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APLICACIONES DE INGENIERfA A L,A ARQUITECTURA BIOCLIMATICA

MORENO CQRONADO TA4NYA MAT. 94218.312

A Benito y Kaffa, por creer en mi.

ANDREA MARIETTE

OBJETIVO: Presentar al profesional del diseño y la construcción de espacios habitables, el conocimiento y las técnicas disponibles para obtener el edificio con los parámetros ambientales ideales para el óptimo funcionamiento del habitante del mismo, y a la vez, una aproximacibn al edificio de máxima eficiencia energética. Presenta demás una serie de criterios de diseño arquitectónico que están ligados directamente al proyecto bioclimático.

AGOSTO 1999

CONTENIDO

INTRODUCCldN ............................................................................................................... 1

CAPKULO I. BRE\(T ANALISIS HISTORIC0 Y CONCEPTUAL DEL CAMPO DE ESTUDIO .................................................. .4

CAPITULO 11, CONCEPTOS GENERALES ............................................................... . I3

A. i A. 2

A. 3 A. 4

Factores climaticos Elementos cli maticos Trayectoria y radiacihn solar Trayectoria del movimiento aparente del sol Radiacibn solar Temperatura Humedad relativa Precipitacih Vientos Principales tipos de clima en MPxico Modificaciones l ~ a l e s al tip6 de clima Mesoclima Marcha diurna de la temperatura Topografía Principaícs such de h4txic.o Hidrografía Vegetaci6n Clima urbano

B. GEOMETRIA SOLAR ................................................................................................. 36 B. I 3.2

B. 7 A.4 B.5

B.6

CAPITULO 111. ESTRATEGIAS EN EL DISEfiO TERMICO RACIONAL DE LA €iABITACION .......................................... .67

,4. METODOLOG1A ...................................................................................................... 68

B. ANALISIS DEL CLIMA ..............................................................................................

C , ESTRATEGIAS DE. DISE&I TERMICO ............................................................. +.?O

D. E.\’~4LU14CION DE L A PROPUESTA DEL EDIFICIO ........................................ 7~ 3

CAPITULO IV, CRITERIOS DE DISERO ARUUITECTONICO BTOCLIh/lATfCO ......................................................... 7 3

'4, EDIFICIOS Y SU DISPOSICiON 1 3 7 - ..........................................................................

B. OR!E.NTACTON Y FORMPL.. ................................................................................... +76

C. LOCALIZACION DE ESPACIOS INTERh'OS ....................................................... 76

E, SISTEMAS PASIVOS DE RE,FRIGEK4CION ........................................................ 81 E, 1 E. 2 E.3 E.4 E S E.6 E.7 E.8

F. EDIFICACION .......................................................................................................... 86 F. 1 Cubiertas F.2 Muros F. 3 Ventanas F.4 Materiales F.5 .Aislarnientos F.6 .Acabacios

G. ESPACIOS ~XTER1ORES ......................................................................................... ~6 C;. 1 .Agua (3.2 Vegetac i ih G. 1 Pa\-imrntos (3.4 Barreras y protecciones

CAPrWLO V, PROTECCION SOLAR ...................................................................... I O2

A. TIPOS DE PROTECClON SOLAR ....................................................................... 103

B. ,4"LiSIS DE LOS ELEMENTOS DEL CLIMA ................................................... 104

C . DETER.I\/IINAC!@N DE L A ZONA DE CC2NFOR-T ............................................. 104

D . DETERMINAClON PE LOS ASPECTOS ASTRO NO MICOS.,,^ ....................... 106

E. DISEfi@ DE PROTEOCION SOLAR .................................................................... 107

CAPITULO VI . ANEXOS ............................................................................................ 11@

VIVIENClZ PROTOTIPO DE LA P-442 R.C.S. ..............................................................

HOTEI . RESTAURANT " L A SERRA DEI- PI ..A"... .................................................... 1 14

VIVIENDA PAST - BALiADA ..................................................................................... 115

LENTILACION Y SOMBRA: UNA OPClON INTELIGENTE .................................. 116

BlBLIOGrWFL4 .............................................................................................................. 1 1 ~

RESULTADOS Y CONCLUSIONES .............................................................................. 120

INTRODUCCION

1

INTRODUCCION.

El diseño tradicional de edificios, por regla general, no incluye el estudio a detalle de todas las variables que influirán en l a comodidad termica de sus ocupantes, y cuando se dispone de los medios económicos se recurre al uso del aire acondicionado para lograr este fin.

El presente trabajo representa un esfuerzo encaminado a cooperar en el diseño bioclimático y termico de los edificios, con el objetivo de que estos resulten sistemas termochamicos eficientes. Lo cual implica que se logre la comodidad de sus ocupantes, con el mínimo consunm de energía. Con base en lo anterior, el ideal seria aquel sistema cuyo consumo de energía extra fuera nulo (clirnatizacicin natural), lo cual se puede llevar a cabo en muchos casos con el empleo del clima como recurso.

Esta adecuacidn de los edificios al clima, se puede apreciar en diversos ejemplos de la Arquitectura vemácula, en los que cada pueblo, utilizando el clima corno recurso y por medio de prueba y error, lleg6 a obtener una vivienda adecuada, repitiendo los aciertos y desechando lo yue no funcionaba. Sin embargo, en la epoca actual, debido a la rapidez con la que se cambian los materiales de construccitm y los metodos constructivos, no se puede esperar clue un detertninado tipo de Arquitectura, logre por si misma, la optimizacibn de la vivienda regional.

Al introducir el concepto de diseho termico se pretende integrar en este, los elementos objetivos del denotninado diseño bioclimático, concepto que en los ultimos aBos ha sido preso de una serie de interpretaciones subjetivas dejando, por u n lado, los aspectos concretos del mismo, descuidando la calidad de los estudios; dedicánciose a remarcar algunos errores en la arquitectura actual, como el uso indiscriminado del vidrio y en algunos casos el despilfarro de energía.

Por o t r o l ado el empleo del concepto de Diseíío Bioclimático, Helioarquitecura, Arquitectura solar, enrre otros, tiende a generar un lenguaje diferente al empleado por las disciplinas establecidas, lenguaje con poco sustento conceptual. Si partimos del hecho de que una de las características del conocimiento es su Universalidad, a l parcializarlo estamos contradiciendo este principio.

Entre los elementos necesarios para el análisis climático se encuentra l o referente a la geometría solar, la radiacihn solar, la temperatura y la transferencia de calor; la manera como se presentan dentro del texto es similar a la empleada por otras areas vinculadas con los estudios de las aplicaciones solares, como el secado solar, la refrigeracibn solar, la destilación solar, los sistemas fotovoltaicos y fotoquimicos, l a concentracibn solar, entre otros.

2

Por lo tanto, considerando los factores anteriores y uno que lo definiremos como propio del concepto de diseño térmico el denominado “balance térmico” estamos en posibilidad de que los análisis o estudios hechos dentro del marco de este concepto. LJna de sus características ser^ la mi~ersalidad en s u lenguaje, en relacihn a las otras disc,iplinas con los que se vincula o los elementos les son co~nunes, c o ~ n o la F i s h J.’ la Astronomía,

El Diseño Arquitectimico Bioclimritico considera la aplicaci6n de sistemas pasivos para l a adccuacii>n ambiental de los edificios en busca d e las mejores condiciones de confort humano; et-ttendiQndnse por sistcmas pasilros s u apro\,ech;lmit.nto de las condiciones climáticas (Amleamiento, Humedad, Viento, Temperatura y Preciyitaciih), para la obtención de dicho confort.

3

CAPITULO I

REVE ANALISIS HISTORXCO Y CONCEPTUAL DEL CAMPO DE ESTUDIO

4

CAPIT'ULO I. BREVE ANÁLISIS HIST6RICO Y CONCErrUAL DEL CAMPO DE ESTUDIO

Fig. 1 Caracol de Chichen Itza

Los aspectos climaticos se destacan Oriente, los cuales muestran la importancia

Fig. 2 Templo de Ramse5 I1

e n algunos espacios habitables en cl Mcdio que esre aspecto tuvo y que se consewa e n

algunos ejemplos actuales. En México la arquitectura Maya muestra el empleo de los aspectos astronbmicos en mayor medida de sus edificios ceremoniales, como el Caracol y l a piramide de Kukulkan en Chichen Itza, estos edificios funcionaban como sutenticos calendarios, mostrando el inicio y l a finslizacitm de periodos astrondmicos. En c u a n t o a l o habitacional se refiere de los pocos vestigios, se encuentra la casa May?, la cual mllestra la utilizacicm de l o s elemen tos climjticos.

Los indicadores que se consideran para el análisis fueron los siguientes:

Obtenikndose los siguientes resultados:

Para los siglos X V I , XVII y XVIII (fig. 3).

* El material predominante en muros es la piedra y til adobe. * La dimensicin de los muros era de entre 60 y 100 cm. Y en algunos casos rnlis

La altura de entrepisos y cubiertas era entre 5 y 8 m. * Se utilizan patios centrales y cargados al sudeste del edificio. * Se emplean portales peritnetrales y hacia el noreste.

dc 100 cm.

El material en muros fue ladrillo y adobe. La dirnensihn en muros tie entre 30 y 60 cm. La altura de entrepisos y cubiertas de entre 2.7 a 5 m . El empleo de patios al sudeste. El enlpleo de portales a1 oeste y ai sur.

A principios del siglo XX.

Este panorama nos permite conocer cual ha sido la c\.olucicin del empleo dc los elementos arquitect6nicos para contrarrestar o aprovechar el clima y se percibe una ruptura importante a principios del siglo XX y ya notoria en el siglo XIX, en el primero se empieza a sustituir los elemetxos de grandes dinwnsiones y de gran capacidad termica por otros de menores caracteristicas en ambas cualidades.

Con el desarrollo de las disciplinas a tra\.Ps de los arios, lo que un momento pudo ser definido por medio de la experiencia tanto de l constructor como del usuario del espacio habitado pasa a ser determinado de manera mas sistemática y se empiezan a plantear los primeros metodos de disedo que contemplen los elementos del medio ambiente físico.

Esta secuencia o desarrollo d e l conocinliento se ve interrumpida por una etapa en la arquitectura, que en c.llanto a estos asyecms se refiere significa \m retrocmo; el lla~nado “movimiento moderno” cuyos representantes se inclinan por un determinado tipo de arquitectura, la cual se manifiesta a nivel munclial. El seguimiento por parte de las escuelas d e arquitectura de este rno\~irniento se cla por los nuevos conceptos y elementos que incorporan sus representantes. Los cuales en gran medida si llegan a ser de importancia, pero cn su manifestación externa se dcscuidan otros clemcntos quc resultan estructurales del quehacer arquitectónico.

Otra causa por la que este movimiento se difunde rapidamente es lo fácil de copiar de sus ejemplos y las escuelas de arquitectura preocupadas por estar a la moda y no por la genrracitin de conocimiento propio de su regihn o pais, In incorporation a sus planes de esn1dio.

El problema. IIO radica en si se incorporan o n c ) los elementos de este movimiento a las escuelas de arquitectura, s i n o en el descuido de algunos de los aspectos estructurales que definen el espacio habitable y la carencia tie una critica aceptandolo a ciegas, esto

7

queda manifiesto en las afirmaciones de Peter Blake en Mies V a n der Kohe, I?irchitecture and Structure, el cual comenta: en las escuelas de arquitectura de los Estados Unidos, Europa y en el Lejano Oriente hoy en día Mies es el Rey supremo. Por esta afirmacihn está claro q11e Blake desconocía las d e m a n d a s hec11as a Mies Van der Rohe por sus clientes; yn que las casas disehadas por el resultahan inhahitahles. En el verano eran m ~ s calientes en el interior clue en el exterior y en el invierno eran ~ n k s frias en el interior que afuera. LJna de las de~nandas por citar alguno es la cte Farnswortll House, Plano Tllinic!s LISA ( I 950), la demanda fue debido a que presentaba las contradicciones anteriores; las características que presenta la obra de Mies es el excesivo uso del i-idrio, llegando a suplir en muchas ocasiones compleralnentc al muro, en el aspecto estructural el ctnpleo predominante del acero, pero el material que presenta mayor problema es el Ficho, ya que al sustituir los muros de material generalmente m a s masivo y en algunas ocasiones aislante térmico corno la madera por vidrio, cambia completamente las condiciones existentes, ya que el vidrio gana calor por radiacihn y no permite el paso de la radiacihn infrarroja al exterior; estas ct,ndiciones serían ías adec-uadas para u n a +poca de invierno ya clue io que se requiere en este tiempo es ganar calor, pero sucede que el calor se gana durante el día por raciiaci6n y se piercle con facilidad por l a noche por conduccibn dehido al poco espesor del Fidrio, getwlXhleklte de 6 m n .

No se comenta en amplitud sobre lo negativo de copiar los ejemplos de Mies, n i los otros representantes en particular 113mados “los grandes maestros dei movimiento moderno” ( fig 5 y 6 ) ya que se trata de descartar en io general los males ac.arreatlos por el movimiento.

Actualmente la influencia del movilniento tnodenlo en cuanto a su esencia se conserva con la inclusibn de nuevas posturas y terrninos como la arquitectura posttnoderna, arquitectura internacional, etc., todas con aportaciones generalmente en su apariencia externa sin ninguna aportacibn estructural en la arquitectura.

S

Parte de lo esencial en la arquitectura lo podríamos enmarcar en la capacidad de adaptarse al medio físico, con el aprovechamiento o en su caso proteccibn de los elementos que c,omponen este medio; como un planteamiento general podríamos marcar cuatro categorías arquitectc’micas principales del medio físico, el aspecto espacial, el acilstico, el luminoso y el climiitico.

Estas categorias parecen ser ulvicladas, ell parte o totalmente, en las posturas del movimiento moderno y posteriores a el ; en el caso particular de nuestro tema de analisis “ lo climatico”, estas tendencias o movimientos lo parccen olvidar en su totalidad.

Paralelo a estas posturas, aunque en menor proporcicin se encuentran desarrollando líneas de estudio que contemplan estos aspectos esenciales para los cuales es convenie!lte hacer una revision conceptual.

Si analizarnos detenidamente los términos, el de arquitectura bioclimatica lo entenderemos como “el tipo de arquitectura que aprovecha los elementos del clima ligados a los procesos hiokgicos del individuo” lo cual n o se niega pero existen cue~tionamientos; ya que se ha tomado como bandera para ccmsicfel-nrlc) como una corriente o tendencia en In

arquitectura y de esta manera justificar la carencia de estudios que involucren al clima en el clisefio, lo cual desde una cjptica mas chjeti\.a resulta poco profesional, ya clue si ~OIIY~IIIOS

la funci¿>ll principal del objetv arcluitect¿)nico que es la de “ proteger al llornhre de las inclemencias tiel medio”, el analisis de estos elementos resulta imprescindible en el diserlo y por l o tanto es parte de la arquitectura y no una tendencia dc esta por lo general no se analiza.

