Arquitectura Bioclimatica - Victor Armando Fuentes Freixanet

1

ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA

Dr. Arq. Víctor Armando Fuentes Freixanet

Universidad Autónoma Metropolitana- AzcapotzalcoDivisión de Ciencias y Artes para el Diseño

Departamento del Medio [email protected]

2

2

1 Introducción

Metodología de diseño

3 Climatología

4 Geometría solar

5 Confort

6 Estrategias de diseño

7 Ventilación natural

8 Control térmico

9 Bibliografía general

INDICE

3

1INTRODUCCIÓN VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

Es evidente que nuestro medio ambiente está cada día más deteriorado y que los problemas que esto conlleva están incidiendo más directamente en la salud del hombre y en las actividades que desarrolla. Por esto la preocupación ante los problemas ambientales está aumentando y generalizándose más y más; el hombre está tomando conciencia, un tanto obligadamente, de la importancia de los ecosistemas y la fragilidad de su equilibrio, sólo entonces, frente a la perspectiva de la deshabitabilidad de nuestro planeta...

La crisis ecológica (económica, social y política) que se sufre actualmente en muchos países del mundo, principalmente en los latinoamericanos, obedece, en la mayoría de los casos, a los esquemas de desarrollo planteados, con una visión puramente económica, donde no se ponderan adecuadamente los factores ambientales y de calidad de vida como los prioritarios a perseguir.

Los esquemas de desarrollo tradicionales, basados en un crecimiento económico sostenido deberán ser replanteados a corto plazo y reemplazados por esquemas de desarrollo sustentable o integrales, es decir que el crecimiento económico deberá supeditarse a las posibilidades, potencialidades y límites que los ecosistemas tengan para sustentar a la población. Por otro lado los problemas ambientales no reconocen fronteras, de tal forma que es imperativo un nuevo orden en el ámbito internacional.

Dentro de este pretendido “orden equilibrado” el papel del arquitecto es fundamental; ya sea en la arquitectura habitacional, comercial, industrial, turística, de edificios públicos, y en cualquier ámbito de participación profesional, el arquitecto debe poner todo su empeño y conocimientos para ofrecer espacios que, además de poseer un cierto valor estético, sean funcionales y adecuados a los nuevos requerimientos de organización social y productiva, que revaloricen los factores culturales, tradiciones e idiosincrasia regional y nacional; espacios saludables y confortables que propicien una mayor eficiencia y productividad.

Cuando se habla de arquitectura, generalmente, la primera idea que viene a la mente es la de casas y edificios, muros y cubiertas o fachadas atractivas; y ciertamente la forma externa y los materiales constructivos, son en sí la manifestación arquitectó-nica. Sin embargo, la arquitectura implica mucho más que esto; además de la envolvente, la arquitectura es el espacio contenido o delimitado por todos los elementos constructivos, es el espacio habitable, el espacio percibido a través de casi todos los sentidos: la arquitectura se siente, se ve, se escucha, se huele... esta amplia percepción es la que nos hace sentir a gusto o no, dentro de un espacio. Estamos acostumbrados únicamente a ver la arquitectura desde el punto de vista formal, y pocas veces nos percatamos de todo lo que una edificación implica.

4

El problema de disconfort o malestar no es sólo el sentirnos a disgusto en un espacio, habitar en espacios inadecuados repercute en problemas de salud, eficiencia y productividad. Por lo tanto, la arquitectura es en mucho responsable de la salud y bienestar de sus habitantes; La Organización Mundial de la Salud mencionó en uno de sus informes de principios de la década de los 80s, que más del 70% de los problemas de enfermedades de vías respiratorias se deben a espacios mal diseñados. Y ciertamente, ¿cuantos de nosotros hemos vivido en casas muy calurosas, muy frías, húmedas o extremosas en donde se presentan recurrentemente estos problemas de salud, principalmente en niños y ancianos? Los espacios mal iluminados ocasionan problemas visuales, los espacios ruidosos, provocan problemas auditivos, de estrés, de comunicación, etc. Bajo todas estas condiciones desfavorables, evidentemente se presentará una disminución de la eficiencia y la productividad de las personas.

Es en este contexto que trabaja la ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA, cuyo principal objetivo es el de armonizar los espacios y crear óptimas condiciones de confort y bienestar para sus ocupantes. Crear espacios “habitables” que cumplan con una finalidad funcional y expresiva y que sean física y psicológicamente adecuados; que propicien el desarrollo integral del hombre y de sus actividades.

Esto puede lograrse a través de un diseño lógico, de sentido común, a través de conceptos arquitectónicos claros que consideren las variables climáticas y ambientales. En este sentido la arquitectura bioclimática no es más cara que la arquitectura convencional; dar una buena orientación y ubicación de los espacios, dimensionar adecuadamente las ventanas, colocar un alero o partesol, seleccionar adecuadamente los materiales constructivos, etc. son acciones sencillas que no impactan al costo de diseño ni de construcción.

Pero la arquitectura bioclimática también atiende los problemas energéticos de la vivienda. Hacer un uso eficiente de la energía y los recursos, tendiendo hacia la autosuficiencia de las edificaciones es un punto importante a tratar.

Generalmente, cuando se presenta un presupuesto de una edificación a un cliente, se consideran únicamente los costos directos e indirectos de construcción y nunca se presentan los costos de operación ni mantenimiento. Si el cliente supiera que vivir en su casa le va a representar un gasto de miles de pesos mensuales por conceptos de energía eléctrica para climatización e iluminación artificial, difícilmente aceptaría nuestro presupuesto.

A través del diseño adecuado de los espacios es posible, evitar o disminuir el uso de la climatización artificial; así como aprovechar ampliamente la iluminación natural durante el día.

Adicionalmente existen varios equipos de tecnología solar que pueden ser utilizados en las construcciones tales como equipos fotovoltaicos y aerogeneradores, lámparas y luminarias eficientes etc. y calentadores solares de agua que puede reducir enormemente los consumos de gas doméstico. Y desde luego que todas estas acciones energéticas acarrearán beneficios de tipo económico para los usuarios.

Aplicando el diseño bioclimático, se ayuda también a preservar el medio ambiente, integrando al hombre a un ecosistema mas equilibrado. En las construcciones es necesario hacer un uso adecuado del agua, una adecuada disposición de deshechos sólidos y tratamiento adecuado de aguas grises y

5

negras. Se puede tener sistemas de captación de agua pluvial utilizando las azoteas de los edificios. Resulta absurdo que el cielo no dé agua y nosotros la tiremos por el drenaje en lugar de utilizarla o simplemente en lugar de inyectarla al subsuelo. La arquitectura también debe considerar los problemas de contaminación exterior e intramuros. Existen materiales y substancias contaminantes que se utilizan dentro de las habitaciones que deben ser evitados o tratados de manera especial. En otras palabras, la arquitectura debe diseñar espacios ecológicamente concebidos que respondan integral y armónicamente a la acción de los factores ambientales del lugar.

Algunos autores se refieren a la envolvente de los edificios, como la “piel constructiva” ya que la construcción es, en cierta forma, una extensión de nosotros. La envolvente debe ser diseñada como un agente dinámico que interactúe favorablemente entre el exterior e interior y viceversa, es decir que debe actuar como un filtro selectivo biotérmico, acústico, lumínico, etc. capaz de modificar favorablemente la acción de los elementos naturales, admitiéndolos, rechazándolos y/o transformándolos cuando así se requiera.

El hombre es y debe ser el foco central de la arquitectura, los arquitectos debemos diseñar para que los usuarios puedan desarrollar no sólo sus actividades de manera adecuada sino también para que ellos mismos se puedan desarrollar integralmente. Los arquitectos tenemos esta gran responsabilidad.

La arquitectura es mucho más que el simple espacio contenido por unos muros, es el espacio capaz de sensibilizar al hombre que lo habita, es el espacio lleno de vivencias surgidas por sus actividades pero también es el espacio que lo induce a la espiritualidad y reflexión; a la introspección, serenidad y a la exaltación de los valores humanos. La arquitectura es el espacio que permite al hombre encontrarse a sí mismo y a su realidad, la arquitectura es el reflejo del ser, manifestado en un espacio.La arquitectura bioclimática es una alternativa que trata de solucionar los problemas ambientales de las edificaciones a través de un diseño lógico y que aprovechan al máximo los factores naturales y optimizan o eficientizan el uso de los sistemas energéticos tradicionales. Todo ello está en función de los requerimientos del programa arquitectónico y principalmente de los requerimientos de confort ambiental de los usuarios.

Algunos de los conceptos de diseño bioclimático más importantes son:

Orientación: La orientación óptima de las construcciones es el primer aspecto que se debe precisar. Para determinar la mejor orientación, y dependiendo de las condicionantes del lugar, podrá ser más importante un parámetro que otro, por ejemplo el “eje térmico”, el “eje eólico”, la iluminación natural, las visuales, etc.

Forma: La forma, volumetría, grado de confina-miento y agrupación de los elementos es un factor determinante para el comportamiento térmico de la edificación, también para el establecimiento del patrón de ventilación y el desempeño lumínico.

6

Ubicación de los espacios: Los espacios deben ser jerarquizados de acuerdo a su función, grado de privacidad, accesos, etc., pero también de acuerdo a sus requerimientos ambientales (térmicos, lumínicos, acústicos, de ventilación, etc.) de acuerdo a todo ello debe lograrse una zonificación y organización espacial adecuada.

Diseño de ventanas: Las ventanas son uno de los elementos más importantes en una construcción, ya que debe cumplir simultáneamente con varias funciones: permitir el asoleamiento, iluminar, ventilar y permitir la comunicación visual entre el exterior y el interior. Por todo ello es un elemento que debe diseñarse cuidadosamente:

Proporciones:La proporción entre los vanos y los macizos de las fachadas permitirá controlar la cantidad de radiación solar directa e indirecta que penetrará en la construcción. Así mismo se logrará un equilibrio entre el calor y la luz, además de dirigir el flujo de ventilación.

Dispositivos de control solar:En caso necesario deberán diseñarse dispositivos de control solar que permitan selectivamente el paso del sol por las ventanas en determinadas fechas y horas. Estos dispositivos deben diseñarse tanto para el control solar como para el control de la iluminación natural y sin interferir con el patrón de ventilación.

Ventilación natural:Del mismo modo, en caso necesario deberán diseñarse dispositivos de ventilación natural (a través de las ventanas o de otros elementos constructivos) que controlen el flujo de ventilación tanto en su cantidad, velocidad como dirección dentro de los espacios interiores. La ventilación tiene tres funciones básicas: la renovación del aire, la climatización o enfriamiento del espacio y los elementos constructivos, y el enfriamiento directo de las personas.

Iluminación natural:En caso necesario deberán diseñarse dispositivos de diseño de iluminación natural, los cuales ayudarán a controlar e incrementar los niveles lumínicos y la distribución de la luz en el interior; de tal forma que la iluminación artificial sea restringida a un uso nocturno o únicamente como complemento a la natural.

Materiales y Sistemas constructivos:Una buena selección de sistemas constructivos, materiales, y acabados, con sus colores y texturas es determinante para obtener un buen comportamiento térmico y lumínico de la construcción.

Eco-tecnología:Además, la arquitectura bioclimática comúnmente incorpora eco-tecnologías apropiadas que ayudan a reducir los consumos energéticos, por ejemplo colectores solares para el calentamiento del agua, colectores solares e invernaderos para el calentamiento de los espacios habitables,

7

fotoceldas o generadores eólicos para la producción de electricidad, refrigeración solar, aljibes y captación de agua pluvial, sistemas ahorradores y de reutilización del agua, y otras más.

Nuestro país está transformándose y creciendo rápidamente, y de una u otra manera todos somos protagonistas. Podemos optar por un crecimiento a costa del medio ambiente y los recursos, o por un crecimiento integral y equilibrado donde el hombre y la naturaleza se entrelacen en armonía. El arquitecto no debe quedar al margen de este reto, debe actuar de manera gremial e individual, dando lo mejor de sí, con verdadera vocación de servicio en favor de la sociedad.

8

2METODOLOGÍA DE DISEÑO VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

INTRODUCCIÓN

La palabra método significa modo razonado de obrar. En diseño, los métodos han surgido como una forma lógica de proceder para encontrar la solución de un problema. Los procedimientos son formas de actuar, o las acciones consecutivas que deben hacerse para llegar a un objetivo. El diseñador o arquitecto crea espacios que cumplen con una finalidad tanto funcional como expresiva tendientes a satisfacer necesidades específicas. Para configurar espacios que satisfagan las necesidades específicas, el diseñador comúnmente se basa en métodos, sin embargo, el problema más común al que se enfrenta el diseñador es que durante el proceso de diseño se presentan etapas analíticas, lógicas y racionales, pero hay otras etapas creativas, intuitivas o emotivas que no pueden darse a través del razonamiento lógico.

Al respecto, los filósofos griegos como Platón y Aristóteles ya se planteaban preguntas acerca del acto de pensar y decidir, pero quizá fue Descartes quién estudió acerca de los procedimientos de estos actos. Desde el punto de vista del diseño, como uno de los primeros antecedentes, podemos mencionar a Marco Lucio Vitruvio, quien escribió su obra “Los diez libros de arquitectura” alrededor de los años 738 y 741 de Roma (25 a. C.) Esta obra es un tratado no sólo de arquitectura sino también de ingeniería en varias ramas.

En su primer “libro” Vitruvio habla de la arquitectura en general y de las cualidades que debe de tener un arquitecto. Define a la arquitectura como una ciencia que requiere de muchos conocimientos y estudios, pero sobre todo se requieren dos aspectos fundamentales, la práctica y la teoría. También menciona: “Porque como en todas las artes, muy especialmente en la arquitectura, hay dos términos: lo significado y lo que significa. La cosa significada es aquella de la que uno se propone tratar; y la significante, es la demostración desarrollada mediante principios científicos...” [Vitruvio, 1955] Aunque aparentemente, este último término implica la utilización metodológica, Vitruvio lo utiliza para resaltar la necesidad de poseer y aplicar conocimiento en muy variados campos. Posteriormente describe varias disciplinas que el arquitecto debe dominar, entre ellas: la gramática, el dibujo, la geometría, la óptica, la aritmética, la historia, la música, la medicina, la jurisprudencia, la filosofía y la astrología; y explica el porqué de cada una. Particularmente, con relación a la medicina escribe: “La medicina es necesaria al arquitecto para conocer cuáles son los aspectos del cielo, que los griegos llaman <climas>, las condiciones del aire en cada lugar; que parajes son nocivos, cuáles saludables, y qué propiedades tienen sus aguas, porque sin el conocimiento de estas circunstancias no es posible construir edificios sanos” [Vitruvio, 1955]. En este punto Vitruvio relaciona de manera importante a la Arquitectura con el medio ambiente y con la salud de sus ocupantes.

9

Refiriéndose al diseño, o “ideas” (expresadas en planta, alzado y perspectiva), explica: “Estas tres partes nacen de la meditación y de la invención. La meditación de la obra propuesta es un esfuerzo intelectual, reflexivo, atento y vigilante, que aspira al placer de conseguir un feliz éxito. La invención es el efecto de este esfuerzo mental que da solución a problemas obscuros y la razón de la cosa nueva encontrada...” [Vitruvio, 1955]. Por un lado explica que deben aplicarse principios científicos, por otro define al diseño como un acto creativo, intuitivo e interno. En este mismo libro se habla de manera importante del emplazamiento y la relación de la arquitectura con el medio ambiente, principalmente referido al soleamiento, la ventilación y la disponibilidad de agua pura; temas muy importantes en la arquitectura bioclimática.

En todas las épocas, y hasta nuestros días, varios filósofos y teóricos de la arquitectura, se han dedicado a investigar acerca del proceso del pensamiento creativo y distintas metodologías de diseño. En este texto se revisarán algunas propuestas metodológicas relacionadas con el diseño Bioclimático.

METODOLOGÍAS DE DISEÑO BIOCLIMÁTICO antecedentes

En el campo de la Arquitectura Bioclimática, entendida como aquella que busca el bienestar y confort de los usuarios, un uso eficiente de la energía y la integración armónica al medio ambiente, se requiere manejar un sin número de variables de tipo ambiental, climático, social, científico, económico y técnico, donde convergen varias disciplinas. Esto nos habla sobre la complejidad del problema, no sólo la tecnología es compleja, sino que también lo son las necesidades que se pretende resolver. No es posible seguir diseñando con los criterios de hace años pues las necesidades y estilos de vida han variado enormemente, dando por consecuencia un nuevo grupo de requerimientos que, además parecen estar cambiando continuamente, por lo que apoyarse en experiencias anteriores no siempre es suficiente. Por esta razón, los diseñadores buscamos herramientas que nos permitan mover con relativa seguridad.

En este sentido, buscar una metodología de arquitectura bioclimática se hace con el fin de facilitar, no sólo el análisis de información, como generalmente se hace, sino todo el proceso de diseño, poniendo particular énfasis en las etapas de conceptualización arquitectónica global y de detalle, así como las etapas de evaluación de las propuestas. Es decir que si bien la metodología de diseño bioclimático tiene una gran carga científica y técnica, no deben dejarse de lado los aspectos creativos.

A mediados de los años sesentas (1963) los hermanos Olgyay proponen el término “Diseño Bioclimático” tratando de enfatizar los vínculos y múltiples interrelaciones entre la vida y el clima (factores naturales) en relación con el diseño, también exponen un método a través del cual el diseño arquitectónico se desarrolla respondiendo a los requerimientos climáticos específicos. Un método similar es propuesto poco después por Baruch Givoni1 (1969), basado en la carta Psicrométrica. Más adelante surgieron otras definiciones como diseño ambiental, eco-diseño, diseño natural, bio-diseño, etc. en realidad todos tratan de establecer la importancia del diseño basado en la relación Hombre-Naturaleza.

10

Para lograr una arquitectura de este tipo es necesario un cambio conceptual de esta relación ya que bajo esta nueva perspectiva el diseño contemplará, de manera natural, todos los factores que interactúan integralmente.La arquitectura bioclimática puede contribuir de manera significativa al bienestar, eficiencia, salud, economía y ecología. Si se quiere solucionar los problemas de inadaptación de los espacios al medio ambiente natural, se debe hacer desde sus orígenes, partiendo de los objetivos fundamentales de la arquitectura:

1. Crear espacios habitables que cumplan con una finalidad funcional y expresiva, que sean física y psicológicamente saludables y confortables para propiciar el óptimo desarrollo del hombre y de sus actividades.

2. Hacer un uso eficiente de la energía y los recursos, tendiendo hacia la autosuficiencia de las edificaciones.

3. Preservar y mejorar el medio ambiente, integrando al hombre a un ecosistema equilibrado a través de los espacios.

Es decir, diseñar espacios arquitectónicos sustentablemente concebidos. De esta forma ellos responderán integral y armónicamente a la acción de los factores ambientales naturales del lugar.

La envolvente del edificio debe ser diseñada como un agente dinámico que interactúe favorablemente entre el exterior e interior y viceversa, es decir, que actúe como un filtro selectivo biotérmico, lumínico y acústico, capaz de modificar favorablemente la acción de los elementos naturales, admitiéndolos, rechazándolos y/o transformándolos cuando así se requiera.

Haciendo un breve repaso de las principales metodologías de diseño bioclimático empezaremos con los hermanos Olgyay [Olgyay, 1963]; respecto a la metodología ellos dicen: “El procedimiento deseable será trabajar con y no contra las fuerzas naturales y hacer uso de sus potencialidades para creas mejores condiciones de vida... El procedimiento para construir una casa climáticamente balanceada se divide en cuatro pasos, de los cuales el último es la expresión arquitectónica. La expresión debe estar precedida por el estudio de las variables climáticas, biológicas y tecnológicas...”

En su libro clásico de diseño climático, Víctor Olgyay define su método de análisis y diseño, de manera resumida éste es el siguiente:

11

1. Análisis climático: El primer paso hacia el ajuste ambiental es el análisis de los elementos climáticos de una

localidad dada. Deben analizarse datos anuales de temperatura, humedad, radiación y efectos del viento; si fuera necesario, los datos deberán ser adaptados al nivel habitable, y deben considerarse los efectos de las condiciones microclimáticas.

2. Evaluación Biológica: La evaluación biológica debe basarse en las sensaciones humanas. La graficación de los

datos climáticos en la carta bioclimática a intervalos regulares mostrará un diagnóstico de la región, y se determinarán tablas de datos horarios.

3. Soluciones tecnológicas: Después de determinar los requerimientos, se deben buscar las soluciones tecnológicas.

Para ello deberán realizarse los siguientes cálculos:• Selección del sitio• Orientación• Determinación de sombras• Forma de la casa• Movimientos de aire• Balance de temperatura interior.

4. Expresión arquitectónicaA través de los resultados obtenidos en los tres pasos anteriores, se deberá desarrollar los conceptos arquitectónicos y equilibrarlos de acuerdo a la importancia de los diferentes elementos.

Más adelante Givoni [Givoni, 1981] y Szokolay [Szokolay, 1984] han destacado por sus aportaciones en las herramientas de análisis y evaluación bioclimática.

De manera resumida la propuesta de Szokolay se define en cuatro etapas:

A. Estudios Preliminares: Tiene como objetivos la recopilación concisa, identificación de restricciones, estudio

de condiciones climatológicas y la definición de los esquemas espaciales. Así como la definición de una propuesta energética.

B. Anteproyecto: Tiene por objetivo la generación de ideas, y la formulación y prueba de hipótesis de

diseño. Como producto se deberá contar con una propuesta de diseño.C. Proyecto: En esta etapa se detallan las decisiones de diseño, teniendo conciencia de las consecuencias

energéticas de cada decisión. Se deben elaborar planos, detalles y especificaciones.D. Evaluación Final Se deberán hacer análisis térmicos, de ventilación, lumínicos y estimación del uso de la

energía para todos los propósitos, todo ello a través de distintas herramientas. Esta etapa debe concluir con una propuesta espacial y energética definitivas.

12

De a cuerdo con Szokolay, “Hay varios atributos que todo arquitecto debe tener, sin los cuales las mejores herramientas serán inútiles.

1. Conciencia de los problemas energéticos y sentido de responsabilidad hacia el cliente y toda la sociedad, para hacer algo a cerca de esos problemas.

2. Comprensión conceptual: • De los principios termodinámicos: Transferencia de calor, comportamiento de los

materiales, cómo interactúan los procesos térmicos. • Del clima y factores del hombre • De las soluciones existentes: por qué funcionan o porque no lo hacen (nosotros

todavía operamos por el método del “mejoramiento progresivo”, haciendo las cosas similares a nuestros pares, pero intentando aprender de sus errores, así como de los nuestros)

3. Habilidad de valoración cualitativa: conocimiento del método, así como de los criterios. Sin esto, se puede perder mucho tiempo en los cálculos. Cuando esto sucede debería ser evidente que la propuesta nos conduce a un callejón sin salida.

4. Habilidad de simplificación: usar métodos cuantitativos rápidos. Sabiendo cuándo y cómo hacer algunas operaciones rápidas, para verificar si el criterio de diseño está encaminado en la dirección correcta. Usando los números como amigos y no como enemigos; como ayudas para la toma de decisiones.

Sólo cuando tener esta conciencia, comprensión y habilidades se convierte en norma de los arquitectos, así como contar con herramientas fáciles de usar, las energías ocuparan su justo lugar en la práctica cotidiana de diseño”.

Una nueva tendencia de la arquitectura es la ambiental. La preocupación que generan los grandes problemas globales y regionales, ha originado que un gran número de arquitectos y diseñadores se replanteen la forma de diseñar y construir. Esta nueva forma de entender a la arquitectura con relación a la naturaleza ha generado también una nueva forma de abordar los problemas de diseño, surgiendo una nueva metodología de tipo ambientalista. Uno de los mejores exponentes de esta nueva tendencia es Kean Yeang, cuya propuesta es expresada de la siguiente manera:

“Los términos arquitectura verde y arquitectura sostenible no son sino diferentes formas de expresar el hecho de proyectar con la naturaleza y de un modo ambientalmente responsable. La creciente preocupación por el deterioro de los sistemas naturales de la Tierra (es decir, los ecosistemas dentro de la biosfera) ha suscitado una variedad de reacciones por parte de os proyectistas; como consecuencia, hay múltiples puntos de vista acerca de qué es un proyecto ecológicamente responsable...

Para proyectar de una manera ecológicamente responsable y sensible, es preciso adoptar un planteamiento del proyecto de edificios holista y globalizador... Una discrepancia inmediata entre el proyectista y el ecologista radica en el distinto modo de entender el entorno o medio ambiente. Se puede establecer una distinción entre el producto final de nuestro proceso de proyecto como sistema proyectado, objeto primario de nuestro esfuerzo, y su entorno (aquellas partes del mundo exterior

14

que interactúan con él) La validez de cualquier modelo de un sistema, y de la descripción del sistema que el modelo suministra, depende no sólo del carácter del modelo, sino también de la hipótesis que establezcamos sobre el entorno del sistema y sobre la interacción entre entorno y sistema. De ahí se deduce que si el proyectista establece unas hipótesis iniciales erróneas acerca del medio ambiente y del sistema proyectado, el resultado futuro será una cierta disonancia en el contacto entre el sistema proyectado y su medio.” [Yeang, 1999].

Yeang empieza por definir los vínculos entre el medio edificado y su medio ambiente exterior, como una parte fundamental del proceso de diseño. Las interrelaciones pueden ser clasificadas en cuatro grupos generales:

1. Las interdependencias externas del sistema proyectado (sus relaciones externas o ambientales)

2. Las interdependencias internas del sistema proyectado (sus relaciones internas)3. Los trasvases de energía y materia del exterior al interior del medio edificado (sus

recursos, inputs)4. Los trasvases de energía y materia del interior al exterior del medio edificado (sus

productos, outputs)

Yean considera al flujo de energía y materia en el medio edificado como un modelo de uso en el contexto de la vida útil del edificio. El modelo de uso comprende las siguientes fases: Producción, Construcción, Funcionamiento y Recuperación. El arquitecto convencional, se preocupa generalmente sólo por la etapa de construcción y casi nunca por la etapa de funcionamiento (operación y mantenimiento), como se puede apreciar, Yeang incorpora una etapa previa de producción y una final de recuperación, considerando al edificio dentro de un ecosistema muy amplio.

Los esquemas que plantea quedan definidos en tres aspectos:

1. Recursos (inputs) totales en el ciclo de vida de un sistema edificado.2. Productos (outputs) totales en el ciclo de vida de un sistema edificado.3. Impactos durante el ciclo de vida de un sistema proyectado

Yeang finaliza estableciendo criterios para la evaluación del sistema proyectado. Esta nueva visión holista de la arquitectura está cobrando mucha fuerza en nuestros días por lo que se espera que esta metodología tendrá un gran impulso en los próximos años.

De acuerdo a Morillón [Morillón, 2000], para que un edificio sea sustentable, debe de ser bioclimático, hacer un uso eficiente de la energía, utilizar las energías alternativas y lograr la autosuficiencia, y dice:

“La mayoría de los métodos de diseño se preocupan casi sólo en las fases del método, que organiza y define los diversos pasos que el diseñador debe seguir para resolver un problema cualquiera. Este panorama parcial, que reduce al método a guía o receta de acciones en detrimento de los niveles de conciencia y conocimiento del diseñador, ha propiciado que los métodos se vuelvan prescriptivos y no generadores de ideas.

15

La tendencia actual, comprometida principalmente con el desarrollo sustentable, pretende quitarle a los métodos de diseño la estrechez de lo prescriptivo evitando las proposiciones ideales (así debe ser el proceso de diseño) y procurando secuencias de facto (esto hacen los diseñadores), que finalmente esbozan las fases del proceso”.

Las etapas básicas del proceso de diseño son:

• Recopilación y procesamiento de la información• Diagnóstico• Definición de estrategias de climatización• Recomendaciones de Diseño• Anteproyecto• Evaluación térmica• Toma de decisiones• Proyecto definitivo

16

METODOLOGÍA DE DISEÑO BIOCLIMÁTICO propuesta del autor

La metodología aquí propuesta es la que se utiliza en el Laboratorio de Diseño Bioclimático de la Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco. Como se mencionó anteriormente se trata de una metodología, desarrollada y complementada para satisfacer los requerimientos particulares de docencia e investigación en Arquitectura Bioclimática, aunque también puede ser utilizada en la práctica profesional.

1. Objetivos. En la medida en que sea comprendido el problema a resolver, en esa medida serán las

soluciones dadas, por lo tanto el primer paso es la definición clara y concisa del problema planteado y los objetivos, alcances y limitaciones.

2. Análisis del sitio y del entorno. Tiene por objetivo conocer, analizar y evaluar las variables ambientales, naturales y

artificiales para lograr una adecuada integración de la obra arquitectónica, así como aprovechar los beneficios o aptitudes que provee el entorno y controlar o matizar los elementos desfavorables, evitando al máximo posible la alteración o impacto que se pudieran provocar.

2.1 El medio natural El Sitio: Se deberá realizar estudios del sitio, considerando en general las condicionantes

geomorfológicas, geológicas, edáficas, hidrológicas, de vegetación, fauna, etc. Determinar la vocación del suelo y encontrar el “espíritu del lugar”. Así mismo es muy importante estudiar los ecosistemas naturales y urbanos.

Climatología y Geometría Solar: El clima es un factor fundamental para el desarrollo de la vida en general y

condicionante de la arquitectura. Por ello es indispensable conocer, analizar y evaluar los elementos y factores determinantes del clima, a nivel macro y micro-climatológico.

2.2 El medio artificial Antecedentes arquitectónicos: “Conocer las características de la arquitectura propia de cada localidad o región

en estudio, detectando tipologías que permitan establecer un criterio para evitar la destrucción o deterioro de un medio ambiente cultural significativo. La tipología en este caso se define como el conjunto de valores esenciales que caracterizan y determinan a la arquitectura propia de una región.” [Ferreiro, 1991]

Infraestructura y equipamiento: El objetivo es conocer y evaluar la infraestructura y equipamiento del sitio de análisis,

para poder aprovecharlos en el proyecto o para proponer sistemas tecnológicos apropiados y alternativos más eficientes y con menores consumos energéticos.

17

Estudio de tecnología local y apropiada: • Materiales constructivos regionales • Tecnología constructiva: Sistemas y procedimientos • Estudio de materiales: reciclados, reciclables y ciclos de vida • Eco-tecnología

2.3 El medio socio-cultural Determinar y evaluar las condicionantes económicas, políticas, sociales y culturales

de la localidad, incluyendo los aspectos legales, normativos, reglamentarios o restrictivos enfocados a determinar la factibilidad y pertinencia del proyecto.

3. El Usuario “El hombre en su relación con el medio, contemplado a través del diseño integra tres

áreas fundamentales:

a. El área física establece la relación básica del hombre con su medio y permite su existencia.

b. El área psicológica establece una relación con el medio percibida a través de los sentidos. Esta le permite al hombre estar consciente de su existencia y su significado.

c. El área socio-cultural permite conformar una identidad individual y de grupo social (colectiva), que a su vez se constituye en un hábitat único.” [Ferreiro, 1991]

3.1 Bienestar y confort Conocer las condiciones particulares del bienestar humano y propiciarlo a través

de acciones y estrategias de diseño. En resumen los factores de confort se dividen en:

• Confort higro-térmico • Confort lumínico • Confort acústico • Confort olfativo • Bienestar electromagnético

3.2 Necesidades y requerimientos Analizar y evaluar los requerimientos de confort en relación con los requerimientos

funcionales y espaciales del proyecto arquitectónico. Se deberán hacer tablas relacionadas de índices de confort en relación con el programa arquitectónico, horarios y usos del espacio; así como tablas de confort relacionadas con los datos climáticos horarios.

