La época de verano está acompañada de las expresiones “si hace calor” o “el sol arde”. Sabemos que es debido a la incidencia de radiación solar que recibimos en cierto momento del año dependiendo de la latitud en la que nos ubiquemos. La magnitud de esta incidencia se conoce como irradiancia, y se mide W/m². Dicha radiación se puede clasificar como directa, difusa (se dispersa a su paso a través de la atmósfera, e.g. por la presencia de nubosidad) y reflejada (aquella que rebota en un cuerpo, e.g. ventanas). La suma de estos tres tipos de radiación se conoce como radiación global.

Las múltiples rutas de la radiación solar directa, difusa y reflejada

Cuando sentimos calor, se debe a la ganancia térmica o el incremento de la cantidad de calor contenida en un espacio. Este incremento puede ser resultado de la radiación solar, de la transferencia de calor a través de las superficies de la edificación como paredes, ventanas o techos, y del calor emitido por personas, equipos u otras fuentes de energía. Una de las variables a considerar en un diseño energéticamente eficiente, es la transferencia de calor a través de elementos de la envolvente. Entre los elementos donde la transferencia es más significativa destacan las ventanas, ya que dejan pasar calor por radiación.

Ante lo anterior el uso y diseño de protecciones solares y seleccionar de cristales vienen a ser variables de diseño para reducir la ganancia interna en los momentos críticos de verano.

Protecciones solares.

Las protecciones solares reducen la intensidad de la irradiancia recibida (directa, difusa y reflejada), al mismo tiempo que permiten una adecuada recepción de luz natural, es por esto que en ciudades con alta radiación es una estrategia de diseño imprescindible.          Este efecto se obtiene en base al tamaño y disposición de la protección solar, la cual proyectará un área sombreada. Mientras mayor sea la proyección de sombra, menor será la transferencia de calor por radiación a través de la ventana y menor la ganancia interna.

La tabla 1 muestra, para la ciudad de Santiago, la reducción de radiación solar (W/m²) al utilizar una protección solar. Para el ejercicio se evaluó una ventana de 1m² hacia el norte en entre Diciembre y Febrero, entre las 8:00 y 18:00, calculando el valor promedio diario para un vidrio simple (figura 1).

Protecciones Solares y Desempeño Energético

Tabla 1: Impacto de protección solar sobre radiación sobre una ventana

La tabla muestra que mientras más proyección de sombra cae sobre la ventana se reduce la radiación solar que cae sobre la misma. De esta forma el arquitecto puede reducir una situación de sobrecalentamiento. Para obtener los porcentajes de sombreado adecuados es preciso diseñar las protecciones de acuerdo a las variables climáticas de la ciudad, tomando en cuenta las horas críticas del periodo respectivo. La Figura 2 muestra esquema de protecciones solares que aportan 100% de  sombra entre las 11:30am y 1:30pm el 21 de Diciembre  para una ciudad ubicada cerca del ecuador.

Alternativas de protecciones solares para aportar 100 % bajo condiciones específicas.

Selección del cristal

El comportamiento del cristal es otra aspecto a considerar, donde se deben observar dos variables: el SHGC (coeficiente de ganancia solar) y el valor U (coeficiente de transferencia de calor). El primero hace referencia a la relación de ganancia solar directa a través del cristal. El segundo describe que tan bien un material conduce calor a través de sus elementos. Estos valores pueden variar dependiendo de su color, número de cristales y acabado. La tabla 2 muestra valores de SC y U para diversos tipos de ventanas.

Mientras más bajos son los valores menor será la ganancia por radiación solar y la transferencia de calor a través del mismo. Estos valores se pueden identificar en la ficha técnica del producto y son el resultado de una prueba independiente como la que administra el NFRC[i]. El correcto uso de una protección solar y el tipo de ventanas permitirá al equipo de diseño:

• Minimizar la ganancia térmica (radiación directa y difusa) hacía el interior de la vivienda, por lo tanto, reducir la situación de sobre calentamiento.
• Evaluar diferentes proporciones de ventana-muro para el desempeño energético esperado.
• Optimizar la entrada de luz natural directa y difusa.
• Aportar elementos que además de estéticos contribuyen a mejorar la eficiencia energética de la edificación.

