Sistema de Calefacción Mediante la Energía Solar

Introducción

A diferencia de lo que popularmente se creería como una idea novedosa, bien es cierto que la arquitectura desde su nacimiento podría considerarse inherentemente bioclimática. Desde su aparición cuando los primeros homínidos condicionaban sus refugios en grutas y cuevas, gestaban a través de técnicas primitivas un dominio de las condiciones ambientales de sus habitáculos. No obstante, de acuerdo con Serra & Coch (2001), no ha sido sino hasta el siglo XIX , fruto de la revolución industrial y los surgentes avances tecnológicos, que se desarrolla una nueva conciencia en el ser humano como agente modificador de su entorno y regulador de las cualidades ambientales de las edificaciones. Hecho que directamente repercute en la depredación del medio natural.

Se comienza a valorar cada vez más el concepto de confort relacionado a las viviendas, por la implementación de innovadoras técnicas y aparatos de control ambiental, proliferación que se vio impulsada por la mecanización industrial y más eficientes medios de transporte como el ferrocarril. A la vez que se introducen de forma paralela nuevos medios energéticos como la transportación de energía calorífica a través del agua, el alumbrado artificial y redes de suministro de energía eléctrica (Serra & Coch, 2001). Por primera vez, la arquitectura se empieza a concebir como un sistema integral energético.

Posteriormente en el siglo XX, la arquitectura del Movimiento Moderno estableció una ruptura con la historia de la arquitectura aunque conservó estrategias propias de la arquitectura bioclimática en su proyección. Pero este antecedente, en ayuda a la emergente era de la comunicación, el desarrollo económico y la globalización, abrieron paso a la rápida difusión del conocido “estilo internacional” que hasta la actualidad se ha caracterizado por la deslocalización de los materiales, formas e incluso estilos y estrategias arquitectónicas (Tarbernero, 2010).

La arquitectura bioclimática busca servirse de estrategias para garantizar el confort de sus usuarios a través del racional uso de los recursos energéticos naturales disponibles. Por esto, resulta un compromiso aprovechar la fuente de energía disponible más grande para el ser humano, el sol. El planeta tierra recibe del sol aproximadamente 1,6 millones de kWh de energía al año limpia, descentralizada e inagotable de los cuales sólo un porcentaje puede ser utilizada, debido a que gran parte de esta, es absorbida, reflejada o re-irradiada. Sin embargo, de ser aprovechada podría asegurar el abastecimiento de toda la energía que se consume actualmente en el mundo (Entrena, F., 2016). Sin embargo, a pesar de todos estos beneficios que presenta la energía solar, es necesaria la implementación de ciertos sistemas para que esta pueda ser convertida en calor o electricidad (Ugarte, J., n/a).

Estos sistemas pueden ser agrupados en dos grandes categorías, los sistemas activos y pasivos. Los primeros, comúnmente conocidos como los sistemas mecánicos de acondicionamiento, como captadores solares y celdas fotovoltáicas. Los pasivos, corresponden a las estrategias netamente arquitectónicas que buscan el aprovechamiento de las energías renovables (ER) o energías de flujo sin la implicación de energía eléctrica como la ventilación natural y energía solar a través de ventanales, invernaderos, muros trombe, etcétera (Barranco, 2015).

Sistemas de calefacción solar pasivos

Las técnicas de calefacción solar pasivas han sido implementadas en viviendas desde tiempos ancestrales, como el posicionamiento de las habitaciones principales hacia el sur a fin de lograr su calentamiento natural (Sayigh, A., 2012). Sin embargo, el concepto de casas pasivas surgieron a inicios del siglo XX en Europa y posteriormente fortalecido por la crisis energética de los años 70. Las casas solares se desarrollaron durante el siglo 20 con el objetivo principal de suplir la mayor parte de su demanda térmica de calefacción a partir de la energía calorífica del sol. Se caracterizaron por el aprovechamiento de los fenómenos naturales de transferencia de calor como conducción, convección y radiación a través de sistemas solares como invernaderos y balcones acristalados (Finocchiaro, L. Et al., 2016).

