es más simple: un aumento de la tasa de ventilación siempre aumenta las pérdidas de
calor y con eso empeora las condiciones de confort. Este efecto es especialmente dramático en la casa
pasiva, donde se perdería casi todo el efecto del mejor aislamiento por una falta de hermeticidad o de cierre
de las ventanas y puertas.
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
ningún
aislamiento
techo aislado techo y muro
aislado
Casa de tabique (ver.)
Casa de tapial (ver.)
Casa de ladrillo (inv.)
casa pasiva
Casa de ladrillo (ver.)
Casa de tabique (inv.)
Casa de tapial (inv.)
Tasas y estrategias de ventilación
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
vent. baja y vent. alta y
nocturna
nocturna
Casa de tabique (ver.)
Casa pasiva (ver.)
Casa de tapial (inv.)
vent. baja
const.
vent. alta
const.
vent. muy
alta const.
Casa de tapial (ver.)
Casa de tabique (inv.)
Casa pasiva (inv.)
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
200
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 28
Aislamiento térmico
20
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 27
32
figura 29
Estrategias de climatización pasiva en verano
60
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
50
40
30
20
10
0
sin ventilación nocturna
con ventilación
sin ventilación nocturna,
con ventilación
con ventilación nocturna
y protección s.
nocturna, sin protección
con protección s.
aumentada y protección
y protección s.
s.
s.
Casa de tabique, piso liviano (ver.)
Casa de tabique (ver.)
Casa de tapial (ver.)
Casa pasiva (ver.)
En la figura 29 se analiza las estrategias de climatización pasiva en verano y el papel importante de la
ventilación en eso. La medida más importante en verano es la protección solar, especialmente en las
fachadas que reciben altos índices de radiación solar en verano (ver figura 19). Incluso en los diseños que
cuentan con una capacidad térmica suficiente, o sea con por lo menos un elemento grande pesado, el
sombreamiento solo es más eficiente que la ventilación nocturna sola. Solo después de introducir una
buena protección solar corresponde pensar en una adecuada ventilación nocturna para perfeccionar las
condiciones de confort. La estrategia de ventilación nocturna es bastante simple: En épocas de verano
conviene aumentar las tasa de ventilación siempre cuando la temperatura interior es más alta que la
temperatura exterior. La manera más eficiente es la ventilación cruzada entre lados opuestos de la casa y
con aberturas internas, que permiten el paso de las corrientes de aire fresco. Pero también se puede pensar
en extractores de aire (adicionales) o incluso algún extractor de aire con ventilador eléctrico de bajo
consumo, si no hay otra alternativa. La ventilación nocturna es especialmente importante en una casa
pasiva que por su buen aislamiento térmico no puede liberarse de las ganancias solares (e internas)
excesivas salvo por ventilación. La ventilación nocturna pierde su efecto cuando falta capacidad térmica
para absorber el excedente de calor durante el día para liberarlo después durante la noche – eso se ve
claramente en la casi nula diferencia de sobrecalentamiento con o sin ventilación nocturna en la casa de
tabique con piso liviano, tanto sin como con protección solar. En una casa sin capacidad térmica
significativa (o sea sin elementos pesados), la mejor estrategia de ventilación es una ventilación constante
aumentada (4 cambios por hora aquí). No obstante, una casa demasiado liviana no puede ofrecer
condiciones de confort térmico en verano en este clima caluroso y muy asoleado.
La figura 30, figura 31 y figura 32 en lo siguiente representan algunos valores típicos para el coeficiente de
pérdidas totales Ht, la capacidad térmica C y el constante de tiempo τ resultante. Los valores corresponden
a los casos analizados en este capitulo y fueron calculados como descrito en el capítulo 2.4.2.
33
figura 30
Valores típicos:
coeficiente de pérdidas totales Ht
figura 31
2000
90
80
1500
70
capacidad térmica (Wh/K)
coeficiente de pérdidas totales de calor (W/K)
100
Valores típicos:
capacidad térmica C
60
50
40
30
20
10
1000
500
0
piso liviano
0
ningún
aislamiento
Casa de tabique
techo aislado
techo y muro
aislado
Casa de ladrillo
casa pasiva
Casa de tapial
Casa de tabique
piso pesado,
muros internos
livianos, dos
fachadas
piso pesado,
piso y muros
muros internos internos pesados
livianos
Casa de ladrillo
Casa de tapial
Las diferencias de pérdidas totales en los casos sin aislamiento en los muros corresponden a las
diferencias de la transmitancia térmica de los muros, en el caso de los muros aislados, el espesor del
aislamiento había sido calculado para obtener la misma transmitancia. La pequeña diferencia de capacidad
térmica entre las casas de tabique y de tapial con muros internos pesados es resultado de las ventanas
grandes en la casa de tapial que efectivamente deja poca superficie de tapial externo aquí. Una constante
de tiempo muy buena solamente es posible con una combinación de gran capacidad térmica y bajas
pérdidas térmicas, el puro aumento de la capacidad térmica no es suficiente.
En estas figuras, las ventanas fueron consideradas con tamaño normal y como ventana simple
respectivamente tamaño grande y ventana doble en la casa pasiva. Ventanas más grandes reducen la
capacidad térmica levemente por la reducción de superficie de muro externo y normalmente aumentan las
pérdidas de calor por las mayores pérdidas térmicas de ventanas en comparación con la parte del muro
exterior que ellos sustituyen. De eso resultaría una constante de tiempo un poco más pequeña. Pero estos
efectos son menores. El tamaño de una habitación o cuarto también modifica estos valores al cambiar la
relación entre las superficies de elementos pesados y el volumen. En caso de necesidad de mayor
precisión, los valores pueden ser calculados como descrito antes o con las herramientas incluidas en
planilla de cálculo.
figura 32 Valores típicos: constante de tiempo τ = C / Ht
60
50
40
constante de tiempo (h)
30
20
10
0
sin masa térmica
(tabique)
piso pesado
(tabique)
ningún aislamiento
piso y muros
externos pesados
(ladrillo)
piso y muros
externos pesados
(tapial)
techo aislado
piso y muros
internos pesados
(tabique)
casa pasiva:
piso y muros
pesados (tapial)
techo y muro aislado
34
Capacidad térmica y masa térmica
40
200
30
150
20
100
10
50
0
0
-10
-50
-20
-100
-30
-150
-40
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 33
-200
sin masa térmica
(tabique)
piso pesado
(tabique)
piso y muros
piso y muros
piso y muros
casa pasiva:
externos pesados externos pesados internos pesados
piso y muros
(ladrillo)
(tapial)
(tabique)
pesados (tapial)
sin aislamiento externo (ver.)
con aislamiento externo (ver.)
sin aislamiento externo (inv.)
con aislamiento externo (inv.)
El efecto de la masa y capacidad térmica se analiza con más detalle en la figura 33: Todos los casos
comparados incluyen ventilación nocturna en verano con diferentes orientaciones, tipos y tamaños de
ventanas. Las casas sin masa térmica son de tabique con piso liviano de madera, las de piso pesado (de
cemento sobre tierra) son de tabique, los muros pesados son de tapial y los muros internos pesados de
adobe parado; la casa pasiva además tiene mejor aislamiento térmico y mejores ventanas. Tanto en verano
como en invierno es importante contar con por lo menos un elemento pesado de gran superficie, p. ej. el
piso, para alcanzar un nivel razonable de capacidad térmica. Un aumento más allá de eso tiene efectos
positivos pero en menor grado. El papel de la capacidad térmica consiste en reducir la variación de
temperaturas internas entre día y noche. En verano eso evita extremos de temperatura por la tarde y es la
base del funcionamiento de la ventilación nocturna. En invierno – más exacto la época fría – la capacidad
térmica permite almacenar las ganancias solares del día para mantener una temperatura agradable a partir
del final de la tarde cuando la temperatura exterior baja con la desaparición del sol. De otra forma las
ganancias solares pueden llevar al rápido sobrecalentamiento, especialmente en días asoleados sin mucho
frío durante el día (primavera y otoño). Como consecuencia las ganancias excesivas son eliminadas a
través de un aumento de la ventilación, cuando la temperatura del aire interior sobrepasa el límite de 26°C y
así son perdidas. Este efecto fue considerado en todas las simulaciones aquí y se transforma en la
reducción del factor de utilización en casas con poca capacidad térmica y constante de tiempo pequeño.
tabla 10 Tamaño relativo de ventanas (una habitación de una casa)
Tamaño relativo a la superficie de fachada relativo a la superficie de piso
pequeño 14% (2 fachadas externas)
20%
normal
25% (1 fachada externa)
20%
grande
50% (1 fachada externa)
40%
máximo
82% (1 fachada externa)
65%
Los números en esta tabla solamente tienen carácter informativo de acuerdo con los costumbres de
arquitectura. El desarrollo y análisis de los métodos de cálculo aquí ha mostrado, que lo más importante
para el comportamiento térmico no es una simple relación de áreas geométricas, sino la relación entre
35
ganancias térmicas y pérdidas térmicas, que además de las áreas depende de las características térmicas
de los elementos respectivos (más detalles en el capítulo 3.2).
En figura 34 se compara el comportamiento térmico en función de la orientación de las ventanas para tres
tipos de casas: de tabique, de tapial y pasiva: En invierno, el mejor comportamiento térmico corresponde a
la orientación norte; este y oeste son casi iguales y bastante inferiores, mientras la orientación sur causa los
mayores problemas de frío. Esta variación corresponde directamente a la cantidad de radiación solar que
incide en la fachada de acuerdo con su orientación. En verano, una fachada sur también recibe solamente
una pequeña cantidad de radiación solar y por eso es poco crítica, pero la fachada norte también recibe
poca radiación solar por la gran altura del sol en esta época, incluso menos que la fachada sur en diciembre
y enero. Mientras tanto, las fachadas este y oeste reciben grandes cantidades de radiación solar por la
mañana respectivamente por la tarde; en el caso oeste además coinciden las altas temperaturas exteriores
de la tarde con la incidencia solar, lo que explica su peor comportamiento.
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
Norte
Este
Oeste
Sur
Tamaño de las ventanas
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
pequeño
normal
grande
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
200
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 35
Orientación de las ventanas
20
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 34
máximo
Casa de tabique (ver.)
Casa de tapial (ver.)
Casa pasiva (ver.)
Casa de tabique (ver.)
Casa de tapial (ver.)
Casa pasiva (ver.)