4. Definición de estrategias de diseño 4.1 de climatización • de calentamiento o enfriamiento • de humidificación o deshumidificación • de inercia o masividad • de ventilación

18

4.2 de iluminación • natural • artificial

4.3 de acústica • acústica • control de ruidos

4.4 de control de contaminantes • del aire • del suelo • del agua • electromagnética

5. Definición de conceptos de diseño bioclimático 5.1 Sistemas Pasivos Es necesario “conocer los principios físicos y las técnicas en que se basan estos

sistemas, para emplearlos de manera eficaz, los cuales deben integrarse desde la concepción inicial del diseño, a fin de lograr una adecuada relación de la arquitectura al medio. Los sistemas pasivos son aquellos que permiten captar, controlar, almacenar, distribuir o emitir los aportes de la energía natural sin intervención de ninguna fuente de energía.” [Ferreiro, 1991]

Se estudian tres sistemas básicos: • Sistemas pasivos de climatización • Sistemas pasivos de iluminación natural • Sistemas para el control de ruidos

5.2 Sistemas Activos e híbridos Es necesario conocer y emplear en forma eficiente los distintos sistemas activos

o sea aquellos en que a la energía natural que los opera en forma prioritaria, se incorpora algún dispositivo de apoyo mecánico o eléctrico que funciona con algún aporte de energía convencional, para lograr su óptimo funcionamiento. Estos sistemas son necesarios cuando los sistemas pasivos no son suficientes para lograr el control ambiental adecuado o deseado; y sobre todo se utilizan cuando se pretende hacer un uso eficiente de la energía y los recursos.

Se estudian distintos sistemas activos y tecnologías apropiadas:

• De climatización • Generación y control de la energía (uso eficiente) • Manejo y control del agua (captación pluvial, de reutilización, calentamiento,

etc.) (uso eficiente) • Manejo de desechos (líquidos y sólidos), etc.

19

6. Anteproyecto Una vez definidas las estrategias de diseño y los conceptos bioclimáticos a utilizarse, se

procede a realizar el anteproyecto arquitectónico. (Se tomarán en cuenta los conceptos: funcionales, espaciales, estéticos y de integración de tecnologías, estructurales y constructivos, bioclimáticos, diseño de exteriores, etc.)

7. Evaluación7.1 Arquitectónica: Revisión de las estrategias y conceptos de diseño en detalle. Así como el

funcionamiento, áreas e interrelación de locales; y también aspectos estéticos. (por ejemplo de la integración tecnológica)

7.2 De confort: Térmico: A través de modelos matemáticos de simulación De Asoleamiento y control solar: A través de modelos gráficos, matemáticos o físicos en heliodón. De Ventilación: A través de túnel de viento o cámara de humos. Lumínico: A través de modelos gráficos y en cielo artificial Acústico y control de ruidos: Por medio de cálculos matemáticos simples.

7.3 Energética: Evaluación de los usos de la energía en climatización e iluminación artificial, y de

tecnologías apropiadas aplicables al proyecto para hacer un uso más eficiente de la energía y los recursos.

7.4 Ambiental: Se desarrollará un estudio de impacto ambiental (a través de listas, índices o

matrices) y estudios de como se integrará el edificio a los ecosistemas naturales y urbanos, tanto durante su vida útil como en su reincorporación final. (incluyendo factibilidad de uso de materiales reciclados y reciclables)

7.5 Normativa: El proyecto deberá responder a todos los aspectos legales, normativos y

reglamentarios vigentes.

7.6 Económica: Se desarrollará dos tipos de análisis:

Económica: • presupuesto de proyecto y obra • de operación y mantenimiento • Análisis comparativo tradicional vs. Bioclimático

20

Financiera: • de inversión • amortización.

8. Proyecto Arquitectónico. En el proyecto arquitectónico definitivo se hacen los ajustes pertinentes arrojados por las

evaluaciones realizadas.

REFERENCIAS

Broadbent, Goeffrey and Ward Anthony. (1969) Design Methods in Architecture. Lund Humphries Publishers Limited, England.

Ferreiro, Héctor. (1991) Hombre, el Hábitat, el medio la energía y el método. cap. 1. Manual de Arquitectura Solar Lacomba,Ruth et al. Editorial Trillas México, D.F.

Fuentes F. Víctor y Rodríguez V. Manuel (1997) Hacia una Metodología de Diseño Bioclimático. UAM- Azc. México, D.F.

Givoni, Baruch. (1981) Man Climate and Architecture. Applied Science Publishers LTD. London, England.

Morillón Gálvez, David. (2000). Metodología para el Diseño Bioclimático. Proceedings of the Millennium Solar Forum 2000. International Solar Energy Society – Asociación Nacional de Energía Solar, Mexico City.

Olgyay, Víctor y Aladar (1963) Design with climate. Princeton University Press. U.S.A.

Szokolay, Steven (1984) Energetics in Design – Passive and low design for thermal and visual comfort. The University of Queensland, Australia. Cf. PLEA-84 México. Proceedings of the International Conference on Passive and Low Energy Ecotechniques Applied to Housing. Pergamon Press, New York, 1984.

Tedeschi, Enrico (1977) Teoría de la Arquitectura. Nueva Visión, Buenos Aires, Argentina.

Vitruvio, Marco Lucio (1955) Los Diez Libros de la Arquitectura. Obra publicada en 1955 por Editorial Iberia, S.A. Barcelona, España.

Yeang, Ken. (1999) Proyectar con la Naturaleza. Gustavo Gili, Barcelona, España.

22

3CLIMATOLOGÍA VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

INTRODUCCIÓN

Comúnmente se confunden los términos tiempo y clima, la mayoría de la gente se refiere a ellos de manera indistinta preguntando ¿Cual es el estado del tiempo? ó ¿Como está el clima?; sin embargo, desde el punto de vista meteorológico tienen distinto significado. De manera general el tiempo (meteorológico) se define como el estado de la atmósfera en un lugar y tiempo determinados, es decir las propiedades físicas que presenta la atmósfera en un momento dado. Obviamente estas propiedades físicas cambian constantemente, por lo que el tiempo es del mismo modo dinámico.

Por otro lado, el clima “es el conjunto de fenómenos meteorológicos que caracterizan el estado medio de la atmósfera en un punto de la superficie terrestre” , es decir que, aunque se refiere a los mismos fenómenos del tiempo, el clima los considera de una manera más duradera o estable, ya que, aunque comprende a los distintos tipos de tiempo que se presentan en un lugar, se define por el estado atmosférico más frecuente.

Datos climáticos normalizados

No se puede hacer correctamente la definición climática de un sitio considerando los datos climáticos obtenidos en un periodo corto de tiempo, incluso los datos de todo un año no son válidos, ya que es posible que ese año en particular haya sido muy caluroso o muy frío y fuera de lo normal.

Para que los datos puedan considerarse como normales o normalizados, deben estar basados en registros de por lo menos diez años, sólo de esta forma la caracterización climática puede ser más confiable; desde luego si el periodo de registro es mayor, (30 o 40 años), habrá mayor seguridad de que el clima esté definido correctamente.

METEOROLOGÍA

La meteorología es la ciencia que estudia la atmósfera, los fenómenos que en ella se producen y las leyes que los rigen. Los fenómenos que tienen lugar en la atmósfera se denominan meteoros, los cuales pueden ser clasificados en tres grupos:

Meteoros climáticos. Aquellos relacionados con el tiempo, y se pueden subdividir en:

23

• Meteoros Térmicos temperatura

• Hidrometeoros o Meteoros acuosos humedad nubosidad precipitaciones• Meteoros dinámicos o del aire presión viento• Meteoros ópticos o Fotometeoros. (Aquellos relacionados con la luz) arco iris corona halos (Parhelio, paraselene, etc.)• Meteoros eléctricos o Electro-meteoros. (Aquellos relacionados con la electricidad) rayo, relámpago y trueno fuego de San Telmo aurora boreal.

Todos estos meteoros, también llamados elementos del clima, están interrelacionados; los meteoros ópticos y eléctricos son eventuales, por lo que, a excepción del rayo y desde luego la luz en general, no son considerados en estudios relacionados con la arquitectura.

Los elementos del clima son determinados o modificados por diversos factores que en forma genérica se dividen en:

• Factores Naturales: Astronómicos Solares: actividad, radiación y viento solar. Terrestres: forma de la Tierra y su posición dentro del sistema solar Relación Sol-Tierra: movimientos terrestres en sí mismos y con relación al Sol. Geográficos: de Ubicación: latitud, longitud y altitud Geomorfológicos: relieve, pendiente y dirección Edáficos: naturaleza del suelo Hidrológicos: Continental: superficial y subterránea (escorrentías y distribución de masas de agua) Marítimo: corrientes marinas

Bióticos: flora y fauna

Fenómenos especiales: cataclismos naturales

24

• Factores artificiales (antrópicos) Factores por asentamiento humano: urbano, rural Factores por actividad productiva: agrícola, industrial, forrestal, minera, energética, etc. Contaminación: aire, agua y tierra. Cambios geomorfológicos: erosión, deforestación, excavación. Cambios hidrológicos: alteración, desubicación o reubicación de masas de agua Cambios ecológicos: ruptura de los ciclos naturales.

ELEMENTOS DEL TIEMPO Y DEL CLIMA

METEOROS TÉRMICOS - TEMPERATURALa temperatura es una medida de la energía calorífica (grado de actividad molecular) de un cuerpo; en este caso del aire y del suelo. La principal fuente del calentamiento atmosférico y de la superficie terrestre es la energía solar, de hecho cierta cantidad de energía proviene del interior de la tierra, pero su aportación no es significativa, además esta energía es más o menos constante y uniforme durante el día y la noche, por lo que en términos prácticos no interviene en el balance diario de la temperatura.

La atmósfera se calienta muy poco de manera directa, ya que la energía solar sólo es absorbida por las moléculas de agua, dióxido de carbono y por las partículas en suspensión, que como se vio con anterioridad, se presentan en cantidades relativamente pequeñas. En realidad el calentamiento atmosférico se da a partir de la tierra; los rayos solares atraviesan la atmósfera e inciden sobre la superficie de la tierra calentándola, (la energía radiante se transforma en calorífica), posteriormente este calor es transferido a la atmósfera principalmente por convección.

Como se puede apreciar, el grado de transparencia atmosférica es importante, pero lo son de mayor manera el relieve y la naturaleza del suelo, así como su cobertura vegetal; es decir las características físicas de la superficie de captación de la energía solar. Desde luego se debe considerar que parte de la energía que llega a la superficie de la tierra es utilizada en los procesos fotosintéticos de las plantas y para la evaporación del agua.

Medición de la temperatura del aire.La temperatura del aire se mide generalmente con termómetros de mercurio montados a la sombra y a una altura entre 1.2 y 1.8 metros, normalmente dentro de una caseta meteorológica. Este termómetro es conocido como de bulbo seco. La mayoría de los observatorios llevan registros de la temperatura horaria durante todos los días del año, sin embargo las estaciones meteorológicas registran únicamente la temperatura máxima y mínima presentada durante el día.

Dentro de la metodología de diseño bioclimático es conveniente contar con los datos horarios, por lo que se anexa al final de este documento, un procedimiento empírico para deducir la temperatura horaria a partir de los datos de temperatura máxima y mínima. Existen varios datos de temperatura disponibles en los registros de las estaciones y observatorios meteorológicos, el primero es el de temperatura media diaria que resulta de promediar los 24 datos de temperatura horaria registrados durante el día. Si se promedian las temperaturas medias de todos los días del mes, se obtendrá la temperatura media mensual.

25

La temperatura mínima mensual corresponde al promedio de todas las temperaturas mínimas registradas en el mes, y de igual forma se obtiene la temperatura máxima. Por el contrario, las temperaturas mínima y máxima extremas, no son promedios sino datos puntuales, es decir la temperatura mínima o máxima registrada a través de todas las lecturas.

A partir de los datos de temperatura se puede obtener la oscilación, término empleado para establecer la diferencia térmica entre dos valores. La oscilación puede ser diaria o anual, es decir la diferencia entre la temperatura mínima y máxima promedio mensual o la diferencia entre la temperatura media mensual más baja y la más alta de todo el año.

HIDROMETEOROS - EL AGUAEstados del agua y cambios de faseEl agua puede presentarse en tres estados diferentes: en estado sólido, en forma de cristales de hielo, en estado líquido, en forma de agua y en estado gaseoso, en forma de vapor de agua.

Las moléculas de agua pueden pasar del estado gaseoso al estado líquido por medio del proceso llamado condensación, y también puede pasar directamente al estado sólido por el proceso de sublimación, el cual se presenta cuando la temperatura está por debajo del punto de congelación. Por otro lado el agua en estado líquido puede pasar al estado gaseoso a través de la evaporación y también por sublimación puede pasar directamente del estado sólido al gaseoso; el agua puede pasar al estado sólido por congelación y de manera inversa pasa de sólido a líquido por fusión.

Todos los cambios de estado o fase van acompañados por un intercambio de energía calorífica. La evaporación del agua absorbe calor, sin embargo esta energía es transformada de calor sensible a calor latente; por cada gramo de agua que se evapora, 600 calorías de calor sensible se transforman en latente, en el proceso inverso de condensación una cantidad igual de calorías es liberada pasando de calor latente a sensible con el correspondiente incremento de temperatura.

De manera similar el proceso de congelación libera energía calorífica a razón de 80 calorías por cada gramo de agua, mientras que la fusión absorbe una cantidad igual de calor. En el caso de la sublimación la vaporización absorbe calor (680 cal/gr de agua) y lo libera en el proceso de cristalización.

HUMEDADEl término humedad se refiere a la cantidad de vapor de agua contenido en el aire. Esta cantidad varía con el tiempo y de lugar a lugar, sin embargo difícilmente llega al 5% con respecto a un volumen dado de aire.

A una presión y temperatura específica, la cantidad de humedad que puede contener el aire tiene un límite definido, el cual es llamado cantidad o humedad de saturación (HS), mientras que a la temperatura en la cual el aire se satura durante un proceso de enfriamiento, se le denomina punto de rocío.

La humedad puede expresarse de varias maneras:Humedad absoluta (HA). Es la cantidad de vapor de agua que contiene un volumen dado de aire y se expresa en peso por unidad de volumen (gr/m3)

26

Humedad específica (HE). Es la masa de vapor de agua que contiene una masa de aire. (gr/kg). La humedad específica se usa generalmente para describir las características de humedad de grandes masas de aire. Por ejemplo, el aire extremadamente frío y seco de las zonas árticas puede presentar una humedad específica tan baja como 0.2 gr/kg, mientras que en zonas ecuatoriales extremadamente húmedas y calurosas la humedad puede llegar hasta 18 gramos de agua por cada kilogramo de aire.

Humedad relativa (HR). Es la relación que existe entre la cantidad de vapor de agua y la cantidad de saturación del aire a una determinada presión y temperatura; es decir que un aire totalmente saturado tendrá una humedad relativa del 100%. De tal forma, la humedad relativa queda definida por la fórmula:

HR = (HA/HS) x100 ó,HR = (HE/HS) x 100

La humedad está íntimamente relacionada con la temperatura. Al calentarse, el aire se dilata o expande y por lo tanto su capacidad para contener vapor de agua aumenta; por el contrario, si el aire se enfría, se contrae y su humedad de saturación disminuye.

Si la temperatura del aire desciende por debajo del punto de rocío pero arriba de los 0 °C, el vapor de agua se condensa en forma de agua (rocío o niebla), pero si el punto de saturación se da a una temperatura de 0 °C o menor, el vapor de agua se sublima en forma de escarcha, nieve o granizo.

Medición de la humedad.El instrumento más usado para medir la humedad es el psicrómetro, el cual consiste en dos termómetros de mercurio sujetos a una tableta con manija giratoria. Uno de los termómetros se usa para medir la temperatura del aire (TBS), mientras que el otro medirá la temperatura de evaporación del agua contenida en una gasa mojada que cubre el bulbo del termómetro (TBH). El psicrómetro se hace girar a manera de onda con el fin de airear la gasa y acelerar la evaporación del agua.

La temperatura de bulbo seco siempre es mayor a la de bulbo húmedo, a menos que el aire se encuentre totalmente saturado de vapor de agua, en cuyo caso las temperaturas serán iguales.

De la diferencia entre las temperaturas de bulbo seco y húmedo se deducen la humedad absoluta y relativa del aire, relación de datos registrados en tablas, reglas deslizantes o diagramas psicrométricos. Evidentemente estas relaciones de humedad varían con los cambios de presión atmosférica, por lo que las tablas, reglas y diagramas deben ser los adecuados al sitio de medición.

Existen también otros instrumentos para medir la humedad del aire llamados higrómetros, o higrógrafos en el caso de que la registren de manera gráfica. Algunos funcionan con fibras de varios materiales (generalmente de cabello humano) que se contraen o expanden con los cambios de humedad. Otros emplean elementos sensibles que cambian sus características eléctricas o químicas ante las variaciones de humedad.

27

NUBOSIDAD

Condensación y formación de las nubesLas nubes son masas densas de agua o partículas de hielo suspendidas en la atmósfera, las cuales se forman debido a la condensación del vapor de agua contenido en el aire. Esta condensación se lleva a cabo cuando el aire alcanza la saturación (100% HR), es decir cuando la temperatura desciende hasta el punto de rocío o más abajo; o bien cuando la humedad es incrementada sustancialmente hasta saturar al aire.

La humedad se incrementa cuando el aire frío pasa sobre grandes masas de agua, la evaporación será mayor si el aire es frío y el agua caliente. Sin embargo el factor más importante en la formación de las nubes es el enfriamiento de masas ascendentes de aire, fenómeno denominado “proceso adiabático”.

La ascensión del aire puede ser originada por tres factores o su combinación:

• Térmicos, es decir a procesos convectivos del aire originados por el calentamiento superficial.• Orográficos, cuando la topografía del terreno provoca una desviación ascendente del viento.• Frontales, debido al choque de masas de aire con distinta temperatura y densidad.• O la combinación de varios de estos factores.

Adiabático significa que es un proceso que se lleva a cabo sin ganancias o pérdidas de energía calorífica; es decir un proceso cerrado donde la energía calorífica y la materia se mantienen dentro del sistema. Por lo tanto este proceso es reversible, con la expansión de aire se produce enfriamiento y con la compresión, calentamiento.

Las masas de aire ascendentes se enfrían adiabáticamente debido a la expansión de aire y a la disminución de la presión atmosférica. Este enfriamiento está relacionado con la altitud, y se da gradualmente a cierto ritmo, llamado “gradiente adiabático”1. Cuando el aire ascendente no ha alcanzado el punto de rocío o saturación, disminuye es su temperatura con un gradiente adiabático seco, a razón de 10 °C por cada 1000 metros de altitud. A partir del punto de rocío la disminución de la temperatura del aire va acompañada por la condensación del vapor de agua y por lo tanto con la consecuente formación de nubes.

En el proceso de condensación, el agua libera energía de calor latente (600 cal/gr) el cual se transforma en calor sensible; por lo que ésta energía adicional reduce el gradiente adiabático a un rango entre 3 y 6 °C por cada 1000 metros de altitud. 3 °C cuando la condensación se da a baja altitud y 6 °C cuando se da a grandes altitudes. A partir del punto de condensación el proceso de enfriamiento del aire se denomina como adiabático húmedo o de saturación. Cabe mencionar que el punto de rocío no se mantiene constante con la altitud, sino que también disminuye gradualmente, en este caso a razón de 2 °C por cada 1000 metros.

1 Es importante no confundir el gradiente térmico de la atmósfera con el gradiente adiabático. El primero se refiere al grado de variación térmica que presenta la atmósfera respecto a la altitud, mientras que el segundo, al grado en que una masa de aire se va enfriando al ascender en la atmósfera.

28

El agua alcanza el estado sólido, en forma de hielo, al llegar al punto de congelación de 0 °C, sin embargo las minúsculas partículas de agua que forman a las nubes alcanzan la congelación a temperaturas más bajas. Al agua que se encuentra en estado líquido por debajo de los 0 °C se le denomina agua super-enfriada. Las nubes se conforman exclusivamente de agua cuando la temperatura es mayor a los -12 °C; entre -12 y -30 °C las nubes se forman por la mezcla de agua y cristales de hielo; entre los -30 y -40 °C predominan los cristales de hielo y por debajo de -40 °C se conforman exclusivamente por cristales de hielo. Todas estas partículas con un diámetro entre 20 y 50 micras. Clasificación de las nubesLas nubes se clasifican de acuerdo a su forma y altitud. De acuerdo a su forma existen dos clases principales: Estratiformes (nubes en capas) y Cumuliformes (nubes globulares).

Las nubes estratiformes tienen forma de manto o capas que con frecuencia cubre una gran área. La importancia de este tipo de nubes es que muestran que capas de aire son forzadas a subir gradualmente por arriba de masas de aire estable de mayor densidad. Si la fuerza ascendente continúa, el aire, enfriado adiabáticamente, se condensará de manera extendida sobre grandes áreas. Por lo tanto, la estabilidad del aire tiene gran importancia en la formación de este tipo de nubes, las cuales se forman solamente en capas de aire estable. Las nubes estratiformes pueden producir grandes cantidades de precipitación, ya sea lluvia, granizo o nieve.

Las nubes cumuliformes son masas globulares en forma de burbujas o bolas de algodón. Este tipo de nubes se forma por el ascenso repentino de masas de aire caliente debido a su menor densidad con respecto al aire que las rodea. Es decir que estas nubes se forman en capas de aire inicialmente inestables o que se inestabilizan durante el ascenso del aire caliente. La precipitación producida por estas nubes se concentra en áreas relativamente pequeñas.

De acuerdo a su altura las nubes se clasifican en cuatro grupos:

• Nubes altas.• Nubes medias.• Nubes bajas.• Nubes de desarrollo vertical.

Nubes altas.Se presentan a más de 6 km de altitud. Dentro de este grupo se encuentran los Cirrus, Cirrocumulus y Cirrostratus; su característica distintiva es que están formadas por minúsculos cristales de hielo. Generalmente este tipo de nubes indican la actividad de un frente cálido y sirven para determinar la dirección y velocidad del viento y la humedad del aire a grandes altitudes.

Cirrus (Ci): Son nubes delgadas y aisladas con estructura fibrosa en forma de mechones o plumas. Generalmente no interfieren con el paso de los rayos solares. Se observan con un movimiento lento aparente, sin embargo pueden moverse a gran velocidad ante la presencia de una corriente a chorro del viento. La forma de las nubes indica la dirección del viento en las capas superiores de la troposfera. La presencia de este tipo de nubes en forma desordenada, predicen buen tiempo, mientras que si están ordenadas en forma simétrica o en bandas, predicen mal tiempo.

29

Cirrocumulus (Ci-Cu): Son pequeñas nubes globulares dispuestas en grupos cercanos, líneas o rizos, que en término común se denominan como “cielo aborregado”. Estas nubes son raras y generalmente se presentan asociadas con otros tipos de cirrus de la misma altitud; frecuentemente cambian de forma en poco tiempo.

Cirrostratus (Ci-St): Este tipo se desarrolla en una delgada capa en forma de velo que generalmente cubre todo el cielo. Debido a su gran dimensión y composición a partir de cristales de hielo, producen los fenómenos de halo, tanto solar como lunar. Este tipo de nubes indica la posible aproximación de una tormenta.

Nubes mediasSe localizan entre los 2 y 6 km. de altitud. Este grupo incluye a los Altostratus y Altocumulus.

Altostratus (A-St): Normalmente cubren la totalidad del cielo con un manto de consistencia densa y color grisáceo, en ocasiones con ligera textura fibrosa en sus bordes. El sol se muestra a través de estas nubes como un disco de tenue brillo pero sin la presencia de halo. Pueden estar formadas por gotas de agua super-enfriada o con la mezcla de gotas de agua y finos cristales de hielo. Su presencia indica posible precipitación continua abarcando áreas muy extensas.

Altocumulus (A-Cu): Se forman por conjuntos de nubes globulares blancas con la base de color gris y algunas zonas muy brillantes. Pueden aparecer con patrones irregulares o definidos en bandas paralelas o perpendiculares al viento. Se forman por finas gotas de agua que frecuentemente se presenta super-enfriada. Este tipo de nubes obstruye totalmente el paso de la radiación solar directa por lo que proyectan sombras definidas.

Nubes bajasLas nubes bajas se ubican por debajo de los 2 km de altitud. En este grupo se encuentran los Stratus, Nimbostratus y Estratocumulus.

Stratus (St): Los stratus son nubes bajas amorfas y uniformes que cubren grandes extensiones. Cuando este tipo de nubes, de color grisáceo o gris oscuro, están en contacto con la tierra se les denomina “niebla” o “neblina”. Cuando una capa de niebla levanta, generalmente durante la mañana, se convierte en un stratus simple, el cual también es llamado “neblina alta”. La niebla se forma en condiciones atmosféricas estables y con viento ligero o en calma.

Nimbustratus (Nb): El prefijo o sufijo “nimbus” se utiliza para indicar que la nube está produciendo precipitación, por lo tanto los nimbustratus son stratus de color gris oscuro que están precipitando lluvia o nieve en forma continua. Si la precipitación cesa, retoman el nombre simple de stratus. Ocasionalmente la precipitación se evapora antes de llegar al suelo, éste fenómeno se denomina “virga” en lugar de lluvia.

Stratocumulus (St-Cu): Son grandes masas globulares agrupadas en extensas capas bajas. Nubes suaves de color grisáceo con algunas zonas brillantes. Las masas individuales frecuentemente adquieren formas regulares como grandes rollos de nubes orientadas en ángulo recto con respecto a la dirección del viento. Generalmente se asocia a los Stratocumulus con buen tiempo, sin embargo en ocasiones se pueden producir lluvias repentinas de masas individuales.

30

Nubes de desarrollo verticalEste tipo de nubes abarca varios niveles, pudiendo ir desde muy bajas hasta muy altas altitudes, se caracterizan porque su desarrollo vertical es mayor que su dimensión horizontal. En este grupo se encuentran los Cumulus y los Cumulonimbus.

Cumulus (Cu): Nubes blancas con forma de algodón o coliflor, con su cúspide tipo domo y la base casi horizontal. Cumulus pequeños y abundantes predicen buen tiempo, pero si son pocos y muy grandes anuncian fuertes precipitaciones. Los cumulus indican inestabilidad atmosférica y enfriamiento adiabático intenso.

Cumulonimbus (Cu-Nb): Al igual que con las nubes nimbostratus, el término nimbus indica que la nube está produciendo precipitación, por lo que este tipo de nubes es en realidad un cumulus precipitando lluvia, granizo o nieve. Estas nubes producen fuertes aguaceros que en la mayoría de las ocasiones van acompañados con rayos y relámpagos.

Otro término utilizado para describir a las nubes es el sufijo “fractus” el cual indica la fragmentación de las nubes debido a la acción de un fuerte viento; fenómeno que se puede presentar tanto en los cumulus (cumulus fractus, Cu-Fr) o en los stratus (stratus fractus, St-Fr).

Medición de la nubosidadLa nubosidad se mide determinando los décimos de cielo cubiertos por cada uno de los cuatro tipos de nubes descritos con anterioridad. En los registros de los observatorios meteorológicos se anotan, además, la clave del tipo de nube presentada, su altura y la dirección de su movimiento; y en su caso se registra cuantos tipos de nubes se presentaron simultánea-mente.

Los registros se hacen cada hora durante todo el día; con todos estos datos se obtiene el tipo de nube predominante, su altura y dirección promedio, así como el número de tipos distintos de nubes presentados. Con estos datos se determina el “estado medio del cielo” que puede ser de tres tipos: Despejado, medio nublado y nublado.

Se denomina cielo despejado cuando el promedio de la nubosidad no sobrepasa los 3/10 de cielo cubierto; medio nublado, cuando se encuentra entre 4/10 y 7/10; y nublado cuando la nubosidad promedio sobrepasa los 7/10 de cielo cubierto.

PRECIPITACIÓNSe denomina precipitación a la caída de la humedad atmosférica, ya sea condensada en gotas de agua o congelada en forma de cristales. Como se mencionó anteriormente, las nubes están formadas por gotitas de agua microscópicas; son tan pequeñas y pesan tan poco, que no pueden caer. Para que estas pequeñas gotas puedan precipitarse es necesario que se unan unas con otras hasta alcanzar el peso suficiente para vencer a las fuerzas de ascensión del aire. Este fenómeno de unión se llama coalescencia y es indispensable para que se dé la precipitación, para comprender esto basta decir que una gota de lluvia de un milímetro de diámetro es el resultado de la unión de un millón de gotitas primarias (de nube) de 10 micras. Las precipitaciones pueden ser continuas (durante cierto período de tiempo), intermitentes o esporádicas.

31

En general la precipitación puede ser de cuatro tipos:

• lluvia• escarcha o aguanieve• nieve• granizo

Lluvia.Se denomina lluvia a la precipitación en forma de gotas de agua en estado líquido. La lluvia se origina generalmente por la ascensión de aire húmedo, relativamente cálido. Según las causas que provocan la ascensión, las lluvias reciben diferentes nombres:

• Lluvia frontal o ciclónica: Este tipo de lluvias es provocado por la expansión adiabática del aire dentro de un frente, ya sea frío o cálido.

• Lluvia orográfica: Se debe a la ascensión del aire provocada por la presencia de algún obstáculo orográfico.

• Lluvia convectiva o de inestabilidad: Se debe al efecto convectivo y al gradiente vertical de temperatura, generalmente se presenta en masas de aire inestables.

En lenguaje común la precipitación puede recibir muy diversos nombres en función de su densidad, dispersión o intensidad, los principales son:

La precipitación acuosa, es decir aquella que se da en forma líquida, recibe varios nombres:

Llovizna u orvallo: Lluvia con gotas menores a 0.5 mm pero muy numerosas; provienen casi exclusivamente de las nubes estratiformes (stratus)

Lluvia: Precipitación con gotas mayores a 0.5 mm, aunque en promedio el diámetro de las gotas de lluvia está entre 1 y 2 mm. El máximo diámetro es de alrededor de 7 mm. Con dimensiones mayores, las gotas se vuelven inestables y se fragmentan en pequeñas gotas mientras van cayendo. La lluvia puede provenir de una gran variedad de nubes.

Aguacero, chaparrón o chubasco: Lluvia densa que cae repentinamente y con poca duración.

Turbión o turbonada: Chubasco acompañado de fuerte viento, y en ocasiones con descargas eléctricas.

Diluvio: Lluvia muy abundante y duradera.Medición de la precipitación acuosa:La cantidad de agua de lluvia precipitada se mide por medio de los pluviómetros. Su unidad de medida es en milímetros, aunque para fines arquitectónicos es más útil expresarlo en litros por metro cuadrado, donde un milímetro de precipitación equivale a un litro por metro cuadrado

Escarcha.La escarcha es el resultado de la precipitación de gotas de agua sobre-fusionadas que al entrar en contacto con alguna superficie sólida se congela bruscamente sobre ella, formando una capa de pequeños cristales de hielo con inclusión de aire.

32

Para que se presente la escarcha es necesario que se cumplan tres condiciones, primero que exista niebla o bruma, que la temperatura este por debajo de 0 °C, y que el punto de rocío esté por debajo del de congelación.

Nieve.La nieve se forma en nubes que están constituidas por cristales de hielo y agua super-enfriada. Los cristales del hielo funcionan como núcleos higroscópicos a los cuales se les adhiere el agua, formando una capa que se congela y se agrega a la estructura cristalina. Esta mezcla hace que el cristal de hielo se coagule y se convierta en cristales o copos de nieve. Si la temperatura de las capas superficiales de aire se encuentran por debajo del punto de congelación (0 °C) y sobre todo por debajo de -5 °C, los copos de nieve alcanzan el suelo; de lo contrario la nieve se fusiona en el aire y alcanza el suelo en forma de lluvia.

Si sucediera lo contrario, es decir si la precipitación es lluvia que pasa por capas de aire frío, ésta alcanzará el suelo en forma de cellisca o agua nieve. La nieve generalmente proviene de nubes de tipo: Altoestratos, Nimboestratos, Estratocumulos y Cumulonimbos.

Medición de la nieve:La nieve precipitada puede medirse de dos maneras: la primera consiste en contar con una mesa de nieve o plataforma horizontal sobre la cual se mide directamente la altura de nieve precipitada. La segunda es por medio de los pluviómetros, o en este caso llamados nivómetros, los cuales definen la cantidad de nieve, en función de la cantidad, en milímetros, de agua producida por la fusión. En términos generales, se requiere de 25 mm de nieve para producir 1 mm de agua, aunque esta relación puede variar desde 5 hasta 50 mm, dependiendo de la densidad de la nieve.

Algunos términos utilizados para expresar la precipitación de nieve son: nevada, nevasca, nevazo; mientras que el temporal de nieve se le define como nevazón.

GranizoEl granizo es precipitación en forma sólida de cristales de hielo resultado de una fuerte actividad convectiva del aire, generalmente dentro de la misma nube. Los cristales de hielo se precipitan, pero en su caída son elevados bruscamente por masas ascendentes de aire. Al subir, gotas de agua super-enfriada se adhieren a los cristales de hielo, congelándose al contacto. Este fenómeno se da en repetidas ocasiones, de tal forma que cada granizo estará formado por capas concéntricas sucesivas.

