MEDIO AMBIENTE Y TRANFERENCIA DECALOR.
MEJORA DEL CONFORT TERMICO CON ENFRIAMIENTO PASIVO
II PARTE
II PARTE.- MEJORA DEL CONFORT TERMICO
Introducción
Continuando con el tema que se inició en la primera entrega, se traducirá y resumirá de manera libre el artículo “Passive cooling methods for energy efficient buildings with and without thermal energy storage – A review” de los profesores N. B. Geetha, R. Velraj de la Anna University, Institute for Energy Studies, College of Engineering, Chennai, India. Año 2012, tomado de internet, http://www.silascience.com/articles/29112012150107.pdf.
Según el artículo el enfriamiento es la transferencia de energía desde un espacio o desde el aire, a un espacio, con el fin de lograr una temperatura más baja que la de los entornos naturales. En los últimos años, los sistemas de aire acondicionado se utilizan para controlar la temperatura, contenido de humedad, la circulación y la pureza del aire dentro de una espacio, con el fin de lograr los efectos deseados para los ocupantes.
En las últimas décadas la relativa escasez fuentes de energía convencionales y su costo han originado una evaluación de las prácticas de diseño y aplicaciones de los sistemas de aire acondicionado y se han desarrollado nuevas tecnologías y procesos para lograr confort en edificaciones por medios naturales.
En los últimos años, el rápido crecimiento económico en algunas de las naciones densamente pobladas (India, China, etc.) ha estimulado el empleo de fuentes de energía sostenibles y tecnologías de conservación de energía ambientalmente amigables. A nivel mundial, los edificios son responsables de aproximadamente el 40% del consumo anual de energía de todo el mundo. La mayor parte de esta energía es para iluminación, calefacción, refrigeración y aire acondicionado.
El nivel creciente de daños al medio ambiente ha creado una mayor conciencia a nivel internacional, dando lugar al concepto de edificaciones verdes. De manera general el foco de investigadores, responsables políticos, ecologistas y arquitectos ha estado en la conservación de energía y su utilización en edificios. También se estableció que fuentes alternas de energía y tecnologías específicas se pueden utilizar para satisfacer parcialmente las necesidades de refrigeración en edificios.
El tópico del enfriamiento natural pasivo, cubre procesos naturales y técnicas para la refrigeración edificios en las que se logra enfriar con el empleo de fuentes de energía renovables.
Las técnicas de enfriamiento pasivo están relacionadas con el confort térmico de los ocupantes. Es posible aumentar la eficiencia de la refrigeración pasiva mediante técnicas de transmisión de calor mecánica, que mejoran los procesos de enfriamiento naturales. Estas aplicaciones se denominan sistemas de refrigeración "híbridos". Aquí el consumo de energía se mantiene a niveles muy bajos niveles, al tiempo que la eficiencia de los sistemas y su aplicabilidad se mejora.
La refrigeración pasiva de edificaciones se clasifica según: Reducción y prevención de calor (Reducir ganancias de calor), Moderación térmica (Modificar ganancias de calor), Disipación de calor (Eliminar calor interno).
Técnicas de protección solar y reducción de calor (Reducir las ganancias de calor)
Una edificación debe adaptarse al clima de la región y su microclima; esto es importante para minimizar las ganancias internas de calor con el fin de mejorar la eficiencia del enfriamiento pasivo. El diseño del sitio está influenciado por consideraciones económicas, zonificación, reglamentos y desarrollos adyacentes, los cuales pueden interferir con el diseño de una edificación respecto de la radiación solar incidente y del viento disponible. La vegetación puede proporcionar espacios al aire libre agradables, y puede mejorar el microclima alrededor de una edificación reduciendo la carga de refrigeración.
Microclima.
El clima es el promedio de las condiciones atmosféricas durante un tiempo prolongado sobre una región. A los patrones de pequeña escala del clima, como resultado de la influencia de la topografía, estructura del suelo, suelo y las edificaciones se les denomina microclimas. Los principales parámetros que caracterizan el clima son temperatura del aire, humedad, precipitación y viento.
El clima de las ciudades se diferencia del clima de las zonas rurales circundantes, debido a la estructura de las ciudades y al calor liberado por los vehículos. En general, el clima en las ciudades se caracteriza por temperaturas ambientales, humedad relativa reducida, velocidad del viento reducida y radiación solar directa.
El microclima de una zona urbana puede ser modificado mediante técnicas de jardinería, con el uso de superficies de vegetación. La primera etapa en la mejora del confort está en mejorar la infraestructura verde y azul de parques, árboles, espacios abiertos, aguas abiertas y fuentes de agua.
En el mundo hay un creciente interés en el uso de jardines en las azoteas, paredes verdes y techos verdes por su efecto de enfriamiento. Parques y otros espacios verdes pueden ser beneficiosos por su efecto de refrigeración en verano, a través de la sombra y la transpiración. Además, la presencia de agua, plantas y árboles contribuye a enfriar microclima, y es una importante fuente de humedad dentro de lo urbano en su mayoría árido medio ambiente.
Shashua-Bar y coautores estudiaron estrategias mejoras del microclima para región árida caliente, teniendo en cuenta la eficiencia del uso del agua. Estudiaron diversas estrategias de paisaje:
Vegetación.- Su presencia modifica el microclima y uso energético de edificaciones por reducción de la temperatura del aire y la superficie y por el aumento de la humedad relativa del aire. Además, las plantas pueden controlar la contaminación del aire, filtrar el polvo y reducir el nivel de molestia a partir de fuentes de ruido. Se ha analizado el efecto térmico en una calle urbana, indicando la importancia de los árboles urbanos para el alivio del efecto de isla de calor en veranos calientes y húmedos.
Superficies de agua.- Estas modifican el microclima de la zona circundante, reduciendo la temperatura del aire, ya sea por evaporación, o por el contacto del aire caliente con la superficie del agua más fría. Fuentes, estanques, arroyos, cascadas o aerosoles de niebla pueden ser utilizados como fuentes de enfriamiento, para reducir la temperatura del aire exterior y del aire que entra a una edificación.
Control Solar.
La radiación solar alcanza las superficies externas de una edificación en forma directa, difusa y por reflexión y penetra al interior a través de elementos transparentes. En general, la radiación incidente varía con la latitud geográfica, la altitud sobre el nivel del mar, las condiciones atmosféricas generales, el día del año, y el tiempo del día. Para una superficie dada, la radiación incidente varía con la orientación y el ángulo de la superficie con el plano horizontal.
El ingreso de radiación solar en un espacio interior puede causar problemas, como altas temperaturas interiores, incomodidad térmica y visual a los ocupantes, daños a los objetos sensibles y muebles; por lo que es importante controlar la radiación solar.
Existen diferentes técnicas para controlar la radiación solar que entra a una edificación:
Apertura (orientación, tamaño e inclinación de las diversas aberturas con relación a la edificación), siendo la mejor orientación cuando se recibe la máxima cantidad de radiación solar en invierno y la cantidad mínima en verano.
Acristalamiento (Glazing), en el cual las propiedades térmicas de las superficies acristaladas de una edificación afectan la penetración de radiación solar al interior. Se han desarrollado acristalamientos al vacío, ventanas y materiales electro - crómicos termo -trópicos, aerogeles de sílice y materiales de aislamiento. Las películas selectivas transparentes representan una opción para control de ganancia de calor solar, a ser utilizado en ventanas o fachadas.
Aislamiento.- Se ha estudiado el empleo de aislamientos informando que la transmisión de calor a través de los techos (techos en V invertida) podría reducirse proporcionando aislamiento en el ático bajo el techo o por encima del techo. Un colector solar en el techo podría proporcionar ventilación y refrigeración en el ático.
Sombreado (Shading). El sombreado indica la obstrucción parcial o completa del rayo de sol dirigido hacia una superficie por un objeto o superficie que interviene. La sombra varía en posición y tamaño dependiendo de la relación geométrica entre el sol y la superficie de que se trate.
Moderación Térmica (Modificar ganancias de calor)
La mejora del confort térmico en una edificación también puede obtenerse mediante métodos de moderación térmica:
Primer método: La masa térmica de la edificación un edificio absorbe calor durante el día y regula la magnitud de cambios de la temperatura interior, reduce la carga de enfriamiento pico y transfiere una parte del calor absorbido al ambiente en las horas nocturnas. La carga restante de enfriamiento puede ser cubierto por técnicas de enfriamiento pasivo. Esto se puede lograr ya sea por el uso de materiales de construcción voluminosos o por uso de material con cambio de fase. Cuando se emplean materiales con cambio de fase (PCMs), estos se pueden integrar en la estructura del edificio para mejorar el efecto de almacenamiento térmico y mejorar el confort térmico. Los primeros estudios se centraron en el PCM como una masa de almacenamiento térmico que era mejor que la pared de mampostería tradicional en la aplicación de la pared de la edificación colector-almacenamiento ("Trombe Wall "). Ghoneim y coautores hicieron un análisis numérico y simulación de una edificación colector-almacenamiento pared ("Muro Trombe") con diferentes medios de almacenamiento térmico: decahidrato de sulfato de sodio, parafina medicinal, P116-cera, y el hormigón tradicional. Su simulación comparó la actuaciones (que investiga principalmente el parámetro de Ahorro Solar Fracción) de diferente Trombe paredes con diferentes espesores de pared, condiciones de ventilación, conductividad térmica, temperaturas de fusión de los PCM y proporciones colector de carga.
El concepto de la "PCM micro-encapsulado" es la encapsulación de polímero / membrana, y la dimensión de cada "micro-cápsula" es generalmente unos pocos micrómetros. Este tipo de micro PCM encapsulado evita efectivamente la escasez de la macro-encapsulado o directamente PCM sumergido, como el problema de la mala manipulación, fugas, forma de distorsión y duro mantenimiento. Ya han habido productos comerciales de micro-encapsulado PCM, como el Micronal® PCM de la compañía alemana BASF.
Los PCM se pueden emplear en los techos; esta técnica se utiliza por su fácil instalación. Koschenz y Lehmann desarrollaron un panel de techo hecho de una mezcla de un micro encapsulado PCM y yeso. Además, los tubos capilares y aletas de aluminio se incorporan en la masa térmica para mejorar los procesos de transferencia de calor. Durante el día, el panel del techo PCM está expuesto directamente a las fuentes de calor interior y funciona como un disipador de calor, mientras que durante la noche el calor absorbido puede ser liberado por la circulación de agua fría en los tubos capilares o por la ventilación de aire de la noche. Griffiths y Eames desarrollaron una cámara de ensayo con PCM en suspensión (concentración del 40% del micro encapsulado PCM con agua) para un sistema de techo frío, y se comparó contra el empleo de agua fría como fluido de transferencia de calor. Los resultados de las pruebas muestran que, con una mayor capacidad de calor, la suspensión PCM se puede hacer circular a un caudal mucho menor que el agua como fluido de transferencia de calor; por lo tanto el consumo de energía puede tanto reducirse sin comprometer los efectos de enfriamiento.
Los PCM también se pueden emplear en ventanas de cristal.
Segundo método: Empleo de frio nocturno para enfriamiento diurno.
Este método, la edificación desocupada se pre-enfría por ventilación durante la noche, y esta frialdad almacenada se transfiere a las primeras horas del día siguiente día, reduciendo así el consumo de energía para refrigeración.
Las técnicas de ventilación nocturnas se basan en el uso de aire ambiente fresco para disminuir la temperatura del aire interior, así como la temperatura de la estructura del edificio. El enfriamiento por ventilación nocturna basa principalmente en la diferencia relativa entre la temperatura interior y la temperatura al aire libre durante la noche, la tasa de flujo de aire, la capacidad térmica del edificio, y el acoplamiento eficiente del flujo de aire y la masa térmica.
Existen estudios donde técnicas de ventilación nocturna se han aplicado con éxito en edificios refrigerados pasivamente, especialmente en países europeos.
Es evidente que el rendimiento de ventilación noche depende de la condición climática del entorno y de los parámetros físicos de la construcción, tales como el tipo de cambio de aire y capacidad de almacenamiento térmico. Por lo tanto, es esencial examinar la eficacia de la ventilación nocturna en diferentes regiones climáticas. Falta información para los trópicos. Se ha encontrado que la ventilación nocturna puede llegar a disminuir las temperaturas diurnas hasta en cerca de 3°C. La eficiencia es función de la diferencia de temperatura entre día y noche.
