FACHADAS DE DOBLE PIEL y optimización del control solar. Edificio de Aulas en Medellín, Colombia. Arquitecto Jorge Hernán Salazar Trujillo
Profesor Asociado. Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín
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CONTROL SOLAR
Calcular dispositivos de control solar es una tarea simple si se realiza de manera aislada: Basta conocer los periodos en que la radiación solar directa será indeseada. El resto es una sencilla labor geométrica. Pero esta técnica no es adecuada para: Fachadas complejas. Sistemas de fachada de doble piel. Edificios con poca accesibilidad lumínica.
El sistema de fachada de doble piel consiste en dos fachadas similares, pero desalineadas y separadas entre si, creando una cámara de aire ventilada. La luz y la ventilación natural ingresan libremente al edificio mientras los rayos solares son obstruidos.
OPTIMIZACIÓN DEL CONTROL SOLAR
En fachadas de doble piel el control solar siempre se hace a costa de disminuir el aprovechamiento lumínico. A su vez, el aprovechamiento lumínico siempre se hace a costa de aumentar la probabilidad de exposición solar. La optimización del control solar es una técnica que ayuda a que ninguna de las dos variables sea la resultante inesperada de la otra. El enfoque de la optimización combina ambas variables, para no sacrificar inadvertidamente valores ambientales que pueden coexistir en un proyecto.
CONTEXTO Y PROGRAMA
La ciudad de Medellín, Colombia se ubica a 6.25° N, en un valle a 1.530 msnm. Temperatura media de 24°C y Hr 60%. Los vientos predominantes son del Norte.
El edificio es una ampliación de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Pontificia Bolivariana en Medellín realizada en el año 2005. Diseñado por el Arq. Alejandro Restrepo, tuvo la asesoría ambiental de Salazar García González Arquitectos.
Consta de 16 nuevas aulas en un lote rectangular y estrecho que obligó a que todas sus fachadas principales se orientaran hacia el Este y el Oeste.
La estrechez del lote impidió tener voladizos, como sería deseable con estas orientaciones. Esto obligó a tener fachadas lisas, limitación que fue aprovechada como premisa de diseño.
APROVECHAMIENTO LUMÍNICO
Un análisis preliminar con el Ábaco de Dufton concluyó que para alcanzar iluminancias promedio de 500 lux las ventanas tendrían que ser muy amplias. En días despejados se tendría exceso de insolación, obligando a dispositivos de sombra grandes y costosos.
Aprovechando que la población estudiantil rara vez supera los 24 años de edad, se diseñaron aberturas que permitieran un promedio de 350 lux en días nublados. Si no hay lleno completo, las sillas próximas a las aberturas tendrán 500 lux o más en días nublados. En días despejados el promedio del aula cumplirá el estándar internacional.
Para verificar el funcionamiento lumínico de las aulas entre las 8:00 y las 16:30, cuando se programan la mayoría de las clases, se caracterizó el Recurso Lumínico del sitio. También se utilizó un modelo en escala 1:10 para medir iluminancias en 72 puntos distribuidos sobre la superficie de trabajo, utilizando luxómetros HOBO H08.
Se verificó que cuando los niveles de Iluminancia Exterior Vertical estuvieran sobre los 25.000 lux, la iluminancia promedio del aula estaría cercana a los 450 lux.
ACCESIBILIDAD SOLAR
Incluso en la estabilidad climática de la Zona Ecuatorial, se presentan diferencias de utilización que responden a los diferentes calendarios y horarios de funcionamiento. Esto es especialmente notorio en Edificios Educativos. Todo sistema de fachada de doble piel precisa dos sincronizaciones: una horaria y otra por temporadas. Horarios y calendarios permiten concluir a qué hora, en qué fecha, durante cuánto tiempo y con qué dimensiones una mancha solar se podría considerar como deseable (umbral mínimo) o como tolerable (umbral máximo).
La primera tarea fue estimar la tolerancia máxima de los estudiantes ante la radiación solar directa. Se definió el Tamaño Máximo Tolerable de una mancha de sol y el Tiempo Máximo de Exposición. Ambas son magnitudes arbitrarias que por experiencia se considera que la mayor parte de los usuarios valorará como aceptable. PERO… Nunca habrá certeza que algún individuo se sienta incómodo con estos valores.
