Guia de Buenas Practicas Energeticas

GUA DE BUENAS PRCTICAS DEEFICIENCIA ENERGTICA EN

EDIFICACIN

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AUTOR:

Jos Marco Montoro

DIRECTOR GERENTE-AGECAM

EQUIPO DE COORDINACIN Y SUPERVISIN:

FEDERACIN DE MUNICIPIOS Y PROVINCIAS DE CASTILLA-LA MANCHA:

Eugenio Snchez Garca

SECRETARIO GENERAL

Francisco Ortiz Fernndez

COORDINADOR GENERAL

M Eugenia Rodrguez Madrid

COORDINADORA TCNICA DE LA RED DE CIUDADES Y PUEBLOS SOSTENIBLES-CLM

COLEGIO DE ARQUITECTOS DE CASTILLA-LA MANCHA:

Miguel ngel Embid Garca

PRESIDENTE DE LA DEMARCACIN DE GUADALAJARA

Gonzalo Bauluz del Ro

ARQUITECTO

COLEGIO DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS-DEMARCACIN DE CLM:

Jaime Valero Marn

SECRETARIO DE LA DEMARCACIN DE CASTILLA-LA MANCHA

Jess Pintado Manzaneque

INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS.PROFESOR. DE LA E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS -UCLM

Diseo y maquetacin: Creaciones Virtuales, s.l.

Impresin y encuadernacin: Lozano Comunicacin Grfica, s.l.

Deposito Legal : CR-564-2004

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PRESENTACIN

Los pueblos y ciudades son el espacio comn que los seres humanos hemos creado para eldesempeo de nuestras actividades, ya sean laborales, de relacin o de ocio. Su planicacinconlleva la atencin a mltiples factores que determinan nuestra vida y debe abordar, no slo todaslas necesidades que los ciudadanos demandan, sino tambin los efectos que su crecimiento puedeconllevar en el entorno donde se encuentran.

Por eso, en una sociedad moderna como la nuestra, en la que la vida diaria se maniesta comoun conjunto de idas y venidas, en una bsqueda continua de la satisfaccin, el progreso urbanodebe ser algo ms que el crecimiento de la poblacin, infraestructuras de comunicacin, servicios,dotaciones y equipamientos. El progreso urbano es la creacin de espacios comunes habitables,saludables y sostenibles donde desarrollar la vida humana y las mltiples interrelaciones en las quese basa.

Estos son, en resumen, los planteamientos de la Carta de Aalborg, en la que las ciudadeseuropeas se comprometen a desarrollar procesos hacia la sostenibilidad local mediante la puesta enmarcha de herramientas bsicas y estrategias que favorezcan la consecucin de ciudades y pueblosintegrados socialmente, ms ecientes desde el punto de vista ambiental, con planeamientosestratgicos que permitan el crecimiento econmico, a la vez que mejoran la calidad de vida,permitiendo a todos el acceso a los servicios y equipamientos bsicos sin olvidar la conservacindel patrimonio cultural, natural y la diversidad de paisajes, como medio para proporcionar unequilibrio territorial.

En Castilla-La Mancha hemos iniciado este camino con la creacin de la Red de Pueblosy Ciudades Sostenibles, donde ya se integra el 68% de la poblacin regional, facilitando ypropugnando el desarrollo de este objetivo mediante la colaboracin estrecha con las entidadeslocales, aportando el apoyo y herramientas necesarias desde la Administracin autonmica, sobrelas que basar el desarrollo sostenible, que no es sino el equilibrio entre el progreso social yeconmico y el respeto al entorno.

Estas tres guas tcnicas, desarrolladas por los colegios ociales de Arquitectos e Ingenieros deCaminos, Canales y Puertos y la Agencia de la Energa de Castilla-La Mancha, nacen con lanalidad de constituirse en documentos bsicos para nuestros ayuntamientos sobre los que cimentarla base de las ciudades futuras, y son una aportacin seria y profesional que puede dar respuesta ala demanda ciudadana.

Rosario Arvalo SnchezConsejera de Medio Ambiente de Castilla-La Mancha

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PRESENTACIN

La presente Gua se enmarca en los Objetivos de Desarrollo Sostenible Local denidos en laRed de Ciudades y Pueblos Sostenibles de Castilla-La Mancha, heredera y continuacin del PactoCiudad-Habitable.

Forma parte de un conjunto de tres con las que se que pretende abarcar el proceso completo decreacin de Zonas Urbanas, por lo que cada una de ellas se correspondera con una de las tres fasetpicas del proceso: Fase I: Planeamiento urbanstico. Fase II: Urbanizacin del espacio planeado. Fase III: Edicacin, propiamente dicha.

Si bien, las respectivas guas son un todo en s mismas y se han concebido para que puedan serutilizadas de forma individual y para poder actuar tanto en los procesos de crecimiento, como en laremodelacin o adecuacin de los espacios ya existentes.

Existe, a nivel mundial, una creciente apreciacin de la necesidad de utilizar un enfoqueintegral en la planicacin de los asentamientos humanos. La formulacin de una polticaambiental, econmica y social adecuada demanda la compresin de las interrelaciones entre todoslos factores que determinan el desarrollo humano en un territorio.

Una ciudad bien planicada y con una buena gestin de las zonas urbanas lograr msfcilmente que los dems factores que la conforman sean sostenibles, desarrollando entre ellosefectos sinrgicos y reduciendo los impactos. Uno de los objetivos del desarrollo sostenible local esla reduccin de los impactos de una reas de actuacin en otras, asegurando a la vez una economapujante y una sociedad equitativa.

Por lo que respecta a Castilla-La Mancha, ya desde el momento en que un Ayuntamientoadopta la decisin de adherir su Municipio a la Red de Ciudades y Pueblos Sostenibles, estasumiendo, adems de los postulados de la Carta de Aalborg, otros compromisos relativosa la concepcin integral del Municipio; y es en base a esta concepcin, que los procesos deurbanizacin y edicacin adquieren una gran relevancia en la Red.

En este contexto, las Guas tienen por objeto incidir en el marco general de los Municipios,proponiendo un conjunto de criterios de actuacin Buenas Prcticas en el modo en el que seconstruyen y se desarrollan nuestras ciudades entendiendo el trmino ciudad en su sentido msamplio de asentamientos humanos.

La Guas estn destinadas, bsicamente, a los Ayuntamientos, a n de proporcionarles unaherramienta para denir la estrategia general en la formulacin de las polticas ambientales,econmicas y sociales en la implantacin de su Agenda-21 Local.

Pero los procesos de urbanizacin, como los procesos de desarrollo sostenible en general,competen a todos y a todos los niveles: autoridades regionales y locales, tcnicos, promotoresprivados, a todos como ciudadanos y a nuestros organismos de representacin.

Es por ello que las presentes Guas han sido elaboradas por los mximos responsables tcnicosde la Regin: Colegios de Arquitectos de Castilla-La Mancha, de Ingeniros de Caminos, Canales yPuertos-Demarcacin de Castilla-La Mancha, la Agencia de Gestin de la Energa de Castilla-LaMancha y Tcnicos de la Federacin de Municipios y Provincias de Castilla-La Mancha.

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Es tambin, por ello, que las Guas se han concebido para que puedan ser tiles tanto a lospolticos y tcnicos competentes, a la hora de tomar decisiones, como a los ciudadanos, a la horade ejercer su derecho de participacin; por lo que, sin perder rigor tcnico, se ha buscado que seaneminentemente prcticas y didcticas.

Esperamos haber logrado denir un marco que sirva de orientacin para todos los que estamosempeados en conseguir unas ciudades y pueblos ms justos, prsperos, habitables, compactos ypolicntricos.

Casimiro Snchez CaldernPresidente de la Federacin de Municipios y Provincias de Castilla-La Mancha

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INDICEINTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1. EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.1. EL IMPACTO DEL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2. LA DEMANDA ENERGTICA DEL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3. EL ORIGEN DE LA DEMANDA EN EL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1. LA CONDUCCIN TRMICA EN ELEMENTOS SLIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2. LA CONVECCIN ENTRE SLIDOS Y EL AIRE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3. INTERCAMBIO RADIANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.4. INTERCAMBIO LATENTE Y SENSIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. CONDICIONES EXTERIORES. VARIABLES METEOROLGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1. RADIACIN SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.1. Movimiento solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.2. La constante solar. Distribucin espectral de la radiacin y su interaccin con la atmsfera. 433.1.3. Mtodos de estimacin de la irradiancia solar sobre una supercie arbitrariamente orientada e

inclinada, y de la temperatura aparente del cielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2. ESTADO PSICROMTRICO DE LA ATMSFERA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2.1. Composicin del aire. Aire seco y aire hmedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.2. Presin de saturacin del vapor de agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2.3. Entalpa del aire hmedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.4. Punto de roco y temperatura hmeda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3. ESTADO TRMICO DEL SUELO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4. VIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4. EL CONFORT TRMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1. DEFINICIN DE CONFORT TRMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.2. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA ENERGTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.2.1. Sudoracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.2.2. Respiracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2.3. Conduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.2.4. Conveccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.2.5. Radiacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3. BALANCE ENERGTICO. NDICES DE ESTIMACIN DE CONFORT TRMICO . . . . . . . 644.4. PMV Y PPD (FANGER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.5. CONFORT ADAPTATIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.6. LAS CARTAS BIOCLIMTICAS. LA TENDENCIA EN EL DISEO. . . . . . . . . . . . . . . . 69

5. EL URBANISMO. UNA CONDICIN NECESARIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.1. BARRERAS A LA INCIDENCIA SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.2. INTERCAMBIOS RADIANTES DE ONDA CORTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.3. VEGETACIN URBANA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.4. MATERIALES URBANOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5. PANTALLAS A LAS CORRIENTES DE VIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6. LA UNIDAD ELEMENTAL. EL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856.2. ORIENTACIN DE LOS HUECOS VIDRIADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

