Los edificios convencionales consumen mucha energía para calentarse y refrigerarse, a fin de protegerse de los efectos de la temperatura del clima y las estaciones. Pero algunas ideas y una planificación básica, combinadas con estas 10 técnicas de diseño de edificios solares pasivos, pueden ayudar a reducir radicalmente estos costes energéticos. Aquí presentamos 4 ideas clave:
1. Optimizar la distribución espacial
Distribuciones espaciales inadecuadas (izquierda) y adecuadas (derecha) para asentamientos en climas cálidos. Las distribuciones en cuadrícula tomadas de otros climas y la amplia separación entre edificios no proporcionan sombra ni protección contra el viento. Las distribuciones orgánicas, sin cuadrícula, sí dan sombra y pueden diseñarse para bloquear los vientos y evitar problemas de canalización del viento. Crédito: autor.
Derecha: Ejemplo de distribución de una urbanización en latitudes más altas, en la que cada propiedad tiene privacidad y una fachada y un tejado orientados hacia el ecuador para maximizar el posible aprovechamiento de la energía solar. Los círculos grises representan árboles y las líneas grises, setos (preferiblemente) o vallas. Crédito: autor.
2. Optimizar la forma y la distribución del edificio
Una relación baja entre superficie y volumen (S/V) es óptima para un edificio pasivo y bajo en carbono. Es la relación entre la superficie exterior y el volumen interior.
Compacidad C = Volumen / Superficie
El tamaño también es un factor: un edificio pequeño con la misma forma que uno más grande tendrá una relación S/V mayor. Los edificios con los mismos valores U, tasas de renovación del aire y orientaciones, pero con distintas relaciones S/V o tamaños, pueden tener demandas de calefacción significativamente diferentes. Esto tiene las siguientes consecuencias:
los edificios pequeños e independientes deben tener una forma muy compacta (el cuadrado se acerca al óptimo perfecto: el círculo);
los edificios más grandes pueden tener geometrías más complejas;
las relaciones S/V altas requieren más aislamiento para alcanzar el mismo valor U/R.
En zonas templadas, procure que la relación S/V sea ≤ 0,7 m²/m³.
Factor de forma
La relación entre la superficie útil del suelo, F, y la superficie de la envolvente sobre rasante, E, resulta más útil porque favorece los edificios que requieren menos altura entre plantas.
Factor de forma = F/E
Cuanto más compacta sea la forma, mayor será la relación, lo que es mejor. Los edificios grandes (por ejemplo, 172,800 ft2 en 12 plantas) tienen una forma mucho más eficiente que los edificios pequeños o los edificios grandes de gran altura libre para la carga de calefacción (pero no para la refrigeración, donde ocurre lo contrario).
Esta métrica permite comparar la eficiencia de la forma del edificio en relación con la superficie útil del suelo. Alcanzar un factor de forma de pérdida de calor ≤3 es una guía de referencia útil al diseñar edificios Passivhaus pequeños. Esto también reduce los recursos necesarios y el coste. La mayoría de los usos de los edificios no requieren volumen, sino superficie de suelo. Esta métrica tampoco incluye la superficie en contacto con el terreno, pero sí incluye el tejado.
También es probable que un edificio de forma más compleja tenga una mayor proporción de puentes térmicos y factores de sombreado más elevados, lo que tendrá un impacto adicional en el balance energético anual.
El efecto de la forma en el consumo total de energía para una superficie de suelo determinada disminuye a medida que aumenta el tamaño de los edificios. Además de permitir una mayor flexibilidad de diseño, esto permite a los diseñadores utilizar estrategias de iluminación natural y refrigeración mediante ventilación natural para reducir también la demanda de energía, ya que estas requieren que una dimensión del edificio sea relativamente estrecha (entre 45 y 60 ft (14–18 m).
Ejemplo:
En una oficina pequeña de 20,000 ft2 (1800 m2), una forma estrecha de dos plantas, ideal para la ventilación natural y la iluminación natural, puede tener una relación de factor de forma de 0,88, mientras que una planta cuadrada y profunda tendría una de 1,02. Para que la primera tenga el mismo coeficiente de pérdida de calor de la envolvente que la segunda, el valor R medio total de su envolvente tendría que ser un 16 % mayor (1,02/0,88). Esto requeriría un aumento significativo del valor R de la superficie opaca de las paredes, una reducción de la superficie acristalada o una ventana más cara.
Un aumento del 10 % de la relación S/V (el edificio del centro) requeriría 20 mm más de aislamiento que la buena forma de la izquierda para alcanzar el mismo nivel de aislamiento. El de la derecha (con una relación S/V un 20 % mayor) requeriría 40 mm más de aislamiento.
Distribuciones óptimas de las habitaciones en las viviendas según el clima.
3. Adaptar las formas de las viviendas y la distribución de las habitaciones según la latitud
Para latitudes superiores a 25°: la superficie acristalada orientada hacia el sol debe ser al menos un 50 % mayor que la suma de las superficies acristaladas de las paredes orientadas al este y al oeste. El eje longitudinal debe ir de este a oeste, con una desviación máxima de 15 grados respecto al eje este-oeste exacto. Al menos el 90 % de la superficie acristalada orientada hacia el sol debe quedar completamente sombreada (por toldos, voladizos o plantaciones) al mediodía solar del solsticio de verano y sin sombra al mediodía del solsticio de invierno. Si se trata de una vivienda, la distribución debe situar las principales salas de estar en el lado orientado hacia el ecuador, y los cuartos de servicio, las habitaciones de menor uso y, si lo hay, el garaje, en el lado norte. Las habitaciones para la mañana suelen ser dormitorios. En el lado opuesto al ecuador, las ventanas deben reducirse al mínimo y ser lo más pequeñas posible para iluminar, a fin de minimizar la pérdida de calor. Esta pared también debe tener una gran masa térmica o estar aislada por el exterior para retener el calor en el edificio.