Protecciones Solares y Desempeño Energético

[i] http://www.nfrc.org/WindowRatings/The-NFRC-Label.html

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Todo proyecto amerita una evaluación económica la cual debe tomar en cuenta la inversión inicial (fase de diseño y construcción) así como los costos operativos y de mantenimiento (energía, agua, etc). Dicha evaluación económica debe ser una de las actividades a desarrollar por los profesionales involucrados en la fase de diseño.

Para desarrollar una correcta evaluación económica se debe tener un flujo de costos que reflejen el impacto de las variables de diseño seleccionadas, como ejemplo saber cuánto sería el consumo energético mensual para un año típico de tener 10, 15 o 20 cm de aislante en los muros, ya que este valor se repetiría años posteriores. Es solo de esta forma que la evaluación económica mostrará la mejor de las posibles alternativas. Si estos conceptos son considerados tardíamente, u obviados, los costos de operación y mantenimiento pueden incrementarse significativamente. Ante lo anterior, las herramientas computaciones de simulación dinámica son de gran utilidad para estimar los posibles costos asociados a las variables de diseño del proyecto.

Una simulación dinámica se refiere a una versión computarizada de un modelo (en nuestro caso una edificación) la cual correr en el tiempo permite analizar las implicaciones de interacciones de elementos y sistemas que de otra manera no serían aparentes, como lo puede ser la relación entre acabados superficiales y consumo eléctrico para iluminación. Así mismo, le ventaja de simulaciones dinámicas radica en que durante la fase de diseño se pueden realizar varios modelos para ver variaciones en algunos de los parámetros analizados (cambios de ventanas, espesor de aislante, entre otros).

De esta manera realizar simulaciones de varias alternativas – al inicio del proyecto – puede llevar a soluciones que mejoren significativamente el desempeño de la edificación, así como identificar una opción económicamente competitiva con respecto a otras opciones. Las simulaciones son un gran aporte a arquitectos e ingenieros, en especial si se quiere mejorar el cumplimiento energético de la edificación y buscar un alto desempeño.

Los resultados de las simulaciones dan información valiosa para la toma de decisiones sobre elementos como:

• Envolvente: optimización de materiales aislante, ubicación de barreras de vapor;
• Iluminación: optimizar entrada de iluminación natural y optimización en iluminación artificial;
• Ventanas: tamaño, ubicación, tipo de ventanas y protecciones solares;
• Sistemas de acondicionamiento y ventilación: reducir el tamaño de los equipos, optimizar su diseño, capacidad y funcionamiento;
• Operación y mantenimiento: reducción significativa en costo de consumo de electricidad y combustibles

Para asegurar que el uso de la simulación sea efectivo, se recomienda:

• Realizar simulaciones dinámicas lo más temprano posible en la fase de diseño.
• Mantener las simulaciones sencillas, no añadir más detalle del que sea necesaria para responder las preguntas de diseño e interrogantes de evaluación económica.
• Refinar mientras se avanza, para que la simulación avance con el diseño.
• Estar vigilante, para no cometer errores (en especial en la data y suposiciones de entrada como los son las tasas de infiltración).
• No usar la simulación si no puede responder a las preguntas de diseño.

Existen paquetes para varios tipos de aplicaciones, siendo los más comunes los de desempeño energético. Otras aplicaciones son contaminación atmosférica, análisis económicos, calidad del aire interior, análisis solar, ventilación y flujo de aire, conservación del agua, acústica, confort térmico, sistemas de ductos y tuberías, entre otros. Si el interés es mejorar el desempeño energético de edificaciones existe una gran variedad de paquetes donde su uso depende del nivel de detalle y rigurosidad en el cálculo deseado, algunos son:

