Urbanismo bioclimático: el plano solar urbano

Ester HiguerasProfesora Titular UPM, departamento de Urbanística y Ordenación

del Territorio ETSAMY del Master de Medio Ambiente y Arquitectura bioclimatica (MAyAB)Y del Master de Medio Ambiente y Arquitectura bioclimatica (MAyAB)

PLAN DE USO SOSTENIBLE DE LA ENERGIA Y DE PREVENCION DEL CAMBIO CLIMATICO EN LA CIUDAD DE MADRID. (2008) Ayuntamiento de Madrid.

Los derivados del petróleo y gas natural suponen más del 70% del consumo de energía de la ciudad de

Balance Energético: Ciudad de Madrid (en %)

Los derivados del petróleo y gas natural suponen más del 70% del consumo de energía de la ciudad de Madrid. El sector residencial, comercial y de servicios consume el 50% de la energía total. El segundo gran consumidor de la ciudad es el sector transportes que alcanzan el 35,5% de la demanda

Consumo Energía

100,0G. Natural 23,8 % 21,6%

Carbón 1 3 % 1 3%

Energía FINALImportaciones 100,0

CONSUMIDORESCarbón 1,3 % 1,3%

Electricidad 24,9 % 27,8% Doméstico 49,9 %Comercio y Servicios

Derivados Petroleo 47,5 % 49,3%Total 97,4 %

Generación Eléctricaincineración 18,1% 6,9%Fotovoltaica 0,1% Industrial 8,3 %Cogeneración Ind 64,7%+ Residuos esp+Tratam lodos Transporte por carretera 35,5 %

1 Resisuos Industriales 0,3 % Biogás 17,1%

Producción Primaria

(vertederos+lodos)2 RENOVABLES 0,0 % Otros modos de transporte 6,3 %

RU 1,6 %Solar Fotovoltaica 0,002 %

Biogas 0,6 %

Solar Térmica 0,01 % 0,01%Solar Térmica 0,01 % 0,01%Total 2,6 %

Esquema del balance energético en el municipio de Madrid en porcentaje (%). (Fuente: Ayuntamiento de

Madrid).

Homogeneidad constructiva universal y usos segregadosuniversal y usos segregados

La construcción actual es uniforme en cualquier lugar y la segregación de usoscualquier lugar, y la segregación de usos genera gran cantidad de desplazamientos

Vista del crecimiento de Seseña (Toledo), Ensanche de Vallecas (Madrid) y crecimiento nor-este en Cuenca

ester.higueras@upm.es

EL SUELO URBANO COMO RECURSO

Control de la expansión urbana

Rehabilitación de la ciudad consolidada

Nueva edificación con arquitectura y urbanismo bioclimático

Instrumentos para hacer ciudad habitable y sostenible

Objetivos:Objetivos:

• 1º Reducir la huella ecológica

• 2º Realizar una gestión eficiente de recursos materiales y energéticos

• Urbanismo bioclimático

2. Ordenanzas Ambientalesrecursos materiales y energéticos. Mejorar el Ecosistema urbano.

• 3º Encontrar una identidad y singularidad de las actuaciones. Los

3. Plano solar urbano

4. Rehabilitación ecológica y bioclimáticaEcobarrios y el Urbanismo

bioclimático.bioclimática

5. Agendas Locales 21

ester.higueras@upm.es

Urbanismo bioclimático

Ester Higueras, Urbanismo bioclimático. GG 2006.

A CADA LUGAR UNA PLANIFICACIÓN mediante:A CADA LUGAR UNA PLANIFICACIÓN mediante:

• 1· Un trazado viario estructurante que responda a criterios de soleamiento yviento (jerarquización y sección transversal)2 C ll d t d l t fí b d l i t i ti d• 2· Calles adaptadas a la topografía, buscando las orientaciones optimas desoleamiento y viento

• 3 Zonas verdes adecuadas a las necesidades de humedad y evaporaciónambiental (en superficie, conexión y especies vegetales apropiadas)4 Mo fología bana de man anas q e gene en fachadas bien o ientadas• 4 Morfología urbana de manzanas que generen fachadas bien orientadas yadecuada proporción de patios de manzana según el clima

