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Herramienta de captación solar

Un ayuda al proyectista en el estudio de los procesos de captación solar en los elementos acristalados de la edificación.

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Endika Leiba Zabalbeitia (autor)
Ana de la Puente Salazar (tutor)
Francisco Campo Rámila (tutor)

El proyecto desarrollado para el Aula de Ecodiseño de la Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao por Endika Leiba Zabalbeitia, consiste en el desarrollo de una herramienta informática sencilla e intuitiva para el usuario que facilite el análisis y sistematización del proceso de captación de la energía solar en los elementos acristalados de las edificaciones, a lo largo de todo el año, con el fin de optimizar su proceso de diseño y el de los elementos de sombreamiento del edificio.

Introducción

El cálculo de aleros y otros elementos de sombra y protección de los elementos acristalados precisa de una herramienta sencilla e intuitiva, y que pueda ser empleada desde los primeros momentos del encargo de arquitectura (anteproyecto, proyecto básico), con el fin de optimizar la cantidad de energía incidente que es necesaria a lo largo de todo el año.

El proyecto realizado por Endika Leiba Zabalbeitia -Ingeniero Industrial especializado en Construcción- para el Aula de Ecodiseño de la Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao ha dado como resultado una herramienta que facilita este proceso. El Aula de Ecodiseño de la Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao, de la UPV/EHU, está constituida por la Sociedad Pública de Gestión Ambiental Ihobe, S.A., del Departamento de Medio Ambiente, Planificación Territorial, Agricultura y Pesca del Gobierno Vasco, por la Agencia de la Innovación de Bizkaia-BAI, creada por el Departamento de Innovación y Promoción Económica de la Diputación Foral de Bizkaia y por la propia UPV/EHU. Además, el proyecto sido realizado gracias a la colaboración con el estudio de Arquitectura, MAAB arquitectura y urbanismo S.L.P, dedicado a la realización de proyectos de edificación, urbanismo y rehabilitación.

En síntesis, el proyecto ha consistido en el análisis y sistematización del proceso de captación de la energía solar en los elementos acristalados de las edificaciones, a lo largo de todo el año, con el fin de optimizar el proceso de diseño de dichos elementos del edificio.

Dicho trabajo se ha centrado en el ámbito específico de Euskadi, permitiendo al proyectista en función de la energía solar directa, difusa y reflejada que es introducida el edificio a través de una ventana de unas dimensiones, sombreamiento y orientación variables, analizar si el beneficio obtenido en aporte de calor (en régimen de verano) compensa las pérdidas de calor a través del vidrio (en régimen de invierno).

Así pues, en definitiva, obtener una herramienta, que nos asegure en cierta medida, comodidad dentro del interior de un edificio, calcule el ahorro energético, y por último y no menos importante, nos contabilice el CO2 que dejamos de emitir a la atmósfera.

La herramienta informática realizada en el proyecto está dividida en los siguientes apartados:

  • un apartado de información general sobre la radiación solar en Euskadi,
  • un segundo apartado, que representa en una gráfica la carta solar cilíndrica para una determinada fachada y calcula la radiación solar anual incidente en dicha fachada
  • y una tercera parte más específicamente orientada al diseño de las ventanas.

Apartado 1: Información general

En la primera parte del proyecto, con la introducción de la zona de Euskadi, la orientación y la inclinación, se obtiene una tabla que ofrece una información general de la radiación solar en dicho punto, muy útil en el uso de captadores solares.

Para el desarrollo de esta tabla de información general sobre la radiación, han sido empleados distintos datos proporcionados por el EVE (Ente Vasco de la Energía) sobre la radiación directa y difusa a lo largo del año en Euskadi.

Pantalla de cálculo de las irradiaciones medias sobre superficies planas

Apartado 2: Cálculo de la irradiación sobre superficies verticales

En esta segunda fase se pide al proyectista la introducción de la zona y orientación de la fachada donde se sitúa la ventana a analizar, devolviendo el programa como resultado en una gráfica solar cilíndrica los datos solares que nos llegan a la fachada.

Dado que en el cómputo de radiación incidente no sólo se tiene en cuenta la radiación directa, sino también la indirecta (difusa) y la reflejada por el terreno y los edificios colindantes (albedo), cobra especial importancia la definición del horizonte edificado y natural.

Para ello, el proyectista ha de introducir la imagen de la vista obtenida desde dicha fachada, abarcando un ángulo de 180º, y haciéndola coincidir con el gráfico de la carta solar cilíndrica, para continuación introducir, por medio de coordenadas, la curva del horizonte que la imagen anterior aporta.

