Arquitectura bioclimática y urbanismo sostenible. PDF

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6. Arquitectura bioclimática 6.1. Introducción Desde el principio de la evolución de nuestra especie, la humanidad ha basado su desarrollo en el uso de materias primas y fuentes de energía accesibles y conocidas en cada época. Actualmente, el desarrollo tecnológico hace que esta demanda alcance cotas insostenibles, con consecuencias alarmantes. Dentro de este contexto, la vivienda ocupa un lugar clave debido a la masiva concentración de población en los núcleos urbanos. Por ejemplo, el 80% de los ciudadanos europeos vivimos en las ciudades y necesitamos consumir el 40% de la energía primaria para mantener las condiciones de confort en nuestras viviendas. El sector urbano pasa a ser el primer consumidor de energía y el primer responsable de la emisión de gases de efecto invernadero, por encima de sectores tan señalados como el de la industria o el transporte.

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Balance energético de un edificio P. Transmisión

G. Solares

P. Renovación G. Interna

P. Transmisión Invernadero

P. Transmisión

FIGURA 6.1. Balance energético de un edificio. Ganancias (G.) y pérdidas (P.). Fuente: GEE.

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Antiguamente, los materiales utilizados, las técnicas constructivas y el diseño de los edificios siempre han ido ligados al clima del lugar. Así en todo el planeta podemos encontrar distintos tipos de construcciones y diseños urbanísticos que garantizaban el mayor confort para sus ocupantes, con soluciones ingeniosas y de fácil construcción. Uno de los problemas habituales de los edificios que se construyen actualmente y del contexto arquitectónico en que se engloban es que se desligan de su medio ambiente al ser considerados un producto más de consumo, con la consecuencia de que en su planteamiento no se considera un enfoque racional de las necesidades energéticas que el confort de los usuarios pueda demandar. La arquitectura bioclimática supone una vuelta a esta concepción de espacio diseñado para optimizar el uso de los recursos renovables que nos ofrece el medio que nos rodea. Tiene por objetivo la consecución de un gran nivel de confort en las edificaciones mediante la adecuación de su diseño y geometría a las condiciones de su entorno. El propio edificio se comporta como una máquina térmica que capta (o evita) energía de manera gratuita, la conserva y por último la distribuye. Así, este tipo de construcciones consigue tener un menor consumo energético frente a los edificios en los que su único método de control del confort térmico son las instalaciones de climatización. De esta forma se consigue reducir notablemente el uso de combustibles fósiles u otras fuentes de energía no renovables, que tantas consecuencias nefastas están produciendo en nuestro planeta.

6.2. Principales pautas de diseño de edificios El diseño bioclimático es el resultado de la aplicación racional de conceptos relacionados con confort, clima y transferencia de energía entre el interior de la vivienda y un conjunto de sistemas, fundamentalmente el exterior del edificio. Con este enfoque, conviene revisar un conjunto de variables que van a intervenir de una u otra forma en la consecución del confort en el interior de la vivienda. La totalidad de los sistemas bioclimáticos basan su funcionamiento principalmente en el aprovechamiento o protección de la radiación solar y de los procesos convectivos naturales. Por tanto, a la hora de construir un edificio con criterios bioclimáticos es imprescindible considerar todas las interacciones que ocurren en él. Dichas interacciones se pueden clasificar mediante tres tipos de variables: 1) Variables del entorno. 2) Variables de habitabilidad. 3) Variables constructivas de la edificación.

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1) Variables del entorno Las variables del entorno se refieren a las ligadas a la situación geográfica de la región como son el clima, la altitud sobre el nivel del mar, la presión atmosférica, la radiación recibida o que potencialmente puede evitar en función del sombreamiento existente, y otros fenómenos relacionados con el medio que rodea a la edificación. 2) Variables de habitabilidad Para realizar un adecuado análisis del balance energético es importante considerar la relación de los ocupantes con el edificio. El cuerpo humano es a su vez, un sistema termodinámico y como tal emite calor. La ganancia de calor producida por las personas puede variar dependiendo de la actividad que desempeñen. Generalmente el nivel de actividad de una persona en reposo está entre los 100-150 W y este valor cambia en función de la actividad física que se realice. En la tabla 6.1 se muestra la carga térmica que genera el cuerpo humano al realizar algunas actividades:

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Tipo de actividad Descanso Dormir Estar sentado Estar parado Caminar 3,2 km/h

Nivel de actividad [W/persona] 72 108 126 207

4,3 km/h 6,4 km/h Trabajo oficina Escribir

270 396

Trabajo con ordenador Presentación frente a grupo Varios Limpiar el piso

117 144 207-360

Bailar Jugar al baloncesto

252-459 738-909

108

TABLA 6.1. Nivel de actividad desarrollando diversas actividades.

Por otra parte, las instalaciones que se utilizan para obtener confort y bienestar también modifican el comportamiento térmico del edificio. Tanto los sistemas de calefacción como los de refrigeración influyen en gran manera en la carga térmica del edificio, al igual que los sistemas de iluminación, los aparatos electrodomésticos, etc.

