Principios de la Arquitectura Solar

La última sesión de sostenibilidad concluyó con la enumeración de estrategias que contribuyen a la disminución de la demanda energética de un edificio, la disminución de su impacto ambiental o el aumento de la calidad del aire interior de los espacios habitables.

De todas ellas, la estrategia básica e inmediata, es la del aprovechamiento de los recursos naturales que nos ofrece el lugar para el que diseñamos el proyecto. Y no solo su aprovechamiento, sino su optimización, esto es, consiguiendo el máximo beneficio posible.

La arquitectura vernácula y tradicional, exenta de tecnología de última generación, ha basado siempre sus diseños en el máximo aprovechamiento del sol, del viento o del agua de lluvia por la no existencia de sistemas adicionales que consiguieran unas condiciones óptimas para el bienestar humano.

 

El Sol

El sol como recurso nos aporta energía calorífica que, en momentos y entornos fríos, nos interesa aprovechar y que, en momentos y entornos calurosos, nos interesa evitar y por tanto necesitamos protección.

La radiación es una forma de transmisión de calor que consiste en el transporte de energía mediante ondas electromagnéticas. Cualquier cuerpo caliente emite radiación y la que procede del sol es la denominada radiación solar. 

Esta radiación nos llega a la tierra con diferentes longitudes de onda, diferenciadas en el  siguiente espectro de radiación solar:

La radiación que llega a la atmósfera es mucho mayor que la que llega a la corteza terrestre ya que los gases de la atmósfera absorben parte de la energía. La temperatura de los cuerpos existentes en la tierra emiten la llamada radiación terrestre, que tiene una longitud de onda infrarroja larga y, por tanto, invisible por el ojo humano.

El efecto invernadero es posible debido a los materiales selectivos que dejan pasar solo las radiaciones con determinada longitud de onda. La radiación solar visible y ultravioleta atraviesa el plástico de manera refractada, es decir, con un nuevo foco, evitando así las sombras directas y consiguiendo una luz difusa, y calienta los cuerpos del interior del invernadero. Estos cuerpos emiten radiación infrarroja terrestre al estar calientes, de longitud de onda más larga, para la cual los plásticos son impermeables.

Principios de la arquitectura solar

• CONTROLAR (favorecer o impedir) la recepción de la radiación solar.
• DIRIGIR las aportaciones energéticas.
• DOMINAR los intercambios térmicos entre el exterior y el interior.

El Sol y la Tierra

La Tierra gira en torno al sol con su eje de rotación inclinado 23º 27', ángulo denominado declinación. Esto tiene grandes consecuencias en la Tierra y es lo que da lugar a las estaciones.

En invierno, el hemisferio sur recibe muchas más horas de sol al día que el norte mientras que en verano sucede a la inversa. En primavera y otoño ambos hemisferios tienen las mimas horas de sol debido a que el eje de rotación se encuentra en perpendicular con la dirección del sol. 

La declinación, además, genera algunas latitudes de especial interés:

• El ecuador -de latitud 0º- divide la Tierra en los dos hemisferios. Los días en esta latitud siempre duran 12h, sea cual sea la estación.
• El trópico de cáncer -latitud 23º 27' norte- y el trópico de capricornio -latitud 23º 27' sur-, entre los cuales el sol alcanza en algún momento del año una altura de 90º, es decir, perpendicular a la superficie de la Tierra.

• El círculo polar ártico -latitud 67º 33' norte- y el círculo polar antártico -latitud 67º 33' sur- dentro de los cuales existe al menos un día con más de 24h de sol.

•El polo norte -latitud 90º norte- y el polo sur -latitud 90º sur- en los cuales los días y las noches duran 6 meses.