Kubota y coautores estudiaron las técnicas de ventilación nocturna en edificios residenciales en clima cálido y húmedo (Malasia), concluyendo que se requiere deshumidificar las edificaciones para que esta técnica sea eficaz.
Técnica de la disipación de calor (RETIRO de calor interno)
Muchas veces la modulación de las ganancias de calor no permite controlar adecuadamente la temperatura interior de las edificaciones. En esto casos una estrategia de enfriamiento más avanzada incluye el rechazo de calor al calor a sumideros de calor, como la alta atmósfera y el cielo mediante procesos naturales de transferencia de calor. El diseño de una edificación influye en el potencial de enfriamiento de una técnica de enfriamiento natural. El Enfriamiento Natural se refiere a la utilización de sumideros de calor para disipar el exceso de calor de los espacios interiores. Se incluye: ventilación natural, enfriamiento por evaporación (evaporative cooling), enfriamiento del suelo (Ground cooling) y enfriamiento radiativo (radiative cooling), y también el uso de un sistema basado en PCM para el enfriamiento libre.
Ventilación natural
La ventilación natural es la técnica más importante de refrigeración pasiva. La ventilación de ambientes interiores es necesaria para mantener los niveles de oxígeno y la calidad del aire. Tradicionalmente la ventilación se lograba por medios naturales. En edificaciones antiguas los niveles de infiltración permitían proporcionar cantidades de aire exterior, y los requisitos adicionales se satisfacían con sólo abrir las ventanas.
En edificaciones modernas se ha reducido la infiltración de aire a un mínimo, en un intento de reducir su impacto sobre la carga de refrigeración o calefacción. En la actualidad existen grandes edificios de oficinas que no permiten la apertura de ventanas, con lo cual se ha eliminado la posibilidad de utilizar ventilación natural para suministrar aire fresco a edificaciones.
Un buen diseño de un edificio ventilado naturalmente, requiere de una comprensión de los patrones de flujo de aire alrededor de ella y el efecto de los edificios vecinos. El objetivo es ventilar la mayor parte posible del espacio interior. El cumplimiento de este objetivo depende de la ubicación de la ventana, del viento y de las características de los interiores.
Entre las técnicas de ventilación natural tenemos:
Ventilación cruzada impulsada por el viento (se logra a través de aberturas de ventilación en los lados opuestos de un recinto cerrado en una edificación). Se ha estudiado el movimiento del aire y la distribución de CO2 en esto sistemas mediante dinámica de fluidos computacional encontrándose que es posible de lograr niveles de CO2 aceptables. Se ha encontrado que la ventilación cruzada con los ajustes de control juega un papel significativo en la reducción de la temperatura interior.
Ventilación por chimeneas impulsadas por empuje o ventilación por desplazamiento (DV) que se basa en diferencias de densidad que hacen ingresar aire fresco externo por medio de aberturas de ventilación en puntos bajos. Usualmente se emplean chimeneas para generar suficientes fuerzas de empuje y lograr el flujo necesario.
Chungloo y Limmeechockai estudiaron el efecto de una chimenea solar y un sistema de rociado de agua sobre el techo encontrando que cuando la temperatura ambiente era 40 ° C, se lograba un máximo de reducción de temperatura de 3,5 °C en el caso de una chimenea separada, y un máximo de 6,2 ° C en la reducción de la temperatura por el efecto combinado de una chimenea solar y la pulverización de agua. Además, se informó que la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de la chimenea solar tendía a disminuir durante el período de alta radiación solar y alta temperatura ambiental. Por otra parte, la pulverización de agua aumenta la diferencia de temperatura, y en consecuencia, la velocidad de flujo de aire a través de la chimenea.
Ventilación de un sólo lado, este tipo de ventilación suele servir a un solo cuarto y por lo tanto proporciona una solución local de ventilación local solución. Jiang y coautores estudiaron el mecanismo de ventilación natural impulsada por la fuerza del viento. Ellos detallaron campos de flujo de aire (velocidad media y velocidad fluctuante) y la distribución de la presión en el interior y alrededor modelos que fueron medidos por pruebas de túnel de viento. Yin Wei y coautores investigaron un posible modelo de construcción con ventilación natural de una sola cara, teniendo en cuenta una serie de factores en China. Este modelo puede ser utilizado para estimar el potencial de ventilación natural a través de parámetros de datos climáticos y de construcción locales. En este trabajo se analizan cuatro ciudades típicas de distintas regiones de clima en China, y se calcula la diferencia de presión Pascal hora (CPPD). Los resultados mostraron que la ventilación de una sola cara tiene un menor número de horas de confort adaptativo que la ventilación de dos caras y mucho menos volúmenes de ventilación.
Enfriamiento Natural.
Existen diversas técnicas dentro del Enfriamiento Natural: Enfriamiento por Evaporación Evaporative Cooling), Enfriamiento con el Suelo (Ground Cooling), Enfriamiento Radiativo (Radiative Cooling), Disipación de Calor por medio de principios de enfriamiento combinados.
Enfriamiento por evaporación (Evaporative cooling). El enfriamiento por evaporación es un proceso que utiliza el efecto de la evaporación como un disipador de calor natural. El calor sensible del aire es absorbido para ser utilizado como calor latente necesario para evaporar agua. La cantidad de calor sensible absorbida depende de la cantidad de agua que puede ser evaporada.
El enfriamiento por evaporación es un proceso muy antiguo, que tiene su origen hace unos mil años, en la antigua Egipto y Persia. Modernos enfriadores evaporativos se basan en los prototipos construidos en el año 1900 en los Estados Unidos. Se ha encontrado que entre los sistemas de enfriamiento pasivo, el enfriamiento por evaporación fue el mejor seguido por las chimeneas solares.
Los sistemas pasivos directos incluyen el uso de vegetación para lograr la evaporación, el uso de fuentes, aerosoles, piscinas y estanques, así como el uso de material poroso saturado con agua. Árboles y otras plantas transpiran humedad con el fin de rechazar su calor sensible. El análisis teórico de la papel de evapotranspiración planta ha demostrado, que la evapotranspiración de un árbol puede salvar 250-650 kWh de electricidad utilizados para el aire acondicionado por año. La evapotranspiración del césped mojado puede reducir la temperatura de la superficie del suelo por 6-8 °C por debajo de la temperatura media de la superficie del suelo desnudo.
Wanphen y Nagano estudiaron el rendimiento de los materiales del techo en el enfriamiento evaporativo y se encontró que la de esquisto silíceo era capaz de reducir la temperatura de la superficie del techo en acerca de 8.63 ° C, en comparación con el concreto.
Enfriamiento al suelo (Ground Cooling).- El Ground Cooling se basa en la disipación de calor de un edificio al suelo, el cual durante el período de enfriamiento tiene una temperatura más baja que la del aire exterior. Esta disipación se puede lograr ya sea por contacto directo de una parte importante de la envolvente del edificio con la tierra, o mediante la inyección de aire que ha sido distribuido previamente en el edificio por los medios de intercambiadores de calor de tierra-aire.
Siendo tres los mecanismos de intercambio calor con el medio ambiente: conducción, convección y radiación, para una edificación el mecanismo principal es la convección. Esto porque que la mayor parte de la envolvente del edificio está en contacto con el aire ambiente. Luego viene la radiación y, finalmente, la conducción, ya que el área de la construcción en contacto con el suelo es más pequeña. El principio de enfriamiento al suelo está en aumentar el intercambio de calor por conducción. Existirán caídas de temperatura en el edificio, porque el suelo está a una temperatura más baja que el aire durante el período de enfriamiento.
El enfriamiento radiativo (Radiative Cooling).- El enfriamiento radiativo se basa en la pérdida de calor por radiación de onda larga de emisión de un cuerpo hacia otro cuerpo de temperatura más baja, que desempeña el papel del disipador de calor. En el caso de edificios el cuerpo que se enfría es el edificio y el disipador de calor es el cielo, ya que la temperatura en el cielo suele ser inferior a las temperaturas de la mayoría de los objetos en la tierra. Este es el mecanismo que permite a la tierra disipar el calor recibido del sol, para mantener su equilibrio térmico. Existen dos métodos de aplicación del enfriamiento radiativo en los edificios: directa o enfriamiento radiativo pasivo, y enfriamiento radiativo híbrido. En el primero, la envolvente del edificio irradia hacia el cielo y se enfrió, produciendo pérdida de calor desde el interior del edificio. En el segundo caso, el radiador no es la envolvente del edificio, más bien suele ser una placa de metal. La operación de un radiador es opuesta a la de un colector solar de placa plana. El aire se enfría mediante al circular bajo la placa de metal, antes de que sea inyectada en el edificio. Los diversos conceptos de enfriamiento radiativo son los siguientes:
Pintura: La técnica de enfriamiento radiativo pasiva simple es pintar el techo blanco. La pintura blanca no afecta significativamente la tasa de radiación por la noche, ya que ambas pinturas en blanco y negro tienen casi la misma emisividad en el intervalo de onda larga. La ventaja de un techo pintado de blanco es que tiene una menor absorción de radiación solar durante el día, por lo que la temperatura sigue siendo inferior, Por lo tanto, y puede ser enfriado fácilmente por la radiación en la noche.
Aislamiento movible: los sistemas de aislamiento móviles se aplican en el techo de los edificios. Ellos consisten de un material aislante que se puede mover sobre el techo del edificio. Estos sistemas permitir la exposición de la masa térmica de la cubierta hacia el cielo durante la noche. Durante el día la masa está cubierta por una capa aislante para minimizar el aumento del calor en la masa térmica debido a solar radiación.
Masa térmica Movible: La técnica masa térmica móvil es una variación de la anterior uno, pero con un coste aún mayor. Se requiere la construcción de un estanque con aislamiento térmico en el techo del edificio con un dispositivo de aislamiento móvil por encima de ella. Entre el estanque y el techo del edificio hay un espacio en el que el agua del estanque puede ser canalizada.
Enfriador de aire de placa plana: Un enfriador de aire de placa plana puede ser utilizado para enfriar agua en un loop de manera similar a un colector solar vinculado a un tanque de almacenamiento. Este es un dispositivo muy simple, se parece a un colector solar de aire de placa plana sin acristalamiento (glazing). Se compone de un conducto rectangular horizontal. La parte superior del conducto es un radiador, que es una placa de metal. La placa de metal se debe cubrir con un material altamente emisivo en la longitud de onda larga del espectro electromagnético. Un parabrisas se puede utilizar para proteger la superficie del radiador de los efectos del viento.
El primer enfriamiento evaporativo y el único disponible comercialmente es el "Skytherm" desarrollado por Hay. En este sistema el techo (horizontal) está hecho de placas de acero estructural. Cocine Bagioras y Mihalakakou afirman que los recursos de enfriamiento pasivo son los disipadores de calor naturales del planeta tierra: cielo, la atmósfera, y la tierra. Las técnicas de disipación de calor se basan en la transferencia del exceso de calor para la temperatura de los sumideros naturales. La disipación de calor de un edificio en el cielo se produce por onda larga radiación, un proceso llamado enfriamiento radiativo. De hecho, el único medio por el cual la tierra pierde calor es el enfriamiento radiativo. La temperatura del cielo equivalente suele ser menor que la temperatura de la mayoría cuerpos en la tierra; por lo tanto, cualquier superficie ordinaria que interactúa con el cielo tiene una onda larga neta pérdida radiante. Vangtook mostró que una torre de refrigeración podría ser empleado para proporcionar un agua de refrigeración para el enfriamiento radiante y para el pre enfriamiento del aire de ventilación para lograr el confort térmico. No Se requiere refrigeración activa. Mouhib y coautores explican cómo un sustrato de vidrio recubierto con un doble capa de acero inoxidable y estaño capa para lograr el efecto inverso de efecto invernadero.
Disipación de Calor por medio de principios de enfriamiento combinados.- Para lograr una mayor eficiencia en la refrigeración, diversos principios de refrigeración se combinan en un único sistema. Así, Farahani y coautores estudiaron un sistema de refrigeración de dos etapas compuesta de una unidad de radiación nocturna, un serpentín de enfriamiento y un enfriador evaporativo indirecto en la ciudad de Teherán; los resultados mostraron que la primera etapa del sistema aumenta la eficacia de la indirecta enfriador evaporativo, además, el modelo regenerativa ofrece las mejores condiciones de confort.
