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Iraunkor: Estudio de los procesos de captación solar y transferencia energética en la edificación en el ámbito de Euskadi

Presentación:

El proyecto consiste en el análisis y sistematización del proceso de captación de la energía solar en los elementos acristalados de las edificaciones, a lo largo de todo el año, con el fin de optimizar el proceso de diseño de dichos elementos del edificio.

Dicho trabajo se ha centrado en el ámbito específico de Euskadi, permitiendo al proyectista en función de la energía solar directa, difusa y reflejada que es introducida el edificio a través de una ventana de unas dimensiones, sombreamiento y orientación variables, analizar si el beneficio obtenido en iluminación y aporte de calor (en régimen de verano) compensa las pérdidas de calor a través del vidrio (en régimen de invierno).

Así pues, en definitiva, obtener una herramienta, que nos asegure en cierta medida, comodidad dentro del interior de un edificio, calcule el ahorro energético, y por último y no menos importante, nos contabilice el CO2 que dejamos de emitir a la atmósfera.

Artículo proyecto:

El proyecto está supervisado por el Aula de Ecodiseño. Dicha Aula pertenece a la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, promovida por IHOBE. El programa está realizado por Endika Leiba Zabalbeitia Ingeniero Industrial especializado en Construcción, en colaboración con en el estudio de Arquitectura, MAAB arquitectura y urbanismo S.L.P, dedicado a la realización de proyectos de edificación, urbanismo y rehabilitación.

El programa está formado por TRES partes:

-          una de información general sobre la radiación solar en Euskadi,

-          otra que “dibuja” en una gráfica la carta solar cilíndrica para una determinada fachada y calcula la radiación solar anual incidente en dicha   fachada

-          y otra más específica que ayuda al diseño de las ventanas

Información general:

En la primera fase del proyecto, introduciendo la zona de Euskadi, inclinación y orientación, hemos realizado una tabla donde nos ofrece una información general de la radiación solar en dicho punto, muy útil en el uso de captadores solares.

Para el desarrollo de esta tabla de información general sobre la radiación, se han recopilado distintos datos proporcionados por el EVE (Ente Vasco de la Energía), principalmente de unas tablas realizadas por Ricardo García San José en la cual se recogen los datos medios de radiación directa y difusa a lo largo del año en Euskadi, teniendo en cuenta los días nubosos y soleados, separando el territorio en dos zonas, con las diferentes orientaciones e inclinaciones respecto al sol.

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Cálculo de la irradiación sobre superficies verticales

En una segunda fase se pide al proyectista la introducción de la zona y orientación de la fachada donde se sitúa la ventana a analizar, con lo que el programa nos devuelve las gráficas y datos solares que nos llegan a la fachada.

Para ello es necesario la introducción de una imagen del horizonte, el cual está parametrizado en altura solar (eje Y) y azimut (eje X). Una forma sencilla de resolver este apartado, es la utilización del plano de situación del edificio, obtener la distancia en horizontal y vertical que existe entre éste y los colindantes, para continuación calcular la altura solar.

Ejemplo de cálculo para determinar la componente celeste

Se debe graficar en planta y en corte el local y determinar el punto de análisis. A partir d este punto se trazan las líneas de los bordes de la ventana y de las obstrucciones. Se indican los ángulos determinados por dichas líneas y el punto de análisis, en corte los ángulos β y en planta los α.

Se trasladan luego los ángulos al diagrama de Waldram colocando los ángulos β en coincidencia con las líneas curvas convergentes a los extremos del diagrama y los ángulos α en correspondencia con las líneas verticales.

Se definen de esta forma la superficie del diagrama obstruida por los elementos exteriores y la superficie correspondiente a la porción visible de la bóveda celeste a tarvés de la ventana. Se cuentan los cuadros que abarcan dichas superficies y se determinan su relación porcentual en función del total de cuadros que contiene el diagrama.

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Dimensionado de protecciones

Cualquiera de los métodos gráficos que analizan el moviento aparente del sol pueden ser utilizados a los fines de diseñar las protecciones de las aberturas que proyectemos en los edificios, pero elegiremos el que se denomina proyección cilíndrica desarrollada, puesto que es el diagrama o carta en donde se puede visualizar en forma integral el comportamiento de las protecciones para las trayectorias solares de todo el año.

La proyección cilíndrica desarrollada es una forma de representar la superficie esférica de la bóveda celeste, es decir, del hemisferio visible del cielo sobre el horizonte, sobre una superficie plana.

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Este sistema consiste, como su nombre lo indica, en proyectar el hemisferio celeste sobre un cilindro vertical, el cual es luego desarrollado. De esta manera la línea horizontal  de base representa la línea del horizonte y en sentido vertical se representan los distintos ángulos de altura hasta el cenit (90º), mientras que en sentido horizontal se indica la medida angular del acimut, tomándose el norte como eje del diagrama, para nuestro hemisferio, y desarrollándose a 180º a izquierda y derecha.

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Sobre este diagrama se puede ubicar la posición del sol en cualquier día y hora, conociendo luego su altura y acimut.