• 5 Parcelación que genere edificios con fachadas y patios bien orientados• 6 Tipología edificatoria diversa y adecuada a las condiciones del sol y

viento del lugarviento del lugar

Ordenanza bioclimatica de Tres Cantos (Madrid) 2005.

c) Orientación solar de las fachadasc) Orientación solar de las fachadas

Al menos el 80% de los edificios de cada parcela y promoción inmobiliaria deberán tener como mínimo el 25% del conjunto de las superficies de fachadas exteriores e interioressuperficies de fachadas exteriores e interiores orientadas dentro del arco solar 1. A estos efectos sólo computarán las fachadas interiores13 que cumplan la condición de soleamiento de la letra d) siguiente.

d) Separación entre fachadas:

I. Para fachadas orientadas en el arco solar 1:

Para garantizar el soleamiento en estas fachadas, la relación entre la distancia entre planos dela relación entre la distancia entre planos de fachada (D) y la “altura de sombra” de la edificación (H) debe cumplir en cada parcela:

POLIS -Identification and Mobilization of SolarIdentification and Mobilization of Solar Potentials via Local Strategies Sep 2009-2012

(IEE/08/603/SI2.529237)

Objetivo

El objetivo es ahorrar energía y generar energía gracias al sol en Vitoria-GasteizGasteiz

Ahorrar energía: mediante un buen diseño bioclimático adaptado a lasAhorrar energía: mediante un buen diseño bioclimático adaptado a las necesidades locales, y a la morfología urbana.

“El mejor ahorro es la energía que no se consume”

Generar energía en la ciudad: Energía solar Térmica + Fotolvoltáica

Con paneles incorporados a las edificaciones.

Mayor eficacia, sin macro inversiones, sin traslados de energía, sin impactos sobre el paisaje, garantizando la conservación y mantenimientoimpactos sobre el paisaje, garantizando la conservación y mantenimiento de los equipos.

Resultado: Elaboración de un mapa de potencialidad solar de Vitoria-Gasteiz

Innovación POLIS-Vitoria-Gasteiz

El potencial pasivo se suma al activo

Atendiendo a las :

• características morfo-tipológicas del tejido urbano, • condiciones estructurales de los difi i iedificios existentes,

• condiciones microclimáticas• aprovechamiento real de la radiación solar en Vitoriaradiación solar en Vitoria (nubosisdad)

Potencialidad solar

Pasiva:

.- evaluación de las ventajas y oportunidades de cada tipología edificatoria.- orientaciones óptimas, arcos solares idóneos para Vitoria-Gasteiz.- la distribución interior ideal de los edificios. Recomendaciones básicas y complementarias.- acondicionamiento pasivo en envolventes, aislamientos, ventanas y protecciones de huecos, para iluminar, ventilar y control pasivo térmico.- técnicas idóneas de acondicionamiento pasivo para Vitoria-Gasteiz (miradores, cubiertas verdes, dobles fachadas, etc)

.- estudio de soportes en edificios: cubiertas,

Activa : solar térmica + fotovoltaica

estud o de sopo tes e ed c os cub e tas,azoteas, fachadas.- estudio de soportes urbanos : equipamientos, mobiliario urbano, elementos ornamentales, aparcamientos, etcp ,

METODOLOGÍA del Plano de Potencialidad SolarSolar

La metodología seguirá los siguientes pasos:

1º. Conocimiento exhaustivo del clima local con determinación de las diferencias microclimáticas de la ciudad de Vitoria-Gasteiz

2º Estudio exhaustivo de las condiciones morfo-tipologías de la edificación2 . Estudio exhaustivo de las condiciones morfo tipologías de la edificación residencial de Vitoria-Gasteiz. Determinación de las unidades de análisis urbano

3º Rosa de acimutes, bioclimática y de radiación solar activa

4º. Propuesta de Plano de Potencialidad solar (máxima, media y mínima) por tejidos urbanos homogéneos de Vitoria-Gasteiz

5º Recomendaciones generales de los sistemas de acondicionamiento pasivo y activo5 . Recomendaciones generales de los sistemas de acondicionamiento pasivo y activo (térmico y fotovoltaico) en toda la ciudad.