El tPrlnino arquitectura solar, muchos autores lo consideran similar al anterior pero algunos difieren y lo enmarcan como la arquitectura construida en épocas pasadas que contempla aspectos astronhmicos como la salida y la puesta de un astro (sol, Itma, planetas y rstrelins) o los cambios de estaciirn. Patrick Bnrdou la define co~no “la arquitectura cuya conceycihn integra efectix-amente los elenlentos del sistema de utilizaci6n de la radiacibll a l a envoltura construida ( colector - techo, muro - colector ... ) tambien define ccm10 arquitectura solarizada: “arquitectura cuya concepcibn 1 1 0 le dehe nada a las tticnicas solares y en la que sus componentes solo han sido superpuestos a la envoltura sin

que su forma tenga algún carácter especifico. Como es de notar ambos terminos tienen un significado diferente por io que es necesario delimitarlos.

Fig. 8 Arquitcctura dcl paisnjc

Fig. 9 Colectores integrados al diseno de un3 casa

En una clasificacibn mis sustentable podríamos enmarcar l a gran mayirría de l o s aspectos esenciales del canlpo de estudio en el Area de la energía solar. Campo de la física que se ocupa del estudio del ayroF.echamierlto del recurso energktico, proporcionado por el sol. Sicndo un poco mas especifico en cuanto a esto, la energía emitida por el sol “radiaciOn solar”, que es parte fundamental para el conocimiento de los factores bioclimaticos (humedad, viento y temperatura), las cuales son consecuencia de esta.

Como se hacia referencia con anterioridad si el campo fundamental del estudio es la adaptation de la arquitectura al medio ambiente fisico y el clima juega un papel importante. Estos aspectos planteados por los diferentes terminos analizados anteriormente, el ;irea de la energía solar y la climatologia l o s contemplan de manera IIIAS

objetiva.

TN.4 D1-l E D E RES E W A

ENERG!A PROMNIENTE DEL SOL

ACUMULADOR D E CALOR

CCJLECTÜR

CAPITULO IT

CONCEPTOS GENERALES

CAPITULO 11. CONCEPTOS GENERALES

A. CLIMA.

,4 .1 FACTORES CLIMATICOS

c) Relieve (configuracitin superficial del terreno ).

14

. 4 . 2 ELEMENTOS CLIMATICOS.

'I'KAYEC I'OKIA Y KADlACION SOLAK.

Fig. 1 1 Fig. 12

Fig. 1 3

+ TRAYECTORIA DEL MOVIMIENTO APA4RENTE DEL SOL.

Gráfica Solar

N

S Fig. 15. GrAfica solar.

Fig. 16 Radiación solar.

Debido a la escasez de estaciones meteoroldgicas que registren l a radiacibn solar en forma directa mediante un solarimetro, se han desarrollado relaciones empíricas para estimar radiacihn solar directa en i;~ase a la duraci<in de la insolacion.

N NNQ MNE

7.

EWE

Fig. 17. Cardiocic dc insolaci6n.

19

- TEMPERATURA.

20

Fig. 19. MAPA DE TEMI’EKATUIUS BAJAS (“C).

Las normales climatolOgicas (\.ariables dc temperatura, humedad, precipitation y fmOmenos especiales), son el producto de aproximadamente 30 arios de toma de datos meteorol<igicos promediados, dando como resultado datos climatolOgicos normalizados.

* HUMEDAD RELATIVA. El término humedad atmosférica se refiere al contenido de vapor de agua en la

attnósfera como resultado de la evaporaci6n de las superficies de agua, de l a humedad, del terreno y de l a transpiración de las plantas. Humedad relativa es la relacidn que existe entre la cantidad de vapor de agua que contiene el aire y el maxilno que puede contener a una cierta temperatura y se expresa en porcentaje de saturacidn(Fig. 20). Como consecuencia, la distribucibn del vapor de agua no es uniforme, variando directamente segun l a radiación solar anual y la temperatura media, siendo mayor en las regiones tropicales y disminuyendo hacia los polos.

Para el arquitecto la influencia de la humedad relativa radica principalmente en dos conceptos: la evap~-transpiración del organismo y el comportamiento de los materiales de construcción (fig. 2 1).

Fig. 20. TABLA DE LA HUMEDAD DEL AIRE

Fig. 2 1. UNA FóRMULA DE INCOMODIDAD, para tiempo caliente y húmedo, es la que damos en el gráfico, llamada índice de temperatura-humedad (línea curva), esta fórmula se basa en la relación entre la temperatura del aire (línea inferior) y la humedad relativa, que refleja el grado de saturación en el aire (línea superior). Para determinar el índice se traza una línea (en lápiz, al centro), entre las lecturas de temperatura y humedad: el punto que corta la línea curva determina el índice de temperatura-humedad. Cuanto mas elevado es el índice, tanto más incomoda se sentirá la persona media.

22

- PRECIPITACION.

El origen de la precipitacibn es siempre un enfriamiento del aire. Dicho enfriamiento hace yue el vapor de agua condensado en la atmbsfera en forma de nubes se precipite en forma de lluvia, granizo, rocío, etc.(fig.22).

La precipitation se mide en milímetros, Las regiones clin16ticas son determinadas, además de la temperatura, por el regimen de lluvia: como húmedas, subhumedas, semisecas y secas.

Fig. 22 Ciclo del agua

23

- VIENTOS.

Son movimientos de masas de aire ocasionados por distintas presiones sobre la atmbsfera, por variaciones diarias de calentamiento y por la rotacihn de l a tierra (fig. 2.3).

En el estudio de los lientos es imprescindible conocer su dirección y su velocidacl. Existen varios tipos de vientos : regulares, peribdicos e irregulares.

Los regulares son aquellos que soplan durante todo el año en la misma direcci6n.

Fig. 23. VIENTOS. Debido a la rotaci6n de l a Tierra, el aire circula tal como se indica en el diagrama. Las zona de presi6n se torman como consecuencia del as corrientes de aire que suben y bajan.

De los vientos irregulares destacan los ciclones, l o s tornados, las trombas y los vientos locales como el norte que sopla en el Golfo de Mexico (Cuadro 2).

24

Fig. 24. BRISA MARINA.

Como el viento influye en la ventilacibn, el arquitecto ha de determinar la direcciOn, velocidad y variaciOn probable diaria y estaciona1 de los vientos predominantes, y analizar como utilizar en l a tnejor forma posible los aspectos positivos e impedir aquellos que no beneficien al proyecto (fig. 25 y 26).

25

Fig. 25. EL FRENTE FRIO 26

Fig. 26. EL FRENTE CALIENTE ""

27

A . 3 PRINCIPALES TIPOS DE CLIMA EN MEXICO.

El sistema que se ha utilizado ampliamente en el mundo para clasificar los distintos tipos de clima es el de Kijppen, el cual esta basado en la fisonomía de los grandes grupos de vegetaci6n superior. Sin embargo este sistema no se adapta adecuadamente a las condiciones climaticas de nuestro pais, ya que fue concebido para las amplias zonas climáticas del mundo que se extienden esencialmente en latitud y no en altitud (fig. 27).

Fig. 27. PRINCIPALES CLIMAS EN MEXICO.

A . 4 MODIFICACIONES LOCALES AL TIPO DE CLIMA.

- MESOCLIMA.

Una vez que se tiene definido el tipo de clima de la localidad o de la regi6n en la cual se encuentra inscrita (cartas climáticas de la cIirecci6n General de Estudios del Territorio Nacional, S.P.P.), se deben considerar ciertos parametros que modifican el tipo de clima del terreno donde se pretende edificar, conformando un mesoclima.

28

- MARCHA DIURNA DE LA TEMPERATURA.

La nunera como se distribuye la temperatura durante las 24 horas del día indica el balance resultante del calentamiento debido a la raciiacidn solar recibida y la perdida de calor producida por la radiacibn terrestre.

A medida que el Sol se eleva sobre el horizonte, la cantidad de energía solar que la tierra recibe es mayor que la que irradia, mientras esto continua, la temperatura aumenta y ese aumento sigue, hasta que se alcanza el equilibrio entre la energía recihida y la irradiada: despues de que el Sol pasa por el meridiano, esta es mayor que la recibida, la temperatura IIO disminuye inrnediatamente debido a cierta inercia en el proceso de calentamiento; pera una vez que se ha puesto el Sol, la temperatura sigue disminuyendo hasta u n poco después de la salida del Sol al día siguiente.

Esto explica por que el máximo de temperatura es despues del medio día (14 a 15 hrs.) y el mínimo u n poco despues de la salida del sol.

- TOPOGRAFIA.

Los distintos accidentes topográficos (valles, montañas, etc.) afectan al mesoclima (fig. 28 Y 29). Por ejemplo, las zonas con montarlas al norte estarán protegidas de los vientos fríos del norte. Los valles rodeados por cadenas montañosas tendrán menos vientos. Durante el día los vientos serán del valle a la montaña; durante la noche a la inversa, provocando cambios fuertes en la temperatura día noche. Otro ejemplo son los valles cerrados donde los vientos circulan menos, el asoleamiento disminuye por las barreras montañosas, produciendose el fendtneno de inversion termica que consiste en que las masas de aire caliente quedan estancadas en el valle por falta de circulaci6n de vientos,

poco cale amiento del propio valle v por la barrera uue remesentan las montañas

Fig. 28. Montaña afectando mesoclima.

29

La temperatura de la atmcisfera disminuye con la altitud ( 7-8 m de altura puede originar una diferencia de 5 O C en la temperatura del aire en condiciones de calma) y esto puede ser importante en tierras calidas en las que las temperaturas pueden ser menores cuando mayor sea la altura. Durante la noche, sin ernbargo, el efecto es inverso ya yue el aire frío baja hasta llegar a los puntos inferiores.

Fig. 29. MAPA TOPOGRÁFICO.

1 Peninsirla de Bala California - 2 Llanura Sonorense

9 Mesa del Centro I@ Eje Neovcll&nicr, 11 Peninsula de Yucatan 12 Sierra Madre del Sur

15 Cordillera Centroamericana

FUENTE: Instituto Nacional de Estadística Geografia e Informkttica, Direccinn General de Geografía Cattas Fisiogrirficas escala I :I 0oD 000, México

- PRINCIPALES SUELOS EN MÉXICO

Debido a su ubicacibn geográfica, a su topografía y a sus climas, los suelos de Mexico son sumamente complejos, pudiendo encontrarse al menos 15 tipos de ellos (fig30 y cuadro 3). Por su extensión destacan tres de ellos: Regosol, Litosol y Xerosol.

El Regosol es el de mayor extensión y puede definirse como l a capa de material suelto que cubre la roca, sustentando así cualquier tipo de vegetación, dependiendo del

30

clima, sin embargo su uso es principalmente forestal y ganadero, aunque tambikn puede ser utilizado en proyectos agrícolas y de vida silvestre, abarca la mayor area de las sierras del territorio y cambien se localiza en lomas y planos así como en dunas y playas.

El segundo en abundancia es el Litosol, el cual puede sustentar cualquier tipo de vegetacicjn, segun el clima en orden predominante es forestal, ganadero y excepcionalmente agrícola.

El Xerosol es el tercero de ellos, se caracteriza por ser un suelo de zona seca o aridas, la vegetacibn natural que sustenta son matorrales y pastizales, el uso pecuario es el mas importante, aunque si existe riego se obtienen buenos rendimientos agrícolas, su ubicacidn esta restringida a las zonas aridas y semiaridas del centro y norte del país.

FIG. 30

3 1

CUADRO 3. TIPOS DE SUELO. 1

TIPO

l . Regosol

2. Litosol

3 . Xerosol

4. Yermosol

5. Cambisol

6. Vertisol

7. Feozem

8. Rendzina

Otros

CARACTERISTICAS

Suelos poco desarrollados constituido por material suelto semejante a la roca.

Suelos muy delgados, su espesor es menor de 10 cm, descansa sobre un estrato duro y continuo, tal como roca, tepetate o caliche.

Suelos aridos que contienen materia orgánica, la capa superficial es clara, debajo de esta puede haber acumulaciim de minerales arcillosos y/o sales, como carbonatos y sulfatos.

Suelo semejante a los xerosoles, difieren en el contenido de materia orgánica.

Suelo de color claro, con desarrollo débil, presenta sdlo cambios en su consistencia debido a su exposicibn a la intemperie.

Suelos muy arcillosos, con grietas anchas y profundas cuando estan secos, si se encuentran húmedos son pegajosos su drenaje es deficiente.

Suelo con superficie oscura, de consistencia suave, rica en materia orgánica y nutrientes.

Suelos poco profundos (10 - 15 cm) que sobreyacen directamente a material carbonatado (ejemplo roca caliza).

Luvisol, A c r i d , Andosol, Solonchak, Gleysol, Castantildeozem,

32

- HIDROGRAFIA.

La proximidad a masas de agua puede moderar variaciones de temperatura extremas; la tierra situada a la orilla de una masa de agua estara mas caliente en invierno y m;is fria en verano (fig. 31). Tambi6n puede influir en la humedad, dependiendo de las temperaturas. Cuanto mayor sea l a masa de agua, mayor sera su impacto en el mesoclima.

Fig. 3 l. PROXIMIDAD A MASAS DE AGUA.

En verano, durante el día la tierra se calienta bastante en comparaci6n con el agua; el aire caliente se eleva, fluyendo el aire frío para reemplazarlo. Como consecuencia, las orillas de los lagos y mares gozan durante el día de brisa, que sopla desde el agua a la tierra, con un efecto refrigerante que se deja sentir hasta 400-800 m al interior. Durante l a noche el aire situado sobre l a tierra no entra mas de prisa que el situado sobre el agua, realizanclose el proceso a la inversa, a l soplar l a brisa de l a tierra al agua mediante experimentos realizados en una noche despejada de invierno se ha demostrado que las temperaturas disminuyen gradualmente a medida que nos alejamos de la orilla de la masa de agua.

33

+ VEGETACION.

La vegetación funciona como reguladora del mesoclima y de la humedad del subsuelo al detener las aguas de escurrimiento y permitir su filtración evitando l a erosi6n del suelo (Fig. 32).

La vegetaci6n rnodifica el mesoclima estabilizado la temperatura y elevando los niveles de humedad contenidas en el aire a traves del efecto de evapo-transpiracii,n. Tambikn incorpora oxígeno a la atm6sfera ( I m2 de superficie de hoja produce aproximadamente 1.07 Kg de oxígeno por hora) y absorbe polvos a traves de sus hojas, reduciendo 18 contaminacicin atmosférica. La vegetacibn tiene cierta capacidad para proteger de Iientos -fuertes, absorber ruidos y aminorar malos olores.