Conectando los puntos de localización del sol en diferentes horas del día se puede graficar el recorrido del sol para días característicos del año

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Para determinar la influencia de una protección en la obstrucción de la incidencia solar, se utiliza en conjunto con el diagrama de trayectorias solares, el diagrama de visión de bóveda celeste que tendría un observadorsituado en el plano de la ventana y que corresponde a la mitad del hemisferio celeste. La línea horizontal inferior representa la línea del horizonte y el punto central de ésta, el eje de visión del observador. El campo de visión se extiende 90º hacia arriba y 90º a izquierda y derecha de este eje.

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Las líneas curvas convergentes en los extremos representan la proyección de las aristas de protecciones horizontales paralelas a la ventana, las curvas convergentes en el centro indican las aristas perpendiculares a la ventana y las líneas verticales las aristas paralelas a la ventana en protecciones verticales.

Ejemplos de diagramas de alguna protecciones:

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Para mayor información, ver “Manual de Arquitectura Bioclimática” realizado por Guillermo Enrique Gonzalo de la editorial Nobuko.

Una herramienta de gran utilidad para este propósito es el programa de dibujo AutoCad.

A continuación, se muestra un pequeño ejemplo para el cálculo de dichos valores con un plano de situación perteneciente al ejemplo que más adelante se va a desarrollar:

(Plano situación)

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(Cálculo de horizonte en AutoCad)

DibujoDespués de introducir la imagen en el diagrama de las cartas solares cilíndricas y de colocarla centrada en un ángulo de 180º, creamos la curva del horizonte manualmente, es decir, introduciéndolo por medio de coordenadas en el cuadro de recepción de datos de color granate, el cual se ubica inmediatamente después de la gráfica.

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La aplicación analiza tanto la radiación directa como la indirecta (difusa) y la reflejada por el terreno y los edificios colindantes (albedo), para el albedo el programa nos pide la introducción del porcentaje de escenarios que tenemos en nuestro horizonte

El porcentaje de radiación directa se calcula como el porcentaje de curva solar de cada mes que está visible, es decir que no es tapada por el perfil del horizonte, mientras que el porcentaje radiación difusa se obtiene de restar a la cúpula celeste el horizonte.

Finalmente, multiplicando las radiaciones directas y difusas iniciales por los porcentajes anteriormente calculados, y sumándolas obtenemos la energía total que nos llega a la fachada de nuestro edificio.

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Cálculo de la radiación que atraviesa el elemento acristalado

En la tercera fase, introducimos los datos del elemento vidriado de estudio, devolviéndonos el programa la cantidad de radiación que le atraviesa, el ahorro económico con la introducción de protecciones y elección de máquina de calor/frío y por último el balance de emisiones de CO2 respecto a la no utilización de ninguna protección.

Los datos que son solicitados son:

-  Longitud ventana

-  Altura ventana

-  Longitud alero

-  Anchura ventana

-  Factor solar

-  Albedo

En este apartado el método de cálculo de la energía que nos llega a nuestro elemento acristalado, ha sido crear una matriz 7×8, que representa al elemento mediante puntos, y donde se calcula en cada uno el porcentaje de sombra. El programa nos ofrece la información de forma gráfica sobre la matriz, pudiendo seleccionar dos meses del año, y de forma numérica, mediante la tabla resumen en donde aparece el porcentaje de sombra de cada mes.

El programa toma los datos de longitud del alero y de la anchura y compara los más restrictivos para a continuación obtener un valor medio de la sombra que existe en cada punto del elemento acristalado en cada mes del año, mostrando 2 meses a elección del usuario.

Por otra parte, el programa, gracias a los datos introducidos, incorpora dos curvas de sombra de los puntos de la mitad superior e inferior a la gráfica de representación solar cilíndrica.

El siguiente punto es la introducción del albedo, valor que sumado al porcentaje de la sombra difusa es multiplicado por la radiación difusa, energía a la que debemos sumar la radiación directa la cual a su vez está multiplicada por el porcentaje de sombra directa.

Todos estos datos se recogen en una tabla resumen, donde obtenemos la energía en KWh/m2 y KWh.

Cálculo del beneficio obtenido en función de las dimensiones del elemento acristalado y de los elementos de sombra existentes

Para concluir, elegimos de una manera muy básica el tipo de climatización, y el programa nos ofrece información del ahorro económico y de emisiones de CO2 en el caso de que se dieran, punto donde es interesante comparar los datos obtenidos sin colocar ninguna protección con los introducidos por el usuario.

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Además destacar que el programa nos compara el régimen de verano y el de invierno, analizando el balance de necesidades de refrigeración y calefacción.

Link del programa

http://www.maab.info/descargas/Iraunkor%208_5a.xls

Beneficios

Desde un principio el objetivo del proyecto era el de encontrar una herramienta sencilla, intuitiva para el usuario y que de una forma aproximada nos aportara información acerca de la energía que nos entra por un elemento acristalado de forma rectangular, sin tener que utilizar programas complejos para su cálculo.

Licencia de Uso

Licencia

Realizado por Endika Leiba Zabalbeitia en colaboración con el Estudio, Maab Arquitectura y Urbanismo, S.L.P. - http://www.maab.info

Esta aplicación de cálculo no es profesional y no se ha testado de modo que asegure la no existencia de errores en la misma. La utilización del programa para cálculo de la intensidad real y demás resultados que emita el programa será responsabilidad exclusiva de los usuarios.

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