A lo largo de este mismo siglo se llevaron a cabo numerosos experimentos en edificaciones a fin de analizar y cuantificar el potencial ahorro energético derivado de la implementación de sistemas solares pasivos. Data que posteriormente sirvió para definir los fundamentos de un nuevo paradigma energético vinculado a las edificaciones. Actualmente, en el ámbito investigativo, las diferentes estrategias de sistemas solares pasivas están siendo sometidas a simulaciones avanzadas con la ayuda de software a fin de poder predecir su desempeño y proponer métodos de optimización con la incorporación de ventiladores, cortinas automatizadas, postigos aislados. Hecho que ha ido desencadenando en la práctica una colaboración multidisciplinar entre arquitectos e ingenieros (Finocchiaro, L. Et al., 2016).

Debido a su gran versatilidad de implementación, los sistemas solares pasivos encuentran aplicaciones bastante útiles indiferentemente del clima donde se proyecten, principalmente porque la energía solar puede ser aprovechada para calefactar, enfriar ó iluminar los espacios interiores de una edificación. Los primeros son denominados sistemas térmicos solares, porque se encargan de impactar directamente las necesidades térmicas de los espacios. En cambio, los sistemas de luz natural influyen en el mejoramiento lumínico de los espacios.

Los sistemas térmicos solares se componen de cuatro (4) elementos:

1. Colector. Se trata de la apertura de la edificación que permite la entrada de la luz del sol al interior.
2. Almacenamiento. Es el componente del sistema que se encarga de almacenar la energía solar en forma de calor durante el día y luego irradiado por la masa de almacenamiento, generalmente durante la noche.
3. Distribución. La efectiva distribución de esta energía se logra a partir de la organización funcional de los espacios más críticos, más próximos al subsistema de almacenamiento.
4. Control. Corresponde al conjunto de elementos que se encarga de regular la transferencia de calor de este sistema.

Éstos son categorizados por su forma de ganancia de calor en:

• Sistema de Ganancias Directas (Sin almacenamiento) (GD). Es un sistema inmediato en el cual no se contempla ninguna masa de almacenamiento interior adicional a la del mismo edificio como las paredes, techo y piso.
• Sistema de Ganancias Directas con Almacenamiento (D+A). Este sistema, en cambio, incluye una masa adicional de almacenamiento de hasta 8horas.
• Sistema de Ganancias Indirectas (con Almacenamiento) (IND). Acá, el subsistema colector y de almacenamiento se forman parte de un mismo elemento, separados por una cámara de aire de 4 a 6 pulgadas. El calor es captado y almacenado por un muro exterior o techo, y posteriormente distribuido al interior a través de la masa de almacenamiento que pudiera llegar a medir más de 12 pulgadas.
• Espacios de Sol (Sunspace) (Ganancias aisladas con almacenamiento) (SOL). Son sistemas en donde tanto el colector como el subsistema de almacenamiento se encuentran aislados de la edificación. Se caracteriza por tener rasgos de los sistemas de ganancias directas y de los sistemas de ganancias indirectas. Un espacio de sol es una habitación que guarda cierta relación con el exterior, en donde la mayor parte de su piel permite la captación de energía solar y su masa correspondiente a los muros y paredes adosados a la edificación, permiten el almacenamiento de esta energía, para posteriormente ser transferidos al interior del edificio como un sistema de ganancias indirecto (U.S Air Force., n/d).

Caso de estudio: sistema semi-directo de calefacción solar pasiva en vivienda unifamiliar

El caso de estudio alrededor del cual se desarrollará la investigación consiste en un sistema semi-directo de calefacción solar pasiva en una vivienda unifamiliar aislada ubicada en Maresme en Barcelona, diseñada por el arquitecto Enrique Corbat. Maresme se caracteriza por tener un clima mediterráneo litoral con períodos estacionales bien definidos. Por lo que los sistemas de calefacción solar pasiva suelen ser una adecuada estrategia para satisfacer las necesidades térmicas de los espacios en temporadas de frío.

Esquema de sistema semi-directo de calefacción solar pasiva. 1.Alero de protección para radiación de verano. 2.Captador solar directo (puertas acristaladas de paneles móviles). 3. Cámara de aire. 4.Panel sándwich de metal y aislante. 5. Aberturas practicables para movimiento convectivo del aire. Fuente: Vizoso, O. (2018) a partir de Enrique Corbat.