Casa de tabique (inv.)
Casa de tapial (inv.)
Casa pasiva (inv.)
Casa de tabique (inv.)
Casa de tapial (inv.)
Casa pasiva (inv.)
En invierno la diferencia entre la casa de tabique y la de tapial es mucho menor que la diferencia de ambos
con la casa pasiva: esto se explica por la gran importancia y reducción de las perdidas de calor de la casa
pasiva, mientras que la capacidad térmica es de menor importancia en invierno. En verano, la casa de tapial
muestra un mejor comportamiento que la casa de tabique debido a su mayor capacidad térmica que es
esencial en verano. El comportamiento relativamente desfavorable de la casa pasiva orientada al este y
oeste se explica justamente por sus bajas pérdidas de calor, que en verano deberían ser compensadas por
mayor protección solar y ventilación. De cualquier forma, la única orientación adecuada para una casa
pasiva es la norte, para no perder buena parte de los efectos térmicos de las mejoras de diseño. En todos
los diseños, la orientación norte representa el mejor compromiso para las diferentes estaciones del año.
En la figura 35 se compara el comportamiento térmico en función del tamaño de las ventanas: En verano, el
tamaño de las ventanas aumenta el riesgo de sobrecalentamiento lo que debe ser compensado por
medidas de protección solar y ventilación adecuadas. Esta necesidad se acentúa en diseños con menores
pérdidas de calor, especialmente la casa pasiva: mientras que las casas pasivas con ventanas grandes
muestran buen comportamiento térmico en verano gracias a la ventilación nocturna, su gran capacidad
térmica y la protección solar, en el caso de las ventanas de tamaño máximo haría falta un mejoramiento de
la protección solar para las orientaciones este y oeste. En la comparación aquí, un aumento del tamaño de
las ventanas siempre es favorable en invierno debido a la relativa abundancia de radiación solar en la zona
y las temperaturas amenas de invierno. No obstante, en una casa con calefacción o menores ganancias
solares por sombreamiento externo, el crecimiento de las pérdidas de calor con grandes ventanas,
especialmente simples, limitaría el tamaño máximo de ventanas.
La figura 36 muestra este efecto en invierno para casas de tabique y tapial con aislamiento térmico y
ventanas simples. Las ganancias internas de 10W/m² aquí aumentan la temperatura interior y con eso la
importancia relativa de las pérdidas de calor frente a las ganancias, aunque en menor grado que lo haría la
calefacción. Pasando de una ventana de tamaño normal a ventanas grandes, el gran aumento de las
pérdidas de calor entre un muro de tabique aislado y una ventana simple sobrecompensa el aumento de las
ganancias solares para todas las orientaciones. La diferencia crece de orientación norte a este / oeste y sur,
porque la radiación solar y las ganancias solares disminuyen en este sentido mientras que las pérdidas de
calor quedan constantes. En general, las temperaturas amenas de invierno, los altos índices de radiación
solar y el nivel normalmente más bajo de aislamiento térmico de los muros permiten mayores ventanas y
ganancias solares más grandes aquí en comparación con los países del centro y norte de Europa.
En verano las ventanas más grandes aumentan los problemas de sobrecalentamiento ya conocidos. No
36
obstante sus pérdidas de calor idénticas, la casa de tapial muestra mejores condiciones de confort, tanto en
verano como en invierno. Por eso se puede atribuir esta diferencia a su mayor capacidad térmica, que
permite compensar mejor las variaciones térmicas y aprovechar mejor las ganancias solares.
200
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
Norte
Este
Oeste
Sur
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
20
figura 37
Tamaño de las ventanas:
casa de tapial con aislamiento
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
Norte
Este
Oeste
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
Tamaño de las ventanas:
casa de tabique con aislamiento
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 36
Sur
Ventana normal (ver.)
Ventana grande (ver.)
Ventana normal (ver.)
Ventana grande (ver.)
Ventana normal (inv.)
Ventana grande (inv.)
Ventana normal (inv.)
Ventana grande (inv.)
La figura 38, figura 39 y figura 40 muestran que el uso de ventanas de menores pérdidas de calor multiplica
el efecto del aumento de las ganancias solares directas con el tamaño de las ventanas. Comparando los
dos gráficos de cada figura se ve el efecto de la calidad de las ventanas – en el caso de las casas pasivas
se consideró como calidad mínima las ventanas dobles, en los demás casos las ventanas simples. La
reducción de los problemas de frío con el tamaño es mucho más notable con ventanas dobles (o de baja
emisividad) que con las ventas más simples. Paralelamente, los problemas de sobrecalentamiento crecen
más rápido con el tamaño con el uso de ventanas de menores pérdidas de calor – pero en este caso existen
medidas selectivas para mantener un buen comportamiento en verano, especialmente sombreamiento y
ventilación adecuada. Así que un buen comportamiento térmico en invierno exige el uso de ventanas dobles
con tamaño suficiente y medidas compensatorias en verano. En el caso de la casa pasiva bien orientada al
norte, la diferencia entre ventanas dobles y ventanas dobles de baja emisividad es pequeña en invierno, así
que las ventanas dobles son suficientes como material local para una casa solar simple en esta región.
37
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
-200
pequeño (N)
normal (N)
Casa de tabique, v. simple (ver.)
Casa pasiva, v. doble (ver.)
Casa de tapial, v. simple (inv.)
200
15
150
10
100
5
50
0
0
-5
-50
-10
-100
-15
-150
-20
Casa de tapial, v. simple (ver.)
Casa de tabique, v. simple (inv.)
Casa pasiva, v. doble (inv.)
Casa de tabique, v. doble (ver.)
Casa pasiva, v. baja emis. (ver.)
Casa de tapial, v. doble (inv.)
grande (N)
máximo (N)
Casa de tapial, v. doble (ver.)
Casa de tabique, v. doble (inv.)
Casa pasiva, v. baja emis. (inv.)
30
25
150
20
100
15
10
50
5
0
-5
0
-10
-50
-15
-100
-25
-30
-150
-35
-40
-200
40
30
25
150
20
100
15
10
50
5
0
-5
0
-10
-50
-15
-20
-100
-25
-30
-150
-35
-40
pequeño (E, O) normal (E, O) grande (E, O) máximo (E, O)
Casa de tabique, v. simple (ver.)
Casa pasiva, v. doble (ver.)
Casa de tapial, v. simple (inv.)
200
35
-200
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
200
35
-20
pequeño (E, O) normal (E, O) grande (E, O) máximo (E, O)
Casa de tapial, v. simple (ver.)
Casa de tabique, v. simple (inv.)
Casa pasiva, v. doble (inv.)
Casa de tabique, v. doble (ver.)
Casa pasiva, v. baja emis. (ver.)
Casa de tapial, v. doble (inv.)
Casa de tapial, v. doble (ver.)
Casa de tabique, v. doble (inv.)
Casa pasiva, v. baja emis. (inv.)
150
5
100
50
0
0
-50
-5
-100
-150
-10
-200
pequeño (S)
normal (S)
Casa de tabique, v. simple (ver.)
Casa pasiva, v. doble (ver.)
Casa de tapial, v. simple (inv.)
grande (S)
máximo (S)
Casa de tapial, v. simple (ver.)
Casa de tabique, v. simple (inv.)
Casa pasiva, v. doble (inv.)
10
200
150
5
100
50
0
0
-50
-5
-100
-150
-10
-200
pequeño (S)
normal (S)
Casa de tabique, v. doble (ver.)
Casa pasiva, v. baja emis. (ver.)
Casa de tapial, v. doble (inv.)
grande (S)
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
200
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
Orientación sur: comparación de ventanas de diferente calidad térmica y tamaño
10
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
normal (N)
Orientación este y oeste: comparación de ventanas de diferente calidad térmica y tamaño
40
figura 40
-200
pequeño (N)
máximo (N)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 39
grande (N)
20
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
15
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
200
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
Orientación norte: comparación de ventanas de diferente calidad térmica y tamaño
20
grados-hora diarios de frío (Kh/d)
grados-hora diarios de calor (Kh/d)
figura 38
máximo (S)
Casa de tapial, v. doble (ver.)
Casa de tabique, v. doble (inv.)
Casa pasiva, v. baja emis. (inv.)
Comparando los tres gráficos izquierdos (o derechos) entre ellos, se ve claramente el efecto de la
orientación: de nuevo se confirman las desventajas de la orientación este y oeste en verano (¡ver escala
izquierda!). La orientación norte de lejos ofrece el mejor comportamiento en invierno, mientras que ni una
casa pasiva de muy buen aislamiento y capacidad térmica puede funcionar bien cuando está mal orientada
al sur.
Comparando los diferentes tipos constructivos en cada figura, se puede concluir:
♦ en algunos casos una casa de tabique puede ofrecer condiciones mínimas de confort en verano gracias
a la capacidad térmica de su piso pesado (ver también figura 33) cuando además cuenta con
orientación, protección solar y ventilación adecuadas (ver también figura 29). Pero por su falta de
38
aislamiento térmico nunca puede ofrecer condiciones satisfactorias de confort térmico en invierno, ni
cuando cuenta con ventanas dobles y orientación norte;
♦ la casa de tapial muestra variaciones de confort térmico paralelas a la casa de tabique, pero siempre se
comporta mejor gracias a sus menores pérdidas de calor por los muros y su mayor capacidad térmica;
♦ la casa pasiva en las orientaciones este, oeste y sur sirve de ejemplo como una mala orientación puede
arruinar los efectos térmicos incluso de un muy buen diseño térmico. En su orientación norte correcta, la
casa pasiva con sus muros aislados, gran capacidad térmica y mejor calidad de ventanas muestra un
comportamiento casi perfecto, especialmente con ventanas dobles máximos o ventanas grandes de baja
emisividad.
Las ganancias solares son directamente proporcional a la cantidad de radiación solar que reciben (ver
figura 19) y a su superficie. Sombreamiento y ventanas de menor transparencia (p. ej. ventanas doble)
pueden reducirlas. Como se vio, si un aumento del área de ventanas realmente es favorable para el confort
térmico en invierno, depende de varios factores y de su efecto en conjunto, siendo los más importantes:
♦ la diferencia de pérdidas de calor entre ventanas y muros;
♦ la calidad térmica de las ventanas (pérdidas y transmisión);
♦ la radiación solar disponible (orientación, sombreamiento, periodo del año, clima)
♦ el nivel ya alcanzado de ganancias solares y otras fuentes de calor (internas, calefacción), que elevan la
temperatura interna e incrementan la importancia relativa de las pérdidas de calor;
♦ el nivel general de pérdidas de calor de la casa (influye el nivel de temperatura interna)
♦ la capacidad térmica, que permite el aprovechamiento efectivo de las ganancias solares por la noche.