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INDICE

6.3. HERMETICIDAD Y EL AISLAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876.4. LA VENTILACIN NATURAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.5. LA INERCIA TRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946.6. LA DISTRIBUCIN DE ESPACIOS INTERIORES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.7. EL EQUIPAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7. TCNICAS NATURALES DE CALEFACCIN Y REFRIGERACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.1. LA DIFICULTAD DEL DISEO PASIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.2. TCNICAS NATURALES DE CALEFACCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.1. El Efecto Invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027.2.2. Tipos de Componentes de Ganancia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.2.3. El Vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.2.4. El Atrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

7.3. TCNICAS NATURALES DE REFRIGERACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117.3.1. Tubos enterrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1137.3.2. Sistemas Evaporativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187.3.3. Sistemas Radiativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8. LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN. CERTIFICACIN DE CALIDAD. . . . . . . . . . . . . 125

8.1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1278.2. LA REPERCUSIN AMBIENTAL DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN . . . . . . . . 129

8.2.1. Materiales ptreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1298.2.2. Metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1308.2.3. Materiales sintticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1308.2.4. Pinturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1318.2.5. Maderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1328.2.6. Tratamiento de las maderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.2.7. Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.3. CLASIFICACIN DE LAS SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9. LOS SISTEMAS DEL EDIFICIO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9.1. LA CLIMATIZACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1419.1.1. Calderas de combustibles convencionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1439.1.2. Calderas de Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1489.1.3. Sistemas de refrigeracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1559.1.4. Energa solar trmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1609.1.5. Sistemas de distribucin y control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.2. AGUA CALIENTE SANITARIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.2.1. Sistemas Convencionales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.2.2. Energa solar trmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.3. ILUMINACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1759.3.1. Lmparas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1769.3.2. Luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.3.3. Controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

10. EJEMPLO PRACTICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

10.1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.2. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.3. EXPOSICIN DEL SUPUESTO PRCTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.4. DISEO DEL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

10.4.1. Consideraciones climatolgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18410.4.2. Forma y dimensiones del edicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18510.4.3. Diseo de las fachadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18510.4.4. Seleccin de los Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18710.4.5. Seleccin de los Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18710.4.6. Repercusin ambiental de la construccin del edicio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18910.4.7. Mejoras y Alternativas a la Solucin Propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

BIBLIOGRAFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

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INTRODUCCIN

El humano es el nico ser vivo de la Tierra que ha fundamentado su supervivencia, comoespecie, en la transformacin del medio natural para adaptarlo a sus necesidades, al contrariodel resto de las especies que han ido adaptando sus necesidades, a lo que el medio natural lesexiga. Aquella que no lograba esta adaptacin, simplemente, desapareca.

Su xito ha sido tan rotundo que ha logrado conquistar todos los espacios del planeta,imponindose al resto de las especies supliendo sus carencias fsicas por artilugios ms o menossosticados que lo han convertido en el ms fuerte, el ms rpido y el ms peligroso.

Esta adaptacin del medio a las necesidades humanas ha sido realizada a travs del tiempoempleando los propios recursos naturales para transformarlos en productos articiales que, enprincipio, suplan las carencias fsicas, pero en la actualidad buena parte de los recursos se empleanen suministrar cada vez ms altas exigencias de confort.

El resultado que nos encontramos es la devastacin de los espacios naturales, el agotamiento delos recursos, el deterioro del medio natural y la conversin del planeta en una especie de vertederode los desechos que se producen en la actividad cotidiana de transformacin del medio.

Un ejemplo muy ilustrativo de este modo de proceder del ser humano son los edicios, y suagrupacin, que ha generado el entorno urbano que es el ms el exponente de esa adaptacin delmedio natural a los requerimientos humanos.

Hasta hace relativamente poco tiempo la interferencia que la actividad humana causaba a laevolucin natural era irrelevante, ahora bien, desde la revolucin industrial hasta nuestros das laagresin al medio ambiente ha sufrido un incremento tal que amenaza a la continuidad del propiomedio natural tal como lo conocemos.

Es necesario, por tanto, modicar los comportamientos humanos de modo que alcancen elgrado de sostenibles. Es decir que no hipotequemos a las generaciones futuras dejndoles comoherencia un planeta inhabitable.

Una de las actividades ms agresivas con el medioambiente es la relacionada con elconsumo de energa. Desde la extraccin de las materias primas, el transporte, la transformaciny/o adecuacin de las mismas, as como el consumo nal.

Dentro de los consumos de energa nal, el sector de los edicios es el responsable de unelevado porcentaje, que en funcin de su uso, vara considerablemente en cuanto a la forma nalde la energa requerida, la distribucin porcentual del consumo y el consumo total de energa porunidad de rea.

Las tcnicas de aprovechamiento de los recursos naturales para satisfacer la demanda energticade los edicios se ha mostrado, en no pocos ejemplos prcticos, como de gran eciencia desdetodos los puntos de vista, incluso en el ms exigente que suele ser el econmico.

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INTRODUCCIN

La dicultad de aplicacin de estas tcnicas reside ms que en imposibilidades tcnicas oeconmicas en las que a continuacin se enumeran:

Un desconocimiento generalizado de las mismas por parte de los profesionales involucrados enla construccin de los edicios. Cuando no la oposicin de los mismos por tratarse de unaintromisin en las labores de diseo.

Una falta de informacin en los usuarios nales. La no coincidencia, generalmente, del promotor del edicio y el propietario nal

Esta serie de hechos hace que en la construccin de un edicio la energa no sea un parmetroa tener en consideracin desde el punto de vista del diseo. Quedando la introduccin del mismo ala participacin entre ingeniera y arquitectura para concretar el espacio necesario y localizacindel mismo para albergar los equipos destinados a satisfacer la demanda de energa que tendrn losocupantes del edicio.

La presente gua pretende despertar en el que lo lea el inters hacia un diseo del edicioms acorde con el entorno climtico en el que est inmerso, de modo que aproveche de formaptima aquellas ventajas que le ofrece el espacio fsico y el clima.

No pretende ser exhaustivo en la exposicin, ya que ello nos hubiese llevado a una enciclopediay a invadir campos en los que ya existen excelentes documentos por lo que el resultado hubiesesido bien una copia literal, bien una mala imitacin. Quedar a cargo del lector la vocacin deampliar estos conocimientos en funcin de las necesidades que se le planteen, y siempre podrhacerlo dirigindose a la bibliografa recomendada.

De todos modos existe la pretensin, no sabemos si bien conseguida, de dar dos niveles delectura, siendo ambas didcticas y amenas, pero la primera con una carcter meramentedivulgativo y eminentemente prctico y la segunda de mayor profundidad y con mayorcontenido tcnico. No estn separadas de forma real ya que se encuentran integradas en el mismotexto, ahora bien existe una separacin fsica entre ambas (distinto tratamiento de los textos) loque permitir, en funcin de los intereses del lector saltarse la parte ms rida de formulacinmatemtica o de profundizacin en los fenmenos fsicos.

El documento se estructura en tres partes:

una pequea introduccin (captulo 1) un desarrollo de aspectos bsicos para poder realizar diseos de edicios de calidad energtica

y medioambiental (captulos 2 a 5) una tercera parte en donde se aplican estos conocimientos al diseo de los edicios, tanto en lo

concerniente a la arquitectura, mediante el diseo del edicio, como a la ingeniera, con eldiseo de los equipos generadores y consumidores de energa (captulos 6 a 9).

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EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN. 01

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EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN.

01Las necesidades energticas de un edicio comienzan cuando se extrae la arcilla para la

construccin del ladrillo, o el hierro para la fabricacin de la viga, y terminan cuando el ltimocamin de escombros ha llegado a su destino nal, una vez demolido el edicio. A lo largo de esteproceso se han generado unos gastos energticos, as como unos residuos que han perturbado eldesarrollo natural del sistema ecolgico y alterado en mayor o menor medida el medioambiente.

Siendo conscientes que, para una correcta evaluacin de la repercusin energtica o del impactoambiental del edicio, debe tenerse en cuenta todo este proceso, solo se ha tenido en cuenta larepercusin energtica durante la vida til del edicio, obviando la fase de construccin, lasposibles rehabilitaciones, as como la demolicin del mismo.

Haremos especial hincapi en los aspectos que ataen a la reduccin de la demanda debido alaprovechamiento de los recursos naturales, mediante una serie de criterios de diseo del edicio.Es decir trataremos de sentar las bases para que el edicio aproveche de forma pasiva las ventajasque ofrecen las condiciones climatolgicas del lugar.

A su vez, se dan pautas de actuacin para proteger al edicio de las condiciones exterioresdesfavorables.

Por tanto solo se trata una parte, si bien la ms importante desde el punto de vista del consumoenergtico, del proceso general de la construccin.

EJEMPLOEl uso de materiales aislantes supone un importante benecio para el ahorro deenerga, en cambio la mayora de ellos, sobre todo los comercializados, tienen efectosdainos sobre el medioambiente, tanto en su fabricacin (necesitan de gran cantidadde energa) como en su posterior eliminacin (no son biodegradables y resulta difcilreciclarlos).

Por otra parte, a la hora de cuanticar el perjuicio ambiental del consumo de energa, sernecesario conocer qu tipo de energa primaria se ha usado para cubrir esa demanda (fsil, nuclear,renovable, etc.), ya que las emisiones de gases contaminantes as como la produccin de residuostxicos varan considerablemente de unas a otras.

RECUERDA QUE:Las necesidades energticas del sector de la construccin son de muy diferentendole, debiendo considerarse en el cmputo global, desde la energa consumida parala fabricacin de los diferentes elementos de la construccin, hasta la demolicin deledicio, pasando por la energa necesaria para que el edicio desarrolle la funcinpara la que ha sido construido.

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A pesar de que la demanda energtica de un edicio, en general, no es elevada si la comparamoscon prcticamente cualquier proceso industrial, en cambio si es muy persistente en el tiempo. Losedicios tienen una vida media muy elevada, por lo que los aciertos o errores en la construccinvan a perdurar durante un dilatado periodo de tiempo.

1.1. EL IMPACTO DEL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN

Con el n de ponderar en su justa medida el impacto, tanto energtico como ambiental, queejerce el sector de la construccin, vamos a citar unas cifras que son lo sucientemente ilustrativaspara demostrar la importancia de este sector en comparacin con el computo total.

