Estrategias Pasivas de Enfriamiento y Calentamiento. Lima, Perú

Estrategias Pasivas de Enfriamiento y Calentamiento. 

Lima, Perú 

Proyeccion estereografica. Latitud Sur -12°
Fuente. Andrew Marsh

Saber ubicarnos es lo primero que debemos hacer. Como todos sabemos Lima se ubica en el hemisferio Sur, es decir su ubicación es latitud Sur porque esta por debajo del Ecuador, y por lo tanto se lee, como (-), como se podría leer en un plano cartesiano. Hago énfasis en la importancia de tener presente el recorrido solar y como es la declinación del sol durante su trayectoria anual, en Invierno y Verano o al Norte o Sur porque de esto dependerá que los sistemas sugeridos por estrategias pasivas que deben aplicarse en el diseño, estén bien o mal planteadas.

Para identificar cuales son estas estrategias pasivas, se emplea la carta psicrometrica de Givoni, la cual se puede obtener de la pagina web de Andrew Marsh o de Climate Consultant. Aqui emplearemos la carta de Psicrometrica de Andrew Marsh, y que Climate Consultant no la esta arrojando. 

Pueden visitar http://andrewmarsh.com/software/
Seleccionar Psycrometric Chart y arrastrar la data climatica de Lima

A la izquierda de la interface, en la sección de confort overlay, hay diferentes opciones de cartas psicrometricas, entre ellas la de Givoni, que es con la que trabajaremos. En la seccion de data mapping estan las opciones de visualización como, mensual, horaria y diaria. Estas dos cartas que he seleccionado arrojan datos mensuales y horarios. La zona en verde, confort zone, es la zona de confort y esta enmarcada por humedades y temperaturas, de 20°C a 27°C y de 20% a 80%, esta zona de confort puede varias segun la latitud de la ciudad en la que se esta trabajando, pues no sera la misma zona de confort para un nativo de islandia, que para otro de la zona caribeña o para un limeño. Alrededor de la zona de confort hay un abanico de estrategias pero solo aplican a Lima las que tocan las lineas azules (meses) o los pixeles en degradado azul.

Carta bioclimatica de Givoni, rangos mensuales

Carta bioclimatica de Givoni con rangos mensuales, aquí todos los meses se ubican en la parte superior de la zona de confort indicando las altas humedades anuales, como ya lo hemos visto en el análisis del clima. Cada linea representa un mes, y región que toque cada mes, sera la estrategia a aplicar. Sin embargo, algunos meses están en zona de confort

Estrategias pasivas de enfriamiento y calentamiento

1) Ventilación natural, diciembre, enero, febrero, marzo y abril
2) Ganancias internas, julio, agosto y septiembre
3) Calentamiento solar pasivo, abril, mayo, junio, julio, agosto, septiembre, octubre, noviembre, diciembre y enero.

En conclusión, se observa como la estrategia 3) calentamiento solar pasivo, es la que debería predominar en el diseño de las edificaciones en Lima. 

Carta bioclimatica de Givoni, distribución de hora 

Carta bioclimatica de Givoni con distribución de horas, en la esquina inferior derecha hay una leyenda que indica la cantidad de horas según el tono azul, mas oscuro mayor cantidad de horas (616 hrs) mas claro equivale a 1 hr. Lo importante a destacar es como la mayor cantidad de horas se concentran en las estrategias 2 y 3 llegando a un promedio de 600 horas y la necesidad de ventilación natural alcanza un promedio de 300 horas. 

Estas estrategias, indican el macro del diseño bioclimatico, y el micro serian los sistemas que se propondrán basados en las estrategias que veremos a continuación. 