6º. Plan Piloto en un desarrollo residencial. Lakua

7º . Plan Piloto de grandes contenedores urbanos. Uso industrial: Jundiz

ANALISIS DE LAS NECESIDADES TERMICAS PARA EL CONFORT EN VITORIA-GASTEIZ

D di ió 7 5/12

Necesidades E F M A M J J A S O N D

De radiación 7,5/12 meses

De acumulación liberandola por la noche8/12 meses

De cargas internas 4/12 meses

Bienestar por las mañanas 6/12 meses

De ventilación a mediodia, tardes y noches

Protección de huecos 2,5/12 mesesProtección de huecos 2,5/12 meses

13Radiación solar directa y acumulación (inercia) = 8/12 meses

Estrategias bioclimaticas para Vitoria- Gasteiz1º Radiación solar directa, condicionada por la orientación y la obstrucción solarcondicionada por la orientación y la obstrucción solar

Adecuada orientación del edificio También condicionan los diseños de las fachadas de

los edificios y determinan muchos de los factores de lalos edificios y determinan muchos de los factores de la

red de espacios libres y zonas verdes de la ciudad.

Obstrucción solar urbanaObstrucción solar urbana

Condicionante esencial derivado de la morfologia

urbana y provocado por la alta densidad es la

obstrucción urbana, o sombra que produce un

elemento sobre otro. La gran proximidad entre los g p

planos de fachada de las calles pueden dificultar la

entrada del sol en las pantas bajas,

14

RADIACIÓN SOLAR DIRECTA EN VITORIA-GASTEIZCondicionada por la Altura solar máxima

ALTURA SOLAR SOLSTICO DE INVIERNO α= 23°

La altura solar es un angulo que forma la posicion del sol respecto

al plano del horizonte. Se mide en grados, desde el orto (0) hasta la

altura de la culminacion de cada dia (las 12 horas solares) α= 23.7 °

ALTURA SOLAR SOLSTICO DE VERANO α= 72°

El estudio de los movimentos solares tienen el objeto de introducir

estos elementos como factores determinantes a la hora de

planificar la ciudad existente o propuesta, para obtener las mejores

condiciones de soleamiento y mejorar la calidad de vida de suscondiciones de soleamiento y mejorar la calidad de vida de sus

ocupantes.α= 72°

15

En la ciudad se produce una discriminación solar entre las plantas superiores y las inferiores

Estrategias bioclimáticas para Vitoria- Gasteiz2º Inercia térmica, acumular por el día y liberar el calor por la noche

Un aspecto que interviene en el mecanismo

de intercambio energético entre la viviendaInercia termica

de intercambio energético entre la vivienda

y el exterior, es el fenómeno de la inercia

térmica. La captación solar es fundamental

para generar esta otra forma de calefacción

pasiva tambien.

De hecho, algunos materiales presentes al

interior de los inmuebles tienen la capacidad p

de absorber y acumular calor durante el dia,

para luego liberarlo durante el desfase

nocturno.

17

Elaboración del mapa solar pasivo de Vitoria-Gasteiz

Objetivos:

1º conocer la orientación idónea de fachadas

2º establecer las limitaciones por obstrucciones de edificaciones enfrentadas, que permita cuatro horas de sol en los meses infracalentados

3º establecer una escala de evaluación3 establecer una escala de evaluación

4º establecer una diferenciación entre pisos altos y bajos para el aprovechamiento pasivo

5º l d b i bi li á i ( id i l5º proponer un manual de buenas practicas bioclimáticas (uso residencial, industrial y equipamientos)

METODOLOGÍA PROPUESTA POLISMapa de Potencial Solar Pasivo

“La necesidad de captacion solar depende

CARTA DE IRRADIACIÓN SOLAR DIRECTA DE INVIERNO1del clima de cada lugar.

