1. Introducción

En el marco del programa Mo-nitor desarrollado por la Comuni-dad Europea durante los últimosaños, se han llevado a cabo diver-sos estudios de implantación y se-guimiento de proyectos de arqui-tectura solar pasiva con el objetode obtener unas condiciones ade-cuadas de confort con el mínimoconsumo energético.

En el presente artículo se pre-senta el caso de una viviendaunifamiliar experimental, térmi-camente optimizada, situada enla zona de Oporto (Portugal) ycuyo seguimiento durante variosaños ha demostrado la eficaciade la incorporación de las técni-cas de la arquitectura solar pasi-va a la contribución de los aho-rros energéticos en el sector de lavivienda.

2. Objetivo del proyecto

El objetivo de este proyecto haconsistido en el diseño y estudioenergético de una típica viviendaunifamiliar de 150 m2 concebidapara ser construida aislada o bienintegrada en un conjunto de casaspareadas. Se pretende que el dise-ño arquitectónico desde el puntode vista energético permita que lacasa mantenga un aceptable nivelde confort tanto en invierno comoen verano, reduciendo al máximoel consumo de combustible en ca-lefacción, así como el uso de siste-mas de ventilación y refrigeraciónactivos, objetivos asumibles porlas condiciones climáticas de lazona.

En la foto 1 se muestra unacasa, en la que pueden observar-se las superficies acristaladas dela planta baja y las paredesTrombe del primer piso, así comolos paneles solares colocados enel tejado para la producción deagua caliente sanitaria. La figura1 presenta un perfil del alzadocon orientación norte-sur y en lafigura 2 se muestra la distribu-ción en planta de la planta baja yprimer piso.

3. Característicasdel diseño con elobjetivo de ahorroenergético

El diseño de la construcciónpresenta las siguientes caracterís-ticas a fin de obtener el máximoahorro de energía:

a) Orientación: las habitacionesse orientan hacia el sur, existiendo

M. VILLARRUBIA y L. JUTGLARFacultad de Física.

Universidad de Barcelona

Arquitectura solar pasivaAhorro energético en calefacción

MONTAJES E INSTALACIONES - FEBRERO 1999

Foto 1. Vivienda objeto del es-tudio experimental de optimi-zación energética

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sólo dos pequeñas ventanas en lacara norte (Figs. 1, 2 y 3).

b) Sombras: a fin de proteger lacasa frente a las ganancias solaresde verano, se dota el edificio de losadecuados aleros, voladizos y con-traventanas, diseñados de tal ma-nera que permitan la captación dela radiación solar en invierno e im-pidan su acceso en verano (Fig. 4).

c) Aislamiento: la casa poseeaislamiento exterior, las ventanasson de carpintería de madera y es-tán dotadas de doble cristal y bur-letes anti-infiltración de aire. En lacara norte se coloca un terraplénajardinado de tierra que actúa co-mo abrigo o protección térmica.

d) Almacenamiento de calor: afin de aumentar la inercia térmica,la casa se construye con materia-les de alta densidad y a su vez lacapacidad de almacenamiento tér-mico se aumenta mediante la co-locación de tubos verticales llenosde agua, muros Trombe y chime-nea central (Fig. 4, fotos, 2 y 3).

e) Ventilación natural: sistemade ventilación situado en la caranorte a fin de facilitar ventilacióncruzada o transversal.

f) Iluminación: durante el día através de superficies traslúcidas(lucernarias) situadas en el tejadopara facilitar la iluminación de es-caleras, pasillos y comedor-salade estar.

g) Agua caliente sanitaria: a tra-vés de paneles solares colocadosen el tejado de la casa.

4. Característicastécnicas, energéticas y climatológicas del proyecto

El proyecto se ubica en las pro-ximidades de Oporto (costa atlán-tica portuguesa) con un clima se-co y soleado en verano, suavizadopor la proximidad del mar, y tem-plado y húmedo en invierno. Lascaracterísticas técnicas, energéti-cas y climatológicas del proyectose muestran en la Tabla I.

5. Característicasconstructivas

La casa está edificada sobreuna elevación artificial del terreno

Fig.1. Perfil del alzado de la construcciónperfectamente orientada hacia el sur

NorteSur

H Fachada surP

P Fachada norte

Fig.2. Alzado de laedificación. Fachadasur y norte

Fig.3. Distribución en planta de la planta baja y primer piso

Q Planta baja

Primer piso R

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de un metro de altura sobre el ni-vel circundante. Orientada hacia elsur, presentando sólo dos peque-ñas ventanas de ventilación en sucara norte. Las habitaciones prin-cipales se sitúan en la parte cen-tral, dejando a los lados de lasmismas las áreas de servicios conlo que se crea una zona de circu-lación alrededor de las estanciasprincipales. Asi mismo, en el cen-tro de la casa se sitúa una chime-nea de salida de humos del hogarde leña del salón.

