Universidad Rafael Urdaneta Escuela de Arquitectura Cátedra: Acondicionamiento Ambiental II Profesor: Arq. Álvaro González
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO EN BASE A LOS FACTORES AMBIENTALES CONTROLABLES PARA LOGRAR BIENESTAR TÉRMICO
MOVIMIENTO DEL AIRE
TEMPERATURA DEL AIRE
HUMEDAD
RADIACIÓN
SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO
Extractores de aire
Claraboyas operables
MOVIMIENTO DEL AIRE Aberturas a nivel de piso y alero
Pared de Trombe
Sistema doble pared
Aberturas en el techo
SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO
Extractores de aire
Claraboyas operables
MOVIMIENTO DEL AIRE Aberturas a nivel de piso y alero
Pared de Trombe
Sistema doble pared
Aberturas en el techo
Chimeneas de aire, fjas y operables
Sistema Hill, Australia
Chimeneas solares
Torres de viento
Ventilación solar inducida
Respiradores de aire, Irán
Sistema de ventilación inducida y controlada en viviendas, Nigeria
ENFRIAMIENTO CON EXTRACTORES DE AIRE Es un sistema económico, se ubica en la parte alta de los techos. Pueden ser usados para varias funciones:
Sección de la vivienda
Para mantener la temperatura fresca durante el próximo día, cuando el extractor se deja prendido durante toda la noche, la casa se enfría a una temperatura mas baja, impidiendo que la temperatura ambiente se eleve excesivamente durante el día siguiente
Para suministrar el ujo de aire a través de la vivienda
Para extraer el aire caliente a través de la vivienda
Planta de la vivienda
CLARABOYAS OPERABLES
Actúan como ventiladores, permitiendo a su vez la iluminación natural. Tienen la ventaja de poder exponerse a los vientos, independientes de su dirección
El ujo de aire de las claraboyas varía con la dirección de viento, la velocidad, la diferencia de presión entre el interior y el exterior, y la temperatura
La brisa exterior uirá hacia afuera
ABERTURAS A NIVEL DE PISO Y ALERO
malla de protección cerramiento
Aberturas ubicadas debajo o entre los espacios de las vigas vienen a ser un sistema económico de ventilación perimetral
El aire caliente del interior se eleva y sale por las aberturas superiores. A su vez el aire más fresco entrará por las aberturas inferiores a nivel de piso, produciendo el ciclo de ventilación
Pequeñas protecciones o cerramientos abisagrados previenen la inltración cuando se cierra, a su vez los aleros protegen las aberturas superiores
PARED DE TROMBE
Los elementos requeridos para una pared de trombe son: Un área colector de vidrio, una masa de almacenamiento ubicada directamente en el interior del vidrio.
Los materiales de almacenamiento identicados en la pared es de trombe, incluyen concreto, adobe, piedra y compuestos de ladrillos, bloques y arenas. Aun cuando este sistema fue diseñado para calentar los espacios interiores en invierno,
también puede ser utilizado en verano para proveer ventilación inducida en los espacios interiores.
SISTEMA DE DOBLE PARED
Este sistema consiste en una doble pared ventilada, usada en ciudades o países de clima calientes.
El aire calentado por el sol se eleva dentro de las cavidades de la pared y arrastra por la parte inferior de la pared el aire más fresco del exterior ventilando la estrucutura en su totalidad El espacio entre las paredes actúa como aislante
ABERTURAS EN EL TECHO: MONITOR, CHIMENEAS, TURBINA La extracción del aire del interior por medios naturales pasivos, se logra en este caso en el punto mas alto del techo, lugar donde se acumula el aire caliente El
sistema
MONITOR
Monitor,
Chimenea y la Turbina, son adecuados para la extracción de aire caliente, acumulado en el interior de los espacios. Cuando
se
combinan
con mallas y pequeños cerramientos
aislantes,
son ecaces para ventilar espacios interiores.