Por eso, los gráficos y explicaciones aquí sirven para dar una indicación cualitativa de la influencia de los
diferentes factores. Una respuesta definitiva en un diseño específico solamente es posible a través de un
cálculo como descrito en el capítulo 2.4 o con simulaciones térmicas.
La siguiente tabla ofrece un resumen de los tipos de casas consideradas en este manual. Un diseño térmico
bien equilibrado no debería tener diferencias de calificación mayor que uno en sus aspectos de capacidad
térmica y aislamiento térmico, siendo la capacidad térmica más importante en verano y el aislamiento más
importante en invierno. También debe existir un equilibrio de los niveles de aislamiento térmico en los
diferentes partes de la envolvente – p. ej. no hace mucho sentido poner ventanas dobles en una casa sin
aislamiento térmico en el techo / cielo. Con estos dos aspectos de diseño se puede crear las condiciones
básicas para niveles de confort térmico de acuerdo con las calificaciones en la tabla. Estas condiciones se
pueden concretizar solamente observando también las recomendaciones con respecto a la protección solar
en verano, la disponibilidad de ganancias solares en invierno y la ventilación adecuada en todas las épocas
del año.
tabla 11 Tipos de casas por nivel de aislamiento térmico y capacidad térmica
aislamiento térmico
capacidad
térmica
insuficiente
(piso y muros
livianos)
aceptable
(piso pesado)
buena
(piso y algunos
muros
pesados)
muy buena
(piso y muros
externos e
internos
pesados)
insuficiente
(ningún aislamiento,
ventana simple)
mejorable / aceptable
bueno
(techo aislado,
(techo y muros aislados,
ventana simple o mejor)
ventana doble)
muy bueno
(techo y muros bien
aislados,
ventana doble o mejor)
- tabique con piso
liviano
- tabique con piso liviano -
-
- tabique
- tabique
- tabique aislado
- tabique bien aislado
- tabique con muros
internos pesados,
- ladrillo (depende del
espesor / área),
- tapial
- ladrillo,
- tapial
- tabique con muros
internos pesados,
- ladrillo (depende del
espesor / área),
- tapial
- ladrillo,
- tapial
- tabique bien aislado
- tabique aislado con
muros internos pesados,
- ladrillo aislado,
- tapial
propuesta de prototipo de casa pasiva de tapial
tapial liviano con
aislado
ventanas dobles
Indicaciones más cuantitativas se encuentran en el capítulo 2.4.7, recomendaciones más detalladas en el
capítulo 3.2 y la comparación de casas completas con otros elementos de climatización pasiva en el
capítulo 3.3.
39
3.2
Estrategias y recomendaciones sistemáticas de diseño pasivo
Para la zona central Chilena se elaboró recomendaciones de diseño pasivo, tanto en base a la literatura
([Bansal 1994], [Cárcamo 1995] e otros en las referencias bibliográficas), el análisis del clima de esta zona
(ver capítulo 2.2.1) como fundamentadas en trabajos propios anteriores con métodos tradicionales de
diseño y simulaciones térmicas para un estudio de caso, estudios paramétricos y el desarrollo de las
herramientas de cálculo para la estimación del confort térmico descrito antes (ver [Müller 1997], [Müller
1998], [Müller, Noviembre 1998], [Müller 2000], [Müller, Abril 2001], [Müller, Noviembre 2001]).
La figura 41 muestra ejemplos de la importante función de los factores de utilización η para invierno (a0 = 0)
y verano (a0 = 0,4; GP incluye fγ) para ilustrar las recomendaciones más adelante.
figura 41
Comparación de factores de utilización η en función de
la relación ganancias / pérdidas GP y del constante relativo de tiempo: τ / τ0
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
factor de utilización η
0,4
0,3
factor de utilización (GP=0,2; ao=0,4)
factor de utilización (GP=0,2; ao=0)
0,2
factor de utilización (GP=1; ao=0,4)
factor de utilización (GP=1; ao=0)
0,1
factor de utilización (GP=2; ao=0,4)
factor de utilización (GP=2; ao=0)
0,0
0
1
2
3
4
5
6
7
constante relativo de tiempo τ / τ0
Las “herramientas de cálculo...” no solo sirven para la “estimación del confort térmico en verano e invierno”
pero también permiten identificar con claridad las características constructivas que son las más importantes
en cada época del año para alcanzar buenas condiciones de confort térmico:
♦ En todas las épocas del año es importante obtener un factor alto de utilización η de las ganancias
internas y solares. Esto implica una constante de tiempo τ lo suficientemente alta, dependiendo de la
relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP, siendo que una GP mayor, con ganancias altas en
relación a las pérdidas, exige una constante de tiempo τ más grande también y por consiguiente una
capacidad térmica mayor (en relación con las perdidas, porque τ = C/Ht). La figura 41 muestra esta
relación, que es aplicable tanto para el verano como para el invierno, porque se usa la constante relativo
de tiempo (τ / τ0), que lo hace independiente del valor específico de τ0.
♦ En el periodo frío es importante maximizar la relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP,
aumentando las ganancias y reduciendo las pérdidas de forma equilibrada. Un alto factor de utilización η
con una capacidad térmica grande permite entonces aprovechar y conservar bien las ganancias
térmicas.
♦ En el periodo caluroso es importante minimizar la relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP,
reduciendo las ganancias y aumentando las pérdidas térmicas de forma equilibrada. Un alto factor de
utilización η ayuda a reducir las ganancias no utilizables y así a evitar el sobrecalentamiento. Una forma
40
especialmente eficiente para aumentar las pérdidas de calor (mejor dicho: eliminar los excesos de calor)
representa la ventilación nocturna.
El aislamiento térmico en general tiene efectos reducidos y ambiguos en verano y eso depende de la
dinámica del uso y del diseño: por un lado, un mejor aislamiento térmico (introducido para el invierno)
aparentemente aumenta la relación entre ganancias y pérdidas térmicas GP en verano, pero eso puede
ser compensado por mayor ventilación. Al otro lado, el sol calienta las superficies externas y un mejor
aislamiento térmico reduce el flujo de esta energía no deseada al interior. Esto es especialmente
importante para el techo, que dependiendo de su inclinación recibe la mayor intensidad de radiación
solar, y en las fachadas este y oeste que vienen en segundo lugar de radiación solar. Como
consecuencia, se debe ajustar el aislamiento térmico a las necesidades de invierno, porque otros
aspectos son más importantes en verano.
Cuando el/la diseñador/a de una casa utiliza las recomendaciones de diseño y herramientas presentadas
aquí, es importante, que tenga presente un concepto general del funcionamiento energético de la casa y
de los flujos de energía variables en el transcurso de cada día y de las diferentes estaciones del año. No
debe olvidarse de la síntesis (el balance energético como descrito en el capítulo 2.4.2) optimizando detalles
constructivos aislados, porque lo esencial es un buen equilibrio entre los elementos de diseño pasivos y
entre las estaciones del año: p. ej. no hace sentido aumentar demasiado las ganancias solares pasivas en
invierno si no hay capacidad térmica suficiente para almacenarlas para la noche; no es suficiente reducir las
pérdidas de calor en una casa pasiva extremamente, si no existe un nivel razonable de ganancias pasivas
para conservar – o se aumenta las ganancias solares o en último caso se precisa de una calefacción
auxiliar, cuya energía se aprovecha de forma más eficiente con las pérdidas reducidas. Elementos pasivos
que aumentan las ganancias solares en invierno (e. g. muro Trombe, invernadero, grandes ventanas)
exigen una adecuada protección solar en verano para evitar un sobrecalentamiento no deseado.
tabla 12 Grado de influencia de elementos constructivos en las características térmicas básicas
(grado de influencia: determinante – importante – poca – nula)
característica térmica
Elemento / Aspecto
muros externos - material
muros externos - aislamiento
muros internos - material
piso - material
colores externos
pérdidas de calor Ht
determinante
determinante
nula
importante
nula
capacidad térmica C
determinante
poca
determinante
determinante
nula
colores internos
techo - aislamiento
nula
determinante
nula
nula
ventanas – orientación
ventanas – tamaño
ventanas – tipo
(simple, doble, baja emisividad)
ventanas – protección solar
muros – protección solar
forma - compacidad
(cuadrado, rectangular etc.)
forma - orientación del eje más largo
nula
importante
determinante
nula
poca
nula
nula
nula
importante
nula
nula
poca
nula
nula
ventilación
determinante
nula
ganancias de calor internas
muro Trombe
nula
poca
invernadero adosado
importante
nula
importante
(como muro)
nula
ganancias de calor Pg
poca
poca
nula
nula
poca (solo techo sin
aislamiento en verano)
poca
verano: importante
invierno: poca
determinante
determinante
importante
determinante
poca
muros: poca
ventanas: importante
muros: poca
ventanas: importante
verano: importante
invierno: poca
poca
importante
importante
Más allá del modelo simplificado (de las herramientas y normas), en el verano de esta zona climática de
grandes variaciones diarias de temperatura es muy importante la dinámica del flujo de energía, porque p. ej.
una alta ventilación en horas de la tarde normalmente significa una ganancia no deseada de energía para
una casa por la temperatura exterior más alta, mientras que por la noche la ventilación significa una pérdida
de energía para la casa – las horas exactas de cada periodo dependen de la relación variable entre las
temperaturas interiores y exteriores. En esencia, eso es más un problema y una limitación para las normas
y el cálculo simplificado que para el usuario, que fácilmente puede ajustar la ventilación de acuerdo con su
sensación térmica. Lo importante para el diseñador es proveer al usuario de los elementos suficientes para
41
adaptar la casa a sus necesidades, en este caso prever la posibilidad de ventilación cruzada con aperturas
regulables. En construcciones novedosas o muy extremas en algún aspecto constructivo o de uso,
solamente simulaciones térmicas cuidadosas pueden resolver las dudas sobre su comportamiento térmico.
En este caso, las herramientas simples y recomendaciones aquí solamente pueden servir como indicador e
hipótesis para las primeras fases de diseño y investigaciones más detalladas.