Información gráfica sobre las irradiaciones medias en superficies verticales del proyecto

El porcentaje de radiación directa es calculado como el porcentaje de curva solar de cada mes que está visible, es decir, que no es tapada por el perfil del horizonte, mientras que el porcentaje radiación difusa se obtiene de restar a la cúpula celeste el horizonte definido por el proyectista.

Finalmente, multiplicando las radiaciones directas y difusas iniciales por los porcentajes anteriormente calculados, y sumándolas, el programa calcula la energía total que llega a la fachada de nuestro edificio, teniendo en cuenta también el albedo estimado en función de la ubicación del edificio.

Resultados de las irradiaciones medias en superficies verticales a lo largo del año

Apartado 3: Cálculo de la radiación que atraviesa el elemento acristalado

La tercera parte de la herramienta informática se centra específicamente en el dimensionamiento de los aleros y elementos de protección. Para ello, la herramienta solicita diversos datos sobre el elemento vidriado que es objeto de estudio (longitud, anchura y altura de la ventana, dimensiones del alero y posición relativa con respecto a la ventana y factor solar).

Definición del elemento acristalado y de los elementos de sombra

Con estos datos, el programa realiza un cálculo sobre la cantidad de radiación que es realmente incidente, el cómputo del ahorro económico estimado con la introducción de las protecciones (en función del tipo de máquina de calor/frío elegida) y por último el balance de emisiones de CO2 con respecto a la no utilización de ninguna protección.

Desarrollo El método empleado para el cálculo de la energía que llega a cada elemento acristalado, ha sido la asimilación del mismo a una matriz de puntos 7x8, donde se calcula para cada punto el porcentaje de sombra, adoptando los datos más restrictivos, con el fin de obtener un valor medio de la sombra que existe en cada uno de ellos para cada mes del año.

La información de forma gráfica es presentada sobre la matriz, pudiendo seleccionar dos meses del año, y de forma numérica, mediante una tabla resumen que indica el porcentaje de superficie iluminada (no sombreada) de cada mes.

Ejemplo de matriz con porcentajes de iluminación por cuadrante de la ventana para una pareja de meses dada

Por otra parte, el programa, gracias a los datos introducidos, incorpora a la gráfica de representación solar cilíndrica del apartado anterior las curvas correspondientes a la sombra de los puntos de la mitad superior e inferior.

Representación sobre el diagrama cilíndrico de los elementos de sombra de la ventana (superpuesto al dibujo del horizonte y a la gráfica solar cilíndrica de la zona)

En último lugar, se introduce en el cálculo el albedo que haya sido considerado, que se incorporará a la radiación directa y a la difusa de la bóveda celeste. Los datos parciales y totales de la energía incidente son recogidos en una tabla.

Para concluir, seleccionando de una manera muy básica el tipo de climatización existente en el edificio, el programa ofrece información sobre el ahorro económico y de emisiones de CO2 derivadas de la incorporación de protecciones. Para ello, el programa compara el régimen de verano y el de invierno, analizando el balance de necesidades de refrigeración y calefacción para dichos periodos.

Aplicación práctica

La herramienta resultante ha sido empleada en un caso real, en el proyecto de rehabilitación y ampliación del centro cívico San Miguel, ubicado en Basauri (Bizkaia), y desarrollado por el Estudio de Arquitectura Maab, para el cálculo y diseño de los elementos de sombra que aseguren el menor consumo de energía de este edificio.

El diseño de los elementos acristalados y de sombra conforme a los mejores resultados obtenidos gracias a la herramienta, permitiría unas reducciones de CO2 equivalentes a 17.571 kg/año.

Conclusiones

Actualmente existen en el mercado diversas herramientas informáticas que permiten a los arquitectos calcular las ganancias y pérdidas térmicas del edificio, destacando todas ellas por su precisión y cantidad de información y variables empleadas en el cálculo. El problema de estas herramientas es que su empleo requiere de una definición muy exacta del edificio, pediéndose en muchas ocasiones los cálculos relativos a una parte de él en el conjunto.

En las primeras etapas del proyecto (anteproyecto, proyecto básico), puede resultar muy recomendable analizar exclusivamente la energía incidente en una determinada zona o habitación, de manera independiente al resto del edificio.

Es por ello que la herramienta informática realizada viene a llenar ese nicho de mercado en cuanto a herramientas de diseño del edificio se refiere, ya que el hecho de centrarse cada vez en un punto concreto, permitirá que en los primeros bocetos del edificio se puedan definir fácilmente los elementos de protección solar que conlleven un mayor ahorro energético, y por tanto, un mejor comportamiento ambiental del edificio.

Esta herramienta podrá ser descargada gratuitamente desde la página:
www.maab.info/descargas/Iraunkor%208_5a.xls

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