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3) Variables constructivas de la edificación Las variables constructivas de la vivienda tratan de las características físicas de la edificación, como son el tipo de cerramientos, forjados y cubiertas, la dimensión de las ventanas, los vidrios empleados, la orientación de la construcción, la calidad de las superficies y el color empleado, entre otras. Este tipo de variables son fundamentales para modificar el comportamiento térmico del edificio aplicando los criterios de optimización adecuados. Por otro lado, aunque aquí nos vamos a centrar en el ahorro desde una perspectiva energética en el uso de una edificación, el concepto de Arquitectura Bioclimática es mucho más amplio, dado que en él se pueden englobar aspectos de todas las fases que forman el proceso constructivo y también de los que tienen lugar una vez que la edificación ha llegado al final de su vida útil. Tener en cuenta cuestiones como los materiales usados, su toxicidad, su procedencia o su reciclabilidad, son ejemplos de cómo valorar una construcción de manera más profunda.

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6.2.1. Ubicación, orientación y forma del edificio La totalidad de los sistemas bioclimáticos basan principalmente su funcionamiento en el aprovechamiento o protección de la radiación solar y de los procesos convectivos naturales. Por tanto, a la hora de construir un edificio con criterios bioclimáticos es imprescindible considerar, como hemos dicho, la ubicación concreta, la forma y la orientación del mismo en función de las condiciones climáticas del lugar donde se pretenda construir. Conocer los sombreamientos cercanos al edificio así como el análisis del microclima será fundamental en el estudio previo. Orientación La correcta orientación de la edificación repercute significativamente en un edificio. Es importante tener datos de radiación, tanto para superficie horizontal como para superficies con distinta inclinación, lo que nos permitirá valorar las zonas de mayor aprovechamiento en las distintas épocas del año, así como las superficies con mayor riesgo de sobrecalentamiento o de pérdidas energéticas. Como ejemplo de este tipo de análisis, habría que tener en cuenta la proporción de la envolvente del edificio orientada a cada punto cardinal y la radiación que recibe (teniendo siempre en cuenta sus sombreamientos). El Sol tiene distintas trayectorias a lo largo del año, por tanto, la radiación que recibe una superficie es distinta dependiendo del día y la hora en que nos encontremos. En latitudes medias la orientación Sur (Sur n30º) es la que mayor aporte solar recibe en invierno (en el hemisferio Norte), dado que recibe radiación directa la mayoría de las horas del día.

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Trayectorias solares en diferentes momentos del año 10 a.m. 10 a.m.

Julio Sep.

Julio

Nov. Septiembre E

S

O

Noviembre

Sur

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Este

Oeste Norte FIGURA 6.2. Trayectorias solares en diferentes momentos del año. Fuente: GEE.

En función de esto, la orientación Sur será la de mayor aprovechamiento solar en invierno. Además el ángulo de incidencia de la radiación en un muro orientado al Sur es menor en invierno que en verano siendo en épocas invernales cuando la radiación incidirá en una trayectoria más próxima a la normal en el mediodía solar. Esto además de aumentar la radiación recibida en la superficie, también ofrece la posibilidad de evitar la radiación indeseada en el verano. Por el contrario la fachada orientada al Norte apenas recibe radiación directa en ninguna época del año, salvo unos pocos días en verano, por lo que será más fría y menos confortable. Las soluciones para las fachadas con esta orientación, pasarán por minimizar las pérdidas (muros más aislados, bajo porcentaje de acristalamiento...). Por otro lado, las fachadas orientadas al Este recibirán radiación solar durante el transcurso de la mañana, mientras que las orientadas al Oeste solo recibirán radiación durante la tarde.

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Si observamos la curva que representa la irradiancia sobre superficie horizontal, con respecto al resto, podemos ver que los mayores sobrecalentamientos se producirán en cubiertas y techos, sobre todo en los meses de más calor. Las cubiertas ventiladas junto con el aislamiento adecuado, pueden reducir las elevadas temperaturas alcanzadas en estas superficies.

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Ubicación La ubicación nos dirá las condiciones climáticas concretas de la zona y, en particular, la relación del edificio con su entorno inmediato, de forma que habrá que ver si interesa permitir el máximo de captación solar en una zona fría en invierno, o poner impedimentos a la misma en verano, en particular en una zona calurosa. La vegetación permite reducir la penetración de calor hacia el interior de la edificación y dispersar el calor acumulado durante el día. Este tipo de protección sirve para evitar que durante el día la acción de los rayos solares llegue directamente a la estructura. Cuando no es posible sombrear los cerramientos con vegetación se pueden utilizar elementos de protección solar separados de la pared para permitir el movimiento del aire que facilite la transferencia de calor por convección y la consiguiente evacuación, evitando en este caso, estratificaciones.

FIGURA 6.3. Protecciones solares.