Cuando el granizo es lo suficientemente grande y pesado para vencer a las fuerzas convectivas del aire, se precipita hasta alcanzar el suelo, aunque, igual mente que con la nieve, el granizo puede llegar a fusionarse cuando las capas inferiores del aire se encuentran por arriba de los 0 °C.

El granizo tiene normalmente entre 5 y 50 mm de diámetro y proviene de las nubes Cumulosnimbos. La forma de medirlo es igual al utilizado para la nieve.

Cuando la precipitación de granizo es abundante se le denomina granizada, y cuando los granizos tienen más de 50 mm se les denomina pedrea o pedrisco.

33

METEOROS DINÁMICOS O DEL AIRE

Presión atmosférica.La presión atmosférica en un punto dado es el peso de una columna de aire que se eleva verticalmente desde un punto dado hasta el límite superior de la atmósfera, en otras palabras, la presión es la fuerza que ejerce el aire sobre una cierta unidad de área, por lo tanto la presión depende de la altitud del lugar.

Ahora bien, como el espesor de la atmósfera varía dependiendo de la latitud (siendo la troposfera mayor en el ecuador y menor en los polos), y como la aceleración de la fuerza de la gravedad también varía, siendo mayor en los polos (983.208 cm/s2) y menor en el ecuador (978.036 cm/s2), la presión atmosférica media a nivel del mar se toma en la latitud 45°, siendo su valor igual a: 1,013.25 mbar; 1.033 kg/cm2 o 760 mm Hg. (la aceleración de la fuerza de la gravedad en la latitud 45° es de 9.80665 m/s2)

La circulación de las masas de aire, sobre todo las descendentes y ascendentes, así como otros fenómenos atmosféricos, ocasionan aumentos o depresiones que hacen variar los valores teóricos de la presión atmosférica. En términos generales, el tiempo empeora si la presión baja a menos de 1,013.25 mbar, y por el contrario el tiempo mejora si la presión sube de este valor. (a nivel del mar).

Para determinar la presión atmosférica de cualquier punto, intervienen varios factores. Como se mencionó anteriormente, la aceleración de la gravedad es un factor importante, pero también el «peso» de la atmósfera depende de la temperatura, y por lo tanto densidad del aire, así como también por las masas ascendentes o descendentes de aire en movimiento, sin embargo, para estimar la presión teórica, sin considerar movimientos de aire o viento, se puede emplear la ecuación hidrostática:

-DP = r g Dh-( P1-P2 ) = r g ( h1 – h2 )

Por lo tanto:P2 = r g (h1 –h2) + P1

donde:P1 = presión atmosférica de un punto 1 (Pa)P2 = presión atmosférica de un punto 2 (Pa)r = densidad media del aire (aprox. 1.2 kg/m3)g = aceleración gravitacional media (m/s2)h1 = altitud del punto 1 (m)h2 = altitud del punto 2 (m)

La presión influye también en el comportamiento térmico de los fluidos, ya sea el aire o el agua. Se presenta a continuación una tabla que muestra las presiones atmosféricas medias a distintas altitudes y el punto de ebullición del agua:

34

Altitud Presión Densidad Punto atmosférica del aire de ebullición (m) (mbar) (kg/m3) (°C)

0 1,013.2 1.225 100.0 500 954.6 1.167 98.3 1,000 898.8 1.112 96.7 1,500 845.6 1.058 95.0 2,000 795.0 1.007 93.4 2,500 746.9 0.957 91.7 3,000 701.2 0.909 90.0

Medición de la presión atmosférica:El instrumento que se utiliza para medir la presión atmosférica es el barómetro.

Unidades de medición:La unidad utilizada convencionalmente en meteorología como unidad de presión atmosférica es el milibar (mbar), que equivale a 100 Pascales (Pa), y a 0.75006 mm de Hg (milímetros de columna de mercurio). En la actualidad la presión atmosférica debe expresarse en kilo Pascales (kPa).

Ejercicio:Determinar la presión atmosférica a 2,308 msnm, en la latitud 19.2° Considerando una temperatura media anual de 15.6 °C y una densidad de aire de 1.059 kg/m3.

Utilizando la ecuación hidrostática:datos:

h1 = 0 m (nivel del mar)P1 = 101,325 Pah2 = 2,308 msnmP2 = ?g = 9.779 m/s2 r = 0.930 kg/m3

P2 = r g (h1 –h2) + P1P2 = (0.930 * 9.779 * (0 - 2,308)) + 101,325P2 = 80,334 PaP2 = 803.34 hPa (mbar)

ESTIMACIÓN DE DATOS CLIMATOLÓGICOSDentro de la metodología de diseño bioclimático, uno de los primeros pasos es la elaboración del análisis climatológico. Desgraciadamente es común que para muchas localidades, no se encuentren los datos climáticos necesarios. Esto se debe a que la información no es accesible, confiable o es inexistente. Ante esta situación es necesario hacer estimaciones o interpolaciones para generar datos que permitan el análisis y la definición de estrategias de diseño.

35

ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURAEl primer parámetro, y más importante, es la estimación de la Temperatura (°C). Esta estimación se basa en el gradiente térmico atmosférico, es decir, en el grado en que la atmósfera va disminuyendo de temperatura en función de la altitud. El gradiente térmico promedio es de 6.4 °C por cada 1,000 metros de altitud. Sin embargo para determinar el gradiente térmico particular de una región, es necesario contar con los datos de altitud y temperaturas de dos puntos conocidos. Esto quiere decir que la estimación de la temperatura de una localidad se hará a partir de los datos conocidos de temperatura de otras dos poblaciones.

Es obvio que existen muchos factores que determinan la temperatura de una región, además de la altitud, por tal razón y con el fin de reducir las variables que pudieran afectar la estimación, es necesario tomar en cuenta las siguientes consideraciones: Las localidades conocidas que se van a utilizar para calcular el gradiente térmico deben estar situadas aproximadamente en la misma latitud, deben estar ubicadas en la misma región geográfica, y deben contar con una diferencia en altitud suficiente. De tal forma el gradiente térmico entre ambas localidades de referencia se encuentra por medio de la siguiente fórmula (García, E. 1986):

Gtr = Dt / Dh

donde:Gtr = Gradiente térmico regionalDt = Diferencia de temperatura entre las dos localidades Dh = Diferencia de altitud entre las dos localidades

Una vez conocido el gradiente térmico regional ya se puede estimar la temperatura de cualquier lugar situado dentro de la misma zona entre las dos altitudes definidas. Para ello el siguiente paso es determinar la temperatura por gradiente térmico para una determinada diferencia de altitud; en este caso entre cualquiera de las ciudades de referencia y la localidad en estudio:

Temperatura por gradiente térmico (Tgt) = Dh x Gtr

Evidentemente, si la localidad donde queremos estimar la temperatura esta ubicada en una altitud mayor que la localidad de referencia, la temperatura será menor, y por lo tanto la temperatura por gradiente térmico deberá restarse a la temperatura de la ciudad de referencia. En caso contrario, si la localidad está por debajo que la localidad de referencia, la temperatura deberá ser mayor y por lo tanto, esta temperatura por gradiente térmico deberá sumarse.

Lugar más elevado:Temperatura estimada = Temperatura de referencia - Tgt

Lugar más bajo:Temperatura estimada = Temperatura de referencia + Tgt

36

ESTIMACIÓN DE LA HUMEDAD RELATIVAEl siguiente parámetro es la Humedad Relativa (%), la estimación se hace a partir de los datos de temperatura mínima y media de la localidad, datos estimados con anterioridad. El algoritmo que se describe a continuación fue el desarrollado por el Doctor Adalberto Tejeda2

Los datos normalizados para algunas ciudades, principalmente aquellas que cuentan con observatorio meteorológico, si dan la humedad relativa media. Si se introducen en los algoritmos de Humedad Relativa máxima y mínima, los datos reales de temperaturas y Humedad Relativa media, los resultados serán más precisos.

Humedad Relativa Media (%)

((7.517268 + 0.084757 Tm + 0.03727 Tm2 - 0.001755 Tm3 +0.000193 Tm4 - 0.000005 Tm5) / (6.115 + 0.42915 T + 0.014206 T2 + 0.0003046 T3 + 0.0000032 T4)) * 100

Humedad Relativa Máxima (%)

(2HR - (((HR/100)*(6.115 + 0.42915 T + 0.014206 T2 + 0.0003046 T3 + 0.0000032 T4))) / (6.115 + 0.42915 TM + 0.014206 TM2 + 0.0003046 TM3 + 0.0000032 TM4)))*100)

Si HRM >100, entonces HRM = 100,

Humedad Relativa Mínima (%)

(((HR/100)*(6.115 + 0.42915 T + 0.014206 T2 + 0.0003046 T3 + 0.0000032 T4))) /(6.115 + 0.42915 TM + 0.014206 TM2 + 0.0003046 TM3 + 0.0000032 TM4)))*100)

Si HRM >100, entonces RHm = 2HR-100

donde:T = Temperatura mediaTm = Temperatura mínimaTM = Temperatura máximaHR = Humedad relativa mediaHRm = Humedad relativa mínimaHRM = Humedad relativa máxima

2 Tejeda M, Adalberto. Programa para el cálculo de la Humedad Relativa. Universidad Veracruzana, Xalapa Veracruz. México

37

ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS PSICROMÉTRICOS

A partir de los datos conocidos de temperatura y humedad es posible calcular los demás parámetros relacionados con la psicrometría del aire. Los algoritmos psicrométricos que se presentan son los descritos por Steven Szokolay (Szokolay, Docherty. 1999).

La presión de vapor en el punto de saturación, es decir para una humedad relativa de 100%, para cualquier temperatura (TBS o TBH) se puede estimar mediante la ecuación de Antonine:

pvs = 0.133322 * exp (18.6686-4030.183/(235+T))

donde:pvs = Presión de vapor -de saturación- (kPa)T = Temperatura (°C)De tal forma, la humedad de saturación (absoluta) se puede determinar mediante:

HS = 622 * pvs / (pt – pvs)

donde:HS = Humedad de saturación – absoluta- (g/kg)pvs = Presión de vapor –de saturación- (kPa)pt = Presión total –atmosférica- (101.325 kPa)

Debido a que la Humedad Relativa es igual a:

HR = (HA / HS)*100 = (pv / pvs)*100

Entonces, la presión de vapor o humedad absoluta para cualquier Humedad Relativa puede obtenerse despejando la fórmula anterior correspondiente, es decir:

HA = HS * HR/100pv = pvs * HR/100

donde:HA = Humedad absoluta (g/kg)pv = Presión de vapor (kPa)HR = Humedad Relativa (%)

38

Si se conoce la presión de vapor para un punto dado (pv), entonces la humedad absoluta puede determinarse por medio de la ecuación:

HA = 622 * pv / (pt – pv)

donde:HA = Humedad absoluta (g/kg)pvs = Presión de vapor (kPa)pt = Presión total –atmosférica- (101.325 kPa)

Otro parámetro importante que se debe conocer es la temperatura de bulbo húmedo. Recordemos que la temperatura de bulbo seco (TBS) y la temperatura de bulbo húmedo (TBH) son iguales en el punto de saturación, es decir al 100% de humedad relativa. Para cualquier otro punto, la temperatura de bulbo húmedo se puede determinar mediante la siguiente ecuación:

TBH = 7.5+0.9*(TBS-10) + (HR-70)/30*(2.75+0.1*(TBS-10))

donde:TBH = Temperatura de bulbo húmedo (°C)TBS = Temperatura de bulbo seco (°C)HR = Humedad Relativa (%)

39

ESTIMACIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA

En ocasiones no se cuenta con la presión atmosférica de una localidad. La presión es un factor importante que afecta a todos los parámetros psicrométricos.

La presión atmosférica depende de dos factores principales: la aceleración gravitacional y la densidad del aire; El primero de ellos, esta determinado por la latitud y altitud, el segundo por la composición y temperatura del aire, y también por la altitud. Existen fórmulas complejas para determinar la presión en función de todas estas variables, sin embargo es posible usar la siguiente fórmula que da una aproximación aceptable:

pt = 1013.25 * exp(-0.0001184 * Alt)

donde:pt = Presión atmosférica -total- (hPa)Alt = Altitud (msnm)

EJEMPLOEstimar la temperatura máxima, media y mínima anual de Río Verde, San Luis Potosí, con base en los datos de San Luis Potosí, S.L.P. y Ciudad Valles, S.L.P. También estimar las humedades para esas temperaturas y todos los parámetros psicrométricos medios.

DATOS: San Luis Potosí S.L.P.

Latitud: 22° 09’Longitud: 100° 59’Altitud: 1877 msnmTM1 (max) 25.7 °CT1 (med) 18.2 °CTm1 (min) 10.7 °C

Ciudad Valles, S.L.PLatitud: 21° 59’Longitud: 99° 01’Altitud: 95 msnmTM2 (max) 30.4 °CT2 (med) 24.7 °CTm2 (min) 19 °C

Río Verde S.L.P.Latitud: 21° 56’Longitud: 100° 00’Altitud: 987 msnm

40

ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA

Temperatura MáximaGradiente TérmicoGtr = Dt / DhGtr = (30.4 – 25.7) / (1877-95)Gtr = 0.002637 °C/m

Temperatura por Gradiente TérmicoTgt = Dh * GtrTgt = (1877-987) * 0.002637Tgt = 2.35 °C

Temperatura Máxima EstimadaTMe = TM1 + TgtTMe = 25.7 + 2.35TMe = 28.05 °C

Temperatura MediaGradiente TérmicoGtr = Dt / DhGtr = (24.7 – 18.2) / (1877-95)Gtr = 0.003648 °C/m


Temperatura Media EstimadaTe = T1 + TgtTe = 18.2 + 3.25Te = 21.45 °C

Temperatura MínimaGradiente TérmicoGtr = Dt / DhGtr = (19.0 – 10.7) / (1877-95)Gtr = 0.004658 °C/m


41

Temperatura Mínima EstimadaTme = Tm1 + TgtTme = 10.7 + 4.15Tme = 14.85 °C

ESTIMACIÓN DE LA HUMEDAD RELATIVA

Humedad Relativa Media HR = ((7.517268 + 0.084757 Tm + 0.03727 Tm2 – 0.001755 Tm3 +0.000193 Tm4 - 0.000005 Tm5) /

(6.115 + 0.42915 T + 0.014206 T2 + 0.0003046 T3 +0.0000032 T4)) * 100

HR = ((7.517268 + 0.084757 (14.85) + 0.03727 (14.85)2 – 0.001755 (14.85)3 +0.000193 (14.85)4 - 0.000005 (14.85)5) /

(6.115 + 0.42915 (21.45) + 0.014206 (21.45)2 + 0.0003046 (21.45)3 + 0.0000032 (21.45)4)) * 100

HR = 67 %

Humedad Relativa Máxima HRM = (2HR - (((HR/100)*(6.115 + 0.42915 T +

0.014206 T2 + 0.0003046 T3 + 0.0000032 T4))) / (6.115 + 0.42915 TM + 0.014206 TM2 + 0.0003046 TM3 +

0.0000032 TM4)))*100)

HRM = (2(67) - (((67/100)*(6.115 + 0.42915 (21.45) + 0.014206 (21.45)2 + 0.0003046 (21.45)3 +

0.0000032 (21.45)4))) / (6.115 + 0.42915 (28.05) + 0.014206 (28.05)2 +

0.0003046 (28.05)3 + 0.0000032 (28.05)4)))*100)HRM = 89 %

Humedad Relativa MínimaHRm = (((HR/100)*(6.115 + 0.42915 T + 0.014206 T2 + 0.0003046 T3 + 0.0000032 T4))) /

(6.115 + 0.42915 TM + 0.014206 TM2 + 0.0003046 TM3 + 0.0000032 TM4)))*100)

HRm = (((67/100)*(6.115 + 0.42915 (21.45) + 0.014206 (21.45)2 + 0.0003046 (21.45)3 +

0.0000032 (21.45)4))) /(6.115 + 0.42915 (28.05) + 0.014206 (28.05)2 +

0.0003046 (28.05)3 + 0.0000032 (28.05)4)))*100)HRm = 45 %

42

ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS PSICROMÉTRICOS MEDIOS

PRESIÓN DE VAPOR EN SATURACIÓN (HR = 100 %) (para la temperatura media 21.45 °C)

pvs = 0.133322 * exp (18.6686-4030.183/(235+T))pvs = 0.133322 * exp (18.6686-4030.183/(235+21.45))pvs = 2.56 kPa

HUMEDAD DE SATURACIÓN

HS = 622 * pvs / (pt – pvs)HS = 622 * 2.56 / (101.325 – 2.56)HS = 16.1 g/kg

PRESIÓN DE VAPOR MEDIA(para HR = 67 %)

pv = pvs * HR/100pv = 2.56 * 67/100pv = 1.72 kPa

HUMEDAD ABSOLUTA(para HR = 67 %)

HA = HS * HR/100HA = 16.1 * 67/100HA = 10.79 g/kg

TEMPERATURA DE BULBO HÚMEDO(para una temperatura de 21.45 ºC y HR de 67%)

TBH = 7.5+0.9*(TBS-10) + (HR-70)/30*(2.75+0.1*(TBS-10))

TBH = 7.5+0.9*(21.45-10) + (67-70)/(30*(2.75+0.1*(21.45-10)))TBH = 17.4 °C

PRESIÓN ATMOSFÉRICA MEDIA(para una altitud de 987 msnm)

pt = 1013.25 * exp(-0.0001184 * Alt)pt = 1013.25 * exp(-0.0001184 * 987)pt = 901.5 hPa (mbar)

43

CONCLUSIONES

Es muy importante, que el arquitecto o diseñador cuente con las herramientas necesarias para la estimación de datos climatológicos, y así poder definir las estrategias de diseño y conceptos arquitectónicos más adecuados para aquellas localidades en donde no se cuenta con datos climáticos.

Desde luego los algoritmos que aquí se presentan deben usarse únicamente en aquellos casos en donde no existen datos medidos o cuando fue imposible conseguir la información. Es lógico suponer que en estos cálculos existe un margen de error debido a que existen variables ambientales o climáticas que no son consideradas. Los datos estimados deben tomarse con la respectiva cautela y en todo caso estar conscientes de las decisiones de diseño que de ellos se desprendan.

Como parámetro comparativo se presenta la siguiente tabla comparativa entre los datos de las Normales Climatológicas para Río Verde S.L.P. y los datos estimados en el ejemplo:

PARÁMETRO Real Estimado Diferencia

Temperatura Máxima 28.5 28.05 0.45Temperatura Media 20.9 21.45 0.55Temperatura Mínima 14.7 14.85 0.15

REFERENCIAS

García M., Enriqueta. Apuntes de Climatología. Talleres Larios S.A. México, D.F. 1986

Tejeda, Adalberto. Programa para el cálculo de la Humedad Relativa. Universidad Veracruzana, Xalapa Veracruz. México

Szokolay, Steven & Docherty Michael. Climate Analysis. PLEA, The University of Queensland Printery Brisbane, Australia. 1999

Normales Climatológicas. Dirección General del Servicio Meteorológico Nacional. 1941-1970 SARH. México, D.F. 1982

ASHRAE HANDBOOK 1993. Fundamentals. ASHRAE Atlanta, U.S.A. 1993

44

4GEOMETRÍA SOLAR VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

INTRODUCCIÓN

Desde un principio el hombre primitivo distinguió los fenómenos causados por los dos principales movimientos de la tierra; el primero, el día y la noche, segundo, los cambios estacionales. Con este incipiente conocimiento de la trayectoria solar el hombre empezó a explicarse, de una u otra forma, el comportamiento del universo. Muy pronto el hombre adquirió conocimientos profundos acerca de la trayectoria solar y con estos aprendió a medir el tiempo. Así pudo distinguir las épocas de siembra y cosecha, aprendió a construir sus viviendas aprovechando eficientemente la energía e incluso aprendió a conocer el movimiento de las estrellas y planetas, logrando predecir con extraordinaria precisión numerosos fenómenos astronómicos.

Claros testimonios de este conocimiento los son STONEHENGE (1840 A.C.) y la pirámide de KUKULCAN (Chichén Itzá 900-1250 D.C.). Las primeras aplicaciones prácticas del conocimiento de la trayectoria solar se dieron en la medición del tiempo, a través de los relojes solares, usados desde tiempos muy remotos por los babilonios (700 años A.C.) y altamente perfeccionados por los griegos y los romanos a principios de la era cristiana. Posteriormente, basados en un gran conocimiento gnomónico, se desarrollaron cartas solares, de tal forma que para principios del siglo XVII se contaba ya con diagramas solares de alta precisión, sin embargo la aplicación de la geometría solar en el diseño arquitectónico se remonta por lo menos al siglo V A.C. en Grecia y en muchos casos de arquitectura vernácula en todo el mundo.

La geometría solar es uno de los elementos más importantes dentro del proceso de diseño arquitectónico ya que a través del conocimiento del comportamiento de la trayectoria de los rayos solares, tanto en su componente térmica como lumínica, lograremos dar la óptima orientación al edificio, la mejor ubicación de los espacios interiores de acuerdo a su uso, y podremos diseñar adecuadamente las aberturas y los dispositivos de control solar, logrando efectos directos de calentamiento, enfriamiento e iluminación, traducibles en términos de confort humano.

Además, debemos considerar que es el sol, indirectamente, el que determina todas aquellas condiciones ambientales que interactúan entre sí para definir todas las características del medio ambiente natural; sin olvidar que la arquitectura está determinada por éste medio ambiente.

45

Como lo menciona E. Tedeschi1: “Debe reconocerse que el clima ha influido profundamente en la arquitectura, no solo planteando al arquitecto y al urbanista requerimientos diferentes de acuerdo con los diferentes paisajes -y por lo tanto imponiendo soluciones funcionales, técnicas y formales diversas-, sino también de un modo más directo, contribuyendo a la formación de las tipologías tanto generales como particulares, tanto funcionales como formales...”

El presente capítulo tiene por objetivo mostrar los distintos métodos de análisis de la trayectoria solar más conocidos, así como su aplicación directa en el diseño arquitectónico; algunos presentan ventajas sobre otros, ya sea por su facilidad de trazo, por la sencillez en la determinación de la posición de los rayos solares o por la aplicación de los datos manejados. Sin embargo, todos tienen una utilidad práctica dentro del proceso de diseño, son herramientas al alcance del diseñador que le sirven para lograr el confort humano en sus edificaciones, haciendo un uso más eficiente de la energía; sin embargo, es necesario no olvidar que la geometría solar es solo uno de los muchos factores que el arquitecto debe manejar en su actividad de coordinación y síntesis.

El arquitecto debe concientizar su verdadero compromiso con la sociedad; el de crear espacios habitables para el hombre, espacios que deben responder a las exigencias funcionales impuestas por los usuarios y sus actividades, satisfaciendo sus necesidades físicas, mentales y espirituales, integrándolo a su medio ambiente natural, artificial, integrándolo también socialmente con sus semejantes, contemplando aspectos económicos e incluso políticos y sin olvidar que “su trabajo alcanza real valor de arquitectura solo cuando el edificio posee una calidad estética ”2.

EL SOL Y LA TIERRAEl Sol es la estrella más próxima y el centro de nuestro sistema solar planetario. Tiene una edad estimada en por lo menos 4.700 millones de años. El Sol es una esfera gaseosa formada principalmente por Hidrógeno y Helio (92.1 % de Hidrógeno, 7.8 % de Helio y el restante 1 % de otros elementos) que gira sobre su propio eje completando un periodo de rotación cada 26.8 días (ecuatorial)3 con una velocidad de 2 km/s y se traslada a un punto llamado Apex, en la constelación de Hércules4 a una velocidad de 19.7 km/s

La energía solar es obtenida en el núcleo a partir de la fusión nuclear del Hidrógeno. Se requieren cuatro átomos de Hidrógeno para formar un átomo de Helio, en ésta transformación el 0.7 % de la masa de un núcleo de Hidrógeno se convierte en energía radiante, es decir, que si la reacción termonuclear convierte unos 564 millones de toneladas de Hidrógeno en 560 de Helio cada segundo, aproximadamente 4.0 millones de toneladas son convertidas en energía radiante5, lográndose temperaturas en el Coro o núcleo solar de 15 E06 °K. (millones de grados Kelvin). Se estima que la cantidad de Hidrógeno disponible terminará por agotarse dentro de 5 o 6 millones de años.

1 Tedeschi, Enrico. Teoría de la Arquitectura, Editorial Nueva Visión, Buenos Aires, Argentina 1977.2 Tedeschi, Enrico, Op. cit.3 Pérez P. Jorge, “El Sol Nuestra Estrella”, Información Científica y Tecnológica, Instituto de Geografía de la U.N.A.M., mayo

1984 Vol. 6 No. 92, México, D.F. 1984.4 Bertrán de Q. Miguel. El Sol en la Mano, Universidad Nacional Autónoma de México, México, D.F. 1937.5 Leyva C. Armando. “Principios Físicos de la Radiación Solar”, Memorias del curso de actualización en Energía Solar 1986.

Laboratorio de Energía Solar del I.I.M. de la U.N.A.M., Temixco, Morelos, México 1986.

46

Aspectos cuantitativos de la energía solar:La energía solar llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética extendiéndose desde los rayos ultravioleta, de 200 nm de longitud de onda, hasta ondas infrarrojas de 3000 nm de longitud; sin embargo el máximo de radiación se da a los 500 nm. (Un nanómetro nm = 1 E-09 m)6 .

La intensidad de radiación solar que incide sobre una superficie normal a los rayos solares fuera de la atmósfera terrestre a la distancia promedio del sol a la tierra (149,597,870 km, una unidad astronómica7 ) es llamada constante solar (Isc). Después de muchos estudios se ha llegado a la conclusión de que el valor más probable de la constante solar es 0.137 W/cm2 (W.M.O. 1980) con un rango de error de ± 1.5 % 8

La mayor parte de las variaciones en la constante solar tienen lugar en la porción de ondas cortas del espectro solar, estas variaciones dependen del grado de actividad solar, ya que aparentemente existe una correlación significativa entre los cambios de la constante y el tamaño, posición y frecuencia de las manchas solares.

Las principales variaciones de intensidad de radiación y temperatura del aire que experimentamos en la tierra son debidas a la naturaleza ligeramente elíptica de nuestra órbita alrededor del sol y a la inclinación del eje de rotación terrestre con respecto al plano orbital o eclíptica (23.45°) (Oblicuidad media de la eclíptica = 23° 26’ 21.488”)

La órbita terrestre, de 924’375,700 km., es casi circular (0.01671022 de excentricidad)9 , sin embargo, describe una elipse aparente dentro de la cual el sol está ligeramente descentrado, de tal forma que la distancia más próxima de la tierra al sol, o distancia perihélica, es de 147.1 millones de km., mientras que la distancia más lejana, o distancia afélica, es de 152.1 millones de km.10

La Tierra pasa actualmente por el punto del perigeo (punto de la órbita a la distancia perihélica) el 1° de enero, y pasa por el apogeo (punto de la órbita a la distancia afélica) el 1° de julio.

Debido a que la intensidad de la radiación solar varía inversamente con el cuadrado de la distancia del sol, la intensidad de incidencia normal sobre una superficie extraterrestre (Io) varía de 0.1427 W/cm2 el 1° de enero a 0.1355 W/cm2 el 1° de julio. 11.

GENERALIDADES DE LA GEOMETRÍA SOLARLa tierra tiene varios movimientos, pero sólo dos de ellos son significativos; El primero es el movimiento de translación orbital alrededor del sol que transcurre en un año solar de 365d 5h 48m 45.19s con una velocidad orbital media de 107,229 km/h. El segundo es el movimiento de rotación que transcurre en un día solar medio de 23h 56m 4.0989s a una velocidad de 465 m/s.

6 Szokolay, Steven. Energía Solar y Edificación, Editorial Blume, Barcelona, España, 19787 Anuario del Observatorio Astronómico Nacional 2007. Instituto de Astronomía UNAM.8 Leyva C. Armando, Op. cit.9 NASA -Solar System Exploration. http://solarsystem.nasa.gov/index.cfm10 Ibid. NASA11 Leyva C. Armando, Op. cit.

47

Como ya se mencionó anteriormente, el plano que contiene a la órbita terrestre se denomina PLANO DE LA ECLIPTICA, este plano forma un ángulo de 23° 26’ 21.448’’ (23°27’) con respecto al ecuador terrestre y de 66° 33’ 38.5’’ (66°33’) con respecto al eje de rotación. Debido a que la inclinación del eje de rotación siempre es paralelo a sí mismo a lo largo de su desplazamiento orbital, los rayos solares inciden perpendicularmente sobre la superficie terrestre en un punto distinto cada día del año.

El ángulo de máxima declinación positiva, es decir, el ángulo máximo que se da en el hemisferio norte entre el rayo solar y el ecuador es de +23°27’ y se presenta el día 21 de junio; a esta fecha se le conoce como SOLSTICIO DE VERANO, mientras que a la latitud geográfica en este punto se le conoce como TRÓPICO DE CÁNCER.

Nótese que en esta fecha el polo norte recibe los rayos solares, mientras que el polo sur está en oscuridad. El ángulo de máxima declinación negativa, es decir, el ángulo máximo que se da en el hemisferio sur entre el rayo solar y el ecuador es de -23°27’ y se presenta el día 21 de diciembre; a esta fecha se le conoce como SOLSTICIO DE INVIERNO mientras que a la latitud geográfica en este punto se le conoce como TRÓPICO DE CAPRICORNIO. En esta fecha el polo sur recibe los rayos solares mientras que el polo norte está en oscuridad.

Existen dos puntos en los cuales los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el ecuador, es decir con una declinación igual a 0°; el primero se da el 21 de marzo y se conoce con el nombre de EQUINOCCIO DE PRIMAVERA. El segundo se da el 23 de septiembre y se conoce como EQUINOCCIO DE OTOÑO.

Son éstas variaciones del ángulo de incidencia de los rayos solares sobre la superficie terrestre las que determinan las distintas duraciones del día y la noche a lo largo del año, un calentamiento no uniforme de la superficie terrestre con altas diferencias de presión que originan desplazamientos atmosféricos compensatorios (el viento). Determinan también a las estaciones, a todos los factores ambientales naturales y a la vida misma.

Bóveda celestePara fines prácticos de la geometría solar debemos partir del supuesto movimiento del sol alrededor de la tierra, de hecho el fenómeno sería idéntico al real, debido al carácter relativo del movimiento de la tierra con respecto al sol.

En éste caso, un observador sobre una superficie plana llamada horizonte, vería el desplazamiento del sol describiendo órbitas circulares paralelas, a lo largo de todo el año, sobre una esfera transparente denominada bóveda celeste; donde cualquier rayo, sin importar la posición del sol, estará dirigido hacia el centro de la esfera. Estas trayectorias constituyen lo que se conoce como la RUTA DEL SOL vista por un observador desde la tierra.

Al punto vertical mas alto de la bóveda celeste imaginaria se le denomina CENIT y al punto equidistante diametralmente opuesto, NADIR.

Para localizar un punto sobre la superficie terrestre se emplean las dos coordenadas llamadas geográficas o terrestres: LATITUD Y LONGITUD. Latitud de un lugar es el ángulo que forma la vertical

48

del lugar con el plano del ecuador, se cuenta de 0° a 90° del ecuador hacia los polos y puede ser positiva o negativa, según que el lugar se encuentre en el hemisferio norte o en el hemisferio sur.

Longitud de un lugar es el ángulo diedro que forman el meridiano que pasa por el lugar con otro meridiano que se toma como origen; se cuenta de 0° a 180° y puede ser oriental u occidental según que el lugar de encuentre al este u oeste del meridiano de origen.

Todos los puntos que se encuentran en un mismo paralelo tienen igual latitud; todos los puntos que se encuentran en un mismo semimeridiano tienen igual longitud.12 Para localizar al Sol, o a cualquier astro, en la bóveda celeste se emplean las coordenadas llamadas horizontales o celestes, por medio de las cuales se refiere su posición al plano del horizonte y al meridiano del observador, éstas son: ALTURA y ACIMUT.

ALTURA es el ángulo formado por el rayo solar, dirigido al centro de la bóveda y el plano del horizonte, se mide a partir del plano del horizonte hacia el cenit, de 0° a 90°.