Para facilitar el trabajo de diseño, la tabla 12 resume el grado de influencia que tienen los diferentes
aspectos constructivos en las características térmicas básicas del diseño - Ht, C y Pg. Esto permite
identificar los aspectos constructivos que hay que considerar con prioridad para mejorar una característica
específica. Además identifica que tipo de influencia ejerce cada aspecto constructivo. Esta evaluación
considera la variabilidad e importancia en el diseño arquitectónico, lo que no siempre es lo mismo como la
teoría física; p. ej. las ganancias internas (por equipos y personas) son importantes en el balance
energético, pero en una vivienda no son variadas en función del comportamiento térmico (al otro lado, en un
edificio de oficinas es posible y conviene economizar energía para reducir las ganancias excesivas en
verano). El nivel del aislamiento térmico del piso también determina la transmisión de calor, pero depende
fuertemente del espesor de los muros y la forma en planta; además no conviene considerar un aislamiento
del piso en esta zona por razones económicas y los beneficios de la capacidad térmica del subsuelo en
verano.
Un buen funcionamiento de las estrategias de climatización pasiva recomendadas en este manual exige la
presencia y buena combinación de ciertos aspectos constructivos, diferentes en cada caso. Además una
estrategia escogida para una época del año normalmente exige medidas compensatorias para la otra
época. Esta interdependencia y el aspecto climático esencial para el funcionamiento de las estrategias
principales son resumidos en lo siguiente:
♦ reducción de las pérdidas de calor:
existencia de una época fría;
⎯ invierno: aislamiento térmico y ventanas dobles, ventanas y puertas con buena hermeticidad;
⎯ compensación en verano: ventilación nocturna y aumento de la ventilación general.
♦ ganancias directas:
buena disponibilidad de radiación solar en la época fría;
⎯ invierno: ventanas grandes al norte sin sombra, capacidad térmica;
⎯ compensación en verano: protección solar.
♦ muro Trombe:
buena disponibilidad de radiación solar en la época fría;
⎯ invierno: muro Trombe de buena conductividad térmica y capacidad térmica (tapial, ladrillo o
concreto) con vidrio doble orientado al norte sin sombra, muro de espesor adecuado (aprox. 20cm a
40cm) con superficie externa negra, aberturas de ventilación al interior regulables;
⎯ compensación en verano: protección solar eficiente; cierre de las aberturas de ventilación al interior.
♦ invernadero adosado:
buena disponibilidad de radiación solar en la época fría (deseable pero no imprescindible, porque sirve
también de espacio tapón);
⎯ invierno: ventanas grandes al norte sin sombra, capacidad térmica, conexión térmica con la casa
regulable (puerta / ventana interna, aberturas de ventilación); ventanas externas o internas dobles;
⎯ compensación en verano: protección solar eficiente, ventilación nocturna y posible aumento de la
ventilación general en el invernadero.
♦ ventilación nocturna:
temperaturas nocturnas frescas (diferencia de temperatura día – noche) en verano;
⎯ verano: posibilidad de ventilación cruzada o aumentada por la noche, capacidad térmica;
⎯ compensación en invierno: buena hermeticidad de las aberturas de ventilación.
El método de calculo desarrollado y presentado aquí (ver capítulo 2.4) permite el dimensionamiento de los
elementos principales de diseño y la estimación de las condiciones de confort térmico para los meses
extremos del año: enero como mes más caluroso del verano y julio como mes más frío de invierno. Si una
casa dispone de elementos suficientes de adaptación térmica para regular sombreamiento y ventilación de
acuerdo con las temperaturas de cada día, se puede obtener buenas condiciones de confort térmico
parecidas o superiores a los meses extremos en todas las estaciones del año. El mayor cuidado hay que
tener con el sombreamiento fijo, porque este no es adaptable y solamente ofrece protección parcial de la
radiación solar difusa. Así no conviene confiar únicamente en este tipo de sombreamiento en verano,
porque puede causar problemas de exceso solar en primavera u otoño, cuando el sombreamiento fijo ya es
menos eficiente por la menor altura del sol. Al otro lado un dimensionamiento excesivo del sombreamiento
fijo puede reducir demasiado las ganancias solares en la época fría, también en días fríos de los meses de
transición como abril / mayo o septiembre / octubre cuando el sol ya alcanza mayor altura.
42
En algunos diseños, el mes de febrero puede mostrar problemas de sobrecalentamiento levemente
superiores al mes de enero por causa de la posición solar y la mayor incidencia de radiación solar en la
fachada norte.
43
tabla 13 Resumen de recomendaciones de climatización pasiva para la zona central de Chile
(los números indican la prioridad relativa para cada estación del año)
Aspecto
Periodo Frío
Periodo Caluroso
Intercambio de calor
con el exterior:
• por la envolvente
• por ventilación
1
3
Ganancias solares
por superficies
opacas y
transparentes
reducir pérdidas de calor:
1.1 aislamiento térmico:
1.1.1 cielo / techo
1.1.2 muros
1.1.3 ventanas dobles (o mejor)
1.2 ventilación adecuada:
1.2.1 reducir infiltraciones de aire
en ventanas y entradas
1.2.2 de acuerdo con las necesidades
higiénicas (evitar emisión interior
del humo de estufas)
1.3 tamaño de ventanas en función de su
calidad térmica y orientación:
mínimo al sur; máximo al norte
1.4 forma:
1.4.1 construcción compacta
1.4.2 unidades más grandes ofrecen
mejor relación superficie/volumen
1.5 protección de vientos fríos:
1.5.1 vestíbulo de entrada
1.5.2 vegetación
1.5.3 otros elementos construidos
2 aprovechamiento pasivo
de la energía solar
(con colores no muy claros
en elementos absorbentes):
2.1 ganancias directas:
ventanas grandes hacia el norte
2.2 ganancias indirectas:
2.2.1 invernadero adosado en la fachada
norte, combinado con capacidad
térmica
2.2.2 muro acumulador o
muro Trombe
2.2.3 elementos reflectantes externos
(el aislamiento térmico en general tiene efectos
reducidos y ambiguos en verano)
1
5
Acumulación de
calor
(inercia térmica)
3
Ganancias de calor
internas:
personas y equipos
4
elementos constructivos pesados,
especialmente en las partes internas
expuestas a la radiación solar directa:
3.1 el piso
3.2 los muros externos e internos
aprovechar ganancias internas:
a través de la reducción de las pérdidas
de calor y de la acumulación de calor
aumentar pérdidas de calor:
3.1 ventilación / convección:
3.1.1 ventilación nocturna
3.1.2 ventilación cruzada
3.1.3 aberturas en partes bajas y altas
3.1.4 aprovechar vientos frescos
(nocturnos)
3.1.5 patio interior (con vegetación o agua)
3.2 conducción: piso sin aislamiento en
contacto con el subsuelo
3.3 evaporación:
3.3.1 vegetación externa
3.3.2 fuentes de agua
protección de la radiación solar
directa y difusa:
1.1 protección solar mediante
1.1.1 ventanas al norte: sobretecho +
protección móvil
1.1.2 ventanas al este/oeste: protección
móvil (+ sobretecho o prot. vertical),
tamaño limitado
1.1.3 ventanas al sur:
protección vertical o móvil
1.2 orientación y tamaño de ventanas:
1.2.1 preferencialmente al norte
1.2.2 limitadas al este y oeste
1.3 colores claros en superficies externas
1.4 vegetación de hoja caduca
1.5 invernadero en la fachada norte con:
1.5.1 protección solar eficiente (y techo
opaco)
1.5.2 aperturas de ventilación en partes
inferiores y superiores
reducir ganancias de calor:
5.1 aislamiento térmico:
5.1.1 cielo / techo (importante)
5.1.2 muros (menos importante)
5.2 orientación este - oeste
del eje más largo:
5.2.1 fachada norte más grande
5.2.2 fachada este/oeste menor
5.3 entretecho ventilado (solo con cielo sin
aislamiento térmico)
5.4 colores claros externos
2 compensar variaciones térmicas,
aprovechar bajas temperaturas
nocturnas con (ventilación nocturna y)
elementos constructivos pesados en:
2.1 el piso
2.2 los muros externos e internos
4 reducir ganancias internas con:
4.1 iluminación de bajo consumo de energía
4.2 equipos de bajo consumo de energía
44
También en invierno en algunos casos junio puede causar problemas de frío un poco más grandes que
julio, aunque es menos frío, porque por causas del clima y la nubosidad hay menos radiación solar
disponible en junio. La observación de las ganancias solares y de la relación entre ganancias y pérdidas
térmicas en las planillas de cálculo ofrece un indicador para eso, por lo cual todos los meses están incluidos
en el cálculo inicial de características térmicas. Los meses de primavera (marzo y abril) y otoño (octubre y
noviembre) son los más variables en la zona climática considerada aquí, así que son difíciles de calcular
porque el rendimiento térmico depende de un manejo adecuado y flexible de los usuarios de una casa –
usando sombreamiento y ventilación aumentada o nocturna en periodos calurosos y reduciendo sombra y
ventilación en días frescos. No obstante, en una casa bien diseñada para los meses extremos esto no
presentaría mayores problemas para los usuarios, porque el manejo puede ser realizado de acuerdo con la
sensación térmica de forma casi intuitiva.
3.3
Comparación de propuestas de diseño pasivo con diseños convencionales
En este capítulo se compara el comportamiento térmico de algunas propuestas de diseño pasivo y de
diseños normales con simulaciones térmicas. Se puede resumir las alternativas, que serán entrecruzadas
de varias formas, como sigue:
Alternativas de construcción básica:
♦ tapial / adobe: liviano (1200kg/m³)), normal (2000kg/m³)), con o sin aislamiento térmico externo;
♦ construcción liviana de tabique aislado con muros internos pesados de adobe parado;
♦ construcción normal (convencional) de ladrillo o tabique sin aislamiento térmico.
Estrategias de climatización pasiva para el verano:
♦ protección solar;
♦ ventilación (nocturna);
♦ normal, sin climatización pasiva pero con mayor ventilación general.
Estrategias de climatización pasiva para el invierno:
♦ aislamiento térmico (muros, techo y ventanas);
♦ ganancias directas (ventanales grandes al norte);
♦ muro Trombe;
♦ invernadero adosado (ver diseño en figura 44);
♦ normal, sin climatización pasiva.
