ASOLEAMIENTO 2010

 

[2010]  ASOLEAMIENTO      CONTENIDO    1. Introducción al tema                  2. Nociones fundamentales       ‐ Recorrido aparente del sol               ‐ Coordenadas solares                      ‐ Hora solar ‐ Hora legal                  3. Radiación solar                      Radiación directa, difusa y global.                 Cielo claro y cielo medio                   Efectos de la radiación solar                  3.1. Radiación solar recibida por planos verticales y plano horizontal: valores diarios y horarios.    3.2. Radiación recibida por los planos verticales y plano horizontal: valores instantáneos         4. Métodos de estudios de asoleamiento  4.1. Métodos instrumentales  4.2. Método computacional: software HELIODON  4.3. Método gráfico:   4.3.1. Proyección estereográfica para estudio de asoleamiento               ‐ Asoleamiento de un plano vertical ‐ Sin obstrucción                    ‐ Asoleamiento de planos de referencia       ‐ Con obstrucción de un edificio                ‐ Con alero recto                   ‐ Con alero  cuyo borde no es paralelo al plano de fachada         ‐ Asoleamiento de un plano horizontal                           ‐ Asoleamiento de un plano inclinado                  ‐ Asoleamiento de un espacio exterior   ‐ plano horizontal               4.3.2. Método gráfico para estudio de Sombras                ‐ Trazado de sombras     ‐ Sombra arrojada por un edificio                Determinación de la distancia entre un edificio y un punto para evitar el sombreamiento en ese punto.   ‐ Por trazado de sombras               ‐ Por proyección estereográfica desde el punto P            Representación de proyección de sombras con intersección de planos verticales                      5. Pautas de asoleamiento _ Evaluación      6. Estudio de casos reales   ‐ Caso 1 Conjunto Habitacional Cuareim            ‐ Caso 2 Edificio de apartamentos 3 niveles.             7. Bibliografía        

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  1. Introducción al tema    La necesidad de conocer cuándo un espacio exterior, una fachada, un local, recibe o no recibe sol se relaciona  directamente con la existencia de un período frío y un período caluroso en el país; hay necesidad de protegerse  de la radiación solar en verano, produciendo sombras y es beneficiosa aprovecharla en invierno, logrando el  asoleamiento de los espacios interiores y exteriores.     ¿Qué es asoleamiento?   Estudio  que  nos  permite  determinar  en  qué  períodos  del  año  y  en  qué  momentos  un  espacio  urbano  o  los  distintos planos de un edificio reciben radiación solar directa.     ¿Por qué y para qué se realiza un estudio de asoleamiento?   Es necesario conocer en qué momentos, durante cuánto tiempo y qué cantidad de energía reciben los planos  para evaluar el desempeño de los espacios y así poder diseñarlos de acuerdo a los parámetros de confort y al  uso  racional  de  la  energía.  Los  trazados  permiten  no  sólo  verificar  situaciones,  sino  dimensionar  o  ajustar  el  diseño por lo que este estudio es una herramienta importante en la etapa de anteproyecto. También es una  herramienta que nos permite mejorar la calidad de los espacios ya construidos, de tal manera que podamos  controlar la energía cuando no sea necesaria y aprovecharla cuando sea beneficiosa.  

    2. Nociones fundamentales    2.1. Recorrido aparente del sol   Aunque  todos  sabemos  que  la  Tierra  gira  sobre  su  eje  y  además  describe  una  órbita  alrededor  del  sol,  consideramos que estamos en un lugar fijo y que es el sol el que se mueve. Al recorrido aparente del sol en la  bóveda celeste, se le da el nombre de trayectoria solar; el sol tiene un paso diario o trayectoria que realiza cada  día,  pero  que  no  es  igual  todos  los  días,  sino  que  varía  a  lo  largo  del  año.  Cada  latitud  de  la  Tierra  tiene  un  grupo de trayectorias solares a lo largo del año que la caracterizan. La existencia de las estaciones se debe a  que  el  eje  de  rotación  de  la  tierra  no  es  siempre  perpendicular  al  plano  de  su  trayectoria  de  traslación  con  respecto al sol, sino que forma un ángulo variable dependiendo del momento del año en que nos encontremos.    

    Figura 1. Trayectoria de la Tierra alrededor del Sol.   

Hay sólo dos días del año en los que el eje de rotación es perpendicular al plano de traslación: el equinoccio de  primavera (21 de septiembre) y el equinoccio de otoño (22 de marzo), el día dura exactamente lo mismo que la 

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noche y el sol sale exactamente por el este y se pone por el oeste. Cuando el sol está más alejado del plano del  ecuador se llama solsticio, el de invierno 21 o 22 de junio que corresponde al día más corto y el de verano 21 o  22 de diciembre que corresponde al día más largo del año. En los solsticios es cuando se produce el cambio de  duración del día, por ejemplo el del 22 de junio nos indica que los días van a ser cada vez más largos y el sol  alcanza cada vez mayor altura al mediodía. En cambio, el 22 de diciembre comienzan los días a acortarse hasta  el 22 de junio.     En  consecuencia,  el  sol  calienta  en  forma  desigual  el  planeta  Tierra  según  las  latitudes  y  las  épocas  del  año,  creando las diferentes zonas y estaciones climáticas.     Para el estudio de la influencia del asoleamiento es necesario determinar con suficiente precisión la posición  del sol en la bóveda celeste para cualquier localidad, fecha e instante del día. La localidad queda determinada  según su latitud, que es el plano que corta el eje polo norte ‐ polo sur y es paralelo al ecuador.     Una representación corriente de las trayectorias para  una latitud φ del hemisferio Sur y para un observador  es como se indica en Fig. 2.     

