eficiencia energertica en edificios

8/6/2019 Eficiencia Energertica en Edificios

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GUA DE BUENAS PRCTICAS DEEFICIENCIA ENERGTICA EN

EDIFICACIN


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AUTOR:

Jos Marco Montoro

DIRECTOR GERENTE-AGECAM

EQUIPO DE COORDINACIN Y SUPERVISIN:

FEDERACIN DE MUNICIPIOS Y PROVINCIAS DE CASTILLA-LA MANCHA:

Eugenio Snchez Garca

SECRETARIO GENERAL

Francisco Ortiz Fernndez

COORDINADOR GENERAL

M Eugenia Rodrguez Madrid

COORDINADORA TCNICA DE LA RED DE CIUDADES Y PUEBLOS SOSTENIBLES-CLM

COLEGIO DE ARQUITECTOS DE CASTILLA-LA MANCHA:

Miguel ngel Embid GarcaPRESIDENTE DE LA DEMARCACIN DE GUADALAJARA

Gonzalo Bauluz del Ro

ARQUITECTO

COLEGIO DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS-DEMARCACIN DE CLM:

Jaime Valero Marn

SECRETARIO DE LA DEMARCACIN DE CASTILLA-LA MANCHA

Jess Pintado Manzaneque

INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS.PROFESOR. DE LA E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS -UCLM

Diseo y maquetacin: Creaciones Virtuales, s.l.

Impresin y encuadernacin: Lozano Comunicacin Grfica, s.l.

Deposito Legal : CR-564-2004


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PRESENTACIN

Los pueblos y ciudades son el espacio comn que los seres humanos hemos creado para el

desempeo de nuestras actividades, ya sean laborales, de relacin o de ocio. Su planificacin

conlleva la atencin a mltiples factores que determinan nuestra vida y debe abordar, no slo todaslas necesidades que los ciudadanos demandan, sino tambin los efectos que su crecimiento puedeconllevar en el entorno donde se encuentran.

Por eso, en una sociedad moderna como la nuestra, en la que la vida diaria se manifiesta como

un conjunto de idas y venidas, en una bsqueda continua de la satisfaccin, el progreso urbanodebe ser algo ms que el crecimiento de la poblacin, infraestructuras de comunicacin, servicios,

dotaciones y equipamientos. El progreso urbano es la creacin de espacios comunes habitables,saludables y sostenibles donde desarrollar la vida humana y las mltiples interrelaciones en las quese basa.

Estos son, en resumen, los planteamientos de la Carta de Aalborg, en la que las ciudades

europeas se comprometen a desarrollar procesos hacia la sostenibilidad local mediante la puesta en

marcha de herramientas bsicas y estrategias que favorezcan la consecucin de ciudades y pueblosintegrados socialmente, ms eficientes desde el punto de vista ambiental, con planeamientos

estratgicos que permitan el crecimiento econmico, a la vez que mejoran la calidad de vida,

permitiendo a todos el acceso a los servicios y equipamientos bsicos sin olvidar la conservacindel patrimonio cultural, natural y la diversidad de paisajes, como medio para proporcionar un

equilibrio territorial.

En Castilla-La Mancha hemos iniciado este camino con la creacin de la Red de Pueblos

y Ciudades Sostenibles, donde ya se integra el 68 % de la poblacin regional, facilitando ypropugnando el desarrollo de este objetivo mediante la colaboracin estrecha con las entidades

locales, aportando el apoyo y herramientas necesarias desde la Administracin autonmica, sobrelas que basar el desarrollo sostenible, que no es sino el equilibrio entre el progreso social y

econmico y el respeto al entorno.

Estas tres guas tcnicas, desarrolladas por los colegios oficiales de Arquitectos e Ingenieros de

Caminos, Canales y Puertos y la Agencia de la Energa de Castilla-La Mancha, nacen con lafinalidad de constituirse en documentos bsicos para nuestros ayuntamientos sobre los que cimentar

la base de las ciudades futuras, y son una aportacin seria y profesional que puede dar respuesta ala demanda ciudadana.

Rosario Arvalo SnchezConsejera de Medio Ambiente de Castilla-La Mancha

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PRESENTACIN

La presente Gua se enmarca en los Objetivos de Desarrollo Sostenible Local definidos en la

Red de Ciudades y Pueblos Sostenibles de Castilla-La Mancha, heredera y continuacin del PactoCiudad-Habitable.

Forma parte de un conjunto de tres con las que se que pretende abarcar el proceso completo decreacin de Zonas Urbanas, por lo que cada una de ellas se correspondera con una de las tres fasetpicas del proceso:I Fase I: Planeamiento urbanstico.I Fase II: Urbanizacin del espacio planeado.

I Fase III: Edificacin, propiamente dicha.Si bien, las respectivas guas son un todo en s mismas y se han concebido para que puedan ser

utilizadas de forma individual y para poder actuar tanto en los procesos de crecimiento, como en laremodelacin o adecuacin de los espacios ya existentes.

Existe, a nivel mundial, una creciente apreciacin de la necesidad de utilizar un enfoque

integral en la planificacin de los asentamientos humanos. La formulacin de una polticaambiental, econmica y social adecuada demanda la compresin de las interrelaciones entre todos

los factores que determinan el desarrollo humano en un territorio.

Una ciudad bien planificada y con una buena gestin de las zonas urbanas lograr msfcilmente que los dems factores que la conforman sean sostenibles, desarrollando entre ellosefectos sinrgicos y reduciendo los impactos. Uno de los objetivos del desarrollo sostenible local esla reduccin de los impactos de una reas de actuacin en otras, asegurando a la vez una economapujante y una sociedad equitativa.

Por lo que respecta a Castilla-La Mancha, ya desde el momento en que un Ayuntamientoadopta la decisin de adherir su Municipio a la Red de Ciudades y Pueblos Sostenibles, estasumiendo, adems de los postulados de la Carta de Aalborg, otros compromisos relativosa la concepcin integral del Municipio; y es en base a esta concepcin, que los procesos de

urbanizacin y edificacin adquieren una gran relevancia en la Red.

En este contexto, las Guas tienen por objeto incidir en el marco general de los Municipios,

proponiendo un conjunto de criterios de actuacin Buenas Prcticas en el modo en el que se

construyen y se desarrollan nuestras ciudades entendiendo el trmino ciudad en su sentido msamplio de asentamientos humanos.

La Guas estn destinadas, bsicamente, a los Ayuntamientos, a fin de proporcionarles una

herramienta para definir la estrategia general en la formulacin de las polticas ambientales,

econmicas y sociales en la implantacin de su Agenda-21 Local.

Pero los procesos de urbanizacin, como los procesos de desarrollo sostenible en general,

competen a todos y a todos los niveles: autoridades regionales y locales, tcnicos, promotores

privados, a todos como ciudadanos y a nuestros organismos de representacin.

Es por ello que las presentes Guas han sido elaboradas por los mximos responsables tcnicos

de la Regin: Colegios de Arquitectos de Castilla-La Mancha, de Ingeniros de Caminos, Canales yPuertos-Demarcacin de Castilla-La Mancha, la Agencia de Gestin de la Energa de Castilla-La

Mancha y Tcnicos de la Federacin de Municipios y Provincias de Castilla-La Mancha.

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Es tambin, por ello, que las Guas se han concebido para que puedan ser tiles tanto a lospolticos y tcnicos competentes, a la hora de tomar decisiones, como a los ciudadanos, a la horade ejercer su derecho de participacin; por lo que, sin perder rigor tcnico, se ha buscado que seaneminentemente prcticas y didcticas.

Esperamos haber logrado definir un marco que sirva de orientacin para todos los que estamos

empeados en conseguir unas ciudades y pueblos ms justos, prsperos, habitables, compactos y

policntricos.

Casimiro Snchez CaldernPresidente de la Federacin de Municipios y Provincias de Castilla-La Mancha

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INDICEINTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1. EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.1. EL IMPACTO DEL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2. LA DEMANDA ENERGTICA DEL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.3. EL ORIGEN DE LA DEMANDA EN EL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.1. LA CONDUCCIN TRMICA EN ELEMENTOS SLIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2. LA CONVECCIN ENTRE SLIDOS Y EL AIRE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3. INTERCAMBIO RADIANTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.4. INTERCAMBIO LATENTE Y SENSIBLE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. CONDICIONES EXTERIORES. VARIABLES METEOROLGICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1. RADIACIN SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.1. Movimiento solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.2. La constante solar. Distribucin espectral de la radiacin y su interaccin con la atmsfera. 433.1.3. Mtodos de estimacin de la irradiancia solar sobre una superficie arbitrariamente orientada e

inclinada, y de la temperatura aparente del cielo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2. ESTADO PSICROMTRICO DE LA ATMSFERA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2.1. Composicin del aire. Aire seco y aire hmedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2.2. Presin de saturacin del vapor de agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.2.3. Entalpa del aire hmedo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.2.4. Punto de roco y temperatura hmeda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3. ESTADO TRMICO DEL SUELO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.4. VIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4. EL CONFORT TRMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1. DEFINICIN DE CONFORT TRMICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.2. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA ENERGTICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.2.1. Sudoracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.2.2. Respiracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.2.3. Conduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.2.4. Conveccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2.5. Radiacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.3. BALANCE ENERGTICO. NDICES DE ESTIMACIN DE CONFORT TRMICO . . . . . . . 644.4. PMV Y PPD (FANGER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.5. CONFORT ADAPTATIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.6. LAS CARTAS BIOCLIMTICAS. LA TENDENCIA EN EL DISEO. . . . . . . . . . . . . . . . 69