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Los elementos de control solar como los aleros y partesoles (o la combinación de ambos) interceptan la entrada de la radiación directa y una parte de la radiación difusa a través de las ventanas. Estos dispositivos deben diseñarse de acuerdo con la trayectoria solar estacional cambiante. En otras palabras, se debe atender cuidadosamente la localización, la orientación y la latitud de la edificación, ya que todos estos factores juegan un papel importante en el diseño de dispositivos eficientes de control solar. El alero es un dispositivo horizontal que sobresale de la parte superior de la ventana y que obstruye la componente vertical de la radiación solar. Los aleros se especifican o caracterizan por su ángulo de protección, formado por el plano horizontal en la base de la ventana y una línea imaginaria que une la parte más sobresaliente del alero con el punto más bajo de la ventana. El partesol es cualquier elemento vertical cercano a la ventana que obstruya la componente horizontal de la radiación solar, sobre todo en las horas cercanas a la salida y puesta del Sol. Los partesoles se especifican por su ángulo de protección, definido por el plano vertical de la ventana y por una línea imaginaria que une el punto más sobresaliente del partesol con el extremo opuesto de la ventana. Son adecuados para las fachadas Este y Oeste, para evitar la radiación directa en verano.

FIGURA 6.4. Partesoles en fachada.

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Asimismo deben analizarse las rosas de los vientos, tanto direccionales como de velocidades, para aprovechar o evitar las corrientes naturales. En el caso de vientos fríos en invierno se deberán evitar las pérdidas convectivas que producen y evitar las infiltraciones.

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Compacidad La compacidad es la relación entre el volumen interior y la superficie total de la envolvente. La compacidad está relacionada con los intercambios térmicos, pues el flujo de calor que entra y sale del edificio será proporcional a la superficie de sus paredes o cerramientos. A mayor cantidad de superficie para el mismo volumen calefactado la energía perdida es mayor. A la hora de elegir, es preferible optar por edificios con alta compacidad.

FIGURA 6.5. Iglú. Vivienda esquimal.

En regiones extremadamente frías es recomendable reducir al máximo la superficie exterior del edificio, optimizando el volumen habitable, para evitar pérdidas de calor y reducir la energía necesaria para calentar el aire. Una aplicación clara de este concepto son los «iglús», los refugios construidos con bloques de hielo por los esquimales. De ahí la forma esférica que optimiza precisamente esa relación volumen/superficie. Por el contrario en regiones cálidas es común tener techos de gran altura para favorecer estratificaciones que permitan mantener fresca la zona habitada del edificio el mayor tiempo posible.

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Compacidad del edificio y comportamiento térmico Pérdidas

Compacidad u

Volumen interior Superficie envolvente

Compacidad

Nota: La «compacidad» es el parámetro contemplado en CTE-HE en sustitución al «factor forma» presente en el antiguo NBE-CT79. 1 Compacidad u factor forma

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FIGURA 6.6. Compacidad y pérdidas. Fuente: GEE.

Demanda energética y compacidad

Compacidad del edificio u 0,89 Demanda energética u 75 kWh/m2

Compacidad del edificio u 1,27 Demanda energética u 51 kWh/m2

FIGURA 6.7. Demanda energética y compacidad. Fuente: GEE.

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6.2.2. Composición de la envolvente

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Otra cuestión fundamental a la hora de diseñar un edificio será considerar convenientemente la capacidad aislante de su envolvente, la mejor forma de ahorrar energía es no disiparla al exterior. Las pérdidas se producen a través de los cerramientos del edificio, según sea su coeficiente de transmisión térmica, y a través de puentes térmicos en pilares, forjados, carpinterías y persianas. El uso de materiales aislantes como criterio de diseño La utilización de materiales de alta resistencia térmica en la construcción establece una barrera al paso del calor entre dos medios que, de forma natural, tenderían a alcanzar el equilibrio térmico igualando sus temperaturas. El material más resistente al paso de calor es el aire, gracias a su baja conductividad térmica y bajo coeficiente de absorción de la radiación. Sin embargo, el fenómeno de convección que se origina en las cámaras de aire aumenta sensiblemente su capacidad de transferencia de calor. Por esta razón, se utiliza como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos capaces de inmovilizar el aire confinado en el interior de sus celdas. Se suelen utilizar como aislantes térmicos específicos materiales combinados de sólidos y gases: fibra de vidrio, lana de roca, poliestireno expandido, espuma de poliuretano, o mejor, cáñamo, arcilla expandida, planchas de fibra de madera, placas de viruta de madera con magnesita y lana de oveja, aglomerados de corcho, vidrio expandido, etc., que son materiales más sanos y menos contaminantes. En la mayoría de los casos el gas encerrado es el aire. La efectividad dependerá del espesor de la capa aislante, pero el ahorro energético por centímetro añadido irá disminuyendo progresivamente, de modo que a partir de los 6-8 cm de espesor apenas se notará mejoría en el ailamiento. Los límites de conductancia para cerramientos se detallan en el documento básico HE del Código Técnico de la Edificación, donde se establecen los valores de transmitancia máxima en función de las zonas climáticas y del tipo de cerramiento. Los valores de conductividad térmica, así como los de resistencia térmica superficial para los distintos materiales están ...