ACIMUT es el ángulo diedro formado por el plano vertical del rayo solar con el plano del meridiano del observador, dicho en otras palabras, es el ángulo formado por la proyección del rayo solar sobre el horizonte con el eje norte-sur verdadero. En términos de arquitectura bioclimática (en el hemisferio norte) se mide a partir del sur y puede ir de 0° a 180° hacia el este u oeste.

Estas dos coordenadas celestes constituyen los datos básicos para cualquier estudio de asoleamiento en el diseño arquitectónico o cualquier otra aplicación en que se precise conocer la posición del Sol en un momento determinado. 13

Métodos de análisisExisten tres formas de conocer y analizar el comportamiento solar. La primera es a través de métodos gráficos, que de hecho son los más prácticos para los arquitectos, ya que a pesar de que no proporcionan información precisa o exacta, sí se presentan en forma clara, fácilmente traducible en términos de diseño y con la aproximación necesaria para los fines arquitectónicos. Encontramos varios tipos de diagramas, cada uno de ellos con distinta finalidad; diagramas de trayectoria y posición solar: diseño, análisis y evaluación de sistemas y dispositivos de control, orientación y ubicación de los espacios, análisis de obstrucciones etc. y diagramas para la estimación cuantitativa de la energía solar.

La segunda es a través de métodos matemáticos, los cuales nos proporcionan información precisa, utilizada principalmente para fines técnicos como lo son: balances de energía, análisis y evaluación de materiales constructivos y su transferencia térmica, diseño de sistemas y dispositivos solares activos, etc.

La tercera es a través de modelos físicos de simulación; maquetas y heliodones, que nos dan únicamente una visión cualitativa del comportamiento del edificio.

12 De Hoyos C. Gilberto. Cuadrantes Solares, Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco, México, D.F. 1985.13 Ferreiro L. Héctor. “Geometría Solar” apuntes de la Universidad Iberoamericana, México, D.F. 1985

49

Modelos gráficos:

DIAGRAMAS SOLARES DE TRAYECTORIA Y POSICIÓN• Gráfica solar de proyección ortogonal• Gráfica solar de proyección estereográfica• Gráfica solar de proyección equidistante• Proyección sobre ejes cartesianos• Proyección gnomónica

DIAGRAMAS SOLARES ENERGÉTICOS• Cardióides de asoleamiento• Diagramas de control solar (mascarilla de sombreado)• Diagramas de radiación solar• Diagramas de iluminación natural

Modelos matemáticos:• De trayectoria y posición• De energía

Modelos físicos de simulación:• Proyección gnomónica• Heliodones• Helioscopios• Termoheliodón

Gráfica solar de proyección ortogonalLa gráfica solar ortogonal es la representación de la bóveda celeste y la trayectoria solar en geometral o montea biplanar. En ella podemos localizar fácilmente la posición del Sol, o la trayectoria del rayo solar a cualquier hora y en cualquier día del año, es decir, que podemos conocer los valores de los ángulos de acimut y altura solar.

Existen dos formas de trazar la montea solar: la primera es a través de una proyección esférica, es decir, la proyección de la bóveda celeste con la trayectoria solar descrita sobre ella.

La segunda es a través de la proyección cilíndrica. Este método de trazo simplificado fue desarrollado por el Arq. Miguel Bertrán de Quintana14 en 1937, y consiste en prolongar la trayectoria solar a un cilindro tangente a la esfera celeste; Con esto se consigue que el trazo de las horas, tanto en la proyección vertical como en la horizontal, se resuelva con líneas paralelas.

En ambos métodos la lectura del acimut es directa en la proyección horizontal, sin embargo para poder hacer una lectura correcta del ángulo de altura, en la proyección vertical, es necesario hacer un giro del rayo solar a fin de verlo en verdadera forma y magnitud.

14 Bertrán de Q. Miguel, Op. cit.

50

La ventaja del método ortogonal es que la trayectoria solar está representada en el mismo lenguaje en que se expresan los planos arquitectónicos, es decir, planta, alzado o fachada y perfil o corte; de tal forma que podemos correlacionar en forma gráfica directa la trayectoria solar y los distintos elementos arquitectónicos

A través de este método podemos hacer análisis directos de sombras y penetraciones solares y lo que es más importante, podemos diseñar dispositivos de control solar con solo transportar las proyecciones de los rayos solares a las plantas, cortes y alzados de los elementos arquitectónicos. Para ello es necesario únicamente tener conocimientos elementales de geometría descriptiva.

Gráfica solar de proyección estereográficaLa proyección estereográfica es una representación de la trayectoria solar basada en la proyección ortogonal, que consiste en trasladar la ruta del sol, descrita sobre la bóveda celeste, sobre el plano del horizonte.

El procedimiento consiste en proyectar cada uno de los puntos hacia el nadir de la esfera celeste; en la intersección de las líneas de proyección con el plano horizontal quedan definidas las proyecciones estereográficas de estos puntos. Este método tiene la ventaja de no producir distorsión en el contorno de la gráfica, debido a que no es una proyección ortogonal, sino una representación “plana” de la trayectoria solar. La lectura de los ángulos de acimut y altura solar se facilita ya que se encuentran concentrados en una misma carta.

Esta gráfica es muy útil para el estudio de sombras, para el análisis y evaluación de dispositivos de control solar y para tomar decisiones sobre la orientación del edificio y ubicación de los espacios, ya que sobre ella pueden sobreponerse diagramas de sombreado, diagramas energéticos de radiación o iluminación, o simplemente expresar sobre ella los rangos y variaciones de temperatura ambiente de la localidad en estudio.

Gráfica solar de proyección equidistanteEste tipo de proyección es muy similar a la proyección estereográfica y de hecho sus usos y aplicaciones son los mismos, sin embargo difieren en su trazo, ya que ésta proyección consiste simplemente en la graficación de las coordenadas celestes, altura solar y acimut, sobre un sistema de graficación de ejes polares.

Dos ejes perpendiculares representan los puntos cardinales N-S-E-O, los cuales sirven de referencia para ubicar los ángulos de acimut, mientras que círculos concéntricos equidistantes definen los ángulos de altura solar.

51

Proyección sobre ejes cartesianosEste método consiste simplemente en la graficación de las coordenadas celestes, altura solar y acimut, sobre un sistema de ejes cartesianos.

Se utiliza principalmente para estudiar las obstrucciones que provocan los elementos naturales o artificiales sobre el edificio o sobre el sitio de proyecto.

Proyección gnomónicaLa proyección gnomónica es el origen de la graficación solar. La trayectoria del sol queda definida por la sombra que describe un gnomón o estilete sobre cualquier plano.

Su principal aplicación se da, desde luego, en los cuadrantes solares (relojes de sol), sin embargo en la actualidad se utiliza en modelos físicos de simulación, ya que a través de la sombra del gnomón proyectada y una maqueta, es posible reproducir o simular las condiciones de posición solar para cualquier hora, día y ubicación geográfica. Esto nos permite hacer un estudio de sombras y un análisis o evaluación cualitativa de los dispositivos de control solar.

Cardioides de asoleamientoEstas gráficas se deducen de la “caja solar”, desarrollo del cilindro de la trayectoria solar de la gráfica ortogonal de proyección cilíndrica, y expresan el tiempo de asoleamiento (en horas o porcentaje) que reciben las fachadas de un edificio en cada una de las orientaciones.

Estereográfica 21°

52

Es necesario remarcar que los cardioides no expresan cantidad de radiación, sino únicamente horas de sol que recibe una fachada, ya que la radiación incidente está determinada por el ángulo de incidencia del rayo solar con respecto a la fachada, mientras que el tiempo de asoleamiento no lo considera.

Diagramas de control solarMascarilla de sombreado

La mascarilla de sombreado es un diagrama que se utiliza para determinar las áreas de sombra producidas por cualquier objeto dentro de la bóveda celeste.

Este diagrama está formado por un semicírculo y líneas curvas convergentes a los extremos del eje diametral. Estas líneas resultan de bisectar a la bóveda celeste con planos inclinados a cada 10° de altura a partir del horizonte. Las líneas de intersección de la bóveda con los planos, graficadas estereográfica o equidistantemente, conforman la mascarilla de sombreado. Líneas rectas radiales, dentro del semicírculo, determinan los ángulos acimutales de los objetos obstructores, mientras que las líneas curvas convergentes determinan, obviamente, los ángulos de altura.

Este diagrama sobrepuesto a la gráfica solar estereográfica o equidistante nos permite determinar gráficamente las horas día-mes en que se cuenta con radiación solar incidente sobre una fachada totalmente expuesta o con dispositivos de control solar, en éste último caso podemos evaluar el grado de protección que ofrecen éstos elementos al edificio, cuantificando y cualificando la sombra que proyectan sobre la fachada o aberturas.

Partiendo de un modo inverso, nosotros podemos diseñar los dispositivos de control si establecemos el grado de protección conveniente, es decir, la cantidad y calidad de sombra que se necesita proyectar sobre el edificio en las distintas épocas del año, dependiendo no solamente de los ángulos de incidencia solar, sino también de las condiciones ambientales del sitio en estudio.

modelos físicos de simulación

PROYECCIÓN GNOMÓNICA.Un indicador gnomónico es en realidad un reloj solar, pero en lugar de ser utilizado para medir o leer el tiempo, se emplea para reproducir la posición celeste del sol para cualquier latitud, fecha y hora. De tal forma que colocado sobre una maqueta del edificio en análisis se puede simular una dirección predeterminada de los rayos solares. Esto nos permite estudiar las sombras proyectadas y las penetraciones solares que se dan en los distintos elementos arquitectónicos

HELIODONES O MAQUINAS SOLARESLas máquinas solares son dispositivos que permiten simular el movimiento aparente del Sol respecto a una maqueta arquitectónica.

Estos dispositivos pueden ser clasificados en tres grupos:• De fuente luminosa fija y modelo arquitectónico móvil.• De fuente luminosa móvil y modelo fijo• De fuente luminosa y modelo movibles.

53

En todos éstos tipos de Heliodones los mecanismos de movimiento deben ajustar tres variables:• Latitud, la cual define el ángulo del rayo solar con relación a la localización geográfica.• Variación estacional, la cual define la declinación solar en un día dado.• Variación horaria, la cual define el ángulo horario del sol en cualquier momento del día.

Existen muchos tipos de heliodones con ligeras variaciones entre sí, por lo que mencionaremos únicamente los principales.

HELIODÓN DE EJE VERTICALEl heliodón de eje vertical está formado por una plataforma con mecanismos giratorios horizontal y vertical, sobre la cual va fija la maqueta. El movimiento vertical inclinará a la plataforma simulando la latitud geográfica, mientras que el giro horizontal establecerá los ángulos horarios. El simulador se completa con un poste vertical con una lámpara deslizable, este movimiento de la lámpara simulará la posición solar estacional.

La distancia del poste a la plataforma es previamente fijada en función del rango de desplazamiento de la lámpara, desde luego, entre mayor distancia, el efecto focal de la lámpara disminuirá. De cualquier forma es conveniente utilizar una lámpara de reflector parabólico a fin de proyectar rayos de luz paralelos y lograr más veracidad en la simulación.

HELIOSCOPIOHELIODÓN DE EJE CIRCULAR.Los helioscopios son dispositivos similares al heliodón de eje vertical, donde los mecanismos de movimiento se dan en la lámpara, dejando a la maqueta fija horizontalmente.

Los helioscopios son más ilustrativos, ya que la lámpara, en sus distintos movimientos describe, con sus trayectorias circulares, la ruta aparente del sol sobre una bóveda celeste imaginaria; Lográndose así una simulación mas precisa.

TERMOHELIODON.El Termoheliodón es un dispositivo de modelo fijo y fuente luminosa móvil desarrollado en la universidad de Princeton15. Este heliodón, junto con una serie de dispositivos adicionales está conectado a una computadora, de tal forma que, además de establecer la posición celeste de sol también simula las condiciones climáticas ambientales.

A través de este mecanismo pueden analizarse:• Sombras y penetraciones solares• Radiación directa incidente sobre los distintos elementos arquitectónicos.• Temperaturas ambiente e interiores.• Humedades relativas ambiente e interiores.• Efectos del flujo laminar de viento sobre el edificio.• Flujos convectivos de aire debidos al calentamiento.• Efectos del terreno sobre el patrón del viento, tanto laminar como convectivo.• Conducción térmica de los materiales.• Otros.

15 Olgyay, Víctor. Design with climate. Preinceton University Press. New Jewrsey. USA. 1963

54

MODELOS MATEMÁTICOS(de posición solar).

A través de los métodos numéricos podemos determinar las coordenadas solares en forma precisa. Para ello es necesario tener la ubicación geográfica del sitio en análisis: Latitud (l) y Longitud (L), y también debemos definir el día del año (n) y la hora solar en que nos interesa determinar la posición solar.dPara fines del cálculo, la hora solar deberá expresarse en grados, del meridiano celeste del Sol respecto a la posición del medio día. El ángulo horario (t) a las 12:00 h es igual a 00.00° (donde 1°= 4 minutos y 15°= 60 minutos). Matemáticamente el ángulo horario se define:

Para el tiempo a.m. el ángulo horario es positivo y para p.m. es negativo, de tal forma que a las 11:00 h el ángulo horario es igual a +15° mientras que a las 13:00 h es igual a -15°. De tal forma que el ángulo horario queda definido por:

t = (12 - hora) 15

El primer paso en el cálculo es determinar la declinación (d), la cual puede obtenerse a partir de la ecuación de Cooper:

d = 23.45° sen (360 ((284 + n)/365))

donde:

n es el número del día consecutivo del año.

Las coordenadas solares: altura (h) y acimut (z), quedan definidas por las siguientes ecuaciones:

Ángulos de altura y acimut

55

Altura solar:sen h = (cos l • cos d • cos t) + (sen l • sen d)

Acimut solar:cos z = (sen h sen l- sen d) / (cos h cos l)

Haciendo uso de las expresiones anteriores puede calcularse la longitud del día, es decir, el tiempo de sol desde el orto hasta el ocaso. (haciendo h = 0)

w = 2 [arc cos (-tan l • tan d)]; (ángulo horario)o bien:

duración del día = w / 15 ; (horas)

mientras que el Orto y el Ocaso se definen por:

Orto:w1 = +arc cos (tan l • tan d) ; (ángulo horario)

o bien:Orto = w1 / 15 ; (hora)

Ocaso:w2 = -arc cos (-tan l • tan d) (ángulo horario)

o bien:Ocaso = (w2 / 15) + 12 ; (hora)

donde:Latitud (l) Altura solar (h)Longitud (L) Acimut (z)Día del año (n) Duración del día (w)Declinación (d) Orto (w1)Ángulo horario (t) Ocaso (w2)

Una vez definidas las coordenadas solares, altura y acimut, es posible determinar el ángulo de incidencia del rayo solar en relación a cualquier superficie inclinada con un ángulo (S) respecto al plano horizontal, y una orientación (o) con respecto al sur. Este ángulo de incidencia (q) queda definido como el ángulo que se forma entre el rayo solar y la normal a la superficie.

56

cos q = (cos h • cos C • sen S) + (sen h • cos S)donde: q = ángulo de incidencia h = altura solar C = ángulo formado entre el acimut del rayo solar y la proyección horizontal de la normal de la superficie; u orientación de la fachada (o). S = inclinación de la superficie con respecto al plano horizontal.

Si la superficie es vertical (fachada), entonces:

cos q= (cos h • cos C )

Todas las expresiones anteriores están dadas en TIEMPO SOLAR VERDADERO. La relación entre el tiempo solar y el tiempo oficial o civil está dada por la expresión:

TIEMPO SOLAR = TIEMPO OFICIAL + ET + 4 (L r - Lloc)

donde: ET = Ecuación del tiempo Lr = Longitud del meridiano de referencia horaria oficial Lloc= Longitud del meridiano del lugar (local)

Ángulo de Incidencia

57

Meridianos de referencia horaria oficiales en la República Mexicana16. (hora legal)

Zona Localidad Meridiano de Referencia Meridiano de Referencia ESTACIONAL NORMAL

1 Baja California Sur Chihuahua 90 ° 105 ° Nayarit, y Sinaloa 2 Sonora 105 ° 105 °

3 Baja California 105 ° 120 ° Norte

4 Todas las demás 75 ° 90 ° Entidades Federativas

El horario de Verano (Estacional) inicia el primer domingo de Abril y finaliza el último domingo de Octubre.

La ecuación del tiempo puede consultarse en el Anuario Astronómico Nacional o se puede calcular de manera aproximada mediante la fórmula de Spencer17 :

ET= ((0.000075 + 0.001868 cos (G) – 0.032077 sen (G) - 0.014615 cos (2G) – 0.04089 (2G)) * 229.18

donde: ET = Ecuación del TiempoG = Ángulo diario (en radianes)

G = 2 p (n-1) / 365donde:n = número de día consecutivo de año (1-365)

16 Anuario del observatorio Astronómico Nacional 2007 Instituto de Astronomía UNAM, México, D.F. 2007. de acuerdo al Decreto Presidencial publicado en el Diario Oficial 1° de marzo del 200217 Muhammad Iqbal. An Introduction to Solar Radiation. Academic Press. New York, USA, 1983

58

5CONFORT VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

MEDIO AMBIENTE

Según la definición de Goffin1 “Medio Ambiente es el sistema dinámico definido por las interrelaciones físicas, biológicas y culturales, percibidas o no, entre el hombre y los seres vivientes y todos los elementos del medio, ya sean naturales, transformados o creados por el hombre” en un lugar y tiempo determinados.

Si bien es cierto que el medio ambiente está integrado por todos los elementos y variables que lo componen, por razones prácticas suele dividirse en:

• Medio ambiente natural: El cual incluye todos los elementos bióticos y abióticos en los que no interviene el hombre.

• Medio ambiente social o humano: El medio en el que se desarrolla el hombre y que incluye factores sociales, culturales, políticos, económicos, etc.

• Medio ambiente artificial: El que ha sido creado o modificado por el hombre.

El hombre está interactuando en todo momento con el medio ambiente, tanto con el natural, como con el social y el artificial; el medio ambiente determina su comportamiento físico y psicológico, es un factor determinante de la salud, bienestar y confort del individuo.

SALUD Y CONFORTEl término confort, es de hecho un galicismo, que puede ser substituido por el de bienestar, aunque éste parece ser más amplio y relacionado directamente con la salud. La Organización Mundial de la Salud2 define a la salud como “el estado de completo bienestar físico, mental y social del individuo y no solamente la ausencia de afecciones o enfermedades” . Por otro lado entendemos por Confort al estado físico y mental en el cual el hombre expresa satisfacción (bienestar) con el medio ambiente circundante. Como se puede apreciar no existe diferencia significativa entre las dos definiciones, sin embargo conceptualmente la primera se refiere a un estado temporal más amplio (aunque no permanente) y además abarcando aspectos que no son considerados por el segundo.

El confort se refiere de manera más puntual a un estado de percepción ambiental momentáneo (casi instantáneo), el cuál ciertamente está determinado por el estado de salud del individuo, pero además por muchos otros factores, los cuales se pueden dividir en forma genérica en dos grupos:

1 Goffin, Louis. La Problematique de l’environnement, Bruselas, F.U.L. 1984.2 Constitución de la Organización Mundial de la Salud. 1946. New York. USA. OMS.

59

Los factores endógenos, internos o intrínsecos del individuo, y factores exógenos o externos y que no dependen del individuo; entre los cuales podemos destacar los siguientes:

• Factores internos que determinan el confort Raza, sexo, edad, características físicas y biológicas, salud física o mental, estado de

ánimo, grado de actividad metabólica, experiencia y asociación de ideas, etc.

• Factores externos que determinan el confort Grado de arropamiento, tipo y color de la vestimenta, factores ambientales como

temperatura del aire, temperatura radiante, humedad del aire, radiación, velocidad del viento, niveles lumínicos, niveles acústicos, calidad del aire, olores, ruidos, elementos visuales, etc.

Bajo éste concepto el término «Confort Ambiental» puede parecer un pleonasmo, ya que por definición se incluye la interrelación del individuo con el medio ambiente, sin embargo, confort ambiental es un término que excluye algunos factores psicológico-sociales determinantes del confort, tales como la tensión y el estrés ocasionados por la falta de trabajo, dinero o adecuadas condiciones laborales, etc.

Es decir que el confort ambiental define sólo a aquellos factores ambientales naturales o artificiales que determinan un estado de satisfacción o bienestar físico o psicológico. Si bien el confort se obtiene a través de la integración de todos los factores, con fines prácticos se divide en varios tipos de acuerdo al canal de percepción sensorial que se involucra; de tal forma se cuenta con los siguientes tipos de confort:

• Confort Térmico,• Confort Lumínico,• Confort Acústico,• Confort Olfativo,• Confort Psicológico.

La contaminación influye de manera directa en la salud del individuo, en su percepción ambiental y por lo tanto en la obtención del confort. Ésta es percibida a través de los distintos sentidos, afectándolos fisiológicamente, interfiriendo con su funcionamiento en forma temporal o permanente o afectando y modificando la interpretación de los estímulos sensoriales. En algunos casos la afectación del confort se da de forma directa, en otras es indirecta, ya que en primera instancia se afecta a la salud y consecuentemente al confort.

CONFORT TÉRMICOSe refiere a la percepción del medio ambiente circundante que se da principalmente a través de la piel, aunque en el intercambio térmico entre el cuerpo y el ambiente los pulmones intervienen de manera importante.

Para comprender el comportamiento térmico del cuerpo humano ante los factores ambientales es necesario conocer algunos aspectos fisiológicos. El cuerpo humano es un organismo sumamente complejo que tiene que desarrollar múltiples funciones para mantener su equilibrio e interactuar

60

adecuadamente con su entorno. En oposición a los animales de sangre fría, cuya temperatura se adapta a la del medio ambiente, el hombre debe mantener constante su temperatura corporal (entre 36.5 °C y 37.5 °C) bajo cualquier condición climática. La energía necesaria para lograr ésta autorregulación se obtiene a través de la oxidación de los alimentos.

La mayoría de los procesos bioquímicos implicados en la formación de tejido, en la conversión de energía y el trabajo muscular (procesos metabólicos) son exotérmicos, es decir, producen calor. La producción total de calor metabólico puede dividirse en: metabolismo basal, es decir, la energía calorífica producida por todas las transformaciones implícitas en los procesos automáticos y vegetativos; y el metabolismo muscular que es la energía calorífica producida por los músculos al llevar a cabo un trabajo controlado de manera consciente. La cantidad de energía calorífica producida por metabolismo basal varía muy poco sea cual sea la actividad que desarrolle el individuo, sin embargo la energía producida por metabolismo muscular depende directamente del grado de actividad que se tenga.

De este modo, del total de la energía producida solamente se utiliza alrededor del 20% para las necesidades internas del cuerpo, mientras que el 80% restante debe disiparse al medio ambiente, de hecho para que exista balance térmico, es necesario que la totalidad de éste calor restante sea disipada. Esta disipación se lleva a cabo a través de la piel y los pulmones. Los datos de producción de calor por metabolismo, dependiendo del grado de actividad del individuo son enlistados en la tabla 1.

GRADO METABÓLICO PROMEDIO PARA UN HOMBRE ADULTO3 (Watts)

Actividad total basal muscular

Sueño Profundo 70 70 0Descanso acostado 88 88 0Descanso sentado 115 92 23Trabajo ligero sentado 130 92 38Trabajo ligero de pie 150 92 58Caminar despacio 160 92 68Trabajo de escritorio 210 93 117Trabajo de oficina de pie 235 93 142Trabajo medio 265 93 172Trabajo medio pesado 300 93 207Trabajo pesado 400 94 306Trabajo pesado durante 8 hrs. 440 94 346Trabajo muy pesado (max 30 min) 1,500 94 1,160

El metabolismo es uno de los factores internos más importantes que intervienen en la obtención del confort. Algunos otros son la edad, el sexo, forma y superficie corporal, acumulación de grasa, condición de salud, tipos de alimentos y bebidas etc.

3 Datos basados en Szokolay, Steven. Envirnmental Science Handbook, The Construction Press, Lancaster, England 1981. y complementados por Fuentes Freixanet, Víctor y Figueroa Castrejón, Anibal. Criterios de Adecuación Bioclimática No. 7300 IMSS. 1989.

61

Por otro lado los factores externos más importantes son:

Grado de arropamientoDependiendo de éste, la transferencia de calor entre el cuerpo y el medio ambiente tendrá mayor o menor resistencia, es decir, el cuerpo podrá disipar mayor o menor cantidad de energía calorífica.

Temperatura del aireEste es uno de los factores más importantes ya que entre mayor sea la diferencia entre la temperatura del aire y la del cuerpo, mayor será el flujo de calor.La temperatura del aire óptima en la cuál el cuerpo disipa adecuadamente el calor generado depende de varios factores, entre ellos la aclimatación del individuo juega un papel importante, ya que, por ejemplo, una persona acostumbrada a vivir en un clima frío soporta temperaturas más bajas que otra que no lo está.

Esta temperatura óptima (la cuál es llamada comúnmente «temperatura neutra») representa un punto en la escala térmica, por ello es más conveniente hablar de un rango de temperatura en el cual el individuo expresa satisfacción (térmica) con el ambiente. El rango de confort térmico ha sido definido de distinta manera por varios autores. Los estudios más actuales a éste respecto son los de S. Szokolay4 y Auliciems, a través de los cuales se ha elaborado la tabla número 2, en donde se definen los rangos de confort térmico para varias ciudades de la República Mexicana.

Aplicando la fórmula de Auliciems:Tn = 17.6 + 0.31 TmZc = Tn ± 2.5 °C .

donde: Tn = Temperatura NeutraTm = Temperatura media anual o mensualZc = Zona de Confort

RANGOS DE CONFORTtérmico anual para varias ciudades de la República Mexicana:

Ciudad rango min. Tn max.

Toluca, México 18.9° 21.4° 23.9° La Bufa, Zacatecas 19.3° 21.8° 24.3° Ciudad de México (Tacubaya) 19.8° 22.3° 24.8° Puebla, Puebla 20.2° 22.7° 25.2° Chihuahua, Chihuahua 20.8° 23.3° 25.8° Guadalajara, Jalisco 21.0° 23.5° 26.0° Cuernavaca, Morelos 21.6° 24.1° 26.6° Monterrey, Nuevo León 21.9° 24.4° 26.9° Hermosillo, Sonora 22.6° 25.1° 27.6° Veracruz, Veracruz 22.9° 25.4° 27.9° Villahermosa, Tabasco 23.6° 26.1° 28.6°

4 Szokolay, Steven. «Passive and low energy design for thermal and visual comfort» Pasive and low Energy Ecotecniques Applied to Housing (PLEA’84) Pergamon Press, New York, U.S. 1984.

62

Temperatura radiante (Radiación)Junto con la temperatura, la radiación afecta enormemente la sensación térmica del organismo, incluso algunos estudios recientes sugieren que la temperatura radiante es más significativa que la temperatura del aire. Esto es fácil de entender si imaginamos estar en un ambiente con aire frío pero expuestos a la radiación del sol o a la emitida por una chimenea o fogata.

Humedad del aireA pesar que la humedad tiene pocos efectos en la sensación de confort térmico, sí juega un papel importante en los mecanismos de intercambio térmico del cuerpo, tanto en la sudoración como en la evaporación e intercambio térmico pulmonar (evotranspiración).

Movimiento del aireEl movimiento del aire también tiene efectos térmicos en el individuo, aún sin cambiar su temperatura, ya que a través del movimiento del aire se incrementa la disipación de calor del organismo de dos maneras: incrementando las perdidas convectivas de calor y acelerando la evaporación. El movimiento del aire también tiene efectos no térmicos (mecánicos) en la sensación de confort. Algunas reacciones subjetivas para varias velocidades del aire son las siguientes:

SENSACIONES SUBJETIVAS DE ACUERDO A LA VELOCIDAD DEL VIENTO5

rango de velocidad sensación

menor a 0.25 m/seg. imperceptiblede 0.25 a 0.50 m/seg. agradablede 0.50 a 1.00 m/seg. perceptiblede 1.00 a 1.50 m/seg. desagradablemayor a 1.50 m/seg. muy molesto

La falta de condiciones térmicas adecuadas provoca trastornos fisiológicos, cuyos efectos pueden ir desde los temporales de poca significación hasta los graves que pueden dañar seriamente al organismo e incluso provocar la muerte.

Las principales alteraciones se presentan en el aparato circulatorio y en los demás órganos que intervienen directamente en el intercambio de calor. Bajo condiciones de alta temperatura la presión arterial aumenta así como el ritmo cardiaco y respiratorio; los vasos sanguíneos se dilatan, se incrementa la evotranspiración, aumentando la demanda de oxigeno e ingestión de líquidos además de otros efectos secundarios.

A bajas temperaturas los efectos se invierten, la presión arterial disminuye al mismo tiempo que el ritmo cardiaco y respiratorio, los vasos sanguíneos se contraen disminuyendo la actividad general de todos los órganos.

5 Szokolay, Steven. Environmental Science Handbook. The Construction Press, Lancaster, England 1981.

63

La falta de humedad o exceso de ella provoca alteraciones en el intercambio energético normal de los pulmones, interfiere con la capacidad evaporativa de la piel y provoca cambios en la fauna normal de la piel, lo cual aunado con la contaminación física, química y biológica del aire puede provocar enfermedades de las vías respiratorias o en la superficie cutánea o subcutánea.

MODELOS DE CONFORT TÉRMICO

Cuando se habla de confort térmico es necesario considerar las relaciones que existen entre el medio ambiente térmico y las sensaciones fisiológicas y psicológicas que experimentan las personas frente las condiciones impuestas por ese ambiente. Los estudios de estas relaciones se han desarrollado bajo dos enfoques distintos:

• A partir modelos de balance térmico del cuerpo. Este método de cálculo se basa en el confort térmico en estado estable, obtenido a partir de investigaciones en cámaras climáticas de ambiente controlado. Es decir que estos estudios se basan, de manera preponderante, en las respuestas fisiológicas del organismo.

• A partir de modelos de adaptación. Los cuales se derivan de estudios “en campo” es decir en condiciones reales y en relación al confort térmico de estado estable. Este método asume que la gente se adapta o trata de adaptarse a las condiciones térmicas modificando su comportamiento o las condicionantes ambientales inmediatas; es decir que hace ajustes en su arropamiento, postura, horario de actividades, niveles de actividad, dieta, bebidas, ventilando, etc. Además de ajustes psicológicos inconscientes. La tabla de abajo muestra algunas de las acciones de adaptación y sus efectos en términos de los parámetros determinantes del confort.

En ambos modelos el movimiento de aire o la ventilación es un factor importante en la percepción de confort.

Efectos de distintos comportamientos de adaptación sobre las temperaturas óptimas de confort6:

Comportamiento Efecto Comp.

Quitarse o ponerse una chamarra o saco Cambio de arropamiento ± 0.35 Clo ± 2.2 KUsar ropa holgada o ajustada Cambio de arropamiento ± 0.26 Clo ± 1.7 KQuitarse la corbata y desabotonar la camisa Cambio en arropamiento ± 0.13 Clo. ± 0.8 KCambiar tipo de silla de oficina Cambio en arropamiento ± 0.05 Clo. ± 0.3 KPermanecer sentado o caminar alrededor Variación en metabolismo ± 0.4 Met ± 3.4 KNivel de estrés Variación en metabolismo ± 0.3 Met ± 2.6 KVigor en las actividades Variación en metabolismo ± 0.1 Met ± 0.9 KDiferentes posturas Variación en metabolismo ± 10% Met ± 0.9 KConsumir bebidas frías Variación en metabolismo - 0.12 Met + 0.9 KConsumir bebidas o alimentos calientes Variación en metabolismo +0.12 Met - 0.9 KEncender un ventilador de mesa Variación en velocidad del aire + 2.0 m/s + 2.8 KEncender un ventilador de techo Variación en velocidad del aire + 1.0 m/s + 2.2 KAbrir una ventana Variación en velocidad del aire + 0.5 m/s + 1.1 K

6 Oseland, N. Adaptive Thermal Comfort Models, BRE, Building Services Journal, Dec 1998

64

Modelo de Balance TérmicoLa ecuación de confort de Fanger involucra términos relacionados con:

Variables ambientales:Temperatura del aireTemperatura radiante mediaVelocidad relativa del airePresión de vapor del agua

Variables fisiológicas:Calor metabólico producido (interno)Energía metabólica producida (trabajo externo)Temperatura superficial de la pielSudoraciónIntercambio de calor evaporativo y convectivo a través de la respiraciónPérdidas de calor seco del cuerpo por radiación, convección y conducción

Arropamiento:Grado de aislamiento de la ropa (flujo conductivo a través de la ropa)Relación entre área arropada y área superficial desnudaTemperatura superficial de la ropa

La fórmula de confort para determinar PMV es 7:

PMV= (0.303 e-0.036M + 0.028)* [(M-W)-H-Ec-Cres-Eres]

donde:PMV = Voto medio pronosticadoM = Tasa metabólica (W/m2)W = Energía mecánica efectiva (trabajo) (W/m2)H = Pérdidas de calor secoE = Intercambio de calor evaporativo de la piel (W/m2)Cres = Intercambio calor convectivo respiratorio (W/m2)Eres = Intercambio evaporativo respiratorio (W/m2)

7 Thermal Comfort.Brüel & Kjær Innova Denmark

65

PMV para diferentes temperaturas y humedades de acuerdo a la fórmula estadística.