CHIMENEA
TURBINA
CHIMENEAS DE AIRE, FIJAS Y OPERABLES Sistema para inducir viento en el interior de los espacios La adecuada posición de las aberturas de salida en combinación con las entradas de las chimeneas permiten una distribución pareja en el interior de los espacios Cuando la dirección del viento cambia se puede usar un sistema bidireccional
CHIMENEAS SOLARES
Utilizan el calor solar para reforzar la convección natural del aire Debido a que el metal negro se calienta durante el día, el aire en su interior se calienta, se
expande y se eleva, arrastrando el aire interior hacia afuera Habilidad de autobalance, cuando más caliente el día más se calienta la chimenea y más rápido será el movimiento del aire.
La forma el área y la altura de la chimenea, determina el ujo de aire Almacena calor durante el día y continúa extrayendo el aire caliente durante la noche (Actúa como ventilador nocturno)
VENTILACIÓN SOLAR INDUCIDA
cortina radiante
aire fresco del interior
Ventanas con cortinas de barreras radiantes o una masa solar pueden ser usadas como ventilación inducida
El calor se acumula detrás de los vidrios, calentando el aire y elevándolo Al permitir al aire caliente ventilar hacia afuera en la parte superior del espacio arrastra el aire del interior hacia el exterior, siendo reemplazado por aire fresco desde un espacio
interior que debe estar sombrado y en orientación hacia las brisas dominantes.
Hill, construyó un prototipo en
SISTEMA HILL
el cual se conformó un espacio de aire de aproximadamente 15 centímetros, entre los
paneles del techo y una lámina de aluminio, jado en la parte inferior de las vigas. En la parte mas baja de esta estructura, existe una abertura o entrada hacia el espacio
habitable, y en el caballete del tejado, el espacio del aire continúa verticalmente, a una altura de 1.20 metros, a los
largo de toda la edicación, también fue suministrada a nivel de piso.
Sistema Hill en Pont Moresby, Australia
TORRES DE VIENTO Las Torres de viento son estructuras de mampostería diseñadas para proveer circulación natural de aire en
los diferentes ambientes del edicio. Tiene la ventaja básica de ser completamente pasivas en sus operaciones, suministrando un grado
bienestar térmico por muchos siglos a aquellas personas que no tenían acceso a otra fuente de energía.
Operación Nocturna: Cuando no sopla la risa en la noche, la torre actúa como chimenea. Las Paredes de la torre ABC Y D, las cuales se han calentado durante el día, transferencia de calor el aire frio de la noche por medio de aberturas. Esta acción de chimenea de la torre mantiene la circulación del aire en los
Operación de las torres de viento en verano
ambientes del edicio.
TORRES DE VIENTO Operación Diurna: Cuando no sopla la brisa durante el día, la torre opera de forma inversa a una chimenea. El aire caliente del exterior en contacto
con las frías paredes A y B enfriados durante la noche anterior) es enfriado
y arrastrado hacia abajo a través del pasaje 2 y 3. Este aire puede ser sacado a través de la puerta 4 y 6. Cuando sopla brisa, la circulación
de aire y la tasa de enfriamiento se incrementa y el aire frio puede alcanzar grandes distancias.
Operación de las torres de viento en verano
RESPIRADERO DE AIRE Estos respiraderos funcionan bajo el principio de que el aire
que uye en objetos cilíndricos incrementa su velocidad al tiempo que se incrementa mientras que la presión decrece en el ápice o cima de estos objetos. Los
techos cilíndricos y en forma de domo han sido empleados en las regiones áridas del irán
Son más livianos y no requieren de vigas de madera
Mayor coeciente de transferencia de calor y mayor área en relación con techos planos
Respiradero de aire en Irán
El área de transferencia de calor por convección es mayor en los techos curvos, lo que permite un enfriamiento mas rápido del techo curvo que el plano. Cuando se perfora el ápice del domo en el techo, la baja presión creada en este punto produce una succión
SISTEMA DE VENTILACIÓN INDUCIDA Y CONTROLADA EN VIVIENDAS La vivienda es de una planta con una parte elevada para dormir, los baños,
servicios, cocina y la entrada están ubicadas hacia el sur para servir como barrera contra el sol. La planta de la vivienda es de diseño abierto para promover la ventilación
y una piscina está ubicada hacia la fachada abierta de la casa
El enfriamiento se logra a través de un sistema de circulación de aire aumentado por el sol. La pared de mampostería que protege la residencia
en hueca y en la parte superior tiene una losa pintada de negro piscina
Durante el día el sol calienta la pared,
la losa y el aire; este aire caliente se eleva creando una presión negativa
en la casa y arrastra el frio encima de la piscina (ubicado en el lado norte a
través de la casa y hacia arriba por la Residencia en Okereke, Nigeria del Arq. J. Lambeth, 1977
pared hueca en lado sur.
SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO
CONTROL DE AUMENTO DE LA TEMPERATURA
Techos sombreados
Control del microclima
ENFRIAMIENTO DEL AIRE
TEMPERATURA DEL AIRE
Ductos subterráneos
Edifcaciones integradas a la tierra
ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO
Enfriador evaporativo
Estanque de agua sombreada
Sistema túnel, India
Enfriador regenerativo de lecho rocoso
Sistema chimenea
Ductos subterraneos
CONTROL DE AUMENTO DE LA TEMPERATURA
TECHOS SOMBREADOS
Techos sombreados como elemento de control del exceso de la entrada de calor Para mantener frías las estructuras masivas de construcción (muros gruesos de adobe o piedra)
se cierran las aberturas durante el día para protegerlas de la entrada de calor y durante la noche se abren para que se escape el calor acumulado.
El uso de persianas aislantes para reducir la ganancia de calor, el sombreado de los vidrios y muros mas expuestos para minimizar la ganancia directa del calor El aislamiento en el exterior de los muros para prevenir la acumulación de calor en la masa del
edicio Un ejemplo de control de acceso de calor son los techos sombreados.
CONTROL DEL MICROCLIMA
El uso de la vegetación como modifcador del microclima
El uso del patio central, sombreado por vegetación
ENFRIAMIENTO DEL AIRE
DUCTOS SUBTERRÁNEOS
tierra
Ductos subterráneos como sistemas de enfriamiento
Un método para usar la masa térmica de la tierra es conducir aire exterior (a través inducido por respiraderos o colectores solares) a través de tubos enterrados en el subsuelo en taludes de tierra y colocados en el fondo de estanques Aprovecha la temperatura estable de la masa de tierra para absorber el calor del aire que pasa
a través del tubo y remover la humedad de la edicación Los tubos deben estar construidos de piezas de barro o de un metal no corrosivo En muchos casos se requiere de aislamiento encima delos tubos para mantener la tierra alrededor fría
EDIFICACIONES SUBTERRÁNEAS
Acceso por un espacio exterior
Acceso por un patio central
Aspectos positivos: El suelo alrededor tiene mayor temperatura en invierno y menor en verano, en relación con la temperatura del aire al que una
edicación esta expuesta Posibilidad de usar los espacios encima del techo Reducción de la penetración de ruido exterior al interior del
edico Protección contra las inclemencias del clima Una vez construido no necesita mantenimiento en sus fachadas
EDIFICACIONES CUBIERTAS POR TIERRA
Acceso por un espacio exterior
Acceso por un patio central
Aspectos negativos: Problemas de tipo psicológico relacionados con la
necesidad humana de contacto visual con el exterior y el deseo de iluminación natural y ventilación Problemas para provisión de acceso de personas y vehículos
EDIFICACIONES CON TECHOS CUBIERTOS POR TIERRA Y CON TALUD
Criterios de Clasifcación:
Según la relación entre el edicio y el suelo Edicios subterráneos. Edicios cubiertos por tierra. Edicios cubiertos por tierra y con talud. Distribución espacial del edifcio: Plan de elevación. Plan atrio. Plan de penetración
Aspectos de diseño a tomar en cuenta: Análisis del clima y determinación de requerimientos. Análisis de sitio. Tipo de edicación y tipo de suelo. Modos de acceso vehicular y peatonal. Aspectos humanos, como ventilación e iluminación. Aspectos estructurales, como drenajes y control de ltraciones
ENFRIAMIENTO EVAPORATIVO
ENFRIADOR EVAPORATIVO Funciona a través de un proceso conocido como enfriamiento adiabático. Este proceso cambia el estado de
una mezcla de aire y vapor de agua sin variar el contenido total o entalpía. Desde el punto de
paredes de tierra o concreto
brisa predominate
vista siológico, el único efecto perceptible del proceso de enfriamiento está relacionado con el cambio de temperatura
del bulbo seco y la presión del vapor de agua. Enfriador evapórativo de New Gourna Egipto . es similar al diseño de una chimenea pero funciona en reverso, el ducto se eleva por encima del techo orientado a los vientos dominantes
