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Septiembre 2013

GEOMETRÍA SOLAR – Conceptos Básicos www.yusoproyectos.com

www.yusoproyectos.comGEOMETRÍA SOLAR - Conceptos Básicos

INTRODUCCION

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El siguiente documento tiene el fin de ser una guía básica para el desarrollo de estudios de técnicas

bioclimáticas para cualquier lugar donde YUSO PROYECTOS tenga que proyectar. Es un documento que

se retroalimenta por cada uno de los miembros a medida que se vayan desarrollando las distintas

investigaciones.

Lo que se presenta a continuación es una recopilación de información que en muchos casos es textual a

la fuente, no pretende ser un trabajo de investigación o análisis, es solo informativo. Parte de la

información es tomada del profesor Msc Michael Smith en la materia Técnicas Bioclimáticas, que imparte

en el posgrado de Arquitectura Tropical en la Universidad de Costa Rica, adicionalmente se usaron otras

referencias bibliográficas y de paginas en internet.


La radiación solar es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondaselectromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarrojo y ultravioleta).

La Tierra recibe casi toda su energía del sol en forma de radiación, por eso el sol es lainfluencia dominante en los climas.

El espectro de la radiación sola se extiende desde 290 a 2.300 nm (nanómetros = 10⁻9). Deacuerdo con los medios humanos de percepción podemos distinguir:

_Radiación ultravioleta (290 a 380 nm): produce efectos fotoquímicos, blanqueamiento,quemaduras solares, etc.

_Luz visible (380 nm azul a 700 nm rojo):

_Radiación infrarroja corta (700 a 2.300 nm): calor radiante con algún efecto fotoquímico.

RADIACION SOLARCONCEPTOS

EL SOLDistancia: 150 millones de kmTemperatura de la superficie: 6.000 °CEnergía emitida por m2: 60.000.000 w/h

Información tomada del libro Vivienda y edificios en zonas cálidas y tropicales.3


La intensidad de la radiación que alcanza la superficie de la atmosfera se como constantesolar: 1.395 W/m2, pero realmente puede variar +/- 2% debido a las variaciones de energíade propio sol y varia +/- 3,5% a cauda de alteraciones de la distancia Tierra-Sol.

Irradiación es a magnitud que mide la radiación solar que llega a la tierra. Se mide en watiospor metro cuadrado (W/m2).

CANTIDAD DE RADIACION SOLARCONCEPTOS



La relación Tierra-Sol afecta a la cantidad de radiación recibida en un punto particular de lasuperficie terrestre de tres modos:

1. La Ley del Coseno: que establece que la intensidad en una superficie inclinada es igual ala intensidad normal por el coseno del ángulo de inclinación.

2. Disipación atmosférica: es la absorción de radicación por el ozono, vapores y partículas depolvo atmosférico (factor de 0,2 a 0,7). Cuando mas bajo es el ángulo de altitud solar, maslarga es la trayectoria de la radicación a través de la atmosfera y en consecuencia llegamenor radicación a la superficie terrestre.

3. Duración de la luz solar: es la duración de l periodo de luz diurna.

RADIACION EN LA SUPERFICIE TERRESTRECONCEPTOS

LEY DEL COSENOVaria distribución según Angulo incidencia = misma cantidad de radiaciónen mayor superficie.

DISIPACION ATMOSFERICAMás bajo el ángulo altitud solar = mayor trayectoria radiación a través de laatmosfera

Información tomada del libro Vivienda y edificios en zonas cálidas y tropicales. 5


La Tierra gira alrededor de su propio eje, haciendo una rotación en 24horas. El eje de este giro (línea que une los polos Polos Norte y Sur)esta inclinado con relación al plano de la orbita elíptica un ángulo de66,5°, es decir una inclinación de 23,5°de la normal.

Si el eje de la Tierra fuese perpendicular al plano de la órbita, siempreseria las regiones ecuatoriales normales a la dirección de la radiaciónsolar. Sin embargo, debido a la posición inclinada, el área que recibe lamáxima intensidad se desplaza de norte a sur entre el trópico decáncer (latitud 23,5°N) y el trópico de Capricornio (latitu d 23,5°S). Estaes la cauda principal de los cambios de estaciones.

El 21 de julio las áreas que s extienden a los largo de la latitud 23,5°Nson normales a los rayos solares, la trayectoria aparente del sol pasapor el cenit en esta latitud y se experimenta el periodo mas largo de luzdiurna. AL mismo tiempo la latitud 23,5°S sufre el día mas cor to y unaradicación mínima.