Sintetizando: la trayectoria aparente del Sol,  depende de la latitud φ del lugar (Norte o Sur) y  el día.                  Figura 2. Recorridos aparentes del Sol para tres fechas características.   

El  conocimiento  del  recorrido  aparente  del  sol  ha  dado  origen  a  métodos  que  permiten  estudiar  el  asoleamiento de espacios y/o sus planos; se pueden hallar sombras arrojadas por edificios, penetración del sol  en  locales,  momentos  del  año  en  que  un  espacio  interior  o  exterior  recibe  sol,  momentos  en  que  una  protección solar detiene los rayos del sol, etc. Así, tomando en cuenta si es invierno o verano se puede evaluar  si el asoleamiento es deseable o no.     Los  trazados  permiten  no  sólo  verificar  situaciones,  sino  dimensionar  o  ajustar  el  diseño,  por  ejemplo:  separación  de  edificios  para  evitar  sombras  arrojadas  de  uno  sobre  otros,  dimensionado  y  ubicación  de  ventanas que permitan la entrada de la radiación solar, dimensionado de protecciones solares, etc.  

    2.2. Coordenadas solares     La ubicación de un astro, en este caso el sol, se determina por  las coordenadas solares que son la altura y acimut.     La altura H es el ángulo formado por la recta que une el sol con  el punto P y su proyección sobre el plano horizontal.   El acimut Z es el ángulo formado por dicha proyección sobre el  plano  horizontal  y  la  dirección  N‐S;  se  mide  a  partir  del  N,  positivo hacia el Este y negativo hacia el Oeste.  

  La altura máxima del sol en un día determinado se produce a la  hora  solar  12,  momento  en  que  el  Sol  cruza  el  meridiano  del  Figura  3.  Representación  del  acimut  (Z)  y  de  la  lugar.   altura del Sol (H).

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En particular, para una latitud φ = 34º 50’ S se tiene:  

             

Se observa que el sol sale por el E y se oculta por el O solamente en los equinoccios. Desde el 21 de marzo al 23  de setiembre el sol sale entre el E y el acimut Z = 61º según el día; desde el 23 de setiembre al 21 de marzo,  sale entre el E y el acimut Z = 119º, según el día. La puesta es simétrica respecto a la dirección Norte.  

  2.3. Hora solar ‐ Hora legal     El  pasaje  del  sol  por  el  meridiano  del  lugar  corresponde  a  lo  que  se  llama  hora  solar  12.  La  hora  solar  se  determina por el ángulo horario del astro, suponiendo que una trayectoria de 360º se cumple en 24 horas y a  cada hora corresponden 15º.   Pero el pasaje del sol por el meridiano no se corresponde generalmente con la hora legal. Además si se tomara  el  pasaje  del  sol  por  el  meridiano  del  lugar  como  base  del  huso  horario,  las  localidades  con  diferentes  longitudes (o meridianos) dentro de un mismo país tendrán distinta hora. Para la conversión de hora solar a  hora legal (o viceversa) es necesario conocer el meridiano que el país adoptó como referencia; en el caso de  Uruguay  el  meridiano  de  referencia  es  uno  solo  y  por  lo  tanto  todo  el  territorio  tiene  la  misma  hora  legal,  mientras que países como por ejemplo Estados Unidos tienen más de uno.  Para  pasar  de  hora  solar  a  hora  legal,  o  viceversa,  debe  introducirse  la  ecuación  conocida  como  ecuación  del  tiempo,  graficada  para Uruguay en la Figura 4.    Hora solar = Hora legal ‐ (E’ + E’’)    El valor de E’ depende de la fecha para la cual se  hace la corrección; el valor de E’’ depende de la  longitud del lugar.    Ejemplo:  Para  Salto  hallar  la  hora  solar  para  el  Figura 4. Gráfica para determinar E’ y E’’  día 15 de octubre, a la hora legal 12h 0min :   para el 15 de octubre   E’ = 17min  longitud de Salto 58º   E’’ = 20min   Hora solar = hora legal ‐ (E’ + E’’) = 12h 0min ‐ (0h17min + 0h20min) = 11h 23min   La hora legal 12h 0min corresponde a la hora solar 11h 23min.  O sea que a la hora legal 12 el sol todavía no pasó por el meridiano del lugar, no está en su punto más alto.  

   

3. Radiación Solar    El sol es una esfera de materiales gaseosos a temperatura muy alta (aproximadamente 5700 K); en su interior  tienen lugar procesos complejos mediante los cuales se produce energía; ésta se transfiere a la superficie y se  irradia el espacio en forma de ondas electromagnéticas.    Como  toda  radiación  se  caracteriza  por  la  energía  que  transporta  y  por  las  longitudes  de  onda  que  comprenden;  pueden  así  representarse  por  un  espectro  en  que  se  grafica  para  cada  longitud  de  onda  λ  la  energía correspondiente E. Ver figura: Espectro solar. 

  Esta  energía  puede  estimarse  en  el  límite  de  la  atmósfera,  definiéndose  como  la  “constante  solar”:  energía  recibida  por  una  superficie  perpendicular  a  los  rayos,  de  área  unidad,  en  la  unidad  de  tiempo,  cuando  la  distancia tierra‐sol tiene su valor medio (esta distancia sufre variaciones del orden de ±3%). 

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  El valor más aceptado es 1353 W/m2.    El espectro se divide en tres regiones principales:  ‐ La ultravioleta:  λ