espacio a enfriar
ducto de enfriamiento
parilla de carbón
Enfriador evaporativo en New Gourna, Egipto
SISTEMA TÚNEL
nivel superior
nivel de tierra El túnel tiene 1 metro de ancho, 2 metros de alto
nivel inferior
y 15 metros de longitud y está situado a 4.8 metros debajo del nivel del suelo el aire se hace
túnel
circular con ayuda de un ventilador
pozo
Sistema túnel en Rorkee, India
SISTEMA CHIMENEA aire caliente
Consta de una Chimenea conectada a un pozo de agua que está abierto al espacio habitable. Una abertura en la pared superior
de la chimenea atrapa el aire y lo induce hacia un pozo de agua,
el aire se enfría y cuando pasa a través de esterillas suspendidas sobre la supercie del agua enfrían
aire frio
el espacio habitable
pozo fltro o
cañuela
agua
Sistema de chimenea en una vivienda de Irak
ESTANQUE DE AGUA SOMBREADO
Karen Crowther, elaboró un programa de computación simula la ejecución de un sistema pasivo de enfriamiento.
tubo de descanso
En un estanque de agua sombreada que se enfría por evaporación que induce agua fría dentro de unas columnas o paredes ubicadas en
el edicio por medio de un efecto de termosifón
columna
Estanque de agua sombreada. Un programa de computación simulando un sistema pasivo de enfriamiento
ENFRIADOR REGENERATIVO DE LECHO ROCOSO
sección A
sección B Es una variante de enfriamiento evaporativo que consiste en un enfriador regenerativo de lecho
de rocas de dos cámaras de rocas desmenuzadas y que opera intermitentemente. El aire entra por una de las cámaras y la salida de aire se efectúa por otra, el ujo se invierte cada 5 o 10 minutos
TORRES DE VIENTO Sección de la Torre de Viento conectada a la edifcación
por un túnel húmedo de 30 metros de longitud
tierra
Existen numerosos diseños de torres de viento todos intentan suministrar un adecuado ujo de aire, transferencia de calor, capacidad calórica de almacenamiento y supercie de enfriamiento por evaporación. El aire caliente que penetra en la torre sede parte del calor a las paredes frías de La torre,
enfriadas durante la noche. Posteriormente el paso del aire a lo largo del túnel frio y húmedo produce un desprendimiento de calor sensible y nalmente el aire pasa por una fuente de agua.
CARTA PSICROMÉTRICA
Carta psicrométrica representando el proceso de enfriamiento sensible de las torres de vientos
ESTANQUE FRIO
Vivienda en Sacramento con el sistema de enfriamiento “Estanque Frio” incorporado
VIVIENDA DE STEVE BAER, NUEVO MÉXICO
La vivienda tiene diez unidades de espacios conectadas para permitir ventilación, muchas
paredes son de adobes y otras y otras conforman la pared de agua de Trombe, el cual viene a ser el sistema pasivo de enfriamiento.
Consta de de una estructura que soporta unos barriles de agua de 55 galones cada uno y persianas o paneles aislantes.
El enfriamiento se produce no por radiación nocturna, sino utilizando su masa térmica para reducir la amplitud de la temperatura exterior. El panel aislante cubre la supercie de los barriles durante el día aislandolos de la radiación solar.
Detalle del sistema de pared conformada por barriles de agua
VIVIENDA FREESE
Vivienda Freese en Nueva Hampshire
Sección de la vivienda
Las paredes están revestidas de 6 pulgadas de bra de vidrio y 12 pulgadas en el techo. El piso de granito tiene un aislamiento de 2 pulgadas de poliestireno.
El enfriamiento se efectúa: con una pendiente de 60º en el techo cubierta con doble vidrio, en el piso del ático se colocan bolsas de plástico de color negro llenas de agua; éstas bolas son efriadas durante la noche por medio de circulación forzada de aire del exterior. Durante el día se llena el espacio entre los vidrios con bolitas de poliestireno para evitar la entrada de calor. El aire frio alrededor de las bolsas de agua se hace circular hacia las habitaciones por medio de espacios libres entre las paredes.