EJEMPLOEn Francia, el sector de la construccin es el responsable del 45% del consumo deenerga nal, del 25% de emisiones de CO2, del 16% de SO2 y del 5% de NOx. Si,adems de esto se tiene en cuenta que la principal fuente de energa primaria enFrancia es la nuclear, en otros pases, las emisiones de gases perjudiciales para elmedio ambiente pueden ser considerablemente mayores. Asimismo, genera 25millones de toneladas de desechos al ao. Todas estas cifras consideran el procesocompleto de la vida del edicio.

Si centramos la atencin exclusivamente en lo que atae a esta gua, es decir, en el consumoenergtico del edicio durante su vida til (eliminando los procesos industriales de extraccin yfabricacin de los materiales de construccin, el proceso constructivo en si mismo, as como lademolicin del edicio), el consumo energtico asociado a los edicios (residenciales y noresidenciales) se cifra en ms del 40% para el conjunto de la UE, y, dadas las caractersticasclimticas y sociales espaolas, y en particular las de Castilla-La Mancha en el 21% sobre el totalconsumido (gura 1.1).

Figura 1.1. Evolucin del consumo nal en Castilla-La Mancha.

Por otro lado, el censo de edicios de Castilla-La Mancha era en 1990 de 630.760 edicios, delos cuales 36.442 eran destinados a usos diferentes del residencial: Este volumen de edicios

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1.1. EL IMPACTO DEL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN

01supone que pequeos ahorros unitarios en el sector signican grandes ahorros a escala global. Portanto, cuando se consiga reducir ligeramente el consumo por m2 de edicio, supondr un granahorro.

A modo de primera conclusin rme, se puede asegurar que el consumo de energa en losedicios es muy importante, y cualquier ahorro que se consiga en los mismos sera muybenecioso, tanto en el mbito econmico como medioambiental.

Dentro de los diferentes usos nales de la energa demandada en el sector residencial yservicios, la distribucin de ese 21% de Espaa se distribuye del siguiente modo:

Residencial (viviendas): 64%

Comercial y servicios: 27%

Administracin: 7,5%

Alumbrado pblico: 1,7%

Una segunda cuestin es averiguar qu tipo de energa primaria se est utilizando para supliresa demanda energtica, ya que dependiendo del tipo de energa primaria el consumo ser mas omenos perjudicial para el medio ambiente.

Atendiendo al ujo energtico de Castilla-La Mancha, en el sector residencial y servicios(consumo energtico en edicios) las cifras fueron las que se presentan en la gura 1.2.

Figura 1.2. Distribucin por fuentes de energa primarias del consumo en el sector de edicios. FuenteAGECAM, S.A.

Atendiendo a esta distribucin y teniendo en cuenta que las emisiones de CO2 paracada una de estas fuentes de energa son las que se reejan en la gura 1.3, podemosconcluir asimismo que no solo el consumo energtico en edicios es alto, sino que, adems, espeligroso, pues los combustibles usados emiten una gran cantidad de CO2 a la atmsfera.

Figura 1.3. Emisiones de gases contami-nantes de diferentes fuentes de energa.

Fuente primaria CO2 Partculas SO2 CO NOxGAS 0,21 0,05 0,02 0,56 2,2

PETRLEO 0,29 0,27 9,5 0,6 2,7

SLIDOS 0,34 8,0 20 35 5

ELCTRICO 0,70

En esta tabla se contempla el CO2 como un gas contaminante, debido a que si, directamente noproduce efectos tan espectaculares como el SO2, NOx, CO, (lluvia cida, y efectos perniciosossobre la salud de la poblacin), si es segn la mayora de los estudios cientcos realizados elcausante del efecto invernadero que se est produciendo en la atmsfera, que es el responsable delcalentamiento de la Tierra.

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Esta advertencia va dirigida a rehuir la publicidad engaosa de fuentes de energa limpias, yaque en todo proceso que exista una combustin produce como elemento residual CO2, por tanto noes una energa limpia.

De hecho, la Directiva SAVE de la Unin Europea ha dedicado, y dedica, importantes fondospblicos para nanciar proyectos que reduzcan la emisin de CO2 a la atmsfera as como tambinobliga a los pases miembros a tomar medidas legales para reducir dichas emisiones.

En lo referente exclusivamente a edicios, la Unin Europea ha aprobado la Directiva2002/91/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 16 de Diciembre de 2002 relativa a laeciencia energtica de los edicios.

Dicha certicacin exige que todos los edicios de nueva construccin, as como sobre losantiguos que se vaya a realizar una rehabilitacin importante, una eciencia energtica mnima enfuncin de una metodologa de anlisis.

Simultneamente el Cdigo Tcnico de la Edicacin, al amparo de la Ley de la Ordenacin dela Edicacin, sustituir en breve a la antiguas Normas Bsicas de la Edicacin, actualmentevigentes de forma transitoria. En este Cdigo se incrementan las exigencias mnimas que debancumplir los edicios, entre otras, en sus condiciones trmicas.

RECUERDA QUE:El sector de la construccin es un importante consumidor de energa, El sectorresidencial es el mximo consumidor dentro de los edicios. Debido al elevadovolumen de edicios, pequeos ahorros a escala individual supondran grandesahorros a escala global.

1.2. LA DEMANDA ENERGTICA DEL EDIFICIO

Llamamos demanda energtica de un sistema (ya sea un edicio o cualquier otro) a la energaque necesita para realizar su funcin. Esta energa es suministrada por un equipo que tiene unrendimiento determinado y, por tanto, necesita ms energa que la estrictamente necesaria (2o

Principio de la Termodinmica) para suministrar la demanda. A la energa consumida por el equipopara suministrar la demanda la llamaremos consumo. El consumo atiende pues a la relacinsiguiente entre la demanda y el rendimiento del sistema suministrador de energa:

CONSUMO =DEMANDA

RENDIMIENTO(1.1)

Nuestro objetivo es reducir el consumo de energa en los edicios, para ello debemos disminuirla demanda y / o aumentar la eciencia. Para ver cul de los dos aspectos muestra mayor inters,vamos a trazar una grca en donde se ilustra cmo afectan al consumo las variaciones de ambasmagnitudes (demanda y rendimiento).

Suponemos un edicio que inicialmente tiene un consumo C0, una demanda D0 y un sistema energtico derendimiento R0 (por tanto, C0 = D0/R0). Actuamos sobre el edicio de tal manera que disminuimos sudemanda en una cantidad d, y aumentamos el rendimiento de los equipos en una cantidad r, por tanto sunuevo consumo ser:

C =D0 dR0 + r

= C01 d1 + r

0 d 10 r (1.2)

donde hemos llamado d = d/D0yr = r/R0En la gura 1.4 se representa la evolucin de C/C0 (consumo) en funcin de las nuevas variables d y r.

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1.3. EL ORIGEN DE LA DEMANDA EN EL EDIFICIO

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Figura 1.4. Evolucin del consumo en funcin de aumentar el rendimiento de los equipos o disminuir la demandadel edicio.

A tenor de la grca, puede concluirse que es mucho ms eciente disminuir la demandadel edicio que aumentar el rendimiento de los equipos, si bien la optimizacin se consiguerealizando ambas acciones simultneamente.

Adems, para evaluar el impacto de un determinado equipo, no solo hay que atender a laenerga que se le ha suministrado para cubrir la demanda, sino que hay que considerar la fuente deenerga primaria utilizada para este n.

EJEMPLOUna bomba de calor alcanza rendimientos muy altos (si bien el concepto derendimiento se pierde un tanto en la bomba de calor), que pueden ser cecanos a 6 (esdecir de cada Kwh elctricos suministrado se obtienen 6 Kwh trmicos). Una calderade condensacin, en cambio, tiene un rendimiento alrededor de 0,95. Pero la bombade calor usa energa elctrica, que en su produccin y distribucin tiene rendimientosprximos a 0,3, y atendiendo a la gura 1.3 produce elevadas emisiones de CO2. Porotro lado la produccin y distribucin del gas natural son muy ecientes, y ademssu consumo es menos contaminante.

Todos estos detalles deben tenerse en consideracin en el momento de evaluar las estrategias dedisminucin del consumo de un edicio; lo que s es evidente es que la reduccin de la demanda deledicio, adems de ser ms eciente no est ligada de una forma directa a un aumento del impacto am-biental. Por ello pondremos especial nfasis en la disminucin de esta demanda a lo largo de esta gua.

RECUERDA QUE:La reduccin de la demanda de un edicio es el modo ms ecaz de reducir suconsumo. Es un ahorro directo, pues la energa que no necesita el edicio no sesuministrar.


En los edicios vara considerablemente la demanda de energa dependiendo de su funcin, asun edicio comercial presenta una demanda muy diferente, tanto en la calidad como en ladistribucin temporal, a la de una vivienda. Las necesidades de iluminacin en un centro comercial

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son muy elevadas y la demanda de agua caliente sanitaria (ACS en adelante) es muy baja. Sinembargo, en una vivienda, este tipo de demanda se invierte,

En general, la demanda en los edicios es, bsicamente de tres tipos:Trmica, para satisfacer los requerimientos de ACS, calefaccin y refrigeracin.Luminosa, para los requerimientos de confort lumnico.Elctrica, para las aplicaciones (diferentes aparatos),

El tipo de energa que se use para suplir estas demandas variar de un edicio a otro (puedeser completamente elctrica, solo en parte y la trmica sea suministrada por una caldera degas, gasleo, etc.).

La demanda energtica de un edicio vara ostensiblemente dependiendo de varios factores quebsicamente podemos clasicar en los siguientes:

1. El clima. Es evidente que los gastos en calefaccin, para dos edicios idnticos, aumentar enclimas fros, por el contrario los gastos de refrigeracin sern superiores en climas clidos.

2. La funcin. Un edicio de ocinas tendr necesidades muy diferentes en calidad y cantidad deenerga que una vivienda, un hotel o un hospital. La demanda variar asimismo de formadiferente a lo largo del da.

3. La calidad de la construccin. Dos edicios en un mismo clima presentan consumosdiferentes debido a la calidad tanto de los materiales como del acabado. Un edicio con unacarpintera muy mala presentar inltraciones muy elevadas frente a otro de buena carpintera.