Maerefat y Haghighi estudiaron una técnica de enfriamiento pasivo consume poca energía (Chimenea solar junto con intercambiador de calor de la tierra-aire) para eliminar el calor interior indeseable desde un edificio en las temporadas calientes. Se encontró que es posible utilizar la chimenea solar al poder el sistema de refrigeración subterránea durante el día, sin ninguna necesidad de electricidad. Por otra parte, este sistema con un diseño adecuado también puede proporcionar un ambiente interior confortable térmicamente para un gran número de horas durante los días calurosos de verano.
Sistema de almacenamiento PCM basado externa para refrigeración libre
El PCM se ha desarrollado para almacenar "frio" para aplicaciones en acondicionamiento de aire. El frío "se recoge y almacena en el PCM durante la noche y se utiliza para enfriar el interior del edificio durante las horas calientes del día. Este concepto se conoce como refrigeración libre. Debido a que las diferencias de temperatura entre día y noche son pequeñas, el material de cambio de fase es la mejor opción de almacenamiento. Sistemas de enfriamiento sin costo se desempeñan mejor en sitios donde el rango de temperaturas diurnas es mayor que 15 ° C.
En un trabajo experimental sobre refrigeración libre, el “frio” del aire nocturno se almacena en el PCM y se descarga durante el durante el día. Se incrustan tuberías de calentamiento en la PCM para mejorar la transferencia de calor entre el aire y el PCM. Este sistema fue modelado y se encontró que la velocidad de transferencia de calor fue de cerca de 40 W durante un período de fusión de 19 h para una diferencia de temperatura de 5 ° C, entre el aire y el PCM. En otro trabajo se estudió la viabilidad de un sistema de refrigeración libre empleando PCM encapsulado en una placa plana con una temperatura de fusión de alrededor de 20-25 ° C. Taquead y coautores desarrollaron un sistema de ventilación que utiliza almacenamiento de energía térmica, usando gránulos de material de cambio de fase.
CONCLUSION
El artículo concluye indicando que el concepto de eficiencia energética de edificios verdes ha impulsado el estudio de antiguos métodos de enfriamiento pasivo de una manera moderna y eficiente.
Se debe notar que un concepto adecuado para un lugar puede no ser adecuado para otro, si la las condiciones climáticas son diferentes. Por lo tanto, al ser estas técnicas altamente específicas del sitio, sobre la base de las zonas climáticas (calientes vs frías, cálido y húmedo, frío y soleado, frío y seco, etc.) la selección de tecnologías de enfriamiento, y la selección de los edificios y de materiales asociados, son también específicas.
Introducción
Continuando con el tema que se inició en la primera entrega, se traducirá y resumirá de manera libre el artículo “Passive cooling methods for energy efficient buildings with and without thermal energy storage – A review” de los profesores N. B. Geetha, R. Velraj de la Anna University, Institute for Energy Studies, College of Engineering, Chennai, India. Año 2012, tomado de internet, http://www.silascience.com/articles/29112012150107.pdf.
Según el artículo el enfriamiento es la transferencia de energía desde un espacio o desde el aire, a un espacio, con el fin de lograr una temperatura más baja que la de los entornos naturales. En los últimos años, los sistemas de aire acondicionado se utilizan para controlar la temperatura, contenido de humedad, la circulación y la pureza del aire dentro de una espacio, con el fin de lograr los efectos deseados para los ocupantes.
En las últimas décadas la relativa escasez fuentes de energía convencionales y su costo han originado una evaluación de las prácticas de diseño y aplicaciones de los sistemas de aire acondicionado y se han desarrollado nuevas tecnologías y procesos para lograr confort en edificaciones por medios naturales.
En los últimos años, el rápido crecimiento económico en algunas de las naciones densamente pobladas (India, China, etc.) ha estimulado el empleo de fuentes de energía sostenibles y tecnologías de conservación de energía ambientalmente amigables. A nivel mundial, los edificios son responsables de aproximadamente el 40% del consumo anual de energía de todo el mundo. La mayor parte de esta energía es para iluminación, calefacción, refrigeración y aire acondicionado.
El nivel creciente de daños al medio ambiente ha creado una mayor conciencia a nivel internacional, dando lugar al concepto de edificaciones verdes. De manera general el foco de investigadores, responsables políticos, ecologistas y arquitectos ha estado en la conservación de energía y su utilización en edificios. También se estableció que fuentes alternas de energía y tecnologías específicas se pueden utilizar para satisfacer parcialmente las necesidades de refrigeración en edificios.
El tópico del enfriamiento natural pasivo, cubre procesos naturales y técnicas para la refrigeración edificios en las que se logra enfriar con el empleo de fuentes de energía renovables.
Las técnicas de enfriamiento pasivo están relacionadas con el confort térmico de los ocupantes. Es posible aumentar la eficiencia de la refrigeración pasiva mediante técnicas de transmisión de calor mecánica, que mejoran los procesos de enfriamiento naturales. Estas aplicaciones se denominan sistemas de refrigeración "híbridos". Aquí el consumo de energía se mantiene a niveles muy bajos niveles, al tiempo que la eficiencia de los sistemas y su aplicabilidad se mejora.
La refrigeración pasiva de edificaciones se clasifica según: Reducción y prevención de calor (Reducir ganancias de calor), Moderación térmica (Modificar ganancias de calor), Disipación de calor (Eliminar calor interno).
Técnicas de protección solar y reducción de calor (Reducir las ganancias de calor)
Una edificación debe adaptarse al clima de la región y su microclima; esto es importante para minimizar las ganancias internas de calor con el fin de mejorar la eficiencia del enfriamiento pasivo. El diseño del sitio está influenciado por consideraciones económicas, zonificación, reglamentos y desarrollos adyacentes, los cuales pueden interferir con el diseño de una edificación respecto de la radiación solar incidente y del viento disponible. La vegetación puede proporcionar espacios al aire libre agradables, y puede mejorar el microclima alrededor de una edificación reduciendo la carga de refrigeración.
Microclima.
El clima es el promedio de las condiciones atmosféricas durante un tiempo prolongado sobre una región. A los patrones de pequeña escala del clima, como resultado de la influencia de la topografía, estructura del suelo, suelo y las edificaciones se les denomina microclimas. Los principales parámetros que caracterizan el clima son temperatura del aire, humedad, precipitación y viento.
El clima de las ciudades se diferencia del clima de las zonas rurales circundantes, debido a la estructura de las ciudades y al calor liberado por los vehículos. En general, el clima en las ciudades se caracteriza por temperaturas ambientales, humedad relativa reducida, velocidad del viento reducida y radiación solar directa.
El microclima de una zona urbana puede ser modificado mediante técnicas de jardinería, con el uso de superficies de vegetación. La primera etapa en la mejora del confort está en mejorar la infraestructura verde y azul de parques, árboles, espacios abiertos, aguas abiertas y fuentes de agua.
En el mundo hay un creciente interés en el uso de jardines en las azoteas, paredes verdes y techos verdes por su efecto de enfriamiento. Parques y otros espacios verdes pueden ser beneficiosos por su efecto de refrigeración en verano, a través de la sombra y la transpiración. Además, la presencia de agua, plantas y árboles contribuye a enfriar microclima, y es una importante fuente de humedad dentro de lo urbano en su mayoría árido medio ambiente.
Shashua-Bar y coautores estudiaron estrategias mejoras del microclima para región árida caliente, teniendo en cuenta la eficiencia del uso del agua. Estudiaron diversas estrategias de paisaje:
Vegetación.- Su presencia modifica el microclima y uso energético de edificaciones por reducción de la temperatura del aire y la superficie y por el aumento de la humedad relativa del aire. Además, las plantas pueden controlar la contaminación del aire, filtrar el polvo y reducir el nivel de molestia a partir de fuentes de ruido. Se ha analizado el efecto térmico en una calle urbana, indicando la importancia de los árboles urbanos para el alivio del efecto de isla de calor en veranos calientes y húmedos.
Superficies de agua.- Estas modifican el microclima de la zona circundante, reduciendo la temperatura del aire, ya sea por evaporación, o por el contacto del aire caliente con la superficie del agua más fría. Fuentes, estanques, arroyos, cascadas o aerosoles de niebla pueden ser utilizados como fuentes de enfriamiento, para reducir la temperatura del aire exterior y del aire que entra a una edificación.
Control Solar.
La radiación solar alcanza las superficies externas de una edificación en forma directa, difusa y por reflexión y penetra al interior a través de elementos transparentes. En general, la radiación incidente varía con la latitud geográfica, la altitud sobre el nivel del mar, las condiciones atmosféricas generales, el día del año, y el tiempo del día. Para una superficie dada, la radiación incidente varía con la orientación y el ángulo de la superficie con el plano horizontal.
El ingreso de radiación solar en un espacio interior puede causar problemas, como altas temperaturas interiores, incomodidad térmica y visual a los ocupantes, daños a los objetos sensibles y muebles; por lo que es importante controlar la radiación solar.
Existen diferentes técnicas para controlar la radiación solar que entra a una edificación:
Apertura (orientación, tamaño e inclinación de las diversas aberturas con relación a la edificación), siendo la mejor orientación cuando se recibe la máxima cantidad de radiación solar en invierno y la cantidad mínima en verano.
Acristalamiento (Glazing), en el cual las propiedades térmicas de las superficies acristaladas de una edificación afectan la penetración de radiación solar al interior. Se han desarrollado acristalamientos al vacío, ventanas y materiales electro - crómicos termo -trópicos, aerogeles de sílice y materiales de aislamiento. Las películas selectivas transparentes representan una opción para control de ganancia de calor solar, a ser utilizado en ventanas o fachadas.
Aislamiento.- Se ha estudiado el empleo de aislamientos informando que la transmisión de calor a través de los techos (techos en V invertida) podría reducirse proporcionando aislamiento en el ático bajo el techo o por encima del techo. Un colector solar en el techo podría proporcionar ventilación y refrigeración en el ático.
Sombreado (Shading). El sombreado indica la obstrucción parcial o completa del rayo de sol dirigido hacia una superficie por un objeto o superficie que interviene. La sombra varía en posición y tamaño dependiendo de la relación geométrica entre el sol y la superficie de que se trate.
Moderación Térmica (Modificar ganancias de calor)
La mejora del confort térmico en una edificación también puede obtenerse mediante métodos de moderación térmica:
Primer método: La masa térmica de la edificación un edificio absorbe calor durante el día y regula la magnitud de cambios de la temperatura interior, reduce la carga de enfriamiento pico y transfiere una parte del calor absorbido al ambiente en las horas nocturnas. La carga restante de enfriamiento puede ser cubierto por técnicas de enfriamiento pasivo. Esto se puede lograr ya sea por el uso de materiales de construcción voluminosos o por uso de material con cambio de fase. Cuando se emplean materiales con cambio de fase (PCMs), estos se pueden integrar en la estructura del edificio para mejorar el efecto de almacenamiento térmico y mejorar el confort térmico. Los primeros estudios se centraron en el PCM como una masa de almacenamiento térmico que era mejor que la pared de mampostería tradicional en la aplicación de la pared de la edificación colector-almacenamiento ("Trombe Wall "). Ghoneim y coautores hicieron un análisis numérico y simulación de una edificación colector-almacenamiento pared ("Muro Trombe") con diferentes medios de almacenamiento térmico: decahidrato de sulfato de sodio, parafina medicinal, P116-cera, y el hormigón tradicional. Su simulación comparó la actuaciones (que investiga principalmente el parámetro de Ahorro Solar Fracción) de diferente Trombe paredes con diferentes espesores de pared, condiciones de ventilación, conductividad térmica, temperaturas de fusión de los PCM y proporciones colector de carga.
El concepto de la "PCM micro-encapsulado" es la encapsulación de polímero / membrana, y la dimensión de cada "micro-cápsula" es generalmente unos pocos micrómetros. Este tipo de micro PCM encapsulado evita efectivamente la escasez de la macro-encapsulado o directamente PCM sumergido, como el problema de la mala manipulación, fugas, forma de distorsión y duro mantenimiento. Ya han habido productos comerciales de micro-encapsulado PCM, como el Micronal® PCM de la compañía alemana BASF.