La estructura es de hormigónprefabricado. Tanto las paredesinteriores como exteriores son de

bloques de hormigón de 200 mmde espesor. Las paredes exterio-res, incluidas la columnas, estánaisladas por su parte exterior conun espesor de 50 mm de poliesti-reno expandido y revocadas porsu cara exterior con mezcla de ce-mento y arena. Los techos de lashabitaciones también están pro-vistos del mismo espesor de aisla-miento.

El suelo está constituido poruna losa de hormigón de 150 mmde espesor con un aislamiento de25 mm situado en su cara inferior.La primera planta es de hormigónprefabricado. El tejado está aca-

Foto 2. Aspecto exterior de la fachada sur. En el pri-mer piso pueden observarse las paredes Trombe y enla planta baja la superficie acristalada

Foto 3. Vista interior de la sala de estar. A la izquierdapueden observarse tres de las seis columnas llenasde agua

Talud detierra aislante

Pared Trombesuministra airecaliente a lashabitaciones

Columnas cilíndricas llenas de agua

Paneles solares para ACS

Columnas de aguay muros Trombesombreados poraleros en voladizo

Operación: temporada de calefacción Operación: temporada de refrigeración

Fig.4. Diseño solar pasivo: modos de operación en temporada de calefacción y de refrigeración

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Tabla ICaracterísticas técnicas, energéticas

y climatológicas del proyecto

Edificación● Volumen: 326 m3

● Superficie total en planta: 145 m2

● Superficie de tejado: 96 m2

● Superficie de cerramiento exteriores (sin ventanas): 164 m2

● Superficie de ventanas: 20 m2 (orientadas al sur 16.2 m2)● Muros Trombe: 7.5 m2

Características térmicas● Coeficiente de transmisión de calor U (W/m2 K)● Tejado: 0, 4 ● Suelo: 0,95 ● Paredes exteriores: 0,6● Ventanas: 3,1 (sin persiana), 2,3 (con persiana)● Coeficiente global medio del edificio. U = 0,71 W/m2 K● Coeficiente global de pérdidas: 330 W/K● Tasa de infiltración: 0,3 a 0,9● Temperatura exterior de diseño para calefacción: -1°C● Superficie a calefactar: 70 m2

● Volumen a calefactar: 176 m2

● Carga térmica anual neta: 96 kWh/m2 año (0,35 GJ/m2 año)

Situación y condiciones climáticas● Altitud: nivel del mar (0 m)● Latitud: 41,1 N Longitud:. 8,7° W● Temperatura media: enero 8,5°C julio 20,5°C ● Grados día (base 18): 1.615● Irradiación solar global (sobre superficie horizontal): 5.312 MJ/m2

● Insolación anual (número de horas de sol anuales): 2.667

Aire frío

Cilindro llenode agua

Persiana enrrollable

Aire caliente

Pared Trombe

Persiana enrollablepara aislamientonocturno y protec-ción solar en verano

H Fig.5. Sección transversal de la pa-red Trombe (primer piso). En el interiorde la habitación dos aberturas situa-das en la parte superior e inferior fa-cilitan la circulación de aire caliente

Q Fig.6. Sección transversal dela cara sur de la sala de estar(planta baja), donde se mues-tra el cilindro lleno de agua

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bado por teja roja y todas las ven-tanas van provistas de doble cris-tal.

6. Diseño solar pasivo

Dado que el objetivo del pro-yecto es prescindir al máximo desistemas de calefacción conven-cionales, la edificación se concibeaplicando los principios del diseñosolar pasivo a fin de aprovechartodas las ganancias solares direc-tas y las indirectas mediante lainstalación de paredes Trombe(Fig. 5), en cada una de las treshabitaciones orientadas al sur y laincorporación de un sistema de al-macenamiento térmico.

Las ganancias directas se con-siguen a través de los 16,2 m2 desuperficie acristalada de ventanas(orientadas al sur) que correspon-den a 12,2 m2 de ventanal de sa-lón y 4 m2 a las habitaciones. Lasganancias se aumentan colocandouna pavimentación en la terrazade color claro y superficie poco ru-gosa a fin de favorecer la reflexiónsolar sobre las superficies vidria-das.

Cada dormitorio tiene 1,3 m2

de superficie acristalada de ven-tana y 2,5 m2 de muro Trombe afin de aumentar las gananciasenergéticas y elevar la tempera-tura ambiente y de paredes ra-diantes durante el período noc-turno.

La pared Trombe está cons-truida por bloques de hormigónprefabricado de 300 mm de es-pesor con doble cristal y cámarade aire de 50 mm. Está provistade ventiladores en sus partes su-perior e inferior para favorecer lacirculación del aire y dotada conpersiana enrollable para proveersombra en verano y evitar laspérdidas de calor durante los pe-ríodos nocturnos en invierno(Fig. 5).