Fig. 32. VECETACION

34

* CLIMA URBANO

Las construcciones concentradas en poca extension tienen una funciOn de domo climatolhgico, a efecto de invernadero debido a que la gran cantidad de partículas suspendidas en la atmhsfera provoca mayor turbidez de la misma, trayendo como consecuencia un efecto de almackn de calor reflejado por la tierra.

La presencia de grandes extensiones cite superficie verticales, producen una modificaciim a la radiacihn solar que incide en el lugar, pues sufre una multirefleccion o ausencia. Las superficies verticales provocan a su vez, cambios en in intensidad y direction do los vientos.

La presencia de grandes extensiones de superficies asfaltadas producen un indice sensible de calentamiento con un valor similar al de los desiertos (Fig. 33).

Fig. 33. CLIMA URBANO.

La precipitacibn pluvial no se recicla igualmente en un Area urbanizada que en un area rural. En la ciudad, el area que absorbe la lluvia es limitada. La transpiración, infiltraci6n, la evaporación se reducen radicalmente. De hecho en la mayor parte de las ciudades, la precipitación pluvial se descarga a l drenaje,

35

B . GEOMETRLA SOLAR

B . 1 CONCEPTOS GENERALES

Esfera celeste: esfera imaginaria donde parecen estar todas las estrellas.

Polos celestes: puntos de interseccihn de la prolongación del eje del Mundo con la esfera celeste.

Ecuador celeste: es el círculo máximo perpendicular al eje del Mundo. Es la prolongacibn del ecuador terrestre.

Meridiano celeste: o círculos de declinación; círculos máximos que pasan por los polos celestes y semejantes a los meridianos geogrBficos (fig.14).

Fig. 34

Paralelos celestes: todos los planos paralelos al ecuador celestes y perpendiculares al eje del mundo, determinan círculos menores denominados paralelos celestes.

Zenit (2): es la intersección de la vertical del observador prolongada hasta la esfera celeste.

Nadir: es el punto diametralmente opuesto al zenit, es decir, la interseccihn de la vertical del observador prolongada a traves de la tierra con la esfera celeste.

0 Ecliptica: es el plano que describe la trayectoria de la tierra alrededor del sol.

36

Punto vernal o punto gama: es la interseccicjn con la ecliptica con el ecuador celeste. El angulo que forman es de 23" 27'.

Eje del Mundo: el movimiento de rotación hace que la tierra gire en torno a un eje central denominado eje del Mundo.

Meridiano geogrú:fico: es el plano que pasa por el eje del mundo y la vertical del lugar.

Paralelo: todo plano paralelo al ecuador terrestre.

Vertical: es la direccihn que siguen los cuerpos al caer lihretnente.

Plano horizontal: es el plano perpendicular a la horizontal.

Norte astronómico y geogrufico: es una de los cuatro puntos cardinales determinado por la direction del extremo del eje de rotacidn y que apunta hacia la estrella polar.

Norte magnético: es el polo magnetico del hemisferio boreal (del norte ). La diferencia angular entre el norte astronon1ico y el norte magnético se le denomina declinacibn magnética y varia para cada lugar.

Revolución sideral: de un planeta. Es cuando dicho planeta ha completado un giro de 360" a l rededor del sol.

Moeimiento retropado: tnovinliento en sentido de las Inanecillas del reloj.

Horizonte: es lo que alcanza a ver nuestra vista a nuestro alrededor, donde de la impresión que el cielo se junta con la tierra o el mar.

a) Horizonte sensible o visual: l a línea circular determinada por los puntos de las visuales tangentes a la superficies del mar y que marca el limite de visibilidad para un observador algo elevado sobre las aguas .

b ) Horizonte racional: es el plano perpendicular a la vertical del lugar y que pasa a la altura del ojo del observador.

c) Horizonte geocéntrico o astron6mico: es el plano perpendicular a la vertical del lugar y que pasa por el centro de la tierra.

d ) Horizonte matemático: es el plano perpendicular a la vertical del lugar tangente a la superficie de la tierra

37

B . 2 MOVIMIENTOS REALES DE LA TIERRA

La tierra es el tercer planeta en distancia del sol. Junto con los ocho restantes forman nuestro sistema solar. El polo terrestre tiene una inclinación con respecto a la eclíptica de 23" 27 ', esta inclinacibn y el movirniento de translación son los que determinan las cuatro estaciones del aBo.

La distancia de la tierra al sol es de unos 149.5 millones de Km. En promedio. Su radio es de 6378.39 Km. Aproximadamente, y su revolución sideral es de 365.25 días aproximadarnente.

B . 2 . 1 MOVIMIENTO DE ROTACIóN

Es el movimiento que realiza la tierra alrededor de su eje y lo efectila aproximadamente en 24 hrs. Es el que determina el día y la noche.

Consecuencias de l a rotacih de la tierra:

P Variación de la aceleraci6n de la gra1;edad. Todos los cuerpos que se encuentran en la superficie de l a tierra estan sujetos a una aceleración centrífuga debida a su rotacibn, la cual es mayor en el ecuador que en los polos. La aceleración centrífuga es de sentido contrario la aceleraciOn de la gravedad esto hace que la aceleracibn de la gravedad sea mas pequeña en el ecuador que en los polos.

P DesviaciOn de l o s vientos alisios: las altas temperaturas en las regiones proximas al ecuador dan lugar a la formaci6n de una faja de aire caliente el cual asciende y tiende a caer a l norte y a l sur en las regiones polares, y el aire frío de los polos va a llenar los vacíos que constantemente se forman produciendo unos vientos conocidos como alisios o planetarios; y debido a la rotacibn de l a Tierra se desvían hacia occidente en ambos hemisferios ( efecto Coriolis ).

> Achatamiento de la Tierra: debido a que la Tierra en sus etapas originales se encontraba en estado semiliquido el movimiento de rotaci6n origin6 el achatamiento de los polos ya que no pudo conservar l a forma esferica debido a ese estado.

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B . 2 . 2 MOVIMIENTO DE TRANSLACION

Es el movimiento que realiza la Tierra alrededor del Sol, el cual tiene un periodo de 365.25 días aproximadamente, la trayectoria que describe no es completamente circular sino elíptica, con una excentricidad de 0.0168. En dicha elipse el Sol ocupa uno de los focos. Esto trae como consecuencia que en ocasiones la Tierra este más cerca de el Sol que en otras. El mayor acercamiento es nombrado perihelio y es aproximadanwm el tres de enero. La distancia mas lejana es llamada afelio y se presenta por el tres de julio.

Fig. 35 Movimiento Tierra-Sol

B . 2 . 3 LAS ESTACIONES

El movimiento de translacibn, así como la inclinación del eje de rotacibn de la Tierra, tienen como consecuencia las cuatro estaciones del afio y l a desigualdad de los días y las noches.

Estas cuatro estaciones comúnmente conocidas: primavera, verano, otofio e invierno; representan cuatro posiciones distintas de la Tierra en su recorrido alrededor del Sol, debidas a la inclinación del eje terrestre con relación a la eclíptica de 23’27’ como ya se había mencionado (Fig. 35).

> Equinoccios. La inclinacibn de la eclíytica 23’27’ con respecto a l ecuador cortándolo por lo tanto en dos puntos reciben el nombre de equinoccios, aquí los días y las noches son iguales, el primero empieza el 21 de marzo y el segundo el 22 de septiembre.

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P Después de que el sol en su trayectoria anual aparente cruza el ecuador, su inclinación va aumentando hasta el 21 de junio alcanzando su tamaño máximo; de 23'27 ' este día de sol llega a su máximo acercamiento al polo norte. La direccibn de los rayos solares respecto a la superficie de la tierra, de los lugares de la latitud boreal media, se dice que en esta fecha el sol llega al solsticio de vera110 o estío (solsticio significa, "el sol esta quieto").

Conforme siguen transcurriendo los días el sol llega nuevamente al ecuador el 22 de Septiembre y ahora se dirige hacia el hemisferio sur a partir de esta fecha su declinacibn va aumentando hasta llegar a un máximo de -23" 27 ' el 23 de diciembre, llegando al solsticio de invierno. En esos días para los puntos del hemisferio norte el sol alcanza su altura mas baja sobre el horizonte a mediodía.

B . 3 OTROS MOVIMIENTOS DE LA TIERRA

Precesión de los equinoccios: Es un movimiento de revolucibn que tiene hacia el eje del Mundo alrededor de la linea de los polos de la ecliytica en sentido retrbgrado. Una revolucicin completa realiza en 25,800 años. Este movimiento es semejante al que ocurre con un trompo apoyado en el plano horizontal y con su eje vertical (fig. 36).

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Fig. 36 PRECESION

40

Lo que da por consecuencia que el polo celeste se vaya desplazando con respecto a las estrellas. De acuerdo con esto en el transcurso de los siglos son diferentes las estrellas las que determinan la dirección del eje del mundo. El circulo que se forma sobre la esfera celeste prolongando a la superficie de la tierra determina los círculos polares, son círculos celestes paralelos al ecuador clue pasan por los polos de la eclíptica. Circulo Polar Antártico o Boreal, es el correspondiente al hemisferio norte. Circulo polar Antártico el situado en el hemisferio Austral.

Los trópicos también son círculos celestes paralelos al ecuador, estos pasan por los solsticios, El tropico de Cáncer, es el situado en el hemisferio norte, el trcipico de Capricornio es el situado en el hemisferio sur.

Nutación. El eje de la Tierra además de describir un cono de base circular (precesihn) describe tarnbien en el espacio alrededor de una posici6n media, otro con de base elíptica en el transcurso de 18 afios, 2/3 aproximadamente.

0 Desplazamiento de los polos terrestres. Otros de los movimientos curiosos de l a Tierra es el recorrido que hace el eje de rotaci6n de una manera irregular en el transcurso de unos cuantos años. La amplitud de sus desplazamientos es muy pequetia; de unos 20 metros de diámetro.

Retrogradacicin del Punto Vernal. El punto Gamma o punto Vernal lleva sobre el ecuador celeste un movimiento, debido al movimiento de precesión de los equinoccios; en un año ha retrogrado 50.2”, es por eso que en l a actualidad las constelaciones del zodiaco, las cuales recorre el Sol en su movimiento aparente, no coinciden con los signos y nombres denominados anteriormente. Si dividimos 360 entre 50.2” resulta 25800 años aproximadamente, este es el tiempo que tarda en dar una vuelta completa.

Movimiento de la línea de los ápides. Por la acción perturbadora de los planetas, la linea de los apsides (perihelio, afelio) se mueve en sentido directo con una velocidad angular de 11 S” por año de modo que describe una vuelta completa al cabo de 108,000 años.

Variacihn de la excentricidad. Por la ación perturbadora de los planetas la excentricidad de la hrbita de la Tierra, oscila entre 0.003 y 0.02 en un periodo de 80,000 afios, su valor actual es de 0.0168, ira disminuyendo continuamente de modo que en unos 24000 afios prácticamente será una circunferencia.

Desplazamiento junto con el Sol. El Sol se desplaza junto con su cotejo de planetas hacia u n punto de la constelacicin de Hercules llamado apex a una velocidad de unos 19 Km./seg.

41

B . 4 MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL

El tnovimiento de rotaci6n de la Tierra hace que para un observador situado en una superficie el Sol parezca tnoverse en una direcci6n esteaeste. A esto es lo que llamatnos tnovitniento aparente del Sol. Talnbien la translaci6n de la Tierra influye en este movimiento a lo largo de un año, mostrando el Sol cargado tnas al norte en verano y al sur en invierno.

B . 5 COORDENADAS

Coordenadas en general, son unas magnitudes que sirven para localizar un punto en el espacio.

B. 5 . 1 GEOGRAFICAS O TERRESTRES :

Sirven para localizar un punto sobre la superficie terrestre.

P Latitud: es el angulo que forma la vertical de un lugar con el plano del ecuador. Se tnide de O a 90 grados, positiva en el norte 7 7 negativa en el sur.

> Longitud: es el angulo diedro que forma el meridiano que pasa por el lugar con otro tneridiano que se torna como origen (en este caso el meridiano de Greenwich). Se mide de O a 360 grados hacia el oeste de Greenwich, O a 180 grados indicando si es al este o al oeste. La altura del polo es igual a la latitud del lugar.

B. 5 , 2 COORDENADAS HORIZONTALES

> Altura: angulo formado por la visual dirigida al astro y el plano del horizonte. La altura se mide a partir del horizonte racional de O a 90 grados.

P Azimut ( 2) : es el angulo diedro formado por el plano de la vertical del astro con el plano del meridiano, se tnide a partir del norte astronbmico o magnético en direccibn de las manecillas del reloj ( sentido retrbgrado ) de O a 360 grados, estos angulos son medidos con el teodolito.

k Distancia cenital : es el ángulo que fortna la visual del astro con la vertical del lugar. La distancia cenital es el complemento de la altura.

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P Primer vertical : se llarna primer vertical al plano vertical que pasa por los puntos este-oeste. Al circulo vertical que pasa por un astros se le llama circulo de altura.

B . 5 . 3 COORDENADAS ECUATORIALES

k- Declinacicin ( Dc ): se denomina declinacibn de un astro, el ángulo que forma \visual con el plano del ecuador, se mide de O a 90 grados y se considera positiva en el norte y negativa en el sur.

k Ángulo horario ( €3 ): se llama angulo horario de un astro al ángulo formado por el meridiano del lugar con el circulo horario que pasa por el astro, se mide de 0 a 360 grados o de O a 24 horas en sentido retrbgrado,

P Distancia polar: se llama distancia polar de un astro al arco del círculo horario comprendido entre el astro y el polo norte, se mide de 10 a 180 grados.

k Circulo horario: se llama circulo horario de u n astro a los círculos máximos que pasan por los polos y por el astro.

B . 5 . 4 RELACION ENTRE LAS COORDENADAS HORIZONTAL Y ECUATORIAL

La figura que esta a continuacibn muestra una estrella localizada en un punto (x) en lo alto del hemisferio el observador se encuentra en una latitud norte, los lados del triángulo esferico PZX son formados por el meridiano del observador PZSP el circulo horario PXA y la vertical ZXB.

Las partes del triángulo son:

(1) Lado PZ = 90 - L (2) Lado PX = 90 - Dc (3) Lado XZ = 90 - Al (4) Angulo PZX = azimut de la estrella = Az (5) Angulo ZPX = ángulo horario de la estrella = H (6) Angulo ZXP = no inqmrta en nuestro estudio El punto “X” en nuestro caso representa el Sol (S).

