ARQUITECTURA  
  Ventanas y otras aberturas 















Limite el uso de ventanas y fachadas de vidrios claros simples sin protección solar en orientación este y oeste
 
Utilice protectores solares exteriores en ventanas
 
 
Instale toldos, romanillas o persianas exteriores en ventanas
expuestas al sol
 
Instale protecciones solares interiores en ventanas expuestas al sol
 
Figura 93 Esquema del comportamiento térmico del calor
en una ventana con cortina
 
Emplee cristales de alto rendimiento en ventanas expuestas al sol y en fachadas de vidrio (curtain wall)
 
 
Seleccione adecuadamente el color de los cristales de fachadas de vidrio y ventanas expuestas al sol
 
Disminuya la demanda de energía y costos de los sistemas de aire acondicionado con una adecuada orientación y tecnología de las ventanas y/o fachadas de vidrio
 
Estime los costos asociados al sistema de aire acondicionado
en función del tipo
de protección solar
 
Seleccione el tipo de ventana que se adapte mejor a los requerimientos de ventilación e iluminación
 
Ubique las ventanas de modo que favorezca un adecuado patrón de flujo interno del aire dentro del ambiente
 
Figura 98 Asegure la ventilación cruzada con puertas de romanilla.
 
Utilice ventanas de diseños innovadores que permitan una mejor ventilación natural
 
Emplee bandejas de luz para dirigir convenientemente la iluminación natural hacia el interior
 
Figura 101 Ejemplo de bandeja de luz en ventanas
 
Aplique técnicas no tradicionales para cerramientos de ventanas y aberturas, como bloques de
iluminación y vitrales para una mayor calidad lumínica de los espacios interiores
 
Figura 104 Ejemplo de cerramientos translúcidos en fachadas Sede de Bodegas Pomar. Arq. Carlos A. Reimers. (fuente: Revista Entre Rayas No. 26, Sept. 98)
 


Las ventanas y otras aberturas ofrecen vista al paisaje y permiten el paso de luz y ventilación natural. En contraposición, la luz solar con entrada directa a través de las ventanas puede representar una alta ganancia de calor hacia el interior de los ambientes. Esto puede significar más de la mitad de las cargas de energía de enfriamiento en una edificación con aire acondicionado.

Las técnicas de mitigación de las ganancias solares relacionadas con el sombreado, ubicación y orientación de las aberturas o ventanas y con la calidad de los vidrios, deberán estar en armonía con las decisiones de implantación y distribución de los espacios interiores. El uso de estas estrategias, o la combinación de ellas, es la forma más efectiva de alcanzar el confort térmico y lumínico en forma natural, o de reducir significativamente el consumo de energía del sistema de aire acondicionado.


 
Mitigación de las Cargas de Calor Solar  


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.

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)

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.

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).

Tabla 87 Localización: Caracas • Latitud: 10.6 N • Longitud: 67,0 Este • Hora: 2:00 pm
Junio 21 • Marzo 21 • Septiembre 21 • Enero 1Diciembre 31 • Diciembre 21
(fuente: Elaboración propia en base al software Programa IES, Sunpath)
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.

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.

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)

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.

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.

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:

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

Gráfico 11 Coeficiente de ganancia solar (SHGC) y Coeficiente de transmisión de luz natural (VLTC)
 
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:

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.

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

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).

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):

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.

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)

 

Aprovechamiento de la Ventilación Natural  


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.

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)

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.

Figura 99 Detalle de ventana innovadora
Figura 100 Detalle de ventana doble vidrio ventilada


Control de la Iluminación Natural  


Una bandeja de luz es un reflector horizontal empleado para conducir la luz natural hacia el interior de una edificación, la cual puede además servir como protector solar de ventanas y paredes.

Una bandeja de luz en una ventana reduce las ganancias de calor a través de la sección inferior y permite el paso de la luz reflejada a través de la superior.

Si se integra este concepto al diseño de las instalaciones se logra reducir parcialmente el consumo de energía, debido a la iluminación artificial y al sistema de aire acondicionado de la edificación.

Figura 102 Detalle de coordinación de aleros y bandejas de luz

El uso de diversos materiales, elementos y técnicas como cerramientos de ventanas y aberturas en paredes, ofrece muchas posibilidades al diseñador para crear matices y tonalidades de iluminación natural, al tiempo que se respetan las exigencias de habitabilidad. Entre las opciones deben considerarse los bloques de iluminación, vitrales, claraboyas, espejos, etc. Esto –en combinación con el diseño y la ubicación de la abertura en proporción al espacio, y con una estudiada iluminación artificial– produce ambientes confortables y energéticamente eficientes.