ENERGY PLUS: Es un software modular basado en las mejores características de DOE2.1 con dos grandes componentes: un balance de masa y calor,  y un módulo de simulación de sistemas de edificaciones. Es un ejecutable por lo que su entrada y salida de datos son archivos de texto, esto lo hace un poco complicado y extenso al efectuar un análisis completo.  Sin embargo hoy en día existen interfaces gráficas que facilitan su uso.

 eQUEST:  Es de fácil manejo, este programa permite la obtención de resultados de alto nivel, además de poder  adquirirse gratuitamente. Su mejor característica es la guía que lleva paso a paso el proceso de crear un modelo energético de la edificación, que se extiende desde el diseño arquitectónico, el equipo de acondicionamiento, el plan y distribución del edificio, hasta la ocupación de las zonas e iluminación, entre otros.

 ECOTECT: Su fuerte se encuentra en la fase del diseño conceptual permitiendo al arquitecto optimizar desde esta fase. Permite visualizar resultados de análisis térmico, energía, iluminación, sombras, entre otros.

Como nota final hay que tener en cuenta que el tipo de herramienta utilizada ofrecerá beneficios solo en base a su correcto uso, por lo que es de gran importancia la competencia que el profesional tenga con la herramienta.

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Investigadores de la Universidad de Sevilla han cuantificado con herramientas matemáticas lo que se sabe desde antiguo: la temperatura de un patio interior es más suave que la del exterior. Parece de sentido común, pero conocer en detalle esta información ayuda a ahorrar energía y dinero, el objetivo de los edificios ecoeficientes.

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El confort térmico es la sensación que expresa la satisfacción de los usuarios de los edificios con el ambiente térmico. Por lo tanto es subjetivo y depende de diversos factores.

El cuerpo humano “quema” alimento y genera calor residual, similar a cualquier máquina. Para mantener su interior a una temperatura de 37°C, tiene que disipar el calor y lo hace por medio de conducción, convección, radiación y evaporación. En la medida como se acerca la temperatura ambiental a la temperatura corporal, el cuerpo ya no puede transmitir calor por falta de un gradiente térmico, y la evaporación queda como única forma de enfriamiento.

Una de las funciones principales de los edificios es proveer ambientes interiores que son térmicamente confortables. Entender las necesidades del ser humano y las condiciones básicas que definen el confort es indispensable para el diseño de edificios que satisfacen los usuarios con un mínimo de equipamiento mecánico.

Factores

La producción de calor del cuerpo depende principalmente del nivel de actividad de la persona.

Para la disipación de calor, estos factores son críticos:

• Factores ambientales
• Temperatura del aire
• Humedad relativa del aire
• Movimientos de aire
• Temperatura media radiante
• Factores personales
• Vestimenta de la persona

La sensación térmica además depende fuertemente de las expectativas de la persona. Así que influyen el clima exterior, la estación del año y la hora del día, el asoleamiento, la iluminación y la calidad del aire interior, entre otros.

Las recomendaciones y normas pueden diferir bastante en los valores concretos para los factores ambientales. Esto se debe a la complejidad de las interacciones entre los diferentes elementos. Además hay que considerar que la mayoría de los criterios fueros desarrollados para el caso de invierno, con temperaturas exteriores bajas y calefacción ambiental, y para ambientes de estadía permanente.

Temperatura del aire

La temperatura del aire determina cuánto calor el cuerpo pierde hacia el aire, principalmente por convección. La temperatura del aire basta para calificar el confort térmico siempre y cuando la humedad y la velocidad del aire y el calor radiante no influyen mucho en el clima interior.

El rango de confort se extiende de alrededor de 20°C en invierno a alrededor de 25°C en verano.

Para el confort también es importante el gradiente térmico vertical. Se aconseja que entre la cabeza y los pies no debería haber una diferencia mayor a 3 Kelvin. No deseables son cambios fuertes de temperatura.

La temperatura del aire percibida como agradable está en estrecha relación con los otros factores ambientales. De tal manera que una temperatura ambiental insatisfactoria puede compensarse, dentro ciertos rangos, mediante ajustes de uno o más de los otros factores ambientales. El uso de la vestimenta apropiada también entra en esta categoría, pero a nivel personal.