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-ASTRO~OWCO- -triá ulo-"-

Fig. 37

Puede demostrarse que en cualquier triángulo esferico c o ~ m PZX :

Cos (xz) cos (pz) cos (p.) + sen (pz) sen (px) cos (zpx).

Sustituyendo los valores arriba mencionados obtenemos

Cos (90 - Al) = cos (90 - 1) cos (90 - Dc) + sen (90 - L) sen (90 - Dc) cos (H)

o

Sen (Al) = sen (L) sen (Dc) + cos (L) cos (Dc) cos (H)

La ecuaci6n anterior es tambien aplicada s i el o h s e n d o r esta en una latitud sur.

Deben considerarse las siguientes indicaciones convencionales:

P La declinaci6n (Dc) es positiva si l a posicihn de una estrella es norte y negatirra si es sur.

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> El angulo horario (H) medio del meridiano del observador y al oeste, así para un buen obsewador l a latitud norte es medida en sentido retrógrado del sur. Para un observador en una latitud sur es medido en sentido directo del norte.

P Con las indicaciones convencionales anteriores la altura de l a estrella es positiva si esta arriba del horizonte y negativa si esta abajo del horizonte.

Del triángulo esférico PZX puede, por lo tanto, ser demostrado que:

Cos (90 - Dc) = cos (90 - L) cos (90 - A l ) + sen (90 - L) cos (Az) sen (90 -Al)

Sen (Dc) = sen )(L) sen (Al) + cos (L) cos (AI) cos (Az)

Cos (Az) = sen (Dc) - sen (L) sen (Al)/cos (L) cos (Al)

El angulo azimut es medido de la direcci6n norte hacia el este o hacia el oeste y varía de O a 180 grados, así la estrella podría estar en el hemisferio occidental, si el angulo horario es menor que 180 y en el hemisferio oriental, si el angulo es mas grande que 180 grados..

B . 6 MEDIDA DEL TIEMPO.

Las dos unidades principales para medir el tiempo basadas en fenómenos astron6micos son el día y el ario, debidos respectivamente a la rotaciOn y translaciOn de la tierra alrededor del Sol.

B . 6 . 1 TIEMPO SIDERAL Y TIEMPO SOLAR VERDADERO

> Día sideral: es el tiempo transcurrido entre dos pasos consecutiIos del punto vernal por el meridiano del lugar, El día sideral se divide en 24 horas siderales y equivale a 23 horas 56 minutos 4.091 segundos de tiempo medio.

k Día solar verdadero: es el tiempo transcurrido entre dos pasos consecutivos del sol por el meridiano del lugar. El día solar se mide de O a 24 horas a partir del paso del sol por el meridiano del lugar. El dia solar es mayor que el día sidéreo.

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P Tiempo solar medio: Día solar medio: es el tiempo transcurrido entre dos pasos consecutivos del llamado sol medio por el meridiano. La duracibn del día solar medio es el promedio anual de los días solares wrdaderos, y para elegir ese sol se procede de la manera siguiente:

Primer sol ficticio: En la elíptica se tnueve el sol verdadero con velocidades variables. Para compensar esta primera causa de variaciOn se supone un primer sol ficticio con velocidad angular constante, que sale del perigeo y regresa a el al mismo tiempo que el sol verdadero.

Como en el perigeo la velocidad angular del sol verdadero es mayor que la del primer sol ficticio, el sol verdadero tarda mas tiempo que el sol ficticio en volver a pasar por el meridiano.

Despues en el apogeo esta velocidad disminuye, por lo tanto el sol verdadero y el sol ficticio se reunen.

Segundo sol ficticio: el sol medio es un segundo sol ficticio que recorre el ecuador con velocidad angular constante,

Si observamos que a partir del punto vernal, el angulo descrito alredor del eje del mundo por el segundo sol ficticio ( el que se mueve en el ecuador) es mayor que el descrito por el primer sol ficticio ( el que se mueve en la ecliptica ). La consecuencia de lo anterior, es que le 21 de marzo pasaran por el meridiano al mismo tiempo el primer sol ficticio y el segundo, al día siguiente el primer sol ficticio llegara al meridiano antes del segundo, por l o tanto hay que hacer una correccibn negativa al tiempo marcado por el primer sol ficticio. El 2 1 de junio ambos soles ficticios van juntos, ese día la correccihn es nula. A partir del 2 I de junio se invierte el fenómeno o sea que le segundo sol ficticio es el primero en pasar por el meridiano, la correccibn que hay que hacer es una positiva, al tiempo marcado por el primer sol . El 22 de septiembre vuelwn a reunirse los dos soles y a partir de ese día cambian de signo l a correccidn.

El 23 de diciembre se reunen cte nuevo cambiando de signo la correccidn. Y al terminar nuevamente en el punto vernal comienza el ciclo de correcciones positivas y negativas alternadamente.

Se le da el nombre de sol medio al segundo sol ficticio. El día solar medio equivale a 24 horas ( las que marcan nuestros relojes ). También equivale a 24 horas 3 minutos 56 segundos o S55 de tiempo sidereo.

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B . 6 . 2 ECUACION DELTIEMPO

Se llama ecuacibn del tiempo, al tiempo de correccidn que se h a de sumar a la hora dada por el sol verdadero ( es la que se observa con un reloj de sol ) para obtener la hora media.

Hora verdadera + ecuacidn del tiempo = hora media

El tiempo verdadero puede ser determinado observando la posicicin de sol xrdadero, no así el tiempo medio que debe ser calculado. Porque esta determinado por l a posiciOn del sol medio que es imaginario o ficticio.

Ecuación d e 2 tiempo: es el intervalo del tiempo que separa el paso del sol verdadero por el meridiano, del paso del sol medio.

La ecuacidn del tiempo es positiva si el sol pasa por el meridiano antes que el sol medio y negativa en el caso contrario.

B . 6 . 3 TIEMPO LOCAL Y TIEMPO LEGAL Hora o tiempo Local: es el tiempo de cada lugar en un instante determinado,

Tiempo kgal, c i d u hora oficial: tiempo medido de acuerdo al sistema internacional llamado de los husos horarios. En Mexico se ha llamado en ocasiones a la hora legal hora oficial y a l a hora local hora astronbmica. Cada país tiene su determinada hora oficial.

Dia medio civil: la divisidn del dia para di\Tersas actividades de la vicia se ha hecho en 24 horas y es de igual duracidn que el dia solar medio solo que empieza a media noche, doce horas antes de que el día astronbmico de igual fecha.

En algunos países se acostumbra a contar de O a 12 horas en la primera mitad de un dia y de O a 12 horas por la tarde. Con la necesidad de agregar las palabras: de la mafiana o de la tarde, o las iniciales: AM (antes de meridiano) y PM (postmeridiano).

B . 6 . 4 HUSOS HORARIOS

Es imposible eliminar totalmente los inconvenientes que implica la diferencia de hora entre dos puntos de diferente longitud geográfica, pero estos h a n sido reconocidos a un mínimo, gracias a l a proposición de Sandford Fleming (1884), ingeniero jefe del ferrocarril pacifico del Canadá, y que consiste en dividir la superficie de la tierra en 24 husos horarios iguales, a cada uno de los cuales corresponde 15 grados.

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Si se hace pasar un meridiano a 7 grados 10 minutos al este de Greenwechy otro a 7 grados 30 minutos al oeste se forma así lo que se llama uso horario. Por convenci6n todos los puntos de este huso horario tienen en su reloj las doce horas, O0 tninutos, O0 segundos del día, cuando el sol medio de Greentvech pasa por el meridiano. La hora de meridiano de Greenwich se llama hora universal (UT).

Fig. 38. HUSOS HORARIOS.

Segúll esta division de la tierra en 24 husos horarios, en un momento dado en cada huso horario hay una hora distinta, desde las O horas, hasta las 23 horas; yero el nilmero de minutos es exactamente el mismo en todos los husos horarios.

Sin ernbargo, esta divisi6n de la tierra en husos horarios no se hace ajustándose rigurosamente a los meridianos terrestres, sino que en algunos paises de gran extensicin y por diversos tnotivos geográficos o econ6nlicos, las líneas que separan un huso horario de otro a veces se desvían ligeramente de los meridianos geográficos.

Hora del centro: en Mexico por decreto se ha convenido en que toda la Repilblica se rige por el correspondiente a l meridiano 90 grados de Greenwich que se llama llora del centro (fig. 38).

Hora oficial de las rnontafins: esta hora rige a los estados de Sonora, Sinaloa, Nayarit y Baja California Sur.

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Nora oficial del Pacífico: rige al estado de Baja California Norte.

Hora oficial del sudeste: rige a los estados de Catnpeche, Quintana Roo y Yucatán.

Sin ernbargo hay ocasiones en que por la duracion del día y de la noche, estas horas se adelantan o se atrasan.

B . 6 . 5 DURACION RELATIVA DEL DIA Y LA NOCHE

> En los polos terrestres: son iluminados durante seis meses consecutivos, el polo norte desde el 22 de septiembre hasta el 21 de marzo, el sur desde el 2 I de marzo hasta el 22 de septiembre. Por consecuencia el polo norte permanecerá a obscuras los seis meses en que el sur este i1uminad.o y viceversa. Esta diferencia va creciendo y decreciendo gradualmente, lo que quiere decir que no precisamente todos los días de esos seis meses permanecerán completamente iluminados o a obscuras.

> Para un punto situado en el ecuador los días son iguales a las noches.

B . 6 . 6 CALCULO DE LA DURACION DEL DIA Y DE LA NOCHE

Se puede calcular cuanto duran el día y l a noche en un lugar de latitud ( L ) cuando la declinacicin solar es Dc, por la siguiente f6rmula:

cos ACB = tan Dc * tan ( L )

El numero de grados del angulo convertido a tiempo, a razón de 4 minutos, por grado, da la duracidn de la mitad de la noche, la diferencia entre 12 horas y el numero de horas obtenidas, es la duracibn de la mitad del día para el lugar L, el día en que la declinación es Dc.

R . 6 . 7 DETERMINACION DE LA DECLINACION SOLAR

Uno de los elementos necesarios para el calculo del azimut y la altura solar es la declinacibn, la cual puede ser calculada por varias fdrmulas o modelos matemáticos, de ellos uno de los mas utilizados se muestra a continuacihn:

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. , . . . . , . ,. . . . , . . . .

Dc = 23.45 * sen ( 360 * (284 + D/365 ) )

donde:

D = Numero de día del año

Para el modelo la precisibn es de 0.1 en protnedio en los solsticios y por el contrario el error es apreciable de 0.8 a 1 grado en los equinoccios.

B . 6 . 8 DETERMINACION DE LA ECUACION DEL TIEMPO

La ecuacibn del tiempo tamhien puede ser calculada por modelos matemáticos, a continuacidn se presentan dos modelos los cuales pueden ser tomados indiferentemente, ya que la diferencia entre los mismos es insignificante.

E.T. = 9.9 * sen ( Z(0.986 * D + 100) ) - 7.7 * sen (0.986 * D - 2) (a)

E.T. = 0.0002 - 0.4197 * cos W’D + 3.2265 * cos 2W’D + 0.0090.3 * Cos 3W’D +

7.3509”sen W’D + 903912 “sen2W’D + 0.3361“sen 3 W’D (b)

donde:

D = Nimero de día del afio W’ = 2PI/360

E.T. es expresado en minutos, el modelo (a) expresa los minutos que se habrán de restar al tiempo solar medio. En eí tnodelo (b) se indica la diferencia en minutos entre el tiempo solar verdadero y el tiempo solar medio, y no indica si la cantidad se resta o se suma, pero sabiendo que por el 6 de enero la Tierra se encuentra en el Perihelio, por lo tanto la duraciOn del día solar verdadero es menor que el día solar medio, y por consecuencia es necesario restar dicha diferencia. El modelo (b) puede presentar un error de I5 segundos,

B . 6 . 9 CALCULO DE LA ALTURA Y EL AZIMUT SOLAR

De los datos resultantes de la relacicin de los sistemas de coordenadas horizontal y ecuatorial obtenidos anteriormente, a excepci6n de l a altura y el azimut, los valores de la declinacibn solar, angulo horario y latitud del observador pueden ser conocidos. Los valores de declinaci6n pueden ser obtenidos del Analema c) del Anuario Astronómico o

so

calculados con modelos matemáticos, la latitud puede ser obtenida de varias tablas con listas de éstas (anuario astrondmico, atlas geográfico, etc.) o en su defecto pueden ser calculadas (para el pais el anuario astron6mico cuenta con todos los municipios y las comunidades mas importantes).

Para calcular el angulo horario del sol en un tiempo particular es necesario conocer la longitud del lugar, la ecuacidn del tiempo y el meridiano de referencia del pais.

Para encontrar la diferencia entre el tiempo solar verdadero y el tiempo standard u oficial del pais, esta se realiza de la siguiente manera:

(1) La longitud del obsenador será (Lg) (la longitud Este sera tomada como positiva y la longitud del Oeste co~no negativa) y la longitud de la refencia del pais será entonces el sol viaja 360 grados en 24 horas, o 15 grados en m a hora, la diferencia entre el tiepo oficial y el local (Tp) es dada por:

dLg = Lg - R/15 (en horas)

(2) La diferencia entre el tiempo local y el tiempo solar esta dada por la ecuacibn del tiempo E.T.. Para obtener la diferencia (DO entre el tiempo oficial del país y el tiempo solar (TSV) sera sumado E.T.

así: Df = dLg + E.T. O Df = (Lg - R) / 15 + E.T.

donde E.T. es dada en horas o Df = (4 (1s - R) + E.T.) (en min.). La cantidad anterior es positiva si el sol real está adelante del tiempo medio y negativa si está detrás. El tiempo solar verdadero (sol real) podrá ser obtenido de la ecuación:

tiempo medio (oficial) + Df = tiempo solar verdadero (T.S.V.)

teniendo calculado el tiempo solar verdadero, el ángulo horario del sol puede ser calculado de la ecuacidn:

ángulo horario (11) (en grados) = tiempo solar verdadero * 15 (en horas de medianoche)

(11) = T.S.V. * 15 + 180 para tiempo oficial

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C . BIENESTAR BTOCLIMATLCO.

Aunque el bienestar humano no se puede medir solamente en terminos de factores bioclitnaticos, uno de l o s requisitos f~~nciamentales es el mantenimiento del eyuilibrio entre el cuerpo llumano y su ambiente (fig. 39). Las condiciones en yue se pretende conseguir tal eyuilibrio dependen del efecto de colljunto de muchos factores; algunos de ellos, como el tipo de actividad, aclimatamiento y vestido del sujeto, son características individuales; mientras que otros, como la temperatura del aire, radiacidn solar, humedad relativa y movimiento del aire, son factores ambientales.