5. EL URBANISMO. UNA CONDICIN NECESARIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.1. BARRERAS A LA INCIDENCIA SOLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.2. INTERCAMBIOS RADIANTES DE ONDA CORTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.3. VEGETACIN URBANA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.4. MATERIALES URBANOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.5. PANTALLAS A LAS CORRIENTES DE VIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6. LA UNIDAD ELEMENTAL. EL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 836.1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 856.2. ORIENTACIN DE LOS HUECOS VIDRIADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

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INDICE

6.3. HERMETICIDAD Y EL AISLAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876.4. LA VENTILACIN NATURAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 896.5. LA INERCIA TRMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946.6. LA DISTRIBUCIN DE ESPACIOS INTERIORES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 966.7. EL EQUIPAMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

7. TCNICAS NATURALES DE CALEFACCIN Y REFRIGERACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.1. LA DIFICULTAD DEL DISEO PASIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1017.2. TCNICAS NATURALES DE CALEFACCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

7.2.1. El Efecto Invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1027.2.2. Tipos de Componentes de Ganancia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.2.3. El Vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.2.4. El Atrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

7.3. TCNICAS NATURALES DE REFRIGERACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117.3.1. Tubos enter rados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1137.3.2. Sistemas Evaporativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1187.3.3. Sistemas Radiativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

8. LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN. CERTIFICACIN DE CALIDAD. . . . . . . . . . . . . 125

8.1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1278.2. LA REPERCUSIN AMBIENTAL DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIN . . . . . . . . 129

8.2.1. Materiales ptreos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1298.2.2. Metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1308.2.3. Materiales sintticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1308.2.4. Pinturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1318.2.5. Maderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1328.2.6. Tratamiento de las maderas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.2.7. Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8.3. CLASIFICACIN DE LAS SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

9. LOS SISTEMAS DEL EDIFICIO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

9.1. LA CLIMATIZACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

9.1.1. Calderas de combustibles convencionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1439.1.2. Calderas de Biomasa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1489.1.3. Sistemas de refrigeracin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1559.1.4. Energa solar trmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1609.1.5. Sistemas de distribucin y control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

9.2. AGUA CALIENTE SANITARIA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.2.1. Sistemas Convencionales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1739.2.2. Energa solar trmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

9.3. ILUMINACIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1759.3.1. Lmparas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1769.3.2. Luminarias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.3.3. Controles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

10. EJEMPLO PRACTICO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

10.1. INTRODUCCIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.2. OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.3. EXPOSICIN DEL SUPUESTO PRCTICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.4. DISEO DEL EDIFICIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

10.4.1. Consideraciones climatolgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18410.4.2. Forma y dimensiones del edificio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18510.4.3. Diseo de las fachadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18510.4.4. Seleccin de los Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18710.4.5. Seleccin de los Sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18710.4.6. Repercusin ambiental de la construccin del edificio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18910.4.7. Mejoras y Alternativas a la Solucin Propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

BIBLIOGRAFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

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INTRODUCCIN

El humano es el nico ser vivo de la Tierra que ha fundamentado su supervivencia, como

especie, en la transformacin del medio natural para adaptarlo a sus necesidades, al contrariodel resto de las especies que han ido adaptando sus necesidades, a lo que el medio natural les

exiga. Aquella que no lograba esta adaptacin, simplemente, desapareca.

Su xito ha sido tan rotundo que ha logrado conquistar todos los espacios del planeta,

imponindose al resto de las especies supliendo sus carencias fsicas por artilugios ms o menossofisticados que lo han convertido en el ms fuerte, el ms rpido y el ms peligroso.

Esta adaptacin del medio a las necesidades humanas ha sido realizada a travs del tiempo

empleando los propios recursos naturales para transformarlos en productos artificiales que, en

principio, suplan las carencias fsicas, pero en la actualidad buena parte de los recursos se empleanen suministrar cada vez ms altas exigencias de confort.

El resultado que nos encontramos es la devastacin de los espacios naturales, el agotamiento delos recursos, el deterioro del medio natural y la conversin del planeta en una especie de vertedero

de los desechos que se producen en la actividad cotidiana de transformacin del medio.

Un ejemplo muy ilustrativo de este modo de proceder del ser humano son los edificios, y su

agrupacin, que ha generado el entorno urbano que es el ms fiel exponente de esa adaptacin delmedio natural a los requerimientos humanos.

Hasta hace relativamente poco tiempo la interferencia que la actividad humana causaba a la

evolucin natural era irrelevante, ahora bien, desde la revolucin industrial hasta nuestros das la

agresin al medio ambiente ha sufrido un incremento tal que amenaza a la continuidad del propio

medio natural tal como lo conocemos.

Es necesario, por tanto, modificar los comportamientos humanos de modo que alcancen elgrado de sostenibles. Es decir que no hipotequemos a las generaciones futuras dejndoles como

herencia un planeta inhabitable.

Una de las actividades ms agresivas con el medioambiente es la relacionada con el

consumo de energa. Desde la extraccin de las materias primas, el transporte, la transformaciny/o adecuacin de las mismas, as como el consumo final.

Dentro de los consumos de energa final, el sector de los edificios es el responsable de unelevado porcentaje, que en funcin de su uso, vara considerablemente en cuanto a la forma final

de la energa requerida, la distribucin porcentual del consumo y el consumo total de energa porunidad de rea.

Las tcnicas de aprovechamiento de los recursos naturales para satisfacer la demanda energticade los edificios se ha mostrado, en no pocos ejemplos prcticos, como de gran eficiencia desdetodos los puntos de vista, incluso en el ms exigente que suele ser el econmico.

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INTRODUCCIN

La dificultad de aplicacin de estas tcnicas reside ms que en imposibilidades tcnicas o

econmicas en las que a continuacin se enumeran:

I Un desconocimiento generalizado de las mismas por parte de los profesionales involucrados en

la construccin de los edificios. Cuando no la oposicin de los mismos por tratarse de unaintromisin en las labores de diseo.

I Una falta de informacin en los usuarios finales.I La no coincidencia, generalmente, del promotor del edificio y el propietario final

Esta serie de hechos hace que en la construccin de un edificio la energa no sea un parmetro

a tener en consideracin desde el punto de vista del diseo. Quedando la introduccin del mismo ala participacin entre ingeniera y arquitectura para concretar el espacio necesario y localizacin

del mismo para albergar los equipos destinados a satisfacer la demanda de energa que tendrn losocupantes del edificio.

La presente gua pretende despertar en el que lo lea el inters hacia un diseo del edificio

ms acorde con el entorno climtico en el que est inmerso, de modo que aproveche de forma

ptima aquellas ventajas que le ofrece el espacio fsico y el clima.No pretende ser exhaustivo en la exposicin, ya que ello nos hubiese llevado a una enciclopedia

y a invadir campos en los que ya existen excelentes documentos por lo que el resultado hubiese

sido bien una copia literal, bien una mala imitacin. Quedar a cargo del lector la vocacin de

ampliar estos conocimientos en funcin de las necesidades que se le planteen, y siempre podrhacerlo dirigindose a la bibliografa recomendada.

De todos modos existe la pretensin, no sabemos si bien conseguida, de dar dos niveles de

lectura, siendo ambas didcticas y amenas, pero la primera con una carcter meramente

divulgativo y eminentemente prctico y la segunda de mayor profundidad y con mayorcontenido tcnico. No estn separadas de forma real ya que se encuentran integradas en el mismo

texto, ahora bien existe una separacin fsica entre ambas (distinto tratamiento de los textos) loque permitir, en funcin de los intereses del lector saltarse la parte ms rida de formulacinmatemtica o de profundizacin en los fenmenos fsicos.

El documento se estructura en tres partes:

I una pequea introduccin (captulo 1)I un desarrollo de aspectos bsicos para poder realizar diseos de edificios de calidad energtica

y medioambiental (captulos 2 a 5)I una tercera parte en donde se aplican estos conocimientos al diseo de los edificios, tanto en lo

concerniente a la arquitectura, mediante el diseo del edificio, como a la ingeniera, con el

diseo de los equipos generadores y consumidores de energa (captulos 6 a 9).

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EL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN.

01

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01Las necesidades energticas de un edificio comienzan cuando se extrae la arcilla para la

construccin del ladrillo, o el hierro para la fabricacin de la viga, y terminan cuando el ltimo

camin de escombros ha llegado a su destino final, una vez demolido el edificio. A lo largo de esteproceso se han generado unos gastos energticos, as como unos residuos que han perturbado el

desarrollo natural del sistema ecolgico y alterado en mayor o menor medida el medioambiente.

Siendo conscientes que, para una correcta evaluacin de la repercusin energtica o del impactoambiental del edificio, debe tenerse en cuenta todo este proceso, solo se ha tenido en cuenta la

repercusin energtica durante la vida til del edificio, obviando la fase de construccin, las

posibles rehabilitaciones, as como la demolicin del mismo.