Humedad relativa del aire

La evaporación de humedad de la piel es principalmente una función de la humedad del aire. El aire seco absorbe la humedad y enfría el cuerpo efectivamente. Favorable para la salud humana es una humedad relativa del aire entre los 30 a 40% como mínimo y 60 a 70% como máximo.

Confort térmico

Movimientos de aire

El movimiento del aire influye fuertemente en la pérdida del calor del cuerpo por convección y por evaporación. Las velocidades de aire hasta 0,1 m/s por lo general no se perciben.

En general son agradables y deseables los movimientos entre 0,1 a 0,2 m/s. Cuando los movimientos de aire enfrían el cuerpo humano más allá de lo deseado se habla de corrientes.

Representan un serio problema de confort térmico en los edificios. No obstante a temperaturas ambientales altas, las brisas hasta 1,0 m/s pueden sentirse agradables, en dependencia del nivel de actividad y de la temperatura.

Sobre los 37°C el aire en movimiento calienta la piel por convección y a la vez la enfría por medio de evaporación. Más alta la temperatura, menor es el efecto refrigerante.

Confort térmico

Temperatura radiante media

La temperatura radiante media representa el calor emitido en forma de radiación por los elementos del entorno y se compone de las temperaturas superficiales ponderadas de todos los cerramientos. Es deseable que el valor no difiera mucho de la temperatura del aire.

Confort térmico

Temperatura operativa

La temperatura operativa es útil para la evaluación del confort térmico, gracias a que de manera más fidedigna representa la temperatura “sentida” por una persona en un ambiente interior.

Es, de manera simplificada, el valor medio entre la temperatura del aire y la temperatura radiante media. Para el invierno se recomienda entre 20 y 22°C mientras en verano se considera aceptable entre 25 y 27°C.

En invierno se aceptan valores más bajos para los dormitorios, las cocinas y los pasillos, y se exige valores más altos para los cuartos de baño y los dormitorios de personas enfermas.

Habitabilidad

El concepto del confort térmico va mucho más allá de la habitabilidad de los edificios. Como condición fundamental se puede establecer que los recintos habitables no tengan moho.

Para garantizarlo, la temperatura superficial interior de la envolvente, en ningún punto debe estar debajo del punto de rocío, para prevenir la condensación superficial. De esta regla solo se pueden exceptuar las ventanas.

La temperatura de rocío es una función de la temperatura y la humedad relativa del aire, claves para el confort térmico.

Eficiencia energética

El confort térmico también está vinculado con la eficiencia energética. La humedad del aire no solo es esencial para el confort, también influye directamente en la eficiencia térmica de un edificio:

• El aire húmedo es más difícil de calentar que el aire seco.
• Materiales de construcción húmedos tienen un efecto aislante drásticamente reducido.

Consecuentemente es conveniente limitar la humedad del aire en estación fría a un máximo de 50 a 60%.

Confort higro-térmico

Es evidente que la humedad es tan importante para el comportamiento térmico de un edificio como las propiedades de temperatura. Por ese motivo en la actualidad también se habla del “confort higro-térmico”.

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El balance energético de un edificio representa los flujos de energía entre el edificio y su entorno. Es un estudio comparativo de la suma de las ganancias y la suma de las pérdidas de energía.También se llama equilibrio energético, debido a que ambas sumas deben ser iguales.En otras palabras: Calculando la suma de las pérdidas obtenemos la cantidad de energía requerida, por ejemplo para dimensionar la instalación de calefacción.

Alcance

Los siguientes gráficos representan el balance de energía térmica de una vivienda, tomando en consideración la energía de calefacción y de calentamiento de agua sanitaria.

¿Qué es el balance energético de un edificio?

Asimismo podemos definir otros límites y bases de cálculo para el balance:

• Solo la calefacción, o al contrario, todos los energéticos y todos los usos del hogar, tal como la electricidad para iluminación y el equipamiento.
• En la evaluación de la sustentabilidad del uso de energía se debe tomar en cuenta la energía primaria.
• En lugar de demanda y consumo teórico, el cálculo puede basarse en el consumo real de energía.
• El cálculo puede realizarse en régimen estático o en régimen dinámico.