El 21 de marzo y el 23 de septiembre las áreas a lo largo del Ecuadorson normales a los rayos solares y experimentan una trayectoriacenital del sol. En todas las áreas de la Tierra son estos los díasequinociales ( día y noche de igual extensión).

RELACION TIERRA Y SOLCONCEPTOS

Información tomada del libro Vivienda y edificios en zonas cálidas y tropicales.

REVOLUCION DIARIA: sobre su eje N-S (eje inclinado 23,5°)

REVOLUCION ANUAL: alrededor del sol (orbita)6


RELACION TIERRA Y SOLCONCEPTOS

Solsticio de junio = +23,45°

Solsticio de diciembre = +23,45°

Equinoccios = 0°

Información suministrada por Arq. Michael Smith

LATITUD GEOGRAFICA: es el ángulo entre el plano del ecuadorrespecto al eje de la Tierra

Ecuador = 0°Polo norte = 90°Polo Sur = -90°(negativo por convención)

Costa Rica = 10°Venezuela = 10°

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Para hallar el ángulo de incidencia de la radiación , hay que establecer la posición del sol enrelación con la elevación para el punto dado en el trascurso del tiempo.

La posición del sol en el hemisferio celeste se puede especificar con dos ángulos:

1. Angulo de altitud solar: es el ángulo vertical en el punto de observación entre el planohorizontal y la línea que une el sol con el observador

2. Angulo azimutal solar: es el ángulo en el punto de observación medido sobre el planohorizontal entre la dirección norte y un punto en el circulo del horizonte, que es el deintersección del arco de un circulo vertical que pasa por el cenit y la posición del sol.

ANGULOS DE INCIDENCIACONCEPTOS

AZIMUT:Norte = 0°o 360°Este = 90°Sur = 180°Oeste = 270°



RECORRIDO SOLAR:El recorrido solar diario es una curva aparente en el domo del cielo, formada por lasposiciones sucesivas del sol, desde el amanecer hasta el atardecer. Cada recorrido solarpuede ser descrito geométricamente, como la intersección del sol con el domo del cielo.

CARACTERISTICAS DE LOS DIAGRAMAS O CARTAS SOLARES:_Mapas celestiales del domo que contienen las distintas posiciones solares en una altitudespecifica._muestra de manera eficaz ángulos solares anuales_Es una transformación geométrica del recorrido solar del domo 3D al grafico 2D._Es el resultado de una matriz de recorrido solar mensual – horaria_Cualquier día del año puede ser impreso en la matriz con su respectivo ángulo solar segúnel diagrama correspondiente.

REPRESENTACIONES GRAFICAS

ANGULOS DE INCIDENCIA

9Carta Estereográfica (Barquisimeto 15 de Octubre) Carta Ortográfica (Barquisimeto 15 de Octubre)


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COMO LEERLA

CARTA ORTOGRAFICA



CARTA ESTEREOGRAFICACOMO LEERLA

El punto “nadir” es el centro de la proyección y la posición del sol en elhemisferio celeste aparente se proyecta en el plano del horizonte representadopor un circulo horizontal.

La trayectoria del sol en diversas fechas se representa mediante un grupo decurvas que se extienden de este a oeste (líneas de las flechas) y estáncortadas por otras curvas cortas, que son las líneas de las horas. La serie decírculos concéntricos constituyen una escala de ángulos de altitud y la escalaperiférica da el ángulo azimutal.

11Información suministrada por Arq. Michael Smith

1. Se selecciona la latitud 0°del diagrama2. Se selecciona la línea de la fecha deseada (ejemplo 21 sep)3. Se selecciona la línea de la hora (ejemplo 9 am) y se marca su intersección

con la línea de la fecha.4. Se lee en los cirulos concéntricos el ángulo de altitud (ejemplo 26°)5. Se traza una línea recta desde el centro de diagrama a través del punto de la

hora marcado hasta la escala periférica donde se lee el ángulo azimutal(ejemplo 128°)


CONCEPTOS

ANGULOS DE SOMBRA

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La eficiencia de los dispositivos de sombra se especifica mediante dos ángulos: los ángulosde sombre horizontal y vertical. Ambos se miden a partir de una línea perpendicular a laelevación e indican el límite más allá del cual queda excluido el sol, pero dentro de él, el solalcalizaría el punto considerado.