Los PCM se pueden emplear en los techos; esta técnica se utiliza por su fácil instalación. Koschenz y Lehmann desarrollaron un panel de techo hecho de una mezcla de un micro encapsulado PCM y yeso. Además, los tubos capilares y aletas de aluminio se incorporan en la masa térmica para mejorar los procesos de transferencia de calor. Durante el día, el panel del techo PCM está expuesto directamente a las fuentes de calor interior y funciona como un disipador de calor, mientras que durante la noche el calor absorbido puede ser liberado por la circulación de agua fría en los tubos capilares o por la ventilación de aire de la noche. Griffiths y Eames desarrollaron una cámara de ensayo con PCM en suspensión (concentración del 40% del micro encapsulado PCM con agua) para un sistema de techo frío, y se comparó contra el empleo de agua fría como fluido de transferencia de calor. Los resultados de las pruebas muestran que, con una mayor capacidad de calor, la suspensión PCM se puede hacer circular a un caudal mucho menor que el agua como fluido de transferencia de calor; por lo tanto el consumo de energía puede tanto reducirse sin comprometer los efectos de enfriamiento.
Los PCM también se pueden emplear en ventanas de cristal.
Segundo método: Empleo de frio nocturno para enfriamiento diurno.
Este método, la edificación desocupada se pre-enfría por ventilación durante la noche, y esta frialdad almacenada se transfiere a las primeras horas del día siguiente día, reduciendo así el consumo de energía para refrigeración.
Las técnicas de ventilación nocturnas se basan en el uso de aire ambiente fresco para disminuir la temperatura del aire interior, así como la temperatura de la estructura del edificio. El enfriamiento por ventilación nocturna basa principalmente en la diferencia relativa entre la temperatura interior y la temperatura al aire libre durante la noche, la tasa de flujo de aire, la capacidad térmica del edificio, y el acoplamiento eficiente del flujo de aire y la masa térmica.
Existen estudios donde técnicas de ventilación nocturna se han aplicado con éxito en edificios refrigerados pasivamente, especialmente en países europeos.
Es evidente que el rendimiento de ventilación noche depende de la condición climática del entorno y de los parámetros físicos de la construcción, tales como el tipo de cambio de aire y capacidad de almacenamiento térmico. Por lo tanto, es esencial examinar la eficacia de la ventilación nocturna en diferentes regiones climáticas. Falta información para los trópicos. Se ha encontrado que la ventilación nocturna puede llegar a disminuir las temperaturas diurnas hasta en cerca de 3°C. La eficiencia es función de la diferencia de temperatura entre día y noche.
Kubota y coautores estudiaron las técnicas de ventilación nocturna en edificios residenciales en clima cálido y húmedo (Malasia), concluyendo que se requiere deshumidificar las edificaciones para que esta técnica sea eficaz.
Técnica de la disipación de calor (RETIRO de calor interno)
Muchas veces la modulación de las ganancias de calor no permite controlar adecuadamente la temperatura interior de las edificaciones. En esto casos una estrategia de enfriamiento más avanzada incluye el rechazo de calor al calor a sumideros de calor, como la alta atmósfera y el cielo mediante procesos naturales de transferencia de calor. El diseño de una edificación influye en el potencial de enfriamiento de una técnica de enfriamiento natural. El Enfriamiento Natural se refiere a la utilización de sumideros de calor para disipar el exceso de calor de los espacios interiores. Se incluye: ventilación natural, enfriamiento por evaporación (evaporative cooling), enfriamiento del suelo (Ground cooling) y enfriamiento radiativo (radiative cooling), y también el uso de un sistema basado en PCM para el enfriamiento libre.
Ventilación natural
La ventilación natural es la técnica más importante de refrigeración pasiva. La ventilación de ambientes interiores es necesaria para mantener los niveles de oxígeno y la calidad del aire. Tradicionalmente la ventilación se lograba por medios naturales. En edificaciones antiguas los niveles de infiltración permitían proporcionar cantidades de aire exterior, y los requisitos adicionales se satisfacían con sólo abrir las ventanas.
En edificaciones modernas se ha reducido la infiltración de aire a un mínimo, en un intento de reducir su impacto sobre la carga de refrigeración o calefacción. En la actualidad existen grandes edificios de oficinas que no permiten la apertura de ventanas, con lo cual se ha eliminado la posibilidad de utilizar ventilación natural para suministrar aire fresco a edificaciones.
Un buen diseño de un edificio ventilado naturalmente, requiere de una comprensión de los patrones de flujo de aire alrededor de ella y el efecto de los edificios vecinos. El objetivo es ventilar la mayor parte posible del espacio interior. El cumplimiento de este objetivo depende de la ubicación de la ventana, del viento y de las características de los interiores.
Entre las técnicas de ventilación natural tenemos:
Ventilación cruzada impulsada por el viento (se logra a través de aberturas de ventilación en los lados opuestos de un recinto cerrado en una edificación). Se ha estudiado el movimiento del aire y la distribución de CO2 en esto sistemas mediante dinámica de fluidos computacional encontrándose que es posible de lograr niveles de CO2 aceptables. Se ha encontrado que la ventilación cruzada con los ajustes de control juega un papel significativo en la reducción de la temperatura interior.
Ventilación por chimeneas impulsadas por empuje o ventilación por desplazamiento (DV) que se basa en diferencias de densidad que hacen ingresar aire fresco externo por medio de aberturas de ventilación en puntos bajos. Usualmente se emplean chimeneas para generar suficientes fuerzas de empuje y lograr el flujo necesario.
Chungloo y Limmeechockai estudiaron el efecto de una chimenea solar y un sistema de rociado de agua sobre el techo encontrando que cuando la temperatura ambiente era 40 ° C, se lograba un máximo de reducción de temperatura de 3,5 °C en el caso de una chimenea separada, y un máximo de 6,2 ° C en la reducción de la temperatura por el efecto combinado de una chimenea solar y la pulverización de agua. Además, se informó que la diferencia de temperatura entre la entrada y la salida de la chimenea solar tendía a disminuir durante el período de alta radiación solar y alta temperatura ambiental. Por otra parte, la pulverización de agua aumenta la diferencia de temperatura, y en consecuencia, la velocidad de flujo de aire a través de la chimenea.
Ventilación de un sólo lado, este tipo de ventilación suele servir a un solo cuarto y por lo tanto proporciona una solución local de ventilación local solución. Jiang y coautores estudiaron el mecanismo de ventilación natural impulsada por la fuerza del viento. Ellos detallaron campos de flujo de aire (velocidad media y velocidad fluctuante) y la distribución de la presión en el interior y alrededor modelos que fueron medidos por pruebas de túnel de viento. Yin Wei y coautores investigaron un posible modelo de construcción con ventilación natural de una sola cara, teniendo en cuenta una serie de factores en China. Este modelo puede ser utilizado para estimar el potencial de ventilación natural a través de parámetros de datos climáticos y de construcción locales. En este trabajo se analizan cuatro ciudades típicas de distintas regiones de clima en China, y se calcula la diferencia de presión Pascal hora (CPPD). Los resultados mostraron que la ventilación de una sola cara tiene un menor número de horas de confort adaptativo que la ventilación de dos caras y mucho menos volúmenes de ventilación.
Enfriamiento Natural.
Existen diversas técnicas dentro del Enfriamiento Natural: Enfriamiento por Evaporación Evaporative Cooling), Enfriamiento con el Suelo (Ground Cooling), Enfriamiento Radiativo (Radiative Cooling), Disipación de Calor por medio de principios de enfriamiento combinados.
Enfriamiento por evaporación (Evaporative cooling). El enfriamiento por evaporación es un proceso que utiliza el efecto de la evaporación como un disipador de calor natural. El calor sensible del aire es absorbido para ser utilizado como calor latente necesario para evaporar agua. La cantidad de calor sensible absorbida depende de la cantidad de agua que puede ser evaporada.
El enfriamiento por evaporación es un proceso muy antiguo, que tiene su origen hace unos mil años, en la antigua Egipto y Persia. Modernos enfriadores evaporativos se basan en los prototipos construidos en el año 1900 en los Estados Unidos. Se ha encontrado que entre los sistemas de enfriamiento pasivo, el enfriamiento por evaporación fue el mejor seguido por las chimeneas solares.
Los sistemas pasivos directos incluyen el uso de vegetación para lograr la evaporación, el uso de fuentes, aerosoles, piscinas y estanques, así como el uso de material poroso saturado con agua. Árboles y otras plantas transpiran humedad con el fin de rechazar su calor sensible. El análisis teórico de la papel de evapotranspiración planta ha demostrado, que la evapotranspiración de un árbol puede salvar 250-650 kWh de electricidad utilizados para el aire acondicionado por año. La evapotranspiración del césped mojado puede reducir la temperatura de la superficie del suelo por 6-8 °C por debajo de la temperatura media de la superficie del suelo desnudo.
Wanphen y Nagano estudiaron el rendimiento de los materiales del techo en el enfriamiento evaporativo y se encontró que la de esquisto silíceo era capaz de reducir la temperatura de la superficie del techo en acerca de 8.63 ° C, en comparación con el concreto.
Enfriamiento al suelo (Ground Cooling).- El Ground Cooling se basa en la disipación de calor de un edificio al suelo, el cual durante el período de enfriamiento tiene una temperatura más baja que la del aire exterior. Esta disipación se puede lograr ya sea por contacto directo de una parte importante de la envolvente del edificio con la tierra, o mediante la inyección de aire que ha sido distribuido previamente en el edificio por los medios de intercambiadores de calor de tierra-aire.
Siendo tres los mecanismos de intercambio calor con el medio ambiente: conducción, convección y radiación, para una edificación el mecanismo principal es la convección. Esto porque que la mayor parte de la envolvente del edificio está en contacto con el aire ambiente. Luego viene la radiación y, finalmente, la conducción, ya que el área de la construcción en contacto con el suelo es más pequeña. El principio de enfriamiento al suelo está en aumentar el intercambio de calor por conducción. Existirán caídas de temperatura en el edificio, porque el suelo está a una temperatura más baja que el aire durante el período de enfriamiento.
El enfriamiento radiativo (Radiative Cooling).- El enfriamiento radiativo se basa en la pérdida de calor por radiación de onda larga de emisión de un cuerpo hacia otro cuerpo de temperatura más baja, que desempeña el papel del disipador de calor. En el caso de edificios el cuerpo que se enfría es el edificio y el disipador de calor es el cielo, ya que la temperatura en el cielo suele ser inferior a las temperaturas de la mayoría de los objetos en la tierra. Este es el mecanismo que permite a la tierra disipar el calor recibido del sol, para mantener su equilibrio térmico. Existen dos métodos de aplicación del enfriamiento radiativo en los edificios: directa o enfriamiento radiativo pasivo, y enfriamiento radiativo híbrido. En el primero, la envolvente del edificio irradia hacia el cielo y se enfrió, produciendo pérdida de calor desde el interior del edificio. En el segundo caso, el radiador no es la envolvente del edificio, más bien suele ser una placa de metal. La operación de un radiador es opuesta a la de un colector solar de placa plana. El aire se enfría mediante al circular bajo la placa de metal, antes de que sea inyectada en el edificio. Los diversos conceptos de enfriamiento radiativo son los siguientes:
Pintura: La técnica de enfriamiento radiativo pasiva simple es pintar el techo blanco. La pintura blanca no afecta significativamente la tasa de radiación por la noche, ya que ambas pinturas en blanco y negro tienen casi la misma emisividad en el intervalo de onda larga. La ventaja de un techo pintado de blanco es que tiene una menor absorción de radiación solar durante el día, por lo que la temperatura sigue siendo inferior, Por lo tanto, y puede ser enfriado fácilmente por la radiación en la noche.
Aislamiento movible: los sistemas de aislamiento móviles se aplican en el techo de los edificios. Ellos consisten de un material aislante que se puede mover sobre el techo del edificio. Estos sistemas permitir la exposición de la masa térmica de la cubierta hacia el cielo durante la noche. Durante el día la masa está cubierta por una capa aislante para minimizar el aumento del calor en la masa térmica debido a solar radiación.