Haremos especial hincapi en los aspectos que ataen a la reduccin de la demanda debido al

aprovechamiento de los recursos naturales, mediante una serie de criterios de diseo del edificio.

Es decir trataremos de sentar las bases para que el edificio aproveche de forma pasiva las ventajas

que ofrecen las condiciones climatolgicas del lugar.

A su vez, se dan pautas de actuacin para proteger al edificio de las condiciones exteriores

desfavorables.

Por tanto solo se trata una parte, si bien la ms importante desde el punto de vista del consumoenergtico, del proceso general de la construccin.

@EJEMPLO

El uso de materiales aislantes supone un importante beneficio para el ahorro deenerga, en cambio la mayora de ellos, sobre todo los comercializados, tienen efectosdainos sobre el medioambiente, tanto en su fabricacin (necesitan de gran cantidad

de energa) como en su posterior eliminacin (no son biodegradables y resulta difcil

reciclarlos).

Por otra parte, a la hora de cuantificar el perjuicio ambiental del consumo de energa, sernecesario conocer qu tipo de energa primaria se ha usado para cubrir esa demanda (fsil, nuclear,renovable, etc.), ya que las emisiones de gases contaminantes as como la produccin de residuostxicos varan considerablemente de unas a otras.

RECUERDA QUE:

Las necesidades energticas del sector de la construccin son de muy diferente

ndole, debiendo considerarse en el cmputo global, desde la energa consumida para

la fabricacin de los diferentes elementos de la construccin, hasta la demolicin deledificio, pasando por la energa necesaria para que el edificio desarrolle la funcinpara la que ha sido construido.

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01


A pesar de que la demanda energtica de un edificio, en general, no es elevada si la comparamoscon prcticamente cualquier proceso industrial, en cambio si es muy persistente en el tiempo. Los

edificios tienen una vida media muy elevada, por lo que los aciertos o errores en la construccin

van a perdurar durante un dilatado periodo de tiempo.

1.1. EL IMPACTO DEL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN

Con el fin de ponderar en su justa medida el impacto, tanto energtico como ambiental, que

ejerce el sector de la construccin, vamos a citar unas cifras que son lo suficientemente ilustrativas

para demostrar la importancia de este sector en comparacin con el computo total.

@EJEMPLO

En Francia, el sector de la construccin es el responsable del 45 % del consumo deenerga final, del 25 % de emisiones de CO2, del 16 % de SO2 y del 5 % de NOx. Si,

adems de esto se tiene en cuenta que la principal fuente de energa primaria enFrancia es la nuclear, en otros pases, las emisiones de gases perjudiciales para el

medio ambiente pueden ser considerablemente mayores. Asimismo, genera 25millones de toneladas de desechos al ao. Todas estas cifras consideran el proceso

completo de la vida del edificio.

Si centramos la atencin exclusivamente en lo que atae a esta gua, es decir, en el consumo

energtico del edificio durante su vida til (eliminando los procesos industriales de extraccin y

fabricacin de los materiales de construccin, el proceso constructivo en si mismo, as como lademolicin del edificio), el consumo energtico asociado a los edificios (residenciales y noresidenciales) se cifra en ms del 40 % para el conjunto de la UE, y, dadas las caractersticasclimticas y sociales espaolas, y en particular las de Castilla-La Mancha en el 21 % sobre el totalconsumido (figura 1.1).

Figura 1.1. Evolucin del consumo final en Castilla-La Mancha.

Por otro lado, el censo de edificios de Castilla-La Mancha era en 1990 de 630.760 edificios, delos cuales 36.442 eran destinados a usos diferentes del residencial: Este volumen de edificios

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1.1. EL IMPACTO DEL SECTOR DE LA CONSTRUCCIN

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supone que pequeos ahorros unitarios en el sector significan grandes ahorros a escala global. Portanto, cuando se consiga reducir ligeramente el consumo por m2 de edificio, supondr un granahorro.

A modo de primera conclusin firme, se puede asegurar que el consumo de energa en los

edificios es muy importante, y cualquier ahorro que se consiga en los mismos sera muy

beneficioso, tanto en el mbito econmico como medioambiental.

Dentro de los diferentes usos finales de la energa demandada en el sector residencial yservicios, la distribucin de ese 21 % de Espaa se distribuye del siguiente modo:

Residencial (viviendas): 64 %

Comercial y servicios: 27%

Administracin: 7,5 %

Alumbrado pblico: 1,7 %

Una segunda cuestin es averiguar qu tipo de energa primaria se est utilizando para suplir

esa demanda energtica, ya que dependiendo del tipo de energa primaria el consumo ser mas omenos perjudicial para el medio ambiente.

Atendiendo al flujo energtico de Castilla-La Mancha, en el sector residencial y servicios

(consumo energtico en edificios) las cifras fueron las que se presentan en la figura 1.2.

Figura 1.2. Distribucin por fuentes de energa primarias del consumo en el sector de edificios. FuenteAGECAM, S.A.

Atendiendo a esta distribucin y teniendo en cuenta que las emisiones de CO2 para

cada una de estas fuentes de energa son las que se reflejan en la figura 1.3, podemosconcluir asimismo que no solo el consumo energtico en edificios es alto, sino que, adems, es

peligroso, pues los combustibles usados emiten una gran cantidad de CO2

a la atmsfera.

Figura 1.3. Emisiones de gases contami-nantes de diferentes fuentes de energa.

Fuente primaria CO2 Partculas SO2 CO NOx

GAS 0,21 0,05 0,02 0,56 2,2

PETRLEO 0,29 0,27 9,5 0,6 2,7

SLIDOS 0,34 8,0 20 35 5

ELCTRICO 0,70

En esta tabla se contempla el CO2 como un gas contaminante, debido a que si, directamente noproduce efectos tan espectaculares como el SO2, NOx, CO, (lluvia cida, y efectos perniciosos

sobre la salud de la poblacin), si es segn la mayora de los estudios cientficos realizados elcausante del efecto invernadero que se est produciendo en la atmsfera, que es el responsable delcalentamiento de la Tierra.

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son muy elevadas y la demanda de agua caliente sanitaria (ACS en adelante) es muy baja. Sin

embargo, en una vivienda, este tipo de demanda se invierte,

En general, la demanda en los edificios es, bsicamente de tres tipos:Trmica, para satisfacer los requerimientos de ACS, calefaccin y refrigeracin.Luminosa, para los requerimientos de confort lumnico.

Elctrica, para las aplicaciones (diferentes aparatos),

El tipo de energa que se use para suplir estas demandas variar de un edificio a otro (puede

ser completamente elctrica, solo en parte y la trmica sea suministrada por una caldera de

gas, gasleo, etc.).

La demanda energtica de un edificio vara ostensiblemente dependiendo de varios factores que

bsicamente podemos clasificar en los siguientes:

1. El clima. Es evidente que los gastos en calefaccin, para dos edificios idnticos, aumentar enclimas fros, por el contrario los gastos de refrigeracin sern superiores en climas clidos.

2. La funcin. Un edificio de oficinas tendr necesidades muy diferentes en calidad y cantidad de

energa que una vivienda, un hotel o un hospital. La demanda variar asimismo de formadiferente a lo largo del da.

3. La calidad de la construccin. Dos edificios en un mismo clima presentan consumosdiferentes debido a la calidad tanto de los materiales como del acabado. Un edificio con una

carpintera muy mala presentar infiltraciones muy elevadas frente a otro de buena carpintera.

4. El diseo del edificio. Las ganancias solares, que dependen de la orientacin de los huecos,la posibilidad de generar ventilaciones, etc., son conceptos de diseo que nada tienen que

ver con la calidad de la construccin y que, en cambio, tienen una posibilidad de ahorro

energtico superior al 50 %.5. El uso o manipulacin que los ocupantes hacen del mismo (desde la manipulacin manual

hasta un sofisticado diseo de control automtico). La optimizacin de la operacin deledificio es un factor crtico para la consecucin de ahorros de energa.

Todos estos factores harn que la demanda energtica del edificio vare considerablemente,tanto en la cantidad de energa como en la distribucin horaria a lo largo del da.

Para el acondicionamiento trmico del edificio (calefaccin/refrigeracin), considerando un

edificio convencional entendiendo por tal, un edificio construido segn las costumbres constructivasde cada lugar las demandas globales varan dependiendo de todos los factores antes mencionados.

A continuacin, en la figura 1.5 se dan las demandas de refrigeracin para una viviendaadosada variando su posicin a lo largo de la geografa espaola.

En la figura 1.6 se da la relacin entre calefaccin y refrigeracin de esta misma vivienda.

Figura 1.5. Demanda de refrigeracin de unavivienda adosada. Fuente: Natural Cooling Te-

chnology Assessment, Atlas for Southern Europe

Countries, SINK PROJECT.

Figura 1.6. Relacin entre la demanda de refrige-racin y de calefaccin de una vivienda adosada,

Fuente: Natural Cooling Technology Assessment,

Atlas for Southern Europe Countries, SINK PRO-

JECT.

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE

CALOR 02

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MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

02Abordar el diseo de un edificio es una tarea compleja ya que la cantidad de parmetros quedeben tenerse en consideracin es muy elevada. A pesar de ello, la inclusin de la energa como unparmetro importante a tener en cuenta, debe convertirse en una prctica habitual en el proceso dediseo.