4. El diseo del edicio. Las ganancias solares, que dependen de la orientacin de los huecos,la posibilidad de generar ventilaciones, etc., son conceptos de diseo que nada tienen quever con la calidad de la construccin y que, en cambio, tienen una posibilidad de ahorroenergtico superior al 50%.

5. El uso o manipulacin que los ocupantes hacen del mismo (desde la manipulacin manualhasta un sosticado diseo de control automtico). La optimizacin de la operacin deledicio es un factor crtico para la consecucin de ahorros de energa.

Todos estos factores harn que la demanda energtica del edicio vare considerablemente,tanto en la cantidad de energa como en la distribucin horaria a lo largo del da.

Para el acondicionamiento trmico del edicio (calefaccin/refrigeracin), considerando unedicio convencional entendiendo por tal, un edicio construido segn las costumbres constructivasde cada lugar las demandas globales varan dependiendo de todos los factores antes mencionados.

A continuacin, en la gura 1.5 se dan las demandas de refrigeracin para una viviendaadosada variando su posicin a lo largo de la geografa espaola.

En la gura 1.6 se da la relacin entre calefaccin y refrigeracin de esta misma vivienda.

Figura 1.5. Demanda de refrigeracin de unavivienda adosada. Fuente: Natural Cooling Te-chnology Assessment, Atlas for Southern EuropeCountries, SINK PROJECT.

Figura 1.6. Relacin entre la demanda de refrige-racin y de calefaccin de una vivienda adosada,Fuente: Natural Cooling Technology Assessment,Atlas for Southern Europe Countries, SINK PRO-JECT.

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01Es interesante distinguir que las zonas geogrcas que necesitan tanto calefaccin como

refrigeracin no dependen exclusivamente del clima, sino tambin del tipo de edicio; es decir, noexisten unas zonas geogrcas perfectamente delimitadas en las que sea posible especicar dndees necesaria la calefaccin y dnde no lo es, sino que esta zona vara dependiendo del tipo deedicio al que nos reramos,

Por otra parte, la demanda de energa para ACS es prcticamente despreciable en ediciosdiferentes de los residenciales, pero en estos adquiere una importancia considerable. Como reglageneral, se estima la demanda de agua caliente sanitaria (ACS en adelante) en una viviendaalrededor de 40 litros por habitante y da, siendo ste un nmero bien acotado para no dimensionaren exceso el sistema de produccin de esta agua sanitaria.

No obstante esta demanda es asimismo, funcin de la temperatura del agua de red, que dierede una localidad a otra y de una estacin a otra dependiendo de las condiciones climticas.

Figura 1.7. Distribucin por sectores del consumo deelectricidad en Castilla-La Mancha. Fuente AGECAM,S.A.

Por ltimo, la demanda de energa elc-trica es muy alta debido a que la mayorade los aparatos (independientemente deltipo de edicio de que se trate) funcionancon energa elctrica, si bien la distribucintemporal vara enormemente de un tipo deedicio a otro. De hecho el consumo elc-trico en los edicios es el ms elevado detodos los sectores (ms que la industria).

Adems de estos consumos globales, segn un estudio de Red Elctrica Espaola, el parque deviviendas espaol es el responsable del 34,1% de la demanda elctrica en la hora punta del da dedemanda mxima, como se reeja en la gura 1.8.

Figura 1.8. Usos en la hora de mxima demanda depotencia (Fuente: Red Elctrica Espaola: InformeAnual 1996)

Segmentos / Usos Peso en horapunta (%)

Residencial 34, 1

Calefaccin 11, 2

Iluminacin 8, 9

TV 4, 1

Frigorco 2, 5

Agua caliente 2, 0

Lavadora 0, 6

Lavavajillas 0, 4

Otros usos 4, 5

Industriales interrumpibles 10, 5

Restauracin 3, 3

Resto 52, 3

Atendiendo a los valores de la gura 1.8, la demanda elctrica mxima en residencial se debe ala calefaccin, a pesar de que la mayora de los sistemas de calefaccin en Espaa usan energasfsiles (gas, carbn, gasleo). Si stas estuviesen consideras en la tabla la repercusin sera muchomayor.

Estos datos dan una idea de cul es la repercusin energtica del acondicionamiento trmico delos edicios.

En esta gua se va a hacer especial hincapi en la reduccin de la demanda del ediciopara el acondicionamiento trmico (es decir, en calefaccin y refrigeracin), basndose en

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criterios de diseo arquitectnico; asimismo se tratar de marcar las pautas para seleccionarlos equipos ms adecuados a cada necesidad.

A travs de un buen diseo, combinado con una buena calidad de la construccin, se puedellegar a optimizar el aprovechamiento de los recursos naturales, de tal modo que, con aportesmnimos (o incluso nulos) de energa convencional, el edicio se mantenga dentro de los rangos deconfort exigidos por las personas durante todas las pocas del ao y durante todas las horas del da.

RECUERDA QUE:La demanda en los edicios se produce fundamentalmente debido al acondicionamientotrmico, al agua caliente sanitaria y a la iluminacin.

RESUMEN1. El consumo energtico en el sector de la construccin es muy elevado, llegando

al 40% en la UE y al 21% en Espaa y tambin en Castilla-La Mancha, estandoexcluida en estas cifras la energa consumida para la fabricacin de materiales yla demolicin del edicio,

2. El tipo de energa primaria que se consume en el sector de la construccin emiteuna gran cantidad de CO2 a la atmsfera, con lo que es muy perjudicial para elmedioambiente,

3. La reduccin de la demanda en el edicio a travs del diseo se presenta comouna medida muy eciente, que combinada con el aumento de la ecacia de losequipos de suministro de energa presentara ahorros verdaderamente importantes.

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DECALOR 02

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

02Abordar el diseo de un edicio es una tarea compleja ya que la cantidad de parmetros quedeben tenerse en consideracin es muy elevada. A pesar de ello, la inclusin de la energa como unparmetro importante a tener en cuenta, debe convertirse en una prctica habitual en el proceso dediseo.

Para ello es imprescindible tener conocimientos bsicos de transmisin de calor y aplicarlos demanera inteligente, original y atrevida en el diseo del edicio. Ello dar, sin duda, ediciosatractivos desde el punto de vista esttico y, lo que es ms importante, edicios confortables, debajo coste energtico y ms sostenibles.

Desde el punto de vista energtico, que es el que nos atae, puede considerarse al ediciocomo un sistema termodinmico limitado por unas paredes diabticas (permiten el intercambio deenerga y de masa) y que est sometido a una serie de fuerzas (condiciones climticas y equiposmecnicos) que determinan su evolucin trmica a lo largo del tiempo.

El edicio acta como un ltro que modula las condiciones exteriores, generando en su interiorun microclima especial que pretende satisfacer las necesidades del ser humano. Esta modulacin seproduce amortiguando y desplazando la onda trmica exterior. De hecho la pretensin del edicioes mantener invariantes, y dentro del rango de confort, las condiciones de temperatura, humedad ycalidad del aire interior independientemente de las condiciones exteriores. Si todo ello se consiguecon un consumo de energa mnimo estaramos hablando de un edicio ideal.

Esta modulacin se produce a travs de los mecanismos de transferencia de calor y masa, cuyascausas principales son:

1. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior que provoca un ujo de energa entreambos ambientes.

2. La radiacin solar que produce unas ganancias de energa en el espacio interior.3. La generacin o absorcin de energa por los equipos de climatizacin del edicio.4. La diferencia de presin entre el interior y el exterior que produce un ujo de aire.5. Las ganancias internas producidas por la disipacin de calor de los equipos y de los propios

ocupantes.

Los mecanismos fundamentales que producen el trnsito de energa desde el edicio hacia elexterior o viceversa son los siguientes:

1. La conduccin, debida a la diferencia de temperatura entre las partes slidas del edicio.2. La conveccin, entre las partes slidas del edicio y el aire, tanto interior como exterior.3. La radiacin, captada a travs de los vidrios expuestos al sol.4. El intercambio de masas de aire a diferente temperatura y humedad, entre el interior y el

exterior.

Como se ve, las fuerzas que producen el trasiego de energa desde un punto a otro del edicio,o desde el edicio al exterior, son de dos naturalezas: El clima y los equipos acondicionadoresinstalados, ya sean generadores de energa (calderas, aire acondicionado, etc.) o para mover el aireinterior (ventiladores).

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2.1. LA CONDUCCIN TRMICA EN ELEMENTOS SLIDOS.

La conduccin de calor se produce en los elementos slidos. El ujo de energa se transerede modo natural desde los puntos ms calientes del slido a los ms fros. En sistemas aislados(en aquellos en que no existe transferencia de energa ni masa con los alrededores) este trasiego decalor se usa para aumentar la temperatura de los puntos fros disminuyendo la de los puntoscalientes, hasta que se igualen ambas, con lo que se llegara al equilibrio trmico. Este estado enun sistema aislado no se abandona de forma espontnea.

La ley que rige los ujos de calor entre dos puntos de un slido a diferente temperatura es la conocidacomo ley de Fourier, expresada en la ecuacin (2.1):

(r, t) = T(r, t) (2.1)donde (r, t) es el ujo de calor del elemento de slido situado en el punto r, en el tiempo t, cuyo valordepende de la conductividad trmica del slido () y del gradiente de temperaturas en el punto.

En la gura 2.1 se presenta el sentido del ujo de calor dependiendo del gradiente detemperatura en el slido.

Figura 2.1. Flujo de calor por conduccin tridimensional.Figura 2.2. Flujo de calor unidimensio-nal.

En el edicio, las paredes, techos y suelos son slidos, en general heterogneos, compuestospor diferentes capas, cuyo principal fenmeno de intercambio de energa es la conduccin del calor.

Generalmente, y dado que en estos elementos son supercies planas, el principal ujo de calor se produceen el sentido perpendicular al plano (ver gura 2.2), por lo que la ecuacin de Fourier se simplica,pasando del fenmeno tridimensional al unidimensional, lo que se expresa en la ecuacin (2.2).