La forma más básica para determinar la demanda energética de calefacción es el cálculo de la energía transmitida por los elementos de la envolvente. No considera, por el lado del suministro, las ganancias solares e internas. Por el lado de las pérdidas ignora la ventilación y las infiltraciones. En una casa convencional puede servir de todas maneras como primera aproximación.

Utilidad

El balance de los flujos de energía nos ayuda a visualizar la importancia y relevancia de cada flujo de energía. Por lo tanto depende de nuestro propósito, qué detalle y qué alcance es conveniente considerar.

Flujo de energía térmica residencial

El diagrama de flujos de energía térmica residencial visualiza por el lado del input, el total de energía que se distribuye en los flujos principales de calefacción y agua caliente, pero también incluye unos flujos menores de pérdidas.

Estos se contabilizan como pérdidas. En la calefacción es el calor que se queda en la sala de caldera y lo que sale por el ducto de gases de combustión. La calefacción con estufa rodante no tiene este tipo de fugas de energía. No obstante genera pérdidas de manera indirecta por la ventilación adicional necesaria.

Además suman aquí la ganancia solar y las ganancias internas.

Por el lado del output, que son las pérdidas, tenemos la transmitancia por la envolvente y las pérdidas por ventilación y por infiltraciones de aire.

Aparte de las aguas servidas que se llevan la mayor parte del calor de calentamiento de agua.

Estrategias de eficiencia energética

Para reducir la energía de calefacción, consecuentemente tenemos a disposición estas estrategias de eficiencia energética:

• El aumento de las ganancias solares se traduce directamente en ahorro energético. Es una cuestión de diseño de la casa.
• La reducción de las pérdidas por transmisión por la envolvente, es decir la aislación térmica, es la estrategia principal a nivel de construcción.
  Aquí el espesor de la capa aislante no es lo único que importa. Igual importancia tienen los puntos críticos que encontramos en cada envolvente, así como una construcción que mantiene secos el aislante y los demás materiales de la construcción.
• Las pérdidas por infiltración de aire son innecesarias y deberían ser casi cero. Son un problema constructivo.
• No podemos eliminar las pérdidas por ventilación, debido a que la ventilación de la casa es vital. Pero podemos optimizar la ventilación natural. El objetivo es un confort higro-térmico adecuado y a la vez eficiencia energética. Se resuelve a nivel de hábitos de los usuarios del edificio.
  En caso de ventilación mecánica, por ejemplo en los Passivhaus, se trabaja con técnicas de recuperación de calor.

Las ganancias internas son inconstantes y ellas mismas son el objeto de esfuerzos de eficiencia energética: somos nosotros los seres humanos más el equipamiento a electricidad y a combustible que utilizamos. Aumentar estas ganancias significa aumentar el consumo de energía dentro del hogar. Por lo tanto es una mala estrategia de ahorro.

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Todo proyecto amerita una evaluación económica la cual debe tomar en cuenta la inversión inicial (fase de diseño y construcción) así como los costos operativos y de mantenimiento (energía, agua, etc.). Dicha evaluación económica debe ser una de las actividades a desarrollar por los profesionales involucrados en la fase de diseño.

Para desarrollar una correcta evaluación económica se debe tener un flujo de costos que reflejen el impacto de las variables de diseño seleccionadas, como ejemplo saber cuánto sería el consumo energético mensual para un año típico de tener 10, 15 o 20 cm de aislante en los muros, ya que este valor se repetiría años posteriores. Es sólo de esta forma que la evaluación económica mostrará la mejor de las posibles alternativas. Si estos conceptos son considerados tardíamente, u obviados, los costos de operación y mantenimiento pueden incrementarse significativamente. Ante lo anterior, las herramientas computaciones de simulación dinámica son de gran utilidad para estimar los posibles costos asociados a las variables de diseño del proyecto.

