La
radiación solar que entra a través de una ventana sin protecciones
solares respresenta un gran aporte calorífico a los ambientes.
Esta radiación es espectralmente muy cercana a la radiación
infrarroja, por lo que este calor podría aumentar muy por encima
la temperatura interior respecto a la temperatura del aire exterior, debido
al denominado efecto invernadero. Los vidrios simples de las ventanas
son transparentes a la radiación infrarroja (RI) de onda corta,
por lo que ésta es absorbida y reirradiada entre las superficies
y objetos interiores en forma de radiación infrarroja (RI) de onda
larga. El vidrio resulta opaco para la radiación de onda larga,
por lo cual este calor radiante quedará atrapado dentro del ambiente.
Este es el mismo proceso de generación de calor que ocurre cuando
se deja un carro expuesto al sol con los vidrios cerrados.
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| Figura
85 Esquema del efecto invernadero
(fuente: Elaboración
propia en base a datos en Field Guide for Energy Performance, Confort
and Value in Hawai Home)
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Según las características
del vidrio, la radiación solar que llega a una ventana es reflejada,
transmitida y/o absorbida, y luego re-irradiada. El vidrio simple claro
transmite más del 80% de la radiación incidente.
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Figura
86 Comportamiento térmico
del vidrio |
El área total
de las aberturas con vidrios afectará de manera determinante la
cantidad de luz y calor solar transmitidos hacia el interior de las edificaciones.
La mejor técnica para favorecer la calidad térmica y lumínica
de los ambientes –y para reducir la carga de enfriamiento del sistema
de acondicionamiento activo– es proteger las ventanas y fachadas
de vidrios de la radiación solar. Se debe limitar el área
de ventanas y vidrios sin parasoles, especialmente en las fachadas este
y oeste; otra opción puede ser utilizar cristales de alta tecnología.
Los protectores solares exteriores son el método más efectivo
para reducir las ganancias de calor a través de las aberturas y
ventanas. Esta reducción puede estimarse hasta en 80% en el caso
de ventanas con vidrios claros simples (ASHRAE 1989).
Los protectores solares deben adaptarse a la latitud del sitio, es decir,
a la trayectoria y ángulo solar a lo largo del año, así
como a la orientación de las ventanas en cada fachada. Estos factores
definirán el tipo de protector solar más conveniente; los
parasoles fijos más utilizados son horizontales, verticales y frontales.
Las protecciones horizontales y los aleros de techo funcionan bien para
ventanas y aberturas en fachadas norte y sur. En la orientación
sur y para la latitud de Venezuela, el alero horizontal debe ser mas largo,
tal como se indica en la figura. Para ángulos elevados de incidencia
del sol, es decir, a las horas del mediodía, las protecciones horizontales
protegen para todas las orientaciones.
La figura que se presenta a continuación representa un ejemplo
práctico para calcular –según la ruta solar de la
ciudad de Caracas– aleros como protectores solares horizontales
en fachadas norte y sur, para bloquear así elevados ángulos
de incidencia solar (1:00 pm).
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Tabla
87 Localización: Caracas
• Latitud: 10.6º N • Longitud: 67,0º Este • Hora:
2:00 pm
Junio 21 • Marzo 21 • Septiembre 21 • Enero
1 • Diciembre
31 • Diciembre 21
(fuente: Elaboración
propia en base al software Programa IES, Sunpath) |
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Figura
88 Detalle de aleros y/o
protecciones horizontales en fachadas sur y norte |
Para ángulos
bajos de incidencia del sol, es decir, en las horas del sol poniente al
este y al ocaso en el oeste, los protectores solares verticales y frontales
son adecuados para ventanas en fachadas este, oeste, noreste, noroeste,
sureste y suroeste.