(x, t) = Tx

(x, t) (2.2)

Aplicando el principio de conservacin de la energa en un volumen del slido, el aumento de energainterna del mismo es igual a la diferencia de ujos que entran y salen. La energa interna del slido estligada a su capacidad calorca (cp), y a su densidad, de tal modo que el aumento de energa interna (o enotras palabras la cantidad de calor almacenado en el slido) es la diferencia del ujo de calor entrantemenos el saliente.En un volumen innitesimal, la ecuacin de calor unidimensional es:

cpTt= 2Tx2

(2.3)

La ecuacin (2.3) tiene solucin analtica en muy pocos casos, con lo que usualmente se resuelve pormtodos numricos.

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2.1. LA CONDUCCIN TRMICA EN ELEMENTOS SLIDOS.

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Considerando que se ha alcanzado el estado estacionario (el valor de la temperatura no depende del tiempo),y para valores constantes de la temperatura supercial en ambas caras, el ujo a travs de la pared seexpresa, tomando la ecuacin (2.4), como:

q =

L(T(L) T(0)) (2.4)

Al trmino L/ se le llama resistencia trmica.

En muros heterogneos, es decir aquellos que estn conformados por ms de un tipo de material (ver lagura 2.3), la resistencia trmica total es la suma de las resistencias trmicas parciales. Por tanto, paracalcular la resistencia trmica de un muro de varias capas se emplear la relacin

RT =i

Ri =i

Lii

(2.5)

Figura 2.3. Composicinde un muro multicapa tpicode la construccin.

Ladrillo caravista

Enfoscado de cemento

Aislamiento

Tabicn

Enlucido de yeso

Como se observa, si se introduce un elementoaislante en el muro de varias capas, al sersu conductividad baja (resistencia alta) elvalor del cociente aumentar, mientras quepara el resto de las capas este cociente serpequeo. Por tanto, en el computo globalel trmino dominante ser el del materialaislante, y este trmino ser mayor cuantoms espesor tenga la capa.

Realmente, la ecuacin de la conduccin estridimensional, y considerarla unidimensionalpuede llevar a errores en la estimacin dela cantidad de ujo energtico que atraviesaun componente, sobre todo si existen los

denominados puentes trmicos. Este fenmeno se produce por la intrusin en un componente (una pared exterior, porejemplo) de un elemento ajeno a la misma (por ejemplo, una viga). Entonces, debido a la diferencia de conductividadde los dos materiales, la energa se transere a travs del material que menos resistencia trmica ofrece. Es decir,se calentara, o enfriara ms el material cuya conductividad fuese mayor.

En la gura 2.4 se presenta un esquema de lo que se conoce como puente trmico. Para evitarlo debe emplearse unacapa de material aislante que aumente la resistencia trmica del conjunto hasta los mismos niveles que el resto de lapared, como se aprecia en la gura 2.5. Un problema semejante puede llegar a ocurrir por una colocacin defectuosa delmaterial aislante, ya que si se coloca de tal modo que existen zonas con una resistencia trmica diferente, estas zonastendern a enfriarse o calentarse de modo diferente en el tiempo que el resto del componente.

Figura 2.4. Puente trmico. Figura 2.5. Puente trmico corregido.

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RECUERDA QUE:La conduccin es un mecanismo de transferencia de calor entre partes de un slido adiferente temperatura. Este fenmeno produce continuas transferencias de calor atravs de todos los cerramientos (muros, ventanas, techo y suelo) desde el ediciohacia el exterior en invierno, y desde el exterior al edicio en verano. Un niveladecuado de aislamiento en los paramentos exteriores (norma bsica espaolaNBE-CT-79 o el nuevo Cdigo Tcnico de la Edicacin) reduce considerablementela demanda energtica del edicio.

2.2. LA CONVECCIN ENTRE SLIDOS Y EL AIRE.

El aire que conna un edicio no est esttico, sino que uye entre las diferentes zonas deledicio o entre el interior y el exterior del mismo. Las fuerzas que producen este movimiento sonde dos tipos, puede deberse a la diferencia de temperaturas entre las zonas del edicio o entre elinterior y el exterior (presin esttica) o la velocidad del aire exterior (presin dinmica). Almovimiento producido por esta causa se le conoce como conveccin natural.

El movimiento del aire puede deberse a equipos mecnicos (ventiladores) que inducen unasobrepresin en el interior del edicio. A este movimiento se le conoce como conveccin forzada.

En general, los movimientos de los uidos estn regidos por la ecuacin de Navier-Stokes que, aun en losproblemas ms sencillos, tiene una difcil solucin (incluso numrica) y que, adems depende de una seriede parmetros cuyos valores son poco ables o incluso desconocidos.

Por otra parte, dado que el inters que nos mueve es conocer la cantidad de energa transferida por elmovimiento del aire entre los slidos y el aire, nos limitaremos a utilizar relaciones empricas que handemostrado suciente aproximacin para resolver el problema.

EJEMPLOPara evitar un exceso de prdidas de energa por conveccin se protegen los ediciosde las corrientes de viento fras del invierno: Presentando supercies pequeas uopacas a estas orientaciones, enterrando las caras del edicio expuestas al viento, ousando cualquier pantalla (rboles por ejemplo) para evitar una exposicin excesivadel edicio.

Usaremos pues una relacin similar a la de Fourier, en donde el ujo de calor entre un slido y el aireviene dado por la ecuacin (2.6):

= h(Ts Ta) (2.6)donde es el ujo de energa por unidad de rea (W/m2), h es el coeciente de intercambio convectivoentre un slido y el aire (en general cualquier uido). Ts es la temperatura del slido en la supercie encontacto con el aire, Ta es la temperatura del aire lejos de la pared.

Cuando el estudio se reere a aspectos de intercambio de calor, sin importar el mecanismo que los haproducido (es decir, interesa ms cunto que cmo) se usan valores estndar para el coeciente deconveccin h, que usualmente son fruto de relaciones empricas. As, por ejemplo, es usual tomar lossiguientes valores de h para las condiciones exteriores:h = 3,04 (v + 6)0,605 a sotaventoh = 8,0 v0,605siv > 2 m/2h = 12,24siv < 2 m/ssiendo v la velocidad de viento.

Para condiciones interiores, se suele tomar constante con valor de 4 W/mC.

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2.3. INTERCAMBIO RADIANTE

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Con estas consideraciones, para evaluar la cantidad de energa total que atraviesa un muro, el clculo dadoen la ecuacin (2.4) debe completarse con el dado por la ecuacin (2.6).

Entonces, para evaluar dicho ujo, la resistencia trmica efectiva del muro se dar a travs de la ecuacin:

RT =

i

Lii+

1hi+

1he

(2.7)

Donde hi y he son respectivamente los coecientes de conveccin de la cara interna y de la cara externa.

Con este sencillo clculo, repetido para todos los paramentos del edico se puede obtener la cantidad deenerga que el edicio perder (o ganar en el caso de verano) por un efecto combinado de la conduccin yla conveccin.

Est forma de clculo es la que se recomienda en la actual norma, en vigor de forma transitoria,(NBE-CT-79) para el clculo de las prdidas de energa a travs de los cerramientos. Asimismo se conservaeste tipo de clculo en el Cdigo Tcnico de la Edicacin que entrar en vigor, sustituyendo a las NormasBsicas de la Edicacin (NBE), de forma inminente.

RECUERDA QUE:La conveccin es un mecanismo complementario de la conduccin, el trasiego decalor desde el edicio hasta el exterior se completa con la conveccin. Para evitarprdidas excesivas por este fenmeno deben protegerse los paramentos exteriores delas corrientes de viento fras.

2.3. INTERCAMBIO RADIANTE

As como los fenmenos anteriores requieren de un medio fsico para la transferencia energtica,en el caso de la radiacin cualquier cuerpo en cualquier situacin emite energa que dependeexclusivamente de su temperatura, supercie y propiedades pticas. A esta energa se la conoce porexcitancia radiante o emitancia M.

Figura 2.6. Esquema de los diferentes procesos de transferencia de la energa radiante.

La cantidad de energa por unidad de rea que emiten viene determinada por la ley de Stefan-Boltzman,segn la cual:

M = T 4 (2.8)

donde es una constante y es la emisividad, que depende del material del emisor y de la longitud deonda de la radiacin.

Dado que los cuerpos no se presentan aislados en el espacio, entre ellos se intercambia energa radiante queno slo depende de la temperatura y emisividad, sino que, adems existen otras dos propiedades pticas quedeterminan la cantidad de energa radiante que un cuerpo recibe de otro.

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Estas son:

La absortividad (), que es la fraccin de energa que el cuerpo absorbe. La transmisividad (), que es la fraccin de energa que atraviesa el cuerpo. La reectividad (), que es la fraccin de energa reejada por el cuerpo.

Estas tres propiedades pticas estn relacionadas entre s, de tal modo que para un cuerpo dado se cumpleque:

+ + = 1 (2.9)

Si suponemos dos cuerpos aislados, la cantidad de energa que intercambian entre ellos depende de ladisposicin espacial de los mismos y de su forma geomtrica, ya que toda la energa radiante emitida por uncuerpo no es interceptada por el otro. A la cantidad de energa interceptada por el cuerpo B que emite elcuerpo A se le denomina factor de forma de B con respecto a A y se le representa por FBA, y que, porrelaciones sencillas, se puede deducir que nicamente depende de la conguracin geomtrica de amboscuerpos. Es obvio que el valor mximo de FBA es 1, ya que no puede interceptarse ms energa que la quese ha emitido.

EJEMPLOLa fachada de un edicio expuesta a la radiacin solar experimenta un aumentoconsiderable de temperatura por la absorcin de energa. Este aumento de temperaturaaumenta la conduccin hacia el interior del edicio. Si la fachada no tiene unaislamiento adecuado aumentar considerablemente la temperatura interior. Esteefecto ser benecioso en invierno, pero en verano la supercie interior a temperaturaelevada produce, tanto por conveccin como por radiacin una aumento de latemperatura interior que podra resultar desagradable.

Si tenemos varias supercies radiantes, stas intercambian energa radiante entre s a travs delos diferentes mecanismos; es decir, una supercie recibe energa que absorbe, transmite y reeja, ala vez que est emitiendo energa. El balance total sobre esta supercie debe completarse con losfenmenos de conduccin y conveccin para llegar a predecir su evolucin trmica.