T Humedad Relativa (%)(°C) 30 40 50 60 70 80 90

15 -2.43 -2.40 -2.36 -2.33 -2.30 -2.26 -2.2316 -2.17 -2.14 -2.10 -2.07 -2.03 -1.99 -1.9617 -1.92 -1.88 -1.84 -1.80 -1.76 -1.72 -1.6918 -1.66 -1.62 -1.58 -1.53 -1.49 -1.45 -1.4119 -1.40 -1.35 -1.31 -1.27 -1.22 -1.18 -1.1420 -1.14 -1.09 -1.04 -1.00 -0.95 -0.91 -0.86

21 -0.87 -0.83 -0.78 -0.73 -0.68 -0.63 -0.5822 -0.61 -0.56 -0.51 -0.45 -0.40 -0.35 -0.3023 -0.35 -0.29 -0.24 -0.18 -0.13 -0.07 -0.0224 -0.08 -0.02 0.04 0.09 0.15 0.21 0.2725 0.19 0.25 0.31 0.37 0.43 0.50 0.56

26 0.45 0.52 0.59 0.65 0.72 0.78 0.8527 0.72 0.79 0.86 0.93 1.00 1.07 1.1428 0.99 1.07 1.14 1.22 1.29 1.37 1.4429 1.27 1.35 1.42 1.50 1.58 1.66 1.7430 1.54 1.62 1.71 1.79 1.88 1.96 2.04

31 1.82 1.90 1.99 2.08 2.17 2.26 2.3532 2.09 2.19 2.28 2.37 2.47 2.56 2.6633 2.37 2.47 2.57 2.67 2.77 2.87 2.9734 2.65 2.76 2.86 2.97 3.07 3.18 3.2835 2.93 3.05 3.16 3.27 3.38 3.49 3.60

36 3.22 3.34 3.45 3.57 3.69 3.81 3.9337 3.51 3.63 3.75 3.88 4.00 4.13 4.2538 3.79 3.93 4.06 4.19 4.32 4.45 4.5839 4.08 4.22 4.36 4.50 4.64 4.78 4.9240 4.38 4.52 4.67 4.82 4.96 5.11 5.25

En esta formula intervienen varios factores a veces difíciles de estimar, por lo que de manera simplificada, se puede asumir que para un arropamiento de 1 clo, con una actividad metabólica de 1 Met (58.2 W/m2), con una velocidad de viento de 0.13 m/s, y con una presión barométrica de 1,013 hPa, y así se puede estimar con relativa precisión el PMV teniendo como variables únicamente la Temperatura y la Humedad Relativa, de acuerdo a la siguiente fórmula estadística8:

PMV = ((1.362135869*10-6)T3 – (3.1031221*10-8)T2 + 0.001191847633229 T + 0.0112635095137) * ((0.1HR)+1) + (0.0000040T3 - 0.0000451T2 + 0.24709914T - 6.27580002)

donde:PMV = Voto Medio PronosticadoT = Temperatura (°C)HR = Humedad Relativa (%)

8 Fórmula desarrollada por Víctor Fuentes Freixanet para este trabajo

66

El PMV se relaciona con la siguiente escala de sensación térmica:

-3 -2 -1 0 +1 +2 +3 frío fresco fresco ligero neutro caluroso ligero caluroso cálido

PPD para diferentes temperaturas y humedades de acuerdo a la fórmula estadística de PMV

T Humedad Relativa (%)(°C) 30 40 50 60 70 80 90

15 91.9 91.0 90.1 89.2 88.1 87.1 85.916 84.0 82.6 81.1 79.7 78.1 76.5 74.817 72.8 70.9 69.0 67.1 65.1 63.1 61.018 59.4 57.2 55.0 52.8 50.6 48.4 46.219 45.3 43.1 40.8 38.6 36.4 34.3 32.2

20 32.2 30.1 28.0 26.0 24.1 22.3 20.621 21.1 19.4 17.7 16.1 14.7 13.3 12.122 12.8 11.5 10.4 9.3 8.4 7.6 6.923 7.5 6.8 6.2 5.7 5.3 5.1 5.024 5.1 5.0 5.0 5.2 5.5 5.9 6.525 5.7 6.3 7.0 7.9 8.9 10.2 11.6

26 9.3 10.6 12.2 13.9 15.9 18.0 20.327 16.0 18.3 20.7 23.4 26.3 29.3 32.628 25.9 29.1 32.5 36.1 39.8 43.7 47.729 38.5 42.6 46.8 51.1 55.4 59.7 63.930 53.1 57.6 62.2 66.6 70.8 74.9 78.6

31 67.8 72.3 76.4 80.3 83.8 87.0 89.732 80.8 84.4 87.7 90.4 92.8 94.7 96.233 90.3 92.8 94.8 96.3 97.5 98.4 99.034 96.1 97.4 98.3 99.0 99.4 99.7 99.835 98.8 99.3 99.6 99.8 99.9 100.0 100.0

36 99.7 99.9 99.9 100.0 100.0 100.0 100.037 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.038 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.039 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.040 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0

El porcentaje pronosticado de insatisfacción se estima mediante 9:

PPD = 100 -95 e –(0.03353 PMV4 + 0.2179 PMV2)

donde:PPD = Predicted Percentage of Dissatisfied (%)PMV = Predicted Mean Vote

9 Thermal Comfort. Innova, ibid.

67

Para la estimación de PMV y PPD, las formulas anteriores usan como valores constantes, entre otros, la velocidad del viento, usando como valor 0.13 m/s. En estos cálculos de confort se debe tomar en cuenta la velocidad relativa media del aire, es decir, la velocidad relativa del aire con respecto al ocupante, la cual incluye los movimientos corporales. Esto significa que una velocidad de 0.13 es la velocidad mínima que considera casi únicamente los movimientos de la persona. En los cálculos de confort difícilmente podría considerarse una velocidad de aire igual a cero, ya que significaría considerar a un ocupante inmóvil.

CONFORT LUMÍNICO

El confort lumínico se refiere a la percepción a través del sentido de la vista. Se hace notar que el confort lumínico difiere del confort visual, ya que el primero se refiere de manera preponderante a los aspectos físicos, fisiológicos y psicológicos relacionados con la luz, mientras que el segundo principalmente a los aspectos psicológicos relacionados con la percepción espacial y de los objetos que rodean al individuo.

La radiación solar tiene dos componentes, la térmica y la lumínica; de tal forma la luz natural es uno de los recursos más abundantes en nuestro planeta, en contraste con otras fuentes de energía convencional; sin embargo ésta se encuentra disponible solo durante el día. Prácticamente desde que el hombre descubrió el fuego descubrió, al mismo tiempo, la iluminación artificial. Antorchas, velas, lámparas de aceite y posteriormente de petróleo y gas fueron utilizados durante cientos de años hasta que Thomas A. Edison, a finales del siglo pasado, inventó la bombilla eléctrica. Desde entonces el hombre ha inventado una gran variedad de lámparas y sistemas de alumbrado, utilizando la iluminación eléctrica de manera intensiva, obteniendo de esta forma la posibilidad de ampliar su horario de actividades las 24 horas del día. Esto evidentemente acarrea consigo la ruptura o alteración de los ciclos biológicos naturales (sueño-vigilia, entre otros), pero además puede provocar otras alteraciones fisiológicas y psicológicas.

Suele asumirse que si se provee una cantidad suficiente de luz, según algunas normas, se puede desarrollar cualquier tipo de trabajo; sin embargo es necesario considerar la calidad de la luz además de la simple cantidad. La calidad se relaciona con las características de iluminación que facilitan la visión. Normalmente todas estas características están interrelacionadas.

Calidad de la luz.Quizá la primera característica lumínica determinante de la calidad lo es el tipo de luz o cualidad cromática; es decir el tipo de energía que se está recibiendo. Dentro del amplio espectro de radiación electromagnética, se percibe como luz visible sólo una estrecha banda que va desde los 380 a los 780 nanómetros (1 nm = 10 -9 m) de longitud de onda. La sensibilidad del ojo humano varía con la longitud de onda, presentándose la máxima sensibilidad alrededor de los 550 nm. (Correspondiente al color verde). Por otra parte si se analiza la emisión de radiaciones electromagnéticas del sol se encontrará que la longitud de onda de máxima emisión se da alrededor de los 500 nm. (Correspondiente al color azul). Ambos valores, la máxima sensibilidad del ojo y la máxima emisión solar, se encuentran muy cercanos; esto es indicativo de que el ojo humano está diseñado para percibir de manera más sensible la luz emitida por el Sol.

68

Por su lado la radiación electromagnética emitida por los sistemas de iluminación artificial está muy alejada de la eficiencia visual del ojo; por ejemplo, una lámpara incandescente tiene su máxima emisión con una longitud de onda de 966 nm. (Correspondiente a los rayos infrarrojos, fuera del espectro de luz visible).

El esfuerzo que tiene que realizar el ojo ante exposiciones prolongadas y constantes de luz artificial ocasionará deformaciones y trastornos ópticos, pero además puede haber otros impactos sobre la salud del individuo, tal como lo muestran algunos estudios realizados en el laboratorio neuroendocrino del Instituto de Tecnología de Massachusetts 10, donde se encontró que la luz artificial puede ocasionar disminución en la absorción de calcio en el organismo. Otros estudios muestran que la luz fluorescente normal emite rayos ultravioleta la cual puede llegar a incrementar hasta 5 % la exposición normal del sol; la exposición prolongada y continua a esta radiación ultravioleta puede ocasionar en personas sensibles la generación de cáncer en la piel. Por otro lado también es necesario mencionar que la luz puede ser utilizada como cromoterapia.

Además de los factores cromáticos existen otros factores que determinan la calidad de la percepción lumínica, entre ellos los más importantes son el contraste y el deslumbramiento. El ojo percibe los objetos gracias al contraste, el cuál se define como toda diferencia cualitativa o cuantitativa de luz percibida en un campo visual. Es decir que es necesario que existan diferencias de color, iluminación, luz y sombra, etc. para poder percibir cualquier objeto. A mayor contraste, mayor diferenciación entre los objetos; sin embargo, el excesivo contraste en un espacio puede ocasionar deslumbramiento, debido a la gran diferencia de iluminación entre la fuente lumínica y el espacio circundante; por ejemplo el tener una ventana pequeña con una gran iluminación exterior y pobre iluminación en el interior, bajo estas circunstancias, la ventana será una fuente de deslumbramiento.

Cantidad de luz.El ojo humano está diseñado para percibir un enorme rango de variación lumínica, puede percibir desde 0.1 lux a la luz de la luna llena, hasta 100,000 luxes en un día muy claro con luz solar brillante.

La pupila se ajusta automáticamente a los cambios de luz, sin embargo cambios bruscos en los niveles de iluminación puede provocar, además de una sensación muy desagradable en ocasiones acompañada de dolor, lesiones del sentido de la vista, a veces transitoria y otras permanentes.

La eficacia visual aumenta proporcionalmente con el incremento de la iluminación, esto se da de manera más marcada con niveles bajos de iluminación y no es tan significativo con nivele altos.

Los niveles óptimos de iluminación que se establecen como normativos son muy variados dependiendo de la fuente que se consulte y también varía de país a país; véase la siguiente tabla:

10 Ponte, Lowell. «How artificial Light affects your health» Reader’s Digest R.D. New U.S. 1981.

69

NORMAS DE ILUMINACIÓN ALTA EN VARIOS PAÍSES11.

trabajo delicado trabajo excepcionalmente (iluminación alta) severo.(ilum. especial).

URSS 50 - 100 lux 150 - 300 luxHungría 150 - 300 300 - 500Reino Unido 600 2,000 - 3,000USA 1,500 5,000 - 10,000México12 300 - 400 600

Evidentemente estos valores también están determinados por las estrategias y políticas para la utilización de la energía. Y el aspecto energético, aunque no está relacionado con el confort, también es muy importante desde el punto de vista ambiental. Resulta difícil de creer que la mayoría de los edificios utilicen de manera preponderante la iluminación artificial durante el día desperdiciando la iluminación natural, que es un recurso tan valioso y necesario para la salud y el confort, y además gratuito. La iluminación artificial debe emplearse durante la noche, y durante el día solo como complemento, compensando las variaciones de la luz natural.

Aspectos psicológicosAdemás de los aspectos fisiológicos mencionados anteriormente, tanto la calidad como la cantidad de luz tienen importantes impactos psicológicos sobre el individuo.El tipo de luz, ya sea natural o artificial, y su intensidad afectan directamente la percepción del medio ambiente y por lo tanto tiene repercusiones en el estado de ánimo y en general en muchas respuestas del individuo.

A través del manejo adecuado de la luz se pueden obtener aumentos en la eficiencia y productividad, se puede estimular el apetito, se puede provocar atracción visual hacia determinados objetos o espacios, se pueden lograr sensaciones de melancolía, romanticismo, alegría, erotismo o agresividad. La luz es un factor determinante del confort humano.

CONFORT ACÚSTICO

Se refiere a la percepción que se da a través del sentido del oído, donde se incluyen, además de los factores acústicos, los factores del ruido.

Las fuentes sonoras están siempre presentes tanto en zonas urbanas como rurales, incluso en los lugares «silenciosos» como un campo abierto o una casa aislada. En sí, la existencia de sonidos es necesaria para la percepción del entorno; de hecho la ausencia total de sonidos puede afectar seriamente la salud física y mental del individuo.

11 Szokolay, Steven. Op.cit.12 Normas Técnicas del Instituto Mexicano del Seguro Social, IMSS, México, D.F. 1985.

70

El confort acústico se refiere a las sensaciones auditivas, tanto en contar con niveles sonoros adecuados (aspectos cuantitativos), como contar con una adecuada calidad sonora (aspectos referidos al timbre, reverberación, enmascara-miento, etc.).

La acústica se encarga del diseño de los espacios, dispositivos y equipos necesarios para contar con una buena audición. Esto es sumamente importante para determinados géneros de edificios y espacios abiertos, ya que contar con una buena audición (percepción) procesar adecuadamente la información adquirida interactuando de manera más eficaz con el medio ambiente (ligado directamente con la comunicación). Cuando el sonido es desordenado o demasiado intenso, se convierte en un factor contaminante, que denominamos ruido (aunque en general podemos definir al ruido como cual tipo de sonido indeseable, sea éste ordenado o desordenado, tenue o intenso).

En el caso de las grandes concentraciones urbanas las fuentes de contaminación por ruido se han multiplicado en proporción a su población. Los niveles de ruido que se presentan cotidianamente en estas grande urbes son francamente nocivos para la salud de sus habitantes. Lo primero es entender que es el ruido y que repercusiones a corto, mediano y largo plazo puede tener.

Todo sonido tiene su origen en la vibración de un cuerpo, la cuál se transmite a través del aire, es percibida por el sentido del oído e interpretada por el cerebro. El sonido es entonces una forma de energía que presenta dos características básicas: sonoridad e intensidad.

La intensidad es la cantidad de energía transmitida a través del aire. La cuál varía en función de la distancia entre la fuente sonora y el individuo receptor; se mide en Decibeles «A» (dBa) que incluye todos los rangos de frecuencia. La sonoridad es la fuerza con la que se percibe el sonido, la presión que hace vibrar al tímpano o que llega a romper un vidrio. Se mide en niveles de presión acústica (NPA).

Cuando el sonido perturba de alguna manera al individuo, se convierte en ruido. El grado de ésta perturbación depende de muchos factores, entre ellos están: el sexo, la edad, la experiencia y relación de sonidos, el estado de ánimo, etc. Sin embargo, se han establecido parámetros que definen un rango de confort o bienestar general. La Organización Mundial de la Salud 13 establece los siguientes rangos:

rango de intensidad

Muy silencioso de 0 a 25 dBaSilencioso de 25 a 35 dBaModerado de 35 a 45 dBaRuidoso de 45 a 55 dBaMuy ruidoso más de 55 dBaLímite de la OMS 90 dBaUmbral de dolor 130 dBa

(En la Ciudad de México se ha detectado que por lo menos el 50% de los autobuses urbanos y el 90% de los foráneos sobrepasan el límite de los 90 dBa.)14.

13 El Ruido, Criterios de salud ambiental 12. Organización Mundial de la Salud, ONU, Washington DC. 1983.14 Marcó del Pont, Luis. El crimen de la Contaminación Biblioteca de Ciencias Sociales y Humanidades. UAM - Azcapotzalco,

CSH, México, D.F. 1984.

71

Efectos del ruidoEl ruido tiene diversos efectos tanto fisiológicos como psicológicos, entre los más importantes se pueden mencionar los siguientes:

Interferencia en la comunicaciónEn lugares con niveles de ruido superiores a los 55 dBa la comunicación oral entre dos personas implica el levantar la voz para hablar, lo que representa un esfuerzo adicional y molestias tanto para el parlante como para el oyente. Además la comunicación por otros medios se dificulta; tal como hablar por teléfono, entender los mensajes de un sistema de sonido, etc.

Pérdida de la audiciónLa exposición ocasional o constante al ruido pude provocar pérdida temporal o permanente en forma gradual, parcial o total de la capacidad auditiva. De hecho con el paso del tiempo, el hombre pierde gradualmente su capacidad para escuchar los sonidos en intensidad y frecuencias variadas, sin embargo, los efectos patológicos de sonidos intensos son fácilmente apreciables en personas expuestas constantemente a ruidos en sus medios laborales, tales como: operadores de maquinaria pesada, músicos etc.

Perturbación del sueñoTodas las personas han experimentado alguna vez la interrupción del sueño producida por sonidos intensos o ruidos. La exposición a fuentes de ruido ocasiona perturbación del sueño. Puede suceder que un ruido nos despierte al momento, que afecte el nivel de profundidad y duración del sueño o provocar dificultad para conciliarlo; éstos efectos pueden producirse de manera instantánea a la generación del ruido o de manera desfasada, es decir, que un individuo expuesto a fuentes de ruido durante el día, puede padecer sus efectos durante la noche. Evidentemente los niveles confortables e intensidad de ruido son mucho más bajos para dormir que los que podemos tolerar durante las horas de vigilia o actividad. La Organización Mundial de la Salud recomienda para dormir un máximo de 35 dBa. (En muchas zonas de la Ciudad de México difícilmente se encuentran niveles inferiores a 55 dBa).

EstrésAlgunos especialistas señalan un alto índice de personas neuróticas (98%) a causa del estrés, sobre todo en los grandes núcleos urbanos. Se ha demostrado que el ruido actúa directamente sobre el sistema nervioso autónomo, tiene efectos sobre el aparato circulatorio y cardiovascular y provoca hipertensión. El estrés puede provocar cefaleas, migrañas y dolores musculares, además de problemas psicológicos tales como ansiedad, irritación, desesperación, impotencia, etc., y problemas de relación social.

Efectos en el rendimientoSe han hecho estudios que demuestran que exposiciones al ruido disminuyen la eficiencia del individuo, reduciendo su concentración en las actividades que realiza. Esto tiene repercusiones en la productividad y seguridad de los trabajadores, ya que muchos de los accidentes laborales se deben a distracciones por causa de ruidos.

72

Problemas psicológicosAlgunos investigadores relacionan el ruido ambiental con la salud mental, y aún cuando no es posible establecer una relación directa, algunas estadísticas realizadas en otros países determinan que un alto índice de casos con problemas mentales presentaban exposición a distintas fuentes de ruido.

Además de los problemas psicológicos que puede provocar el ruido es necesario mencionar que a través de sonidos, es posible producir distintas sensaciones psicológicas sobre el individuo; por ejemplo, a través de un adecuado manejo del sonido (o música en algunos casos), es posible crear ambientes que propicien el relajamiento, tranquilidad, concentración, o en otros casos, dispersión, excitación, etc.

CONFORT OLFATIVO

Se refiere a la percepción a través del sentido del olfato. Aunque éste tipo de confort pocas veces es considerado, es un factor importante que debe ser considerado sobre todo en lugares con índices de contaminación.

El confort olfativo tiene dos vertientes de análisis, la primera referente a la utilización de olores agradables con el fin de producir una cierta sensación psicológica en el individuo. Este punto ha sido tradicionalmente utilizado por la arquitectura del paisaje a través de distintas plantas aromáticas, sin embargo actualmente se está generalizando el uso de productos químicos para eliminar o enmascaras olores desagradables.

Esto último nos conduce a la segunda vertiente, el manejo que se debe dar a los olores desagradables, aspecto directamente relacionado con la contaminación ambiental.

La solución parece obvia, eliminar la fuente contaminante; ya sea cualquier tipo de desechos sólidos, líquidos, químicos, naturales etc.; así como tratar de eliminar cualquier aparato de combustión o productor de gases contaminantes.

Aunque esta solución es obvia, es muy difícil de llevarse a cabo, principalmente en las grandes concentraciones urbanas; pero además de este tipo de macro-contaminación, en el ámbito doméstico se encuentran una gran cantidad de productos y elementos contaminantes de uso cotidiano, tales como estufas, hornos, calentadores, productos químicos de limpieza, insecticidas, solventes, detergentes y jabones, medicamentos, cigarros, etc. que contaminan el interior de los espacios.

Todos estos productos deben ser manejados de manera especial, almacenándolos en lugares adecuados y controlados, además es necesario proveer la ventilación suficiente a todas las habitaciones, principalmente a las que de alguna manera son contaminantes.15

Si bien es cierto que las plantas ayudan a absorber substancias contaminantes y a producir oxígeno, en realidad se les exige demasiado, ya que se olvida que también son organismos vivos que son de igual manera afectados por la contaminación y que no son capaces de procesar tal variedad y cantidad de contaminantes.

15 García, Roberto y Fuentes Freixanet, Víctor. Viento y Arquitectura Editorial Trillas, México D.F. 1995.

73

En ocasiones es posible utilizar filtros selectivos de agua, químicos, electromagnéticos, sintéticos, etc., sin embargo éstos solo son paliativos que no solucionan el verdadero problema.

El confort olfativo se refiere únicamente al manejo de los olores, pero es necesario considerar que a través de la nariz se introducen también muchas substancias y partícula no aromáticas que no son percibidas por el sentido del olfato, pero que sí lo afectan disminuyendo su capacidad perceptiva, perjudicando a todo el sistema respiratorio, alterando la salud y consecuentemente el confort del individuo.

CONFORT PSICOLÓGICO

El confort psicológico se refiere a la percepción global que tiene el cerebro de toda la información sensorial que recibe del medio ambiente; ésta es analizada y procesada en función de la información residente (conocimiento y experiencias), de tal forma que el individuo responderá de una u otra manera, expresando satisfacción o desagrado ante los estímulos ambientales. Evidentemente los aspectos psicológicos están involucrados en todos los medios de percepción descritos anteriormente además de muchos otros factores determinantes del comportamiento humano. Todos ellos interactúan entre sí estableciendo una red sumamente compleja, es por ello que son analizados de manera independiente.

Es curioso como los aspectos psicológicos interactúan con los factores térmicos, lumínicos, acústicos y olfativos; por ejemplo, el disconfort fisiológico térmico y lumínico puede ser compensado a través de los factores visuales involucrados en el diseño de los espacios, tales como el manejo de los colores, texturas, espacios, volúmenes, vacíos, macizos, etc.

Por su parte, el grado de disconfort acústico u olfativo disminuye al perder la ubicación o percepción visual directa de la fuente contaminante; por ejemplo si se coloca una barrera vegetal angosta, pero suficientemente densa para obstruir la vista entre una avenida (contaminante de ruido) y un edificio, es posible que en las personas disminuya la percepción del ruido (Psicológica) a pesar que los niveles de intensidad sonoros disminuyen de manera insignificante. Del mismo modo es disconfort se incremente drásticamente si se percibe visualmente la fuente de contaminación.

Lo anteriormente señalado sirve de introducción a uno de los aspectos más importantes del confort psicológico: el confort visual. A este respecto, quizá los estudios más serios y completos sean los del arquitecto Javier Covarrubias16 quien ha desarrollado metodologías y extensos estudios acerca de la contaminación visual y la complejidad en la arquitectura.

En términos muy generales, estos estudios tratan de cómo percibe el individuo los objetos y espacios que lo rodean, su legibilidad, como se interpretan en función de su complejidad (formal, cromática, de su textura, de su orden, secuencias, proporciones, etc.) en función de la ubicación espacial y del tiempo que tiene el sujeto receptor para leer, percibir y procesar la información que da el objeto en particular o el ambiente en general.

16 Cf. Javier Covarrubias, Complejidad Visual en la Arquitectura, U.A.M. Azcapotzalco, México, 1987.

74

Aunque aparentemente estos aspectos parecen bastante subjetivos, existen parámetros que pueden ser medidos y adecuadamente valorados, para proporcionar resultados cálidos que deban ser aprovechados por el diseño arquitectónico.

El hombre puede estar incómodo pero saludable; por el contrario, si está enfermo, no puede sentirse cómodo. Por ello, el primer paso para obtener el confort es estar saludable. Estar en confort nos aporta grandes beneficios, ya que de esta forma el hombre se puede relacionar adecuadamente con el entorno y con sus semejantes, es más eficiente en todas las actividades que realiza, y por lo tanto, incrementa su productividad, pero lo más importante es que puede desarrollarse en lo personal de manera adecuada.

En estudios realizados a principios de los años 80s, la Organización Mundial de la Salud determinó que el 70 % de las enfermedades de las vías respiratorias se deben a los diseños inapropiados de las edificaciones, y de hecho se señala en forma indirecta, que los arquitectos somos responsables en gran medida de la salud de los ocupantes de nuestras obras.

La arquitectura interviene directamente en la percepción ambiental del individuo. Un espacio mal diseñado puede provocar, además de disconfort, enfermedad y disfunción del organismo; abundan las edificaciones frías, cálidas o extremosas, ruidosas, mal iluminadas, con fuerte contaminación electromagnética, desagradables, etc. Sin embargo, como bien señala Reyner Banham17: “Evidentemente, es demasiado tarde ahora para comenzar a culpar a los arquitectos por el hecho de que exista esta situación, especialmente ya que la culpa corresponde también a la sociedad en su totalidad, por no haber exigido que ellos fueran algo más que los creadores de esculturas, ambientalmente ineficientes, no obstante su hermosura.”

17 Banham, Reyner. La arquitectura del entorno bien climatizado. Ediciones Infinito. Buenos Aires 1975. p.299

75

6ESTRATEGIAS DE DISEÑO BIOCLIMÁTICO VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

El término estrategias se refiere a la definición de las acciones óptimas para la consecución de un fin, basadas en ciertas reglas, principios o directrices que ayuden a tomar las decisiones correctas. En el caso del diseño bioclimático, las estrategias están enfocadas a cumplir los objetivos fundamentales de la arquitectura:

1. Crearespacioshabitablesquecumplanconunafinalidadfuncionalyexpresiva,quepropicieneldesarrollo integraldelhombre.Evidentementeparacumpliresteobjetivo, losespaciosdebensersaludablesyconfortables.

2. Hacerunusoeficientedelaenergíaylosrecursos;Tendiendohacialaautosuficienciadelasedificacionesenlamedidadeloposible.

3. Preservarymejorarelmedioambiente.

Como se puede apreciar, los objetivos generales son muy amplios, por lo que en este documento se abordan únicamente las estrategias de diseño enfocadas a conseguir la climatización natural de los espacios, es decir para lograr condiciones óptimas de confort higro-térmico, y reducir al máximo los consumos de energía convencional para el calentamiento o enfriamiento de las edificaciones.

Las condiciones térmicas de un lugar pueden encontrarse en cualquiera de los siguientes casos:

• por debajo del rango de confort• en la zona de confort• por arriba del rango de confort.

El primer caso es conocido como bajocalentamiento, es decir cuando el ambiente es frío y por lo tanto es necesario ganar energía calorífica. En este caso las estrategias básicas serán: promover la ganancia de calor y evitar al máximo la pérdida del calor ganado o generado en el interior de los locales.

En el segundo caso, las condiciones térmicas son confortables y adecuadas, por lo que se deberá tratar de mantenerlas en ese estado. Las estrategias para conseguirlo dependerán de si la tendencia del comportamiento térmico es ascendente o descendente.

El tercer caso también es llamado como periodo de sobrecalentamiento, es decir que las condiciones ambientales son calurosas. En este caso las estrategias básicas serán las inversas a los periodos fríos, es decir, evitar la ganancia de calor y favorecer las pérdidas.

76

Basándose en los mecanismos de transferencia de calor y considerando al Sol como la principal fuente natural de energía, se obtiene la siguiente tabla1 que sintetiza las estrategias básicas para cada uno de los casos de condiciones térmicas fuera de confort.

CARTA PSICROMÉTRICA Y ESTRATEGIAS DE DISEÑO

La definición apropiada de las estrategias de diseño se logra mediante un adecuado análisis climático y con relación a los requerimientos de confort de los usuarios.

En 1963 los hermanos Olgyay2 presentaron un diagrama de temperatura-humedad llamado carta bioclimática que sirve para mostrar las necesidades de confort de una persona sedentaria, y de hecho en esta carta se presentan ciertas estrategias básicas para conseguir un estado confortable; sin embargo a finales de los años 60´s B. Givoni3 presentó significativas aportaciones, al determinar, dentro de un diagrama psicrométrico, los limites de efectividad de diferentes estrategias de diseño enfocadas a conseguir el confort higro-térmico en las edificaciones.

1 Watson, Donald & Labs, Kenneth. ClimaticDesign. McGraw-Hill Book Co. New York, USA. 19832 Olgyay, Victor. DesignwithClimate. Princeton University Press. Princeton New Jersey, USA. 19633 Givoni, Baruch. Man,ClimateandArchitecture. Applied Science Publishers LTD. London, England 1st. ed. 1969.

77

Los límites para las diferentes estrategias forman zonas, que indican hasta donde el diseño adecuado de las edificaciones puede responder favorablemente ante determinadas condiciones de temperatura y humedad para propiciar un ambiente confortable; por esta razón a este diagrama se le llamó carta bioclimática constructiva o de edificaciones, aunque en la actualidad simplemente se le denomina como diagrama psicrométrico.

Originalmente las zonas para cada una de las estrategias se llamaron:

• zona neutra o de confort• zona de ventilación natural• zona de calentamiento• zona de enfriamiento evaporativo• zona de masa térmica• zona de humidificación• zona de aire acondicionado artificial

Estas zonas relacionadas con los mecanismos de transferencia de calos mencionados anteriormente pueden ser descritas de la siguiente manera4:

ZONA 1 CALENTAMIENTOEn esta zona las estrategias aplicables son: promover el calentamiento solar pasivo y conservar el calor interno, reduciendo el flujo conductivo de calor y evitando las pérdidas de calor debido a fugas o infiltraciones del aire.

Estas estrategias deben utilizarse para cualquier rango de humedad y cuando la temperatura este por debajo de 20 °C. En general, por debajo de 10 °C los sistemas de calentamiento pasivo pierden efectividad por lo que deberán complementarse con sistemas activos o de calentamiento convencional.

ZONA 2 CONFORTEsta zona está definida entre 20 °C TBS y 25.5 °C TE (temperatura efectiva), con una presión de vapor superior a 5 mm Hg y una HR menor al 80%. El control de la ganancia solar es la estrategia aplicable a esta zona (sombreado), pues de no controlarse, el espacio interior puede sobrecalentarse. De hecho para cualquier zona arriba de los 20 °C TBS debe evitarse la ganancia de calor solar.