A la serie de condiciones en yue se produce la sensacicjn cle bienestar (metabolismo en equilibrio) se le llama confort - factor yue difiere segun las personas y depende de las costumbres, habitacidn, ropa empleada,, situacidn geográfica, edad, sexo, etc. aunque la zona de confort se define como una estimacibn subjetiva de las condiciones ambientales, los limites de esta zona tienen una base fisiológica : la serie de condiciones para las cuales l o s tnecanismos termorreguladores del cuerpo se encuentran en un estado de mínima actividad. El bienestar que también depende, además de la temperatura del aire y de las superficies cercanas, de la humedad relativa y del movimiento del aire, no se puede expresar en terminos de ninguno de estos factores aislados, ya que afectan al cuerpo de forma simultánea, dependiendo de la influencia de cada uno de ellos y de los valores que tomen los otros factores.

Victor Olgyay, de la [Jniversidad de Princeton, Nueva Jersey, basándose en estudios realizados por Ellsworth Huntington, delimit6 gráficamente una zona de confort climatico aplicable para los habitantes de la zona templada de los Estados Unidos de Norteamerica, con una capa de ropa y en el interior de alguna llabitacicin, realizando trabajo sedentario o de ligero esfuerzo muscular. Esta zona, yue podría denominarse zona de neutralidad, no presenta un perímetro definitivo, pues la zona de confort difiere con cada individuo, el tipo de ropa y la actividad que se realice. En este caso se adopta. el

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criterio de las condiciones en las que un individuo promedio experimenta una sensacibn de bienestar.

La escala de medici6n del efecto termico de l a ropa esta basado en l a unidad de medida CLO ( I CLO equivale a una capa de ropa).

Los diagramas bioclimáticos de Olgyay (fig. 40) y de Givonni, han sido interpre- tados con las condiciones bioclimaticas y parametros de bienestar termico de la República Mexicana por el Dr. E. Hernandez.

Fig. 40

Diagrama Bioclimático agyay

DEWUMKIIFICAR --?

Estos dos diagramas adaptados se conjuntaron en una sola gráfica que relaciona la temperatura wntra la humedad relativa tanto para el mes mas calido como para el mes mas frío, dando canto resultado un nuevo diagrama bioclimatico, en el cual aparecen delineadas las zonas caracterizadas por los diferentes requerimientos de adecuacibn ambiental (enfriamiento, calefacciOn, secado a deshurnidificacicin, ventilacibn, etc.) y el polígono de bienestar térmico (fig. 41).

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Fig. 41. Condiciones climaticas y de bienestar térmico.

En este diagrama se observa que tan alejada se encuentran las condiciones climaticas de una localidad determinada con respecto a las condiciones de bienestar termico y como hacer para regresar a este.

C.1 BALANCE TERMICO EN EL CUERPO HUMANO

El cuerpo humano, entre otras cosas, es una homba de calor, y necesita perderlo constantemente a una rapidez determinada, y fijada por el metabolismo de la persona. La descarga de calor a cierta rapidez que mantenga la temperatura corporal, entre 36.5 y 37.5OC COTI el rninimo de esfuerzo, permite el desarrollo del trabajo fisiol6gico en Optimas condiciones; esto es lo que se reconocerá como condiciones de comodidad.

Por nledio de u n balance muy fino entre el calor ganado y disipado por el cuerpo, se establece la temperatura. del cuerpo humano. El cuerpo humano genera calor constantemente como producto secundario de las reacciones metaldicas celulares, y pierde calor permanentemente, que pasa a l medio ambiente (fig. 42).

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Podemos diferenciar dos tipos de fuentes que contribuyen a la acumulacibn de calor, el calor interno y el ca.lor externo, \+ase la figura que muestra el equilibrio que existe entre produccibn y perdida de calor.

Fig. 42,. Balance de calor en el cuerpo hutnano. w w t c r oc cum

La principal fuente de calor interna la representa la obtención de energía a traves de procesos metabOlicos, esta energía se obtiene de la transformaciOn de energía química por media de la oxidacion de carbohidratos, calorías y proteínas.

En promedio, el 55% de la energía de los alimentos se transforma en calor durante la formación del ATP (Trifosfato de Adenosina). Otra parte de la energía del trifosfato de adenosina se transforma en calor cuando se cede a los sistemas metabblicos celulares: finalmente el tnetabolisrno celular solo aprovecha el 25% de la energía. Todavía se transforma en calor la mayor parte de ese 25% de la energía inicial: síntesis de proteínas, energía de la contraccicin muscular, bombeo de sangre por el corazbn, etc.

Por lo tanto, podemos decir que prácticamente toda la energía producida por el metabolismo de los alimentos en el organismo se convierte en calor. La unica excepciOn es la realizacibn de un trabajo exterior por los músculos (trabajo mecánico).

La produccihn de calor metabolico (calor interno) se puede calcular al restar el trabajo mecánico (W) del total de la energía metabólica (M) y seria igual a (M- W).

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Los n d i o s por lo:; que el organismo pierde calor se muestran en l a figura 43. Fig. 43

Wcconismr do pirdida de calor.

El calor externo se encuentra cuando se suman las contribuciones debidas a los mecanismos de transferencia de calor llamados radiacih (R), convección (CONV) y conducción (COND). La direcci6n en l a que se da este intercambio entre el cuerpo y el nledio ambiente, sera negativo cuando la temperatura del nledio ambiente sea menor que la temperatura de la piel ( Tarr ,b < Tpic:,) y positivo el caso contrario ( Tamb > Tg)iel ) . Existe otra contribución externa y es debido a la evaporación (E) por medio de l a transpiraci6n y l a respiration, y representara siempre una perdida de calor.

La cantidad de calor perdida por cada uno de estos mecanismos varia considerablemente según las condiciones atmosft'ricas. En una habitacih a temperatura normal un cuerpo desnudo elimina el 60% de la perdida total de calor par radiacidn.

El cuerpo radia calor en todas direcciones, a l a vez llega al cuerpo racfiacibn termica, que proviene de las paredes y de otros cuerpos y objetos vecinos, que la dirigen hacia el organismo. Si la temperatura del cuerpo es mayor que la temperatura del medio que lo rodea, pasara una cantidad de calor mayor, desde el cuerpo hacia afuera, que en sentido opuesto.

El calor perdido por radiación varía en proporción directa de la diferencia entre las cuartas potencias de: 1) la temperatura de la superficie corporal, y 2) l a temperatura media del medio ambiente.. Por lo tanto, es imposible afirmar en forma exacta que porcentaje del calor corporal se perderá por irradiaciOn, a menos que se definan todas las condiciones que en el momento determinado rodean al cuerpo.

La superficie del cuerpo humano absorbe extrac)rdinariarnelte la radiación de onda larga (radiaciOn infrarrojo).

Generalmente solo se pierden pequeñas cantidades de calor del cuerpo por conducciOn directa desde l a superficie corporal a los denlas objetas como sillas, camas, etc.

Por otra parte, l a perdida de calor por conducci6n hacia el aire representa una porción considerable del calor perdido por el cuerpo, incluso en condiciones normales. El

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movimiento Ltbratorio de las moleculas de la piel puede aumentar el tnovimiento de las moléculas del aire que entran en contacto directo con ella, sin embargo, una vez que la temperatura del aire inndiatamente vecino de l a piel resulta igual a la temperatura de esta, ya no hay intercambio de calor desde el cuerpo hacia el aire, por lo tanto, la conducci6n de calor del cuerpo al aire termina automáticamente, a menos que este se desplace, de manera clue aire nuevo no calentado este constantemente en contacto con la piel, presentándose de esta manera el fenómeno de la conrwcibn. En la figura 43 se puede apreciar que una persona desnuda sentada en una habitacidn de temperatura agradable (condiciones de comodidad), sin corrientes de aire, pierde el 12% aproxima<lamente de su calor por convecci<'n.

Cuando el cuerpo queda expuesto al viento, l a capa de aire inmediatalnente vecina de la piel es sustituida constantemente por aire nuevo, mucho más rhyido que en condiciones normales, por l o tanto, aumenta en forma correspondiente la perdida de calor por conveccihn. El efecto de enfriamiento del viento a baja velocidad es aproxirnadamente proporcional a l a raíz cuadrada de la velocidad del mismo, por ejemplo: Un viento de 6 Km/ hora en unas dos veces Inas eficaz para enfriar que un viento de 1.5 Km/hora, Sin embargo, cuando la velocidad del viento pasa de unos cuantos kilbmetros por hora ya no se produce enfriamiento adicional en grado considerable sea cual fuera la velocidad una vez que el \Tiento ha enfriado I,a piel hasta la temperatura del propio aire. En este c.aso, la velocidad con la cual el calor puede pasar de la parte central del cuerpo a la piel, es entonces el factor que rige la rapidez con la cual puede perderse calor.

Cuando el agua se e\:apora de la superficie corporal, se pierden 0.58 kilocalorías (Kcal) por cada gramo de agua evaporada y el agua se e\-apora insensiblemente de la piel y los pulmones. Ello provoca una pérclida continua de calor del orden de 12 a 18 Kcal por hora. Esta evaporacidn insensible de agua no se puede controlar para regular la temperatura, pero l a perdida de calor por evaporacibn se puede incrementar regulando la intensidad del sudor, como verá posteriormente

Cuando la temperatura del medio es mayor clue la de la piel, en lugar de perder calor el cuerpo lo gana por radiation y conducciOn procedente del medio vecino, en tales circunstancias, el unico medio por virtud del cual el cuerpo puede perder calor es la evaporación.

El clitna-húmedo tiene influencia solve l a perdida de calor por evaporaci6n. los días de verano calientes y húmedos son muy molestos debido a que el sudor corre por la superficie corporal mas profusamente clue en estado natural, ocurre así, por que el aire ya está humedecido casi hasta la saturacii)n, y la intensidad de evaporación puede ser considerablemente disminuida, o totalmente anulada, de manera que el sudor secretado persiste en estado liquido, Así la temperatura del cuerpo se acerca a la temperatura del medio, o se eleva por encima de ella a pesar de que el cuerpo sigue sudando.

La falta de movimiento del aire disminuye la evaporacidn, de la misma manera que el enfriamiento eficaz por conveccihn hacia el aire.

Para establecer el balance en el cuerpo humano se deben sumar los calores internos y externos, y se obtiene la cantidad de calor que es almacenada por cuerpo (S) utilizando la siguiente expresihn

Una vez establecido el balance termico se debe prestar atenci6n a los mecanismos que el cuerpo hutnano utiliza para regular la temperatura

La temperatura del organismo se conser\:a por un centro de regulacihn, situado en el hipotálamo, entre los limites de 36.5 y 37.5 grados Centígrados en forma indefinida en u n medio variante va desde los 15.5 hasta las 55 grados centígrados. La piel, el tejido subcutáneo y especialmente l a grasa de los tejidos subcutjneos, son aislanres eficaces para consenar el calor del cuerpo que se produce en las partes Inas profundas del organismo. La primera linea de defensa esta representada por el sistema de regulaci<in vasornotor, por medio del cual se regula el flujo de sangre del interior del organismo hacia la piel.

Por tnedio de la usodilatacion se aumenta el flujo sanguíneo y a traves de la vasoconstriccidn se reduce. El organismo protege los centros vitales coraz6n y cabeza en situaciones extremas de frío 6 o calor. Podemos observar que el cuerpo humano presenta variadas temperaturas en diferentes regiones. Cuando estos mecanismos no son suficientes para mantener la temperatura, otros sistemas fisioldgicos se usan, como seria el sudor (e\.aporacibn) en clima calidno o el escalofrío (contracciOn muscular) en situacibn de frío.

Cuando el cuerpo se calienta excesivamente se secretan grandes cantidades de sudor hacia la superficie de la piel por las glándulas sudoriparas, con el fin de permitir un rápido enfriamiento por evaporacidn corporal; casi a la temperatura de 37 O centigracjos empieza l a sudacibn, aumentando rápidamente cuando l a temperatura se eleva. Por otra parte, el sudor cesa a cualquier temperatura Por debajo de este valor crítico. A una. temperatura del cuerpo debajo de 37" centígrados se activan diversos mecanismos que aumentan l a producciOn de calor, como lo muestra la cuma ciiscontinua, especialmente el aumenta de actividad tnu:;cular que culmina en escalofríos.

Además del mecanismo termostático para el control de l a temperatura corporal, el cuerpo tiene otro mecanismo destinado el mistno fin y mas potente todavia, que consiste. en el control de conducta del individuo en relaciim a l a temperatura, que puede explicarse así: siempre que la tetnperatura se eleva demasiado, señales provenientes del area preoptica del encéfalo proporcionan la sensacidn psíquica de un exceso de calor.

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La falta de comodidad la podemos asociar con la desviación del sistema protector primario termoregulador, y cuando en la ecuaci6n de balance térmico anterior, E= O y S=O, y el calor disipado en igual a la producción de calor.

(K - V) - (R + CONV + COND)

Si la igualdad anterior se logra a traves de medios físicos que conforman el clima, podemos definir la expresión anterior conlo la comodidad termica fisiológica.

Cuando el cuerpo se enfría demasiado, sehales provenientes de la piel y posiblemente de otras receptores nemiosos perifericos provocan la sensaciOn de frío molesto.

Por lo anterior, la persona efectúa ajustes adecuados del ambiente para restablecer su sensacicin de bienestar y comodidad en ambos casos. Esta, generalmente conlleva una disminución en la productividad del individuo razdn por la cual, es importante tratar de lograr las condiciones de comodidad termica dentro de las Ilabitaciones.

Los tipos evidentes de ajuste de conducta incluyen: seleccidn de \-estidos, desplazamiento del cuerpo hacia un ambiente diferente, aumento de calor o de frío proporcionado por calentadores actecuados o por acondicionadores del aire, etc.

C. 2 EL CLIMA Y S'CJ IMPACTO EN LA COMODIDAD.

AI entender con 'detalle las mecanismos de transferencia de calor entre el ser humano y el medio ambiente, estos serán mejor apro\~echados para el beneficio del ocupante de una haloitaci¿)u, y no deberán dejarse de lado sin darles la importancia que estos merecen cuando se busca diseñar una habitaciOn en la cual se use el clima como recurso para obtener la comodidad térmica deseada.

C. 2 . 1 EVALUACION DE LA COMODIDAD EN EL HUMANO

La comodidad térmica no puede ser definida por un parametro del clima especifico, pero se establece como una interacciOn entre el estado metabolico del cuerpo humano, y una composici6n de varios factores meteorol6gicos.