Masa térmica Movible: La técnica masa térmica móvil es una variación de la anterior uno, pero con un coste aún mayor. Se requiere la construcción de un estanque con aislamiento térmico en el techo del edificio con un dispositivo de aislamiento móvil por encima de ella. Entre el estanque y el techo del edificio hay un espacio en el que el agua del estanque puede ser canalizada.
Enfriador de aire de placa plana: Un enfriador de aire de placa plana puede ser utilizado para enfriar agua en un loop de manera similar a un colector solar vinculado a un tanque de almacenamiento. Este es un dispositivo muy simple, se parece a un colector solar de aire de placa plana sin acristalamiento (glazing). Se compone de un conducto rectangular horizontal. La parte superior del conducto es un radiador, que es una placa de metal. La placa de metal se debe cubrir con un material altamente emisivo en la longitud de onda larga del espectro electromagnético. Un parabrisas se puede utilizar para proteger la superficie del radiador de los efectos del viento.
El primer enfriamiento evaporativo y el único disponible comercialmente es el "Skytherm" desarrollado por Hay. En este sistema el techo (horizontal) está hecho de placas de acero estructural. Cocine Bagioras y Mihalakakou afirman que los recursos de enfriamiento pasivo son los disipadores de calor naturales del planeta tierra: cielo, la atmósfera, y la tierra. Las técnicas de disipación de calor se basan en la transferencia del exceso de calor para la temperatura de los sumideros naturales. La disipación de calor de un edificio en el cielo se produce por onda larga radiación, un proceso llamado enfriamiento radiativo. De hecho, el único medio por el cual la tierra pierde calor es el enfriamiento radiativo. La temperatura del cielo equivalente suele ser menor que la temperatura de la mayoría cuerpos en la tierra; por lo tanto, cualquier superficie ordinaria que interactúa con el cielo tiene una onda larga neta pérdida radiante. Vangtook mostró que una torre de refrigeración podría ser empleado para proporcionar un agua de refrigeración para el enfriamiento radiante y para el pre enfriamiento del aire de ventilación para lograr el confort térmico. No Se requiere refrigeración activa. Mouhib y coautores explican cómo un sustrato de vidrio recubierto con un doble capa de acero inoxidable y estaño capa para lograr el efecto inverso de efecto invernadero.
Disipación de Calor por medio de principios de enfriamiento combinados.- Para lograr una mayor eficiencia en la refrigeración, diversos principios de refrigeración se combinan en un único sistema. Así, Farahani y coautores estudiaron un sistema de refrigeración de dos etapas compuesta de una unidad de radiación nocturna, un serpentín de enfriamiento y un enfriador evaporativo indirecto en la ciudad de Teherán; los resultados mostraron que la primera etapa del sistema aumenta la eficacia de la indirecta enfriador evaporativo, además, el modelo regenerativa ofrece las mejores condiciones de confort.
Maerefat y Haghighi estudiaron una técnica de enfriamiento pasivo consume poca energía (Chimenea solar junto con intercambiador de calor de la tierra-aire) para eliminar el calor interior indeseable desde un edificio en las temporadas calientes. Se encontró que es posible utilizar la chimenea solar al poder el sistema de refrigeración subterránea durante el día, sin ninguna necesidad de electricidad. Por otra parte, este sistema con un diseño adecuado también puede proporcionar un ambiente interior confortable térmicamente para un gran número de horas durante los días calurosos de verano.
Sistema de almacenamiento PCM basado externa para refrigeración libre
El PCM se ha desarrollado para almacenar "frio" para aplicaciones en acondicionamiento de aire. El frío "se recoge y almacena en el PCM durante la noche y se utiliza para enfriar el interior del edificio durante las horas calientes del día. Este concepto se conoce como refrigeración libre. Debido a que las diferencias de temperatura entre día y noche son pequeñas, el material de cambio de fase es la mejor opción de almacenamiento. Sistemas de enfriamiento sin costo se desempeñan mejor en sitios donde el rango de temperaturas diurnas es mayor que 15 ° C.
En un trabajo experimental sobre refrigeración libre, el “frio” del aire nocturno se almacena en el PCM y se descarga durante el durante el día. Se incrustan tuberías de calentamiento en la PCM para mejorar la transferencia de calor entre el aire y el PCM. Este sistema fue modelado y se encontró que la velocidad de transferencia de calor fue de cerca de 40 W durante un período de fusión de 19 h para una diferencia de temperatura de 5 ° C, entre el aire y el PCM. En otro trabajo se estudió la viabilidad de un sistema de refrigeración libre empleando PCM encapsulado en una placa plana con una temperatura de fusión de alrededor de 20-25 ° C. Taquead y coautores desarrollaron un sistema de ventilación que utiliza almacenamiento de energía térmica, usando gránulos de material de cambio de fase.
CONCLUSION
El artículo concluye indicando que el concepto de eficiencia energética de edificios verdes ha impulsado el estudio de antiguos métodos de enfriamiento pasivo de una manera moderna y eficiente.
Se debe notar que un concepto adecuado para un lugar puede no ser adecuado para otro, si la las condiciones climáticas son diferentes. Por lo tanto, al ser estas técnicas altamente específicas del sitio, sobre la base de las zonas climáticas (calientes vs frías, cálido y húmedo, frío y soleado, frío y seco, etc.) la selección de tecnologías de enfriamiento, y la selección de los edificios y de materiales asociados, son también específicas.
I PARTE.- MEJORA DEL CONFORT TERMICO
INTRODUCCION
La obligación moral de atender los problemas energéticos de las poblaciones más desfavorecidas ha sido planteada de manera muy clara por el Papa Benedicto XVI y muy recientemente por el Papa Francisco.
Nuestro querido papa emérito Benedicto XVI, expresó en su Encíclica: Caritas in Veritate (2009) lo siguiente: “Hoy, las cuestiones relacionadas con el cuidado y salvaguardia del ambiente han de tener debidamente en cuenta los problemas energéticos. En efecto, el acaparamiento por parte de algunos estados, grupos de poder y empresas de recursos energéticos no renovables, es un grave obstáculo para el desarrollo de los países pobres. Éstos no tienen medios económicos ni para acceder a las fuentes energéticas no renovables ya existentes ni para financiar la búsqueda de fuentes nuevas y alternativas. La acumulación de recursos naturales, que en muchos casos se encuentran precisamente en países pobres, causa explotación y conflictos frecuentes entre las naciones y en su interior. Dichos conflictos se producen con frecuencia precisamente en el territorio de esos países, con graves consecuencias de muertes, destrucción y mayor degradación aún. La comunidad internacional tiene el deber imprescindible de encontrar los modos institucionales para ordenar el aprovechamiento de los recursos no renovables, con la participación también de los países pobres, y planificar así conjuntamente el futuro”.
El Papa Francisco en su muy reciente Encíclica Laudate Si (2015) nos indica “Si tenemos en cuenta que el ser humano también es una criatura de este mundo, que tiene derecho a vivir y a ser feliz, y que además tiene una dignidad especialísima, no podemos dejar de considerar los efectos de la degradación ambiental, del actual modelo de desarrollo y de la cultura del descarte en la vida de las personas.
Hoy advertimos, por ejemplo, el crecimiento desmedido y desordenado de muchas ciudades que se han hecho insalubres para vivir, debido no solamente a la contaminación originada por las emisiones tóxicas, sino también al caos urbano, a los problemas del transporte y a la contaminación visual y acústica. Muchas ciudades son grandes estructuras ineficientes que gastan energía y agua en exceso.
Es necesario que los países desarrollados contribuyan a resolver esta deuda limitando de manera importante el consumo de energía no renovable y aportando recursos a los países más necesitados para apoyar políticas y programas de desarrollo sostenible. Las regiones y los países más pobres tienen menos posibilidades de adoptar nuevos modelos en orden a reducir el impacto ambiental, porque no tienen la capacitación para desarrollar los procesos necesarios y no pueden cubrir los costos. Por eso, hay que mantener con claridad la conciencia de que en el cambio climático hay responsabilidades diversificadas y, como dijeron los Obispos de Estados Unidos, corresponde enfocarse «especialmente en las necesidades de los pobres, débiles y vulnerables, en un debate a menudo dominado por intereses más poderosos». Necesitamos fortalecer la conciencia de que somos una sola familia humana. No hay fronteras ni barreras políticas o sociales que nos permitan aislarnos, y por eso mismo tampoco hay espacio para la globalización de la indiferencia”.
En línea con el Magisterio de nuestra santa madre la Iglesia Católica, queremos empezar a tratar un problema casi olvidado en nuestros países la falta de confort que padece nuestros hermanos más necesitados niños pobres en edad escolar, enfermos, desvalidos y personas privadas de su libertad.
Existe ya en el Perú diversos grupos de investigación tratando el tema de la mejora del confort en poblaciones vulnerables respecto al frio (zonas alto andinas, pueblos jóvenes en sitios fríos, etc.).
Aquí se quiere tratar el problema inverso, la falta confort ante el calor excesivo en colegios con construcciones precarias en zonas calurosas, hospicios, hospitales para enfermos crónicos, cárceles, etc.
Es nuestra esperanza poder pasar en algún momento del análisis y recopilación de información a la acción aplicando algunas de las tecnologías que se presentarán en próximas entregas sobre este tema.
De manera visual se puede imaginar la falta de confort en escuelas, hospitales y cárceles como se muestran:
Para entender el problema y como se puede aplicar tecnología a muy bajo costo, se presenta primero una introducción al tema del Confort Térmico para el hombre.
CONFORT TERMICO PARA EL HOMBRE
Este Tópico se ha tomado de una publicación del profesor Isidro Martínez de la Universidad Politécnica de Madrid: “Human Thermal Comfort”
(http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/Env/Human%20thermal%20comfort.pdf)
El confort térmico humano es una combinación de una sensación subjetiva (lo que sentimos) y de varios aspectos objetivos en nuestra interacción con el medio ambiente (el calor y las tasas de transferencia de masa). El confort depende de varias magnitudes físicas que se agrupan según:
Relacionados con la persona. Temperatura corporal profunda, que siempre debe de ser cerca de 37 ºC (puede desviar unos pocos grados bajo circunstancias de poca salud como la fiebre). Disipación metabólica (El hombre retira calor a una tasa de 0.5 - 5 W / kg, dependiendo de la actividad; la temperatura de la piel sueles estar, por lo general por debajo, de 33 ºC, lo que permite la evacuación de calor, pero esto depende de condiciones externas, ropa, niveles de actividad actuales y anteriores, además de la edad y el grupo de riesgo, hábitos, preferencias personales, estado de ánimo, etc.
Relacionados con el Medio Ambiente. La temperatura del aire, temperatura de elemento radiantes (paredes, cielo, y sol), humedad relativa del aire y la velocidad del viento. En este caso no solo los valores medios son importantes, también sus gradientes y estados transitorios. Existen variables ambientales no térmicas como la luz ambiental y el ruido que pueden afectar la sensación térmica. El parámetro que rige el confort térmico, más difícil de medir, es temperatura radiante del fondo, que depende en la radiación solar directa de la reflexión solar en la pared (albedo), temperatura del cielo, temperatura de la pared, y factores geométricos involucrados. Ha habido una tendencia a combinar todas las variables ambientales en una temperatura efectiva o aparente, y toda respuesta personal en unos pocos grados de comodidad (o malestar).
Se tiene una escala de sensación térmica donde la escala es incómodo frío, cuando> 95% de las personas en un grupo significativo se quejan de tener frío. fresco o frío soportable, cuando alrededor del 75% de las personas en un grupo significativo se quejan de tener frío; un poco fría, cuando sólo un 25% de las personas en un grupo significativo se quejan de tener frío; cómodo, cuando <5% de las personas en un grupo significativo se quejan de ser fría o caliente; ligeramente tibia, cuando sólo un 25% de las personas en un grupo significativo de ser caliente; cálido o soportable caliente, cuando el 75% de las personas en un grupo significativo se quejan de estar caliente; incómodo caliente, cuando> 95% de las personas en un grupo significativo se quejan de estar caliente.
El objetivo de un análisis de confort térmico se puede establecer como la búsqueda de una función apropiada de los parámetros físicos (temperatura radiante de fondo, temperatura del aire, humedad del aire, velocidad del viento, la ropa, la tasa metabólica, y la temperatura central), del nivel de comodidad / incomodidad correspondiente. La norma internacional ISO 7730-2005 proporciona un método para evaluar esta función de confort.