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Figura
89 Detalle de planta e isometría
de protector solar vertical para bloquear ángulos bajos del
sol en fachadas este y oeste |
El diseño y
dimensionamiento preciso de los protectores solares deberá tomar
en cuenta la latitud del lugar, la orientación y la altura de la
ventana. Existen programas de simulación para evaluar la eficiencia
de los protectores en el bloqueo solar y en la disminución de las
cargas de enfriamiento en el caso de acondicionamiento activo. En la tabla
que aparece a continuación se muestra la eficiencia de protectores
solares tipo según la posición del sol y la orientación
de la fachada.
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Tabla
9 Eficiencia de protectores
solares tipo según la posición del sol y la orientación
de la fachada
(fuente: Recomendaciones para mejorar la calidad
térmica de las edificaciones. Comisión para el mejoramiento
de la calidad térmica de las edificaciones y el espacio urbano.
Maracaibo, 1999)
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Una buena solución
para el trópico, en donde el sol es fuerte todo el año y
lo que varía es el ángulo de incidencia, son los parasoles
solares móviles exteriores. Éstos presentan mecanismos de
adaptación, por lo cual se pueden ir ajustando a las necesidades
de protección solar en las diferentes épocas del año.
En la siguiente figura se presenta un ejemplo de parasol móvil
que además de proteger de la incidencia del sol favorece la ventilación
natural, esto debido a que es de romanillas.
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Figura
90 y 91 Detalle de protecciones
solares ajustables en fachada este
Edificio de Ingeniería Sanitaria UCV.
Arq. Carlos Raúl Villanueva |
Los protectores solares
fijos en ventanas son elementos que requieren una importante inversión
económica inicial, por lo cual en muchos casos se descarta su aplicación.
Sin embargo, es recomendable realizar una evaluación técnica
y económica, debido a que este tipo de protectores reporta altos
beneficios en la calidad térmica de los ambientes y en la disminución
de la carga de enfriamiento del sistema de aire acondicionado.
Para las ventanas expuestas al sol se puede disponer de elementos individuales
de protección solar ligeros, como toldos, estructuras tensibles,
romanillas o persianas exteriores, los cuales permiten controlar –a
requerimiento de la ocupación del espacio– la cantidad de
luz solar con entrada directa hacia el interior de los espacios; además,
estos elementos reducen las ganancias de calor interno.
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Figura
92 El sistema estructural
todo realizado enteramente
en fachadas de vidrio, tecnología adecuada para climas templados
(fuente: Basado en Cooling your Home Naturally
- Energy Efficiency and Renewable Energy) |
Arreglos interiores
en ventanas –tales como cortinas, persianas, mallas y pantallas–
reducen las ganancias de calor al disminuir la cantidad de luz solar directa
hacia el interior de los espacios. Sin embargo, estos elementos no trabajan
tan eficientemente como las protecciones exteriores, debido a que el aire
que circula entre el vidrio y el protector se calienta y, eventualmente,
se transmite al interior del ambiente.
Adicionalmente, las protecciones interiores pueden reducir la temperatura
interior, pues evitan el contacto de los rayos solares con los materiales
de elevada masa térmica, tales como los pisos de concreto. Las
protecciones solares interiores protegen los muebles de la radiación
directa.
La radiación solar que penetra a través de ventanas o de
fachadas de vidrio aporta luz y calor. La luz visible admitida a través
de una ventana se registra por el Coeficiente de Transmisión de
Luz Natural VLTC (Visible Light Transmisión Coefficient). Un valor
alto de VLTC representa una alta trasmisión de luz.
La ganancia de calor solar admitida a través de una ventana es
medida por el Coeficiente de Ganancia de Calor Solar SHGC (Solar Heat
Gain Coefficient) que incluye la cantidad de calor transmitido y absorbido
por el vidrio. Un valor bajo de SHGC representa una menor ganancia de
calor.
Los cristales de alto rendimiento o espectralmente selectivos reducen
la cantidad de calor transmitido a través de las ventanas, a la
vez que permite el paso de altos niveles de luz visible. De esta manera
puede reducirse la necesidad de energía para enfriamiento y, al
mismo tiempo, se reducen las necesidades de luz eléctrica. Adicionalmente,
este tipo de cristales reduce el deterioro de los muebles debido a la
radiación ultravioleta.