La principal contribucin del ujo radiante en un edicio es el que se establece entre el edicioy el sol. Las ganancias solares se consiguen fundamentalmente a travs de las supercies vidriadas.El vidrio no absorbe apenas radiacin de onda corta (radiacin solar), por lo que permite su pasohacia el interior del edicio, calentando las supercies interiores, sobre todo el suelo.

En captulos posteriores se explicarn tcnicas para optimizar el aprovechamiento de laradiacin solar, as como para evitarla en condiciones de verano.

RECUERDA QUE:El intercambio de calor por radiacin se establece entre supercies separadas adistinta temperatura. La generacin de supercies calientes en invierno o fras enverano es un buen mtodo para proporcionar condiciones de confort en los edicios.El principal intercambio de energa radiante se produce entre el edicio y el sol.

2.4. INTERCAMBIO LATENTE Y SENSIBLE

Cuando dos masas de aire de diferente procedencia se mezclan, se produce un intercambio deenerga debido a dos causas:

1. La diferencia de temperatura.2. La diferencia de humedad.

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UserResaltado

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2.4. INTERCAMBIO LATENTE Y SENSIBLE

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La temperatura y humedad resultantes dependern de la cantidad de materia de cada una de las masas deaire, y del estado higrotrmico de las mismas.

Al intercambio de energa debido a la diferencia de temperaturas se le conoce como latente, y a ladiferencia de humedad como sensible.

En un edicio, existe un intercambio continuo de aire entre el exterior y el interior,fundamentalmente a travs de las rendijas de la carpintera, cuando el intercambio no es voluntario;o a travs de la ventilacin, bien mecnica bien natural, cuando el intercambio es voluntario eincluso controlado.

La cantidad de energa que interviene en el trasiego de aire depende de:

1. El volumen de aire intercambiado2. La diferencia de temperatura y humedad que existe entre los dos ambientes (exterior e interior).

El ujo de energa viene dado por la relacin:

q = VCp(Tint Text)

Siendo V el volumen de aire intercambiado, su densidad y Cp su calor especco.

Dado que el aire tiene una densidad muy baja (alrededor de 1Kg/m3) y un calor especco tambin bajo(1,28 J/kgC), para que los ujos de energa sean considerables debe intercambiarse un volumen muyelevado. En cambio, como se ver en el prximo captulo, produce efectos muy perjudiciales en invierno ymuy beneciosos en verano para alcanzar el estado de confort trmico. Tales efectos son debidos no a lacantidad de energa intercambiada entre el edicio y el exterior, sino al intercambio entre el cuerpo humanoy su entorno inmediato, que es muy sensible a la velocidad del aire.

El ujo continuo de una masa de aire desde el exterior hacia el interior del edicio es unafuente de prdidas muy importante, tanto ms cuanto mayor sea el volumen de aire intercambiado.As pues, es fundamental el uso de buenas carpinteras para evitar las inltraciones. Durante elverano las consecuencias de las inltraciones no son tan importantes como en invierno.

El intercambio sensible se produce cuando una masa de aire seco se humidica y hace queaumente su humedad relativa.

El proceso de humidicacin del aire consiste en la evaporacin de agua para que cambie a la fase devapor. Para que se produzca la evaporacin es necesario transferir una gran cantidad de energa al agua (570caloras por gramo).

Esta energa se extrae del aire que recibe el agua, de tal modo que se enfra. En la captulo 4 se explica condetalle el estado higrotrmico del aire, de modo que en sta nicamente mencionamos el efecto y supotencial de enfriamiento de las condiciones del aire.

Este fenmeno se pone de maniesto en los patios andaluces, que suelen tener estanques ofuentes para humidicar el aire seco de la regin de modo que baja su temperatura. Este efectocombinado con la proteccin solar que proporciona el propio patio consigue reducciones muyimportantes de la temperatura del aire en climas secos y calurosos.

Es evidente que en climas hmedos este fenmeno es muy poco eciente debido a la bajacapacidad del aire ambiente para evaporar el agua (el aire ambiente est ya saturado de vapor deagua).

Este tipo de tcnica para refrigerar el aire debe tratarse con sumo cuidado, pues las condicionesde confort trmico tienen una dependencia importante con la humedad (para conseguir lascondiciones de confort en un ambiente hmedo, la temperatura del aire debe ser ms baja que enuno seco), por ello este tipo de tcnica no debe humidicar el aire ms all del 6070% dehumedad relativa, lo que limita el uso de esta tcnica a climas muy secos.

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En Castilla-La Mancha el clima es, en general, extremadamente seco durante el verano, por loque el potencial de enfriamiento del aire por tcnicas de humectacin del aire seco puede alcanzargrandes rendimientos. En su contra estas tcnicas tienen el inconveniente que requieren de elevadascantidades de agua para su funcionamiento, y el agua es un bien escaso y que en consecuenciadebe preservarse de forma especial.

En el Captulo 7 se estudiar el enfriamiento del aire por humectacin, y se analizar elrendimiento de esta tcnica en diferentes condiciones.

RECUERDA QUE:Los intercambios de aire con el exterior son un importante foco de prdidasenergticas en invierno. La humidicacin de aire en climas secos es una fuente derefrigeracin del ambiente interior de los edicios.

RESUMENEl conocimiento de los fenmenos de transmisin de calor es la base para eldesarrollo de componentes especiales que aprovechen los recursos naturales para elacondicionamiento trmico de los edicios.

A partir de la formulacin matemtica, simple en la mayora de los casos, sepuede obtener informacin fundamental para optimizar el diseo del edicio, demodo que se obtenga como resultado la mnima demanda posible. La informacinextrapolada a partir de los fenmenos de calor es de dos naturalezas distintas, perocomplementarias:

a) Cules sern, debido a las condiciones climticas de la zona donde se construirel edicio, los principales fenmenos de transferencia energtica entre el edicioy el exterior

b) Qu parmetros tienen inuencia sobre estos mecanismos y por tanto nosaportarn soluciones de diseo encaminadas a modicar los valores de estosparmetros con el n de potenciar o disminuir la transferencia de calor.

Toda esta informacin debe complementarse con unos conocimientos, por partedel diseador, de las caractersticas trmicas de los materiales de construccin, yde las tcnicas de diseo pasivo que le permitirn sacar el mximo partido a lascondiciones naturales para acondicionar el edicio.

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CONDICIONES EXTERIORES. VARIABLESMETEOROLGICAS 03

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CONDICIONES EXTERIORES. VARIABLES METEOROLGICAS

03En cualquier edicio desde la fase de diseo hasta la explotacin para la que fue concebido,

se debe tener en cuenta, desde un punto de vista energtico y de confort trmico, los efectosdel clima sobre la evolucin termodinmica del sistema. Puesto que los elementos pasivosson parte integrante de la construccin, cuando no la propia construccin, es necesario tomaren consideracin los datos solares y climatolgicos desde el principio de la concepcin y entodas y cada una de las etapas del proyecto. El objeto de esta captulo es sealar los aspectos ocaractersticas generales de mayor inters asociados a las variables meteorolgicas que inciden deforma ms acusada en la evolucin trmica del edicio.

3.1. RADIACIN SOLAR

La radiacin solar que llega hasta nosotros, aportando luz y calor, establece los ciclos naturales tales comoel ciclo del carbono y el agua, dando indirectamente lugar al resto de las formas de energa natural; es decir,toda la actividad atmosfrica tiene como fuente energtica al Sol. La distinta distribucin de la radiacinsobre la supercie terrestre crea los gradientes necesarios para movilizar la atmsfera y provocar susintercambios con el suelo.

La atmsfera, que reeja, absorbe y transmite la radiacin solar recibida har que esta radiacinsea menor en el suelo (del edicio) que la recibida en su supercie exterior. Asimismo, la radiacinque incide sobre la envolvente del edicio es, en parte, reejada de nuevo hacia el exterior, en parte,transmitida hacia el interior a travs de huecos y ventanas, y en parte, absorbida por el edicio ytransformada en energa trmica, contribuyendo de este modo al balance energtico del edicio.

El conocimiento de la irradiancia solar global sobre los distintos paramentos del ediciose hace imprescindible. Sin embargo, raro ser que dispongamos de datos de sta magnitudpara cualquiera de los paramentos que podamos imaginar, siendo en consecuencia necesaria suestimacin a partir de otras magnitudes como son la irradiancia solar global y directa de las que,con suerte, s dispondremos.

El objetivo de este apartado consiste en introducir cuantos conceptos y aspectos relativos altema consideramos necesarios para proceder a la estimacin de la irradiancia solar global sobre unasupercie arbitrariamente inclinada y orientada.

3.1.1. Movimiento solar

Necesitamos referir las posiciones relativas del Sol y de la Tierra.

Y por simplicidad, adoptaremos el modelo planetario de Ptolomeo, es decir, se supone que el Sol describeun movimiento aparente de rotacin en torno a la Tierra; esto equivale a introducir ciertas perturbaciones enla velocidad de rotacin de la Tierra.

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Para cualquier punto de la supercie terrestre, el medioda solar se dene como el instante enque el Sol pasa por el plano meridiano del lugar, y la hora solar como el tiempo contado a partirde este punto.

La conversin de la hora ocial en hora solar local requiere dos correcciones: la primera (C1) tiene encuenta la diferencia en longitud existente entre el meridiano del observador y el meridiano de referenciarespecto del cual se dene la hora ocial; la segunda (C2) se efecta a travs de la llamada ecuacin detiempo y recoge el efecto de las perturbaciones antes mencionadas en la velocidad de rotacin de la Tierrasobre el medioda solar. En ocasiones, puede ser necesaria una tercera correccin (C3) que contemple losposibles cambios horarios que los gobiernos introducen de forma articial atendiendo a consideraciones deahorro energtico.

