Estrategias naturales para la refrigeración de los espacios interiores de los edificios

Los edificios intercambian energía de manera natural con el entorno que les rodea. Desde el foco caliente hacia el foco frío. Los elementos ambientales que intervienen en este mecanismo natural son el cielo, la atmósfera y el terreno, que actúan como sumideros. El diseño energéticamente consciente está ligado al aprovechamiento de los recursos naturales del sitio donde se levanta el edificio: la energía solar activa y pasiva, el viento, la temperatura ambiente, la humedad, la orientación, la vegetación, etc… Las estrategias naturales para la refrigeración, consisten en técnicas pasivas aplicadas al diseño de los edificios para mantener el confort térmico de sus espacios interiores sin consumo de energía.

estrategia pasiva refrigeración

23-07-2014

El confort térmico: los seres humanos y el entorno

Los seres vivos intercambiamos energía con el entorno que nos rodea, y tendemos a igualar a cero el balance energético de este intercambio. Se considera confort térmico el estado de balance energético cero, es decir, cuando el cuerpo humano produce la misma energía que la que intercambia con el exterior, experimentando así una sensación neutra de los sentidos. Si el entorno le cede mucho calor, el organismo para igualar a cero este balance, tenderá a transpirar (evaporación), produciéndose un estado de pérdida de confort térmico, al igual que sucede cuando ocurre lo contrario, el cuerpo humano produce más calor que el que intercambia con el entorno en un ambiente de temperatura inferior.

El balance energético del edificio: la importancia de la termodinámica entre el edificio y su entorno

El concepto de frío se puede entender como un fenómeno físico, que se aplica a los cuerpos cuya temperatura es inferior a la del ambiente, y que genera sensaciones al entrar en contacto con ellos. Es un concepto relativo, y que se relaciona con la cantidad de calor contenido a una temperatura baja. La refrigeración, es la producción de frío o de bajas temperaturas, por ejemplo en espacios interiores en los edificios, y consiste en un proceso de eliminación de calor, en este caso, de un espacio, reduciendo la temperatura del ambiente, y logrando que sea inferior a la de su entorno. La radiación, la convección-evaporación, y la conducción son mecanismos que permiten robar calor de forma espontánea, reduciendo la temperatura.

radiacion conveccion evaporacion

La radiación solar es la fuente principal de energía que influye en el balance energético de los edificios, además del viento, por lo que es necesario analizar los flujos energéticos que se producen a través de todos y cada uno de los elementos del edificio que intervienen. La termodinámica nos muestra que el calor se transmite desde los focos calientes hacia los fríos. En invierno, el edificio debe actuar como el foco frío de manera natural, para que reciba calor respecto de su entorno -foco caliente-. La temperatura aparente del Sol es de 6.000ºC.

tecnicas naturales balance energético

Fuente: artículo sobre bioclimatismo de ECOstudio XV

En verano se busca que el edificio sea el foco caliente que busca el foco frío para cederle el calor que le sobra. La radiación solar puede ser contraproducente, y los efectos del foco caliente se deben eliminar en este período del año, excepto cuando sean beneficiosos -frío solar, por ejemplo. El cielo nocturno, la atmósfera  y el terreno, son focos fríos, que actúan como sumideros de calor, reduciendo la temperatura del entorno y actuando como mecanismos naturales

Técnicas preventivas y correctivas para la refrigeración natural en los edificios

El primer objetivo siempre es reducir la demanda, por lo que reducir al máximo las ganancias de calor no deseadas en verano, es el primer paso para reducir la demanda de refrigeración en el interior de los edificios. Se trata de aplicar de manera prioritaria medidas preventivas, valorando tanto los factores extrínsecos -parámetros meteorológicos como la temperatura y la humedad o el viento- y factores intrínsecos -geometría, orientación y características constructivas del edificio. El aislamiento térmico, la ventilación y el control solar, son medidas preventivas fundamentales en época estival, además de la distribución de huecos -ventilación y control solar-, la masa térmica junto con la circulación correcta de aire, y la orientación adecuada del edificio.

distribucion de huecos fabio

Fuente: Behance, imagen de vivienda diseñada por Fabio Maia Guzenski

Las medidas correctivas, son técnicas que procuran la refrigeración en los espacios interiores y que consiguen reducir la temperatura interior de los edificios. Un ejemplo de técnicas correctivas son los tubos enterrados, la refrigeración evaporativa o la refrigeración radiativa.

1. El control solar

La radiación solar, es fuente de calor, por lo que es necesario controlar su aportación en verano, para mantener una situación de confort térmico en el interior de los edificios, evitando sobrecalentamientos. El sombreamiento (retranqueo, toldos, pérgolas, voladizos, …), la correcta orientación del edificio, el aislamiento térmico y la distribución estratégica y diseño de los huecos acristalados (orientación, inclinación respecto de la vertical y tipo de vidrio), son estrategias efectivas.

orientacion control radiacion solar

Los elementos de sombreamiento se deben de colocar siempre en el exterior respecto de los acristalamientos. Pueden ser móviles, o bien estar domotizados. La vegetación de hoja caduca, que permita la ganancia solar en invierno, también es una buena estrategia para la protección solar en verano.

La radiación solar es la principal fuente energética que influye en el balance energético del edificio con el exterior. De la radiación que incide sobre la envolvente térmica del edificio, una parte es reflejada hacia el exterior, otra absorbida y transmitida al interior del mismo, y el resto puede ser absorbida y transformada en energía térmica o fotovoltaica, también aprovechable para producir frío: el frío solar.