ZONA 3 VENTILACIÓN NATURALLos límites de efectividad de la ventilación consideran varios factores, primero que la temperatura del aire y la presión de vapor son iguales en el exterior y el interior; Segundo, que la temperatura radiante media interior y la temperatura del aire son similares; tercero, que la velocidad máxima del aire al ventilar es de 1.5 m/s. De esta forma la zona queda limitada entre 20 °C y 32 °C con una HR entre 20 y 80%; presión de vapor arriba de 5 mm Hg y una densidad del aire límite de 1.1277 Kg/m3. Esta zona de ventilación incluye a la zona de confort, dado que esta estrategia deberá utilizarse para controlar posibles sobrecalentamientos ocasionales.

4 Watson, D. & Labs, K. Op. cit.

78

ZONA 4 MASA TÉRMICALos límites propuestos para el control de la temperatura a través de la masa térmica asumen que: la envoltura exterior es lo suficientemente masiva para amortiguar las oscilaciones diarias de temperatura; y que la construcción está cerrada durante el día con el fin de evitar la entrada de calor. Con la segunda suposición se limita la presión de vapor a 17.0 mm Hg, que es la humedad máxima permisible en la cual una persona se siente confortable en ausencia de movimiento de aire. El límite inferior de la zona es de 5 mm Hg; mientras que el límite superior de temperatura se da cuando la densidad del aire es de 1.1325 Kg/m3. El límite inferior de temperatura es de 20 °C TBS incluyendo a la zona de confort.

Como se puede apreciar, el límite superior de la temperatura de bulbo seco es mayor en condiciones áridas debido a dos razones principales:

1. El cuerpo humano se encuentra más confortable a temperaturas más altas con humedades bajas. Tal como se vé en el límite de la zona de confort de 25.5 °C TE. Esto se debe a que el cuerpo, bajo estas condiciones, tiene más facilidad de enfriamiento por evotranspiración.

2. La oscilación de temperatura es mayor en los climas áridos, tendiendo a isotermal en los húmedos. La efectividad de la masa térmica es mayor en condiciones áridas debido a que esta estrategia actúa en la inercia térmica de las construcciones, es decir en el retardo y la amortiguación de la oscilación térmica; por lo tanto las fluctuaciones de temperatura diaria estacional o anual se reducen hacia la temperatura media.

En los climas húmedos las oscilaciones son muy bajas y por lo tanto la efectividad de la masa térmica disminuye considerablemente, además de que se corre el riesgo de alcanzar fácilmente el punto de rocío y con ello consecuentemente se presentarán problemas de condensación de la humedad sobre las superficies y materiales constructivos.

En climas exclusivamente cálidos, la estrategia de la masividad debe acompañarse de la protección solar sobre todos los elementos constructivos, además de utilizar superficies reflejantes (colores claros) para evitar la ganancia de calor solar directo o indirecto. Debe evitarse la ventilación cuando la temperatura del aire sobrepasa los 32 °C, normalmente durante el día, y debe ventilarse lo más posible durante la noche cuando las temperaturas son más bajas, esto siempre y cuando no sean inferiores a los 20 °C.

Cuando se trata de climas extremosos (con tiempo frío y cálido) la masividad sirve para reducir la gran oscilación térmica, pero además la masividad debe utilizarse para almacenar el calor solar diurno y disiparlo hacia el interior durante la noche, aprovechando el retardo térmico de los materiales. Se debe evitar la ventilación en las horas cálidas del día (mayores a 32 °C) como las frías de la noche (menores a 20 °C).

ZONA 5 ENFRIAMIENTO EVAPORATIVOEl proceso de enfriamiento evaporativo consiste en incrementar el contenido de agua del aire a través de la vaporización. En el cambio de fase del agua líquida en vapor se absorbe calor sensible del aire (600 cal/gr) y se transforma en latente, por lo tanto la entalpía del sistema se mantiene constante; en otras palabras la energía total (suma de calor latente y sensible) no se altera.

79

De esta forma, la temperatura de bulbo húmedo también permanece constante, por lo que uno de los límites de esta estrategia es la máxima TBH aceptable en términos de confort, que es de 22 °C, lo cual coincide con el punto más alto de la zona de confort. El límite inferior es de 11 C TBH. Los límites de la temperatura de bulbo seco van desde 20 °C, incluyendo la zona de confort, hasta 40 °C TBS con una presión de vapor comprendida entre 5 y 17 mm Hg.

Estrategias de Diseño en diagrama Psicrométrico (Watson)5

En estudios recientes y basados en los nuevos conceptos de confort adaptativo, Docherty y Szokolay6 han propuesto un método simple para ajustar las zonas de estrategias de la carta psicrométrica de acuerdo a las condiciones climáticas específicas de cada lugar, es decir a partir de la temperatura neutra particular; de esta forma se recomienda consultar esta bibliografía para obtener un diagrama psicrométrico más preciso.

5 Watson, D. & Labs,K. Op. cit.6 Docherty, Michael & Szokolay, Steven. ClimateAnalysis. PLEA - The University of Queensland Printery, Australia, 1999

80

ESTRATEGIAS DE DISEÑO

ZONA 1Estrategias: calentamiento reducir flujo conductivo restringir ventilación

Calentamiento:El calentamiento a través de la energía solar puede darse de tres formas:

a. Directa. Es decir, cuando los rayos solares penetran directamente al espacio arquitectónico a través

de cualquier tipo de acristalamiento. En este caso el calentamiento es prácticamente instantáneo, ya que la radiación solar cambia de forma de energía (radiante-térmica) dentro de la habitación.

b. Indirecta. Cuando los rayos solares inciden sobre cualquier elemento arquitectónico opaco (muros,

losas, etc.), una parte de la energía es absorbida y otra reflejada, dependiendo de las características de absortancia y reflectancia de las superficies. El calor ganado se conduce a través del material y es emitido hacia el interior a través de los tres mecanismos de transferencia de calor. Este tipo de ganancia está diferida en el tiempo dependiendo de las características de inercia térmica de los materiales constructivos.

c. Aislada. Cuando se cuenta con algún dispositivo de captación solar aislado de la construcción, y

el calor generado se conduce a través de ductos con algún fluido (agua, aceite, aire) hacia los espacios interiores. Generalmente estos dispositivos cuentan con sistemas de almacenamiento térmico que permiten aprovechar el calor ganado tiempo después de la captación (ganancia diferida).

81

Carta Bioclimática de acuerdo a Szokolay7

7 Szokolay, Steven. PassiveandLowEnergyDesignforThermalandVisualComfort. PLEA-84 Proceedings of the third Inter-national PLEA Conference, Mexico, City. Pergamon Press. New York, USA. 1984. (Revised bioclimatic chart, with sliding temperature scales. (based on Olgyay 1963 and Arens et al 1980).

82

Diagrama Psicrométrico desarrollado con el método propuesto por Docherty & Szokolay8

8 Docherty, M. & Szokolay, S. Op. cit.

83

7VENTILACIÓN NATURAL VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

El concepto arquitectónico esta íntimamente relacionado con los parámetros ambientales y al uso que se hace de ellos. El viento es uno de los parámetros ambientales más importantes a manejar en la arquitectura, ya sea para captarlo, para evitarlo o controlarlo. El viento es un elemento de climatización pasiva que ha sido utilizado de manera muy importante en la arquitectura de todos los tiempos y en todo lugar.

La ventilación es la principal estrategia de climatización en los climas cálidos, tanto secos como húmedos. Pero también en los climas fríos lo es, ya que es necesario protegerse del viento, y controlar las infiltraciones. Por otro lado, en los climas templados habrá épocas con necesidades de ventilación y otras de control.

Para lograr una adecuada ventilación en la arquitectura es necesario comprender como se comporta el viento y de que manera pueden aprovecharse los patrones que sigue en su recorrido a través de las edificaciones. De esta manera, a continuación se presentan los principios básicos de ventilación, empezando por una descripción del comportamiento general (planetario) y local (regional) del viento. El objetivo principal es mostrar el comportamiento del viento en relación con la arquitectura y como éste puede ser utilizado como sistema pasivo de climatización natural.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Vientos GeneralesEl viento es una forma de energía solar. El viento es aire en movimiento generado por las diferencias de temperatura y presión atmosférica que son causadas por un calentamiento no uniforme de la superficie terrestre, ya que mientras el sol calienta el aire, agua y tierra de un lado de la tierra, el otro lado es enfriado por la radiación nocturna hacia el espacio.

Este desigual calentamiento de la atmósfera origina movimientos compensatorios que tienden a reducir la diferencia horizontal de temperatura y por lo tanto, las diferencias de densidad y presión.Suponiendo un caso hipotético donde la superficie de la tierra fuera uniforme, que la tierra no rotara y que el calentamiento alrededor del ecuador también fuera uniforme, el aire calentado en el ecuador subiría hasta cerca de la tropopausa a un nivel de la misma densidad del aire y se desplazaría hacia el norte y sur moviéndose hacia los polos, en las regiones polares se enfriaría, descendería y empezaría a moverse superficialmente de regreso al ecuador.

84

En este caso hipotético la transferencia de calor tendría lugar por una simple CIRCULACIÓN CONVECTIVA, y en la superficie de la tierra habría permanentemente zonas de baja presión alrededor del ecuador y zonas de alta presión en cada polo. Pero como la Tierra sí rota y el Sol es la única fuente de energía, este simple patrón convectivo no puede existir.

Los patrones reales de circulación son resultado de un desigual calentamiento combinado con el efecto de rotación de la tierra. En el movimiento del aire, la velocidad y dirección están gobernadas por una combinación de cuatro fuerzas básicas:

1. FUERZA GRADIENTE DE PRESIÓN. El aire siempre se mueve de una presión alta hacia una presión baja.

2. FUERZA CORIOLIS. La dirección del viento sufre una deflexión debido a la rotación de la tierra: (Ley de Farrel): Cualquier objeto o fluido moviéndose libre y horizontalmente en el hemisferio norte tiende a ser desviado a la derecha de su patrón de movimiento, mientras que en el hemisferio sur, la deflexión será hacia la izquierda; este efecto es ausente en el ecuador y se incrementa en los polos.

3. FUERZA CENTRIFUGA. El aire se mueve en un patrón curvo. En el hemisferio norte, la dirección del flujo es en sentido de las manecillas del reloj en las zonas de alta presión (anticiclón) y en sentido inverso en las zonas de baja presión (ciclón).

4. FUERZA DE FRICCIÓN. La velocidad (y dirección) del viento se ve alterada cerca de la superficie de la tierra, dependiendo del grado de rugosidad superficial.

Debido a la acción de estas cuatro fuerzas, el patrón general del viento, a escala global, es el que se muestra en la (fig. 1). El aire calentado en el ecuador sube y se desplaza hacia el polo norte bajando aproximadamente en la latitud 30° N y regresa hacia el ecuador con una dirección NE debido al efecto Coriolis, comúnmente estos vientos son denominados “vientos alisios”. (Nota: convencionalmente la dirección del viento señala de donde viene y no hacia donde va) Entre la latitud 30° N y 55° N se presentan los “vientos del oeste” mientras que los “vientos polares” son de dirección NE.

Fig. 1 Patron general del viento

85

1.2 Vientos Locales.Los vientos de gran escala generalmente dominan; sin embargo, ellos pueden ser alterados o modificados por los vientos locales o convectivos. Los principales vientos convectivos son: los vientos de valle, los vientos de ladera, y las brisas de mar-tierra. El fenómeno de estos últimos, que son los más característicos y notorios, es el siguiente: Un océano será calentado más lentamente que la tierra adyacente debido a que el agua tiene una gran capacidad calorífica; asimismo el océano se enfriará más lentamente que la tierra.

Estas diferencias de calentamiento y enfriamiento traerán como consecuencia grandes movimientos de aire. Durante el día, la tierra calentada provocará una corriente ascendente en el aire, el cual será reemplazado por la brisa de aire fresco del mar. Durante la noche, la tierra se enfría más rápido que el agua, lo que origina que el flujo de las corrientes de aire se invierta, circulando el aire de la tierra hacia el mar. (fig. 2).

Otro ejemplo de modificación de corrientes generales de aire por condiciones locales se da en el ámbito urbano, en donde se presentan más complicaciones de dirección y velocidad en los movimientos de aire, originadas por factores tales como morfología, tamaño y textura de las superficies, orientación y materiales expuestos a la radiación solar, actividad y densidad de edificios y personas e incluso los niveles de contaminación, ya que puede producirse el efecto de domo térmico causado por el sobrecalentamiento del aire debido a las partículas en suspensión, originando cambios importantes en los patrones del flujo de aire.

1.3 Turbulencia.Para analizar los vientos locales es necesario saber que el grado de rugosidad y morfología del terreno, además de reducir la velocidad, también puede cambiar la dirección del flujo de aire canalizándolo o desviándolo a través de sus depresiones o salientes, además de producir turbulencia.

La turbulencia puede ser de dos tipos: turbulencia térmica, asociada con la inestabilidad y actividad convectiva y la turbulencia mecánica que esta determinada por la rugosidad y forma de la superficie u objeto que interfiere con el flujo de aire. El tamaño y tipo de la turbulencia dependen básicamente de la forma y tamaño del obstáculo y prácticamente no se ve afectada por la velocidad del viento; por ejemplo, en una casa con techo a dos aguas, la turbulencia, en el lado de sotavento, tendrá una

Fig. 2a Viento de brisa Fig. 2b Viento de terral

86

longitud de acción aproximadamente de 5 veces la altura de la casa, mientras que una casa con techo plano causará una turbulencia entre 7 y 10 veces su altura.

1.4 Necesidad de Aire.El primer requerimiento en términos de necesidad humana y de vida de plantas y animales es el adecuado abastecimiento de oxígeno a través de “aire fresco”.

La cantidad de aire requerida por una persona dependerá básicamente del tipo de actividad que esté desarrollando y de la calidad del aire disponible. Un aire puro contiene aproximadamente una proporción de 0.03% de CO2, pero en zonas urbanas esta concentración puede elevarse hasta 0.07 o 0.1% Los efectos nocivos se empezarán a presentar al rebasar esta última cifra. Considerando que un adulto en reposo emite aproximadamente 0.015 m3/h de CO2 tendremos que una persona requerirá 30 m3/h de aire puro, pero esta cifra se puede elevar hasta 50 m3/h si el aire es de tipo urbano.

1.5 Confort.Si bien es cierto que la renovación de aire es de vital importancia, en términos de confort los cambios de aire nos ayudan poco. El confort se logra cuando el flujo de aire pega sobre el cuerpo (piel) de los usuarios.

El análisis y manejo apropiado de las formas espaciales y aberturas de un edificio pueden controlar favorablemente los flujos externos de aire así como la ventilación interior inducida (sobre la zona habitable)

2. VIENTO Y ARQUITECTURA

2.1 Comportamiento del viento alrededor de una construcción.

Fig. 3 Comportamiento del viento

87

Cuando el viento pega contra un edificio se crea una zona de presión alta en la cara frontal, en viento rodea al edificio y crea zonas de baja presión en las caras laterales y en la cara posterior. (fig. 3) Naturalmente el aire tiende a entrar al edificio por las zonas de alta presión y a salir por las zonas de baja presión.

2.2 Comportamiento del viento dentro del edificio

1. La localización y tipo de abertura de entrada determina el patrón del flujo de aire a través de un edificio.

Al tener una abertura localizada al centro de un muro, tendremos igual presión a ambos lados de dicha abertura, por lo que el viento entrará de frente a la habitación. Si la abertura no está al centro, la presión a ambos lados del muro será desigual, lo que originará que el flujo de entrada sea diagonal con el sentido que provoca la zona de mayor presión. (fig. 4)

Todas las variaciones en los patrones del flujo de aire son causadas por la desigual presión alrededor de las aberturas de entrada, como un resultado de su localización con respecto a la superficie de muro sólido que las rodea.

El tipo de abertura también es muy importante, existen muchos tipos de ventanas en el mercado que al usarse en aberturas de entrada nos dan una gran variedad de patrones de flujo de aire. Debemos conocer las ventajas y limitaciones de los diferentes tipos de ventanas para poder emplearlos inteligentemente en cada caso particular. Por ejemplo, es necesario considerar que una tela mosquitero de nylon reduce la velocidad del viento hasta en un 30%.

2. La localización y tipo de abertura de salida tienen poca influencia en los patrones internos del flujo de aire, sin embargo entre más cambios de dirección (en el interior) sufra el aire, más se reducirá su velocidad.

Fig. 4 Resultado de presiones

88

3. Relación entrada-salida.Cuando la abertura de entrada es más pequeña que la abertura de salida se incrementa la velocidad del flujo interno.

La cantidad de aire que pasa por una abertura de una habitación, depende directamente del área de abertura, la velocidad del viento, la dirección del viento con respecto al plano de la abertura, y la relación que existe entre el área de la abertura de entrada y el área de la abertura de salida de la habitación.

Q = r v A sen qdonde:Q = Tasa de ventilación o cantidad de aire (m3/s)r = relación entre abertura de entrada y salida (r = 0.60 x fr (factor de relación de aberturas))v = velocidad del viento (m/s)A = área de la abertura de entrada (m2)q = ángulo que forma la dirección del viento y el plano de la abertura

RELACIÓN DE VENTANA (fr)1

Área de salida / área de entrada fr _________________________________________________________ 5:1 5 1.38 4:1 4 1.37 3:1 3 1.33 2:1 2 1.26 1:1 1 1.00 3:4 0.75 0.84 1:2 0.50 0.63 1:4 0.25 0.34 _________________________________________________________

De acuerdo con el autor, el factor de relación de aberturas (fr) se puede obtener a través de la siguiente ecuación:

fr = (Rv / (1 + Rv2)0.5) / seno 45°

donde: fr = Factor de relación de aberturas Rv = As / Ae (Relación entre la ventana de salida y la de entrada)As = Área de la abertura de salida de aire (m2)Ae = Área de la abertura de entrada de aire (m2)

Por lo que la relación de aberturas será:

r = 0.6 ((Rv / (1 + Rv2)0.5) / seno 45°)

1 Basdo en: Olgyay, Victor. Design with Climate. Princeton University Press. Princeton, New Jersey, USA. 1963.

89

El flujo de aire que pasa a través de una habitación o un edificio también se puede establecer en función de las diferencias de presión en los entre el lado de barlovento y sotavento de la construcción. La presión del viento en barlovento se puede estimar mediante :

pw = 0.612 v2

donde:pw = Presión (Pa)v = Velocidad del viento (m/s)

En el lado de barlovento del edificio se pueden presentar presiones entre 0.5 y 1 pw (la presión máxima, 1 pw, se presenta generalmente a 2/3 de la altura), mientras que en sotavento, la presión negativa estará entre -0.3 y -0.4 pw; ambas dependiendo del punto de ubicación en la fachada, de la dirección de viento y de los efectos aerodinámicos particulares de la edificación debidos a su forma. La tasa de ventilación se estima de la siguiente manera:

Q = 0.827 A (Dp)0.5

donde:Q = Tasa de ventilación o cantidad de aire (m/s)A = Área de la abertura de ventilación (entrada) (m2)Dp = Diferencia de presiones entre las dos aberturas de ventilación cruzada (Pa)

4. Divisiones dentro de la habitación.El flujo de aire pierde gran parte de su energía cinética cada vez que es desviado alrededor o sobre un obstáculo. Varios recodos en ángulo recto tales como paredes o muebles dentro de una habitación pueden detener una corriente de aire de baja velocidad. Por ello debemos evitar poner muros que obstaculicen nuestro flujo d aire y procurar ponerlos en el sentido que lleva el viento.

5. Orientación de la ventana con respecto al viento.Se genera la máxima presión del viento a barlovento de un edificio cuando la facha es normal (perpendicular) a la dirección del viento. Un viento que incide a 45° reducirá la presión en un 50%. Parece evidente que se consiga la mayor velocidad del aire en el interior si el viento entra en forma perpendicular a la fachada; sin embargo, B. Givoni encontró que si el viento incide a 45° aumentará la velocidad media del aire interior. Esto se puede explicar si sabemos que cuando un edificio se encuentra a 45° se crea una mayor velocidad a lo largo de las fachadas de barlovento. Por consiguiente la “sombra” del viento será más ancha, la presión negativa (efecto de succión) aumenta y el flujo del aire interior se ve incrementado.

2.3 Flujo de aire alrededor de los edificiosEn un arreglo de unidades paralelas, el viento tiende a “brincar” sobre los edificios. Los edificios planeados en fila provocan una “sombra” de viento sobre las subsecuentes unidades, la cual es reforzada por la tendencia del viento a canalizarse a través de los espacios libres, sin pasar por las unidades posteriores.

Un arreglo de unidades escalonadas (damero) tiene la ventaja de que habrá fuertes patrones de viento desde las construcciones directas al flujo, hacia las subsecuentes unidades, por lo que el esquema de corrientes es mucho más uniforme, quedando casi eliminadas las zonas de aire estancado (fig. 5)

90

Sombra de viento o zona de turbulencia2.Cuando el viento incide perpendicularmente sobre la cara de barlovento de un edificio de altura H, largo W, y ancho L, define un patrón del viento particular basado en las relaciones de la dimensión R :

R = BS 0.67 * BL 0.33

donde:BS = dimensión menor entre H y WBL = dimensión mayor entre H y Wcuando BL > 8 BS, BL = 8 BS

Las sombras de viento o de turbulencia quedan definidas de acuerdo a:

Hc = 0.22 RXc = 0.50 RLc = 0.90 RLr = 1.00 R

La primera zona de turbulencia en la techumbre (Z1) queda definida por Hc y Lc. La segunda zona de alta turbulencia (Z2) se define a partir de Hc con una relación 1:10 (5.7°)

La tercera zona (Z3), de turbulencia generada por el edificio queda definida por:

Z3 / R = 0.28 (X/R) 0.33

donde: X es la distancia a partir del vértice del edificio donde se forma la turbulencia.

La capa límite de falta de afectación se da aproximadamente a 1.5 R, dependiendo de la pendiente de la techumbre.

,2 ASHRAE Handbook 1993. Fundamentals. American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, USA. 1993. Airflow Around Buildings Chapter 14

Fig.5 Disposición de edificios en forma de damero

91

2.4 Efecto de la vegetación en los vientos localesLa vegetación forma parte de la rugosidad y, por lo tanto, de la fricción superficial, la cual determina el flujo del viento cerca de la superficie.

Particularmente grandes áreas arboladas pueden tener un marcado efecto en el flujo del viento. Mediciones hechas en verano en densas áreas forestadas indican que 30 metros dentro de la arboleda la velocidad del viento puede ser reducida en un 20 a 40%; a 60 metros puede ser reducida en un 50% y a 120 metros puede reducirse hasta en un 93%. Desde luego hay muchas variables que intervienen, como son tipo y especie de árboles y matorrales que encontremos como barrera, densidad de los mismos, velocidad del viento, etc. Por ejemplo, en vientos de velocidades bajas, la forestación puede tener sólo pequeños efectos en la velocidad del viento; un viento a 1.8 m/s en un lugar abierto puede bajar su velocidad a 1.1 m/s al entrar a una zona boscosa a la misma altura. Pero un viento de gran velocidad en lugar abierto será detenido por la forestación en una mayor proporción; un viento de 8.9 m/s puede reducirse a 1.8 o 2.2 m/s.

2.5 Efecto de la vegetación en los edificiosTodos los elementos circundantes a un edificio, como los vegetales, definitivamente tienen un efecto en los patrones del flujo de aire y en la velocidad del viento.

A través del diseño de elementos vegetales, como plantas, árboles, arbustos, setos, etc., incluyendo cercas y bardas, podemos crear zonas alta o de baja presión alrededor de una casa y con respecto a sus aberturas podemos provocar corrientes de aire dentro del edificio. Este criterio es muy útil sobre todo en casas ya construidas que tienen una orientación desfavorable con respecto a los vientos locales predominantes.

Durante el período de sobrecalentamiento debemos diseñar la vegetación a fin de inducir el flujo de aire al interior del edificio, y principalmente sobre la zona habitable, creando movimientos directos y acelerados. Durante el período de bajo calentamiento podemos utilizar la vegetación como barrera contra el viento frío.

Fig.6 Distintas sombras de viento

92

Los patrones del flujo de aire pueden variar considerablemente con el solo hecho de acercar o alejar un arbusto o un árbol de la abertura de entrada. La combinación de arbustos y árboles nos darán todavía más patrones de viento de los cuales podemos sacar ventaja para nuestros proyectos arquitectónicos y por lo tanto, esto se traducirá en términos del confort para los usuarios.

2.6 La Vegetación

La vegetación tiene otras muchas funciones además de canalizar, desviar y disminuir la velocidad del viento. La vegetación tiene la función vital de regeneración de oxígeno ya que durante el día, gracias a la acción clorofílica y de fotosíntesis, el gas carbónico se absorbe y el oxígeno se desprende.Otra función de los vegetales es la humidificación del aire, ya que la vegetación despide vapor de agua a través de su follaje debido a la transpiración fisiológica. Este aumento de humedad en el ambiente traerá consecuentemente una disminución sensible de temperatura.

También podemos utilizar la vegetación como elemento “vivo” de control solar, obstruyendo la radiación en verano y dejándola pasar en invierno.

Podemos utilizarla también como filtro acústico y lumínico ya que a través de la vegetación podemos amortiguar ruidos y controlar la reflectividad evitando deslumbramientos.

Otra función importante, sobre todo en zonas urbanas, es el efecto de fijación de motas de polvo.

Por todo lo anterior podemos darnos cuenta que la vegetación en la arquitectura solar bioclimática desempeña un papel fundamental.

3. VIENTO INDESEABLE.

Dentro del diseño solar bioclimático, el análisis y manejo del aire y del viento es sumamente importante ya que en un clima frío, por ejemplo. El viento puede llegar a ser indeseable, mientras que en un clima tropical, cálido-húmedo, lo más seguro es que sea la principal estrategia de diseño.

Un viento puede ser indeseable:

• Cuando es muy frío (temperatura del aire inferior a la zona de confort.)• Cuando es muy cálido (generalmente cuando la temperatura del aire es superior a 35 °C.)• Cuando esta contaminado (de polvo, smog, olores, CO2, etc.)• Cuando es superior a 1.5 m/s (en términos funcionales de confort)• Y desde luego cuando se presenta bajo condiciones especiales como: tornados, ciclones o

huracanes (arriba de 20 m/s)

Los parámetros de estudio deben contemplar la velocidad, dirección, frecuencia y turbulencia a escala local y particular.

El uso de la vegetación en el diseño bioclimático es sumamente importante, desde el punto de vista mecánico en su relación con el viento, desde el punto de vista biotérmico y también sensorial.

93

CASOS DE ESTUDIO A través de los siguientes casos de estudio se pretende mostrar la importancia que tiene la ventilación como estrategia de climatización natural; y como se ha utilizado en casos concretos en diferentes épocas y diferentes partes del mundo con condiciones climáticas diversas, enfatizando las soluciones que se están dando en la arquitectura bioclimática contemporánea. El objetivo principal es resaltar como el concepto arquitectónico, en todas sus vertientes, está íntimamente relacionado con el medio ambiente. De tal forma que se presentan elementos tipológicos claros en función de las variables ambientales que se manejan en algunos proyectos. De esta forma se pretende dar un acercamiento a las nuevas formas de entender la arquitectura, a los nuevos materiales, sistemas y dispositivos de climatización natural que caracterizan esta arquitectura que aplica el viento como concepto de diseño. A través de estos ejemplos se podrán conocer nuevos criterios con el fin de lograr edificaciones confortables, que hagan un uso eficiente de la energía y los recursos naturales.

Arquitectura vernáculaEstudiando la arquitectura vernácula encontramos como el hombre ha encontrado formas ingeniosas para manejar el viento. Por ejemplo, en los climas cálidos y secos, donde es necesario captar el viento y enfriarlo naturalmente antes de introducirlo a las edificaciones, el hombre diseñó torres eólicas o bagdirs. En todo Medio Oriente, encontramos una gran variedad de torres: de inyección o succión, unidireccionales o multi-direccionales, aisladas o adosadas al edificio, con ducto enterrado o sin él, con humidificación o sin ella, etc. Sin embargo, en todas sus variantes, el principio utilizado es el mismo. Se aprovechan las fuerzas y presiones del viento para dirigirlo de manera controlada al interior del edificio.

Desde luego el concepto de torre eólica funciona de manera integral con el diseño del edificio. En este tipo de arquitectura los principales esquemas de diseño son la masividad de la construcción y el patio central, el cual puede ser abierto o cerrado por medio de una bóveda, la cual, casi siempre cuenta con abertura en su ápice. El patio crea un microclima interior, basado de manera importante en las corrientes de aire provenientes de la torre eólica. Las cubiertas abovedadas, provocan una disminución de presión al paso del viento, generando una fuerza de succión que extrae el aire caliente del interior del edificio y que favorece a las corrientes de aire de la torre eólica, estableciéndose un flujo convectivo constante. A través de este sencillo sistema se alcanzan disminuciones de temperatura de hasta 20 °C con respecto de la temperatura exterior.

Por otro lado, en los climas cálidos húmedos es necesario aprovechar al máximo la ventilación, En estos climas el viento no es tan caluroso, por lo que se puede introducir de manera directa sin necesidad de pre-enfriarlo. De esta manera, la vivienda es totalmente permeable al viento. La ventilación se logra a través de todos los elementos constructivos: por debajo del piso, por los muros y por la cubierta. A diferencia de los climas cálidos secos donde las edificaciones son masivas para aprovechar la inercia térmica, en los climas cálidos húmedos se utilizan generalmente materiales naturales aislantes.

Por el contrario, en los climas fríos es indispensable evitar al máximo la ventilación. Se debe lograr el aislamiento y la protección. El iglú es un buen ejemplo del control del viento, éste se logra con

94

cambios de nivel y cámaras esclusas. La misma forma semiesférica ayuda a conseguir este control. La esfera es el cuerpo geométrico que ofrece un mayor volumen con la menor superficie, de tal forma que el espacio se aprovecha al máximo, con una exposición mínima al ambiente circundante adverso. Al mismo tiempo se utiliza un sistema constructivo sencillo que utiliza el único material disponible. Los bloques de hielo funcionan como un excelente aislamiento, el cual es reforzado en ocasiones con pieles animales. fig.7

En este tipo de arquitectura extrema se logra aumentar la temperatura interior hasta en 30 ºC con respecto a la exterior, a pesar de las bajas temperaturas y fuertes vientos; lo que la ubica en una de las soluciones arquitectónicas-energéticas más eficientes.

Arquitectura ContemporáneaUn ejemplo significativo a finales de los años 50’s es el edificio de Reidy, el pabellón de laguna Rodrogo de Freitas en Río de Janeiro. Se trata de un edificio tipo palafito con muros celosía para permitir el máximo flujo de viento en el interior y con máximo control solar. Sin embargo lo más interesante del concepto utilizado es la utilización de una doble cubierta (techo escudo), que permite un excelente control de la radiación solar, aunado a la disipación de calor por medio de la ventilación cruzada. Este concepto de doble cubierta es una estrategia de climatización muy utilizada hoy en día.

El Edificio “Torre Turbina” de Richard Rogers es un buen ejemplo de la estrategia de torre eólica aplicada en un edificio contemporáneo. Se trata de un edificio en la ciudad de Tokio que cuenta con un sistema de torres eólicas de captación y extracción. El viento se capta por medio de una torre inferior y es canalizado hacia unos intercambiadores de calor en cisternas de agua fría. El aire, una vez climatizado, se introduce a los locales del edificio a través de los distintos entrepisos. El aire caliente del interior es canalizado a una gran torre de succión, que aprovecha el efecto stack (efecto de tiro), el cuál es incrementado por captadores solares en lo alto de la torre.

Por el contrario que las mezquitas islámicas tradicionales de clima cálido seco, en la Mezquita del Sultán Abdul Aziz Shah de Kuala Lumpur se utiliza la ventilación natural cruzada. El edificio se abre

Fig.7 esquema de un iglú y sus tempeaturas

95

al viento a través de sus bellas celosías, las cuales, al mismo tiempo proporcionan protección solar. El clima caluroso húmedo de Malasia permite una solución abierta de sus edificaciones en donde la ventilación cruzada se convierte en la principal estrategia de diseño bioclimático.