Las variables del clima que determinan la conlodidad termica del humano pueden englobarse en dos grupos:

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El primer grupo de variables lo constituyen las condiciones ambientales que incluyen: la temperatura del aire (bulbo seco), hutnedad del aire (o bien, temperatura de bulbo húmedo del aire), velocidad del aire, radiacihn solar y radiación infrarroja procedente de cuerpos y objetos vecinos. Estos pa rhe t ros se pueden modificar en la interaccidn de la edificación con el medio ambiente, de tal forma que las condiciones del interior (microclima) sean mas agradables a l cuerpo hunxmo (o en el peor de los casos, menas agresivas), que las condiciones ambientales exteriores al edificio. Estos factores son los que se Inodulan en una 'construccibn pasiva.

El segundo grupo de variables la forman el \-esticlo con el que se cubren los ocupantes y las variables que determinan el metabolismo, como son: edad, peso, complexi6n, actividad, etc.

En el primer grupo, las condiciones de comodidad tertnica dependen de las variables del medio ambiente como se menciona en el punto anterior, y son: la temperatura, hunwdad y \docidad del aire, así como la radiacihn incidente (solar o infrarroja).

Los metodos para determinar las condiciones de comodidad térmica se desarrollaran desde finales Idel siglo pasado, y a partir de estos se impletnentaron nomas o sugerencias de valores de 1.0s parametros de clima, dentro de los cuales el ser humano siente comodidacl. Por ejemplo la comodidad en la Gran Bretaña esta definida en un rango de la temperatura del aire en contacto con el cuerpo hutnano entre 14.4 OC y 2 l . l°C (58 a 70O F), en los Estados Unidlos de América entre 20.5 y 26.7OC (69 a 80 OF) y en los trdpicos entre 23.3 y 29.4@C (74 a 815 OF), y en todas los casos con humedades relativas entre 30 y 70%. Estas especificaciones de temperatura y humedad que determinan la zona de comodidad, pueden verse modificadas por:

l).* La presencia de viento, con lo cual el mecanismo de transferencia de calor por conveccibn se incrementa.

2).- La incidencia de radiación solar con lo cual se dificulta l a salida de calor del cuerpo humano.

.3).- La ocurrencia de enfriamiento evaporative del aire que entrara en contacto con la piel del cuerpo humano; lo cual aumenta la salida de calor del mismo. El clima huimedo tiene influencia sobre la perdida de calor por evaporacihn. Los días de verano calientes y húmedos son muy molestos, debido a que el sudor corre por la superficie corporal mas profusamente que en estado normal, ocurre así por que el aire ya esta humedecido casi hasta la saturacicin. Por lo que la intensidad de evaporacihn puede estar cotlsiderablemente disminuida, o totalmente anulada, de manera que el sudor secretado persiste en estado liquido. Así la temperatura del cuerpo se acerca a la temperatura del medio, o se eleva par encima de ella a pesar de que e1 cuerpo sigue sudando.

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4).* La salida de -radiacibn infrarroja del cuerpo humano, debido a superficies frias que lo circundan lo cual favorece la salida de calor del mismo.

3.- La modificaciOn de la temperatura del aire que entrara en contacto con el cuerpo humano, debido a la transferencia de calor por convecci¿>n con materiales que conforman el medio ambiente y que son capaces de almacenar calor de manera sensible (estos materiales pueden ser los materiales de construcciim del edificio).

Fig. 44

Los conceptos numerados anteriormente, resultan ser de suma importancia para fijar las estrategias de disefio termico de una edificacibn (fig. 44). Algunos investigadores h a n plasmado estos criterios en diagramas psicometricos obteniendo una presentacibn gráfica de los mismos, con los cuales se obtiene un metodo sencillo para trabajar cuando no se esta familiarizado con los procesos físicos involucrados en los fendmenos de transferencia de calor que ocurren en el cuerpo hunlano y en la edificaciOn, aunque se sacrifica precisidn.

Para el segundo grupo de ropa interfiere con la evaporacihn del sudor y tambien funciona como un aislante termico. Shapiro y Epstein establecen que el nivel de aislamiento del vestido se encuentra definido por medio de unidades llamadas c h , l a cual es l a cantidad de aislamiento proporcionada por una ropa determinada en esta definiciOn y que ayuda a mantener o incretnentar la temperatura del cuerpo humano cuando se encuentra en estado de reposo o realizando una actividad muscular.

La falta de movimiento del aire evita la eXaporaciOn, de la misma manera que el enfriamiento eficaz por conrducci6n de calor hacia el aire. Los vestidos aprisionan capas de aire junto a la piel y en l a textura de l a ropa, por lo cual aumenta el espesor de la zona aislada y disminuyen las corrientes de aire por conveccibn. Por lo que l a intensidad de perdida calorifica del cuerpo por convecci6n disminuye considerabletnente. La tnitacj

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aproximadamente, del calor transmitido desde la piel a los vestidos probablelnente se pierda por radiacihn en ellos, en lugar de ser transmitidos a traves de los espacios pequeños que quedan. LT eficacia del vestido para evitar la perdida de calor desaparece casi completamente cuando el tejido de la ropa se humedece, pues el aire aprisionado actua como aislante, de hecho, los intersticios del vestido quedan llenos de agua, que a consecuencia de su elevada conductividad para el calor, aumenta la intensidad de transmision calorifica 20 o mas, que cuando permanece seca.

En zonas deserticas el vesticlo de fibra natural que es permeable para la humedad, permite una perdida “casi normal” de calor por el cuerpo, gracias a la evaporaciOn; cuando hay producción de sudor, el propio sudor puede ernpapar el vestido y se produce la evaporacicjn, no en la piel snno en la superficie del vestido; ello enfria el vestido, lo cual a su vez, significa enfriar la piel. El límite inferior de la temperatura a la cual puede llegar el vestido es la temperatura del bulbo húmedo del aire atmosferico; en zonas deserticas esta temperatura esta muy por debajo de la temperatura de bulbo seco del ambiente.

C.2.2 FORMA DE EVALUAR LA COMODIDAD

Para elduar la comodidad termica de los ocupantes del edificio, se puede recurrir al metodo de la temperatura equivalente que aparece en las normas de ASHRAE. La ecuaci6n utilizada para estos calculos es:

AT (aparente) = T (de bulbo seco del aire) AT (evaporativa) -t AT (conveccidn) +

AT(radiaci6n) donde:

T (de bulbo seco del aire), es l a temperatura de bulbo seco ciel aire ambiente medida a la sombra.

AT (evaporativa), es el decremento aparente en la temperatura del aire debido al enfriamiento evaporativo sobre la piel‘ El calculo se hace con datos de temperatura y humedad del aire, así COI^ con la velocidad del viento en el sitio, y datos fisiobgicos interllaciollalIlletlte aceptados del rnetabolisrno del humano (para una persona en reposo el calor que debe disipar es de un met), y suponiendo que l a persona vista ropa ligera durante la parte calida del día (0.6 CLO) y ropa de mediano abrigo para la parte fria (1.0 CLO).

AT (convecciOn), es el incremento aparente de la temperatura del aire debido al intercambio de calor entre $el aire y la piel. El incremento es positivo, si la temperatura del aire es mayor que l a de la piel y negativa en el caso contrario. El calculo se efectúa con datos de l a temperatura y \ielocidad del aire en el sitio y considerando una temperatura de la piel de 3 3 ’ ~ y cfatos del vestido.

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Estos cálculos se aplican para diversas días de diseño teniendo en cuenta que los edificios se construyen en un medio ambiente catnbiante a lo largo del afio y tarnbien durante las 24 horas de cada día. De tal forma que al cambiar en el tiempo una de los parametros del clima que es la temperatura y exponerse a la radiacidn solar (que tanhitin varia en intensidad a lo larga del ano y del día) el edificio, se establecen en 61 flujos de energía en forma de calor clue acoplados a las fuentes y sumideros de calor internos, condicionan el microclitna 'que se obtiene en su interior. El cálculo de los incrementos por conveccic'm, radiacibn, y evaporative se hacen en un programa de computo.

C.2.3 BALANCE DE CALOR

El balance termico del cuerpo humano se establece por medio de la siguiente expresi6n:

( M - W ) k ( R + C O N V + C O N D ) - E = S

( M - W ) = produccibn de calor metabOlico, ( M ) producci6n de energía metabdica y (W) trabajo mecánico,

( R + CONV + COND ) = calor disipado o ganado debido a diferentes mecanismos de transferencia de calor, ( R ) radiación, ( CONV ) convección y ( COND ) conducción.

( E ) = Calor perdido por evaporaci6n debido a la transpiracicin y a l a respiraci6n.

( S ) = almacenamiento de calor en el cuerpo humano.

La falta de comodidad l a podemos asociar con la desviacibn del sistema protector primario termoregulador, y cuando en la ecuación de balance termico anterior E = O y S =

O, y el calor disipado es igual a la producción de calor.

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( M . W)=(R+CONV+COND)

Si la igualdad anterior se logra a traves de medios que conforman el clima, podemos definir la expresion anterior como la comodidad termica fisiolbgica,

D . TRANSFERENCU DE CALOR EN EDIFICACIONES.

Para poder establecer las recomendaciones de adecuacicin bioclimatica es necesario conocer los efectos del clima en los edificios.

Entre el edificio y su entorno existe un intercambio continuo de calor, que está en función de la tetnperatura arnbiente de los materiales de construcción, de las dimensiones de lon techos, tnuros y ventanas, de la orientacidn del edificio, etc. (fig. 45).

Fig. 45 Construcción y su entorno.

Para poder evaluar el intercarnbio de calor se requiere de un conocimiento básico de los mecanismos de transferencia de la energía calorífica. En primer lugar para que exista flujo de calor, debe existir una diferencia de tetnperaturas. El calor fluye de las regiones de altas temperaturas a las de bajas temperaturas, atravesando las zonas que presentan la menor resistencia al flujo, por lo que se puede anticipar que una solución a las ganancias C perdidas de calor no desead.as en l a de presentar mayor resistencia al flujo de calor.

Al disefiar una edificación en una localidad, se deben considerar que, si la temperatura maxima extrema es mayor que la temperatura de confort, implica posibles ganancias de calor del medio ambiente hacia el edificio; por el contrario si la temperatura ultima extrema es menor que la temperatura de confort es de suponerse que la edification perdería calor hacia el exterior.

A continuación se definen los tres mecanismos de transferencia de calor (conducci6n, conveccicin y radiación). El análisis de la acción simultánea de los tres mecanismos permite el desarrollo de un mktodo de calculo para evaluar el balance ttirmico

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en un elemento constructivo orientado, auxiliar en la seleccidn de la mejor orientacidn,

El balance tkrmkco se evaltía para un elemento constructivo típico de la construcci6n: muro de ladrillo rojo de 15 cm. de espesor. con una conductividad K= 0.66 W/m"C y una emisividad E. = 93%.

D. 1 CONDUCCION.

La transferencia de calor por conduccion se realiza principalmente mediante "electrones libres". La capacidad de los materiales para conducir el calor varia proporciorlalrrlente con la concentracicin de electrones libres de aquí que los metales sean buenos conductores de calor.

D. 2 CONVECCION.

La transferencia (le calor debido a la convection se relaciona con el cambio de energía que ocurre entre una superficie y el fluido adyacente -(en este caso el aire). Existen dos tipos de conlwcicjn : la conveccicin libre y la forzada.

La conveccidn libre o natural es en la que el aire cercano al muro o \mtana etc. (capa limite de poco espesor, pegada a l a superficie del elemento constructi\v). Se calienta si la temperatura del atnbiente es menos que l a de la superficie y tiende a subir pues su densidad es menor, o se enfría cuando la temperatura del ambiente en mayor que la de la superficie y desciende pues su densidad es mayor.

La convecciOn forzada es la que se produce haciendo pasar el aire por la superficie s6lida gracias a u n medio material como por ejemplo: Un ventilador o una bomba.

D. 3 RADIACION

La transferencia (le calor por radiación no requiere de un medio material, cotno en el caso de la conduccidn y de la conI.ecci6n (consiste en la propagación de ondas electromagnkticas).

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I). 4 BALANCE TERMICO (ACCION SIMULTANEA DE LOS MECANISMOS DE TRANSFERENCIA)

La accidn simultánea de los mecanismos de transferencia de calor se valora por medio de u n balance termico (evaluaci6n del intercambio de energía calorifica útil) que consiste en cuantificar para cada orientacidn las GANANCIAS: radiacidn solar útil, PERDIDAS : flujo de calor a través del elemento constructivo, y acurnulaci6n (efecto de retardo termico), para obtener un flujo total de calor (fig. 46 y 47).

/ ' 2 2 ~ I ; C ) R Y A t 4 t C t 4 1 ~ yEhb\ico Dc ~ ~ l f ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

Balance Thrmico por Fachada cAL!cnz M)

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CAPITULO TIT

ESTRATEGIAS EN EL DISEÑO TERMICO RACIONAL DE LA KABITACION

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CAPITULO 111. ESTRATEGLAS EN EL DISEÑO TÉRMICO MCIONAL DE LA HABITACIóN

Un edificio con un buen diseño termico, implica gradientes de temperatura pequeños entre las diferentes zonas del edificio, a u n entre el edificio y el medio ambiente. Entonces, los ocupantes de los edificios no se expondrán a cambios bruscos de temperatura que pudieron afectar la salud (tanto problemas musculares como broncorrespiratorios).

Las normas que se seleccionaron para emplearse en la climatizacion de edificios, son las pertenecientes a l a American Society of Heating, Refrigerating and Air - Conditioning Engineers, que son las bases para la normatividad por parte de la oficina N:B:S en los EE.UU. Esto es debido a la escasez de normas nacionales, y ha hecho que, en el medio de los profesionales en Mexico dedicados al acondicionamieuto de aire, se tornen algunas de las normas nlencionactas a traves de los manuales de aire acondicionado de compañías norteamericanas

A. METODOLOCIA.

La metodología que se emplea en el diseño termico de edificios debe partir de un cuidadoso análisis del clima del sitio, así como de los requisitos impuestos por el tipo de uso y del lugar donde se ubicará el mismo.

En la figura 48 se muestra un esquema que se sugiere; debe seguirse durante el disefio termico de edificios.

FIG. 48, METODOLOGIA DE DISEÑO TERMICO DE EDIFICIOS

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R. ANALISLS DEL CLLMA

Los parametros de clima en el lugar relevantes para tornar en cuenta el confort de las personas animales o plantas que ocuparán el edificio, son: temperatura, humedad, velocidad y direccidn del viento, así como la radiaciim solar.