CASA DUNA La estructura es una cáscara armada con concreto que requiere aislamiento. La impermeabilización consiste en un liquido bituminoso aplicado con
brocha, y una cubierta de tierra de 56cm aprox. de espesor,
Este diseño de subsuperecie mantiene constante vivienda
Casa Duna en Atlantic, Florida del Arq. W. Morgan (vivienda subterránea)
la temperatura dentro de la
CASA ROUSSELOT
Las paredes son de bloques de hormigón con aislamiento de piedra pómez en bloques. El techo consiste en una cubierta de madera machihembrada de 10 X 15 centímetros con impermeabilización de
capas de tela asfáltica y las paredes poseen un revestimiento bituminoso. Encima del techo tiene una
cubierta de tierra de 30 a 40 centímetros de espesor.
Casa Rousselot del Arq. R. McClure, con techo cubierto de tierra y con talud
EDIFICIO EN ALTURA
vidrio
muro negro
radiación de frio
Edifcación en altura con
estacionamiento subterráneo
zona de presión negativa
Termosifón utilizando un tipo de “muro trombe”
SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO
Sistema de enfriamiento por desecantes
HUMEDAD
Sistema de climatización solar pasivo
SISTEMA DE LECHO DUAL POR DESHUMIDIFICACIÓN de Moore, Cantrell y Willeke (Dual Dessicant Bed Dehumidifer) Este sistema utiliza material desecante de bajo costo para
la deshumicación y calor solar para la regeneración. Consta de dos hileras
idénticas y adyacentes de desecantes. Una hilera de colectores se cubre con un
vidrio y es expuesta a la radiación solar la
cual seca, calienta y regenera el desecante. Sistema de lecho dual por dehumidifcación:
Sistema del paso del aire
material
Etapa de regeneración por desecantes
La hilera de bandejas horizontales es dispuesta en forma escalonada
para maximizar la exposición al sol, permitiendo al aire pasar a través del desecante por convección y facilitar el proceso del secado. El aire caliente y húmedo producido por este proceso es luego expulsado al exterior
Etapa de enfriamiento
Una pared horizontal en la parte inferior aumenta la recolección solar.
La hilera adyacente se cubre con un panel reectivo aislante, con un sistema de bisagras. El aire frio y húmedo (de alguna fuente externa de enfriamiento) es inducido a través de una malla desecante y su humedad especíca es bajada. Éste aire frio y deshumidicado es usado pa enfriar la edicación Cuando la capacidad del desecante se agota, la función de las dos hileras de desecantes se
invierte moviendo los paneles aislantes y reectores, cambiando su conguración.
SISTEMA DE CLIMATIZACIÓN SOLAR PASIVO
Su funcionamiento se basa en el efecto chimenea o de termosifón, consiste en la circulación por convección natural del aire que se calienta por efecto invernadero en el espacio vertical
comprendido entre la cubierta metálica ennegrecida y el vidrio. En la mañana el aire caliente y húmedo penetra y es deshumidicado por el contacto con el material desecante (silica-gel), al pasar por el deshumidicado interior se enfría penetrando al espacio.
Como en la mañana el sol calienta la fachada este, seca y regenera el material desecante que quedo humedecido la tarde anterior, cuando el sol calentaba la fachada oeste.
SISTEMAS PASIVOS DE ENFRIAMIENTO
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR RADIACIÓN NOCTURNA
Sistema Skytherm
Sistema Living System
Trampa de radiación de techo
Techo de concreto con aislamiento operable
Sistema de enfriamiento nocturno Pinney, Fonda-Bonardi y Nien Yu
Centro rural
Vivienda en California
Vivienda Hammond
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR RADIACIÓN NOCTURNA
EL SISTEMA SKYTHERM de Harold Hay
cubiertas de aislamiento movible
OPERACIÓN DIURNA
Utiliza el techo con un estanque de agua colocado encima para suministrar calefacción solar en
invierno y enfriamiento por convección en verano El agua se almacena en recipientes (Flat pans) o en bolsas plásticas. Se colocan dos recipientes
de aislamiento sobre los recipientes de agua durante el día para reducir la ganancia térmica al exterior.