Se han desarrollado vidrios espectralmente selectivos y de baja emisividad
(Low-e). No todos son adecuados para climas tropicales; algunos sistemas
de vidrio (Low-e) han sido diseñados para climas templados y funcionan
manteniendo los espacios fríos en verano y cálidos en invierno.
Para climas tropicales el vidrio debe comportarse como indica la figura:
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Figura
94 Comportamiento adecuado
de cristales de alto rendimiento en el trópico |
A continuación
se presentan algunos indicadores para seleccionar las características
termo físicas de vidrios adecuados para el clima de Venezuela:
• Un valor
bajo de Coeficientes de Ganancia Solar SHGC es la propiedad más
importante en climas cálidos. Seleccione ventanas con un SHGC
de 0,40 o menos.
• Seleccione ventanas con un valor alto de Coeficiente de luz
visible VLTC de 0,7 o más, para maximizar la luz natural y las
visuales.
• La tasa de flujo de calor a través de la unidad de área
del vidrio (W/m2 grado C) es otra propiedad que debe considerarse. Un
factor U bajo es útil cuando resulta importante mantener el calor
fuera, pero es menos importante que el SGHC en climas cálidos.
Seleccione ventanas, claraboyas y ventanas con un factor U menor a 4,00
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Gráfico
11 Coeficiente de ganancia
solar (SHGC) y Coeficiente de transmisión de luz natural
(VLTC) |
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Tabla
10 10 Datos de Coeficiente
de Transmisión de Luz Natural VLTC (Visible Light Transmisión
Coefficient) y Coeficiente de Ganancia de Calor Solar SHGC (Solar
Heat Gain Coefficient) para diferentes tipos de vidrios de ventanas
(fuente: Datos de SGHC y VLTC tomados de www.efficientwindows.org/glazing
double.html) |
Otra tecnología
de ventana desarrollada a fin de reducir las ganancias de calor es la
de doble cristal con cámara de aire u otro gas, tal como argón.
A continuación se indican las propiedades:
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Figura
95, Gráfico 12 Comportamiento
térmico de ventana de doble cristal con cámara de
gas
(fuente: Datos tomados de www.efficientwindows.org/glazing
double.html) |
Desafortunadamente,
las tecnologías de vidrios espectralmente selectivos y de doble
vidrio con gas son muy costosas en Venezuela, sobre todo si se compara
con el precio y la eficiencia de vidrios simples con protectores solares
exteriores.
Es importante no confundir vidrios espectralmente selectivos y Low-e con
el color del vidrio. Los vidrios con tinte no reflejan la radiación
infrarroja, por el contrario, la absorben. Al absorber la radiación
se acumula calor que eventualmente puede ser reirradiado al interior como
energía calórica. Algunos tintes oscuros admiten más
calor que luz visible. Por ejemplo, un cristal con tinte color gris oscuro
puede tener un alto SHGC de 0,58 y un bajo VLTC de 0,30. Adicionalmente,
el color del cristal puede producir ambientes en penumbra y mayor consumo
de energía y costos por iluminación. Los vidrios espectralmente
selectivos y Low-e de colores verdes y azules transmiten mejor la luz
solar. A continuación se presentan datos del Coeficiente de Ganancia
Solar (SHGC) y Coeficiente de Trasmisión de Luz Visible (VLTC)
para diferentes tipos y colores de cristales.
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Tabla
11 Comparación del
comportamiento térmico y lumínico de diferentes tipos
y colores de cristales
Fuente: Elaboración propia en base
a datos en Field Guide for Energy Performance, |
El área y la
orientación de las ventanas y/o fachadas de vidrios (curtain wall),
así como la tecnología de los cristales y la presencia o
no de protecciones solares, pueden tener un gran impacto en los costos
económicos y energéticos de las edificaciones (ver Instalaciones
de aire acondicionado, pág. 103).