Como ejemplo de un clima cálido húmedo tenemos uno de los edificios de Renzo Piano, la distintiva forma del Centro Cultural de Nueva Caledonia, en Noumea fue generada por la necesidad de maximizar la ventilación en este tipo de clima. El edificio se encuentra ubicado en una colina boscosa a la orilla de un lago. El concepto de diseño permite la canalización del aire fresco de la parte baja y arbolada del terreno. Por estratificación térmica el aire sube y sale por las torres de extracción que se ubican en la parte más elevada del edificio y del terreno. El edificio cuenta también con patios interiores abiertos. El edificio cuenta con muchos muros de celosía que permiten una alta permeabilidad al viento. El diseño de las torres es versátil ante las condiciones de los vientos locales y del flujo de aire del edificio. Conjuntamente con el manejo de los materiales y el diseño total del edificio, se permite el paso constante del aire.

Otro ejemplo de edificios que utilizan torres eólicas como estrategia de ventilación es el edificio de la escuela de ingeniería y manufactura «Edificio de la Reina» de la Universidad de Monfort en Gran Bretaña, del arquitecto Ford y asociados. Este edificio cuenta con talleres y maquinaria que producen grandes cantidades de calor. La climatización se logra casi totalmente de manera natural a través de ventilación cruzada y por efecto stack, aprovechando torres eólicas de extracción y extractores convectivos en los ápices de las cubiertas, mientras que el aire fresco es introducido por las partes bajas del edificio. De esta forma se consiguen condiciones adecuadas de confort en el interior de los talleres.

El edificio de la Sede de la compañía de telecomunicaciones «Iónica» en Cambridge utiliza de manera importante la ventilación natural, además de masa térmica, iluminación natural, enfriamiento nocturno y otros sistemas y dispositivos controlados por computadora. La ventilación natural se logra por el efecto stack formado en un atrio central e incrementado por captadores solares dispuestos en la parte mas elevada del edificio, formando parte de los extractores eólicos. Los calentadores solares incrementan la diferencia térmica entre el aire fresco que entra y el aire caliente que es extraído, de tal manera que el efecto stack se intensifica creando una corriente de aire constante durante el día.

Un buen ejemplo de manejo de la ventilación a través del diseño arquitectónico es el edificio del Parque de Ciencia y Tecnología en Gelsenkirchen, Alemania, del arquitecto Kiessier and Partner. Este edificio presenta una fachada acristalada inclinada orientada hacia el poniente. La fachada es deslizable con un atrio a triple altura para obtener la estratificación térmica y efecto stack. Durante el invierno la fachada permanece cerrada para propiciar el calentamiento de los espacios interiores. Durante el verano la fachada se abre tanto en su parte inferior como superior para permitir la circulación del aire. La abertura inferior de la fachada es controlada a voluntad para permitir mayor o menor flujo de aire. El sistema es apoyado por calentadores solares de aire que permiten un mayor calentamiento en el invierno.

El Pabellón Bioclimático de la Expo Sevilla 92 es un excelente ejemplo para mostrar las posibilidades de climatización natural en espacios abiertos y semi abiertos. En este caso, el espacio semi abierto climatizado naturalmente aprovecha el efecto stack y el flujo de aire fresco de zonas jardinadas. El efecto se logra por medio del diseño de la cubierta (lonaria) La misma forma canaliza al viento

96

forzándolo a circular desde las áreas jardinadas hacia el interior. El sistema es complementado con microaspersores para incrementar la humedad y ionizadores. A pesar de ser un espacio semi-abierto se consiguen disminuciones de temperaturas cercanas a los 10 grados centígrados.

Edificios con doble fachada ventiladaLa nueva sede del Banco de Comercio de Frankfurt de Sir Norman Foster es el primero de una nueva generación de edificios (rascacielos) que no dependen de la climatización artificial para proveer confort a los ocupantes. Hasta ahora los edificios altos y rascacielos, dependían del aire acondicionado para su climatización. Esto se debía por varias razones, pero una de ellas es que a grandes alturas es difícil controlar al viento para introducirlo al interior de los espacios.

El concepto básico del diseño de Foster, es el de lograr la ventilación natural a través de ventanas operables y un atrio central que disipa el aire caliente por estratificación o efecto stack. Este edificio aprovecha una doble fachada acristalada, la cual forma una cavidad ventilada que permite controlar el viento a grandes alturas. Las fachadas acristaladas utilizan materiales de control térmico de baja conductividad, Son vidrios especiales que ofrecen una buena transmitanicia de la luz natural y evitan el paso del calor; por lo que la fachada funciona adecuadamente tanto en verano como en invierno. El control del viento se logra por medio de un ingenioso diseño de la manguetería de la fachada. La cavidad también cuenta con micropersianas para el control solar y lumínico. La fachada interior cuenta con ventanas operables que permiten introducir el aire controlado de la cavidad.

Este sistema de fachada esta acompañado por el esquema de patio central. El edificio de 60 pisos tiene una planta de forma triangular con un enorme espacio central que sirve como tiro para extraer el aire caliente del interior. . El efecto stack provoca una corriente ascendente que crea una circulación constante de aire.

De manera alternada, en cada una de las fachadas, y cada ocho niveles se cuenta con un área jardinada con una altura de cuatro niveles. Este espacio permite que desde el interior, sea cual sea la ubicación de los ocupantes, ellos siempre vean un área verde. Desde el punto de vista de diseño esto es muy importante ya que los espacios se abren visualmente y se amabilizan, pero también estos espacios jardinados ayudan al esquema global de ventilación natural, ya sea para la extracción o introducción de aire, además de la aportación de oxígeno que generan de las plantas.

El edificio ARAG, de Norman Foster, también emplea el mismo sistema de control. Igualmente el edificio RWE en Essen, Alemania, del Arquitecto Ingenhoven Overdiek utiliza el mismo principio de cavidad ventilada para introducir ventilación natural al interior de los espacios, aunque el diseño varía ligeramente del de Foster, éste también utiliza micropersianas para el control solar y de iluminación natural. La cavidad entre las dos fachadas acristaladas es de 50 cm. A este tipo de sistema se le ha llamado: fachada climática.

El diseño del edificio de Sistemas Futuros para un Edificio Verde, proyecto del arquitecto McCarthy también juega con la idea de una segunda “piel”, o cavidad ventilada, además del concepto de atrio central de gran altura. En este caso se trata de un edificio elevado sobre el nivel del piso, tipo palafito. En el centro del edificio se tiene un área jardinada en el patio central, este espacio funciona como atrio de ventilación. El viento entra por la parte baja del edificio pasando a través de los jardines y por lo tanto refrescándose, el aire es extraído en la parte más elevada del edificio. Además de la

97

doble fachada ventilada, otro esquema que se está utilizando es el de aprovechar la estratificación térmica natural del aire y extraerlo en la parte alta de la cubierta. En este caso las cubiertas son inclinadas o de bóveda de cañón corrido para favorecer la salida del aire.

Otro caso es el Liceo Polivalente Frejus en Francia, proyecto de N. Foster. El edificio utiliza la ventilación cruzada y el efecto stack. El esquema se basa en un atrio central donde se produce la estratificación térmica del aire, el cual es sacado por aberturas localizadas en la parte superior de la cubierta.

De manera similar funciona el Centro de Convenciones y Exposiciones de Linz, Austria del arquitecto Thomas Hersog. El edificio cuenta con una cubierta totalmente acristalada, la cual consiste en un elemento de doble cristal con micro-prismas o micro-persianas en su interior. Los micro prismas se pueden usar para reflejar o redireccionar la luz solar directa y sólo permitir el paso de la luz difusa. Esta tecnología de primera generación ha progresado suficientemente para permitir producir materia extruído de placas microprismáticas de bajo costo, las cuales se pueden usar tanto horizontal como verticalmente. Aunque el principal concepto de diseño de este edificio se basa en la utilización de la iluminación natural, el edificio cuenta con los principios elementales de la extracción por estratificación térmica en la parte superior de la cubierta. La entrada de aire se da de manera controlada por aberturas de inyección en el piso.

CONCLUSIONES

A través de este texto se han presentado ejemplos de arquitectura contemporánea que utiliza la ventilación natural como principal estrategia de diseño. Los conceptos que en ellos se aplican son prácticamente los mismos que se han utilizado en la arquitectura popular y vernácula a través de la historia.

Vemos como muchos de los edificios actuales están utilizando torres eólicas, tanto de inyección como de extracción. Este es un principio alta mente probado en la arquitectura de Medio Oriente que esta siendo retomado por la arquitectura contemporánea mundial.

El esquema de patio central como atrio de ventilación también es retomado en muchos proyectos, ya que es un elemento arquitectónico importantísimo de control microclimático.

Elevar el edificio del nivel del suelo, tipo «palafito» es una estrategia que favorece la climatización pasiva y la ventilación natural principalmente en climas cálidos húmedos.Una de las principales estrategias que se están empleando hoy en día es la utilización de doble envolvente constructiva. Ésta puede ser en la cubierta, tipo «techo escudo» o en los muros de las fachadas, «fachada climática».

Utilizado en las cubiertas se convierten en un elemento importante de protección solar. Usado en las fachadas funciona como un elemento de protección en el verano, aislante en el invierno, y como cavidad de ventilación controlada para edificios de grandes alturas donde el viento incide con mucha fuerza.

Por otro lado es importante mencionar que la nueva tecnología, tanto en sistemas constructivos, materiales, de control, etc. está ofreciendo nuevas posibilidades de aplicación, y de hecho, esta

98

expandiendo la utilización de conceptos de diseño tradicionales, desde luego reinterpretados y aplicados en la nueva arquitectura bioclimática contemporánea.

En su dibujo conceptual del edificio «molino de viento», Richard Rogers trata de expresar como un edificio puede aprovechar de manera integral las energías y recursos naturales. El esquema muestra de manera importante el aprovechamiento del viento y la energía solar en la edificación.

Este es un esquema visionario de lo que en adelante deberán hacer todos los edificios construidos. Ya que no se puede seguir construyendo bajo los esquemas derrochadores de energía que imperan en la actualidad. Los nuevos edificios deben tener como premisa fundamental el bienestar y confort de los ocupantes y el uso eficiente de la energía.

BIBLIOGRAFÍA

Allard, Francis, et al.Natural Ventilation in Buildings, A Design Handbook.James & James. London. England. 1988

ASHRAE Handbook, Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. Atlanta. USA. 2001

Boutet, Terry. Controlling Air Movement. Mc Graw Hill, New York 1987.

Bowen, Arthur. Wind Environments in Buildings and Urban AreasUniversity of Miami, U.S.A. 1978.

Buck, Charles. Fire Weather, Agriculture handbook 360 U.S. Department of Agriculture & Forest Service U.S.A., 1970

Catherine SlessorEco-TechEditorial Gustavo Gili, S.A. Barcelona, España, 1997.

Croome, Derek & Roberts, Brian. Air-Conditioning and Ventilation of Buildings. Pergamon Press. Oxford, U.K. 1981.

Fuentes Freixanet, VíctorVentilación Natural - cálculos básicos para arquitectosUniversidad Autónoma Metropolitana - AzcapotzalcoMéxico, D.F. 2004

99

García, Roberto y Fuentes Freixanet, Víctor. Viento y ArquitecturaEditorial Trillas, México, DF. 1995.

Izard, Jean Louis y Guyot, Alain. Arquitectura Bioclimática, Gustavo Gili. México, D.F. 1983

Lawson, Tom.Building AerodinamicsImperial College Press. London. England 2001.

Olgyay, Victor. Design With ClimatePrinceton University Press. U.S.A., 1963

PLEA’84 . México (proceedings)Pergamon Press, New York, USA. 1984.

Rodriguez V, Manuel, et al. Estudios de Arquitectura Bioclimática. Anuario 2002 Limusa- UAM, México, D.F. 2002.

Santamouris, M. & Asimakopolous, D.Passive Cooling of BuildingsJames & James, London, England. 1996

Sophia and Stefan BehlingSol Power, The evolution of Solar Architecture.Prestel, Munich, Alemania. 1996.

Strahler, Arthur N. Modern Physical GeographyEditorial. Wiley & Sons, New York, U.S.A., 1983

Szokolay, Steven y Docherty, Michael. Climate Analysis. PLEA & The University of Queensland. Australia 1999.

Thomas Herzog.Solar Energy in Architecture and Urban PlanningPrestel, Munich, Alemania. 1996.

Tudela, Fernando. EcodiseñoU.A.M.- Xochimilco, México, D.F. 1982

Watson, DonaldClimatic DesignMcGraw Hill Book Company. New York, U.S.A. 1983

100

8CONTROL TÉRMICO VíCTOR ARMANDO FUENTES FREIXANET

INTRODUCCIÓN

Antes de tratar el tema especifico que nos ocupa, es necesario comprender las implicaciones generales del diseño de espacios y el ambiente. Esto resulta importante, porque en la actualidad es común hablar de ecología, de forma que la raíz eco se usa en un gran número de términos empleados un tanto demagógicamente, sin comprender su verdadero significado.

Sin tratar de dar definiciones concretas, sino conceptos personales acerca de este problema, se empezará por establecer la relación ambiente - arquitectura. Así, por ambiente se entiende todo aquello que nos rodea, es decir, todos aquellos factores naturales, bióticos y abióticos, factores artificiales y sociales que tienen lugar en un espacio y tiempo determinados. Dentro de ese término tan amplio, la arquitectura interviene en todas las direcciones donde se encuentre establecido un ser humano; sin embargo, para el presente tema cabe particularizar la acción de la arquitectura entre los factores naturales del ambiente.

Si se define al ecosistema como las relaciones e interrelaciones de todos los seres vivos con el ambiente, se entenderá que el hombre es importante modificador de este medio, desafortunadamente, en la mayoría de los casos, esta modificación es negativa, lo cual desequilibra al ecosistema en su totalidad. Precisamente ante tal preocupación, surge el ecodiseño como la disciplina creadora de objetos o espacios que tiende a armonizar la presencia del hombre con su ambiente, y trata de conciliar las necesidades humanas con los sistemas energéticos naturales, al mantener o restablecer el equilibrio vital del sistema en particular y de la biosfera en general. De lo anterior se infiere que la arquitectura ambiental, específicamente la bioclimática, tiene la función de crear espacios que cumplan con una finalidad funcional y expresiva, concebidos y basados ecológicamente en los objetivos siguientes:

a) Crearespaciosfísicaypsicológicamentesaludablesyconfortables,quepropicieneldesarrollointegraldelhombreysusactividades.

b) Usardemaneraeficientelaenergíaylosrecursos,prefiriendoaquellosnaturalesyrenovables.Propiciarlaautosuficienciadelasedificacionesyconellooptimizarlosrecursoshumanosyeconómicos.

c) Preservarymejorarelambiente.

En resumen, se debe integrar al hombre a su ambiente natural por medio de la arquitectura (sin olvidar, desde luego, los conceptos socioeconómicos, funcionales y estéticos tradicionalmente considerados por ésta)

101

Uno de los puntos importantes en el diseño bioclimático es el manejo adecuado de la energía solar y de los materiales y sistemas constructivos como elementos básicos de climatización natural. De hecho, la experiencia en este campo es muy vasta, pues desde hace mucho tiempo civilizaciones antiguas utilizaron la geometría solar y las propiedades termo-físicas de los materiales constructivos, a fin de lograr condiciones ambientales adecuadas en sus habitaciones. En la actualidad, la arquitectura vernácula conserva, como testimonio, los conocimientos legados de generación en generación, a veces un tanto intuitivos, de la manera correcta de construir. Por lo contrario la arquitectura contemporánea parece olvidar su relación con el ambiente natural y sacrifica el bienestar de los usuarios a cambio de una expresión formal mal entendida que obedece a modas transitorias, importadas irracionalmente de un medio distinto de aquel donde se halla el sitio del proyecto. Incluso en muchas regiones, la transculturización ha deformado los conceptos constructivos tradicionales a tal grado que sistemas y materiales regionales son abandonados y sustituidos por otros, industrializados e importados, que ofrecen mayor status aparente, pero que en realidad desintegran a sus ocupantes y a la vivienda de su medio natural.

Ejemplos de lo anterior se ven cotidianamente en viviendas rurales que sustituyen el techo de palma por lámina de cartón asfáltico o de asbesto-cemento. Esto no quiere decir que toda la arquitectura indígena o vernácula sea buena y responda de modo favorable al medio circundante, ni que se deba construir como antes, sino simplemente que se deben retomar las experiencias positivas de las generaciones pasadas y hacer una arquitectura moderna racional pensada para el hombre Que la ha de habitar y en su ambiente. Aún hay mucho que aprender del iglú, del palafito y de la humilde casa de adobe... de la arquitectura natural.

PRINCIPIOS GENERALES

El flujo de energía en una estructura o un espacio se basa en los principios de la termodinámica. La primera ley establece que la energía se transforma, no se crea ni se destruye, mientras que la segunda dice que la energía calorífica siempre viaja de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura. La transferencia directa de calor se puede dar a través de los tres mecanismos de transferencia de calor, como son: conducción, convección y radiación.

ConducciónConducción es la transferencia de calor por actividad molecular que ocurre básicamente entre la materia sólida. Cuando las primeras moléculas se calientan, su energía se transfiere a las moléculas adyacentes.

Cuando se aplica calor en un punto de una barra metálica, aumenta la actividad molecular y la temperatura en el lugar de aplicación de calor. Este aumento de actividad es transferido a las moléculas adyacentes, de forma que la temperatura subirá progresivamente a lo largo de la barra.

Algunos materiales (como el cobre) son buenos conductores de calor, mientras que otros (como la madera) son malos conductores de calor. El grado con el cual se trasmite calor a través de un material depende de la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el material que es calentado, o entre uno y otro punto de un mismo material, de la conductividad térmica de éste, de su espesor y del área expuesta.

102

Cuando otro objeto es puesto en contacto físico con un material caliente el calor se transfiere directamente al objeto por conducción, mientras que el flujo de calor se detiene cuando ambos objetos alcanzan la misma temperatura interna 1.

El flujo de energía calorífica por conducción se puede calcular a través de la ecuación siguiente:

donde:Qc = flujo de energía calorífica por conducción (W)C = conductancia del material C = k/b (W/m2 °C) k = conductividad del material (W/m °C) b = espesor del material (m)A = área expuesta al flujo de calor (m2)Dt = diferencia de temperatura entre dos puntos (°C)

Para elementos constituidos por varios materiales, deberán sumarse las resistencias individuales de cada material, es decir:

De forma que la conductancia será igual al reciproco de la resistencia total:

1 Como cada sustancia tiene diferente estructura molecular, la misma cantidad de calor aplicada a masas iguales de materiales distintos causará que una obtenga mayor activación molecular que la otra; en otras palabras, todas ellas tienen distinta capacidadcalorífica.

Qc C A t= D

1 2 3 ... nRt R R R R= + + +

31 2

1 2 3

... n

n

b bb bRtk k k k

= + + +

1CRt

=

103

ConvecciónConvección es la transferencia de calor entra líquidos y gases, lo cual da como resultado el movimiento del fluido. Además, la convección es más rápida que la conducción. Cuando se aplica calor a un recipiente con agua, la porción de agua que se halla en contacto con el fondo del recipiente es calentada por conducción, se expande y se vuelve menos densa que el agua superior, por lo cual tiende a subir. El fluido más denso y frío reemplazará al más caliente y menos denso que sube, con lo cual se crea una circulación convectiva.

El grado o magnitud del flujo depende principalmente de las diferencias de densidad producidas por las diferencias da temperatura. Debido a esta circulación convectiva, eventualmente se calentará toda el agua del recipiente, de modo que se producirá un calor uniforme; por tanto, la convección implica también un proceso de mezclado (lo mismo sucede con el aire o con cualquier otro fluido)

En un primer caso, la convección se refiere a la transferencia da calor quo ocurre entre la superficie de un material y un fluido (en este caso el aire) La magnitud del flujo de energía calorífica por este tipo da convección depende del área superficial expuesta, de la diferencia de temperatura entre la superficie y al aire, y de un coeficiente de convección, que a su vez depende de la viscosidad, de la velocidad del aire y de la configuración física y textura de la superficie, la cual determinará si el flujo del aire será laminar o turbulento. En términos generales, el coeficiente de convección entre el aire y las superficies de edificaciones puede considerarse como sigue2:

Para superficies interiores:

hc = 3.0 Para superficies verticales (W/m2 °C)hc = 4.3 Para superficies horizontales con intercambio hacia arriba (del piso hacia el aire o del aire

hacia el techo)hc = 1.5 Para superficies horizontales con intercambio hacia abajo (del aire al piso o del techo al aire)

Para superficies expuestas al viento (exteriores):

hc = 5.8 + 4.1v

donde:v = velocidad de viento (m/s).

El flujo de energía calorífica por convección se puede calcular por medio de la ecuación siguiente:

donde.Qv = flujo calorífico por convección superficial (W)hc = coeficiente de convección (W/m2 °C)A = área superficial expuesta (m2)Dt = diferencia de temperatura entre la superficie y el aire (°C)

2 Szokolay, Steven. HeatingandCoolingofBuildings. edited by Henry J. Cowan in Handbook of Architectural Technology. Van Nostrand Reinhold. New York, USA. 1991

Qv hc A t= D

104

En segundo término, la convección se refiere también a la ventilación, es decir, a las pérdidas o ganancias de energía calorífica por intercambio de aire entre el exterior de un espacio, ya sea por infiltración o por ventilación deliberada. La magnitud de flujo de energía calorífica por ventilación se establece mediante:

donde:Qv = flujo calorífico por ventilación (W)1,200 = calor específico volumétrico del aire (J/m3 °C)V = tasa ventilación (m3/s)Dt = diferencia de temperatura entre el aire exterior y el interior (°C)

RadiaciónLa radiación es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. Este proceso, a diferencia de la convección, no requiere la presencia o intervención de materia para su transporte.

Dado que la transferencia de energía por radiación ocurre dentro de un amplio espectro de longitud de onda, se hará referencia a la radiación térmica como aquélla que es emitida por cualquier cuerpo cuyas moléculas han sido excitadas por energía térmica.

La transferencia de calo por radiación se establece por la conversión de energía térmica en radiante. La energía radiante viaja hacia afuera del objeto emisor y conserva su identidad, hasta que es absorbida y reconvertida en energía térmica por un objeto receptor.

La energía radiante reflejada por un objeto no contribuye a su ganancia de calor. Por otra parte, la intensidad y la longitud de onda de radiación dependen principalmente de la temperatura y naturaleza del cuerpo radiante.

La intensidad de radiación emitida por un objeto es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura, es decir, si la temperatura (Kelvin) del cuerpo emisor se incrementa al doble, la intensidad de radiación aumentará 16 veces. La intensidad de energía radiante recibida por un objeto depende de lo siguiente:

1,200Qv V t= D

105

a) De la distancia de la fuente de energía: la intensidad de radiación recibida varia inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente y el receptor (I = 1/d2 )

b) Del ángulo de incidencia de la radiación; la cantidad de energía radiante recibida por unidad de área será mayor si la radiación incide perpendicularmente sobre una superficie.

d) De la temperatura del cuerpo radiante y del receptor; al cumplir con la segunda ley de la termodinámica; si ambos cuerpos tienen la misma temperatura no habrá transferencia de energía.

e) De las cualidades de absortancia (a) y emitancia (e) de las superficies.

El flujo de calor por radiación queda definido por.

donde:Qr = flujo de calor por radiación (W)hr = coeficiente de radiación (W/m2 °C)A = área expuesta (m2)

Dt = diferencia de temperatura (°C)

Para superficies de construcción normales3:hr = 5.7 e (para temperatura superficial de 20 °C)hr = 4.6 e (para temperatura superficial de 0 °C)

dondee = 0.9 para materiales de construcción comunes,e = 0.2 para aluminio opaco,e = 0.05 para aluminio pulido

Si se conoce la densidad del flujo radiante incidente (G) el calor absorbido por la superficie será:

3 Op. cit. Szokolay, Steven. (1991) HeatingandCoolingofBuildings.

Qr hr A t= D

Qr G A a=

106

Para superficies vidriadas (translúcidas o transparentes)

donde:Qr = flujo de calor por radiación (W)G = densidad de la energía radiante incidente (W/m2)A = superficie expuesta (m2)a = absortancia del material

fg = factor de ganancia solar

Cuando la radiación solar incide sobre una superficie transparente, parte de esta energía es reflejada, parte trasmitida, y otra parte absorbida por el material. Así la relación entre estos tres factores de la energía es:

donde:a = absortanciat = trasmitanciar = reflectancia

El calor absorbido por el vidrio o el material transparente será re-emitido como sigue:

Una parte hacia el interior y otra hacia el exterior. El factor de ganancia solar es igual a la suma de la radiación trasmitida, más la proporción de energía absorbida que se re-emite al interior:

aunque en términos generales se puede considerar como:

Qr G A fg=

1a r t+ + =

2fg at= +

ifg t e= +

107

Trasmisión aire a aireAl analizar la transferencia de calor entre el aire y un cuerpo, o viceversa, es conveniente combinar las componentes convectivas superficial y radiantes en un sólo coeficiente de conductancia superficial:

f = hc + hr (W/m2 °C)

Por ejemplo, para superficies ordinarias a 20 °C:

a) Superficies verticales interiores: hr = 5.7 x 0.9 = 5.13 hc = 3.00 fi = 8.13

b) Superficies verticales exteriores: hr = 5.7 x 0.9 = 5.13 hc = 5.80 + 4.l v fe = 10.93 + 4.1 v

El reciproco de la conductancia superficial es la resistencia superficial (1/f), de forma que si se suman estas resistencias a la resistencia total de un elemento, se obtendrá la resistencia total aire a aire; así:

donde:Ra = resistencia aire a aire. (m2 °C/W)1/fi = resistencia superficial interna. Rt = resistencia del objeto o elemento 1/fe = resistencia superficial externa.

31 2

1 2 3

1 1... n

n

b bb bRafe k k k k fi

= + + + + +

1 1Ra Rtfe fi

= + +

108

El inverso de la resistencia (aire a aire) es la trasmitancia (aire a aire) o comúnmente conocido como coeficiente de trasmisión–U. Bajo este nuevo concepto de trasmitancia, el flujo de energía calorífica por conducción a través de muros u otros elementos constructivos es:

donde:Dt = te – tite = temperatura del aire exterior (°C)ti = temperatura del aire interior (°C)

Nótese que aquí la diferencia de temperaturas corresponde a la del aire, y no a la de las superficies.

Control térmicoEs muy importante analizar los flujos de energía en una estructura, porque con ello se pueden controlar las condiciones térmicas de los espacios interiores y, por tanto, obtener condiciones de confort térmico, en las que el cuerpo ejerza un mínimo esfuerzo para mantener su equilibrio interno. De esta forma se propiciará el bienestar físico de los habitantes y les permitirá ser más eficientes y tener un óptimo desarrollo de sus actividades.

Lo más conveniente es lograr un control térmico natural (pasivo) de manera que se evite al máximo emplear sistemas artificiales electromecánicos (activos) para el acondicionamiento del aire. Sin embargo, en condiciones ambientares severas, se deberán utilizar sistemas híbridos; es decir, aprovechar hasta donde sea posible los sistemas pasivos, combinados con sistemas activos complementarios.

Balance térmicoExiste balance térmico cuando la suma de todos los flujos de calor es igual a cero:

Qc U A t= D

0Qs Qi Qc Qv Qm Qe+ ± ± ± − =

109

donde:Qs = ganancia solarQi = ganancias internasQc = ganancias o pérdidas por conducciónQv = ganancias o pérdidas por ventilaciónQm = ganancias o pérdidas por sistemas mecánicosQe = pérdidas por enfriamiento evaporativo.

Cuando la suma sea mayor que cero la temperatura interior se incrementará: pero cuando sea menor que cero o con signo negativo la temperatura interior decrecerá.

Ganancia Solar (Qs)

Este flujo de energía sólo puede ser positivo y se refiere a la aportación de calor por radiación solar. Como ya se ha definido anteriormente la ganancia de calor absorbido por la superficie de un material es:

Sin embargo esta cantidad de calor será afectada por la relación de la trasmitancia del elemento entre la resistencia superficial externa, así la energía calorífica por radiación que pasa a través del material al espacio interior es:

La radiación solar incidente (G) está determinada por la cantidad de energía radiante solar que se recibe a nivel extraterrestre sobre una superficie normal a los rayos solares (esta cantidad de energía se halla en función del grado de actividad solar y de la distancia entre el Sol y la Tierra en un momento determinado) por el espesor de la capa de atmósfera que debe atravesar la energía radiante, por el grado de turbiedad atmosférica y contenido de humedad y por el ángulo de incidencia de los rayos solares con respecto a una superficie dada.

La siguiente tabla muestra los datos teóricos de la energía directa (I) recibida al ras del suelo suponiendo que el Sol estuviera en el cenit en las fechas indicadas, sin embargo para aplicaciones arquitectónicas, en las cuales no se requiere excesiva precisión o cuando no se cuenta con datos más precisos, se puede emplear como constante una intensidad de 930 W/m2 como la energía susceptible de captar un metro cuadrado de superficie teóricamente negra, en posición horizontal, con el Sol en el cenit y considerando una atmósfera limpia con un grado de turbiedad bajo. También se muestran los valores teóricos de la proporción de radiación difusa para las mismas fechas 4.

4 Manuel A. de Anda, Cálculotérmico. Asociación Mexicana de Empresas del Ramo de Instalaciones para la Construcción. México, D.F. 1981

UQs G Afe

a

=

Qs G A a=

110

Radiación teórica al ras del suelo (I = W/m2) Fecha Radiación directa Rad. difusa/Rad. directa 21 de enero 1,067 0.058 21 de febrero 1,051 0.060 21 de marzo 1,015 0.071 21 de abril 948 0.097 21 de mayo 907 0.121 21 de junio 886 0.134 21 de julio 882 0.136 21 de agosto 905 0.122 21 de septiembre 964 0.092 21 de octubre 1,016 0.073 21 de noviembre 1,052 0.063 21 de diciembre 1,070 0.057

Desde luego, tal cantidad de radiación teórica está en función de la posición real del Sol para un lugar y tiempo determinados. Para precisar la posición del Sol y el ángulo de incidencia de los rayos solares sobre cualquier superficie se debe recurrir a la geometría solar y a la trigonometría esférica.

Determinación de la posición solarA fin de determinar la posición solar primero se debe establecer la declinación para el día específico de análisis. Esto se puede hacer mediante la ecuación de Cooper:

donde:d = declinación del sol

n = número del día del año

La altura solar y el acimut se pueden obtener si se aplican las ecuaciones siguientes:

28423.45 360365

nsend + =

( ) ( )cos cos cossen h sen senl d t l d= ⋅ ⋅ + ⋅

111

donde:h = altura solarl = latitud del lugard = declinación solart = ángulo horario t = (12 - hora) * 15z = acimut solar

Determinación del ángulo de incidencia

El ángulo de incidencia, formado por el rayo solar y la normal de una superficie cualquiera, que no sea horizontal, se puede obtener mediante la fórmula siguiente:

donde:q = ángulo de incidenciah = altura solarc = ángulo formado entre el acimut del rayo solar y la proyección horizontal de la normal de la superficie (orientación de la fachada)

s = inclinación de la superficie con respecto al plano horizontal.

( )( )

coscos cos

sen h sen senz

hl d

l⋅ −

=⋅

( ) ( )cos cos cos cosh c sen s sen h sq = ⋅ ⋅ + ⋅

112

Si la superficie es vertical:

De esta forma la intensidad de radiación solar cuando el sol tiene un ángulo de altura (h) sobre el horizonte es:

Cuando la radiación incide sobre una superficie no horizontal, se puede calcular mediante la fórmula que sigue:

Ganancias internas (Qi)

Este flujo de energía sólo puede ser positivo y se refiere al calor que aportan las personas debido a su grado de actividad metabólico, a los sistemas de iluminación artificiales y a los aparatos domésticos electromecánicos.

El metabolismo se define como el proceso químico biológico por medio del cual el cuerpo genera su energía y mantiene el funcionamiento de sus sistemas vitales. El desprendimiento de calor que se produce por metabolismo puede ser de dos tipos:

a) Por metabolismo basal es decir, por la energía mínima que se requiere para mantener la temperatura del cuerpo en estado de absoluto reposo (vegetativo)

b) Por metabolismo muscular, es decir el desprendimiento de calor por actividad muscular al desarrollar un trabajo.

La tabla siguiente muestra las tasas metabólicas promedio para hombres adultos.