El confort térmico para una persona en reposo o en actividad con luz artificial (por ejemplo trabajo de oficina) es el mejor cuando la temperatura del aire es 22, la humedad relativa del es 50% +/- 20%, velocidad del aire <0,2 m / s y el intercambio de radiación es pequeño.
La incomodidad térmica caliente se asocia generalmente a estrés térmico global, a pesar que quemaduras locales de las altas irradiaciones solares, estufas de irradiación, o el contacto directo con objetos calientes, pueden ser importante. En la incomodidad térmica contrario, el frío se asocia generalmente a estrés térmico local en extremidades humanas (dedos de los pies, los dedos) o superficies expuestas (orejas, nariz). Los dedos del pie y los dedos se sienten cómodos con neutralidad de 34 ºC hasta 27 ºC, sentir molestias abajo 20 ºC, herido por debajo de 15 ºC, y sufrir una lesión si por debajo de 5 ºC (después de unos pocos horas).
La incomodidad térmica disminuye la productividad y puede ser poco saludable, pero la climatización es costosa, y puede llegar a ser muy caro y poco saludable. El control térmico del cuerpo se basa principalmente en el control de flujo de sangre periférica por la vasoconstricción o vasodilatación, que modifica temperatura de la piel y la transpiración, y por lo tanto regula los flujos de transferencia de calor. Un modelo térmico completo debe incluir todas las fuentes de calor y caminos de calor en el interior del cuerpo humano, el sistema termorregulador que rige la temperatura de la piel (incluyendo la transpiración y escalofríos), y todos los mecanismos de calor y transferencia de masa desde la superficie hasta el medio ambiente. Sensores térmicos son neuronales extendido en la piel (0.15...0.20 mm bajo la superficie), pero con grandes diferencias en la concentración, sensibilidad, y tiempo de respuesta. En general, cuando se toca una superficie a <15 ° C o> 45 ºC produce dolor.
El modelo térmico más simple del cuerpo humano incluye tres nodos: el núcleo cuerpo (que se supone a 37 ºC), la dotación del cuerpo (piel y la ropa), y el medio ambiente; el cuerpo de refrigeración (algunos 100 W para una adulto) de pie es proporcionada por las regulaciones de interfaz adecuadas (temperatura de la piel, la ropa) en función de condiciones ambientales. El camino de calor predominante es a través de perfusión de la sangre desde el núcleo a la piel, y a través de la convección de la piel para el medio ambiente. Hay procesos en tiempo corto y de largo plazo en la aclimatación (es decir, la respuesta de la termorregulación sistema en el cuerpo humano a los cambios en las condiciones térmicas ambientales). Puede tomar una semana para acomodar. Es por eso que después de una caída repentina de la temperatura día-media, digamos de 15 ºC a 10 ºC, se puede sentir más frío que después de un largo período en decir 5 ºC.
CONFORT TERMICO Y CONSTRUCCIONES HUMANAS (DESARROLLO DE SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO)
Se presenta aquí la introducción a la Tesis de Maestría de Luis Humberto Sánchez: (Evaluación de un Techo Estanque Como Sistema de Enfriamiento Pasivo en un Clima Cálido Sub-húmedo- Tesis para obtener el grado de Maestro en Diseño Bioclimático) (http://digeset.ucol.mx/tesis_posgrado/Pdf/Luis%20Humberto%20Sanchez%20Guzman.pdf)
Sánchez indicaba en su Tesis que el interés por el desarrollo de sistemas pasivo de energía fue una respuesta a la necesidad de controlar térmicamente el espacio interior de los edificios mediante el uso adecuado de procesos de transferencia de energía que se producen de forma natural y que son parte esencial del equilibrio Térmico en todo el planeta. El aprovechamiento de estos sistemas de energía es una alternativa alineada a la conciencia ambiental que se desarrolló desde la década de 1960 en el mundo. Esta conciencia ambiental busca mitigar los efectos provocados por modelos de desarrollo industrial basados principalmente en procesos de transformación de la energía empleando combustibles fósiles y más recientemente por procesos de fisión del átomo.
El desarrollo industrial ha producido una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas que se hacen presentes en todos los ámbitos del quehacer humano, sobre todo durante las primeras décadas del siglo XX. Entre otros se tiene el control térmico de habitaciones, donde el avance avance tecnológico se manifestó por medio de la tecnología del acondicionamiento mecánico del aire dando Iugar al control térmico artificial del espacio, desechándose el control térmico natural de las edificaciones.
La dependencia de la tecnología del acondicionamiento mecánico del aire por parte de los diseñadores estuvo basada en la idea de la abundancia de energía barata. Esta tecnología representó un logro importante en el desarrollo del confort para el ser humano. El problema es que esta tecnología avasalló a los sistemas pasivos de control térmico de habitaciones.
El control térmico natural de espacios habitables ha sido una práctica tradicional en todas las culturas humanas. Diversas culturas desarrollaron el control térmico mediante el uso de materiales adecuado y la disposición correcta de espacios y formas y por el empleo de sistemas pasivos de energía, aún en situaciones climáticas extremas.
Así para el caso del frio extremo el igloo esquimal es una solución ya que su forma hemisférica desvía los vientos y aprovecha la capacidad aislante de la nieve que lo rodea. La cubierta de hielo que se forma en su interior es un efectivo sello que evita las filtraciones de aire. La retención de calor en este tipo de estructuras permite mantener una temperatura interior de 16°C mientras que en el exterior es de -45 °C.
En condiciones de calor extremo la arquitectura de los trogloditas en Túnez constituye una solución acertada, así como las torres de viento en Irán que enfrían y humidifican el aire que es conducido al espacio interior de las edificaciones.
La necesidad de calentar o enfriar los espacios donde ha vivido el hombre ha sido resuelta de diferentes formas, en diferentes épocas y de acuerdo a las características climáticas de las regiones de diversas culturas. Esta solución no siempre ha sido la más acertada incluso en culturas bien desarrolladas.
Los griegos ante la necesidad de calentar sus hogares, destruyeron las áreas boscosas que las rodeaban. Para el siglo quinto a.C. gran parte de los bosques había desaparecido. Como respuesta al problema del acondicionamiento de sus viviendas y ante la escasez de la madera, los griegos aprendieron a diseñar sus casas de modo que se beneficiaran de las condiciones climáticas y geográficas de su entorno. Habitantes de un clima soleado durante casi todo el año los griegos desarrollaron una arquitectura encaminada hacia el aprovechamiento de los rayos solares. La arquitectura solar se basaba en la posición cambiante del sol durante las diferentes estaciones. El reloj de sol familiarizó profundamente a los griegos con las variaciones diarias y estacionales del curso solar, sabían que el sol describe en invierno un arco bajo, mientras que en verano pasa bien alto sobre las cabezas y construían sus casas de manera que la luz solar del invierno pudiera penetrar fácilmente a través de un pórtico cara al sur similar a un porche cubierto.
Estos simples principios de diseño sirvieron de base a la arquitectura solar de la antigua Grecia revelándose como una de las tecnologías solares más simples y cuya eficacia ha resultado suficiente durante mucho tiempo.
El problema de la escasez de combustible también se presentó en la antigua Roma. El alto costo de la madera que utilizaban para calentar sus viviendas decidió a los romanos a adoptar las técnicas griegas de arquitectura solar y debido a que el imperio romano comprendía una extensión considerable de territorio, su arquitectura hubo de adaptarse a diferentes ambientes.
Roma supo de las técnicas constructivas solares por los escritos de Vitruvio y, también, a través del contacto directo de los romanos con las colonias griegas establecidas por toda la Italia meridional. Los griegos y romanos, con su escasez maderera, adquirieron conciencia de los límites de sus recursos energéticos y se dieron a la tarea de buscar alternativas de solución. Estas culturas amenazadas redescubrieron entonces gran parte del anterior conocimiento sobre la energía solar. Sin embargo este desarrollo natural de la energía solar en las edificaciones se vio interrumpido por el descubrimiento de combustibles aparentemente baratos y abundantes tales como carbón, petróleo, gas natural y uranio.
El empleo de estos combustibles en los procesos de transformación de energía ha causado los grandes problemas ambientales por lo que resulta indispensable seguir las recomendaciones de loa Papa Benedicto XVI y Francisco respecto del empleo adecuado de la energía y también es necesario el estudio y aplicación de alternativas de transformación energética.
El costo del acondicionamiento mecánico del aire hace que los sistemas pasivos de enfriamiento sean opciones viables económicamente y son ambientalmente opciones limpias
Los países desarrollados hacen uso del acondicionamiento mecánico del aire en gran escala por lo que un porcentaje de la energía producida se destina a cubrir esta demanda. Así el desarrollo de sistemas pasivos fue motivado por el deseo de ahorrar energía disminuyendo la demanda pico de electricidad y establecer una alternativa al uso de energía eléctrica.
En países en vías de desarrollo, donde la tecnología de aire acondicionado no se emplea actualmente a gran escala, el interés en el desarrollo de los sistemas pasivos de control térmico de debe fundamentarse en la escases de recursos e infraestructura para cubrir la creciente demanda de energía.
En el Perú existen zonas muy calurosas con edificaciones precarias de muy bajo costo en los que está descartado el empleo de sistemas mecánicos de acondicionamiento de aire para darles confort térmico, sin embargo es aquí donde es posible estudia sistemas pasivos de enfriamiento que puedan mejorar el confort en las edificaciones que utilizan ciertas poblaciones necesitadas.
Si se comparan los sistemas pasivos de control térmico empleados tanto para el enfriamiento como para el calentamiento, estos últimos han tenido un desarrollo considerable sobre todo en los países desarrollados en los que las necesidades de calentamiento son amplias ya que el clima característico de estos países es templado; de allí que el calentamiento pasivo actualmente es conocido. Los sistemas pasivos de enfriamiento han sido objeto de estudio e investigación hasta hace poco tiempo. No obstante, el enfriamiento pasivo constituye una práctica muy antigua y parte fundamental de muchas culturas.
Los sistemas pasivos de enfriamiento son sistemas que no necesitan de la participación de energía eléctrica o la de combustibles fósiles para trasladar el calor de un edificio o de una persona a un depósito o absorbedor ambiental. Estos son los sistemas de enfriamiento tradicionales que constituían una parte fundamental del diseño arquitectónico en climas cálidos hasta antes de la aparición de la energía eléctrica.
En esta serie de recopilaciones libres se irán presentando diversos artículos de autores de países como la India que están rescatando y evaluando desde un punto de vista ingenieril muchas d estas técnicas.
Regresando a la Tesis de L Sánchez el afirma que la necesidad de control térmico se presenta en el momento en que las condiciones del ambiente no son convenientes para el bienestar del hombre. Este diseña controles que le permiten crear las condiciones que le son favorables. De este modo se establece una tarea de control que se define como la diferencia entre las condiciones ambientales dadas y las condiciones requeridas.
El diseñador dispone de dos alternativas para cumplir con esta tarea de control, controles pasivos y controles activos, siendo que la meta de los sistemas pasivos de enfriamiento es la de realizar esta tarea de control, hasta donde sea posible.
Después de la segunda guerra mundial los investigadores adoptaron el término pasivo para describir sistemas de control térmico del espacio que empleaban fenómenos naturales para su funcionamiento. Los sistemas convencionales de calentamiento y enfriamiento del espacio habitable se denominaban “activos” debido al uso de componentes mecánicos para mover y controlar el aire y algunos fluidos, de tal modo que fue lógico que los investigadores llamaran pasivos a aquellos sistemas que no incluían en su funcionamiento dispositivos mecánicos.
A finales de los 60’s y principios de los 70’s John Yellott y Harold Hay estudiaron el “skytherm” describiéndolo como un sistema ejemplar de calentamiento y enfriamiento al que denominaron como un sistema de energía natural.
