Diseño de Calefacción Solar Pasiva

¿Qué es?

El diseño de calefacción solar pasiva es la práctica de configurar la orientación de un edificio, la ubicación de las ventanas, el acristalamiento, la masa térmica y el sombreado para que la trayectoria cambiante del sol a lo largo del año realice la mayor parte de la calefacción —y evite el sobrecalentamiento— sin bombas, ventiladores ni controles electrónicos. El "muro Trombe", un muro de mampostería pesado y oscuro colocado detrás de un vidrio orientado al sur (en el hemisferio norte), es el ejemplo clásico, pero los mismos principios dan forma al diseño de todo el edificio.

¿Para qué sirve?

Reducir o eliminar la energía de calefacción (y refrigeración) comprada para hogares, talleres, invernaderos y otros edificios ocupados. Es especialmente útil fuera de la red o donde el combustible o la electricidad para calefacción son escasos o caros, y generalmente útil en cualquier lugar donde reducir la dependencia de los sistemas HVAC activos sea un objetivo.

La física detrás de esto

El ángulo del sol cambia con las estaciones debido a la inclinación axial de la Tierra: el sol del mediodía se encuentra bajo en el cielo en invierno y alto en verano, con los ángulos exactos dependiendo de la latitud. Una pared o ventana orientada hacia el ecuador (sur en el hemisferio norte, norte en el sur) puede dimensionarse y sombrearse con un voladizo correctamente calculado para que el sol bajo de invierno llegue profundamente al edificio o incida directamente sobre un muro de masa térmica, mientras que el sol alto de verano es bloqueado por ese mismo voladizo antes de que entre. La luz solar que pasa a través del vidrio es absorbida por materiales oscuros y densos en el interior —mampostería, hormigón, piedra, agua— que tienen una alta capacidad calorífica volumétrica y, por lo tanto, almacenan el calor solar entrante durante el día y lo liberan lentamente por conducción y radiación durante muchas horas, suavizando la oscilación entre las temperaturas diurnas y nocturnas. Un muro Trombe coloca esa masa térmica directamente detrás del vidrio con un pequeño espacio de aire: su superficie oscura absorbe la radiación solar, y el calor migra a través del muro por conducción para calentar la cara interior horas después —un retardo de varias horas, ajustable por el grosor del muro— a veces asistido por rejillas de ventilación en la parte superior e inferior que permiten que el aire de la habitación se conveccione a través del espacio para una entrega de calor más rápida, aunque menos retardada.

Historia

La construcción orientada al sol es una práctica antigua. Las viviendas en acantilados Pueblo (por ejemplo, en Mesa Verde) se construyeron bajo voladizos orientados al sur dimensionados para que el sol bajo de invierno llegara al interior de las viviendas mientras que el sol alto de verano era bloqueado por el acantilado superior; escritores griegos antiguos registran casas deliberadamente orientadas al sol de invierno. La versión moderna y cuantificada se desarrolló a lo largo del siglo XX, con el físico Félix Trombe y el arquitecto Jacques Michel construyendo y popularizando el muro de masa térmica acristalado que lleva el nombre de Trombe en Odeillo, Francia, en la década de 1960. El diseño solar pasivo se convirtió en un tema principal de investigación y construcción durante las crisis energéticas de la década de 1970.

Versión simple

Orientar la pared más larga del edificio y la mayor parte de su acristalamiento hacia la dirección que mira al ecuador, manteniendo un plano compacto y una relación ventana-masa modesta, y dimensionando un voladizo de techo fijo a partir de la diferencia del ángulo solar local de invierno/verano para que bloquee el sol alto de verano pero admita el sol bajo de invierno sobre un suelo o pared interior de mampostería.