De esta forma podemos escribir:

hora solar = hora ocial + C1 + C2 + C3 (3.1)

La evaluacin de cada uno de los trminos de la relacin anterior se realiza de la siguiente manera:

C1 = 4(Lof Llocal)/60C2 = (0,000075 + 0,001868 cos 0,032077 sin

0,014614 cos 2 0,04089 sin 2) 229,18C3 = cambio horario

siendo:

Lof = Longitud del meridiano de referencia horaria.

Llocal = Longitud (W) de la localidad

=2(n 1)

365

n = Da Juliano1

El valor mximo de la correccin C2 est en torno a los 15 minutos.

Con el nombre de ngulo horario () se conoce el ngulo que forman el meridiano de paso del Sol en uninstante de tiempo dado con el meridiano del observador; est relacionado con la hora solar a travs de laecuacin:

=15(12 h)

180

Entendemos por declinacin () el ngulo que forman el plano ecuatorial terrestre con el plano quecontiene a la eclptica (rbita de la Tierra en torno al Sol); puede obtenerse a partir de tablas astronmicassi bien es ms prctico para los clculos evaluarla a partir de la expresin aproximada de Spencer:

(n) = 0,006918 0,0399912 cos +,0070257 sin 0,006758 cos 2 +0,000907 sin 2 0,002697 cos 3 + 0,00148 sin 3

(3.2)

A partir de estas deniciones, la posicin del sol en la cpula celeste se ja a partir de dos ngulos: Elacimut y el cenit. El acimut () es el ngulo que forma la proyeccin sobre el plano horizontal delrayo solar con la direccin sur. El cenit (z) es el ngulo que forma el rayo solar con la vertical, a su

1 El da Juliano seala el orden absoluto de los das del ao, es decir 1 para el da 1 de Enero y 365 para el da 31de Diciembre.

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3.1. RADIACIN SOLAR

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complementario (90 z) se le conoce como altura solar y se representa por . En la gura 3.1 serepresentan estos ngulos.

Figura 3.1. Representacin grca de los ngulos de acimut y cenit.

Estos ngulos, al estar referidos al lugar de observacin dependen de la latitud, y evidentemente dela hora solar.Despus de diversas transformaciones se llega a la conclusin que:

cos z = sin sin + cos cos cos = sin (3.3)

cos =sin cos sin

cos cos (3.4)

Donde es la latitud del lugar.

Pero lo que para nuestros propsitos interesa es el ngulo de incidencia () de la radiacin solar sobre unasupercie plana arbitrariamente orientada e inclinada, el cual viene dado por la relacin:

cos = (sin cos cos sin cos ) sin +(cos cos + sin sin cos ) cos cos +

cos sin sin sin

(3.5)

siendo la inclinacin de la supercie.

Aplicando esta ecuacin, representamos los valores del ngulo de incidencia del sol en dos casos: para unasupercie plana horizontal (por lo que la orientacin es irrelevante), y para otra supercie vertical(inclinacin de 90) y orientada al sur. En las guras 3.2 y 3.3 se presentan ambos casos.

El ejercicio se ha resuelto para una latitud de 40N.

Como se observa en las guras, hay dos hechos muy relevantes:

1. En la supercie horizontal, la incidencia solar durante los meses de invierno dura menos tiempo (el daes ms corto), y adems presenta ngulos de incidencia bajos, por lo que el aprovechamiento sermenor.

2. En la supercie vertical sur la duracin de la incidencia es mayor en invierno que en verano, y ademslos ngulos de incidencia son mayores, por lo que se aprovechar mejor.

Es evidente que la gura 3.2 es engaosa, ya que nos est indicando que la duracin del da en invierno esmuy larga. Esta gura debe corregirse por los ngulos de salida y puesta de sol reales, que son loscorrespondientes a una supercie plana. En verano en cambio, dado que los ngulos de salida y puesta desol son mayores, la duracin aparente del da para la supercie vertical sur sera la presentada en lagura 3.3, sin ninguna correccin.

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Figura 3.2. ngulo de incidencia de la radiacin solar sobre una supercie horizontal.

Figura 3.3. ngulo de incidencia de la radiacin solar sobre una supercie vertical orientada al sur.

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3.1. RADIACIN SOLAR

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3.1.2. La constante solar. Distribucin espectral de la radiacin y su interaccin conla atmsfera.

La radiacin, que es emitida por el Sol en todas las direcciones, es interceptada en parte por la Tierra;teniendo en consideracin que nuestro planeta est situado a una distancia media del Sol de 1,495 1011 m.y este subtiende un ngulo slido de 32 se puede armar que la intensidad energtica (energa por unidadde rea) que llega a la supercie exterior de la atmsfera es prcticamente constante. A la irradiancia solarsobre una supercie plana normal al vector de posicin del Sol ubicada en el lmite superior de la atmsferaterrestre se le denomina constante solar (Ics).

Esta constante tiene un valor medio anual de 1,367 W/m2 que vara estacionalmente en un 3,3 debido a laexcentricidad de la rbita terrestre. Su dependencia con el da del ao viene dada por la ecuacin siguiente:

Isc =4r2sT

4

4r20= E

(rsr0

)2

donde:

E0(n) =(r0r

)2= 1,000110 + 0,034221 cos + 0,001280 sin+

0,000719 cos 2 + 0,000077 sin 2

Este espectro de radiacin, de longitudes de onda () cuyos valores varan de las 0,28 a las 5 m.,se suele dividir en tres regiones, ultravioleta ( < 0, 4 m.), visible (0, 4 < < 0, 76 m.) e infrarrojo( > 0, 76 m.). Es muy importante destacar que aunque el pico de mayor intensidad de radiacincorresponde a la zona visible (0,4 m.) la mitad de la energa solar emitida es radiacin infrarroja.

A su paso por la atmsfera, la radiacin solar sufre diversos procesos de atenuacin y dispersin comoresultado de su interaccin con los distintos componentes atmosfricos: aerosoles, nubes y molculas deozono, anhdrido carbnico, oxgeno, agua, etc. Los efectos ms apreciables de dicha interaccin son:

1. La disminucin de la energa radiante total disponible al nivel del suelo respecto de la disponible en ellmite superior de la atmsfera.

2. Modicacin de las caractersticas espectrales de la radiacin.3. La modicacin de la distribucin espacial de sta.

La absorcin de radiacin solar en la atmsfera la ocasiona esencialmente el ozono y el vapor de agua; labanda de absorcin ms importante del ozono est localizada en el ultravioleta. El vapor de agua absorbefundamentalmente en el infrarrojo: sus bandas ms importantes de absorcin estn centradas en 1,0, 1,4 y1,8 m. A partir de 2,3 m la transmisin de la atmsfera a la radiacin solar se hace prcticamente nuladebido a la absorcin por parte del agua y el anhdrido carbnico.

El fenmeno de absorcin contribuye, pues, a explicar los efectos de atenuacin y modicacin de lascaractersticas espectrales de la radiacin solar extraterrestre.

El scattering (dispersin) es el tercero de los efectos anteriormente mencionados y se traduce en unaatenuacin de la radiacin solar extraterrestre y su redistribucin en todas las direcciones del espacio, sincambios signicativos en la longitud de onda. A nivel del suelo podemos descomponer la radiacin solar endos tipos o componentes: radiacin solar directa, aquella que se recibe del Sol sin haber sufrido ningncambio de direccin por reexin o difusin, y radiacin solar difusa, la que se recibe del Sol despus dehaber sufrido cambios de direccin al atravesar la atmsfera.

3.1.3. Mtodos de estimacin de la irradiancia solar sobre una superciearbitrariamente orientada e inclinada, y de la temperatura aparente del cielo.

En la irradiancia solar global sobre una supercie arbitrariamente orientada e inclinada podemos distinguirtres tipos de componentes o contribuciones: La componente debida a la radiacin solar directa, lacomponente debida a la radiacin solar difusa procedente del cielo y la componente debida a la radiacin,normalmente difusa, reejada por el suelo circundante. Es evidente que esta ltima aparece cuando lasupercie de observacin est inclinada, ya que para una supercie horizontal la contribucin de laradiacin reejada al computo global de radiacin solar recibida es nula.

Normalmente, no dispondremos de medidas de esta magnitud y ser preciso estimarla a partir de doscualesquiera de las magnitudes que a continuacin se sealan:

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Irradiancia solar directa (Ib): Irradiancia solar sobre una supercie plana normal al vector de posicin delSol, debida a la componente directa de la radiacin solar.

Irradiancia solar difusa (Id): Irradiancia solar sobre una supercie plana horizontal, debida a la compo-nente difusa de la radiacin solar.

Irradiancia solar global (Ig): Irradiancia solar sobre una supercie plana horizontal, debida a lascomponentes directa y difusa de la radiacin solar.

Est relacionada con las dos magnitudes anteriores a travs de la ecuacin:

Ig = Ib cos + Id (3.6)

Supuestas istropas la radiancia difusa del cielo y la radiancia difusa procedente del suelo, la irradianciaglobal sobre una supercie plana cualquiera viene dada por:

IT = Ib cos + 1/2(1 + cos )Id + 1/2(1 cos )Ig (3.7)donde es la reectividad hemisfrica total del suelo circundante (ms comnmente conocida comoalbedo) y es el ngulo de inclinacin de la supercie respecto del plano horizontal. Asimismo,1/2 (1 + cos )y1/2 (1 cos ) representan los factores de forma supercie cielo y supercie suelo,respectivamente.

Existen otros modelos que no consideran istropa la radiacin difusa, entre ellos son de destacar losmodelos de Hay y de Prez. El primero de ellos considera al hemisferio celeste dividido en dos partes parala contribucin de radiacin solar difusa. La primera de ellas es istropa y procede de todo el hemisferio,excepto la radiacin difusa circunsolar. Esta radiacin es direccional, y tiene un tratamiento semejante a laradiacin directa, es decir hace uso de las mismas relaciones geomtricas que determinan la radiacin solardirecta sobre una supercie inclinada.

La ecuacin que rige la cantidad de energa reejada es por tanto de la siguiente forma:

Id(, ) = Id

[Ig Id cos I0 cos zz

+12(1 + cos )

(1 Ig Id

I0

)](3.8)

El modelo de Prez complica las ecuaciones para el clculo de la radiacin difusa reejada en el sentidoque considera tres tramos de atmsfera diferenciados para el clculo de la radiacin difusa: La radiacincircunsolar, la banda de horizonte y el resto del hemisferio celeste.