En los Estados Unidos, el primer uso formal del término “pasivo” relacionado al acondicionamiento del espacio se debe al ingeniero Benjamin T. Rogers quien publicó en 1972 dos artículos titulados “Pasive Heat Recovery as an Energy Conservation Measure”, Estos artículos se referían a la aplicación de medidas para ordenar el funcionamiento energético de los edificios y reducir la entropía del universo. Para el año 1976 el término pasivo era de uso común a nivel internacional lo cual quedo de manifiesto durante la reunión que se llevó a cabo en mayo de 1976 en Albuquerque, N.M. cuyo título fue “Pasive Solar Heating and Cooling. Este término se ha venido aplicando tanto para el calentamiento como para el enfriamiento del espacio habitable. En el caso del calentamiento pasivo, este se consigue por medio de la radiación solar como única fuente de energía mientras que el enfriamiento pasivo se logra mediante la acción de varios depósitos naturales de energía y una gran variedad de prácticas bioclimáticas en el diseño de edificaciones.
Recursos del Enfriamiento Pasivo
Los medios que hacen posible el enfriamiento pasivo son los depósitos energéticos ambientales los cuales permiten mantener un equilibrio entre la energía que llega a la tierra continuamente procedente del sol y la que debe ser disipada para mantener una temperatura adecuada para la vida sobre el planeta. Estos depósitos ambientales reciben también el calor descargado por los sistemas activos. Los tres depósitos energéticos ambientales son La Bóveda Celeste, La Atmosfera y el Subsuelo.
La Bóveda Celeste es el único depósito energético que se encuentra fuera del planeta y es el depósito que finalmente recibe toda la energía que disipa el planeta. La transferencia de energía hacia la bóveda celeste se produce exclusivamente por radiación.
En el caso de la Atmósfera, la transferencia de calor hacia ella implica la participación de viento, o sea, aire en movimiento, que se produce en primera instancia a través de la convección. Esta transferencia de calor está influenciada también por el contenido de vapor de agua y la presión que constituyen características físicas del aire. El enfriamiento por ventilación es la práctica más simple para remover el calor de un edificio y es el método de enfriamiento pasivo más utilizado, sobre todo en las regiones tropicales y subtropicales. En la mayoría de los climas, con excepción de los más húmedos, el enfriamiento por evaporación representa el más potente recurso de enfriamiento natural. En las regiones de clima cálido seco la evaporación del agua para efectos de enfriamiento del aire, ha sido una práctica cultural tradicional.
En el caso del Subsuelo, el enfriamiento es tal vez el menos efectivo de los métodos de enfriamiento pasivo a pesar de que es el más seguro como recurso. El subsuelo puede ser una fuente de calor o un absorbedor del mismo en su interacción con el edificio. Debido a su gran masa la temperatura subterránea durante el verano estará normalmente varios grados por debajo de la temperatura promedio ambiental.
Clasificación de sistemas pasivos de enfriamiento.
Se ha propuesto la clasificación de los sistemas en relación a dos aspectos principales. Algunas clasificaciones se basan en los depósitos energéticos ambientales mientras que otros autores establecen la clasificación de acuerdo a la forma como se realiza el enfriamiento pasivo.
Michel Holtz, W. Place y R. Kammerud clasificaron los procesos mediante los cuales se logra el enfriamiento: por pérdida directa de calor, por pérdida indirecta (no controlada), por aislamiento (controlada).
El enfriamiento por pérdida directa de calor ocurre cuando el espacio interior está expuesto directamente a los depósitos energéticos ambientales.
El enfriamiento por perdida indirecta no controlada ocurre cuando el espacio es enfriado por radiación y por convección no controlada mediante una masa de almacenamiento o alguna superficie de intercambio, que a su vez es enfriada por exposición al depósito energético ambiental.
El enfriamiento por aislamiento ocurre cuando el espacio es enfriado por transferencia controlada de calor, por convección y radiación hacia una masa de almacenamiento o una superficie de intercambio, la cual a su vez es enfriada por exposición al depósito energético ambiental.
B. Givoni clasificó los sistemas de enfriamiento pasivo y de baja energía definiendo los sistemas de la siguiente forma: Ventilación para el confort, enfriamiento convectivo nocturno, enfriamiento por radiación nocturna, enfriamiento evaporativo directo, enfriamiento evaporativo indirecto, subsuelo.
La aplicación de estos depende tanto del tipo de edificio como del clima. Algunos sistemas funcionan solamente en condiciones climáticas específicas, además los límites de las condiciones climáticas en las cuales un sistema de enfriamiento dado puede ser aplicado no son Ios mismos para distintos países. Las personas que habitan en regiones cálidas pueden tolerar temperaturas más altas antes de experimentar una clara sensación de malestar que aquellas personas que habitan en regiones de clima templado; esto se debe al fenómeno de la aclimatación. En general, la aplicación de estos sistemas de enfriamiento depende principalmente de las condiciones climáticas existentes en los veranos nocturnos de la región dada, en particular de la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo.
Finalmente una versión en inglés de enfriamiento solar pasivo (ver con configuracción cc)
CONFORT TERMICO PARA EL HOMBRE
Este Tópico se ha tomado de una publicación del profesor Isidro Martínez de la Universidad Politécnica de Madrid: “Human Thermal Comfort”
(http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/Env/Human%20thermal%20comfort.pdf)
El confort térmico humano es una combinación de una sensación subjetiva (lo que sentimos) y de varios aspectos objetivos en nuestra interacción con el medio ambiente (el calor y las tasas de transferencia de masa). El confort depende de varias magnitudes físicas que se agrupan según:
Relacionados con la persona. Temperatura corporal profunda, que siempre debe de ser cerca de 37 ºC (puede desviar unos pocos grados bajo circunstancias de poca salud como la fiebre). Disipación metabólica (El hombre retira calor a una tasa de 0.5 - 5 W / kg, dependiendo de la actividad; la temperatura de la piel sueles estar, por lo general por debajo, de 33 ºC, lo que permite la evacuación de calor, pero esto depende de condiciones externas, ropa, niveles de actividad actuales y anteriores, además de la edad y el grupo de riesgo, hábitos, preferencias personales, estado de ánimo, etc.
Relacionados con el Medio Ambiente. La temperatura del aire, temperatura de elemento radiantes (paredes, cielo, y sol), humedad relativa del aire y la velocidad del viento. En este caso no solo los valores medios son importantes, también sus gradientes y estados transitorios. Existen variables ambientales no térmicas como la luz ambiental y el ruido que pueden afectar la sensación térmica. El parámetro que rige el confort térmico, más difícil de medir, es temperatura radiante del fondo, que depende en la radiación solar directa de la reflexión solar en la pared (albedo), temperatura del cielo, temperatura de la pared, y factores geométricos involucrados. Ha habido una tendencia a combinar todas las variables ambientales en una temperatura efectiva o aparente, y toda respuesta personal en unos pocos grados de comodidad (o malestar).
Se tiene una escala de sensación térmica donde la escala es incómodo frío, cuando> 95% de las personas en un grupo significativo se quejan de tener frío. fresco o frío soportable, cuando alrededor del 75% de las personas en un grupo significativo se quejan de tener frío; un poco fría, cuando sólo un 25% de las personas en un grupo significativo se quejan de tener frío; cómodo, cuando <5% de las personas en un grupo significativo se quejan de ser fría o caliente; ligeramente tibia, cuando sólo un 25% de las personas en un grupo significativo de ser caliente; cálido o soportable caliente, cuando el 75% de las personas en un grupo significativo se quejan de estar caliente; incómodo caliente, cuando> 95% de las personas en un grupo significativo se quejan de estar caliente.
El objetivo de un análisis de confort térmico se puede establecer como la búsqueda de una función apropiada de los parámetros físicos (temperatura radiante de fondo, temperatura del aire, humedad del aire, velocidad del viento, la ropa, la tasa metabólica, y la temperatura central), del nivel de comodidad / incomodidad correspondiente. La norma internacional ISO 7730-2005 proporciona un método para evaluar esta función de confort.
El confort térmico para una persona en reposo o en actividad con luz artificial (por ejemplo trabajo de oficina) es el mejor cuando la temperatura del aire es 22, la humedad relativa del es 50% +/- 20%, velocidad del aire <0,2 m / s y el intercambio de radiación es pequeño.
La incomodidad térmica caliente se asocia generalmente a estrés térmico global, a pesar que quemaduras locales de las altas irradiaciones solares, estufas de irradiación, o el contacto directo con objetos calientes, pueden ser importante. En la incomodidad térmica contrario, el frío se asocia generalmente a estrés térmico local en extremidades humanas (dedos de los pies, los dedos) o superficies expuestas (orejas, nariz). Los dedos del pie y los dedos se sienten cómodos con neutralidad de 34 ºC hasta 27 ºC, sentir molestias abajo 20 ºC, herido por debajo de 15 ºC, y sufrir una lesión si por debajo de 5 ºC (después de unos pocos horas).
La incomodidad térmica disminuye la productividad y puede ser poco saludable, pero la climatización es costosa, y puede llegar a ser muy caro y poco saludable. El control térmico del cuerpo se basa principalmente en el control de flujo de sangre periférica por la vasoconstricción o vasodilatación, que modifica temperatura de la piel y la transpiración, y por lo tanto regula los flujos de transferencia de calor. Un modelo térmico completo debe incluir todas las fuentes de calor y caminos de calor en el interior del cuerpo humano, el sistema termorregulador que rige la temperatura de la piel (incluyendo la transpiración y escalofríos), y todos los mecanismos de calor y transferencia de masa desde la superficie hasta el medio ambiente. Sensores térmicos son neuronales extendido en la piel (0.15...0.20 mm bajo la superficie), pero con grandes diferencias en la concentración, sensibilidad, y tiempo de respuesta. En general, cuando se toca una superficie a <15 ° C o> 45 ºC produce dolor.
El modelo térmico más simple del cuerpo humano incluye tres nodos: el núcleo cuerpo (que se supone a 37 ºC), la dotación del cuerpo (piel y la ropa), y el medio ambiente; el cuerpo de refrigeración (algunos 100 W para una adulto) de pie es proporcionada por las regulaciones de interfaz adecuadas (temperatura de la piel, la ropa) en función de condiciones ambientales. El camino de calor predominante es a través de perfusión de la sangre desde el núcleo a la piel, y a través de la convección de la piel para el medio ambiente. Hay procesos en tiempo corto y de largo plazo en la aclimatación (es decir, la respuesta de la termorregulación sistema en el cuerpo humano a los cambios en las condiciones térmicas ambientales). Puede tomar una semana para acomodar. Es por eso que después de una caída repentina de la temperatura día-media, digamos de 15 ºC a 10 ºC, se puede sentir más frío que después de un largo período en decir 5 ºC.
CONFORT TERMICO Y CONSTRUCCIONES HUMANAS (DESARROLLO DE SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO)
Se presenta aquí la introducción a la Tesis de Maestría de Luis Humberto Sánchez: (Evaluación de un Techo Estanque Como Sistema de Enfriamiento Pasivo en un Clima Cálido Sub-húmedo- Tesis para obtener el grado de Maestro en Diseño Bioclimático) (http://digeset.ucol.mx/tesis_posgrado/Pdf/Luis%20Humberto%20Sanchez%20Guzman.pdf)
Sánchez indicaba en su Tesis que el interés por el desarrollo de sistemas pasivo de energía fue una respuesta a la necesidad de controlar térmicamente el espacio interior de los edificios mediante el uso adecuado de procesos de transferencia de energía que se producen de forma natural y que son parte esencial del equilibrio Térmico en todo el planeta. El aprovechamiento de estos sistemas de energía es una alternativa alineada a la conciencia ambiental que se desarrolló desde la década de 1960 en el mundo. Esta conciencia ambiental busca mitigar los efectos provocados por modelos de desarrollo industrial basados principalmente en procesos de transformación de la energía empleando combustibles fósiles y más recientemente por procesos de fisión del átomo.
El desarrollo industrial ha producido una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas que se hacen presentes en todos los ámbitos del quehacer humano, sobre todo durante las primeras décadas del siglo XX. Entre otros se tiene el control térmico de habitaciones, donde el avance avance tecnológico se manifestó por medio de la tecnología del acondicionamiento mecánico del aire dando Iugar al control térmico artificial del espacio, desechándose el control térmico natural de las edificaciones.
La dependencia de la tecnología del acondicionamiento mecánico del aire por parte de los diseñadores estuvo basada en la idea de la abundancia de energía barata. Esta tecnología representó un logro importante en el desarrollo del confort para el ser humano. El problema es que esta tecnología avasalló a los sistemas pasivos de control térmico de habitaciones.