Con carácter experimental y afin de estudiar su comportamien-to sobre la inercia térmica del edi-ficio, se han instalado seis colum-nas cilíndricas de fibra de vidriode 250 mm de diámetro, conte-niendo cada una de ellas 180 li-tros de agua. Se han colocado enla sala de estar, situadas en los la-terales del ventanal, tres a cadalado del mismo. Estas columnas

absorben la radiación solar inci-dente sobre las mismas, para li-berar posteriormente el calor cap-tado durante las horas nocturnas(Fig. 6).

Para favorecer las condicionesde refrigeración de la casa durantela temporada de verano se evitanlas ganancias solares, proyectandoadecuadamente los aleros voladi-zos, de forma que su sombra pro-yectada sobre la fachada consigaproteger a la misma de la radia-ción solar directa. Además lasventanas se protegen exteriormen-te mediante persianas enrollablese interiormente se favorece la cir-culación del aire mediante la ade-cuada disposición de puertas yventanas y ventiladores colocadosen la cara norte.

Fig.7. Disposi-ción del hogaren sala de estary s istema decalefacción poragua caliente yrecuperaciónde calor de hu-mos de chime-nea

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7. Sistemas de calefacción de apoyo

El principal sistema de calefac-ción de apoyo lo constituye el ho-gar situado en el salón de la vi-vienda (Fig. 7). Está dotado de unsistema de recuperación de calorque genera agua caliente que ali-menta a los radiadores de calefac-ción de las habitaciones de la pri-mera planta. La convección es for-zada a través de una bomba deagua de impulsión. Además la chi-menea se ha proyectado de formaque su trazada discurra vertical-mente por el centro de la casa afin de aprovechar el calor latentede humos antes de su expulsión alexterior.

El sistema de calefacción secomplementa con radiadores o ca-lefactores eléctricos situados encada una de las habitaciones prin-cipales con una potencia unitariade 1,5 kW. Su uso esta previstopara la cobertura de puntas dedemanda de calor cuando el hogarno esté en funcionamiento.

El agua caliente sanitaria (ACS)se suministra a través de panelessolares situados en el tejado, y suspuntas de demanda o períodos sinsuficiente radiación solar se cu-bren con un calentador eléctrico.

8. Programa experimental deoperación y resultados obtenidos

La monitorización de la casapermite medir en continuo (cadahora), a través de un conjunto desensores, las siguientes variables:

- Temperatura de cada habita-ción.

- Condiciones ambientales exte-riores (temperatura, humedad,viento, radiación solar).

- Consumo energético y tipo deuso del mismo.

El programa de experimenta-ción ha consistido en el estudio dedos períodos invernales. En el pri-mero de ellos se ha estudiado lacasa en régimen de temperatura li-bre flotante (es decir sin aporte de

Demanda total

Apoyo

Temperatura interior

Temperatura exterior

Cobertura solar

Fig.9. Demanda men-sual de energía paracalefacción y cobertu-ra solar junto con ener-gía auxiliar de apoyo

Fig.10. Variación de lamedia mensual de lastemperaturas interior yexterior de la vivienda

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Fig.8. Irradiación solar diaria (media mensual) sobre la superficie horizon-tal y temperaturas medias mensuales correspondientes al emplazamientode la vivienda

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energía de apoyo de ningún tipo) yen el segundo invierno se ha ter-mostatizado toda la vivienda a18°C) aportando la correspondien-te energía de apoyo, en su caso,para mantener estas condicionesinteriores.

Los resultados obtenidos sepueden resumir en los siguientespuntos:

a) Durante el primer período in-vernal (sin energía de apoyo) latemperatura media más baja al-canzada en el interior de la vivien-da fue de 15°C durante el mesmás frío (enero), alcanzándose latemperatura mínima de 13°C du-rante sólo 35 horas en ese mes.En la figura 8 se muestra la varia-ción en media mensual de la irra-diación solar diaria sobre la super-ficie horizontal y la temperaturamedia exterior.

b) En el segundo invierno (casatermostatizada a 18°C) la energíasolar aportó el 45% de la demandade calefacción. El invierno consi-derado resultó algo más severoque el correspondiente al valormedio climático (un número degrados-día un 6% mayor y una ra-diación solar un 9% menor que lacorrespondiente a la media).

c) Comparando esta casa expe-rimental con una convencional delas mismas características y ubica-ción, resulta un ahorro de un 73%de energía destinada a calefac-ción. En la figura 9 se muestra lavariación mensual de la demandatotal de energía de calefacción, lacobertura solar y la energía deapoyo. En la figura 10 se presentala variación de la temperatura ex-terior e interior de la vivienda du-rante el período de tiempo estudia-do.

La distribución de consumosenergéticos de la vivienda es:

- Calefacción: 3.085 kW (36%).- Consumo equipamiento do-

méstico: 4.178 kWh (49 %).- Iluminación: 729 kWh (9 %).- Agua caliente sanitaria: 513

kWh (6 %).

d) Las paredes Trombe demos-traron ser muy efectivas, mientrasque las columnas cilíndricas llenasde agua apenas introdujeron mejo-ras apreciables, por lo que su in-clusión en futuros proyectos esmuy cuestionable.

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