Una técnica tradicional para reducir las ganancias de calor interno
y la carga de enfriamiento del sistema de aire acondicionado es aquélla
por medio de la cual se reduce el área total de superficies de
vidrio claro simple sin protección solar, en especial en las orientaciones
este y oeste.
En las zonas cálidas –con latitudes similares a la de Venezuela–
lo ideal es ubicar la mayor área de ventanas o fachadas de vidrios
hacia el norte, donde es mínima la radiación directa, o
en el sur, en donde pueden ser diseñadas con protecciones solares
horizontales para resguardarlas de la radiación solar que incide
de noviembre a marzo. Los parasoles en fachadas este y oeste no protegen
todo el año los ángulos de incidencia del sol. En este caso,
la mejor técnica es no proponer fachadas de vidrio en las fachadas
este y oeste.
En el cuadro expuesto a continuación se presentan los resultados
de una simulación realizada en el sector residencial, que demuestra
el efecto en la demanda de la carga por enfriamiento de aire acondicionado
para diferentes cristales de ventanas y para diferentes orientaciones
de las mismas. Los datos fueron obtenidos con el programa de simulación
APACHE para el mes de marzo del año 2003.
Se simuló una casa de construcción convencional de aproximadamente
178 m2, de forma rectangular, con áreas de ventanas de 25,5 m2
(15% del área del piso) sin protecciones solares. Una de las fachadas
largas se dejó ciega, mientras que en la otra se contempló
el 10% del área de ventanas. Esta última fachada –la
cual constituyó el caso de estudio– se rotó en los
cuatro puntos cardinales: norte, sur, este y oeste, modificando sucesivamente
los tipos de vidrios. La simulación se realizó para las
condiciones climáticas de la ciudad de San Juan de Los Morros,
estado Guárico, Venezuela, para el día 14 de marzo a la
1 pm. Los resultados reflejaron:
• Disminución
en la carga de enfriamiento como resultado de utilizar ventanas con
cristales de alta tecnología.
• Influencia de la orientación de la fachada con ventanas
en el aumento de las cargas de enfriamiento del sistema de AA (aire
acondicionado). Es importante destacar los resultados para la fachada
sur que corresponden, por la fecha de la simulación, con la época
del año en el cual el sol está inclinado hacia el sur
para la latitud de Venezuela
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Gráfico
13, Tabla 12 Impacto de diferentes
cristales y orientaciones de ventanas en la carga de enfriamiento
en kw/h |
A continuación
se muestra el resultado de simulaciones para demostrar el impacto del
área de ventanas y tipos de cristales en los costos anuales del
consumo eléctrico. Para ello se aumenta el área cristalizada
al doble, es decir 30% del área del piso. La ventanas se repartieron
equitativamente en las cuatro orientaciones (para descartar la influencia
de las mismas).
Las ventanas con vidrios simples claros o con tintes grises o bronce presentan
un significativo impacto en la carga de enfriamiento cuando se duplica
el área de cristales. El análisis indica que el incremento
del área cristalizada aumenta el uso de energía en climas
cálidos, pero tiene un menor impacto en el consumo cuando se usan
cristales de alta tecnología (ejemplo: vidrio doble con baja ganancia
solar).
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Tabla
13 Porcentaje de aumento del
costo anual de consumo eléctrico al aumentar el área
de ventana 30% del área del piso (fuente:
Elaboración propia, inspirado en el estudio www.efficientwindows.org/orlando_c.html) |
Un estudio comparativo
del porcentaje de reducción de las ganancias de calor interno en
el que se aplicaron diferentes técnicas a una ventana fija de vidrio
simple claro de 1/4” expuesta al sol, indica los siguientes resultados
(ASHRAE: 1989):
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Tabla
14 Cuadro comparativo de la
reducción de la ganancia solar de una ventana de vidrio claro
simple al aplicar cristales eficientes y protectores solares
(fuente: Datos tomados de ASHRAE Handbook
of foundamentals, 1989) |
Un criterio importante
a tomar en cuenta es el consumo eléctrico requerido para el sistema
de aire acondicionado, por cuanto representa los costos de funcionamiento
de la edificación a lo largo de su ciclo de vida.