Para ello es imprescindible tener conocimientos bsicos de transmisin de calor y aplicarlos de

manera inteligente, original y atrevida en el diseo del edificio. Ello dar, sin duda, edificiosatractivos desde el punto de vista esttico y, lo que es ms importante, edificios confortables, de

bajo coste energtico y ms sostenibles.

Desde el punto de vista energtico, que es el que nos atae, puede considerarse al edificio

como un sistema termodinmico limitado por unas paredes diabticas (permiten el intercambio de

energa y de masa) y que est sometido a una serie de fuerzas (condiciones climticas y equiposmecnicos) que determinan su evolucin trmica a lo largo del tiempo.

El edificio acta como un filtro que modula las condiciones exteriores, generando en su interiorun microclima especial que pretende satisfacer las necesidades del ser humano. Esta modulacin seproduce amortiguando y desplazando la onda trmica exterior. De hecho la pretensin del edificio

es mantener invariantes, y dentro del rango de confort, las condiciones de temperatura, humedad ycalidad del aire interior independientemente de las condiciones exteriores. Si todo ello se consiguecon un consumo de energa mnimo estaramos hablando de un edificio ideal.

Esta modulacin se produce a travs de los mecanismos de transferencia de calor y masa, cuyascausas principales son:

1. La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior que provoca un flujo de energa entreambos ambientes.

2. La radiacin solar que produce unas ganancias de energa en el espacio interior.3. La generacin o absorcin de energa por los equipos de climatizacin del edificio.4. La diferencia de presin entre el interior y el exterior que produce un flujo de aire.5. Las ganancias internas producidas por la disipacin de calor de los equipos y de los propios

ocupantes.

Los mecanismos fundamentales que producen el trnsito de energa desde el edificio hacia elexterior o viceversa son los siguientes:

1. La conduccin, debida a la diferencia de temperatura entre las partes slidas del edificio.2. La conveccin, entre las partes slidas del edificio y el aire, tanto interior como exterior.3. La radiacin, captada a travs de los vidrios expuestos al sol.4. El intercambio de masas de aire a diferente temperatura y humedad, entre el interior y el

exterior.

Como se ve, las fuerzas que producen el trasiego de energa desde un punto a otro del edificio,

o desde el edificio al exterior, son de dos naturalezas: El clima y los equipos acondicionadoresinstalados, ya sean generadores de energa (calderas, aire acondicionado, etc.) o para mover el aireinterior (ventiladores).

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2.1. LA CONDUCCIN TRMICA EN ELEMENTOS SLIDOS.

La conduccin de calor se produce en los elementos slidos. El flujo de energa se transfierede modo natural desde los puntos ms calientes del slido a los ms fros. En sistemas aislados(en aquellos en que no existe transferencia de energa ni masa con los alrededores) este trasiego de

calor se usa para aumentar la temperatura de los puntos fros disminuyendo la de los puntos

calientes, hasta que se igualen ambas, con lo que se llegara al equilibrio trmico. Este estado enun sistema aislado no se abandona de forma espontnea.

La ley que rige los flujos de calor entre dos puntos de un slido a diferente temperatura es la conocida

como ley de Fourier, expresada en la ecuacin (2.1):

(r, t) = T(r, t) (2.1)

donde (r, t) es el flujo de calor del elemento de slido situado en el punto r, en el tiempo t, cuyo valor

depende de la conductividad trmica del slido () y del gradiente de temperaturas en el punto.

En la figura 2.1 se presenta el sentido del flujo de calor dependiendo del gradiente detemperatura en el slido.

Figura 2.1. Flujo de calor por conduccin tridimensional.Figura 2.2. Flujo de calor unidimensio-nal.

En el edificio, las paredes, techos y suelos son slidos, en general heterogneos, compuestos

por diferentes capas, cuyo principal fenmeno de intercambio de energa es la conduccin del calor.

Generalmente, y dado que en estos elementos son superficies planas, el principal flujo de calor se produceen el sentido perpendicular al plano (ver figura 2.2), por lo que la ecuacin de Fourier se simplifica,pasando del fenmeno tridimensional al unidimensional, lo que se expresa en la ecuacin (2.2).

(x, t) = Tx

(x, t) (2.2)

Aplicando el principio de conservacin de la energa en un volumen del slido, el aumento de energainterna del mismo es igual a la diferencia de flujos que entran y salen. La energa interna del slido est

ligada a su capacidad calorfica (cp), y a su densidad, de tal modo que el aumento de energa interna (o enotras palabras la cantidad de calor almacenado en el slido) es la diferencia del flujo de calor entrante

menos el saliente.En un volumen infinitesimal, la ecuacin de calor unidimensional es:

cp

T

t=

2T

x2 (2.3)La ecuacin (2.3) tiene solucin analtica en muy pocos casos, con lo que usualmente se resuelve pormtodos numricos.

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2.1. LA CONDUCCIN TRMICA EN ELEMENTOS SLIDOS.

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Considerando que se ha alcanzado el estado estacionario (el valor de la temperatura no depende del tiempo),y para valores constantes de la temperatura superficial en ambas caras, el flujo a travs de la pared se

expresa, tomando la ecuacin (2.4), como:

q =

L(T(L) T(0)) (2.4)

Al trmino L/ se le llama resistencia trmica.

En muros heterogneos, es decir aquellos que estn conformados por ms de un tipo de material (ver la

figura 2.3), la resistencia trmica total es la suma de las resistencias trmicas parciales. Por tanto, paracalcular la resistencia trmica de un muro de varias capas se emplear la relacin

RT =

i

Ri =

i

Li

i(2.5)

Figura 2.3. Composicinde un muro multicapa tpico

de la construccin.

Ladrillo caravista

Enfoscado de cemento

Aislamiento

Tabicn

Enlucido de yeso

Como se observa, si se introduce un elementoaislante en el muro de varias capas, al sersu conductividad baja (resistencia alta) elvalor del cociente aumentar, mientras quepara el resto de las capas este cociente ser

pequeo. Por tanto, en el computo globalel trmino dominante ser el del materialaislante, y este trmino ser mayor cuantoms espesor tenga la capa.

Realmente, la ecuacin de la conduccin es

tridimensional, y considerarla unidimensionalpuede llevar a errores en la estimacin de

la cantidad de flujo energtico que atraviesa

un componente, sobre todo si existen los

denominados puentes trmicos. Este fenmeno se produce por la intrusin en un componente (una pared exterior, porejemplo) de un elemento ajeno a la misma (por ejemplo, una viga). Entonces, debido a la diferencia de conductividadde los dos materiales, la energa se transfiere a travs del material que menos resistencia trmica ofrece. Es decir,

se calentara, o enfriara ms el material cuya conductividad fuese mayor.

En la figura 2.4 se presenta un esquema de lo que se conoce como puente trmico. Para evitarlo debe emplearse unacapa de material aislante que aumente la resistencia trmica del conjunto hasta los mismos niveles que el resto de la

pared, como se aprecia en la figura 2.5. Un problema semejante puede llegar a ocurrir por una colocacin defectuosa delmaterial aislante, ya que si se coloca de tal modo que existen zonas con una resistencia trmica diferente, estas zonas

tendern a enfriarse o calentarse de modo diferente en el tiempo que el resto del componente.

Figura 2.4. Puente trmico. Figura 2.5. Puente trmico corregido.

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2.3. INTERCAMBIO RADIANTE

02

Con estas consideraciones, para evaluar la cantidad de energa total que atraviesa un muro, el clculo dado

en la ecuacin (2.4) debe completarse con el dado por la ecuacin (2.6).

Entonces, para evaluar dicho flujo, la resistencia trmica efectiva del muro se dar a travs de la ecuacin:

RT = iLi

i+

1

hi+

1

he(2.7)

Donde hi y he son respectivamente los coeficientes de conveccin de la cara interna y de la cara externa.

Con este sencillo clculo, repetido para todos los paramentos del edifico se puede obtener la cantidad de

energa que el edificio perder (o ganar en el caso de verano) por un efecto combinado de la conduccin yla conveccin.

Est forma de clculo es la que se recomienda en la actual norma, en vigor de forma transitoria,(NBE-CT-79) para el clculo de las prdidas de energa a travs de los cerramientos. Asimismo se conservaeste tipo de clculo en el Cdigo Tcnico de la Edificacin que entrar en vigor, sustituyendo a las Normas

Bsicas de la Edificacin (NBE), de forma inminente.

RECUERDA QUE:

La conveccin es un mecanismo complementario de la conduccin, el trasiego de

calor desde el edificio hasta el exterior se completa con la conveccin. Para evitarprdidas excesivas por este fenmeno deben protegerse los paramentos exteriores delas corrientes de viento fras.

2.3. INTERCAMBIO RADIANTE

As como los fenmenos anteriores requieren de un medio fsico para la transferencia energtica,en el caso de la radiacin cualquier cuerpo en cualquier situacin emite energa que depende

exclusivamente de su temperatura, superficie y propiedades pticas. A esta energa se la conoce porexcitancia radiante o emitancia M.

Figura 2.6. Esquema de los diferentes procesos de transferencia de la energa radiante.

La cantidad de energa por unidad de rea que emiten viene determinada por la ley de Stefan-Boltzman,

segn la cual:

M = T4 (2.8)

donde es una constante y es la emisividad, que depende del material del emisor y de la longitud de

onda de la radiacin.