En sitios relativamente frios se considera

necesario temer almenos cuatro horas de

sol durante las horas centrales del dia en

204 kW·h/m²

61ºla situacion mas desfavorable (el solsticio

de invierno).”

2ºMaximo: (2°, 61°) 204 kW·h/m²

19Irradiación solar directa en meses infracalentados = 204 kwh/m2

METODOLOGÍA PROPUESTAMapa de Potencial Solar Pasivo

2 Identificación de pérdidas mediante carta de irradiación global anual.Determinación de criterios de exclusión fachadas (P(α,β)>40%)

PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN

APLICACIÓN FACHADAS:inclinación(β)= 90ºPérdidas admisibles = 40%

-49º 59º

20

METODOLOGÍA PROPUESTAMapa de Potencial Solar Pasivo

3 NIVELES DE POTENCIAL SOLAR PASIVOClasificación del potencial de Vitoria-Gasteiz

- A (excelente): pérdidas menores o iguales al 5%

- B (muy bueno): pérdidas entre el 5-10%

- C (bueno): pérdidas entre el 10-20%( ) p

- D (aceptable): pérdidas entre el 20-30%

- E (mínimo aceptable): pérdidas entre el 30-40%

E t i l i d t i d áfi tEstos niveles vienen determinados gráficamente

mediante colores tal y como se muestra a

continuación.

21

METODOLOGÍA PROPUESTAMapa de Potencial Solar Pasivo

PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN3 APLICACIÓN FACHADAS LAKUA:

CALIFICACIÓN

POTENCIAL SOLAR

SUPERFICIE SOLEADA

LONG. FACHADA

LONG. SOLEADA ALT SOLEADA SUP SOLEADAAPLICACIÓN FACHADAS LAKUA:

inclinación(β)= 90ºPérdidas admisibles = 40%

SOLAR FACHADA SOLEADA ALT. SOLEADA SUP. SOLEADAD 15,00 m 15,00 m 9,27 m 139,01 mD 70,50 m 30,60 m 16,04 m 1130,98 mD 14,00 m 14,00 m 12,91 m 180,72 m

-49º 59º

METODOLOGÍA PROPUESTAMapa de Potencial Solar Pasivo

ESTUDIO DE DETALLEIdentificación de la edificación analizada en Lakua. Vitoria-Gasteiz4

Aparecen diferente escala dependiendo del número de horas de sol directo sobre la fachada sur

Reflexiones bioclimáticas

El edificio 5 se auto-sombrea, perdiéndose un gran potencial de radiación solar directa. Reducir el nº de plantas del ala oesteplantas del ala oeste.

El edificio 6 debería estar al revés

El edificio 14 tiene poca fachada bien i d l l d f h dorientada respecto al total de fachadas

En el edificio 10 la separación del patio es insuficiente para que entre el sol invernal

El edificio 11 tiene muy pocas posibilidades de estrategias bioclimáticas

Cuidar la volumetría según la óptima orientación solar. Arco sur (-49º SO a 52º SE)

RESULTADOS DEL MAPA SOLAR PASIVORESULTADOS DEL MAPA SOLAR PASIVO DE VITORIA-GASTEIZ

Se grafían las ventajas y oportunidades de.- Se grafían las ventajas y oportunidades de cada fachada, primero según orientación, y segundo según los obstáculos enfrentados con ella. (código A,B,C,D,E), que garantizan cuatro horas de sol en los mesescuatro horas de sol en los meses infracalentados del 15 de noviembre al 15 de marzo.

.- Las orientaciones óptimas se encuentran en los arcos solares idóneos para Vitoria-Gasteiz. Arco sur desde 52 º SE hasta 49º SO.