La vivienda simulada tiene un área de 62,72m². La distribución de sus espacios interiores corresponde de
forma aproximada a una situación típica y al prototipo previsto. El diseño del modelo no es simplemente de
una construcción típica, sino considera un ”buen diseño térmico”, como p. ej. el sombreamiento y la tierra
(tapial) como material estándar. El diseño del modelo estándar y de algunas variantes simuladas, con la
fachada vidriada grande orientada hacia el norte (y sin mostrar el techo y el cielo), se muestran en las
figuras siguientes, generadas con el programa de simulación DEROB-LTH.
figura 42
Casa estándar (muros de tapial), orientación norte: 15.1. - 14hrs y 15.7. - 14hrs
La vista en estos dibujos es desde la posición del sol en las fechas y horas indicadas. La orientación
indicada se refiere a la orientación de la fachada principal con la ventana grande (aproximadamente, norte
45
es en frente a la izquierda). En estas figuras también se puede observar las condiciones de asoleamiento de
las ventanas en invierno y su sombreamiento en verano: solo si una (parte de una) ventana o de un muro es
visible desde la posición solar, recibe su radiación. Los marcos pequeños alrededor de algunas ventanas
representan muros gruesos, que pueden sombrear parcialmente las ventanas insertas en su centro. Las
variantes de diseño simuladas comparten las siguientes características comunes en su orientación norte:
♦ piso: 7cm de hormigón sobre 8cm de ripio y 1m de tierra (como modelo);
♦ el techo es de fierro galvanizado ("zinc") y el cielo de 1,2cm de yeso - cartón sin o con aislante de
poliestireno expandido encima; el espacio del entretecho está ventilado (2/h) (excepción: propuesta de
prototipo sin entretecho);
♦ el sobretecho en la fachada principal norte está calculado de tal forma, que ofrece sombra a las
ventanas de la fachada norte en verano y pleno acceso solar en la época más fría del invierno como se
puede verificar en las figuras de la casa estándar para el 15.1. y 15.7..
♦ Cada volumen tiene una sola ventana y no hay ventanas en la fachada sur (excepción: propuesta de
prototipo). Las ventanas tienen cortinas cerradas como protección solar móvil de día entre noviembre y
marzo con transmisión 10% y absorción 20%, p. ej. de tela blanca gruesa (con excepción de los diseños
normales).
♦ El perfil de uso considera ganancias de calor por personas y equipamientos de 15,18kWh/día con un uso
diurno (hora solar: 7hrs~22hrs) variable en la sala - cocina grande central y un uso nocturno
(18hrs~7hrs) variable en las cuatro habitaciones incluyendo el baño.
♦ La ventilación nocturna es de 10/h (cambios de aire por hora) de 20hrs a 6hrs de diciembre a febrero
(excepción: casas normales sin ventilación nocturna);
♦ Los muros internos y externos son pintados de color blanco con 30% de absorción (cielo 20%, piso mas
oscuro 50%).
♦ En ningún caso se consideró un sistema de calefacción o refrigeración de acuerdo con la finalidad de
diseño pasivo en este manual.
Las casas normales corresponden a construcciones normales en Chile sin ningún elemento de
climatización pasiva; se caracterizan por:
♦ infiltraciones de aire en la casa: 1,5/h en invierno y 3/h en verano, 2/h en el entretecho; sin ventilación
nocturna;
♦ orientación variable;
♦ sin sombreamiento por un sobretecho;
♦ las ventanas tienen cortinas cerradas como protección solar móvil de día entre noviembre y marzo de un
material más simple con transmisión 20% y absorción 30%, p. ej. de tela fina de color claro;
♦ el techo es de zinc y el cielo de 1,2cm de yeso - cartón sin aislante;
♦ el material de los otros elementos de construcción consta de la tabla 14 más adelante. El muro de ladrillo
considera ladrillos de 1200kg/m³ con 7,1cm de altura y 1,3cm de mortero de cemento; no tiene revoque
exterior como es común en construcciones Chilenas simples.
figura 43
Casa normal, orientación norte: 15.1. - 14hrs y 15.7. - 14hrs
46
Los diseños estándar se caracterizan por:
♦ ventanas simples de tamaño medio;
♦ orientación norte;
♦ ventilación nocturna en verano;
♦ el techo es de zinc y el cielo de 1,2cm de yeso - cartón con 80mm de aislante de poliestireno expandido
encima como estándar; este espesor corresponde a la nueva “Ordenanza General de Urbanismo y
Construcciones” en [MINVU 2000].
figura 44
Diseño pasivo – invernadero (frente a la fachada principal): 15.1. - 14hrs y 15.7. - 14hrs
Los invernaderos adosados se caracterizan por:
♦ adosado a la fachada norte completa (ver figura 44);
♦ con ventanas dobles en su fachada norte (incluyendo una puerta vidriada) y con muros opacos en sus
fachadas este y oeste; tanto las ventanas como los muros son de la misma calidad como la propia casa;
el techo sin espacio ático cuenta con aislamiento térmico con el mismo espesor como el cielo de la casa;
♦ el muro de separación entre el invernadero y la casa es un muro pesado sin aislamiento térmico:
⎯ todas las construcciones de tapial: tipo “tapial” - 40cm de tapial con revoque de barro de 1,5cm en
ambos lados (todo con ρ = 2000kg/m³);
⎯ construcción de tabique aislado: tipo “adobe parado” - 10cm de adobe parado con revoque de barro
de 1,5cm en ambos lados (todo ρ = 2000kg/m³);
♦ las ventanas interiores de separación entre el invernadero y la casa son simples;
♦ la ventana norte del invernadero cuenta con fundamentos de 30cm de altura de un muro de ladrillos
(ρ = 1000kg/m³) de 14cm de espesor sin revoque;
♦ en los casos de un invernadero “cerrado”, las ventanas interiores siempre están cerradas; el invernadero
sirve de espacio tapón para la casa y el intercambio de calor solamente se efectúa a través de la
conductividad térmica relativamente alta de las ventanas simples y de los muros de separación sin
aislamiento térmico;
♦ los demás invernaderos realizan la ventilación de la casa completa en invierno a través de la entrada de
aire por el invernadero y la eliminación del aire consumido desde los espacios habitados al exterior
(correspondiendo a 0,5 cambios de aire por hora); esta ventilación se podría obtener fácilmente con 3
pequeños ventiladores de extracción de aire en la cocina (parte del volumen 1, sala – cocina) y los
volúmenes sur incluyendo el baño; esto significa una mejor transferencia de calor del invernadero a la
casa y una reducción significativa de la pérdidas de calor por la ventilación necesaria, porque el aire ya
entra precalentado por el invernadero a la casa;
Los muros Trombe se caracterizan por:
♦ construcción de 40cm de tapial pesado (ρ = 2200kg/m³, λ = 1,4W/mK, con agregado de ripio a la tierra) y
1,5cm de revoque interior de barro común (ρ = 2000kg/m³), para obtener valores máximos de capacidad
y conductividad térmica en el muro Trombe;
♦ la superficie exterior del muro Trombe está pintada de negro;
47
♦ dos vidrios;
♦ aislamiento lateral con 1cm de poliuretano y marco de madera de pino de 2cm; el poliuretano resiste
bien a las temperaturas altas posibles dentro del muro Trombe, lo que lo diferencia del poliestireno no
apto aquí;
♦ de abril a octubre: área de intercambio de aire con el interior correspondiente al 6% de la superficie
vidriada;
♦ de noviembre a marzo: son sombreados y cerrados para evitar un sobrecalentamiento.
figura 45
Diseño pasivo - muro Trombe: 15.1. - 14hrs y 15.7. - 14hrs
Los diseños de ganancia directa se caracterizan por:
♦ todos los muros internos son pesados: en el caso de la construcción en tabique aislado son de adobes
parados con revoque de barro con un espesor total de 13cm (ρ = 2000kg/m³), fijados de forma
sismorresistente entre una estructura de pilares de madera; en los casos de las construcciones en tapial,
los muros interiores revocados incluso consisten de tapial de 43cm (ρ = 2000kg/m³) por razones de
sismorresistencia de la casa, que exige la formación de ángulos de tapial en forma de “L” o “T” con los
muros exteriores; este último significa una pérdida pequeña de espacio útil en relación al área bruta pero
aumenta levemente la capacidad térmica efectiva;
♦ ventanas al norte: dobles normales o dobles especiales, ocupando el total de la fachada norte con los
ventanales y sus marcos.
48
figura 46
Diseño pasivo (muros de tapial) - ganancia directa: 15.1. - 14hrs y 15.7. - 14hrs
49
La propuesta para la casa prototipo en tapial consiste en una casa de diseño pasivo, construida con
materiales locales a bajo costo y con una construcción sismorresistente1. Cuenta con todos los elementos
de tapial de forma "L" para que resistan mejor a los movimientos sísmicos.
Para el invierno, la casa tiene pérdidas de calor reducidas por el uso de barro alivianado con paja y de
menor conductividad térmica para los muros externos, ventanas dobles bien herméticas (0,5 cambios de
aire por hora), elementos exteriores livianos en las partes sobre el encadenado con 7,5cm de aislante y un
techo con 10cm de aislamiento térmico. Las ventanas grandes bien orientadas al norte, especialmente en la
sala central, permiten buenas ganancias solares directas. El uso de ventanas de tamaño aún mayor,
deseable desde el punto de vista térmico, no era posible por razones estructurales en este caso. Las
ganancias solares para el dormitorio 4 (abajo a la derecha en la figura 47 para julio) se obtiene
adicionalmente a través de un muro Trombe con dos vidrios, que no afecta la estabilidad. Estos muros
consisten en una parte integrada al muro exterior con una superficie pintada de negro mate y protegidos por
dos vidrios delante. La entrega del calor solar recibido se realiza en una parte con una circulación de aire
calentado a través de dos aberturas de ventilación en las partes inferior y superior del muro. Otra parte del
calor se transmite directamente por el propio muro construido con barro pesado de mayor conductividad
térmica.
Para el verano, la casa cuenta con protección solar por un alero en la fachada norte y además con
protección solar móvil en todas las ventanas. Un eventual sobrecalentamiento por causa del muro Trombe
se evita con el cierre hermético de las aperturas de ventilación en el muro Trombe y una persiana exterior
de color claro durante el periodo de verano. Otro elemento importante para el confort térmico en verano es
la ventilación nocturna mediante una ventilación cruzada que es mejorada por aberturas de ventilación
sobre ventanas y puertas interiores. Además se incluyó una pequeña ventana de ventilación en la cocina.