ANGULOS DE SOMBRA

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ANGULO DE SOMBRA HORIZONTAL (HSA):Caracteriza un dispositivo de sombra vertical, y es la diferencia entre el azimut del sol y de lapared, lo mismo que la componente horizontal en el ángulo de incidencia.

ANGULO DE SOMBRA VERTICAL (VSA):Caracteriza un dispositivo de sombra horizontal, por ejemplo una larga proyección horizontalde la pared, y se mide en un plano vertical normal de elevación considerada.

CONCEPTOS



TIPOS DE DISPOSITIVOS

DISPOSITIVOS DE SOMBRA

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DISPOSITIVOS VERTICALES :Constan de hojas de persianas o aletas saliendo en posición vertical.El ángulo de sombra horizontal mide su eficacia (HSA). Hojasestrechas, poco separadas, pueden dar el mismo ángulo de sombraque hojas más anchas y mas separadas.

Se vera que este tipo de dispositivos es más eficaz cuando el sol estáaun lado de la fachada, tal como ocurre en la fachadas este y oeste.Para que fuese eficaz un dispositivo vertical cuando el sol está opuestoa la pared considerada, tendría que cubrir casi por completo toda laventana.

DISPOSITIVOS HORIZONTALES:Estos pueden ser toldos, hojas horizontales o persianas veneciana porel exterior, Su eficacia se medirá por el ángulo de sombra vertical(VSA). La huella de la sombra tiene forma de segmento. Serán maseficaces cuando el sol este opuesto a la fachada considerada deledificio y a un ángulo elevado, tal como las paredes norte y sur. Paracubrir un sol bajo, este tipo de dispositivo tendría que tapar la ventanacasi por completo, permitiendo solo la visión hacia abajo.

DISPOSITIVOS DE COMBINADOS:Se combinan elementos horizontales y verticales. Los múltiples tiposde enrejados y pantallas decorativas caen dentro de esta categoría.Puedes ser eficaces en cualquier orientación, dependiendo solo de lasdimensiones de los elementos.



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Huella desombra

Como primera medida hay que decidir cuando es necesaria la sombra, en que parte de l añoy a que horas del día. La mejor guía consiste en la definición del periodo desobrecalentamiento. A partir de esto se definir los ángulo necesarios para dar sobra en estoperiodos. Luego estos ángulos HSA y VHA los usamos para las dimensiones finales de losdispositivos de sombra.

DISEÑO DE DISPOSITIVOS

DISPOSITIVOS DE SOMBRA


PERIODOS DE SOBRECALENTAMIENTO

TEMPERATURAS Y SOMBRA

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Para establecer las horas de sombra (huella de sombra) para un lugar,se toma los datos de la tabla de estrategias pasivas, los generado porel Ecotect (solar directa-difusa), y lo observado de modo presencial enel sitio

Se puede observar que los meses mas calientes son mayo junio yseptiembre, habría que tener mayor sombra para estas fechas. Aunquesegún las graficas de estrategias pasivas enero y diciembre nonecesita sombra, proponemos sombrear en las horas del medio díapara evitar calentamiento extra en el edificio.

Según Ecotect

Según TablaTemp-sombra

Definitivaen rojo

La zona en rojo indica las horas de

sombra tomadas para la elaboración

del estudio


EFECTOS DE SOMBREO

ENTORNO INMEDIATO



Es un aparato para crear una relación geométrica apropiada entre losmodelos a escala y la representación del sol. Para simular penetración deluz solar y sombreo para cualquier combinación de localización y tiempo,pero siempre en condición de cielo despejado.

Permite ajustar la declinación solar /día del año), la rotación de la tierra(hora del día y la localización del lugar (latitud). La Tierra es la móvil y elsol siempre esta fijo

HELIODON

HERRAMIENTAS



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DOMO DE CIELO

HERRAMIENTAS

Es un dispositivo que combina condiciones de cielos generadas demodo artificial con las funciones del heliodon.

El domo hemisferico contiene ciento de luminarias individuales,instaladas sobre un marco geodésico que permite activarlas y regularla distribuciones de iluminación para diferentes condiciones de cielo(nublado, mixto, despejado).

Con modelos a escala se puede simular condiciones externas deiluminación natural en edificios, con distintos tipos de cielos, climas ylugares.