.- Se discriminan los pisos altos de los bajos según las posibilidades de captación solar directa en los meses infracalentadossolar directa en los meses infracalentados

Resumir todas las estrategias en un Manual de Buenas Prácticas de acondicionamiento pasivo de las edificaciones residenciales, industriales y los

.- Recomendaciones básicas y complementarias

equipamientos

y psobre la distribución interior ideal de los edificios. Espacios vivideros en arco solar sur

.- Recomendaciones para el acondicionamiento pasivo en las envolventes; buscando la inercia térmica de los cerramientos con retardo de la onda térmica

.- Recomendaciones de las técnicas idóneas de acondicionamiento pasivo para Vitoria-Gasteiz ; miradores acristalados aprovechando el efecto invernadero en plantas altas de los edificios; cubiertas verdes siempre favorables, dobles fachadas oportunas en arco solar sur, diferenciación de fachadas según orientación, etc

Establecer unas recomendaciones y obligaciones de técnicas de

di i i t i i dacondicionamiento pasivo incorporadas a la Ordenanza de la Gestión Localde la Energía de Vitoria-Gasteiz

METODOLOGÍA PROPUESTA Mapa de Potencial Solar Activo

GENERACIÓN DE CARTA DE IRRADIACIÓN SOLAR GLOBAL ANUALVARIABLES: radiación global anual, inclinación(β) y orientación (α)DATOS METEOROLOGICOS: Medias mensuales de radiación diaria para Vitoria (Atlas de Radiación País Vasco)1

ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN ÓPTIMAinclinación(β) = 32ºorientación (α) = 1º( )

1455,306 kW·h/m²

32º

1º

La radiación solar global es de 1.455 kwh/m2

METODOLOGÍA PROPUESTA: pérdidasMapa de Potencial Solar Activo

DB CTE HE-4 “CONTRIBUCIÓN SOLAR MÍNIMA DE AGUA CALIENTE SANITARIA”DB CTE HE-5 “CONTRIBUCIÓN FOTOVOLTAICA MÍNIMA DE ENERGÍA ELÉCTRICA”

DETERMINACIÓN DE PÉRDIDAS LÍMITE. REFERENCIA AL CTE.2

Integración arquitectónica de módulos fotovoltaicos: Módulos fotovoltaicos que cumplen una doble función,energética y arquitectónica (revestimiento cerramiento o sombreado) y además sustituyen a elementosenergética y arquitectónica (revestimiento, cerramiento o sombreado) y, además, sustituyen a elementosconstructivos convencionales o son elementos constituyentes de la composición arquitectónica.

Superposición de módulos fotovoltaicos: Módulos fotovoltaicos que se colocan paralelos a la envolvente deledificio sin la doble funcionalidad definida en la integración arquitectónica. No obstante no se consideran losmódulos horizontalesmódulos horizontales.

Caso general: Módulos fotovoltaicos que no se encuentran en los casos “integración arquitectónica” o“Superposición”.

METODOLOGÍA PROPUESTA: pérdidasMapa de Potencial Solar Activo

PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN. FACHADAS3 APLICACIÓN CASO DE ESTUDIO (LAKUA):

Fachada 1 -62º 90º 39,50%Fachada 2 28º 90º 34,50%Fachada 3 28º 90º 34,50%Fachada 4 -62º 90º 39,50%Fachada 5 28º 90º 34,50%

INCLINACIÓN β ORIENTACIÓN α PÉRDIDAS α β (≤40%)ELEMENTO CONSTRUCTIVOAPLICACIÓN CASO DE ESTUDIO (LAKUA):inclinación(β)= 90ºPérdidas admisibles = 40%

-62º -28º

METODOLOGÍA PROPUESTA: pérdidasMapa de Potencial Solar Activo

PÉRDIDAS POR ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN. CUBIERTAS3 APLICACIÓN CASO DE ESTUDIO (LAKUA):inclinación(β)= 15º-40ºPé did d i ibl 40%

Cubierta 1 -62º 25º 7,40%C bi t 2 118º 20º 19 30%

INCLINACIÓNELEMENTO CONSTRUCTIVO PÉRDIDAS α β (≤40%)ORIENTACIÓN

Pérdidas admisibles = 40% Cubierta 2 118º 20º 19,30%Cubierta 3 -122º 15º 17,10%Cubierta 4 58º 20º 7,10%Cubierta 5 -152º 20º 24,50%Cubierta 6 28º 20º 3,00%Cubierta 7 -62º 30º 7,90%Cubierta 8 28º 40º 2,90%Cubierta 9 118º 40º 30,50%