Una simulación dinámica se refiere a una versión computarizada de un modelo (en nuestro caso una edificación) la cual correr en el tiempo permite analizar las implicaciones de interacciones de elementos y sistemas que de otra manera no serían aparentes, como lo puede ser la relación entre acabados superficiales y consumo eléctrico para iluminación. Así mismo, le ventaja de simulaciones dinámicas radica en que durante la fase de diseño se pueden realizar varios modelos para ver variaciones en algunos de los parámetros analizados (cambios de ventanas, espesor de aislante, entre otros).

De esta manera realizar simulaciones de varias alternativas – al inicio del proyecto – puede llevar a soluciones que mejoren significativamente el desempeño de la edificación, así como identificar una opción económicamente competitiva con respecto a otras opciones. Las simulaciones son un gran aporte a arquitectos e ingenieros, en especial si se quiere mejorar el cumplimiento energético de la edificación y buscar un alto desempeño.

Los resultados de las simulaciones dan información valiosa para la toma de decisiones sobre elementos como:

• Envolvente: optimización de materiales aislante, ubicación de barreras de vapor;
• Iluminación: optimizar entrada de iluminación natural y optimización en iluminación artificial;
• Ventanas: tamaño, ubicación, tipo de ventanas y protecciones solares;
• Sistemas de acondicionamiento y ventilación: reducir el tamaño de los equipos, optimizar su diseño, capacidad y funcionamiento;
• Operación y mantenimiento: reducción significativa en costo de consumo de electricidad y combustibles.

Para asegurar que el uso de la simulación sea efectivo, se recomienda:

•  Realizar simulaciones dinámicas lo más temprano posible en la fase de diseño.
• Mantener las simulaciones sencillas, no añadir más detalle del que sea necesaria para responder las preguntas de diseño e interrogantes de evaluación económica.
• Refinar mientras se avanza, para que la simulación avance con el diseño.
• Estar vigilante, para no cometer errores (en especial en la data y suposiciones de entrada como los son las tasas de infiltración).
• No usar la simulación si no puede responder a las preguntas de diseño.

Existen paquetes para varios tipos de aplicaciones, siendo los más comunes los de desempeño energético. Otras aplicaciones son contaminación atmosférica, análisis económicos, calidad del aire interior, análisis solar, ventilación y flujo de aire, conservación del agua, acústica, confort térmico, sistemas de ductos y tuberías, entre otros. Si el interés es mejorar el desempeño energético de edificaciones existe una gran variedad de paquetes donde su uso depende del nivel de detalle y rigurosidad en el cálculo deseado, algunos son:

ENERGY PLUS: Es un software modular basado en las mejores características de DOE2.1 con dos grandes componentes: un balance de masa y calor, y un módulo de simulación de sistemas de edificaciones. Es un ejecutable por lo que su entrada y salida de datos son archivos de texto, esto lo hace un poco complicado y extenso al efectuar un análisis completo. Sin embargo hoy en día existen interfaces gráficas que facilitan su uso.

eQUEST: Es de fácil manejo, este programa permite la obtención de resultados de alto nivel, además de poder adquirirse gratuitamente. Su mejor característica es la guía que lleva paso a paso el proceso de crear un modelo energético de la edificación, que se extiende desde el diseño arquitectónico, el equipo de acondicionamiento, el plan y distribución del edificio, hasta la ocupación de las zonas e iluminación, entre otros.

ECOTECT: Su fuerte se encuentra en la fase del diseño conceptual permitiendo al arquitecto optimizar desde esta fase. Permite visualizar resultados de análisis térmico, energía, iluminación, sombras, entre otros.

Como nota final hay que tener en cuenta que el tipo de herramienta utilizada ofrecerá beneficios solo en base a su correcto uso, por lo que es de gran importancia la competencia que el profesional tenga con la herramienta.

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Investigadores de la Universidad de Sevilla han cuantificado con herramientas matemáticas lo que se sabe desde antiguo: la temperatura de un patio interior es más suave que la del exterior. Parece de sentido común, pero conocer en detalle esta información ayuda a ahorrar energía y dinero, el objetivo de los edificios ecoeficientes.

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