Dado que los cuerpos no se presentan aislados en el espacio, entre ellos se intercambia energa radiante queno slo depende de la temperatura y emisividad, sino que, adems existen otras dos propiedades pticas quedeterminan la cantidad de energa radiante que un cuerpo recibe de otro.

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Estas son:

I La absortividad (), que es la fraccin de energa que el cuerpo absorbe.I La transmisividad (), que es la fraccin de energa que atraviesa el cuerpo.I La reflectividad (), que es la fraccin de energa reflejada por el cuerpo.

Estas tres propiedades pticas estn relacionadas entre s, de tal modo que para un cuerpo dado se cumple

que: + + = 1 (2.9)

Si suponemos dos cuerpos aislados, la cantidad de energa que intercambian entre ellos depende de la

disposicin espacial de los mismos y de su forma geomtrica, ya que toda la energa radiante emitida por uncuerpo no es interceptada por el otro. A la cantidad de energa interceptada por el cuerpo B que emite el

cuerpo A se le denomina factor de forma de B con respecto a A y se le representa por FBA, y que, por

relaciones sencillas, se puede deducir que nicamente depende de la configuracin geomtrica de ambos

cuerpos. Es obvio que el valor mximo de FBA es 1, ya que no puede interceptarse ms energa que la quese ha emitido.

@

EJEMPLO

La fachada de un edificio expuesta a la radiacin solar experimenta un aumento

considerable de temperatura por la absorcin de energa. Este aumento de temperaturaaumenta la conduccin hacia el interior del edificio. Si la fachada no tiene unaislamiento adecuado aumentar considerablemente la temperatura interior. Esteefecto ser beneficioso en invierno, pero en verano la superficie interior a temperaturaelevada produce, tanto por conveccin como por radiacin una aumento de latemperatura interior que podra resultar desagradable.

Si tenemos varias superficies radiantes, stas intercambian energa radiante entre s a travs de

los diferentes mecanismos; es decir, una superficie recibe energa que absorbe, transmite y refleja, ala vez que est emitiendo energa. El balance total sobre esta superficie debe completarse con los

fenmenos de conduccin y conveccin para llegar a predecir su evolucin trmica.La principal contribucin del flujo radiante en un edificio es el que se establece entre el edificio

y el sol. Las ganancias solares se consiguen fundamentalmente a travs de las superficies vidriadas.El vidrio no absorbe apenas radiacin de onda corta (radiacin solar), por lo que permite su pasohacia el interior del edificio, calentando las superficies interiores, sobre todo el suelo.

En captulos posteriores se explicarn tcnicas para optimizar el aprovechamiento de laradiacin solar, as como para evitarla en condiciones de verano.

RECUERDA QUE:

El intercambio de calor por radiacin se establece entre superficies separadas a

distinta temperatura. La generacin de superficies calientes en invierno o fras enverano es un buen mtodo para proporcionar condiciones de confort en los edificios.

El principal intercambio de energa radiante se produce entre el edificio y el sol.

2.4. INTERCAMBIO LATENTE Y SENSIBLE

Cuando dos masas de aire de diferente procedencia se mezclan, se produce un intercambio deenerga debido a dos causas:

1. La diferencia de temperatura.2. La diferencia de humedad.

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2.4. INTERCAMBIO LATENTE Y SENSIBLE

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La temperatura y humedad resultantes dependern de la cantidad de materia de cada una de las masas de

aire, y del estado higrotrmico de las mismas.

Al intercambio de energa debido a la diferencia de temperaturas se le conoce como latente, y a ladiferencia de humedad como sensible.

En un edificio, existe un intercambio continuo de aire entre el exterior y el interior,fundamentalmente a travs de las rendijas de la carpintera, cuando el intercambio no es voluntario;o a travs de la ventilacin, bien mecnica bien natural, cuando el intercambio es voluntario eincluso controlado.

La cantidad de energa que interviene en el trasiego de aire depende de:

1. El volumen de aire intercambiado2. La diferencia de temperatura y humedad que existe entre los dos ambientes (exterior e interior).

El flujo de energa viene dado por la relacin:

q = VCp(Tint Text)Siendo V el volumen de aire intercambiado, su densidad y Cp su calor especfico.

Dado que el aire tiene una densidad muy baja (alrededor de 1Kg/m3) y un calor especfico tambin bajo(1,28 J/kgC), para que los flujos de energa sean considerables debe intercambiarse un volumen muyelevado. En cambio, como se ver en el prximo captulo, produce efectos muy perjudiciales en invierno y

muy beneficiosos en verano para alcanzar el estado de confort trmico. Tales efectos son debidos no a la

cantidad de energa intercambiada entre el edificio y el exterior, sino al intercambio entre el cuerpo humanoy su entorno inmediato, que es muy sensible a la velocidad del aire.

El flujo continuo de una masa de aire desde el exterior hacia el interior del edificio es unafuente de prdidas muy importante, tanto ms cuanto mayor sea el volumen de aire intercambiado.

As pues, es fundamental el uso de buenas carpinteras para evitar las infiltraciones. Durante elverano las consecuencias de las infiltraciones no son tan importantes como en invierno.

El intercambio sensible se produce cuando una masa de aire seco se humidifica y hace que

aumente su humedad relativa.

El proceso de humidificacin del aire consiste en la evaporacin de agua para que cambie a la fase de

vapor. Para que se produzca la evaporacin es necesario transferir una gran cantidad de energa al agua ( 570caloras por gramo).

Esta energa se extrae del aire que recibe el agua, de tal modo que se enfra. En la captulo 4 se explica condetalle el estado higrotrmico del aire, de modo que en sta nicamente mencionamos el efecto y su

potencial de enfriamiento de las condiciones del aire.

Este fenmeno se pone de manifiesto en los patios andaluces, que suelen tener estanques ofuentes para humidificar el aire seco de la regin de modo que baja su temperatura. Este efecto

combinado con la proteccin solar que proporciona el propio patio consigue reducciones muy

importantes de la temperatura del aire en climas secos y calurosos.

Es evidente que en climas hmedos este fenmeno es muy poco eficiente debido a la baja

capacidad del aire ambiente para evaporar el agua (el aire ambiente est ya saturado de vapor de

agua).

Este tipo de tcnica para refrigerar el aire debe tratarse con sumo cuidado, pues las condicionesde confort trmico tienen una dependencia importante con la humedad (para conseguir las

condiciones de confort en un ambiente hmedo, la temperatura del aire debe ser ms baja que enuno seco), por ello este tipo de tcnica no debe humidificar el aire ms all del 6070 % dehumedad relativa, lo que limita el uso de esta tcnica a climas muy secos.

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En Castilla-La Mancha el clima es, en general, extremadamente seco durante el verano, por lo

que el potencial de enfriamiento del aire por tcnicas de humectacin del aire seco puede alcanzargrandes rendimientos. En su contra estas tcnicas tienen el inconveniente que requieren de elevadascantidades de agua para su funcionamiento, y el agua es un bien escaso y que en consecuenciadebe preservarse de forma especial.

En el Captulo 7 se estudiar el enfriamiento del aire por humectacin, y se analizar elrendimiento de esta tcnica en diferentes condiciones.

RECUERDA QUE:

Los intercambios de aire con el exterior son un importante foco de prdidasenergticas en invierno. La humidificacin de aire en climas secos es una fuente de

refrigeracin del ambiente interior de los edificios.

RESUMEN

El conocimiento de los fenmenos de transmisin de calor es la base para eldesarrollo de componentes especiales que aprovechen los recursos naturales para el

acondicionamiento trmico de los edificios.

A partir de la formulacin matemtica, simple en la mayora de los casos, se

puede obtener informacin fundamental para optimizar el diseo del edificio, de

modo que se obtenga como resultado la mnima demanda posible. La informacin

extrapolada a partir de los fenmenos de calor es de dos naturalezas distintas, pero

complementarias:

a) Cules sern, debido a las condiciones climticas de la zona donde se construirel edificio, los principales fenmenos de transferencia energtica entre el edificio

y el exteriorb) Qu parmetros tienen influencia sobre estos mecanismos y por tanto nos

aportarn soluciones de diseo encaminadas a modificar los valores de estos

parmetros con el fin de potenciar o disminuir la transferencia de calor.

Toda esta informacin debe complementarse con unos conocimientos, por parte

del diseador, de las caractersticas trmicas de los materiales de construccin, y

de las tcnicas de diseo pasivo que le permitirn sacar el mximo partido a las

condiciones naturales para acondicionar el edificio.

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CONDICIONES EXTERIORES. VARIABLES METEOROLGICAS

Para cualquier punto de la superficie terrestre, el medioda solar se define como el instante enque el Sol pasa por el plano meridiano del lugar, y la hora solar como el tiempo contado a partirde este punto.

La conversin de la hora oficial en hora solar local requiere dos correcciones: la primera (C1) tiene en

cuenta la diferencia en longitud existente entre el meridiano del observador y el meridiano de referencia

respecto del cual se define la hora oficial; la segunda (C2) se efecta a travs de la llamada ecuacin detiempo y recoge el efecto de las perturbaciones antes mencionadas en la velocidad de rotacin de la Tierra

sobre el medioda solar. En ocasiones, puede ser necesaria una tercera correccin (C3) que contemple los

posibles cambios horarios que los gobiernos introducen de forma artificial atendiendo a consideraciones de

ahorro energtico.