Ventilación natural

El objetivo de la ventilación natural, es disminuir la sensación de calor de los usuarios, a través del contacto entre el aire en movimiento y la piel. Las transferencias por convección y radiación se dan entre la piel y entorno. Por eso cuando la temperatura de un ambiente comienza a elevarse, disminuye la capacidad de disipación de nuestro calor y las venas superficiales se dilatan aumentando el área de superficie de intercambio de calor. Si esto no es suficiente y no perdemos calor por radiación o convección, entonces comienza la exudación y nos refrescamos por la evaporación del sudor que refrescará la piel expuesta al entorno, si no es suficiente la temperatura ira en aumento y entraremos en dinconfort. Caso contrario, si la temperatura del entorno disminuye, cesa la producción de calor, las venas se contraen y la temperatura de la piel disminuye para evitar perdidas por convección y radiación, si esto no es suficiente el organismo empieza a generar calor con el movimiento involuntario de la tiritona (temblor) generando perdidas de calor al refrescar la piel con el movimiento del aire, por eso es indispensable que el aire este en movimiento a partir de los 0.5 m/s, 

Lo primero que se debe saber es la procedencia de los vientos, de donde vienen o hacia donde van, de esta forma se determinarán las fachadas en sobrepresión o barlovento (signo +), siendo por donde se hará la captación, y la salida de dará por las fachadas en depresión o a sotavento (signo -). Ventilar en verano puede lograrse de diferentes formas, sin embargo, hay que considerar que ocurre en invierno, si los vientos cambian de dirección seria favorable, pero si no, puede haber perdidas de calor. 

Para hacer estudios computarizados del comportamiento del viento en un local, existen los estudios de dinámica de fluidos computacional CFD, (Computational fluid dynamics) y entre los programas mas usados esta el Flow-3D.

Algunos de sistemas que se pueden aplicar a esta estrategia son:

• Ventilación cruzada permanente
• Captadores de viento
• Chimenea solar
• Cámara solar
• Aspiradores estáticos
• Efecto chimenea
• Ventilación subterránea

La ventilación aparte de refrescar renueva el aire viciado, lo cual es de suma importancia para la salud. Renovar el aire viciado consiste en

Proveer oxígeno
Remover el dióxido de carbono
Remover olores
Remover microorganismos, moho, hongos y ácaros
Remover el vapor de agua para ayudar a prevenir la condensación
Remover las partículas como humo y polvo
Remover vapores inorgánicos (solventes de limpieza, insecticidas, etc.)
Remover productos de la combustión de calentar o cocinar
Remover el gas ozono de fotocopiadoras e impresoras laser
Remover el gas metano y los elementos descompuestos del suelo

Ganancias internas

Según la carta de Givoni, las cargas internas engloba las temperaturas comprendidas entre 13°C y 20°C, en las que se consigue llegar a la zona de confort mediante el aumento de la temperatura interna, dada por el hecho de habitar el espacio. Las ganancias son aportadas por los ocupantes, iluminación y equipos eléctricos y de mide en W/m2. Es importante tener en cuenta este tipo de ganancias ya que durante determinadas épocas del año serán suficientes para conseguir el confort. 

Si se propone emplear esta fuente de calor durante los meses mas fríos, se deben evitar las perdidas de calor mediante el correcto aislamiento de la edificación así como el uso de elementos constructivos con masa térmica. 

Durante los meses calientes las ganancias internas se seguirán produciendo por lo que se debe pensar en la correcta ventilación de los espacios, para eliminar el aire caliente.

Algunos de sistemas que se pueden aplicar a esta estrategia son:

• Aislamiento térmico muros
• Aislamiento térmico en techo
• Tipos de vidrios para los acristalamientos
• Elementos constructivos con masa térmica

Calentamiento solar pasivo

Puede ser parte constituyente del edificio, en este caso los elementos constructivos básicos como, muros, ventanas, cubiertas, entre otros o/y elementos básicos modificados según su función, como invernaderos, galerías y chimeneas, de este modo el calentamiento se convierte en una forma natural, en el sistema de captación, control, regulación y acumulación de la energía que se necesita sin generar sobre costos en la construcción. 