El control térmico natural de espacios habitables ha sido una práctica tradicional en todas las culturas humanas. Diversas culturas desarrollaron el control térmico mediante el uso de materiales adecuado y la disposición correcta de espacios y formas y por el empleo de sistemas pasivos de energía, aún en situaciones climáticas extremas.
Así para el caso del frio extremo el igloo esquimal es una solución ya que su forma hemisférica desvía los vientos y aprovecha la capacidad aislante de la nieve que lo rodea. La cubierta de hielo que se forma en su interior es un efectivo sello que evita las filtraciones de aire. La retención de calor en este tipo de estructuras permite mantener una temperatura interior de 16°C mientras que en el exterior es de -45 °C.
En condiciones de calor extremo la arquitectura de los trogloditas en Túnez constituye una solución acertada, así como las torres de viento en Irán que enfrían y humidifican el aire que es conducido al espacio interior de las edificaciones.
La necesidad de calentar o enfriar los espacios donde ha vivido el hombre ha sido resuelta de diferentes formas, en diferentes épocas y de acuerdo a las características climáticas de las regiones de diversas culturas. Esta solución no siempre ha sido la más acertada incluso en culturas bien desarrolladas.
Los griegos ante la necesidad de calentar sus hogares, destruyeron las áreas boscosas que las rodeaban. Para el siglo quinto a.C. gran parte de los bosques había desaparecido. Como respuesta al problema del acondicionamiento de sus viviendas y ante la escasez de la madera, los griegos aprendieron a diseñar sus casas de modo que se beneficiaran de las condiciones climáticas y geográficas de su entorno. Habitantes de un clima soleado durante casi todo el año los griegos desarrollaron una arquitectura encaminada hacia el aprovechamiento de los rayos solares. La arquitectura solar se basaba en la posición cambiante del sol durante las diferentes estaciones. El reloj de sol familiarizó profundamente a los griegos con las variaciones diarias y estacionales del curso solar, sabían que el sol describe en invierno un arco bajo, mientras que en verano pasa bien alto sobre las cabezas y construían sus casas de manera que la luz solar del invierno pudiera penetrar fácilmente a través de un pórtico cara al sur similar a un porche cubierto.
Estos simples principios de diseño sirvieron de base a la arquitectura solar de la antigua Grecia revelándose como una de las tecnologías solares más simples y cuya eficacia ha resultado suficiente durante mucho tiempo.
El problema de la escasez de combustible también se presentó en la antigua Roma. El alto costo de la madera que utilizaban para calentar sus viviendas decidió a los romanos a adoptar las técnicas griegas de arquitectura solar y debido a que el imperio romano comprendía una extensión considerable de territorio, su arquitectura hubo de adaptarse a diferentes ambientes.
Roma supo de las técnicas constructivas solares por los escritos de Vitruvio y, también, a través del contacto directo de los romanos con las colonias griegas establecidas por toda la Italia meridional. Los griegos y romanos, con su escasez maderera, adquirieron conciencia de los límites de sus recursos energéticos y se dieron a la tarea de buscar alternativas de solución. Estas culturas amenazadas redescubrieron entonces gran parte del anterior conocimiento sobre la energía solar. Sin embargo este desarrollo natural de la energía solar en las edificaciones se vio interrumpido por el descubrimiento de combustibles aparentemente baratos y abundantes tales como carbón, petróleo, gas natural y uranio.
El empleo de estos combustibles en los procesos de transformación de energía ha causado los grandes problemas ambientales por lo que resulta indispensable seguir las recomendaciones de loa Papa Benedicto XVI y Francisco respecto del empleo adecuado de la energía y también es necesario el estudio y aplicación de alternativas de transformación energética.
El costo del acondicionamiento mecánico del aire hace que los sistemas pasivos de enfriamiento sean opciones viables económicamente y son ambientalmente opciones limpias
Los países desarrollados hacen uso del acondicionamiento mecánico del aire en gran escala por lo que un porcentaje de la energía producida se destina a cubrir esta demanda. Así el desarrollo de sistemas pasivos fue motivado por el deseo de ahorrar energía disminuyendo la demanda pico de electricidad y establecer una alternativa al uso de energía eléctrica.
En países en vías de desarrollo, donde la tecnología de aire acondicionado no se emplea actualmente a gran escala, el interés en el desarrollo de los sistemas pasivos de control térmico de debe fundamentarse en la escases de recursos e infraestructura para cubrir la creciente demanda de energía.
En el Perú existen zonas muy calurosas con edificaciones precarias de muy bajo costo en los que está descartado el empleo de sistemas mecánicos de acondicionamiento de aire para darles confort térmico, sin embargo es aquí donde es posible estudia sistemas pasivos de enfriamiento que puedan mejorar el confort en las edificaciones que utilizan ciertas poblaciones necesitadas.
Si se comparan los sistemas pasivos de control térmico empleados tanto para el enfriamiento como para el calentamiento, estos últimos han tenido un desarrollo considerable sobre todo en los países desarrollados en los que las necesidades de calentamiento son amplias ya que el clima característico de estos países es templado; de allí que el calentamiento pasivo actualmente es conocido. Los sistemas pasivos de enfriamiento han sido objeto de estudio e investigación hasta hace poco tiempo. No obstante, el enfriamiento pasivo constituye una práctica muy antigua y parte fundamental de muchas culturas.
Los sistemas pasivos de enfriamiento son sistemas que no necesitan de la participación de energía eléctrica o la de combustibles fósiles para trasladar el calor de un edificio o de una persona a un depósito o absorbedor ambiental. Estos son los sistemas de enfriamiento tradicionales que constituían una parte fundamental del diseño arquitectónico en climas cálidos hasta antes de la aparición de la energía eléctrica.
En esta serie de recopilaciones libres se irán presentando diversos artículos de autores de países como la India que están rescatando y evaluando desde un punto de vista ingenieril muchas d estas técnicas.
Regresando a la Tesis de L Sánchez el afirma que la necesidad de control térmico se presenta en el momento en que las condiciones del ambiente no son convenientes para el bienestar del hombre. Este diseña controles que le permiten crear las condiciones que le son favorables. De este modo se establece una tarea de control que se define como la diferencia entre las condiciones ambientales dadas y las condiciones requeridas.
El diseñador dispone de dos alternativas para cumplir con esta tarea de control, controles pasivos y controles activos, siendo que la meta de los sistemas pasivos de enfriamiento es la de realizar esta tarea de control, hasta donde sea posible.
Después de la segunda guerra mundial los investigadores adoptaron el término pasivo para describir sistemas de control térmico del espacio que empleaban fenómenos naturales para su funcionamiento. Los sistemas convencionales de calentamiento y enfriamiento del espacio habitable se denominaban “activos” debido al uso de componentes mecánicos para mover y controlar el aire y algunos fluidos, de tal modo que fue lógico que los investigadores llamaran pasivos a aquellos sistemas que no incluían en su funcionamiento dispositivos mecánicos.
A finales de los 60’s y principios de los 70’s John Yellott y Harold Hay estudiaron el “skytherm” describiéndolo como un sistema ejemplar de calentamiento y enfriamiento al que denominaron como un sistema de energía natural.
En los Estados Unidos, el primer uso formal del término “pasivo” relacionado al acondicionamiento del espacio se debe al ingeniero Benjamin T. Rogers quien publicó en 1972 dos artículos titulados “Pasive Heat Recovery as an Energy Conservation Measure”, Estos artículos se referían a la aplicación de medidas para ordenar el funcionamiento energético de los edificios y reducir la entropía del universo. Para el año 1976 el término pasivo era de uso común a nivel internacional lo cual quedo de manifiesto durante la reunión que se llevó a cabo en mayo de 1976 en Albuquerque, N.M. cuyo título fue “Pasive Solar Heating and Cooling. Este término se ha venido aplicando tanto para el calentamiento como para el enfriamiento del espacio habitable. En el caso del calentamiento pasivo, este se consigue por medio de la radiación solar como única fuente de energía mientras que el enfriamiento pasivo se logra mediante la acción de varios depósitos naturales de energía y una gran variedad de prácticas bioclimáticas en el diseño de edificaciones.
Recursos del Enfriamiento Pasivo
Los medios que hacen posible el enfriamiento pasivo son los depósitos energéticos ambientales los cuales permiten mantener un equilibrio entre la energía que llega a la tierra continuamente procedente del sol y la que debe ser disipada para mantener una temperatura adecuada para la vida sobre el planeta. Estos depósitos ambientales reciben también el calor descargado por los sistemas activos. Los tres depósitos energéticos ambientales son La Bóveda Celeste, La Atmosfera y el Subsuelo.
La Bóveda Celeste es el único depósito energético que se encuentra fuera del planeta y es el depósito que finalmente recibe toda la energía que disipa el planeta. La transferencia de energía hacia la bóveda celeste se produce exclusivamente por radiación.
En el caso de la Atmósfera, la transferencia de calor hacia ella implica la participación de viento, o sea, aire en movimiento, que se produce en primera instancia a través de la convección. Esta transferencia de calor está influenciada también por el contenido de vapor de agua y la presión que constituyen características físicas del aire. El enfriamiento por ventilación es la práctica más simple para remover el calor de un edificio y es el método de enfriamiento pasivo más utilizado, sobre todo en las regiones tropicales y subtropicales. En la mayoría de los climas, con excepción de los más húmedos, el enfriamiento por evaporación representa el más potente recurso de enfriamiento natural. En las regiones de clima cálido seco la evaporación del agua para efectos de enfriamiento del aire, ha sido una práctica cultural tradicional.
En el caso del Subsuelo, el enfriamiento es tal vez el menos efectivo de los métodos de enfriamiento pasivo a pesar de que es el más seguro como recurso. El subsuelo puede ser una fuente de calor o un absorbedor del mismo en su interacción con el edificio. Debido a su gran masa la temperatura subterránea durante el verano estará normalmente varios grados por debajo de la temperatura promedio ambiental.
Clasificación de sistemas pasivos de enfriamiento.
Se ha propuesto la clasificación de los sistemas en relación a dos aspectos principales. Algunas clasificaciones se basan en los depósitos energéticos ambientales mientras que otros autores establecen la clasificación de acuerdo a la forma como se realiza el enfriamiento pasivo.
Michel Holtz, W. Place y R. Kammerud clasificaron los procesos mediante los cuales se logra el enfriamiento: por pérdida directa de calor, por pérdida indirecta (no controlada), por aislamiento (controlada).
El enfriamiento por pérdida directa de calor ocurre cuando el espacio interior está expuesto directamente a los depósitos energéticos ambientales.
El enfriamiento por perdida indirecta no controlada ocurre cuando el espacio es enfriado por radiación y por convección no controlada mediante una masa de almacenamiento o alguna superficie de intercambio, que a su vez es enfriada por exposición al depósito energético ambiental.
El enfriamiento por aislamiento ocurre cuando el espacio es enfriado por transferencia controlada de calor, por convección y radiación hacia una masa de almacenamiento o una superficie de intercambio, la cual a su vez es enfriada por exposición al depósito energético ambiental.
B. Givoni clasificó los sistemas de enfriamiento pasivo y de baja energía definiendo los sistemas de la siguiente forma: Ventilación para el confort, enfriamiento convectivo nocturno, enfriamiento por radiación nocturna, enfriamiento evaporativo directo, enfriamiento evaporativo indirecto, subsuelo.
La aplicación de estos depende tanto del tipo de edificio como del clima. Algunos sistemas funcionan solamente en condiciones climáticas específicas, además los límites de las condiciones climáticas en las cuales un sistema de enfriamiento dado puede ser aplicado no son Ios mismos para distintos países. Las personas que habitan en regiones cálidas pueden tolerar temperaturas más altas antes de experimentar una clara sensación de malestar que aquellas personas que habitan en regiones de clima templado; esto se debe al fenómeno de la aclimatación. En general, la aplicación de estos sistemas de enfriamiento depende principalmente de las condiciones climáticas existentes en los veranos nocturnos de la región dada, en particular de la temperatura de bulbo seco y la temperatura de bulbo húmedo.
Finalmente una versión en inglés de enfriamiento solar pasivo (ver con configuracción cc)