De esta forma podemos escribir:

hora solar = hora oficial + C1 + C2 + C3 (3.1)

La evaluacin de cada uno de los trminos de la relacin anterior se realiza de la siguiente manera:

C1=

4(Lof Llocal)/60C2 = (0,000075 + 0,001868cos 0,032077 sin

0,014614 cos2 0,04089 sin 2) 229,18C3 = cambio horario

siendo:

Lof = Longitud del meridiano de referencia horaria.

Llocal = Longitud (W) de la localidad

=2(n 1)

365

n = Da Juliano1

El valor mximo de la correccin C2 est en torno a los 15 minutos.

Con el nombre de ngulo horario () se conoce el ngulo que forman el meridiano de paso del Sol en un

instante de tiempo dado con el meridiano del observador; est relacionado con la hora solar a travs de laecuacin:

=15(12 h)

180

Entendemos por declinacin () el ngulo que forman el plano ecuatorial terrestre con el plano que

contiene a la eclptica (rbita de la Tierra en torno al Sol); puede obtenerse a partir de tablas astronmicas

si bien es ms prctico para los clculos evaluarla a partir de la expresin aproximada de Spencer:

(n) = 0,006918 0,0399912 cos +,0070257 sin 0,006758 cos2 +0,000907 sin2 0,002697 cos3 + 0,00148 sin 3

(3.2)

A partir de estas definiciones, la posicin del sol en la cpula celeste se fija a partir de dos ngulos: Elacimut y el cenit. El acimut () es el ngulo que forma la proyeccin sobre el plano horizontal delrayo solar con la direccin sur. El cenit (z) es el ngulo que forma el rayo solar con la vertical, a su

1 El da Juliano seala el orden absoluto de los das del ao, es decir 1 para el da1 de Enero y 365 para el da31de Diciembre.

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3.1. RADIACIN SOLAR

03

complementario (90 z) se le conoce como altura solar y se representa por . En la figura 3.1 serepresentan estos ngulos.

Figura 3.1. Representacin grfica de los ngulos de acimut y cenit.

Estos ngulos, al estar referidos al lugar de observacin dependen de la latitud, y evidentemente dela hora solar.Despus de diversas transformaciones se llega a la conclusin que:

cos z = sin sin + cos cos cos = sin (3.3)

cos =sin cos sin

cos cos (3.4)

Donde es la latitud del lugar.

Pero lo que para nuestros propsitos interesa es el ngulo de incidencia () de la radiacin solar sobre unasuperficie plana arbitrariamente orientada e inclinada, el cual viene dado por la relacin:

cos = (sin cos cos sin cos ) sin +(cos cos + sin sin cos )cos cos +

cos sin sin sin

(3.5)

siendo la inclinacin de la superficie.

Aplicando esta ecuacin, representamos los valores del ngulo de incidencia del sol en dos casos: para unasuperficie plana horizontal (por lo que la orientacin es irrelevante), y para otra superficie vertical(inclinacin de 90) y orientada al sur. En las figuras 3.2 y 3.3 se presentan ambos casos.

El ejercicio se ha resuelto para una latitud de 40N.

Como se observa en las figuras, hay dos hechos muy relevantes:

1. En la superficie horizontal, la incidencia solar durante los meses de invierno dura menos tiempo (el da

es ms corto), y adems presenta ngulos de incidencia bajos, por lo que el aprovechamiento sermenor.

2. En la superficie vertical sur la duracin de la incidencia es mayor en invierno que en verano, y ademslos ngulos de incidencia son mayores, por lo que se aprovechar mejor.

Es evidente que la figura 3.2 es engaosa, ya que nos est indicando que la duracin del da en invierno esmuy larga. Esta figura debe corregirse por los ngulos de salida y puesta de sol reales, que son loscorrespondientes a una superficie plana. En verano en cambio, dado que los ngulos de salida y puesta desol son mayores, la duracin aparente del da para la superficie vertical sur sera la presentada en la

figura 3.3, sin ninguna correccin.

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3.1. RADIACIN SOLAR

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3.1.2. La constante solar. Distribucin espectral de la radiacin y su interaccin con

la atmsfera.

La radiacin, que es emitida por el Sol en todas las direcciones, es interceptada en parte por la Tierra;teniendo en consideracin que nuestro planeta est situado a una distancia media del Sol de 1,495 1011 m.

y este subtiende un ngulo slido de 32 se puede afirmar que la intensidad energtica (energa por unidadde rea) que llega a la superficie exterior de la atmsfera es prcticamente constante. A la irradiancia solarsobre una superficie plana normal al vector de posicin del Sol ubicada en el lmite superior de la atmsferaterrestre se le denomina constante solar (Ics).

Esta constante tiene un valor medio anual de 1,367 W/m2 que vara estacionalmente en un3,3 debido a laexcentricidad de la rbita terrestre. Su dependencia con el da del ao viene dada por la ecuacin siguiente:

Isc =4r2s T

4

4r20

= E

rs

r0

2

donde:

E0(n) =

r0r

2

= 1,000110 + 0,034221cos + 0,001280 sin +

0,000719cos 2 + 0,000077sin 2

Este espectro de radiacin, de longitudes de onda () cuyos valores varan de las 0,28 a las 5 m.,se suele dividir en tres regiones, ultravioleta ( < 0, 4 m.), visible (0, 4 < < 0, 76 m.) e infrarrojo

( > 0, 76 m.). Es muy importante destacar que aunque el pico de mayor intensidad de radiacincorresponde a la zona visible (0,4 m.) la mitad de la energa solar emitida es radiacin infrarroja.

A su paso por la atmsfera, la radiacin solar sufre diversos procesos de atenuacin y dispersin como

resultado de su interaccin con los distintos componentes atmosfricos: aerosoles, nubes y molculas de

ozono, anhdrido carbnico, oxgeno, agua, etc. Los efectos ms apreciables de dicha interaccin son:

1. La disminucin de la energa radiante total disponible al nivel del suelo respecto de la disponible en ellmite superior de la atmsfera.

2. Modificacin de las caractersticas espectrales de la radiacin.3. La modificacin de la distribucin espacial de sta.

La absorcin de radiacin solar en la atmsfera la ocasiona esencialmente el ozono y el vapor de agua; la

banda de absorcin ms importante del ozono est localizada en el ultravioleta. El vapor de agua absorbe

fundamentalmente en el infrarrojo: sus bandas ms importantes de absorcin estn centradas en 1,0, 1,4 y1,8 m. A partir de 2,3 m la transmisin de la atmsfera a la radiacin solar se hace prcticamente nuladebido a la absorcin por parte del agua y el anhdrido carbnico.

El fenmeno de absorcin contribuye, pues, a explicar los efectos de atenuacin y modificacin de las

caractersticas espectrales de la radiacin solar extraterrestre.

El scattering (dispersin) es el tercero de los efectos anteriormente mencionados y se traduce en una

atenuacin de la radiacin solar extraterrestre y su redistribucin en todas las direcciones del espacio, sin

cambios significativos en la longitud de onda. A nivel del suelo podemos descomponer la radiacin solar endos tipos o componentes: radiacin solar directa, aquella que se recibe del Sol sin haber sufrido ningn

cambio de direccin por reflexin o difusin, y radiacin solar difusa, la que se recibe del Sol despus dehaber sufrido cambios de direccin al atravesar la atmsfera.

3.1.3. Mtodos de estimacin de la irradiancia solar sobre una superficie

arbitrariamente orientada e inclinada, y de la temperatura aparente del cielo.

En la irradiancia solar global sobre una superficie arbitrariamente orientada e inclinada podemos distinguir

tres tipos de componentes o contribuciones: La componente debida a la radiacin solar directa, lacomponente debida a la radiacin solar difusa procedente del cielo y la componente debida a la radiacin,normalmente difusa, reflejada por el suelo circundante. Es evidente que esta ltima aparece cuando la

superficie de observacin est inclinada, ya que para una superficie horizontal la contribucin de la

radiacin reflejada al computo global de radiacin solar recibida es nula.Normalmente, no dispondremos de medidas de esta magnitud y ser preciso estimarla a partir de dos

cualesquiera de las magnitudes que a continuacin se sealan:

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Irradiancia solar directa (Ib): Irradiancia solar sobre una superficie plana normal al vector de posicin delSol, debida a la componente directa de la radiacin solar.

Irradiancia solar difusa (Id): Irradiancia solar sobre una superficie plana horizontal, debida a la compo-

nente difusa de la radiacin solar.

Irradiancia solar global (Ig): Irradiancia solar sobre una superficie plana horizontal, debida a lascomponentes directa y difusa de la radiacin solar.