El clima y el microclima

La latitud y las estaciones generan los diferentes climas de la tierra, que dependen de diferentes factores:

- Presión atmosférica, en función de la altitud.
- Temperaturas del aire, medias máximas y mínimas.
- Viento, generado por diferencia de presiones y de temperaturas. Caracterizado por su dirección y su velocidad.
- Humedad del aire. Relacionada con las precipitaciones y la evaporación.
- Brumas y nieblas (visibilidad).
- Nebulosidad (cantidad de nubes).
- Radiación solar (directa, difusa, global).
- Radiación total (solar y terrestre).

Sin embargo hay otros factores que modifican notablemente el clima en zonas relativamente cercanas, como son la inclinación de la superficie de la Tierra que modifica el ángulo de incidencia solar, las sombras generadas por el relieve, la existencia de agua y las brisas generadas o las masas de aire frío atrapadas entre montañas. Todo esto da lugar a los microclimas.

La altura solar

Para indicar la posición del sol en un determinado momento es necesario indicar:

1. La altura solar (h), que es el ángulo que forma la dirección del sol con la horizontal.

2. El azimut (A), que es el ángulo formado desde el norte en sentido horario.

Para calcular las alturas máximas del sol en cualquier latitud en los solsticios de verano e invierno, así como en los equinoccios, se puede seguir la siguiente fórmula sencilla:

NOTA: Las latitudes en España van desde los 36º a los 44º aproximadamente.

Saber la altura máxima del sol permite calcular de manera muy exacta las sombras arrojadas sobre la planta de cubiertas y así saber qué zonas exteriores estarán mayoritariamente en sombra e intuir qué fachadas contarán con menos incidencia solar.

La orientación

Constante solar: Energía que llega a la tierra por unidad de superficie y tiempo.

Valor medio: 1,353 kW/m2 minuto con una variabilidad de 3% superior en verano e inferior en invierno.

Sin embargo la radiación solar incidente no es la misma para todas las orientaciones y varía mucho a lo largo del año.

Gráfico de incidencia solar de enero a diciembre en función de la orientación. L= 40º

La orientación sur es la más beneficiosa para latitudes como las de España ya que recibe más radiación en invierno que en verano. Las orientaciones este/oeste, reciben mucha radiación en verano y muy poca en invierno, por lo que es necesario contar con protecciones solares en los huecos abiertos a estas orientaciones.

La inclinación de la superficie también varía mucho la cantidad de radiación recibida. Un plano muy inclinado recibe mucha más radiación en invierno que en verano, mientras que en un plano horizontal sucede al contrario. Este efecto depende también de la latitud, puesto que condiciona el ángulo de incidencia final de la radiación solar.

Gráfico de julio a junio de la radiación solar en la orientación sur en función de la inclinación

Para saber la posición exacta del sol a cualquier hora cualquier día contamos con las cartas solares estereográficas, aunque existen otros medios de representación de los recorridos solares. Estas cartas nos indican la azimut y altura solar del momento estudiado.

Estereográfico para latitud 37º

El 21 de marzo a las 10h, hora solar, el sol se encuentra a una altura de 45º con la horizontal y a 137º desde el norte en sentido horario -azimut-.

El principal uso de la carta solar para un arquitecto es el de conocer las horas al día en las que una fachada tendrá soleamiento, en cantidad y franja horaria, para orientar los espacios del programa en función de los horarios de uso. Para esto, basta trazar una línea con la orientación de la fachada por el centro del estereográfico y fijarse en los recorridos solares que quedan al exterior de la fachada.

Horas de sol para la orientación sureste. Latitud 40º

Para una orientación sureste en zonas de latitud 40º, una fachada recibiría radiación solar: 

- 21 Diciembre, solsticio de invierno: durante 8h, desde las 5h hasta las 13h (horas solares).

- 21 Junio, solsticio de verano: durante 8h, desde las 7h hasta las 15h (horas solares). 

NOTA: El horario en la mayoría de países del mundo no es acorde al horario solar sino que es de la siguiente manera:

Horario de invierno: del último domingo de octubre al último de marzo: +1h sobre el horario solar.

Horario de verano: del último domingo de marzo al último de octubre: +2h sobre el horario solar.

REDACCIÓN: María García Barrera