Versión avanzada

Un muro Trombe dedicado —un muro de mampostería u hormigón, típicamente de algunas decenas de centímetros de espesor y de color oscuro en el lado soleado— con un pequeño espacio de aire detrás del acristalamiento, a veces con rejillas de ventilación en la parte superior e inferior para permitir que el aire de la habitación circule por convección, además de aislamiento nocturno móvil o persianas para reducir la pérdida de calor a través del vidrio después del anochecer, y sombreado caducifolio (enredaderas o árboles) que echa hojas en verano y las pierde en invierno para complementar el voladizo fijo.

Versión industrial

No existe un equivalente mecánico a escala industrial en el sentido habitual, ya que el diseño solar pasivo es fundamentalmente una estrategia geométrica y arquitectónica más que un dispositivo fabricado. Su forma ampliada es el diseño solar pasivo aplicado en desarrollos completos y codificado en códigos de construcción y sistemas de clasificación (como los estándares Passivhaus y las reglas de acceso solar que protegen el derecho de un vecino al sol de invierno), además de edificios institucionales más grandes diseñados con herramientas de simulación solar por computadora y sistemas de masa térmica más grandes y ajustados —sistemas de muro de agua o paneles de material de cambio de fase— integrados con calefacción mecánica de respaldo.

Construyendo el tuyo

1. Determina tu latitud y los datos locales del ángulo solar (o usa una herramienta de búsqueda de trayectoria solar) para encontrar la altitud del sol al mediodía en el solsticio de invierno y verano.
2. Orienta el acristalamiento principal del edificio hacia el ecuador —el sur verdadero en el hemisferio norte— dentro de aproximadamente 15 a 20 grados para obtener la mayor parte del beneficio.
3. Dimensiona un voladizo fijo, o planifica un sombreado estacional, utilizando la diferencia del ángulo solar para que sombree completamente el vidrio al mediodía de verano pero lo deje completamente expuesto al mediodía de invierno.
4. Coloca suficiente masa térmica —un suelo de mampostería, un muro Trombe, contenedores de agua— exactamente donde el sol directo de invierno incidirá sobre ella; la masa a la que el sol nunca llega hace poco.
5. Equilibra el área de acristalamiento con la masa y el clima: demasiado vidrio sin suficiente masa causa sobrecalentamiento diurno y grandes pérdidas de calor nocturnas; muy poco vidrio subcalienta.
6. Aísla en todas partes donde el sol no llega —la pared norte, el techo y los cimientos— para que el calor gratuito ganado en el lado soleado no se pierda en otro lugar.
7. Añade elementos móviles donde sea útil —aislamiento nocturno sobre el acristalamiento, sombreado ajustable o rejillas de ventilación— para el control a lo largo de las estaciones y entre días nublados y soleados.

Errores comunes

• Calcular mal la geometría del voladizo para la latitud real — un voladizo copiado de un clima diferente puede sombrear de menos o de más.
• Demasiado acristalamiento sin suficiente masa térmica, causando sobrecalentamiento diurno y rápida pérdida de calor nocturna a través del vidrio.
• Colocar la masa térmica donde el sol nunca la alcanza realmente — detrás de muebles, o en una habitación sin exposición directa.
• Descuidar el aislamiento en los lados no solares del edificio, perdiendo las ganancias obtenidas en el lado solar.
• No hay una provisión real para el sombreado de verano, confiando solo en suposiciones y permitiendo que el espacio se sobrecaliente en verano.
• Masa térmica oscura instalada sin suficiente área de acristalamiento o la orientación correcta para cargarla realmente.

Cómo medir

Registra la oscilación de la temperatura interior durante 24 horas en comparación con la temperatura exterior — una oscilación menor indica una masa térmica efectiva. Mide la temperatura superficial de la masa térmica en diferentes momentos del día y registra el uso de energía de calefacción auxiliar temporada tras temporada en comparación con un edificio similar sin el diseño pasivo. Verifica el rendimiento del sombreado directamente: observa, o modela con un buscador de trayectoria solar, si el voladizo realmente sombrea completamente el vidrio al mediodía del solsticio de verano y lo despeja completamente al mediodía del solsticio de invierno.

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