Este estrategias es bastante amplia, ya que sus diferentes sistemas se pueden clasificar en varias categorías como

1. Sistemas captadores directos: La captación directa se limita a la disposición de suficiente superficie acristalada, correctamente orientada. Sólo exige un correcto diseño del edificio y no representa ningún costo adicional. Tiene como inconveniente la dependencia absoluta de las horas de sol, lo que unido al incontrolado proceso de acumulación que se va a producir, en los suelos y paredes cercanos a punto de captación, provoca una irregular distribución del calor en la habitación.

• Ventanales
• Atrios
• Claraboyas
• Lucernarios

2. Sistemas captadores semi-directos: son sistemas encargados de atrapar la energía aportada por la radiación solar para calentar una masa de aire. Los invernaderos permiten crear espacios vivideros y de tránsito integrados en el edificio, y ha sido una solución muy habitual en muchas regiones donde se aprecia mucho la luz y que al mismo tiempo no tienen veranos muy calurosos. Espacio es un espacio que se calienta y irregularmente. pero no tiene mayores problemas, mientras que la habitación colindante recibe comedida y correctamente el aire caliente a través de las aberturas. 

• Invernadero adjunto
• Invernadero semi-encerrado
• Invernadero encerrado
• Invernadero independiente

3. Sistemas captadores indirectos: Son aquellos que se caracterizan por fundamentarse en la masa térmica, que sera la encargada de captar, acumular y distribuir la energía calorífica de forma regular al interior del edificio. La captación, a través de muros, techos, elementos interiores y pisos, sera directa al sol. La capacidad de acumulación ira en función del volumen, densidad y calor especifico de los materiales que conforman el sistema. Esto permitirá repartir adecuadamente la energía a lo largo de los periodos de consumo y también evitará el golpe térmico que se produce en los momentos de captación, es decir, una habitación diseñada para captar energía solar, pero que no sea capaz de acumularla, alcanzará temperaturas más superiores a las de bienestar. 

Una bajada brusca de la temperatura exterior, antes de enfriar el ambiente interior, primero roba la energía del muro, lo cual tomara tiempo antes de tener perdidas a través del muro. También se da el caso de que un muro cede el calor almacenado al interior durante las horas mas frías que suelen ser en la noche, pero cuando éste ha vaciado todo este calor, empieza nuevamente a captar energía solar para iniciar nuevamente el proceso de acumulación de energía calorífica. 

• Inercia térmica en muros
• Inercia térmica techos
• Inercia térmica elementos interiores
• Inercia térmica pisos 
• Inercia térmica tierra

Las características fundamentales de la masa térmica son el volumen, densidad y calor especifico 

Volumen: A mayor cantidad de masa mayor cantidad de energía requerida para calentarlo por ejemplo una montaña requiere de mayor energía para ser calentada que un puñado de tierra para elevar en grado su temperatura. 

Densidad: Los gases tienen menor densidad de los líquidos por presentar sus partículas menos cohesionadas y estos a su vez menos que los sólidos. Por ejemplo si eliminamos el aire que contiene una sustancia comprimiéndola elevaremos su densidad y la cantidad de energía necesaria para calentar, ésta será igualmente superior a la necesaria para calentar el mismo volúmen de esa sustancia pero esponjada.

Calor especifico: Por ejemplo si se tienen 2 materiales diferentes como 1 kg de plomo y 1kg de madera el calor específico de cada uno es diferente. Para que plomo eleve 1° kelvin su temperatura se le necesitan suministrar 128 Joules (J) por casa kg, Para que la madera eleve 1° kelvin su temperatura se le necesitan suministrar 420 Joules. Esto quiere decir que para que los dos materiales Eleven 1° kelvin su temperatura la madera tendrá que recibir 3.28 veces más cantidad de calor que el plomo. Fuente: Laboratorio de Edificación Sostenible, Facultad de Arquitectura. Universidad Nacional Autónoma de México 

4. Sistemas captadores independientes: Aquí también se aplica el concepto de masa térmica pero a sistemas que no están incorporados a la volumetria del edificio. Son independientes a la edificación y un ejemplo de ello, son los depósitos de grava ubicados en el suelo colindante. 

• Deposito de gravas
• en otros 

Ver tabla de estrategias y sistemas