ECOTECT - AUTODESK

HERRAMIENTAS



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ECOTECT - AUTODESK

HERRAMIENTAS


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Porcentaje de sombras – propuesta

Zona de sombra en rojoZona de sombra en rojo Zona de sombra en rojo

SALA DE REUNIONES - FACHADA SUR AULA 1- FACHADA SUR SALA DE REUNIONES - FACHADA ESTE

HERRAMIENTASECOTECT - AUTODESK


2424

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SET OCT NOV DIC

29,6 30,3 31,1 30,4 29,6 29,1 28,9 29,7 30,3 30,2 29,9 29,218,7 19,3 19,8 20,7 20,8 20,4 20 20,1 20,3 20,4 20,2 19,310,9 11 11,3 9,7 8,8 8,7 8,9 9,6 10 9,8 9,7 9,9

HORA S01:00 a.m. 0,07 19,5 20,1 20,6 21,4 21,4 21,0 20,6 20,8 21,0 21,1 20,9 20,002:00 a.m. 0,04 19,1 19,7 20,3 21,1 21,2 20,7 20,4 20,5 20,7 20,8 20,6 19,703:00 a.m. 0,02 18,9 19,5 20,0 20,9 21,0 20,6 20,2 20,3 20,5 20,6 20,4 19,504:00 a.m. 0 18,7 19,3 19,8 20,7 20,8 20,4 20,0 20,1 20,3 20,4 20,2 19,305:00 a.m. 0,02 18,9 19,5 20,0 20,9 21,0 20,6 20,2 20,3 20,5 20,6 20,4 19,506:00 a.m. 0,08 19,6 20,2 20,7 21,5 21,5 21,1 20,7 20,9 21,1 21,2 21,0 20,107:00 a.m. 0,16 20,4 21,1 21,6 22,3 22,2 21,8 21,4 21,6 21,9 22,0 21,8 20,908:00 a.m. 0,4 23,1 23,7 24,3 24,6 24,3 23,9 23,6 23,9 24,3 24,3 24,1 23,309:00 a.m. 0,63 25,6 26,2 26,9 26,8 26,3 25,9 25,6 26,1 26,6 26,6 26,3 25,510:00 a.m. 0,85 28,0 28,7 29,4 28,9 28,3 27,8 27,6 28,3 28,8 28,7 28,4 27,711:00 a.m. 0,97 29,3 30,0 30,8 30,1 29,3 28,8 28,6 29,4 30,0 29,9 29,6 28,912:00 p.m. 1 29,6 30,3 31,1 30,4 29,6 29,1 28,9 29,7 30,3 30,2 29,9 29,201:00 p.m. 0,98 29,4 30,1 30,9 30,2 29,4 28,9 28,7 29,5 30,1 30,0 29,7 29,002:00 p.m. 0,93 28,8 29,5 30,3 29,7 29,0 28,5 28,3 29,0 29,6 29,5 29,2 28,503:00 p.m. 0,7 26,3 27,0 27,7 27,5 27,0 26,5 26,2 26,8 27,3 27,3 27,0 26,204:00 p.m. 0,53 24,5 25,1 25,8 25,8 25,5 25,0 24,7 25,2 25,6 25,6 25,3 24,505:00 p.m. 0,43 23,4 24,0 24,7 24,9 24,6 24,1 23,8 24,2 24,6 24,6 24,4 23,606:00 p.m. 0,35 22,5 23,2 23,8 24,1 23,9 23,4 23,1 23,5 23,8 23,8 23,6 22,807:00 p.m. 0,3 22,0 22,6 23,2 23,6 23,4 23,0 22,7 23,0 23,3 23,3 23,1 22,308:00 p.m. 0,25 21,4 22,1 22,6 23,1 23,0 22,6 22,2 22,5 22,8 22,9 22,6 21,809:00 p.m. 0,21 21,0 21,6 22,2 22,7 22,6 22,2 21,9 22,1 22,4 22,5 22,2 21,410:00 p.m. 0,17 20,6 21,2 21,7 22,3 22,3 21,9 21,5 21,7 22,0 22,1 21,8 21,011:00 p.m. 0,14 20,2 20,8 21,4 22,1 22,0 21,6 21,2 21,4 21,7 21,8 21,6 20,712:00 a.m. 0,11 19,9 20,5 21,0 21,8 21,8 21,4 21,0 21,2 21,4 21,5 21,3 20,4

TEMPERATURAS = S X ∆T + T Min

MES

T Max ˚CT Min ˚C

T Max - T Min

Ecotect –Fachada oeste Ecotect – Fachada este

Tabla de Temperatura y Sombra

Weather Toll – Carta Psicrométrica para la ciudad de Barquisimeto.

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BIBLIOGRAFÍA

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