2. La ventilación natural

La temperatura ambiente, la humedad relativa y la dirección y velocidad del viento, también son fuentes de calor. El viento influye en el aislamiento térmico y en las infiltraciones de aire que se producen en los edificios, ya que permite el intercambio de calor con los cerramientos exteriores – fachadas, huecos acristalados y cubiertas- expuestos al mismo, y sobretodo si no están bien aislados.

ventilación natural refrigeracion

Fuente: Behance, imagen de vivienda diseñada por Fabio Maia Guzenski

La ventilación en un edificio en períodos calurosos permite evacuar el calor almacenado en los elementos constructivos con masa o inercia térmica, evitando así el sobrecalentamiento progresivo del edificio. El intercambio de calor será posible cuando la temperatura del aire exterior sea menor a la interior. La velocidad del aire y la temperatura media radiante, también son determinantes para alcanzar el confort térmico.

2.1 Ventilación simple

Se consigue mediante una única apertura por la que entra y sale el aire. Su funcionamiento es más eficiente si la orientación del hueco coincide con la dirección del viento, y si éste está en contacto con una zona protegida de la insolación, como puede ser un patio orientado a norte, por ejemplo.

2.2 Ventilación cruzada

Se produce a través de huecos de fachadas enfrentadas, sin obstáculos entre ambos. Se consigue una mayor cantidad de renovaciones/hora que con la ventilación simple, y si no se controla la velocidad del aire, este tipo de ventilación, puede ser molesta.

2.3 Ventilación nocturna

Este tipo de ventilación aprovecha el descenso de la temperatura durante la noche para evacuar el calor acumulado durante el día en los elementos constructivos con masa térmica, evitando el aumento progresivo de la temperatura en el interior del edificio durante los períodos más calurosos.

La ventilación nocturna es el complemento adecuado, en zonas de climas con grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche, al aprovechamiento de la inercia térmica de la envolvente térmica del edificio, ya que durante el día, el edificio almacena el calor debido a su capacidad de almacenamiento térmico sin aumentar apenas su temperatura, y durante la noche, cuando desciende la temperatura, lo cede hacia el exterior y se disipa, gracias a la ventilación nocturna.

2.4 El efecto chimenea

El efecto chimenea funciona gracias a las diferencias de temperatura -gradientes térmicos- que se crean a distintas alturas, aprovechando el tiro del aire, en el interior de los edificios. Es un sistema eficiente en cuanto a número de renovaciones/hora. Colocando por ejemplo una chimenea acristalada en la cara sur, se crea un gradiente de temperaturas, ya que las ganancias solares aumentan la temperatura del aire, disminuyendo su densidad y favoreciendo el tiro. El desplazamiento del aire, produce un efecto de succión desde el exterior hacia el interior en los huecos inferiores, generando corriente de aire.

efecto chimenea ECOstudio XV

Fuente: artículo sobre bioclimatismo de ECOstudio XV

Si además, el aire que se introduce gracias a la corriente generada, se toma de una zona acondicionada, el resultado es aún más efectivo: por ejemplo un patio. En invierno, se consigue el efecto invernadero, cerrando todos los huecos.

3. El suelo

El aprovechamiento de la tierra como foco frío o sumidero de calor, se consigue mediante la técnica de tubos enterrados, a través de los cuales circula el aire tomado del interior del edificio, y que es retornado al mismo pero a menor temperatura. También se toma aire del exterior para garantizar la calidad del aire interior, y la entrada de aire fresco no contaminado.

tubo enterrado refrigeracion natural

Fuente: Behance, imagen de vivienda diseñada por Fabio Maia Guzenski

A partir de los 14 metros de profundidad, la temperatura del terreno se mantiene constante durante el año e igual a la temperatura media anual de la zona climática correspondiente; y a partir de los 3 metros, su temperatura en verano puede ser de 22ºC, y se puede aprovechar para refrigerar el espacio interior del edificio. Dicha temperatura puede reducirse aún más -hasta 2ºC a partir de 4 m de profundidad-, si se sombrea.

4. El cielo nocturno

Durante la noche, el cielo nocturno actúa como foco frío, siempre que la atmósfera esté despejada -sin nubes- y sin contaminantes -CO2 y aerosoles-, ya que su temperatura aparente es menor que la temperatura ambiente. A nivel de suelo se irradia energía hacia el cielo, enfriándose así dicho suelo. Si ponemos agua o aire en contacto con este suelo, se enfriará por convección, actuando como un radiador. El material utilizado para confeccionar este radiador influirá en la eficiencia del sistema. Además es un mecanismo de acumulación de capacidad refrigeradora durante la noche para utilizarla durante el día cuando exista demanda de refrigeración.

Otros mecanismos de producción de frío: el frío solar

Por otro lado, existen mecanismos artificiales, basados en procesos químicos y/o mecánicos, que aprovechan las propiedades termodinámicas de los elementos que intervienen en dichos procesos, para producir frío.

El frío solar, es una tecnología que aprovecha la energía obtenida a partir de la energía solar, a través de la solar térmica o la solar fotovoltaica, para generar frío, como muestra el siguiente esquema:

frio solar energia solar

Fuente: Guia del frio solar de Fenercom

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2 pensamientos en “Estrategias naturales para la refrigeración de los espacios interiores de los edificios

  1. Jaume Puntí Perelló

    Vivo en un bloque de seis escaleras en el que hay 4 patios interiores abiertos donde van cocinas y habitaciones y por este motivo no se pueden ventilar bien las habitaciones porqué entran todos los olores de las cocinas. Tengo entendido que si se cubren bien los patios se logra el efecto chimenea y se produce una corriente extractora que ventila el patio y hace subir el aire al exterior pero para convencer a la comunidad de propietarios debo presentarles un buen estudio técnico, si es cierta mi información agradecería disponer del mismo.

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