Luego se determinaron las variables arquitectónicas para las cuales interesaba determinar su rango de variabilidad. No tiene sentido que todas las variables efectivamente lo sean. Asuntos estructurales, constructivas o funcionales pueden obligar a que ciertas variables dejen de serlo y se transformen en constantes.
El ancho de las aberturas se fijó en 60 cms. por razones de modulación. La separación entre las pieles responden a requerimientos de evacuación y limpieza. Su espesor a necesidades constructivas. Se consideraron variables los dos aspectos restantes: Ritmos de los vanos. Desalineación entre la primera y la segunda piel.
Con un Diagrama Solar se trazaron las incursiones para las fechas en que inician y terminan los periodos académicos. Se valoraron menos las incursiones solares de las vacaciones. Se midió el ancho de las manchas resultantes y el número de puestos de estudio afectados. Esto ayudó a determinar el rango disponible para realizar el desfase entre las pieles.
Luego de esta exploración manual, se hicieron los cálculos de Ganancia Solar utilizando un software desarrollado en AutoLISP por el autor. Los diagramas resultantes permitieron identificar los periodos en que cada alternativa de ritmos pieles presentaría su mejor y su peor funcionamiento. El desalineamiento entre las fachadas permitió empalmar el periodo de mejor desempeño solar de las fachadas con el calendario académico de la Universidad.
Estos resultados permitieron saber los intervalos en que se presentarían las peores condiciones de insolación: las fechas y horas críticas.Pero estos diagramas no permiten saber en qué lugares se proyectarán las manchas de sol.
La revisión de la Incursión Solar se realizó calculando la frecuencia anual con que cada uno de los puntos sobre el plano de trabajo permanece expuesto al sol. Esto permitió verificar que la exposición al sol corresponde con lo establecido en las premisas de diseño.
RESULTADOS
En el cámpus de la Universidad Pontificia Bolivariana abundan aulas con excelente ventilación e iluminación natural, pero el trazado urbano y el inadecuado diseño de sus fachadas ocasionan malas condiciones solares. Lo normal es que esas aulas permanezcan durante las tardes soleadas con las cortinas cerradas y la luz artificial encendida. Son aulas calurosas y en las que nunca se pueden programar cursos que impliquen lleno completo.
Con este edificio se acordó que las nuevas aulas nunca tendrían cortinas ni serían calurosas, pero que esto habría que compensarlo con un menor aprovechamiento lumínico. Los estudios de Homogeneidad ayudaron a determinar que la máxima distancia entre aberturas sería de tres módulos (1.80 mts). Además, sería conveniente que los vanos de las fachadas Este y Oeste no coincidieran.
El diseño final de las cuatro pieles es la respuesta al planteamiento de obtener el máximo de combinaciones de una sola pieza, pero respetando siempre los siguientes umbrales de tolerancia:
La circulación se dejó muy expuesta a la radiación solar para no fomentar la permanencia de personas afuera de las aulas. Sobreiluminar es lo que permite niveles aceptables de iluminación en el interior de las aulas.
En las aulas no se permite acceso solar hacia los tableros. Los puestos afectados se concentran en el fondo de las aulas y las manchas de sol nunca tienen más de 20 cms de ancho. Ocurren predominantemente durante las vacaciones.
En los baños se aplicó un criterio intermedio: se permite más ingreso solar por razones antisepticas, pero se protegen las superficies verticales que albergan los espejos.
CONCLUSIÓN
Para una optimización lo primero es determinar el grado de libertad con que se cuenta para tomar una decisión con respecto a una variable. En este edificio los umbrales de Requerimiento Lumínico y de Tolerancia Solar Máxima fueron los puntos de partida para comenzar a explorar la combinación óptima. Se diseñó a partir de lo Máximo Tolerable o de lo Mínimo Requerido, para llevar los dispositivos de fachada al máximo de su rendimiento posible.
Por tanteo y error sólo se puede llegar a resultados aceptables. Trabajando así hace falta un golpe de suerte para que el resultado obtenido sea el óptimo. Por este motivo los instrumentos de análisis y simulación se utilizaron aquí como herramientas de verificación, no como herramientas de diseño.
Fin del documento
Actualizado el 30 de julio de 2007