Est relacionada con las dos magnitudes anteriores a travs de la ecuacin:

Ig = Ib cos + Id (3.6)

Supuestas istropas la radiancia difusa del cielo y la radiancia difusa procedente del suelo, la irradiancia

global sobre una superficie plana cualquiera viene dada por:

IT = Ib cos + 1/2(1 + cos)Id + 1/2(1 cos)Ig (3.7)donde es la reflectividad hemisfrica total del suelo circundante (ms comnmente conocida como

albedo) y es el ngulo de inclinacin de la superficie respecto del plano horizontal. Asimismo,

1/2 (1+

cos)y1/2 (1 cos) representan los factores de forma superficie cielo y superficie suelo,respectivamente.Existen otros modelos que no consideran istropa la radiacin difusa, entre ellos son de destacar los

modelos de Hay y de Prez. El primero de ellos considera al hemisferio celeste dividido en dos partes para

la contribucin de radiacin solar difusa. La primera de ellas es istropa y procede de todo el hemisferio,excepto la radiacin difusa circunsolar. Esta radiacin es direccional, y tiene un tratamiento semejante a laradiacin directa, es decir hace uso de las mismas relaciones geomtricas que determinan la radiacin solardirecta sobre una superficie inclinada.

La ecuacin que rige la cantidad de energa reflejada es por tanto de la siguiente forma:

Id(, ) = Id

Ig Id cos

I0 cos zz+

1

2(1 + cos)

1 Ig Id

I0

(3.8)

El modelo de Prez complica las ecuaciones para el clculo de la radiacin difusa reflejada en el sentidoque considera tres tramos de atmsfera diferenciados para el clculo de la radiacin difusa: La radiacin

circunsolar, la banda de horizonte y el resto del hemisferio celeste.

La ecuacin desarrollada con estas hiptesis es de la siguiente forma:

Id(, ) = Id

F1

cos

cos zz+

1

2(1 + cos) (1 F1) + F2 sin

(3.9)

DondeF1 = F11 + F12 + F13z

F2 = F21 + F22 + F23z

Siendo

=

mIb

Ib0

En la que m es la masa ptica comentada en los clculos de la atenuacin de la radiacin directa para dasdespejados y que segn Prez toma el valor dado por:

m =cos z + 0,50572 (96,07995 z)1,6364

1Ib0 es la radiacin solar extraterrestre sobre una superficie normal a la incidencia solar que vendr dada por

la constante solar multiplicada por el factor corrector de la excentricidad de la rbita Tierra-Sol (E0). Es

decir:Ib0 = IscE0

Por ltimo, los coeficientes Fi j de la ecuacin toman diferentes valores dependiendo del valor del un

parmetro , definido segn la relacin siguiente:

=Id cos z + Ib

Id cos z

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3.1. RADIACIN SOLAR

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En la tabla 3.1 se presentan los valores de Fi j en funcin del valor de :

Tabla 3.1. Valores de los factores de forma para el clculo de radiacin difusa sobre un plano inclinado yorientado arbitrariamente.

mximo mnimo F11 F12 F13 F21 F22 F23

1 1, 056 0, 04 0, 55 0, 04 0, 12 0, 138 0, 0341, 056 1, 253 0, 261 0, 559 0, 243 0, 019 0, 083 0, 0811, 253 1,586 0, 481 0, 46 0, 354 0, 077 0, 006 0, 1161,586 2, 134 0, 825 0, 187 0, 532 0, 172 0, 05 0, 1512, 134 3, 23 1, 102 0, 229 0, 586 0, 35 0, 398 0, 1713, 23 5, 98 1, 226 0, 451 0, 617 0, 444 0, 949 0, 0735, 98 10, 08 1, 367 0, 838 0, 655 0, 431 1, 75 0, 094

10, 08 0, 978 0, 812 0, 393 0, 335 2, 16 0, 186

Una vez descritos estos modelos estamos en disposicin de abordar le estimacin de la radiacin solarincidente a partir de los valores de radiacin solar global sobre superficie horizontal. Es decir dada la

radiacin global media mensual diaria sobre una superficie horizontal podemos estimar la energa solarincidente sobre cualquier plano.

Dado que no es corriente disponer de medidas de exitancia radiante del cielo en el infrarrojo trmico,

ser precisa su estimacin a partir de otras variables meteorolgicas. Numerosos autores coinciden en

abordar este problema a partir del estudio de la denominada emisividad aparente del cielo (sky) o ,alternativamente, de la temperatura aparente del cielo (Tsky), cuyas ecuaciones de definicin son:

Msky = sky (Ta)4

= (Tsky)4 (3.10)

donde Msky representa la excitancia radiante del cie lo y Ta la temperatura del aire cerca de la superficieterrestre.

Los mtodos empleados para la estimacin de una y otra magnitud se pueden clasificar en dos grandes

grupos: los tericos, que utilizan perfiles detallados de temperatura y composicin atmosfrica; y losmodelos empricos (Angstrom, 1916; Bliss, 1961; Kondratyev, 1969; Clark, 1978; Berdhal et. al., 1982;Martin et. al., 1984; etc), que establecen correlaciones entre la emisividad aparente del cielo y distintasvariables meteorolgicas, como son la presin del vapor de agua o la temperatura del bulbo hmedo del airemedidas cerca de la superficie de la Tierra. Estas correlaciones suelen ser establecidas para atmsferas sinnubes y procuran valores medios mensuales diarios u horarios de sky por lo que su utilizacin actual en

modelos detallados de simulacin pecara de cierto atrevimiento.

A pesar de ello se usarn estos modelos para evaluar la temperatura aparente del cielo con el fin de evaluar

la potencia de las tcnicas de refrigeracin radiativa.

Una caracterstica importante que deber contemplar el diseo es la proteccin solar durante el

verano, ya que de otro modo los sobrecalentamientos que se produzcan sern muy importantes, ya

que la media de radiacin solar en los meses de verano es muy elevada, estando cerca de los

mximos.

Con el fin de conocer los valores en que nos estamos moviendo, en la figura 3.4 se presenta laenerga solar incidente sobre superficie horizontal para cada mes del ao en las cinco provincias deCastilla-La Mancha.

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Figura 3.4. Radiacin a lo largo del ao en las cinco Provincias de Castilla-La Mancha.

El Sol describe un movimiento que permite afirmar que la orientacin sur es ideal paraoptimizar las ganancias solares en invierno, y minimizarlas durante el verano, siendo adems

muy fcil evitar toda ganancia mediante tcnicas de sombreado adecuadas.

3.2. ESTADO PSICROMTRICO DE LA ATMSFERA.

Pasamos a continuacin a introducir algunos conceptos y definiciones de gran utilidad a la hora de determinarel referido estado: aire como mezcla de masas seca y hmeda; formas de expresar el contenido de humedaddel aire (absoluta, especfica y relativa); presin saturante de vapor de agua, entalpa del aire hmedo,

etc. Asimismo se introducen los conceptos de temperatura de bulbo hmedo y temperatura del roco.

3.2.1. Composicin del aire. Aire seco y aire hmedo.

El aire atmosfrico contiene gran cantidad de componentes gaseosos as como diferentes tipos

de contaminantes. En condiciones ordinarias podemos considerar que contiene un75 % de nitrgenoy 23 % oxgeno, siendo el resto dixido de carbono, argn, etc., en proporciones reducidas;contiene, adems, una cierta cantidad de vapor de agua variable en funcin de la localizacin

geogrfica. La cantidad mxima de vapor de agua que contiene 1 m3 de aire corresponde a lasaturacin, siendo funcin creciente de la temperatura.

Al hablar de aire seco nos referimos a una atmsfera carente de vapor de agua y decontaminantes.

(Su peso molecular aparente en la escala del carbono es 28,9645, y la constante de los gasesde este aire es 287,055 J/Kg. K.).

El aire hmedo es una mezcla de aire seco y vapor de agua; el contenido de vapor de agua

vara desde el cero hasta un mximo dependiente de las condiciones de temperatura y presinexistentes (condicin de saturacin).

(El peso molecular del agua es de 18,01534 en la escala del carbono 12, la constante de losgases para el vapor de agua es 461,52 J/kg. K.)

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3.2. ESTADO PSICROMTRICO DE LA ATMSFERA.

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3.2.2. Presin de saturacin del vapor de agua.

El agua puede encontrarse de forma natural en los estados slido, lquido y gaseoso, dependiendo de las

condiciones de temperatura y de presin. La saturacin es un estado de equilibrio entre los estados vapor slido o vapor lquido. La presin de saturacin del vapor de agua en el aire puede estimarse, para unainterfase plana entre el aire hmedo y la fase condensada, a travs de la ecuacin (ASTM E337-84):

ln(ps) = 6353,6311T1 + 34,04926034 0,019509874T +1,2811805 105T2

(3.11)

siendo ps la presin saturante de vapor en Pa.

1. Humedad absoluta, especfica y relativa. La proporcin de vapor de agua en el aire atmosfrico seexpresa de las formas siguientes:

2. Humedad absoluta (mv) es la masa de vapor de agua por unidad de volumen de aire. Suele expresarseen Kg/m3.

3. Humedad especfica (r) es el contenido de vapor de agua por unidad de masa de aire seco; se expresaen Kg/Kg o en g/Kg, segn la ecuacin:

r = mv/ma (3.12)

donde ma representa la masa de aire seco contenida en el mismo volumen que la masa de vapor mv.

4. Humedad relativa (Hr). La relacin entre la cantidad de vapor contenida en el aire (mv) y la cantidadde vapor en el aire saturado a la misma temperatura (masa de vapor saturado = ms) se denomina

humedad relativa o estado higromtrico.