El diseño prevé el uso de materiales únicamente locales, para bajar los costos de los materiales. La
realización de los muros en la técnica del tapial reduce fuertemente los gastos para el material, puesto que
la tierra normalmente se encuentra gratis en el mismo sitio.
De esta forma la casa prototipo puede ofrecer buenas condiciones de confort en verano y mejoradas en
invierno en comparación con diseños normales.
figura 47
Propuesta - casa prototipo: 15.1. - 14hrs y 15.7. - 14hrs
1 El diseño térmico de esta propuesta de prototipo fue elaborado y calculado por el autor, E. M.; los demás aspectos del
diseño fueron propuestas por Prof. Dr.-Ing. Gernot Minke y el diseño fue discutido con otros expertos en un seminario
internacional de investigación dentro del proyecto que permitió la elaboración de este manual.
50
tabla 14 Descripción de las construcciones
(capas de muros y cielos desde el lado exterior hacia el lado interior)
Construcción
básica
Casa normal de
tabique
Casa normal de
ladrillo
Muros exteriores
“tabique hueco”:
machihembrado de pino: 1cm
aire: 5cm
yeso – cartón: 1,2cm
muro de ladrillo (ρ=1200kg/m³): 14cm
revoque de yeso: 1,5cm
Tapial 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
tapial (ρ = 2000kg/m³): 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
Tapial liviano
40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
tapial liviano (ρ=1200kg/m³): 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
Tabique aislado
machihembrado de pino: 1cm
aire: 2,5cm
poliestireno expandido: 15cm
yeso – cartón: 1,2cm
machihembrado de pino: 1cm
aire: 2,5cm
poliestireno expandido: 10cm
tapial liviano (ρ=1200kg/m³): 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
machihembrado de pino: 1cm
aire: 2,5cm
poliestireno expandido: 20cm
tapial (ρ=2000kg/m³): 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
tapial liviano (ρ=1200kg/m³): 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
Tapial liviano
40cm aislado
Tapial 40cm
aislado
Propuesta prototipo
Muros interiores
Cielo
(excepciones: “ganancia directa” y
separación del invernadero)
“tabique hueco”:
yeso – cartón: 1,2cm
aire: 5cm
yeso – cartón: 1,2cm
revoque de yeso: 1,5cm
muro de ladrillo (ρ=1200kg/m³): 14cm
revoque de yeso: 1,5cm
“adobe parado”:
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
adobe parado (ρ = 2000kg/m³): 10cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
“adobe parado”:
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
adobe parado (ρ = 2000kg/m³): 10cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
“adobe parado”:
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
adobe parado (ρ = 2000kg/m³): 10cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
“adobe parado”:
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
adobe parado (ρ = 2000kg/m³): 10cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
yeso – cartón: 1,2cm
yeso - cartón: 1,2cm
poliestireno expandido: 8cm
yeso - cartón: 1,2cm
poliestireno expandido:
15cm
yeso - cartón: 1,2cm
poliestireno expandido:
15cm
yeso - cartón: 1,2cm
poliestireno expandido:
15cm
yeso - cartón: 1,2cm
“adobe parado”:
poliestireno expandido:
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm 20cm
yeso - cartón: 1,2cm
adobe parado (ρ = 2000kg/m³): 10cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
“tapial” (2 son de “tabique hueco”):
poliestireno expandido:
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm 10cm
yeso - cartón: 1,2cm
tapial (ρ = 2000kg/m³): 40cm
revoque de barro (ρ = 2000kg/m³): 1,5cm
Las ventanas dobles son de vidrio común con 2,5cm de aire en el medio y marcos de madera de 5cm de
espesor.
Las ventanas especiales siempre son dobles con marcos de madera de 5cm de espesor, construidas del
lado exterior al interior de la forma siguiente: vidrio común – 1,2cm de gas Argón – vidrio especial de baja
emisividad infrarroja (15%) hacia el interior de la ventana. Presentan la ventaja de reducir
considerablemente las perdidas de calor con una transmisión de luz superior y un precio inferior a una
ventana triple.
tabla 15 Tamaño de ventanas y muros Trombe en la orientación norte de la casa
(relativo al área de la superficie de piso bruta en la simulación térmica)
Construcción
casa estándar
casa normal
muro Trombe
invernadero
(al norte: ventanas
separadores con el
invernadero)
ganancia directa
propuesta - prototipo
sala al norte dormitorios dormitorios sur
al norte
al este y oeste
18%
17%
13%
dormitorio:
muro Trombe
-
cocina (sala)
al sur
-
18%
(20%)
17%
(20%)
13%
13%
27%
-
-
28%
22%
49%
15%
13%
7%
23%-
2%
Debido al gran número de variantes simulados y la cantidad de datos resultantes aquí solamente se puede
presentar una selección de la información con los variantes más interesantes. Variantes “desequilibradas”,
p. ej. con muros con aislamiento externo pero ventanas simples, no son presentadas, porque no harían
sentido técnicamente ni económicamente. De esta forma también se puede apreciar algunas síntesis de
diseño pasivo que respetan las limitaciones de la construcción sismorresistente y son consistentes en sus
51
diversos elementos.
La sala - cocina central (volumen 1) es el mayor espacio, identificable en el centro de los dibujos, el
dormitorio (volumen 4) queda abajo a la derecha en las figuras anteriores. Para estos dos espacios se
muestran en los siguientes gráficos el promedio de los grados-hora diarios de calor en verano (diciembre
hasta febrero) y el promedio de los grados-hora diarios de frío en invierno (mayo hasta septiembre). Ambos
valores son basados en las temperaturas operativas de cada espacio. Como aquí se trata de evaluar el
comportamiento completo de propuestas diferentes de diseño se optó por las estaciones completas en vez
de los meses extremos (enero y julio). Por eso, las leyendas abreviadas se explican como sigue:
♦ "Calor_1o/día": grados-hora diarios de calor en verano, basados en temperaturas operativas de la sala 1;
♦ "Frío_1o/día": grados-hora diarios de frío en invierno, basados en temperaturas operativas de la sala 1;
♦ "Calor_4o/día": grados-hora diarios de calor en verano, basados en temperaturas operativas del
dormitorio 4;
♦ "Frío_4o/día": grados-hora diarios de frío en invierno, basados en temperaturas operativas del
dormitorio 4;
Los resultados son presentados dos veces aquí para facilitar la comparación visual:
♦ agrupados por construcción facilitan la comparación de diferentes elementos de climatización pasiva
dentro de cada construcción básica;
♦ agrupados por elementos de climatización pasiva facilitan la comparación de diferentes construcciones
básicas.
Grados-hora de calor en verano (positivos) y de frío en el periodo invernal (negativos)
para la sala 1 (N) y el dormitorio 4 (N, opción muro Trombe) – agrupado por construcción
25
0
-25
-50
-75
-100
-125
-150
-175
Calor_1o/día
Frío_1o/día
Propuesta - prototipo
T. 40cm aislado, v. esp., invernadero
T. 40cm aislado, v. esp., ganancia directa
Tapial 40cm aislado, ventana especial
T. 40cm aislado, v. esp., muro Trombe
Tapial 40cm aislado, ganancia directa
T. liv. 40cm aisl., v. esp., invernadero
T. liv. 40cm aisl., v. esp., ganancia directa
T. liv. 40cm aisl., v. esp., muro Trombe
Tapial liviano 40cm aisl., ventana especial
Tapial liviano 40cm aisl., invernadero
Calor_4o/día
Tapial liviano 40cm aisl., ganancia directa
Tapial liviano 40cm aisl., muro Trombe
Tapial liviano 40cm, invernadero cerrado
Tapial liviano 40cm aisl., ventana doble
Tabique aislado, invernadero
Tabique aislado, ganancia directa
Tabique aislado, ventana doble
Tabique aislado, invernadero cerrado
Tapial liviano 40cm, invernadero
Tapial liviano 40cm, ganancia directa
Tapial liviano 40cm, muro Trombe
Tapial liviano 40cm, estándard
Tapial liviano 40cm, ventana doble
Tapial 40cm, invernadero
Tapial 40cm, ganancia directa
Tapial 40cm, invernadero cerrado
Tapial 40cm, estándard
Tapial 40cm, muro Trombe
Casa normal de ladrillo (sur)
Casa normal de ladrillo (oeste)
Casa normal de Tabique (sur)
Casa normal de ladrillo (norte)
Casa normal de Tabique (norte)
-200
Casa normal de Tabique (oeste)
grados-hora diarios de calor y frío (Kh/d)
figura 48
Frío_4o/día
Confort térmico en verano:
Aunque pocos casos muestran problemas serios de sobrecalentamiento en verano, estos corresponden a la
gran mayoría de las viviendas de la zona central de Chile, aunque existen casas aún peores: las "casas
normales" de ladrillo o tabique que ofrecen peores condiciones de confort que el aire libre (6,4Kh/d de
grados-hora de calor) con valores hasta 16,1Kh/d debido al sobrecalentamiento por ganancias solares e
internas. Las ganancias solares no solamente ocurren a través de las ventanas, especialmente de
orientación este y oeste, sino también por los muros y el techo / cielo sin aislamiento térmico. Además falta
ventilación nocturna para eliminar las ganancias excesivas, porque exigirían un manejo más cuidadoso y
52
buena capacidad térmica. Especialmente en las casas de tabique falta capacidad térmica necesaria para
compensar la variación térmica diaria. Este último efecto también se nota en un grado muy inferior en la
casa de tabique aislado con ganancias directas, que es la única casa con diseño pasivo donde la capacidad
térmica reducida lleva a un mínimo sobrecalentamiento en verano, aunque este es muy pequeño debido a
la mejor protección solar, la ventilación nocturna y la reducción de ganancias por el techo / cielo bien aislado
térmicamente.
La falta de sobrecalentamiento en las casas con diseño pasivo muestra que en verano la climatización
pasiva es viable con una variedad de construcciones básicas diferentes, que cumplen con las siguientes
características mínimas:
♦ control eficiente de ganancias solares en la casa y los elementos previstos para el aumento de
ganancias solares en invierno; de esta forma, las grandes ventanas en la casa, el invernadero o los
muros Trombe no causan problemas de confort en verano;
♦ gran capacidad térmica;
♦ ventilación nocturna (con la posibilidad de ventilación cruzada por la noche para obtener un número
suficiente de cambios de aire);
♦ nivel razonable de aislamiento térmico para evitar ganancias excesivas por elementos opacos (con un
nivel de exigencia inferior al necesario para el invierno).