C1 92,60%

-62º

METODOLOGÍA PROPUESTA: pérdidasMapa de Potencial Solar Activo

PÉRDIDAS POR SOMBRAS. FACHADAS4 Se analiza la fachada F3, sombreada por otras fachadas de la misma edificación, así como porobstáculos remotos. La cota de análisis es 4,5 metros ( Cálculo desde gráficas de pérdidas por obstrucción)

Empezaremos analizando los obstáculos desde el punto medio de esa fachada, e iremos moviéndonossobre la fachada repetidamente para encontrar puntos límites donde las pérdidas son superiores a lasadmisibles.

METODOLOGÍA PROPUESTA: RestriccionesMapa de Potencial Solar Activo

OTROS CRITERIOS A CONSIDERAR5 No se consideran aptos para la incorporación de sistemas solares fotovoltaicos los siguientes elementos:

Superficies < 15 m²Dado que el inversor mínimo que existe en el mercado es el idóneo para esta superficie.preguntar estefanía

Protección patrimonialSe realiza un análisis pormenorizado del PGOU con el fin de detectar los elementos protegidos y sus nivelesde protección. De esta forma se estudiará la posibilidad de incorporar sistemas solares fotovoltaicos en estasedificaciones.

EstructuralesEstructuralesSe realizará un análisis a nivel de detalle de cada una de las edificaciones indicando la posibilidad o noposibilidad de incorporar sistemas solares fotovoltaicos por razones estructurales.

Según las condiciones morfológicas y estructurales

METODOLOGÍA PROPUESTA: Solar térmicaMapa de Potencial Solar Activo

ESTIMACIÓN SUPERFICIES NECESARIAS SOLAR TÉRMICA6 Para el edificio objeto de estudio se han estimado 448 habitantes. Se han considerado 112 viviendas de 3dormitorios, que según CTE corresponden a 4 ocupantes.

Determinación consumo 22 l· persona / día

Tª consumo 60ºC

Factor de centralización 0,7 (recomendación ASIT)

* CÁLCULO DE LA CARGA TÉRMICA:Número de viviendas: 112Número de viviendas: 112Consumo agua diario (l/persona): 22Número de habitantes por vivienda: 4Número de habitantes totales: 448Temperatura ACS (ºC): 60Consumo diario ACS total (l/dia): 9856Factor de Centralización, FC: 0,7 [Recomendación ASIT]

Nº viviendas N≤3 4≤N≤10 11≤N≤20 21≤N≤50 51≤N≤75 76≤N≤100 N≥101Nº viviendas N≤3 4≤N≤10 11≤N≤20 21≤N≤50 51≤N≤75 76≤N≤100 N≥101FC 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7

METODOLOGÍA PROPUESTA: Escala valoraciónMapa de Potencial Solar Activo

REPRESENTACIÓN NIVELES DE POTENCIAL SOLAR ACTIVO7 Determinados en función de las pérdidas sobre la radiación global anual máxima para Vitoria. Esta radiaciónes de 1455 306 KWh/m² y corresponde con la radiación incidente sobre una superficie con inclinación 32ºes de 1455,306 KWh/m² y corresponde con la radiación incidente sobre una superficie con inclinación 32ºy con orientación 1º con respecto al acimut.

(1455,206 KWh/m²-1382,54 KWh/m²)

(1382,54 KWh/m² - 1309,77 KWh/m²)

(1309,77 KWh/m² - 1164,24 KWh/m²)

(1164,24 KWh/m²- 1018,71 KWh/m²)

(1018 71 KWh/m²-873 18 KWh/m²)(1018,71 KWh/m 873,18 KWh/m )

(873,18 KWh/m²-726,65KWh/m²)

METODOLOGÍA PROPUESTA: RESULTADOMapa de Potencial Solar Activo

REPRESENTACIÓN NIVELES DE POTENCIAL SOLAR ACTIVO8

Se calcula el número de paneles máximos en cada faldón de cubierta