Hr = mv/ms (3.13)

A las temperaturas ordinarias, la presin parcial del vapor de agua en el aire es tan pequea que en todaslas aplicaciones prcticas puede aceptarse, sin un gran error, que se trata de un gas perfecto; por esta razn,

la presin parcial del vapor de agua ser proporcional a la masa de vapor contenida en la unidad de

volumen, y la humedad relativa podr expresarse como el cociente entre la presin de vapor de agua en elaire (pv) y la correspondiente a la saturacin (ps), ambas a la misma temperatura:

Hr = pv/ps (3.14)

Conocida la humedad absoluta, la presin parcial de vapor se calcula mediante la ecuacin:

pvV = mvRT/Mv (3.15)

siendo Mv = 18 la masa molecular del vapor de agua.

En la figura 3.5 se presenta la evolucin de la presin de vapor para diferentes temperaturas y humedades.

Figura 3.5. Evolucin de la presin de vapor de agua en la atmsfera para diferentes condiciones de humedad ytemperatura.

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Haciendo el mismo tratamiento para el aire, considerndolo como una mezcla de gases perfectos, la

presin parcial de aire seco (pa) vendr dada por:

paV = maRT/Ma (3.16)

donde Ma = 28, 96 es la masa molar equivalente del aire.

Si realizamos el cociente de las expresiones (3.15) y (3.16) se obtiene:

r = mv/ma = (pv/pa)(Mv/Ma) (3.17)

Y considerando (10):r = 0, 62198(ps/pa)Hr (3.18)

3.2.3. Entalpa del aire hmedo.

En virtud de las leyes de Joule y Dalton, la entalpa del aire hmedo ser la suma de las entalpasparticulares del aire seco y del vapor de agua a la denominada temperatura de mezcla. Referida a la

unidad de masa de aire seco, se expresa como:

h=

ha+

(mv/ma)hv=

ha+

rhv (3.19)

La entalpa del aire seco, considerado como un gas perfecto, est en funcin de la temperatura nicamente.Tomando como origen de entalpas el estado seco definido por to = 0Cy por una presin cualquiera, resulta:

ha = cpto = 1,005to (J/Kg) (3.20)

Mientras la presin sea lo suficientemente pequea, la entalpa especfica del vapor de agua slo dependerde la temperatura y, por ello, es la misma que si se tratara de vapor de agua saturado a la temperatura to. Sipara to = 0

Cse atribuye al agua una entalpa nula, para cualquier otra temperatura su entalpa vendr dadapor:

hv = cpto + qe (3.21)

donde el primer sumando representa la variacin de la entalpa como consecuencia de una variacin de latemperatura, sin producirse cambio alguno de estado, y el segundo la correspondiente al cambio de estado.

En el intervalo de temperaturas que nos interesa puede hacerse con bastante precesin la aproximacin:

qe = 2,487 2,290to (KJ/Kg) (3.22)de donde resulta:

hv = 2,487 + 1,880to (KJ/Kg) (3.23)

y la entalpa especfica del aire hmedo vendr dada por:

h = 1,005to + r(2,487 + 1,880to) (KJ/Kg) (3.24)

Esta relacin nos indica que un cambio de la humedad relativa en el aire significa un incremento de entalpaque es directamente proporcional a la temperatura y a la humedad. Esta energa la obtiene del airecircundante hasta alcanzar el equilibrio, es decir enfra el aire.

Este fenmeno puede aprovecharse para refrigeracin con una gran potencial, ya que el incremento de lahumedad relativa del aire supone considerables bajadas de temperatura, ya que la evaporacin de 1 gramode agua necesita 2,4 kJ de energa. Hay que tener sumo cuidado con esta tcnica ya que podemos llevar lahumedad relativa hasta niveles en los que se produzcan situaciones fuera de los lmites del confort, tal comose ha explicado en el captulo anterior.

3.2.4. Punto de roco y temperatura hmeda.

Se denomina punto de roco (tr)a la temperatura a la cual el vapor de agua se condensa al enfriarse el aire,manteniendo constantes la presin y la humedad absoluta. La temperatura de roco es una medida de lahumedad del aire; a dicha temperatura la presin de saturacin del vapor de agua es la presin parcial delvapor de agua del ambiente.

La temperatura de bulbo hmedo de una masa de aire es la temperatura que alcanzara dicha masa de

aire en contacto con agua lquida si, a presin constante, mediante un proceso isoentlpico, evaporsemostanta agua lquida como se precise para llevar la masa de aire de referencia a saturacin.

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3.3. ESTADO TRMICO DEL SUELO.

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Todas estas magnitudes se emplean para evaluar la cantidad de energa que puede transferirse desde al aire

para cambiar de fase el agua desde lquido a vapor. En la Captulo 7 se usarn estas relaciones para evaluarel potencial de las tcnicas refrigerativas por humidificacin del aire seco.

El estado psicromtrico (humedad) de la atmsfera es un factor determinante para alcanzar lascondiciones de confort, ya que la humedad es un parmetro clave en la consecucin de las

mismas. Asimismo, la humedad ambiente dar informacin acerca del potencial de las tcnicas

evaporativas.

3.3. ESTADO TRMICO DEL SUELO.

Adems del intercambio de energa trmica que el edificio realiza con la atmsfera que lo

circunda, existe un importante intercambio conductivo entre el edificio y el suelo sobre el que se

asienta. La causa de este intercambio energtico es, obviamente, la diferencia de temperaturas entreel edificio y el suelo.

La estimacin de la temperatura del suelo no es un problema trivial; su determinacin en

suelos homogneos y continuos es considerada como un problema clsico dentro de la teora de

conduccin del calor (Ingersoll 1954, Kirkham 1972).

Para su solucin debemos considerar el problema de un slido semiinfinito, con fluctuaciones peridicas dela temperatura superficial. Distintos equipos de investigacin durante las ltimas dcadas han recogido y

analizado datos de diversa procedencia con el fin de validar y detectar las deficiencias de la aplicacin deestos modelos tericos.

Tras laboriosos anlisis estadsticos de importantes series empricas de temperaturas de suelo, Kusuda

(1968) concluye que las temperaturas del suelo pueden ser estimadas a partir de la temperatura ambientesegn la ecuacin:

Tz,j = Tm As expz

365

cos

2j jo z

365

4

(3.25)

donde:

Tz,j = Temperatura de suelo a profundidad z (m.) en el da juliano j,

Tm = Temperatura media anual,

As = Mxima variacin anual de la temperatura ambiente,

= Difusividad trmica del suelo (m2/h),

j = Da juliano,

jo = Constante de fase (das), con el argumento del coseno en radianes.

En la figura 3.6 se representan las temperaturas media (anual Tmean y mensual To), mxima ymnima (mensuales, Tmax y Tmin) y temperaturas de suelo Ts1, Ts2 y Ts3 a profundidades 0,5, 1 y1,5 m. de la superficie para datos medios mensuales (periodo 196190) de Madrid, tomando = 1/30 y jo = 10 das (segn ecc.23).

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Figura 3.6. Temperatura del suelo para distintas profundidades. Datos Madrid 196190

El suelo presenta una gran inercia trmica, lo cual hace que, a medida que se alcanzan capas

ms profundas, la temperatura sufra un amortiguamiento mayor, y el desfase temporal seams acusado. Alrededor de los 14 m la temperatura es prcticamente constante e igual a latemperatura media anual de la zona.

3.4. VIENTO.

El viento es un elemento climtico de suma importancia en la arquitectura. Aparte de su

incidencia en la estabilidad de los edificios, debe tenerse muy en cuenta por su influencia en elaislamiento trmico y las infiltraciones. Los intercambios calorficos en las paredes expuestas al

viento se reflejan por un aumento de los coeficientes superficiales de transmisin de calor de murosy cubiertas. Su repercusin es an mayor en muros poco aislados y especialmente en los huecos

acristalados.

El viento, aire en movimiento, se genera cuando existe una diferencia de presiones entre dos puntos de lasuperficie terrestre; es el resultado de la accin de cuatro fuerzas: los gradientes de presin atmosfrica, lafuerza centrfuga, la desviacin de Coriolis, y las fuerzas de rozamiento. La energa que lo produce provienedel Sol, bien directamente (calentamiento de la superficie terrestre), bien indirectamente (condensacin del

vapor de agua). Se caracteriza por su velocidad y direccin; la WMO defini la velocidad del viento como

un vector tridimensional que presenta espacial y temporalmente unas pequeas fluctuaciones que se

superponen a un flujo organizado a mayor escala.

Como la componente vertical de la velocidad del viento es relativamente reducida comparada con los

componentes horizontales, en el campo en que nos movemos el viento se considera como un movimiento

exclusivamente horizontal (aunque en ocasiones pueden aparecer de forma local corrientes oblicuas) a 10 mde altura en campo abierto. La WMO (1971) define como campo abierto un rea en la cual la distanciaentre el instrumento de medida y cualquier obstculo sea de, al menos, 10 veces la altura de dicho obstculo.

As pues, en el contexto del problema trmico que nos ocupa, el viento queda definido como una magnitudvectorial bidimensional sobre un plano horizontal cuya direccin se expresa en grados sexagesimales(acimut) contabilizados a partir del norte verdadero y su mdulo (tambin designado en la prctica como

velocidad) en unidades del sistema internacional (m/s).

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eficiencia energertica en edificios

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