Teorica 2 IAS

17/08/2013

Contenidos

Arq. Ana M. Compagnoni Cátedra Evans- de Schiller Centro de Investigación Hábitat y Energía Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo Universidad de Buenos Aires [email protected] IAS 2013: Introducción a la Arquitectura Solar

N Ó I C A T N E S E R P

• • • • • • • • • •

Globalización y Consumo Energético Impactos ambientales Consumos según los usos Aspectos climáticos Condiciones de Confort Estrategias para el ahorro y la eficiencia energética Clima y Oferta de Radiación Solar Clima y Demanda de Calefacción Trabajo Practico Ejemplos de aplicación

Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r

Efectos sobre el hábitat construido Contexto energético: Alta dependencia actual en energías no

renovables, aumento de costos, emisiones de GEI, gase s efecto invernadero, y calentamiento global. Demanda de energía: Variables climáticas, zonas

N Ó I C A T N E S E R P

bioambientales, clima-confort-arquitectura. Impacto de calor en verano y demanda de calefacción en invierno, importancia de la amplitud térmica. Recurso solar: Oferta de radiación solar según latitud, altura

s.n.m. y variación de condiciones atmosféricas: días con sol, nubosidad, intensidad de radiación, etc. Arquitectura: Captación en invierno + Control e n verano,

almacenamiento, distribución y conservación de la energía solar. Forma edilicia y agrupamiento, envolvente, espacios exteriores, etc.

N Ó I C A Z I L A B O L G

Arq. Ana M. Compagnoni – [email protected]

• independiente del clima. • independiente de los recursos y consumos energéticos. • independiente de recursos económicos necesarios para su funcionamiento. • Independiente de las tecnologías locales.

ARGENTINA Edificios son responsables del 40% de la demanda total de E que proviene en 90% de energías no renovables Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r

Consecuencias Locales

Acondicionamiento térmico

• Impacto de factores climáticos de disconfort en el edificio. • No se aprovechan los potenciales beneficios que presenta el medio para mejorar la habitabilidad. L A C O L O T X E T N O C

• Constante aumento del consumo eléctrico y carga térmica interior que redundan en: - Mayor inversión en equipos de climatización. - Mayor superficie destinada a instalaciones de confort. - Problemas de acondicionam acondicionamiento iento a futuro (costos energéticos).


L A C O L O T X E T N O C Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r

17/08/2013

RECURSOS FÓSILES NO RENOVA RENOVABLES BLES

Gases Efecto Invernadero Emisiones GEI: GEI: total nacional y de edificios

0%

A Í G R E N E E D S E T N E U F

2 0%

40%

6 0%

80%

Electricidad Gas de Red Gas Licuado Kerosene Diesel+Gas Oil

Vivienda Otros edifs

Fuel Oil Carbón de Leña Lena

Ref: Balance Energético Nacional 2012

E N T E I B M A L A O T C A P M I

Ac ondic iona mi miento

O tra en ener gí gía

Ma ter ia les

O tra s ac a c ti vida des

Desperdic ios

11% 5% 5%

2%

77%

InventarioGEI, 2da Comunicación Nacional, 2007, Datos de 2000

Emisiones producidas por edificios en Argentina: 24-25% del total nacional de emisiones. • Calefacción, refrigeración, iluminación artificial (relación con diseño) > 11 %, = 2/3 del uso de energía en edificios • ~15 % de la emisiones corresponden a vivienda •



Efecto global

Efecto global • Emisión de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero


Fuente: Guía de Diseño para la Eficiencia Energética en la vivienda Social Mrio de Vivienda y Urbanismo- Chile


• Deforestación • Lluvia ácida • Destrucción de la capa de ozono • Calentamiento global (0,5°C – 5ºC) • Crecimiento de eventos excepcionales (tormentas, variación de temperaturas medias, etc.) • Aumento nivel del mar (<60 cm)


A N I T N E G R A E D S E L A T N E I B M A O I B S A N O Z

Norma Iram 11.603


VARIABLES

Concepto de grados día (medias <14ºC y mínimas<9ºC)

Temperatura Humedad A Viento I G Radiación solar R Precipitación E Nubosidad N E Hel io fa nía I II III IV V IV

grados Celsius relativa %, o absoluta Km / hora, dirección Watts / m2 (horas de sol, % nubes) mm / día o mes, días con lluvia proporción del ci elo con nubes horas de radiación solar directa