El sistema a evaluar se encuentra ubicado en la fachada de orientación sur del proyecto. La practicabilidad de los elementos que componen este sistema permite que el mismo pueda responder a condiciones climáticas específicas de manera particular, con el objetivo de garantizar un confortable acondicionamiento del espacio interior.

Para situaciones de verano donde las temperaturas son más elevadas, posee un alero como sistema de protección que impide la incidencia directa de la radiación solar en la interior del espacio. Por otro lado, el carácter móvil del captador solar puede permitir una completa abertura para facilitar la ventilación natural del espacio ó en su defecto mantener solamente el panel sándwich de metal y aislante con las aberturas abiertas para anular la radiación difusa y permitir la ventilación en el interior del espacio.

En invierno, el sistema permite tener un funcionamiento como captador directo con almacenamiento y como captador semi-directo. En el primer caso, el panel sándwich de metal y aislamiento es apartado, de forma que el captador permite el acceso de la radiación solar de forma directa, la cual es almacenada en la masa del suelo y posteriormente re-irradiada en forma de calor al interior del espacio. De igual forma, el sistema permite funcionar de fomra semi-directa creando un espacio de sol no habitable dentro de la cámara de aire comprendida entre el captador solar y el panel sándwich de metal y aislante, en donde gracias a las aberturas practicables del panel y por efecto convectivo, el aire frío ingresa a la cámara de aire, se calienta y posteriormente ingresa al interior del espacio.

Metodología

Actualmente existen pocos registros de investigación que se fundamenten en mediciones reales sobre un sistema existente construido. Por esto, como objetivo principal se plantea analizar el funcionamiento del sistema semi-directo de calefacción solar pasiva, a partir de un registro de mediciones constantes de temperatura y humedad en puntos específicos dentro del área de estudio de la vivienda. A partir de esta, se realizará una interpretación de la información levantada para ser comparada con los datos climáticos de la estación meteorológica de Malgrat de Mar ubicada dentro del condado de Maresme. Finalmente, con el resultado de las interpretaciones se busca detallar sobre el comportamiento del sistema frente a las variaciones del clima durante el período de muestreo y plantear un régimen de uso como guía de intervención de los usuarios que garantice un óptimo rendimiento del mismo.

Conclusiones

• La energía solar constituye la fuente de energía fundamental para el ser humano. Por esto, la arquitectura bioclimática se ha valido de diferentes tipos de estrategias para sacar el mejor provecho de estas mediante técnicas pasivas que permiten amortiguar las necesidades energéticas, térmicas y lumínicas.
• Los sistemas solares pasivos tienen una amplia gama de aplicación en las edificaciones por lo que el clima no representa una condicionante para estos. En cambio, los sistemas de calefacción solar pasiva son mayormente utilizados climas fríos, climas templados con variaciones de temperaturas estacionales marcadas y en climas con amplitudes térmicas diarias significativas.
• A lo largo del siglo XX se desarrollaron constantes experimentos sobre sistemas solares pasivos. A pesar de que actualmente en el campo investigativo éstos sistemas están siendo sometidos a simulaciones avanzadas para buscar optimizar su desempeño, existen escasas referencias fundamentadas en mediciones de casos de estudios reales de sistemas construidos.
• En efecto, se plantea describir el comportamiento de un sistema semi-directo de calefacción solar pasiva en una vivienda unifamiliar en a un clima de tipo mediterráneo litoral, a partir de la comparación de un registro de mediciones reales y las variantes del clima durante el período de muestreo.

Referencias

1. Entrena, F. (2016). Determinación del potencial solar. ENAC0108. IC Editorial. Ecuador.
2. Fernando, M. (2010) La arquitectura bioclimática y el cambio climático. Real Instituto Elcano. Madrid.
3. Finocchiaro, L. Et al. . (2016). Passive solar space heatingNorwegian University of Science and Technology, Trondheim. Norway.
4. Sayigh, A. (2012). Comprehensive Renewable Energy. Elsevier.
5. Serra, R. & Coch, H. (2001). Arquitectura y energía natural. Edicions UPC. Barcelona.
6. Ugarte, J. (n/d). Guía de arquitectura bioclimática. Instituto de Arquitectura Tropical.
7. U.S Air Force. (n/d). Passive Solar Handbook: Introduction to Passive Solar Concepts. Volume I. United States.