Como primer paso, se recomienda construir un archivo de temperaturas horarias que correspondan a la temperatura de bulbo seco a la sombra del lugar. El archivo se organiza en 365 renglones que corresponden a la fecha y veinticuatro columnas en las que cada valor es la temperatura prornedio de cada hora, partiendo de la 1:OO y hasta las 24:OO hrs. Los 8760 valores de temperatura horaria, se procesan para indicar gráficatnente el confort termico. En la nueva tabla de te~rqxraturas se recomienda marcar con signos menos (- -) donde se tenga una condicicin de temperatura menor a la minima de comodidad termica, y un signo inas (++) donde se tenga una temperatura mayor a la máxima de comodidad, y dejar el espacio en blanco para indicar las temperaturas dentro de las condiciones de confort para el cuerpo humano, segun la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditiorling Engineers, y que corresponden al rango comprendido entre 22 y 28 C; Si los ocupantes son otros seres Yivos (animales o plantas), habrá que tomar en cuenta las condiciones en las cuales estos pueden desarrollar las funciones nretabblicas de la mejor manera (condiciones do confort), 6 seguir algún otro c6digo que permita al analista distinguir la situaci6n del clima de manera horaria.

En la matriz obtenida de 24 columnas por 365 renglones, se recomienda trazar dos líneas, las cuales deben unir las temperaturas a la misma hora cada día. Cada linea representará la hora de inicio cle ocupacibn del edificio, así como la llora de abandono de este. Esto es importante sobre todo en edificios de oficinas. Estas líneas delimitaran el área sobre la cual debernos fijar nuestra atenciim en la matriz de temperaturas. Es importante tornar como criterio de diseño el preocuparse por obtener las condiciones de temperatura de confort en el horario de ocupaciOn del edificio.

Con la infortnacibn de temperatura ordenada es posible tener una primer idea de los problemas de confort a que se sujetari el ocupante ya que la temperatura del ambiente es el principal parametro que modula la descarga de calor del cuerpo humano ciesde l a piel.

Sin embargo, l a cantidad de radiaciOn que incida sobre la piel, la velocidad del aire y con esto la cantidad de hurnedad que el aire evapora de la piel, alteran el proceso de descarga de calor.

La radiaciOn que incide sobre la piel hace que el cuerpo tenga que descargar el calor que produce, más el que ha captado. Esto provoca la sensaciim de bochorno y lo sentimos conlo un incremento aparente de temperatura del aire.

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Una nzayor velocidad del aire que choca contra la piel provoca que el intercambio de calor se incremente. Si la temperatura del aire es menor que la temperatura de la piel sentiremos mayor enfriamiento. Si el aire tiene una temperatura mayor sentiremos calentamiento. La sensacidn puecle ser de un incremento o decremento aparente de la temperatura ambiente.

Aunacto a lo anterior, la piel tiene humedacf que puede ser arrastrada por el aire al pasar junto a esta. La humedad se incorpora en forma de vapor al aire, lo que prcnma que las partículas de agua tomen calor de la piel, causando el enfriamiento evaporativo. Además, el cuerpo cuando siente que necesita descargar mas rápido el calor, presenta mas sudoracidn que facilita este mecanismo de enfriamiento. La sensación es de un decremento en la temperatura del aire ambiente.

Con la matriz de temperaturas alterada por la informacidn de la radiación solar, humedad del aire y viento, es posible construir una nueva gráfica o juego de gráficas r-nostrando cada uno de los efectos anteriores: se recomienda usar la cfefinicitin de temperatura equivalente del aire, de ASHRAE para este propchito.

La observaci<in de esta gráfica permitirá definir si el ocupante del edificio estara sujeto a un problema, determinado de confort termico y hacer de esta manera una calificacibn del clima por épocas del año.

C. ESTRATEGIAS DE DISEÑO TÉRMICO

Con esta informaci<in, y la information sobre la edificacihn, es posible establecer la estrategia ( pautas ) de diseño termico: Esta consiste en seleccionar cualirativamente, los dispositivos o componentes, así como su forma, materiales y disposicibn en el edificio y emplear del clima lo que convenga para tomar ventaja de el, o en el peor de los casos, no tomar lo que no necesitamos. Por ejemplo, si el clima presenta una epoca calida, no necesitarnos el calentamiento del sol y habra que diseñar una envolvente que la escude. Si el clima es frío, con vientos fuertes durante la epoca de tnenor temperatura, habra que cuidarse de la infiltracidn del exterior, hacia el interior de la habitación.

Esta etapa del diseño la que es cualitati\.a, se muestra gráficamente en la figura 49; y permite fijar las pautas a seguir en el disetia termico.

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i

FIG. 49 OBTENCION DE LA ESTRATEGIA DE DISEfiO TERMICO.

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D . EVALUACION DE LA PROPUESTA DE EDIFICIO.

Una ~'ez establecida la estrategia de diseño, se plantea una envolvente para el edificio. La cual es posible simular en un algoritmo en computadora, para predecir el funcionamiento que tendra en condiciones reales, y de esta manera, optitnizar el edificio en el proyecto.

En la figura SO se detallan las pasos de esta etapa. La figura 49, muestra los detalles a seguir para la obtencibn de la estrategia de diseño térmico, la cual da la guía o la pauta que el disefiador debe tomar en cuenta cuando plantea la primer propuesta de edificio. Esto asegura que el edificio ha sido cuidado de una manera cualitativa, para que tome ventaja del clima. En la figura SO, se plantean los pasos a seguir para optimizar el edificio.

Para la simulacihn en computadora del edificio es conveniente seleccionar días de diserio. Estos son días representativas del clima que se presenta en el lugar a lo largo del año. De esta manera, la simulaci6n se reducirá de 365 a unos cuantos días y la informaci6n de la operacibn termica del edificio sera completa,

Con l o s resultados de la simulación es posible tomar decisiones sobre el edificio antes de la construccibn y optimizar en el diseño el mismo.

FIG. 50 SIMULACIóN DE LA OPERACION TÉRMICA DEL EDIFIClO

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CAPITULO IV

CRITERIOS DE DISEÑO ARQUITECTONICO BIOCLIMATIC0

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CAPITULO IV. CRITERIOS DE DISEÑO ARQUITECTONICO BIOCLIMATIC0

La funcion de todo edificio es separar el espacio interior del exterior con el fin de crear condiciones de confort fa\wrables al usuario. Cuando las condiciones exteriores itnpiden el confort de los espacios interiores, se recurre a sistemas pasivos y/o activos de adecuaciOn ambiental.

Los sistemas activos son accionados mecánicamente por el consumo de recursos energtitiax co111o combustible y electricidad.

Los sistemas pasi\m de adecuacion ambiental son aquellos que no requieren la intervenciOn de aparatos electromecánicos, proponen la obtenciOn del máximo provecho de las ventajas climaticas de asoleamiento, viento, humedad y temperatura; siendo aplicables en ambientes cuyos climas se aproximan al bienestar termico. Estos sistemas se basan en los conceptos de captacibn, acumulaciOn y distribucion de calor o frío aplicados por medio de una serie de tecnicas de diseño arquitectonico bioclirnatico que permiten que el edificio se integre al ambiente de tal forma y se propicie un acondicionarniellto natural, que sustituya o disminuya la demanda de calefaccihn y refrigeration por medios técnicos (fig. 5 1).

Fig. 51 74

Para aplicar las tecnicas del c1isei-m bioclimatico es necesario en primer lugar evaluar las condiciones climaticas del sitio, para así generar los requerimientos de adecuación ambiental en la búsqueda de mejores condiciones de confort. Estos requerimientos deben considerar las variaciones climaticas entre la epoca mas caliente y la mas fria del aiio (fig. 52).

Fig. 52 Ejemplo de tecnicas de diseño bioclimatico en la Cdad. Jardín Puerta de los Pirineos, Espalia.

A. EDIFICIOS Y SU DISPOSICION

Los edificios, como volúmenes y masas, son cuerpos que por si mismos modifican el mesoclima de (hersas formas:

Son cuerpos colectores de energía solar.

- Proporcionan sombra a espacios abiertos 7 7 otros edificios.

+ Canalizan el viento para propiciar circulation y movimientos del aire, formando barreras y corredores.

LJn conjunto de edificios dispersos propicia el movimiento del aire y evita el sombreado de m o s edificios a otros.

Al agruparse de manera compacta, el viento no circula libremente por entre los edificios y estos sombrean unos a otros, se genera la consenmi6n de energía, es decir, se consen'an las condiciones ambientales creadas por el conjunto.

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Al situarse las construcciones mas bajas adelante de las mas altas se permite el libre acceso de energía solar, o a l a inversa (fig. 53).

Fig. 53. Integración del edificio en el clima.

B. ORIENTACXON Y FORMA.

La incidencia de radiación solar en superficies verticales orientadas (carctioide solar) y los efectos de los vientos (Rosa de los Vientos), determinaran la mejor orientacihn y forma de un edificio.

En general se considera l a orientación y forma cjptimas cuando la combinación de estos elementos brinda la menor ganancia de energía en verano y la mayor en invierno. (en latitudes del hemisferio norte)

C. LOCALIZACZON DE ESPACIOS INTERNOS.

Para localizar adecuadamente las espacios internos es necesario considerar sus requerimientos de confort y sus períodos de uso en relacidn a la orientacicin y forma del edificio, y los efectos que causan sobre el l a radiacicin solar y los vientos.

Deberá tarnbien considerarse l a localización de los espacios que generen energía, de tal forma que de acuerdo a l tipo de clima contribuyan o no afecten al acondicionamientt> natural del edificio.

76

D. SISTEMAS PASIVOS DE CALEFACCION.

Para tipos de clima templados o extremosos existen diL-ersas tecnicas utilizables para la ganancia de calor por medio de sistemas pasivos. Entre ellas encontramos la de ganancia directa, ganancia aislada y calefacci0n diferida (fig. 54 y fig. 58).

Fig. 54

- GANANCIA DIRECTA.

La ganancia solar directa implica la utilizacidn de grandes superficies acristaladas; un sistema de captaci6n y almacenamiento de calor solar en el edificio. Primero se capta la radiaci6n del sol y se acumula en algún elemento construido con materiales de gran inercia termica (capacidad para almacenar calor) a de tal forma que el espacio interior es calentado y colecta a la vez energía del sol (fig. 55).

Fig. 55 GANANCIA DIRECTA. La m n v e e c i h natural del aire entre el invernadero y e1 interior caldea la casa.

Por la noche el muro intermedio lihera el calor acumulado durante el día.

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* CALEFACCION DIFERIDA.

Fig. 5b CONSTRIJCCIONES CON MATERIALES DE GRAN MASA TÉRMICA

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- GANANCIA AISLAPA.

Consiste en l a creacii>n de un espacio separado para captacicin y otro de acumulacicin de calor que permite el empleo o aislamiento de la ganancia de calor. De hecho el colector y el acumulador oyeran independientemente del edificio (fig. 57). 'CJn atrio y un pdrtico acristalados o un in.rwnactero son ejemplos de una caja solar en potencia.

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E. SISTEMAS PASIVOS DE REFRIGERACION.

Los sistemas pasi\us de refrigeracihn incluyen la \wxilacibn natural e inducida, el enfriamiento por evaporaci6n y l a refrigeration diferida.

- VENTILACION

La ventilacihn es el aprovechamiento de los vientos naturales y/o los movimientos de aire producidos por la diferencia de temperaturas para enfriar los espacios interiores (fig. 59).

FIG. 59 EDIFICIO SIN VENTILACION Y EDIFICIO CON POCA VENTILACION

- VENTILACION CRUZADA.

Fig. 60 VENTILACION CRUZADA.

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+ EFECTO DE TIRO.

Cuando la temperatura interior en mas alta que la exterior, se product. ventilacidn directa y natural, esto se debe a que el aire caliente sube dejando el aire frío abajo provocando l a ventilaci6n a l abrir las aberturas de entrada y salida. Mientras más grande sea la diferencia de temperaturas y la altura entre la entrada y la salida, y mas grande la dimensi6n de las aberturas, mayor sera el efecto de tiro (Fig. 61).

FIG. 61 Cuando exista pérdida de energía se recomienda cerrar las aberturas.

* VENTILACION INDUCIDA.

En lugares con escasa actividad eólica es posible recurrir a extractores estáticos y cebollas que se colocan en el techo para que al captar las corrientes bajas de aire se provoque un tiraje del aire del interior. En regiones con temperaturas altas el aire debe entrar a los edificios a traves de espacios somlxeados sin que tenga que pasar por superficies calientes, aquí la vegetaci6n influye de manera importante (fig. 62).

FIG. 62 DIRECCION DEL VIENTO EN VENTILACION INDI-JCIDA Y CEBOLLA

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- TORRES DE VIENTO.

En climas secos se capta mejor l a brisa cuando más altura se tenga del suelo, ya que en estos tipos de climas hay mucho polvo y no se puede contar con grandes aberturas a nivel de las fachadas, además de que el aire del suelo esta caliente. Se llaman torres de viento a los captadores elevados.

Debido a que 1x0 reciben radiacicin solar directa y su gran espesor las superficies del muro interior estarán a menor temperatura. El aire que entra se enfría por conduccidn, puede aumentar su hurnedad relativa si se le hace pasar por agua y posteriormente se distribuye (fig. 63).

Fig. 63 Las alturas de los espacios interiores. dependen del tipo de clima. En climas

calurosos se recomiendan dobles alturas para crear colchones de aire, por l o contrarío, en climas templados se recomiendan alturas menores para tener que calentar menos volúmenes de aire.

- REFRIGERACION POR EVAPORACIOK.

El enfriamiento por et-aporacicin es adecuado para aquellos climas con niveles bajos de humedad. Esencialmente consiste en la introducciiin de láminas de agua, corno estanques y fuentes y el uso de vegetacihn. Estos elementos originan u n proceso de evaporacihn que tiende a disminuir la temperatura ambiente. Aquí el aumento de l a hurrleciad por medio de l a producciOn de vapor de agua ayuda a incrementar el confort termico (fig. 64).

Fig. 64 Refrigeracibn por evaporaci6n. 83

- REFRIGERACION DIFERIDA.

En las localidades con una diferencia notable entre l a temperatura diurna y la nocturna debe aprovecharse la masa (inercia térmica) de la propia construcción, para asegurar el enfriamiento (fig. 65).

Esta refrigeración se logra a través del uso de materiales de gran espesor y densidad que conservan el grado de frescura de la noche lo mas posible hasta otro día.

FIG. 65 SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAVIENTO

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- EFECTO VENTURI

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8

EFECTO VENTURI

F. EDIFICACION.

F. 1 CUBIERTAS.

Dependiendo de l a orientaci6n, inclinacibn, dimensiones y materiales de la cubierta, este es uno de los elementos que m a s calor capta y transmite hacia el interior de los edificios. Por lo tanto, para disminuir o aprovechar esta cualidad, es necesario manejar adecuadamente l a orientation e inclinacicin de los techos.

