ARQUITECTURA SOLAR PASIVA, CLIMA Y SOSTENIBILIDAD. Conceptos, Métodos y EJemplos

La exposición “La Energía Solar en la Arquitectura”, donde expusimos nuestras propuestas y colaboramos como asesores, el arquitecto Ramón Cobo Bolívar y el autor de este libro, se realizó en 1976 en la Sala de Exposiciones del INCE del Ministerio de la Vivienda (MV) y cuyo montaje fue realizado por el equipo dirigido por el arquitecto Carlos de Miguel. Esta exposición fue la primera en su género realizada en España, propiciada por la crisis del petróleo de 1973, la cual dio lugar a un gran desarrollo de nuevas fuentes renovables de energía, como la energía solar.

A partir de dicha exposición, el Servicio de Publicaciones de dicho Ministerio me solicitó que escribiera un libro para su publicación. Su título fue: “La energía solar en la edificación” (MV) 1976. Años mas tarde, publicamos otras dos obras, la primera en 1982, titulada: “Energía Solar Edificación y Clima”, en dos tomos, en el Servicio de Publicaciones del Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU).

La segunda en 1988, titulada: “Arquitectura Solar. Aspectos pasivos, bioclimatismo e iluminación natural”, también en el Servicio de Publicaciones del MOPU.

Después del cambio de siglo, redacté un nuevo libro, cuyo título es: “Arquitectura solar e iluminación Natural”, el cual se publicó en el año 2008. Desde la publicación anterior, nos propusimos redactar el presente libro.

En esta nueva publicación hemos condensado los conceptos fundamentales sobre: el clima, la transmisión del calor, el método bioclimático, la radiación solar, la ventilación natural, teoría del comportamiento térmico de los edificios, los sistemas pasivos de calefacción y refrigeración, y un resumen sobre actuaciones en distintos climas.

Por último, cerramos la obra con dos capítulos, uno dedicado al cambio climático y otro dedicado a la energía fotovoltaica. Se han incorporado nuevos apartados y nuevos ejemplos respecto a nuestras publicaciones anteriores.

ÍNDICE COMPLETO DEL LIBRO:

CAPÍTULO 1.-CLIMA Y ARQUITECTURA. 1.1.- Clima y arquitectura . 1.2.- Sócrates y Vitruvio. 1.3.- Las ciudades de la Antigüedad. 1.4.- Estudios de soleamiento. 1.5.- Estudios de Gropius. 1.6.- Frank Lloyd Wright y Le Corbusier frente al clima. 1.7.- El Movimiento Moderno y el clima. La posición de Alvar Aalto.

CAPÍTULO 2.- EL CLIMA. Conceptos elementales. 2.1.- Introducción al clima. 2.2.- Factores geográficos que condicionan el clima. 2.3.- Nota sobre el efecto Föehn. 2.4.- Sobre el intercambio de energía entre la superficie terrestre y el cielo. 2.5.- Magnitudes y parámetros del clima. 6.- Grados-día. 2.7.- Clasificación básica de los climas. 2.8.- Microclima. La isla térmica.

CAPÍTULO 3.- TRANSMISIÓN DE CALOR. Conceptos Elementales. 3.1.-Introducción. 3.2.- Ecuación general de la conducción del calor. 3.3.- Conducción. Conductividad y Conductancia. 3.4.- Resistencia térmica. Coeficiente de transmisión U. 3.5.- Convección. 3.6.- Radiación. 3.7.- Propiedades ópticas y radiantes de las superficies. 3.8.- Ángulo sólido. 3.9.- Magnitudes de la radiación. 3.10.- Las leyes de Lambert aplicadas a la radiación térmica. 3.11.- Radiancia uniforme emitida y recibida por una superficie. 3.12.- Potencia radiante emitida por una superficie DA sobre una superficie hemisférica.  3.13.- Cuerpo negro. 3.14.- Distribución espectral de la energía emitida por el cuerpo negro. 3.15.- Ley de Stefan–Boltzmann. 3.16.- Ley de desplazamiento de Wien. 3.17.- Ley de Kirchhoff. 3.18.- Superficies selectivas. 3.19.- Cuerpos grises. 3.20.- Factor de forma. 3.21.- Intercambio radiante entre superficies negras y grises. 3.22.- Nota sobre el cálculo del factor de forma.