Para latitudes inferiores a 25° o cuando la topografía afecte significativamente a la insolación, debe hacerse lo contrario. Los dormitorios, por ejemplo, necesitan luz por la mañana. Es necesario proteger todo el edificio del calor de bajo ángulo.
En torno a los 25° hay cierto margen de flexibilidad, según las condiciones locales. En estas latitudes medias, pueden utilizarse distintas partes de un edificio en invierno y en verano, ya que las habitaciones orientadas hacia el ecuador se calientan demasiado y en verano se traslada la ocupación a las habitaciones del lado no orientado hacia el ecuador (no se muestra en el plano superior izquierdo).
Tabla: La forma del edificio requiere distintas soluciones según el clima local:
Clima Elementos y requisitos Propósito Cálido y húmedo Minimizar la profundidad del edificio para facilitar la ventilación Minimizar la pared orientada al oeste para reducir la ganancia de calor Maximizar las paredes norte y sur para reducir la ganancia de calor Maximizar la superficie para la refrigeración nocturna Maximizar la superficie acristalada de las paredes para la ventilación Compuesto Controlar la profundidad del edificio para la capacidad térmica Minimizar la pared oeste para reducir la ganancia de calor Superficie limitada de paredes orientadas hacia el ecuador para la ventilación y cierta calefacción en invierno Superficie acristalada de tamaño medio para una ventilación controlada Cálido y seco Minimizar las paredes orientadas hacia el ecuador y al oeste para reducir la ganancia de calor Minimizar la superficie para reducir la ganancia y la pérdida de calor Maximizar la profundidad del edificio para aumentar la capacidad térmica Minimizar la superficie y el tamaño de las ventanas para controlar la ventilación, la ganancia de calor y la luz Mediterráneo Minimizar la pared oeste para reducir la ganancia de calor en verano Superficie moderada de paredes orientadas hacia el ecuador para permitir la ganancia de calor en invierno Superficie moderada para controlar la ganancia de calor Ventanas de tamaño pequeño a moderado para reducir la ganancia de calor, pero permitir la luz invernal Templado fresco Minimizar la superficie para reducir la pérdida de calor Superficie moderada de paredes orientadas al polo y al oeste para recibir ganancia de calor Minimizar la superficie del tejado para reducir la pérdida de calor Amplia superficie acristalada en las paredes para la ganancia de calor y la luz Tierras altas ecuatoriales Maximizar las paredes norte y sur para reducir la ganancia de calor Maximizar las paredes orientadas al oeste para reducir la ganancia de calor Profundidad media del edificio para aumentar la capacidad térmica Minimizar la superficie para reducir la pérdida y la ganancia de calor
4. Optimizar la forma y la orientación del tejado
En las zonas de clima cálido, los tejados abovedados y las cúpulas disipan más calor mediante convección natural que los tejados planos. Proporcionan mayor estabilidad térmica y temperaturas diurnas más bajas. La mejor orientación requiere que la forma abovedada reciba la máxima radiación solar diaria en invierno y la mínima en verano.
Una orientación del eje norte-sur para un tejado abovedado es mejor para la calefacción en invierno, pues recibe la mínima radiación solar directa en verano, mientras que una orientación del eje este-oeste maximiza la calefacción en verano, al recibir la mayor irradiación por la mañana y por la tarde. Los resultados se resumen a continuación con el ejemplo de un emplazamiento a 30° de latitud.
Tabla: Efecto de la orientación de la bóveda en la radiación solar directa estacional.[i] CSR = relación de sección transversal. Es la relación entre la altura vertical de la bóveda y la anchura horizontal.
Orientación Estación Pérdida de radiación solar directa (%) CSR1 = 0.5 CSR1 = 0.8 CSR1 = 1 CSR1 = 1.25 CSR1 = 2 E-O Verano 12.4 20.1 23.9 29 37.8 Invierno 9.8 17 19.6 23.2 30.4 N-S Verano 17 28.6 35.1 42.1 56.4 Invierno 6.3 7.1 8 8.9 10.7 NE-SO Verano 14.7 23.9 29.3 34.8 45.6 Invierno 8.9 13.4 16 18.8 24.1 NO-SE Verano 14.7 23.9 29.3 34.8 45.6 Invierno 8.9 13.4 16 18.8 24.1
Efecto de la orientación de la bóveda en la radiación solar directa estacional recibida.
Este artículo se publica en colaboración con Sustainable Cities Collective. La publicación no implica el respaldo del World Economic Forum a las opiniones expresadas.
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Autor: David Thorpe es consultor especial de Sustainable Cities Collective
Imagen: Vehículos circulan por Connaught Place, en Nueva Delhi, durante las horas de la tarde del 28 de octubre de 2014. REUTERS/Anindito Mukherjee