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Nota:
El estudio se realizó para una casa típica de 180
mt2, con ventanas que representan el 95% del área de piso.
Las ventanas se repartieron equitativamente en las 4 fachadas orientadas
N, S, E, O. |
Tabla
15 Porcentaje de reducción
del consumo anual
por la presencia de diferentes protectores solares respecto a ventanas
con vidrio simple sin protección
(fuente: Elaboración propia en base
al estudio www.efficientwindows.org/orlando_c.html) |
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La capacidad de renovación del aire de cada modelo de ventana está
indicada por el Índice de Eficiencia de Ventilación Natural.
Sin embargo, éste no es el único criterio válido
de selección, pues deben tomarse en cuenta otras exigencias de
diseño, relacionadas con el uso de los espacios, la estética,
seguridad, calidad térmica, calidad lumínica, costos de
construcción y mantenimiento, además de otros requerimientos
particulares del usuario.
En las normas venezolanas se establece para el área de ventana
el 15% del área del piso, pero este criterio no es garantía
de buena calidad de iluminación, pues dependerá de la ubicación,
de las proporciones del espacio habitable, del modelo de ventana y tipo
de vidrio. De la misma manera, la ventilación natural no está
garantizada puesto que, tal como se muestra en la gráfica, la eficiencia
depende tanto del modelo de ventana como de la ubicación y las
alturas de las aberturas. Por ejemplo, una ventana tipo corredera presenta
una eficiencia para la iluminación natural del 100% del área,
en el caso de vidrio simples claros, mientras su eficiencia para la ventilación
natural es de aproximadamente un 50% respecto a su área total,
por cuanto mantiene un paño fijo.
El modelo de ventana más eficiente para la ventilación natural
es el de hojas batientes con un índice de eficiencia de 90%; aunque
en Venezuela el modelo de romanillas, de una eficiencia de 75%, resulta
más aconsejable por su funcionalidad en caso de lluvias.
En el caso de acondicionamiento activo las ventanas deben asegurar cierre
hermético para reducir las infiltraciones; pero al mismo tiempo
deben contemplar la posibilidad de su apertura eventual por seguridad
y mantenimiento, así como también para efectos de renovación
del aire (por razones de higiene) y para entrada de aire natural en el
caso de fallas en el sistema de aire acondicionado.
Un buen diseño arquitectónico debe incorporar la selección
adecuada de las ventanas, al integrar exigencias de ventilación,
iluminación, seguridad y mantenimiento.
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| Figura
96 Índices de efectividad
para la ventilación natural de diferentes modelos de ventana
(fuente: Elaboración propia en base
al estudio www.efficientwindows.org/orlando_c.html)
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En el caso de ventilación
cruzada, la altura de la ventana de entrada definirá el patrón
de flujo interno del aire. Ventanas de entrada ubicadas muy altas producen
un movimiento del aire muy pobre a nivel del usuario. Sin embargo, una
ventana de salida a baja altura no corrige el mal flujo de aire, la ubicación
de las ventanas de salida no afectan significativamente el patrón
de flujo de aire dentro del ambiente (ver Ambientes interiores, pág.
40-42).
Cuando no pueda colocar dos ventanas en paredes opuestas asegure la ventilación
cruzada con aberturas en techos o con cerramientos permeables, como puertas
con romanillas.
En ventanas y aberturas es factible desarrollar diseños innovadores
y aerodinámicos que hagan más efectiva la ventilación
natural. Se pueden combinar técnicas tales como vidrios fijos con
romanillas o celosías, pérgolas verticales y/o bloques calados.
A manera de ejemplo, en la siguiente figura se presenta un diseño
innovador de ventana.
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Figura
99 Detalle de ventana innovadora |
Figura
100 Detalle de ventana doble
vidrio ventilada |
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