CAPÍTULO 4.- CARTA PSICROMÉTRICA. BIENESTAR TÉRMICO. 4.1.- Introducción. 4.2.- Magnitudes físicas del aire húmedo. 4.3.- La Carta psicrométrica. 4.4.- Procesos psicrométricos. 4.5.- Saturación adiabática. 4.6.- Condiciones del bienestar térmico. Mecanismos de adaptación. 4.7.- Balance térmico del cuerpo humano. 4.8.- Temperatura radiante media . 4.9.- Temperatura operativa.  4.10.- Temperatura efectiva TE. 4.11.- Trazado de isotermas de TE. Delimitación de la zona de confort. 4.12.- La carta de confort de la ASHRAE.

CAPÍTULO 5.-EL MÉTODO BIOCLIMÁTICO. 5.1.-Introducción. 5.2.- El método bioclimático de Olgyay.  5.3.- Actuaciones para adaptar el edificio al clima según Olgyay. 5.4.- Método de Olgyay para el diseño de una protección solar. 5.5.- Los cuatro tipos climáticos básicos. 5.6.- El impacto térmico y el factor de forma en los edificios. 5.7.- Criterio de la forma óptima. 5.8.- Nota sobre el cálculo de la forma óptima. 5.9.- Casa solar pasiva de Olgyay en Princeton.  5.10.- El método bioclimático de Givoni. 5.11.- El diagrama bioclimático de Givoni y sus ampliaciones. 5.12.- El diagrama bioclimático aplicado a Madrid. 5.13.- Algunas actuaciones experimentales.

CAPÍTULO 6.- GEOMETRÍA SOLAR Y SOLEAMIENTO.  6.1.- Tierra y Sol. 6.2.- Movimiento aparente del Sol. 6.3.- Hora solar. Ecuación del tiempo.  6.4.- Esfera celeste. Coordenadas solares. 5.- Declinación. 6.6.- Ángulo cenital. 6.7.- Ángulo horario. 6.8.- Ángulos del orto y del ocaso. Duración del día. 6.9.- Posición del Sol. Transformación de coordenadas. 6.10.- Ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre un plano cualquiera. 6.11.- Ángulo de incidencia de la radiación solar directa sobre un plano horizontal y vertical. 6.12.- Soleamiento y separación entre edificios. 6.13.- Cálculo analítico de una protección solar horizontal. 6.14.- Cálculo gráfico de una protección solar horizontal. 6.15.- Procedimiento simplificado. 6.16.- Cartas Solares. Carta cilíndrica y estereográfica.  6.17.- Aplicación de la carta estereográfica. Ejemplo con obstáculo.

CAPÍTULO 7.- LA RADIACIÓN SOLAR. 7.1.- Magnitudes físicas de la radiación solar. Irradiancia e irradiación. 7.2.- La Constante Solar. Irradiación extraterrestre. 7.3.- El espectro solar. 7.4.- Radiación solar terrestre. Ley de Bourguer-Lambert. 7.5.- Radiación solar disponible. 7.6.- Radiación solar incidente. La fachada Sur. 7.7.- La temperatura sol-aire. 7.8.- El efecto invernadero. 7.9.- El factor solar. 7.10.- El factor de sombra. 7.11.- Transmisión de calor en ventanas. 7.12.- Tipos de vidrio.

CAPÍTULO 8.- LA VENTILACIÓN NATURAL. 8.1.- Introducción.  8.2.- Magnitudes y leyes físicas. 8.3.- Velocidad del viento.  8.4.- La presión del viento. 8.5.- Orientación eólica. Sombra eólica. 8.6.- Los dos sistemas de ventilación natural.  8.7.- Flujo de aire en la ventilación cruzada. 8.8.- Flujo requerido para evacuar el calor que se genera en un local. 8.9.- Calor evacuado por renovación de aire. 8.10.- Efecto refrigerante en la piel por la velocidad del air. 8.11.- La ventilación por presión del viento. 8.12.- Ventilación por diferencia de temperaturas. 8.13.- Nota sobre la chimenea solar. 8.14.- Dos propuestas de ventilación natural.

CAPÍTULO 9.- COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE LOS EDIFICIOS. 9.1.- Flujo de calor a través de la envolvente. 9.2.- El método de los grados-día. 9.3.- Aislamiento térmico en ventanas y muros. 9.4.- Aislamiento translúcido. 9.5.- Capacidad térmica. 9.6.- Muro homogéneo de gran espesor sometido a oscilaciones periódicas de temperatura. 9.7.- Amortiguación y desfase en muros homogéneos de gran espesor . 9.8.- Efecto de la posición del aislamiento. 9.9.- Nota sobre la constante de tiempo térmica TTC. 9.10.- Flujo de calor no estacionario. 9.11.- Aplicación a la arquitectura subterránea. 9.12.- Flujo de calor no estacionario con temperatura sol-aire.  9.13.- Eficiencia energética. Intensidad energética. 9.14.- Nota sobre las exigencias básicas de ahorro de energía (HE) en el Código Técnico de la Edificación (CTE). 9.15.- La Directiva 2010/31/UE y su reciente modificación.