Grados-hora de calor en verano (positivos) y frío en el periodo invernal (negativos)
para la sala 1 (N) y el dormitorio 4 (N, opción muro Trombe) – agrupado por climatización
25
0
-25
-50
-75
-100
-125
-150
-175
Calor_1o/día
Frío_1o/día
Propuesta - prototipo
Tapial 40cm aislado, ganancia directa
T. 40cm aislado, v. esp., ganancia directa
Tapial liviano 40cm aisl., ganancia directa
T. liv. 40cm aisl., v. esp., ganancia directa
Tabique aislado, ganancia directa
Tapial 40cm, ganancia directa
Tapial liviano 40cm, ganancia directa
T. 40cm aislado, v. esp., invernadero
T. liv. 40cm aisl., v. esp., invernadero
Tabique aislado, invernadero
Calor_4o/día
Tapial liviano 40cm aisl., invernadero
Tapial 40cm, invernadero
Tapial liviano 40cm, invernadero
Tabique aislado, invernadero cerrado
Tapial 40cm, invernadero cerrado
Tapial liviano 40cm, invernadero cerrado
T. 40cm aislado, v. esp., muro Trombe
T. liv. 40cm aisl., v. esp., muro Trombe
Tapial liviano 40cm, muro Trombe
Tapial liviano 40cm aisl., muro Trombe
Tapial 40cm, muro Trombe
Tapial 40cm aislado, ventana especial
Tapial liviano 40cm aisl., ventana especial
Tabique aislado, ventana doble
Tapial liviano 40cm aisl., ventana doble
Tapial liviano 40cm, ventana doble
Tapial 40cm, estándard
Tapial liviano 40cm, estándard
Casa normal de ladrillo (sur)
Casa normal de ladrillo (oeste)
Casa normal de Tabique (sur)
Casa normal de ladrillo (norte)
Casa normal de Tabique (norte)
-200
Casa normal de Tabique (oeste)
grados-hora diarios de calor y frío (Kh/d)
figura 49
Frío_4o/día
Confort térmico en invierno:
En esta zona climática es bastante más difícil obtener el confort térmico con climatización pasiva en invierno
que en verano: En las figuras se puede observar dos líneas claras de confort térmico cada vez mejor en
invierno con cada vez menos problemas de frío:
♦ En la primera figura 48 agrupada por construcción (mejor aislamiento térmico) se ve mejor el efecto de
las estrategias de climatización pasiva:
1. diseño estándar / con ventana doble
2. con muro Trombe
3. con invernadero cerrado
4. con invernadero que precalienta el aire de ventilación
5. con ganancias directas
53
♦ En la segunda figura 49 agrupada por estrategia de climatización pasiva (ganancias solares) se ve mejor
el efecto del aislamiento térmico:
1. Tapial 40cm, estándar
2. Tapial liviano 40cm, estándar
3. Tapial liviano 40cm, ventana doble
4. Tabique aislado, ventana doble
5. Tapial liviano 40cm aislado (10cm), ventana doble
6. Tapial 40cm aislado (20cm), ventana doble
7. Tapial liviano 40cm aislado (10cm), ventana doble especial
8. Tapial 40cm aislado (20cm), ventana doble especial
De nuevo se puede observar que el parámetro de mayor importancia en invierno es el nivel de aislamiento
térmico en muros y ventanas. Por eso, todos las variantes con ganancias solares aumentadas (grandes
ventanas, invernadero, muro Trombe) consideraron también ventanas dobles. Las ganancias solares
ocupan la segunda prioridad: el invernadero, que además sirve de espacio tapón, aporta con sus grandes
superficies vidriadas a las ganancias solares directas e indirectas, pero es menos eficiente que las grandes
ventanas dobles en este estudio pasivo sin calefacción. Aquí el invernadero está conectado térmicamente a
la casa, porque las ventanas y muros que los separan son de baja resistencia térmica. La construcción
básica tiene que contar con un buen nivel de aislamiento térmico en ventanas, muros y techo, tanto en la
casa como en el invernadero, porque este repite los sistemas constructivos de estos elementos aquí. Eso
evita que las pérdidas de calor incluso aumenten por la mayor superficie externa del conjunto casa +
invernadero. La eficiencia del invernadero aumenta considerablemente si se lo aprovecha para precalentar
el aire de la ventilación necesaria de la casa. Más allá de estas consideraciones térmicas, el invernadero
constituye una ampliación del espacio habitable de la casa, protegido de la intemperie, lo que más justifica
su costo. El muro Trombe se agregó únicamente al volumen 4 aquí: solamente hace sentido con dos vidrios
como se mostró en un estudio anterior [Müller 1998] y mejora significativamente el confort en invierno,
aunque su área de 27% del piso sea relativamente pequeño. La mejor eficiencia para el aumento de las
ganancias solares presenta el ventanal norte grande, que es fácil de realizar, aunque exige cuidados con la
sismorresistencia de los muros por el gran vano en el muro exterior. La capacidad térmica de los muros
internos y del piso pesado en la construcción en tabique aislado permiten aprovechar las ganancias solares,
pero es menos eficiente en eso que la mayor capacidad térmica de todas las construcciones en tapial.
En resumen, el mejor confort térmico en invierno presenta lógicamente el diseño en tapial de 40cm con
20cm de aislamiento térmico externo, ventanas dobles especiales y ganancias directas maximizadas.
Buenas condiciones de confort ofrece también la alternativa de tapial liviano de 40cm con solamente 10cm
de aislamiento térmico externo pero también ventanas dobles especiales y ganancias directas maximizadas.
La comparación del último caso con el análogo en tapial de 40cm con 20cm de aislamiento térmico externo
pero ventanas dobles de vidrio común muestra, que una vez contando con aislamiento térmico en los
muros, importa más el mejoramiento de las ventanas. Pero como propuesta de casa pasiva más simple y
económica, la solución de Tapial aislado con ventanas dobles y ganancias directas maximizadas también es
interesante. Como construcciones económicas que pueden ofrecer una mejora significativa del confort
térmico frente a las casas normales se puede destacar las construcciones en tapial liviano sin o con
ganancias directas maximizadas. La propuesta de prototipo con una construcción parecida combina esta
mejora del confort térmico con el buen aprovechamiento del espacio interno por los muros interiores mas
delgados y la sismorresistencia que permiten las ganancias directas no maximizadas y el muro Trombe.
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4
Anexos
4.1
Referencias bibliográficas
Bibliografía recomendable para profundizar en los temas de este manual:
–
Bansal, Narenda K.; Hauser, Gerd; Minke, Gernot: Passive Building Design - A Handbook of Natural
Climatic Control; Amsterdam, London, New York, Tokio 1994.
–
Bedoya F., César; Neila G., Fco. Javier: Las técnicas de acondicionamiento ambiental: Fundamentos
arquitectónicos; Madrid (sin año).
–
Camous, Roger; Watson, Donald: El Habitat Bioclimático, De la concepción a la construcción; Barcelona
1986.
–
Cárcamo L., Pilar; Rodriguez C., Carolina; Testa S., Morris (profesor guía): Chile, Arquitectura y Sol Hacia una metodología de recomendaciones de diseño para el confort físico - ambiental según las
distintas zonas climático - habitacionales; Seminario de investigación 1995, Departamento Ciencias de la
Construcción F.A.U. Universidad de Chile; Santiago 1995.
–
–
–
–
Docherty, Michael; Szokolay, Steve,: Climate Analysis; Brisbane 1999.
–
Gut, Paul; Ackerknecht, Dieter: Climate Responsive Building - Appropriate Building Construction in
Tropical and Subtropical Regions; St. Gallen, Switzerland, 1993.
–
Koenigsberger, O. H. et al.: Manual of tropical housing and building, Part one: Climatic Design; London,
1974.
–
–
–
–
Lippsmeier, Georg: Tropenbau, Building in the Tropics; München 1980.
–
Minke, Gernot: Manual de construcción en tierra, La tierra como material de construcción y sus
aplicaciones en la arquitectura actual; Montevideo 2001.
–
–
–
Minke, Gernot: Manual de construcción para viviendas antisísmicas de tierra; Kassel Noviembre 2001.
–
–
–
–
Santamouris, M. and Asimakopolous, D.: Passive Cooling of Buildings; London 1996.
–
United Nations Centre for Human Settlements (Habitat): National Design Handbook Prototype on Passive
Solar Heating and Natural Cooling of Buildings; Nairobi 1990.
Evans, John Martin: Housing, Climate and Comfort; London 1980.
Evans, John Martin; de Schiller, Silvia: Diseño Bioambiental y Arquitectura Solar; Buenos Aires 1994.
Goulding, J. R.; Lewis, J. O.; Steemers, T.C. (editors): Energy in Architecture - The European Passive
Solar Handbook, London 1992.
Markus, T. A.; Morris, E. N.: Buildings, Climate and Energy; London 1980.
Mazria , Edward: El Libro de la Energía Solar Pasiva; México1985.
Minke, Gernot: Lehmbau - Handbuch, Der Baustoff Lehm und seine Anwendung; Staufen bei Freiburg
1999.
Olgyay, Victor: Design with Climate - Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism; Princeton 1963.
Rosenlund, Hans: Climatic Design of Buildings using Passive Techniques; Building Issues 1 / 2000,
Volume 10; Lund 2000.
Szokolay, Steven V.: Solar Geometry; Brisbane 1996.
Stulz Roland: Construyendo con Materiales de Bajo Costo; Skat, CETAL Ediciones, Valparaíso 1987.
Stuven, Hellmuth L.: 43 Gráficos de Trayectoria Solar para Ciudades de Chile y Argentina; Dpto. de
Tecnología Arquitectónica y Ambiental de la Facultad de Arquitectura y Urbanismo de la Universidad de
Chile, Santiago 1986.
55
Otras referencias y fuentes utilizadas:
(nota: las normas DIN son citadas con su título en inglés como aparece en las normas en alemán utilizadas;
eso debe facilitar el acceso)
–
–
Bansal, Narenda K.; Minke, Gernot: Climatic Zones and Rural Housing in India; Jülich 1988.
–
–
DIN V 18953, Lehmbau - Baulehm, Lehmbauteile; 1956
–
DIN EN ISO 13789, Thermal performance of buildings – Transmission heat loss coefficient – Calculation
method (ISO 13789: 1999).