Y _ CLIMA A Resultado integral de variables a lo largo largo del tiempo y M I para una región L C

Muy cálido Cálido Templado Tem plado cálido Templado Tem plado frío Frío Muy Frío Arq. Ana M. Compagnoni – [email protected]


17/08/2013

Variación diaria de temperatura

Temperatura TEMPERATURAS 30.0 25.0 20.0 15.0 ° S C S 10.0 O A R 5.0 C U T I A 0.0 T R E ENE FEB MA R A BR MA Y JUN JUL A GO SEPT OCT NOV DIC P A M E 20.2 19.4 18.2 14.4 11.7 8.5 8.5 8.9 11.1 13.6 15.6 15.6 18.8 MINIMA M T I 24.1 23.0 21.6 17.9 14.7 11.5 11.4 12.2 14.5 17.2 19.8 22.9 MEDIA L 27.0 25.4 21.9 18.4 15.2 14.6 16.0 18.4 21.1 24.2 27.3 C MAXIMA 28.5 S MESES E MINIMA MEDIA MA XIMA R O T Confort para actividad sedentaria: 18 - 27°C Datos: Aeroparque, Servicio Meteorológ Meteorológico ico Nacional C A F

S O C I T A M I L C S E R O T C A F

Gráfica de temperaturas diarias en cada mes del año




Humedad relativa

Precipitación

Humedad que contiene una masa de aire, en relación con la máxima humedad absoluta que podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica

Volumen de agua caída (líquida), por metro cuadrado de superfic ie, en el lugar de observación. Unidad : Milímetros , "mm“.

HUMEDAD RELATIVA D A D E M U H E D %

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

RELATIVA 69,0

72,0

74,0

75,0

77,0

77,0

79,0

74,0

MAXIMA

88,6

90,9

92,4

94,7

94,2

94,2

96,0

92,3

72,0

73,0

66,0

67,0

90,4

92,8

87,1

87,4

MINIMA

52,6

56,1

58,2

57,8

60,2

60,1

63,7

57,4

55,6

56,5

49,8

50,9

MESES RE LATI VA

MAXI MA

MI NI MA

>80% HR es molesta cuando temp >24°C Datos: Aeroparque, Servicio Meteorológ Meteorológico ico Nacional


PRECIPITACIONES 500 400 S O R T E M I L I M

300 200 100 0

ENE

FEB

MA R

A BR

MA Y

JUN

JUL

A GO

SEPT

OCT

NOV

DIC

124

12 3

11 1

64

61

71

78

77

74

96

99

84

PRECIPIT.

MESES

45 - 50 mm / mes para vegetación

Datos: Aeroparque, Servicio Meteorológ Meteorológico ico Nacional


Otros factores

Variación diaria de temperatura

NUBOSIDAD 8,0

Nubosidad

7,0 6,0

S O V A T C O

Parte

5,0

3,0 2,0


Cantidad de ocurrencias/ 1000 observaciones y según según orientación

Mediciones en Km/h según orientación



de

cielo

cubierta

por

nubes.

Unidad : Octavos de superficie de la esfera celeste cubierta por nubes

4,0

1,0 0,0 NUBOS

ENE

FEB

MAR

ABR

MAY

JUN

JUL

AGO

SEPT

OCT

NOV

DIC

3,5

3,2

3,7

3,8

4,2

4,4

4,5

4,2

4,3

4,2

3,8

3,6

Heliofanía efectiva

HELIOFANIAEFECTIVA AEFECTIVA S 12,0 A R 10,0 O H 8,0 E D 6,0 O R 4,0 E M 2,0 U N 0,0 HELIOF

ENE

FEB

MAR

9, 9

8,6

6,8

A GO

SEPT

OCT

CONDICIONESDEL CIELO 5,8 4,7 4,4 4, 8 5, 5

ABR

MA Y

JUN

JUL

5, 9

7,2

NOV 9,2

DIC 9, 7

Tiempo durante el cual los rayos solares inciden directamente (radiación directa) sobre la parte sensible del instrumento, sobrepasando un cierto umbral de radiación (aproximadamente 200 W/m2). Unidad : Horas y décimas de hora .