CAPÍTULO 10.- SISTEMAS PASIVOS DE CALEFACCIÓN. 10.1.- Los tres sistemas básicos de calefacción solar pasiva. 10.2.- Ganancia directa. 10.3.- Ganancia solar neta. 10.4.- Absorbancia efectiva de un local. 10.5.- Muro acumulador térmico.  10.6.- Invernadero adosado. 10.7.- Método 5000. 10.8.- Cálculo simplificado. Factor de utilización FU. 10.9.- Resultados de algunas experiencias en calefacción solar. 10.10.- Consideraciones generales en climas templados. 10.11.- Resumen de aspectos básicos bioclimáticos y pasivos. 10.12.- Aspectos económicos.  10.13.- Dos propuestas de edificios de viviendas de promoción pública.

CAPÍTULO 11.- SISTEMAS PASIVOS DE REFRIGERACIÓN. 11.1.- Introducción. 11.2.- La reducción del impacto solar. 11.3.- La ventilación nocturna. 11.4.- Refrigeración por evaporación del agua. 11.5.- Torres eólicas. 11.6.- Cubierta vegetal. 11.7.- Nota en torno a la Termodinámica. 11.8.- El terreno como fuente de calorías y frigorías. 11.9.- Nota sobre la bomba de calor. 11.10.- Principios para el acondicionamiento natural de edificios en regiones áridas de cielo despejado. La radiación nocturna. 11.11.- Refrigeración natural de un edificio con patio.

CAPÍTULO 12.-RESUMEN DE ACTUACIONES EN DISTINTOS CLIMAS. 12.1.- Actuaciones en distintos climas. 12.2.- Actuaciones en el clima mediterráneo. 12.3.- Actuaciones microclimáticas. 12.4.- Resumen sobre la aplicación del método bioclimático.

CAPÍTULO 13.- CAMBIO CLIMATICO Y SOSTENIBILIDAD. 13.1.- La situación actual. 13.2.- Sobre el cambio climático. 13.3.- La sostenibilidad.  13.4.- Algunas consideraciones arquitectónicas Alvar Aalto. Salud y la economía de la construcción. 13.5.- Hacia una arquitectura más sostenible. 13.6.- Nota sobre la rehabilitación energética. Propuestas para Paris. Jean Nouvel. 13.7.- Actuaciones desde el Urbanismo. Ciudades más sostenibles.  Le Corbusier y las grandes ciudades norteamericanas. Richard Rogers y la ciudad de Londres. Ciudad. Proyecto ó Plan. 13.8.- La manzana Cerdá. 13.9.- Eco barrios. Richard Rogers. Parc Bit en Mallorca Kronsberg. Solar City Linz. T. Herzog, N. Foster y R. Rogers. Eco-barrio de Hammarby Sjöstad. Estocolmo. Copenhague. Rehabilitación en Nyhavn. 13.10.- Jean Nouvel en Australia. 13.11.- Nueva ciudad en el desierto, Masdar,  N Foster, MIT.  13.12.- Epílogo.

CAPÍTULO 14.- ENERGIA FOTOVOLTAICA. 14.1.- Introducción. 14.2.- Células solares. Efecto fotovoltaico. 14.3.- Circuito equivalente de una célula solar. 14.4.- Magnitudes básicas. Curva característica de una célula. 14.5.- Rendimiento de una célula. 14.6.- El módulo fotovoltaico.  14.7.- Orientación e inclinación de los paneles. 14.8.- Otros componentes de las instalaciones fotovoltaicas. 14.9.- La vivienda fotovoltaica. 14.10.- Cálculo simplificado de una instalación fotovoltaica doméstica. 14.11.- Concentración. 14.12.- Instalaciones conectadas a la red eléctrica. 14.13.- Nota sobre la DB-HE 5: Contribución fotovoltaica mínima de energía eléctrica según el CTE. 14.14.- Proyecto de fuente fotovoltaica.

Bibliografía.

Anexo 1. Tablas de radiación y temperaturas .

Anexo 2. Símbolos magnitudes y unidades.