La ecuacin desarrollada con estas hiptesis es de la siguiente forma:

Id(, ) = Id

[F1

cos cos zz

+12(1 + cos ) (1 F1) + F2 sin

](3.9)

DondeF1 = F11 + F12 + F13zF2 = F21 + F22 + F23z

Siendo =

mIbIb0

En la que m es la masa ptica comentada en los clculos de la atenuacin de la radiacin directa para dasdespejados y que segn Prez toma el valor dado por:

m =[cos z + 0,50572 (96,07995 z)1,6364

]1Ib0 es la radiacin solar extraterrestre sobre una supercie normal a la incidencia solar que vendr dada porla constante solar multiplicada por el factor corrector de la excentricidad de la rbita Tierra-Sol (E0). Esdecir:

Ib0 = IscE0

Por ltimo, los coecientes Fi j de la ecuacin toman diferentes valores dependiendo del valor del unparmetro , denido segn la relacin siguiente:

=Id cos z + Ib

Id cos z

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3.1. RADIACIN SOLAR

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En la tabla 3.1 se presentan los valores de Fi j en funcin del valor de :

Tabla 3.1. Valores de los factores de forma para el clculo de radiacin difusa sobre un plano inclinado yorientado arbitrariamente.

mximo mnimo F11 F12 F13 F21 F22 F23

1 1, 056 0, 04 0, 55 0, 04 0, 12 0, 138 0, 0341, 056 1, 253 0, 261 0, 559 0, 243 0, 019 0, 083 0, 0811, 253 1,586 0, 481 0, 46 0, 354 0, 077 0, 006 0, 1161,586 2, 134 0, 825 0, 187 0, 532 0, 172 0, 05 0, 1512, 134 3, 23 1, 102 0, 229 0, 586 0, 35 0, 398 0, 1713, 23 5, 98 1, 226 0, 451 0, 617 0, 444 0, 949 0, 0735, 98 10, 08 1, 367 0, 838 0, 655 0, 431 1, 75 0, 09410, 08 0, 978 0, 812 0, 393 0, 335 2, 16 0, 186

Una vez descritos estos modelos estamos en disposicin de abordar le estimacin de la radiacin solarincidente a partir de los valores de radiacin solar global sobre supercie horizontal. Es decir dada laradiacin global media mensual diaria sobre una supercie horizontal podemos estimar la energa solarincidente sobre cualquier plano.

Dado que no es corriente disponer de medidas de exitancia radiante del cielo en el infrarrojo trmico,ser precisa su estimacin a partir de otras variables meteorolgicas. Numerosos autores coinciden enabordar este problema a partir del estudio de la denominada emisividad aparente del cielo (sky) o ,alternativamente, de la temperatura aparente del cielo (Tsky), cuyas ecuaciones de denicin son:

Msky = sky (Ta)4 = (Tsky)4 (3.10)

donde Msky representa la excitancia radiante del cie lo y Ta la temperatura del aire cerca de la supercieterrestre.

Los mtodos empleados para la estimacin de una y otra magnitud se pueden clasicar en dos grandesgrupos: los tericos, que utilizan perles detallados de temperatura y composicin atmosfrica; y losmodelos empricos (Angstrom, 1916; Bliss, 1961; Kondratyev, 1969; Clark, 1978; Berdhal et. al., 1982;Martin et. al., 1984; etc), que establecen correlaciones entre la emisividad aparente del cielo y distintasvariables meteorolgicas, como son la presin del vapor de agua o la temperatura del bulbo hmedo del airemedidas cerca de la supercie de la Tierra. Estas correlaciones suelen ser establecidas para atmsferas sinnubes y procuran valores medios mensuales diarios u horarios de sky por lo que su utilizacin actual enmodelos detallados de simulacin pecara de cierto atrevimiento.

A pesar de ello se usarn estos modelos para evaluar la temperatura aparente del cielo con el n de evaluarla potencia de las tcnicas de refrigeracin radiativa.

Una caracterstica importante que deber contemplar el diseo es la proteccin solar durante elverano, ya que de otro modo los sobrecalentamientos que se produzcan sern muy importantes, yaque la media de radiacin solar en los meses de verano es muy elevada, estando cerca de losmximos.

Con el n de conocer los valores en que nos estamos moviendo, en la gura 3.4 se presenta laenerga solar incidente sobre supercie horizontal para cada mes del ao en las cinco provincias deCastilla-La Mancha.

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Figura 3.4. Radiacin a lo largo del ao en las cinco Provincias de Castilla-La Mancha.

El Sol describe un movimiento que permite armar que la orientacin sur es ideal paraoptimizar las ganancias solares en invierno, y minimizarlas durante el verano, siendo ademsmuy fcil evitar toda ganancia mediante tcnicas de sombreado adecuadas.

3.2. ESTADO PSICROMTRICO DE LA ATMSFERA.

Pasamos a continuacin a introducir algunos conceptos y deniciones de gran utilidad a la hora de determinarel referido estado: aire como mezcla de masas seca y hmeda; formas de expresar el contenido de humedaddel aire (absoluta, especca y relativa); presin saturante de vapor de agua, entalpa del aire hmedo,etc. Asimismo se introducen los conceptos de temperatura de bulbo hmedo y temperatura del roco.

3.2.1. Composicin del aire. Aire seco y aire hmedo.

El aire atmosfrico contiene gran cantidad de componentes gaseosos as como diferentes tiposde contaminantes. En condiciones ordinarias podemos considerar que contiene un 75% de nitrgenoy 23% oxgeno, siendo el resto dixido de carbono, argn, etc., en proporciones reducidas;contiene, adems, una cierta cantidad de vapor de agua variable en funcin de la localizacingeogrca. La cantidad mxima de vapor de agua que contiene 1 m3 de aire corresponde a lasaturacin, siendo funcin creciente de la temperatura.

Al hablar de aire seco nos referimos a una atmsfera carente de vapor de agua y decontaminantes.

(Su peso molecular aparente en la escala del carbono es 28,9645, y la constante de los gasesde este aire es 287,055 J/Kg. K.).

El aire hmedo es una mezcla de aire seco y vapor de agua; el contenido de vapor de aguavara desde el cero hasta un mximo dependiente de las condiciones de temperatura y presinexistentes (condicin de saturacin).

(El peso molecular del agua es de 18,01534 en la escala del carbono 12, la constante de losgases para el vapor de agua es 461,52 J/kg. K.)

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3.2. ESTADO PSICROMTRICO DE LA ATMSFERA.

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3.2.2. Presin de saturacin del vapor de agua.

El agua puede encontrarse de forma natural en los estados slido, lquido y gaseoso, dependiendo de lascondiciones de temperatura y de presin. La saturacin es un estado de equilibrio entre los estados vapor slido o vapor lquido. La presin de saturacin del vapor de agua en el aire puede estimarse, para unainterfase plana entre el aire hmedo y la fase condensada, a travs de la ecuacin (ASTM E337-84):

ln(ps) = 6353,6311T1 + 34,04926034 0,019509874T +1,2811805 105T 2 (3.11)

siendo ps la presin saturante de vapor en Pa.

1. Humedad absoluta, especca y relativa. La proporcin de vapor de agua en el aire atmosfrico seexpresa de las formas siguientes:

2. Humedad absoluta (mv) es la masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire. Suele expresarseen Kg/m3.

3. Humedad especca (r) es el contenido de vapor de agua por unidad de masa de aire seco; se expresaen Kg/Kg o en g/Kg, segn la ecuacin:

r = mv/ma (3.12)

donde ma representa la masa de aire seco contenida en el mismo volumen que la masa de vapor mv.

4. Humedad relativa (Hr). La relacin entre la cantidad de vapor contenida en el aire (mv) y la cantidadde vapor en el aire saturado a la misma temperatura (masa de vapor saturado = ms) se denominahumedad relativa o estado higromtrico.

Hr = mv/ms (3.13)

A las temperaturas ordinarias, la presin parcial del vapor de agua en el aire es tan pequea que en todaslas aplicaciones prcticas puede aceptarse, sin un gran error, que se trata de un gas perfecto; por esta razn,la presin parcial del vapor de agua ser proporcional a la masa de vapor contenida en la unidad devolumen, y la humedad relativa podr expresarse como el cociente entre la presin de vapor de agua en elaire (pv) y la correspondiente a la saturacin (ps), ambas a la misma temperatura:

Hr = pv/ps (3.14)

Conocida la humedad absoluta, la presin parcial de vapor se calcula mediante la ecuacin:

pvV = mvRT/Mv (3.15)

siendo Mv = 18 la masa molecular del vapor de agua.

En la gura 3.5 se presenta la evolucin de la presin de vapor para diferentes temperaturas y humedades.

Figura 3.5. Evolucin de la presin de vapor de agua en la atmsfera para diferentes condiciones de humedad ytemperatura.

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Haciendo el mismo tratamiento para el aire, considerndolo como una mezcla de gases perfectos, lapresin parcial de aire seco (pa) vendr dada por:

paV = maRT/Ma (3.16)

donde Ma = 28, 96 es la masa molar equivalente del aire.

Si realizamos el cociente de las expresiones (3.15) y (3.16) se obtiene:

r = mv/ma = (pv/pa)(Mv/Ma) (3.17)

Y considerando (10):r = 0, 62198(ps/pa)Hr (3.18)

3.2.3. Entalpa del aire hmedo.

En virtud de las leyes de Joule y Dalton, la entalpa del aire hmedo ser la suma de las entalpasparticulares del aire seco y del vapor de agua a la denominada temperatura de mezcla. Referida a launidad de masa de aire seco, se expresa como:

h = ha + (mv/ma)hv = ha + rhv (3.19)

La entalpa del aire seco, considerado como un gas perfecto, est en funcin de la temperatura nicamente.Tomando como origen de entalpas el estado seco denido por to = 0Cy por una presin cualquiera, resulta:

ha = cpto = 1,005to (J/Kg) (3.20)

Mientras la presin sea lo sucientemente pequea, la entalpa especca del vapor de agua slo dependerde

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