30 25 S A I D E D O R E M U N

Condiciones de cielo

20 15

cantidad de cielo cubierto por nubes.

10 5 0

ENE

FEB

MA R

A BR

MA Y

JUN

JUL

AGO

SEPT

OCT

NOV

DIC

6

4

8

7

10

12

12

11

10

9

8

5

S/C

15

14

12

13

13

10

12

11

12

15

13

17

CLARO

10

10

11

10

8

8

7

9

8

7

9

9

CUBIERTO

Claro: 10% del Cielo cubierto por Nubes Cubierto: >90% del Cielo cubierto por Nubes Unidad : días

17/08/2013

Procedimiento

Procedimiento • Análisis del clima • Identificación de

:

estrategias de confort

Situación de disconfort en invierno, primavera y otoño por condiciones de bajas temperaturas temperaturas y HR excesiva

Procedimiento

1 - Refrescamiento: • Ventilación cruzada (clima húmedo), movimiento sensible de aire (-2°C ) • Ventilación selectiva (variació n de tº), ventilación según la variación de la tº ext. • Inercia térmica (gran amplitud térmica), uso de materiales pesados, control de ventilación, etc. • Refrescamiento evaporativo (clima seco), evaporación de agua, vegetación, • Radiación ación a ‘cielo ‘cielo frío’ (noche despejada), espacios abiertos

2 - Control de sobrecalentamiento: • Protección solar: aleros, pérgolas, arboles • Inercia térmica: materiales en interiores • Aislación térmica térmica - especialmente en techos • Colores exteriores claros o reflejantes • Control de superficies vidriadas


Factores condicionantes • Con dicio ne s atm os fé ricas : – nubosidad, polucción..

• Inclinación de rayos solares : – latitud, estación, hora

R A L O S N O I C A I D A R

• Incidencia sobre superficies : – orientación, inclinación

Variables Variables • Geo gr áfic as: – latitud, altura sobre nivel del mar

• Clim átic as : – Humedad relativa, nubosidad, polvo,

• Arquitectónicas: – Forma, orientación, inclinación


estrategias de confort • Elaboración de pautas de

diseño

a r u 14 t a r e 12 p m e 10 t e d d 8 u t i l 6 p m A 4

Situación de disconfort en verano por condiciones de temperatura y HR excesivas

2 0 10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

Temperatura media

Situación de di sconfort en invierno, primavera y otoño por condiciones de bajas temperaturas temperaturas y HR excesiva


Procedimiento

APLICACION DE RECURSOS S E L A T N E I B M A O I B S O S R U C E R

• Análisis del clima • Identificación de

:

16

T R O F N O C E D S O C I F A R G


Escalas: urbana, arquitectónica, constructiva Alternativas: Selección de espacios según temperatura Elementos: techos, paredes, ventanas y solados Espacios: interiores, exteriores e intermedios

´

18

diseño Situación de disconfort en verano por condiciones de temperatura temperatura y HR excesivas

:

20

• Elaboración de pautas de

T R O F N O C E D S O C I F A R G

´

3 - Conservación de condiciones confortables: S E L A T N E I B M A O I B S O S R U C E R

• • • •

Protección solar: reducir ganancias provenientes del exterior Protección de viento: reducir enfriamientos en climas ventosos Inercia térmica: materiales para estabilizar y reducir la amplitud itud térmica. Control de ganancias internas: reducción de aumento de temperatura: - instalaciones de luz, cocinas, equipos eléctricos, etc.

4 - Aumento de la temperatura: • • • • •

Radiación solar: sobre ocupantes / usuarios Captación de energía solar : en interiores Aislación Aislació n térmica con ganancias as intern internas as Inercia térmica: (gran amplitud) Ventilación selectiva:

5 - Control de pérdidas de calor: • Infiltración: Evitar excesivas infiltraciones de aire • Control del movimiento de aire: y ‘chifletes’ • Aislación térmica: térmica: de la envolvente o ‘piel’ • Forma edilicia: compacta


Constante Solar La intensidad máxima de la radiación solar en la capa superior de la atmosfera (radiación solar normal sin absorción atmosférica) Valor aprox: 1300 Watts / m 2

RLeve variación anual A L según la distancia sol - tierra O S 2 Prom edio d iario 440 watts / m N O I C A I D A N R