–
DIN EN ISO 6946, Building components and building elements – Thermal resistance and thermal
transmittance – Calculation method (ISO 6946: 1996).
–
DIN EN ISO 13370, Thermal performance of buildings – Heat transfer via the ground – Calculation
methods (ISO13370: 1998).
–
DIN EN 410, Glass in building – Determination of luminous and solar characteristics of glazing; German
version EN 410: 1998.
–
DIN EN 832, Thermal performance of buildings – Calculation of energy use for heating – Residential
buildings; German version EN 832: 1998.
–
–
DIN V 4108-4, Thermal insulation and energy economy in buildings – Part 4: Hygrothermal design values;
–
–
Dirección Meteorológica de Chile: Normales Climatológicas 1961 – 1990; Santiago – Chile 1991.
–
E DIN EN ISO 13790, Thermal performance of buildings – Calculation of energy use for heating (ISO/DIS
13790: 1999); German version prEN 13790: 1999.
–
Fanger, P. O.: Thermal Comfort, Analysis and Application in Environmental Engineering; Copenhagen
1982.
–
Hauser, Gerd y Otto, Frank: Planungsinstrument für das sommerliche Wärmeverhalten von Gebäuden;
Baunatal 1997.
–
Hohmann, Rainer; Setzer, Max J.: Bauphysikalische Formeln und Tabellen, Wärmeschutz Feuchteschutz – Schallschutz; Düsseldorf 1997.
–
Kolmetz, Sven: Thermische Bewertung von Gebäuden unter sommerlichen Randbedingungen, Kassel
1996.
–
MINVU Ministerio de Vivienda y Urbanismo: Manual de Aplicación, Reglamentación Térmica, Ordenanza
General de Urbanismo y Construcciones, Santiago Abril 2000.
–
Müller, Ernst: Recommendations and Methods for Thermal Improvement of Dwellings in Central Chile;
Wall Building Technical Brief, German Appropriate Technology Exchange, Eschborn 1997.
–
Müller, Ernst: Architecture, Thermal Comfort and Energy in Chile - A Case Study and Design Rules for
Houses in the Central Region. Architecture, Energy & Environment Compendium 1996; Department of
Architecture and Development Studies, Lund Centre for Habitat Studies, Lund University (Sweden) 1998.
–
Müller, Ernst: Mejoramiento Térmico de Viviendas con Climatización Pasiva para la Zona Central de
Chile con Programas de Simulación Térmica; Congreso Internacional De Energías Sustentables
SENESE X; Punta Arenas (Chile), Noviembre 1998.
–
Müller, Ernst: Estudios Paramétricos con Simulaciones Térmicas para Viviendas con Climatización
Pasiva en la Zona Central de Chile, COCIM - CONAE 2000, UTFSM, Valparaíso - Chile, Octubre 2000.
–
Müller, Ernst: Desenvolvimento de Regras de Desenho Passivo para Edificações Habitacionais na Zona
Central do Chile, ELECS, Canela/RS – Brasil, Abril 2001.
–
Müller, Ernst: Development of a Test Reference Year on a Limited Data Base for Simulations on Passive
Heating and Cooling in Chile, Building Simulation 2001, Rio de Janeiro - Brasil, Agosto 2001.
–
Müller, Ernst: Development of New Design Tools and Recommendations For Passive Design in a
Mediterranean Climate; PLEA 2001, Florianópolis – Brasil, Noviembre 2001
CONAMA – Comisión Nacional de Medio Ambiente midió y suministró los datos climáticos horarios a
través del Centro Nacional de Medio Ambiente CENMA, ambos en Santiago de Chile.
DIN EN ISO 13786, Thermal performance of building components – Dynamic thermal characteristics –
Calculation method (ISO13786: 1999).
DIN V 4108-6, Thermal protection and energy economy in buildings – Part 6: Calculation of annual heat
and annual energy use (DIN V 4108-6: 2000-11).
Duffie, John; Beckman, William A: Solar Engineering of Thermal Processes; 2nd ed. New York,
Chichester, Brisbane, Toronto, Singapore 1991.
56
–
Norma Chilena NCh 853.Of91: Acondicionamiento ambiental térmico - Envolvente térmica de edificios Cálculos de resistencias y transmitancias térmicas, Santiago 1991.
–
Norma Chilena NCh 1079.Of77: Zonificación climático - habitacional para Chile y recomendaciones para
el diseño arquitectónico.
–
Norma Chilena NCh 1960.Of89: Aislación térmica - Cálculo de coeficientes volumétricos globales de
pérdidas térmicas, Santiago 1989.
–
Sarmiento, Pedro: Energía Solar, Aplicaciones e Ingeniería, Sistemas Pasivos; 2ª edición, Valparaíso
1985.
–
Sarmiento, Pedro: Energía Solar, Aplicaciones e Ingeniería, Sistemas Pasivos; 3ª edición, Valparaíso
1995.
–
Taboada Rodrigues, Jorge A.: Reacondicionamiento térmico del parque de viviendas del Gran Santiago:
bases para la evaluación de potencialidades; Santiago - Chile 1987.
–
Verein Deutscher Ingenieure: VDI-Wärmeatlas - Berechnungsblätter für den Wärmeübergang; Düsseldorf
1994.
57
4.2
Instrucciones para el uso de las herramientas de cálculo para el confort térmico
Las herramientas de cálculo fueron implementadas como conjunto de planillas de cálculo "tools_v.xls" para
Excel 97, que además lleva su número de versión al final del nombre. Para facilitar la distribución y
discusión a nivel internacional, las planillas fueron escritas en inglés, pero las instrucciones más importantes
constan aquí en castellano.
Para aplicar el método hay que seguir la secuencia de planillas desde la izquierda hacia la derecha,
siguiendo las instrucciones, especialmente en la primera hoja "Legend":
♦ Los diferentes tipos de células están marcados por colores:
⎯ las amarillas pálidas y diferentes tonos de naranja son para el ingreso de datos por el usuario;
⎯ las amarillas fuertes tienen fórmulas para la copia automática de datos pero también pueden recibir el
ingreso de datos por el usuario;
⎯ las de color lila son solamente para el "método rápido" con estimaciones directas manuales de las
características térmicas básicas del diseño para obtener una primera idea de las condiciones de
confort; exige algunos datos en las planillas "Input_general", "Input_months", "Months",
"Main_output_house";
⎯ letras o células azules corresponden a códigos y fórmulas que no deben ser modificadas;
⎯ los resultados más importantes son marcados con verde.
♦ Un principio importante para las planillas es el uso de códigos para identificar elementos y grupos de
datos; estos códigos facilitan referencias automáticas a características de los elementos identificados (p.
ej. materiales y elementos constructivos); la mejor manera es copiar los códigos de su origen o otro lugar
y insertarlos como dato de ingreso donde se quiere para evitar problemas por diferencias de escritura.
♦ En muchos casos, especialmente las bibliotecas (ver abajo), está previsto que el usuario define nuevos
tipos de elementos, materiales etc. con sus propios códigos únicos. Las celdas y columnas de resultados
también llevan códigos y a veces nombres de bloque para facilitar el acceso automatizado desde otras
planillas por el usuario.
En lo siguiente viene un resumen breve de la función de las diferentes planillas de cálculo:
1. "Legend":
la leyenda contiene instrucciones básicas de uso y explica el papel de los diferentes tipos de células;
2. "Input_general":
ingreso de parámetros generales y parámetros constantes del diseño;
3. "Input_surfaces":
ingreso de superficies interiores y exteriores;
4. "Input_months":
ingreso de parámetros variables para todos los meses;
5. "Months_climate":
- solo referencia automática;
- ingreso de nuevos datos solamente hace sentido para el "modelo universal" en invierno;
6. "Months":
- cálculo mensual estándar con resultados intermediarios interesantes;
- ingreso de parámetros para el método rápido;
7. "Output_months":
cálculo mensual con modelos especiales y resultados del cálculo mensual;
8. "Output_walls_windows":
resultados intermediarios interesantes de los diferentes grupos de elementos;
9. "Main_output_house":
- ingreso de nuevos datos para el "método rápido" y el "modelo universal" en invierno
- resultados principales sobre características térmicas y condiciones de confort;
10. "graph_summer":
gráfico de la curva de correlación para el verano con el diseño actual marcado;
11. "graph_winter":
gráfico de la curva de correlación para el invierno con el diseño actual marcado;
12. "graph_winter_universal":
gráfico de la curva de correlación universal para el invierno con el diseño actual marcado;
"libraries->": marcador para inicio de las bibliotecas;
13."Material":
- materiales de construcción y sus características térmicas;
- ingreso de nuevos materiales previsto;
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14."Elements":
- elementos constructivos y cálculo de sus características térmicas;
- ingreso de nuevos elementos previsto;
15. "Ground":
- cálculo especial para las pérdidas de calor a través del piso sobre el suelo, vinculado con "Elements";
- ingreso de nuevos elementos previsto;
16. "Tools_Parameters":
- parámetros necesarios para el cálculo y factores de corrección como descritos en este texto;
- ingreso de nuevos elementos posible si se conoce los valores;
17. "WindowParameters":
- parámetros necesarios para el cálculo y factores de corrección para ventanas y sombreamiento;
- ingreso de nuevos elementos posible si se conoce los valores;
18."Climate_Data":
datos climáticos originales y completos;
19. "Correlation":
parámetros necesarios para la estimación de las condiciones de confort térmico.
20. Bibliography
algunas referencias bibliográficas
"other_tools->": marcador para otras herramientas independientes de los anteriores
21."Solar_Position":
calcula la declinación y altitud del sol para todo el año y una latitud deseada – ver capítulo 2.2.2;
22."Fixed_Shading"
permite calcular el tamaño de sobretechos, ventanas y muros Trombe en una fachada norte – ver
capítulo 2.2.2.
El método desarrollado aquí para la estimación del confort térmico y las planillas son versiones adaptadas y
extendidas de las normas originales – no son hechas para una aplicación "legal" de normas térmicas, sino
para evaluar el confort térmico en casas pasivas. El método ha sido preparado y programando con mucho
cuidado. No obstante, ningún método de cálculo ni de simulación libera a quien diseña de su
responsabilidad de entender el diseño y verificar si sus números hacen sentido. La plena responsabilidad de
los resultados y de sus conclusiones queda con quien utiliza el método de cálculo.