Metabolismo (Watts) Actividad basal muscular Total

Sueño profundo 70 - 70 Acostado 88 - 88 Sentado/en descanso 92 23 115 Actividad ligera 92 58 150 Caminar lento 92 68 l60 Trabajo de escritorio 93 142 235 Trabajo medio 93 172 265 Trabajo pesado (8 hr) 94 346 440 Trabajo pesado (max. 0.5 hr) 94 1,404 1,498

cos cos cosh cq = ⋅

3G I sen h=

3 cosG I sen h q= ⋅

113

Ganancias o pérdidas por conducción (Qc)

Como ya estableció, la conducción de calor aire-a-aire a través de un elemento es:

Si un espacio está delimitado por elementos diferentes (techo, piso, ventanas, etc.) el flujo de calor total por conducción será:

Ganancias o pérdidas por ventilación (Qv)

El flujo de calor por ventilación es:

V es la magnitud o tasa de ventilación, volumen de aire por unidad de tiempo (m3/s), y se puede expresar en función del número de cambios de aire por hora:

donde:V = Ventilación (m3/s)N = número de cambios de airevol = volumen de la habitación (m3)

La cantidad de ventilación que pasa por una ventana (siempre y cuando exista ventilación cruzada) queda expresada por la fórmula (según Olgyay)

donde:V = ventilación (m3/s)A = área de la ventana (m2)v = velocidad del viento (m/s)qv = ángulo de incidencia del viento con respecto al plano de la ventana.r = relación entre la abertura de entrada y la de salida. r = 0.6 frfr = factor de relación entre las aberturas de entrada y salida.

( )vV A v r senq=

( )Qc U A t Watts= D

( )Qc U A t= S D

( )1,200Qv V t Watts= D

( )3,600N vol

V⋅

=

114

Factor de relación entre aberturas As/Ae fr

5:1 = 5 1.38 4:1 = 4 1.37 3.1 = 3 1.33 2:1 = 2 1.26 1:1 = 1 1.00 3:4 = 0.75 0.84 1:2 = 0.63 0.63 1:4 = 0.25 0.34

Cuando se habla de infiltración, es decir, la ventilación no intencional de magnitudes pequeñas es válida la ecuación siguiente:

donde:V = Tasa de ventilación (m3/s)A = Área de aberturas de infiltración (m2)Dp = Diferencia de presión entre el interior y el exterior (Pa)

La presión del viento se puede estimar mediante la fórmula que sigue:

donde:v = velocidad del viento (m/s)pw = Presión del viento arriba de la presión atmosférica

Para infiltraciones en barlovento actuarán presiones entre 0.5 pw y 1.0 pw (generalmente, la presión máxima se presenta en el centro de la fachada a 2/3 la altura del edificio); mientras que en sotavento las presiones estarán entre -0.3 pw y -0.4 pw, lo cual dependerá de las condiciones aerodinámicas particulares.

Ganancias o pérdidas por sistemas mecánicos (Qm)

Este concepto se refiere a los sistemas de calefacción, refrigeración o de aire acondicionado, aunque como ya se ha mencionado estos dispositivos de climatización artificial se deben usar lo menos posible y sólo como complemento a los sistemas pasivos. Esto se debe a que tales sistemas producen problemas adicionales como resequedad del ambiente, condensación o saturación y cambios bruscos de temperatura entre los espacios interiores y exteriores, lo cual perjudica la salud de los ocupantes pues se fuerza al cuerpo a mantener su estado de equilibrio.

0.827V A p= D

20.612pw v=

115

Pérdidas por enfriamiento evaporativo (Qe)

Este concepto sólo puede ser negativo. Al respecto, la evaporación de agua absorbe gran cantidad de calor y el calor sensible es convertido en latente. El calor latente de evaporación del agua es de 2,400 kJ/kg, es decir, se absorben 2,400 kJ al evaporarse 1 kg de agua a 20 °C

donde:Qe = energía calorífica perdida por evaporación (W)e = tasa de evaporación (kg/h)

Retardo térmico y amortiguación

Los flujos de calor que se presentan en una estructura varían constantemente, pues según la segunda ley de la termodinámica, las temperaturas interiores y exteriores tienden a equilibrarse. El flujo de calor ocurrirá mientras exista una diferencia de temperatura.

Sin embargo, dicho paso de energía no es instantáneo, o sea, si se aplica calor a un muro, la conducción de este calor de un lado al otro se conseguirá en cierto tiempo, lo cual dependerá de las características termo-físicas del material.

Además, se debe considerar que en la realidad, la aplicación de calor no es constante, sino que existen variaciones en la intensidad de la radicación solar a lo largo del día y, evidentemente, también diferencias de temperatura entre el exterior y el interior. Por ello, generalmente se dice que los muros de una casa son calentados durante el día y que por la noche desprenden el calor acumulado.

Si se hace una gráfica de las temperaturas exteriores e interiores diarias, se obtendrán dos curvas sinusoidales similares, pero con crestas desfasadas y con amplitud diferente

El desfasamiento horario entre los dos máximos o los dos mínimos se conoce como retardo térmico, mientras que la relación entre las dos amplitudes se llama amortiguación. Se dice que un material tiene más o menos inercia térmica cuanto mayores o menores son su retardo y amortiguación.

El retardo térmico se puede calcular de manera aproximada. Mediante la determinación de la difusividad térmica del material como sigue:

( )2 '400,000 /3,600

Qe e J s =

( )666.666Qe e Watts=

kDce r

=⋅

116

donde:D = difusividad (m2/h)k = conductividad térmica (W/m K)ce = calor específico (Wh/kg K)r = densidad (kg/m3).

De esta forma, el retraso térmico es:

como:

entonces:

11 382. b

Df = ⋅

1 24

21 382.f

p= =

24

2

b

Df

p=

⋅

117

donde:f = retado térmico (h) b = espesor del material. (m)D = difusividad (m2/h)

Si ce = calor específico está es J/kg K, entonces:

AMORTIGUAMIENTODe acuerdo con Steve Szokolay, [PLEA’84] “para cualquier edificación se puede suponer que en ausencia de ganancias de calor solar e internas, la temperatura media diaria interior y exterior serán idénticas. La ganancia de calor extra, puede calcularse y promediarse para las 24 horas del día (Q) Esta ganancia provocará un incremento de la temperatura media interior y con ello se presentará un flujo de calor hacia el exterior de la construcción. El incremento de la temperatura media interior se puede determinar por”:

donde:q = qc + qv (tasa de pérdidas de calor)qc = S (A * U) (W/K)qv = 0.33 * V * N (W/K)A = área (m2)U = Trasmitancia de cada elemento (W/m2 K)V = volumen de la habitación (m3)N = número de cambios de aire por hora (c/h)

Si se conoce el retardo térmico y el factor de amortiguamiento de cada elemento constructivo, la desviación del flujo de calor medio diario (Q) puede calcularse. Esta desviación de la ganancia calorífica con respecto a la media es absorbida por todos lo elementos constructivos o es removida por la ventilación.

La admitancia (Y) es una medida de la capacidad de absorción de la ganancia de calor periódico de los elementos constructivos, donde la admitancia para un material sólido se puede encontrar por la siguiente fórmula5:

donde: Y = admitancia del material (W/m2 °C) k = conductividad térmica (W/m °C) ce = calor específico (J/kg °C) r = densidad (kg/m3).

w = velocidad angular de la onda de temperatura diurna

w = 2 p / 24

5 Cf. Szokolay, Steven V. IntroductiontoArchitecturalScience- The basis of Sustainable Design. Architectural Press. Elsevier. London. UK, 2004

Qtq

D =

Y k cer w= ⋅ ⋅ ⋅

10 02303. b

Df = ⋅

118

si el calor específico ce está en J/kg K, la longitud del día debe expresarse en segundos, entonces6:

De tal forma, la desviación de la temperatura ambiente interior con respecto a la media diaria se puede determinar por:

CONCLUSIONES

Aunque en el método de balance térmico expuesto aquí de manera simplificada se considera un cálculo instantáneo, es bastante útil para manejar las variables implicadas y traducirlas en decisiones concretas de diseño.

En términos generales, se puede decir que cuando se hace referencia a las ganancias solares es importante considerar las variables siguientes: la forma del espacio y de la estructura, su relación superficie - volumen, su orientación, las aberturas y los dispositivos de control solar (de sombreado) Por otra parte, si se habla de ganancias por conducción, se deben destacar la relación superficie – volumen, las características termo-físicas de los materiales y sistemas constructivos y la inercia térmica. Para ganancias o pérdidas por ventilación, la orientación, ubicación, forma y tamaño de las aberturas es determinante; así como controlar adecuadamente las infiltraciones (o fugas). Al estudiar las ganancias internas, además de analizar el uso del espacio, la actividad y el arropamiento de los ocupantes, se deben evaluar los sistemas de alumbrado, la óptima ubicación y la disposición de los equipos electrodomésticos.

Cabe destacar que la mayoría de las veces, las variables están interrelacionadas de tal forma que al variar una de ellas las demás se verán afectadas.

Quizá a muchos de los lectores les parezca complicado y engorroso el balance térmico; sin embargo, con un poco de comprensión y práctica, descubrirán que es sencillo de aplicar y sobre todo, que es sumamente útil para la toma definitiva de decisiones de diseño. Incluso, con el tiempo, basados en una metodología general para definir las estrategias de diseño, manejarán los conceptos básicos implicados en el balance térmico de manera natural desde los primeros esbozos del proyecto; de esta forma, el cálculo se convertirá sólo en un medio pare verificar conceptos definidos y para depurar algunos detalles.

6 Op. cit. Szokolay, Steven V. (2004) IntroductiontoArchitecturalScience

0.0085277Y k cer= ⋅ ⋅

( )iQT

A Y qv=

S ⋅ +

119

ADMITANCIAS TÍPICAS PARA ALGUNOS ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS.

Descripción: espesor Admitancia Y (mm) (W/m2 °C)

Muros exteriores:Tabique sólido: 1. tabique 105 4.2 2. tabique 220 4.7 3. tabique 335 4.7Con recubrimiento: 4. tabique 105 recubrimiento yeso 16 4.1 5. tabique 220 o 335 recubrimiento yeso 16 4.5Con Cavidad: 6. tabique 105 o 220 cavidad 275 tabique 105 recubrimiento yeso 16 4.4Concreto sólido: 7. concreto 150 5.2 8. concreto 200 5.4Sandwich de concreto 9. concreto 75 poliestireno expandido 25 concreto aligerado 150 3.8

Muros Interiores:Tabique: 10. recubrimiento yeso 15 tabique 102 recubrimiento yeso 15 3.3Concreto: 11. recubrimiento yeso 15 concreto 65 recubrimiento yeso 15 1.8

Techumbre:Concreto: 12: asfalto 19 concreto ligero 75 concreto denso 150 recubrimiento yeso 15 5.1

Piso:Concreto: 13. Concreto colado sobre el terreno 150 5.7

13. firme pulido 50 concreto 150 4.3Madera: 14. madera o alfombra 25 firme pulido 50 concreto 150 2.9

Acristalamientos:Vidrios: 15. vidrio sencillo 5.6 16. sencillo con persiana interior 5.4 17. doble con persiana interior 2.7 18. sencillo con persiana exterior 4.8

120

EJEMPLO

Determínense las ganancias o pérdidas de calor que sufrirá una habitación (aislada) ubicada en la ciudad de México el 21 de junio a las 15:00 hr.

Datos de diseño:DATOSDELLUGARYDELCLIMAlatitud = 19° 24’ longitud = 99° 12’ altitud = 2,308 msnm

Temperatura exterior (te) = 23 °C (TBS)Temperatura interior (ti) = 21 °C (TBS)Velocidad del viento (v) = 1.5 m/s,Dirección del viento = norte.Radiación teórica para el cenit I = 886 W/m2.

DATOSDELLOCALYDELAESTRUCTURADimensiones: Ancho 4.00 m Largo 5.00 m Alto 2.50 m

Datos del interiorDas personasDos focos de 100 W c/uUna televisión en colores

121

Materiales:Muros

b k Espesor Conductividad (m) (W/m °C)Aplanado exterior de mortero 0.02 0.63Tabique de barro rojo recocido 0.14 0.65Aplanado interior de yeso 0.02 0.46

Absortancia a = 0.60Admitancia: Y = 3.3Conductancia superficial interior: fi = 8.13 (W/m2 °C)Conductancia superficial exterior: fe = 10.93 + 4.1 v fe = 17.08 (W/ m2 °C)

Resistencia total de los muros:Ra = (1/8.13) + (0.02/0.46) + (0.14/0.65)+ (0.02/0.63) + (1/17.08)Ra = 0.4721581 (m2 °C/W)

Coeficiente de trasmisión:U = 1/Ra = 2.12 (W/m2 °C)

Losa: b k Espesor Conductividad (m) (W/m °C)

Entortado de mortero 0.04 0.63Relleno de tezontle 0.10 0.19Losa de concreto armado 0.10 1.80Aplanado interior de yeso 0.02 0.46Absortancia a = 0.65Admitancia: Y = 5.10Conductancia superficial interior: fi = 6.63 (W/m2 °C)Conductancia superficial exterior: fe = 17.08 (W/m2 °C)

Resistencia total:Ra = (1/6.63)+ (0.02/0.46) + (0.10/1.80) + (0.10/0.19) + (0.04/0.63) + (1/17.08)Ra = 0.898 (m2 °C/W)

Coeficiente de trasmisión:U = 1/Ra = 1.11 (W/m2 °C)

Ventana: b k Espesor Conductividad (m) (W/m °C)

Vidrio 0.004 1.11

Trasmitancia t = 0.81Absortancia a = 0.11Reflectancia r = 0.08Reemisión ei = 0.03Admitancia: Y = 5.60Conductancia superficial interior: fi = 8.13 (W/m2 °C)

122

Conductancia superficial exterior: fe = 17.08 (W/m2 °C)Resistencia total:Ra = (1/8.13)+ (0.004/1.11) + (1/17.08)Ra = 0.185 (m2 °C/W)

Coeficiente de trasmisión:U = 5.4 (W/m2 °C)

Puerta (1/2 tambor): b k Espesor Conductividad (m) (W/m °C)

Triplay de madera de pino 0.006 0.14

Absortancia a = 0.60Admitancia: Y = 5.60Conductancia superficial interior: fi = 8.13 (W/m2 °C)Conductancia superficial exterior: fe = 17.08 (W/m2 °C)

Resistencia total:Ra = (1/8.13)+ (0.006/0.14) + (1/17.08)Ra = 0.224 (m2 °C/W)

Coeficiente de trasmisión:U = 4.46 (W/m2 °C)

123

Paso 1. Qs -ganancia solar-

DETERMINACIÓN DE LA ENERGIA RADIANTE (G) PARA CADA SUPERFICIE

• Posición solar el 21 de junio a las 15:00 hs.Latitud: 19° 21’Longitud: 99° 12’

• Cálculo de la declinaciónd = 23.45 sen [360 ((284 + 172)/365))]d = + 23.45°

• Cálculo de le altura solarsen h = (cos 19.4 cos 23.45 cos-45 ) + (sen 19.4 sen 23.45)sen h = 0.7440565 h = 48.08°

• Cálculo del acimutcos z = (sen 48.08 sen 19.4 - sen 23.45) / (cos 48.08 cos 19.4)cos z = -0.239295982 z = 103.85°

• Determinación de ángulos de incidencia

Muro norte:cos q1 = cos 48.08 cos 76.15cos q1 = 0.159928504 q1 = 80.79°

Muro oeste:cos q2 = cos 48.08 cos 13.85cos q2 = 0.648668045 q2 = 49.56°

(Los muros este y sur no reciben asoleamiento en esta hora)

• Determinación de la energía solar incidente7:(donde: I = 886 W/m2)

Losa:G1 = 886 (sen 48.08)1/3

G1 = 802.86 (W/m2)

Muro norte:G2 = 886 (sen 48.08)1/3 cos 80.79G2 = 128.50 (W/m2)

Muro Oeste:G3 = 886 (sen 48.08)1/3 cos 49.56G3 = 520.78 (W/m2)

7 886 W/m2 es la radiación máxima teórica si el Sol se encontrara en el cenit. En realidad esta radiación debería verse afectada por la posición real a la hora de análisis; dicho ajuste no se hace en este ejemplo. Cf. Fernández Zayas, José Luis. CalculodelaRadiacióninstantánesenlaRepúblicaMexicana. Series del Instituto de Ingeniería No. 472. UNAM. 1983

124

• Los muros este y sur no reciben radiación solar directa.

Losa:Qs1 = G A a (U/fe)Qs1 = 802.86 20 0.65 (1.11/17.08)Qs1 = 678.29 (W)

Muro norte:Qs2 = 128.50 12.5 0.6 (2.12/17.08) = 119.62 (W)

Muro oeste:Qs3 = 520.78 10 0.6 (2.12/17.08) = 387.84 (W)

Qs total = 678.29 + 119.62 + 387.84 = + 1,185.75 (W)

Paso 2. Qi -ganancias internas-

Dos personas 115 W c/u 230 WDas focos 100 W c/u 200 WUna televisión en colores 250 W 250 WQi total = + 680 W

Paso 3. Qc -ganancias o pérdidas por conducción-

Qc = S (U A) Dt

Losa 20.0 1.11 = 22.2Muros 32.5 2.12 = 68.9Vidrio 10.0 5.40 = 54.0Puerta 3.50 4.46 = 15.6 S(UA) = 160.7Qc= 160.7 x 2 °CQc = + 321.40 (W)

Paso 4. Qv -ganancias o pérdidas por ventilación-

Para lograr un flujo importante de aire dentro de una habitación, debe existir ventilación cruzada, es decir, una abertura en barlovento a en presión positiva par la cual entre el aire, y otra abertura de salida en sotavento o en presión negativa. En el presente ejercicio se supone que existe ventilación unilateral en sotavento, por lo cual el flujo de ventilación es despreciable. (Más adelante se asumirá la posibilidad de generar ventilación cruzada como estrategia para disipar el calar interno.)

Infiltración, suponiendo 10 ml de rendija, aproximadamente 0.05 m2 como área de infiltración.

Qv = infiltraciónV= 0.827 A (Dp)1/2

pw = O.612 (1.5)2

pw =1.377 Pascales

125

La presión en barlovento será: p = 1.0 pw, La presión en sotavento será: p = -0.4 pw,

Dp = 1.377 - (-0.5508)Dp = 1.9278v = 0.827 0.05 (1.9278)1/2 v = 0.0574 m3/s, Qv = 1,200 0.0574 2 °C, Qv = + 137.79 (W)

Paso 5. Qm -ganancias o pérdidas por equipos de climatización-En este ejercicio no se consideran equipos de climatización artificial.

Paso 6. Qe -pérdidas por evaporación- En este ejercicio no se consideran sistemas evaporativos.

RESUMEN

Qs + Qi + Qc + Qv inf. = ganancia de calor.

1,186.75 + 680 + 321.45 + 137.79 = +2,326 (W)

Estimación de la temperatura interior

Ti = Q / [ S(A * Y) + qv]

Losa (20.0 * 5.10) = 102.00Muros (32.5 * 3.30) = 107.25Ventana (10.0 * 5.60) = 56.00Puerta ( 2.5 * 5.60) = 14.00Piso (20.0 * 5.00) = 100.00Total 379.25

Ti = 2,326 / (379.25 + 137.79)Ti = 4.5 °C

Si la temperatura interior de diseño es 21 °C, entonces:

Temperatura: 21 + 4.5 = 25.5 °C

Esta cantidad de energía indica que la temperatura interior se incrementará debido a las aportaciones consideradas. Para disipar esta energía calorífica, se puede hacer por media de las varia¬bles no consideradas, es decir, por ventilación natural cruzada, por sistemas artificiales de climatización o por sistemas de enfria¬miento evaporativo.

Si se supone que la disipación se hará sólo por ventilación no permitiendo que la temperatura interior sobrepase los 25 °C, entonces:

Qs + Qi + Qc + Qv inf. = QvQv = -2,326 (W)

Si Qv = 1,200 V (23 – 25),

126

entonces: -2,326 = -2,400 VV= -2,326 / - 2,400V= 0.97 m3/s.

En número de cambios de aire:V= N vol /3,600,N = (V/vol) 3,600 N = (0.97 / 50) 3,600N = 69.84 cambios de aire por hora.

El área de la ventana es:V = A v r sen qvA = V / v r sen qvA = 0.97 / 0.6 1.5 sen 90° = 1.08 m2,

En la que se considera la ventilación cruzada con aberturas de entrada y salida con igual área y viento perpendicular a la ventana (90°).

Carga térmica vs. Costos de Refrigeración

Los equipos de aire acondicionado generalmente se adquieren en función de las “toneladasderefrigeración” que ofrecen. Una tonelada de refrigeración es la unidad de medida empleada en Estados Unidos par medir la capacidad de extracción de carga térmica de los equipos de refrigeración y aire acondicionado. Equivale a una potencia capaz de extraer 12,000 BTU de calor por hora, es decir que en Sistema Internacional equivale a 3.5168 kW, que es la cantidad de energía necesaria para derretir una tonelada inglesa de hielo.

De tal forma:1 TR = 12,000 BTU1 TR = 3.5168 kWEn Aire acondicionado se adopta como generalidad que una tonelada de refrigeración es suficiente para enfriar una habitación de 400 ft2 o 37 m2, aunque esto es muy variable en función de las condiciones climáticas y de la carga térmica de la edificación.

Los equipos de aire acondicionado se fabrican en capacidades de ½ toneladas de refrigeración, es decir que podemos encontrar equipos de ½, 1, 1½, 2, 2½, etc. Esto significa que si tuviéramos una carga de 2,326 W requeriríamos de:

2,326 W / 3,516.8 W = 0.661 TR

Pero estaríamos obligados a comprar un equipo de 1 TR

El consumo eléctrico de los equipos de aire acondicionado depende de su eficiencia energética, la cual es muy variable dependiendo del tipo de equipo, marca, etc. Para poder evaluar a los equipos se les ha calificado en función de su eficiencia. En estados Unidos con el “Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER)”, en México se usa su equivalente en unidades métricas “Relación de Eficiencia Energética Estacional (REEE)”. Cada equipo de aire acondicionado debe traer, por norma, una etiqueta especificando su eficiencia SEER o REEE

El SEER o REEE equivale a la carga térmica de enfriamiento en un periodo de tiempo determinado entre el consumo eléctrico del equipo en ese mismo periodo, es decir:

SEER = BTU / Watts (eléctricos)

REEE = Watts (térmicos) / Watts (eléctricos)

127

Entre más elevado es este parámetro mayor eficiencia energética. Actualmente los sistemas de aire acondicionados deben tener un SEER mínimo de 13, o un REEE de 3.81 (según las normas mexicanas). 1 BTU = 0.2930711 W, por lo tanto:

SEER REEE10 2.9311 3.2212 3.5213 3.8114 4.1015 4.4016 4.69

El consumo eléctrico de los equipos de aire acondicionado se puede estimar dividiendo la carga térmica de refrigeración entre el REEE. Por ejemplo un equipo de 1.5 TR con un REEE de 3.81, proporciona una carga de refrigeración de:

1.5 TR x 3.5168 kW = 5.2752 kW

Por lo tanto su consumo eléctrico será:5.2752 kW / 3.81 = 1.3845 kW/h

Para obtener el costo de operación del equipo basta con saber las horas de operación (estacional) y multiplicarlo por el costo de la energía ($/kW)

Por ejemplo, si el equipo va a operar 8 horas diarias durante 3 meses del año:8 x 120 días = 960 horas de operación al año

Siguiendo el ejemplo de arriba, si el quipo tiene un consumo de 1.498 kW /h entonces:1.3845 kW/h x 960 h = 1,329.18 kW en los tres meses

Si el costo de la energía eléctrica es de $1.761 / kW, entonces el costo de operación del equipo en los tres meses de operación es de:

1,329.18 kW x 1.761 $/kW = $2,340.69

nota: La tarifa eléctrica en México varía en función del consumo total (verificar tarifas CFE)

Consumo estimado de energía eléctrica en sistemas de Aire Acondicionado (kW/h)Toneladas de Refrigeración

SEER REEE 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

10 2.93 0.60 1.20 1.80 2.40 3.00 3.60 4.20 4.8011 3.22 0.55 1.09 1.64 2.18 2.73 3.27 3.82 4.3612 3.52 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.0013 3.81 0.46 0.92 1.38 1.85 2.31 2.77 3.23 3.6914 4.10 0.43 0.86 1.29 1.71 2.14 2.57 3.00 3.4315 4.40 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80 3.2016 4.69 0.37 0.75 1.12 1.50 1.87 2.25 2.62 3.00

128

BIBLIOGRAFÍA

Auliciems Andris & Szokolay, Steven.ThermalComfortPLEA & The University of Queensland., Australia. 1997

ASHRAEHandbook,Fundamentals.American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. Atlanta. USA. 2001

De Anda, Manuel. Gananciassolares, Memorias del segundo curso de Arquitectura Bioclimática y Energía Solar. no. 4. U.A.M.-Azcapotzalco, 1987.

Docherty Michael & Szokolay, Steven.ClimateanalysisPLEA & The University of Queensland., Australia. 1999

Koenigsberger, et al. ViviendasyEdificiosenZonasCálidasyTropicales. Editorial Paraninfo. 1977.

Lacomba, Ruth, et al. ManualdeArquitecturaSolar.Editorial Trillas, México, 1991.

Olgyay, Víctor. DesignWithClimate.Princeton University Press. Princeton, U.S.A. 1963.

Puppo, Ernesto y Giorgio. AcondicionamientoNaturalyArquitectura.Marcombo Boixareu Editores. 1979.

Szokolay, Steven V. EnvironmentalScienceHandbook.The Construction Press, Lancaster, England, 1980.

Szokolay, Steven V. Passiveandlowenergydesignforthermalandvisualcomfort. PLEA’84 México. Vol.1Pergamon Press. New York. 1984.

Szokolay, Steven.SolarGeometryPLEA & The University of Queensland., Australia. 1996

Watson, Donald. ClimaticDesign.McGraw Hill Book Co. New York, 1983.

Zöld, András & Szokolay, Steven.ThermalInsulationPLEA & The University of Queensland., Australia. 1997

129

9BIBLIOGRAFÍA

Acosta, WladimiroVivienda y ClimaEdiciones Nueva Visión,Buenos Aires, Argentina, 1976.

Allard, Francis, et al.Natural Ventilation in Buildings, A Design Handbook.James & James. London. England. 1988

Auliciems Andris & Szokolay, Steven.Thermal ComfortPLEA & The University of Queensland., Australia. 1997

ASHRAE Handbook, Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Inc. Atlanta. USA. 2001

Banham, Reyner.La Arquitectura del entorno bien climatizadoEdiciones Infinito,Buenos Aires, Argentina, 1975.

Barry, Roger. G. & Chorley, RichardAtmosphere, Weather and Climate.Mathuen, London, England. 1968(Traducción al español por Ed. Omega, Barcelona España)

Bertrán de Quintana. MiguelCon el Sol en la ManoU.N.A.M., México, D.F. 1982

Boutet, Terry S. Controlling Air Movement, a manual for architects and builders.McGraw-Hill Book Company, New York. USA 1987

Bowen, Arthur.Design Guidelines on Vertical Airflow in Buildings and Urban Areas. Memorias del “Plea•84, México”Pergamon Press, New York, USA, 1984.

Bowen, Arthur.Wind Environments in Buildings and Urban AreasDepartment of Architecture and PlanningUniversity of Miami, Coral Gables,.Florida, U.S.A. 1978.

ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA

130

Croome, Derek & Roberts, Brian. Air-Conditioning and Ventilation of Buildings. Pergamon Press. Oxford, U.K. 1981.

De Anda, Manuel. Ganancias solares, Memorias del segundo curso de Arquitectura Bioclimática y Energía Solar. no. 4. U.A.M.-Azcapotzalco, 1987.

Docherty Michael & Szokolay, Steven.Climate analysisPLEA & The University of Queensland., Australia. 1999

Buck, CharlesFire Weather, Agriculture Handbook 360.Department of Agriculture - Forest ServiceU.S.A. 1970

Evans, MartinHousing, Climate and ComfortThe Architectural Press. London, England. 1967.

Fanger, P.D.Thermal ComfortDanish Technical PressMc Graw Hill, New York, U.S.A. 1978

Figueroa, Anibal; Fuentes Freixanet, Víctor, et al.Criterios de adecuación Bioclimática en la ArquitecturaI.M.S.S. 7300, México, D.F. 1991

Fuentes Freixanet, VíctorClima y ArquitecturaUniversidad Autónoma Metropolitana, Azc. México, D.F. 2004

Fuentes Freixanet, Víctor y Rodriguez V., ManuelVentilación Natural – Cálculos Básicos para ArquitecturaUniversidad Autónoma Metropolitana, Azc. México, D.F. 2004

Fuentes Freixanet, Víctor (compilador)Estudios de Arquitectura Bioclimática Anuario 2007. Vol. IXEditorial Limusa – UAM. México, D.F. 2007

García, EnriquetaApuntes de climatologíaTalleres Larios. México, D.F. 1988

García, EnriquetaModificación al Sistema de Clasificación Climática de KöppenTalleres Larios. México, D.F. 1988

131

García Ch, Roberto y Fuentes Freixanet, VíctorViento y ArquitecturaEditorial Trillas. México, D.F. 1995

Givoni, BaruchMan, Climate and ArchitectureVan Nostrand Reinhold, New York, U.S.A. 1981.

Koeningsberger, et al.Viviendas y Edificaciones en Zonas Cálidas y TropicalesEditorial Paraninfo. Madrid, España, 1977.

Lacomba, Ruth; Fuentes Freixanet, Víctor, et al.Manual de Arquitectura SolarEditorial Trillas,México, D.F. 1991

Lawson, Tom.Building AerodinamicsImperial College Press. London. England 2001.

Manrique, José. Energía Solar, fundamentos y aplicaciones fototérmicas. Harla Editores. 1984.

Olgyay, Víctor.Design With ClimatePrinceton University Press. Princeton, U,S,A. 1963.Cf. Traducido al español como: Arquitectura y Clima Editorial Gustavo Gili. 1998

Olgyay, Víctor y AladarSolar Control and Shading DevicesPrinceton University Press, Princeton U.S.A. 1963. Oliver, John E. Climate and Man’s Environment, an introduction to applied climatology. John Wiley & Sons, Inc. Ney York. USA. 1973

Park, Jack.The Wind Power BookCheshire Books, Palo Alto, California, USA. 1981.

Puppo, Ernesto y Puppo, GiorgioAcondicionamiento Natural y ArquitecturaMarcombo Boixareu Editores

Ramón, F.Ropa, Sudor y ArquitecturaEditorial Blume, Barcelona, España 1980.

Rodríguez, V. Manuel; Fuentes Freixanet, Víctor, et. al.Introducción a la Arquitectura BioclimáticaEditorial Limusa – UAM. México, D.F. 2001

132

S.M.N. Normales Climatológicas, DGGMServicio Meteorológico NacionalMéxico, D.F. 1976

Santamouris, M. & Asimakopolous, D.Passive Cooling of BuildingsJames & James, London, England. 1996

Strahler, Arthur N.Modern Phisical GeographyWilley and Son. New York. U.S.A.

Szokolay, Steven V. Introduction to Architectural Design. The Basis of Sustainable Design. Architectural Press – Elsevier. London, UK 2004

Szokolay, Steven V. Environmental Science Handbook. The Construction Press, Lancaster, England, 1980.

Szokolay, Steven V. Passive and low energy design for thermal and visual comfort. PLEA’84 México. Vol.1Pergamon Press. New York. 1984.

Szokolay, Steven.Solar GeometryPLEA & The University of Queensland., Australia. 1996

Tudela, FernandoEcodiseñoU.A.M. XochimilcoMéxico. D.F. 1982

Vale, Brenda y RobertLa Casa Autosuficiente.H. Blume Ediciones. Madrid, España 1981

Watson, Donald.Climatic DesignMc. Graw Hill Books.New York, U.S.A. 1990.

Watson, Donald.Energy Conservation through Building DesignMc. Graw Hill Books.New York, U.S.A. 1979.

Yeang, KenProyectar con la Naturaleza, bases ecológicas para el proyecto arquitectónicoEditorial Gustavo Gili. Barcelona, España, 1999

Zöld, András & Szokolay, Steven.Termal InsulationPLEA & The University of Queensland., Australia. 1997

Arquitectura Bioclimatica - Victor Armando Fuentes Freixanet

Documents

Transcript of Arquitectura Bioclimatica - Victor Armando Fuentes Freixanet