17/08/2013

Máxima sobre la superficie terrestre- Verano En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en verano , sobre superficie horizontal Valor aprox: 1000 Watts / m 2 En Buenos Aires, en verano a las 16:00 horas sobre R superficie horizontal A Valor aprox: 600 Watts / m 2 L

O S Noche: 0 Watts / m 2 N 2 O I Prom edio diario verano: 355 Watts / m C A I D A R

Máxima sobre la superficie terrestre - Invierno En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en , sobre superficie horizontal invierno Valor aprox: 520 Watts / m 2 En Buenos Aires, en invierno a las 16:00 horas sobre superficie horizontal R 2 A Valor aprox: 200 Watts / m

L O Noche: 0 Watts / m 2 S N Prom edio diario verano: 130 Watts / m 2 O I C A I D A R

Gran intensidad en zonas altas de la Cordillera de los Andes y Neuquén. Menor intensidad en zonas de altas latitudes en el sur patagónico y zonas bajas de Jujuy, Salta y Tucumán por épocas de lluvia.

Media sobre la superficie RADIACIÓN SOLAR MEDIA

terrestre- Verano

En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en verano , sobre superficie horizontal Valor aprox: 840 Watts / m 2 En Buenos Aires, en verano a las 16:00 horas sobre R superficie horizontal A Valor aprox: 500 Watts / m 2

L O Noche: 0 Watts / m 2 S N 2 Prom edio d iario media de verano : 290 Watts / m O I C A I D A R

Media sobre la superficie terrestre-Invierno En Buenos Aires, sol casi vertical al mediodía en , sobre superficie horizontal invierno Valor aprox: 400 Watts / m 2 En Buenos Aires, en invierno a las 16:00 horas sobre superficie horizontal R 2 A Valor aprox: 150 Watts / m

L 2 O Noche: 0 Watts / m S N Prom edio d iario media de verano: 100 Watts 2 Watts / m O I C A I D A R

Gran intensidad en zonas altas de la Cordillera de los Andes y Neuquén. Menor intensidad en zonas bajas de Jujuy, Salta y Tucumán por épocas de lluvia y zonas australes de altas latitudes.

17/08/2013

Baja intensidad en general, dependiendo de la latitud, con mayor aumento según la altura en el NO del país.

Intensidad media con distribución similar a marzo, dependiendo de la latitud y altura s.n.m.

Composición total

Composición Estimada- Buenos Aires-34 S RADIACION SOLAR

Marzo-Sup vertical- Orientación N

• Directa: rayos del sol – hasta 90% del total

1000 900

Directa 800

• Difusa: del cielo R – 10% del total en días claros A L – 100% del total en días nublados

O S• Reflejada: del suelo N – Depend Depende e de la reflectividad del s uelo O – Sin reflejada en superficies horizontales I C A I D A R

Difusa Reflejada

700

RADIACION SOLAR

600

2 m 500 / W

1000

R A L O S N O I C A I D A R

Total

400

900

Directa 800

300

Difusa Reflejada

700

Total

600

200 100

2 m 500 / W

0

HORA

400

1

3

5

7

9

11

13

15

1 7

19

21

23

RADIACION SOLAR

300 200 1000

100

900

0

HORA

1

3

5

7

9

11

13

15

1 7

19

21

23

Directa 800

Difusa Reflejada

700

Marzo- Sup horizontal

Total

600

2 m 500 / W 400 300 200 100

Marzo-Sup vertical- Orientación O

0

HORA

1

3

5

7

9

11

13

15

1 7

19

21

23


Bajas Latitudes

Altas Latitudes

Buen asoleamiento en invierno sobre superficies horizontales Facil protección solar en verano sobre superficies verticales con orientación norte Mas radiación en invierno que en verano, por el ángulo de incidencia favorable.

Buen asoleamiento en invierno sobre superficies verticales con orientación norte Limitada necesidad de protección solar en verano Mas radiación en invierno que en verano, por el ángulo de incidencia favorable.

N Ó I C A I D A R

N Ó I C A I D A R Arq. Ana M. Compagnoni – [email protected]


17/08/2013

Grados Día

Influencia sobre la temperatura interior Radiación recibida en un ambiente, relacionando la orientación y porcentaje de ventana

48-51

80

45-48 60

Unidad : Watt / m2. ; cal / cm2 min ; langley / min., etc.