La inclinaci6n de las cubiertas depende de nuestro requerimiento de pt;rdida o ganancia de energía en sitios donde se requiera de captar calor para elevar temperaturas en el interior de los edificios, estas deberán estar orientados e inclinadas hacia el sur para colectar la cantidad de energía calorífica necesaria (fig. 67).

En climas cálidos debe evitarse inclinar los techos perpendicularrnetlte a los rayos solares y considerar que los techos planos reflejan la radiaciitn.

En climas Ilúnledos se recomiendan los techos inclinados para que la lluvia caiga rapidamente.

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En climas de alta radiacibn solar puede ser recomendable aislar la cubierta del resto de la construccibn por medio de bolsas de aire.

La utilizacidn de aislamientos tkrmicos adicionales es practicable para comewar las condiciones de confort logradas en el interior de los edificios.

FIG. 67 CUBIERTAS

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F.2 MUROS.

Los muros de los edificios son los que exponen mayor superficie a la intemperie. La conductividad y espesor de l o s materiales con que estan construidos son la base de su comportamiento termico (fig. 68).

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F. 3 VENTANAS.

Los elementos que m 2 s probahilidades tienen de ganar o perder energía desde el punto de vista bioclimatico son las ventanas.

En las situaciones donde tengan que promoverse ganancias de calor, las areas de ventanas deben ser mayores hacia las orientaciones con mas captaciim solar.

No obstante habrá que considerar la protección de estos vanos en +ocas donde no sea necesaria esta captación de calor.

Cuando sea necesario evitar el incremento de calor, puede recurrirse al dimensionamiento reducido de las ventanas que esten sobre las fachadas que ganan mas calor. También es posible recurrir a revestirnientos, dobles vidrios, instalación de aleros, partesoles \verticales y horizontales (fijos o ajustables), toldos, persianas, filtros y proteccion contra insectos (fig. 70).

Estos dispositivos pueden emplearse interior c) exteriormente.

La proteccibn interior tiene la desventaja de que permite el paso de los rayos solares a traves del vidrio causando un efecto de invernadero.

En cambio l a proteccidn desde el exterior es mucho más efectiva, puesto que se esta interceptando la radiation directa antes de que esta alcance el vidrio. Cualquier tipo de protección ha de ser de materiales de baja inercia térmica y h a n de diseñarse de tal forma que impidan no s o l a la refexibn, s i n o tambikn que el aire caliente c p x k atrapado (fig.7 1 ).

FIG. 70 En latitudes norteñas, un invernadero adosado a la fachada sur actila "

caletacci6n natural. En cambio, en el sur, se prestan mejor las nuevas clarahoyas de cristal termico, que dejan pasar la luz pero no e1 calor.

89

iar?:

FIG. 7 1 PROTECCIONES SOLARES

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La ventana del espacio arquitectbnico tiene clue cumplir varias funciones a veces contradictorias por ejemplo:

Permitir el paso de aire libremente y orientar las corrientes dentro cte la conzodidad a los espacios habitados2

Elpitar cuando sea necesario la entrada de radiaci6n solar directa y difusa.

Pro\.eer la sensación de intimidad familiar.

Proporcionar los niveles de iluminacidn natural adecuada para cada espacio arquitect~nico conforme a la actividad que se realice.

Porporcionar las adecuadas \isuales.

Dar garantía de seguridad al interior.

La proporciOn de energía directamente transmitida a traves del material transparente, depende del angulo de incidencia y de la intensidad de la radiacibn, decrece para angulos mayores de 45". Sobre 60" el porcentaje de radiaci6n reflejada hacia el exterior aumenta. A s í las ventanas con una situacidn directa hacia el Sol producen una excesiva ganancia de calor al interior del espacio, una estrategia usada por los usuarios es instalar cortinas, sin enhargo cuando estas se calientan serlin radiadores hacia el interior del calor que han absorbido. LC) mismo sucede con los vidrios reductores de la transmisidn de la radiation, las mol6culas internas transfortnarAn las radiaciones en vibraciones las que conocemos comúnmente c o ~ m calor, este a su vez sera radiado según la ley de Stefan - Boltzmann.

Por su disposiciOn espacial las protecciones solares podernos clasificarlas en: \-erticales, horizontales y mixtas. Las protecciones verticales son usadas cuando la disposicibn del Sol incide de manera directa y por un tiempo prolongado en el interior del espacio analizado, utilizadas cuando resultan limitadas las protecciones horizontales para impedir la entrada de ractiacidn solar, debido a las dimensiones exageradas requeridas para cumplir su funci¿)n. La proteccibn llorizontal es lograda generalmente con los elernentos co~~s t ruc t iv~s que conoceInos como marquesinas o volados, que generallnente debido a limitaciones tecnicas no sohrepasan los dos metros con respecto al parametro donde estan apoyados. Los mixtos son aquellos que contienen en forma fusionada los elementos horizontales y verticales en un solo cuerpo. Tambi6n se pueden clasificar a las protecciones solares como fijas y md\:iles; por su característica de mo\.imiento. Como exteriores o interiores, por su disposicitin con respecto a l espacio arquitectonico.

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F.4 MATERIALES.

La cantidad de energía que entra, se consen-a y sale del edificio, depende en gran lnedida del tipo de materiales que forman los muros y la cubierta. Si se eligen las cualiciades adecuadas cte los materiales es factible lograr y mantener unas tenlperaturas interiores agradables.

Las características de los materiales deben e\.aluarse en base a:

PODER DE ABSORCION / EMISIVIDAD.

La radiaci6n clue incide sobre cualquier superficie opaca puede ser absorbida o reflejada. El color de la superficie tnodifica el poder de absorcicin de radiaciOn solar de tal forma que cuando mhs claro es, se aumenta la reflectividad y disminuye la capacidad de absorciOn. Cuanto mas obscuro es el color de la superficie, mas subirá su temperatura por absorcihtl de l a energía solar. Sin embargo el color no determina el comportamiento del material con respecto a su emisiviciad. Por ejemplo, si se seleccionan materiales que reflejen la radiacibn en mayor proporciOn que la absorban, y que desprendan fácilmente las cantidades absorbidas, habrá menores temperaturas (flujo de calor).

En relacibn a la porosidad, conforme los materiales aumenran su contenido de hunmiad, mayor es su poder de rransmisi<in de energía hacia el interior o exterior del edificio (fig. 72).

La capacidad para altnacenar calor o inercia termica es otra de las características. importantes de los materiales. Mientras mayor es esta capacidad, más lentos son los cambios de temperatura que se propagan a tra\rés del material. Los que son Inas densos y pesados son los que mayor inercia termica contienen.

La arcilla y la tierra son materiales de gran inercia termica, absorben l a radiation solar durante las horas de el día, irradiAndolo lentamente durante la noche. En estos materiales las temperaturas exteriores se amortiguan y las interiores se estabilizan. En otras palabras la masa de los materiales se adapta para satisfacer los extremos climaticos.

Fig. 72. MATERIALES DE COSTRUCCION

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F. 5 AISLAMIENTOS.

Los aislamientos ttirmicos son los elementos que aumentan la resistetvia al flujo de calor de los materiales que contienen u n edificio (fig. 73).

Los aislamientos pueden aumentar hasta en seis \reces el valor aislante de los materiales en muros y cubiertas acentuando las ptirdidas a ganancias de calor. Con muros y cubiertas aisladas termicamente las edificaciones solo ganan calor a traves de las yentanas.

La propiedad aislante de un nlatrrial se debe a la cantidad de espacios de aire entre las partes sdlidas que l a conforman.

En general, entre más espacios de aire existan y más baja sea la conductividad de l o sSlido entre los espacios, sera mayor l a propiedad aislante del material en cuestion.

Al propiciar ganancias de calor la consemaci6n de este dependera en gran medida de las propiedades aislantes de los materiales que conformen los espacios calentados.

Cuancto haya que protegerse de l a radiacicin solar, l o s aislantes a l exterior incrementan l a resistencia tt;rmica de la edificacicin.

93

Es con\w1iente considcrar propiedades adicionales lm-ikficas corno la incombustibilidad o el no ser inflamables, su buena resistencia tti.rmica, que no se dilaten excesivamente al calor, resistencia a la humedad y o?tidaci~n, y flexi'nilidad o rigidez acorde con la estructura sustentante.

E1 aislante exterior funciona en sitios c m cambios bruscos de temperatura entre las +ocas de calor y frío y entre el &a y ia noche, ya que se protege de l a entrada excesil-a de calor y se conserva el necesario cuando baja la temperatma exterior.

F.O 14CABBLOOS.

Desde e! punto de vista del diseño biociimatico, los acabados que tienen mayor injerencia en la adecuacion de los edificios a su clima son Ion exteriores, ya que s o n tos que estin expuestos a ía radiaciiin solar. El color, tono y textura de la superficie exterior afectan et diferencial r k temperatura y el flujo de calor 8 través de muros y techos principalmente (fjg.74).

La capacidad cle absorcitn de u n elemento esta clada por su fiactor de absorcitn. Por ejemplo, una superficie pintada cle negro, clue absorhe el 100 ?6 de la radiacicin, s u factor tiene el vahr de 1, E.1 color tierra tiene un v d o r de 0.5, es decir, absorbe el 50 oh de la radiaciOn. Mientras mayor sea el factor de absorcidn, mayor sera la temperatura y por ende la ganancia de calor.

Cuando este factor es alto, se capta mayor energia, !o que resulta benkfico en epoca fria en climas donde las temperaturas bajan saliendose de las codiciones de confort. Sil? embargo, esto resulta desfavorable en kt poca de calor. Lo contrario sucede si el factor es bajo. Estas diferencias pueden resolverse aplicando los colores relacid11 a la orientacibn de nr11r~)s y techos c m los principios antes descritos. Otra de las características para l a election de acabacios en su capacidad reflectim, que se traduce en un factor de reflexibn, Este factor es cc!nrpletrlentario al d e absorcii)n, sienclo la sunla de arribos igual a uno. De Itr

siguiente se concluye que las superficies pobres en absorcitn contengan m gran poder reflectivo.

Cuando se cuenta con superficies rugosas, de hecho se esta ampliando el area de exposicihn a la radiacibn solar. Pero por otro lado la luz es reflejada en forma difusa, minimizando les efectos negativos que pueda ocasionar

G. ESPACIOS EXTERIORES

Los espacios exteriores tienen una gran injerencia en las condiciones clitnAticas que prevalecen alrededor de los edificios de un conjunto. Existe una relacidn muy estrecha entre los espacios y los edificios. Por ejetnplo los edificios sombrean a los espacios adyacentes a ellos pero también puede ocurrir que estos espacios contengan vegetacidn yue sombree a los edificios.

Existen diversos ele~nentos COIZW el agua, la svgetacidn y los pa\,imentw que influyen considerablemente en la determinaci6n de las condiciones climaticas de confort. Estos elementos que han de situarse en los espacios exteriores, fijan en gran proporcicin el ambiente que prevalecerá tanto alrededor de los edificios coma en el interior de ellos(fig.75).

FIG. 75 ESPACIOS EXTERIORES

G . 1 AGUA.

El agua en 10s espacios ahiertos hurniciifica el aire, refresca el ambiente y las corrientes de aire que fluyen en torno de ella. Su use es recomendable en ambientes secos y calidos particularmente. Existen diversas formas para aprovechar las cualidades del agua como liurnidificador del ambiente. Ljna de ellas es rociándola por medio de sistemas de aspersicin, accicjn que en climas calidos debe efectuarse de preferencia en horas tempranas o cuando el sol se haya ocultado. Este rocío puede hacerse sobre patios o zonas jardinadas.

Otra forma es disponiendola en fuentes y estanques al past de corrientes calidas que se dirigen a los edificios.

96

FIG. 76 PROXIMIDAD DE MASAS DE AGUA

En clitnas cálidos el agua de estanques espccialmentc debe sotnbrcarse para e\:itar una elYaporaci6n excesii-a f: manrener su efecto refrigeranre (fig. 76).

G.? VEGETACION

97

tlcendlclonade del sol de la manana 1 9 jrboles pmtegen el ai%

FIG. 7? DIVERSOS TIPOS DE EARRERAS.

CAPITULO V

PROTECCIQN SOLAR

PROTECCION SOLAR

Con los datos de radiaci<in solar, resulta mas sencillo determinar tebricarnente temperaturas interiores por algunos modelos de transferencia de calor, sin necesitiad de medirlas+

B. ‘4NALISIS DE LOS ELEMENTOS DEL CLIMA

En los resultados de las in\-estigaciones anteriores podemos notar grandes diferencias en el rango de confort muchas debidas a l a localizaci6n geográfica.

a) Calcular la posici6n del centro de l a zona de confort (Tcc)

D. DETERMINACION DE LOS ASPECTOS ASTRONOMICOS

y

cos Az = ( sen (Dc) sen (L) sen ( M ) )/' cos (L) cos (AL)

2. Ya localizadas las tcmperaturas quc exceden del limite superior de la zona cic confort, se determinan !as horas en que estas se presentan.

1 o7

-..

FIG 80

ANEXOS

MATERIA1

0,015 0'05 z 0.700

0.650 0.040 0.854

21.589 0.040 0.027

112

FIG 82.

FIG. 83

FOTOS DE LA VIVIENDA PAST - BALLARA

CT IRIERTA DE TECHO Y PERSLANAS

Para ganar una arquitectura que proporcione mejor calidad de vida al hombre, es pertinente la incorporaciin en la sociedad de mo\.imientos que propicien la aplicacion de m a normativa de mnstmccii)n, orientada hacia el acondicinamiento ambiental de las edificaciones en lo termico, iuminico, acústico, visual, f'mcional y sanitario.

117

RESULTADOS Y CONCLUSIONES

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RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Este documento presenta una visión general de la Arquitectura bioclimatica y las disciplinas que lo componen, siendo suceptible de emplearse como un manual básico, por aquellos que se interesen en el diseño arquitectónico bioclimatico y en la planificacicin urbana.

Tenemos que tener bien presente l a definición del disetio arquitectónico bioclimatico y de los elementos que lo conforman, tales como el análisis del clima, l a definición del bienestar humano y el concepto de transferencia de calor en edificaciones.

Debido a que cada localidad presenta condiciones de mesoclima específicas, no se pueden aplicar de tnanera idéntica las recomendaciones de diseño bioclimatico a dos localidades aunque pertenezcan al mismo clima.

Los tres paratnetros básicos del metodo para diserio arquitectónico bioclirnatico son: Tipo de uso que se dara a la construcción, requerimientos y recursos que presenta el clima local y sus condiciones físicas,

Una vez integrado esto, se analiza y se procede a presentar las recotnendaciones para el diseño arquitectónico mas apropiado a l medio físico y al tipo de clima local.

121

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