EL SISTEMA SKYTHERM
bolsas de agua
elemento de apoyo
estanque de techo
OPERACIÓN NOCTURNA
Durante la noche las bolsas plásticas son expuestas al cielo al remover los paneles de
aislamiento. El agua emite radiación al cielo nocturno y es enfriado por ese proceso. Debido a que el agua en la noche está por encima de la temperatura ambiente por el calor
absorbido durante el día se produce también una pérdida de calor por convección en las bolsas de aire hacia el aire en el ambiente
EL SISTEMA LIVING SYSTEM de Johnathan Hammond
paneles abisagrados plástico transparente recipiente metálico OPERACIÓN NOCTURNA
Es un sistema que utiliza el agua en el techo y paneles de aislamiento mecánico. La diferencia de este sistema en relación al anterior es que utiliza paneles abisagrados los
cuales se abren y cierran por medio de un ariete hidráulico. Los paneles aislantes están cubiertos con una supercie interna de una capa de material reectivo.
TRAMPA DE RADIACIÓN DE TECHO de B. Givoni
La capa de aislamiento es cubierta por una lámina de metal corrugado y pintado de blanco en su lado exterior que sirve como supercie radiante. Durante el día el sistema no es activado y la temperatura del techo está establecida por el equilibrio entre la radiación absorbida (minimizada por la pintura blanca) y la pérdida de calor por radiación de onda larga y por convección hacia la bóveda celeste. Durante la noche el metal pintado del techo se enfría por radiación de onda larga a una temperatura por debajo de la temperatura ambiente.
TECHO DE CONCRETO CON AISLAMIENTO OPERABLE
Los experimentos realizados en techos de concreto de 15 centímetros de espesor con aislante móvil se obtuvieron resultados similares a los estanques de agua. En la práctica este sistema es más conveniente por cuanto presenta menos problemas del tipo
estructural y de impermeabilización.
TECHO DE CONCRETO CON AISLAMIENTO OPERABLE
OPERACIÓN NOCTURNA
aislantes moviles reejantes
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO NOCTURNO
de N. Pinney, Fonda-Bonardi y Ying-Nien Yu
El sistema de ensayo consta de los siguientes elementos. Un
antepecho
con
una
inclinación de 45 grados, el cual está cubierto con una lámina de metal disipadora. Cubierta de un metal selectivo frio (pintura blanca a base de oxido de titanio), los cuales forman un ducto que está conectado al piso de concreto usado para el
almacenamiento térmico.
Modelo de baranda simulando dos pisos de edifcio
Sistema de enfriamiento nocturno de N. Pinney, Fonda-Bonardi y Ying-Nien Yu
VIVIENDA EN ATASCADERO CALIFORNIA
de los Arq. Haggard y Edminster
aislamiento térmico bolsas de agua
Detalle de techo
radiación reejada
Vivienda usando el sistema SKY THERM
CENTRO RURAL del Arq. Peter Clathorpe
Vivienda usando el sistema ESTANQUE DE TECHO
tanque de agua
lecho rocoso
VIVIENDA HAMMOND
en Winters, California
Vivienda usando el sistema LIVING SYSTEM
CASA MARA RADIANTE
OPERACIÓN DIURNA
Extractor eolico enfriando el techo por circulación de aire
Techo de lámina ligera y
Perdida de calor radiante
refejante
Cielo raso cerrado
Saca
Alero con rejilla de ventilación
Lamina de aluminio pulido
enfriamiento radiante convectivo inyecta
Deposito térmico
Circulación de aire entre habitación y deposito térmico
CASA MARA RADIANTE
OPERACIÓN NOCTURNA
Extractor eolico funcionando uni camente en noches humedas Techo de lámina ligera y refejante
Perdida de calor radiante
Circulación de aire atraves dehabitación techo - deposito Cielo raso abierto
Pared de bloques con ventilación interna y protección solar
Inyecta
enfriamiento radiante convectivo saca
Deposito térmico
Pared de bloques con ventilación interna y protección solar