42-45 39-42

40

36-39

O R I E N T A C I O N O E ST E , S I N P R O T E C C I O N

56

N

52

NE

E

SE

S

SO

O

20 NO

33-36 30-33

48 44

80 %

40

60 %

36

40 %

32

20 %

28 24 P e sa d o

M ed ed i a n o

L i vi a n o

Simulación de temperaturas interiores máximas en verano según orientación y % de vidrio en fachadas para Buenos Aires:

ORIENTACION NORTE CON PROTECCION

56 52 48

N Ó I C A I D A R

80%

44 40

60% 40%

36 32

20%

Situación mas critica Oeste 80% vidrio: 42 – 45 °C Situacion mas favorable Norte 20-40 % vidrio: 30 - 33 °C

28 24 P e s ad o

M e d i a no

L i vi a no


N Ó I C C A F E L A C E D A D N A M E D

40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14

34

LAT:34° 35´SLONG:

27 58° 29´WALT:

mts

23 años

LAT:33º16´S LONG:

19

10

3 -2

1

0

-3.5

-3

4.5

a r u t a r e p m e T

15,0

20,0

15,0

10,0

10,0 5,0

5,0 0,0 1 5

45

75

1 0 5

135

165

1 9 5

225

255

2 8 5

315

345

0,0 1 5

Dias (aprox)

4 5

75

105

135

65º05´ WALT:2980 m ts

1 95

225

255

285

3 15

345

San Luis

61- 70

LAT:40° 51´ SLONG:

30,0

40 63° 01´ WALT:40

mt s

81-90

35,0

25,0

30,0

20,0


1 65

Dias (aprox)

BuenosAires LAT:23º12´ SLONG:

25,0

15,0


10,0

20,0 15,0

5,0

10,0

0,0

5,0 0,0

-5,0

-5,0

-10,0 15

45

7 5

1 05

1 35

1 65

1 95

2 25

2 55

2 85

315

345

1 5

4 5

75

1 05

1 35

165

1 95

225

255

2 85

315

345

Dias (aprox)

Dias (aprox)

Humahuaca

17

5.5

18

14

13 10

6

7

1 -1

-5.5

-9

-8

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3

Grados días: indicador de la duración y severidad del período de calefacción Arq. Ana M. Compagnoni – a n a c o m p a 0 3 @ y a h o o . c o m . a r

Según grados días1 o Zona N Bioambiental

25,0 a r u t a r e p m e T

20,0

14

10

2 5 .5

22.5 20.5

17 12.5

81-90

30,0

25,0

21

Humahuaca Zona VI Muy fría

35,0

30,0

N Ó I C C A F E L A C E D A D N A M E D

66º21´WALT: 713 m ts

2 5 .5

24

Grados Día 35,0

33

31 28

Carmen de Patagones


Datos disponibles


Ó I C Zonas Población Energía C I. Muy cálido 12 % 2,3 % A 18 % 9,6 % F II. Cálido 46 % 42,8 % E III. Templado L IV Templ frío 17 % 22,6 % A V. Frío 4 % 9,6 % C VI. Muy frío 3% 9,6 % E Estimaciones propias D A D Distribución de población y demanda N de energía para calefacción de A viviendas. M E D

San Luis Zona IIIa Templada Continental

Carmen de Patagones Zona IVcTemplada fría costera


Gráficos del Cociente Carga Colector para evaluar la demanda de energía para calefacción


17/08/2013

¿Cómo son las condiciones de temperatura media en relación al confort para cada época del año?


¿Cómo es la demanda de calefacción a lo largo del año? Y Cómo se relaciona con la radiación disponible?

¿Qué oferta de radiación solar hay disponible a lo largo de año ?


Sistemas Solares Pasivos Aprovechamiento a través de sistemas que logran una efectiva conversión térmica de la radiación incidente. Función de los sistemas: sistemas: Captación, Transformación, Acumulación, Distribución, Control de pérdidas. • Ganancia Directa • Muro Acumulador sin ventilación • Muro “Trombe”

• Invernadero • Protección solar • Colectores y módulos fotovoltaicos Arq. Ana M. Compagnoni – [email protected]


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