2.5.1 Composición y distribución energética de la radiación solar.
Tal como se ha comentado anteriormente, los intercambios de calor que tienen lugar en una fachada acristalada son conducción, convección y radiación.
La radiación es un fenómeno que consiste en una emisión de calor por parte de un cuerpo a otros más fríos que lo rodean, no precisa de contacto material, y es proporcional a la temperatura del cuerpo y a sus propiedades emisivas. El Sol, cuya temperatura superficial es del orden de 6000ºK, emite una radiación de la cual una parte llega a la superficie de la Tierra. Esta cantidad de energía está constituida aproximadamente por:
- 5% de radiación ultra-violeta
- 50% de radiación visible
- 45% de radiación infrarroja
* Distribución de energía en condiciones correspondientes a irradiación máxima bajo nuestras latitudes. Es decir, para una altura solar de 30º, cielo claro y sobre una superficie perpendicular a la radiación.
La radiación solar se propaga en forma de ondas electromagnéticas. Está en función de la longitud de onda, que es la distancia entre dos crestas de una onda.
La radiación solar, de acuerdo con la normativa UNE-EN 410, cubre un rango de valores de longitudes de onda que oscila entre 280 y 2500 nm, correspondiendo los valores comprendidos entre 280 y 380 nm a la radiación ultravioleta, entre 380 y 780 nm a la radiación visible y entre 780 y 2500 nm a la radiación infrarroja.
2.5.2 Aportaciones de calor a través de una fachada acristalada.
Cuando la radiación solar incide sobre una fachada acristalada, parte de esta energía es reflejada, parte absorbida y parte transmitida.
De este modo se pueden definir los factores de absorción (α), reflexión (ρ) y transmisión (τ), que expresan las relaciones entre los flujos energéticos absorbidos, reflejados y transmitidos respectivamente con el flujo energético incidente.
La suma de los factores de absorción, reflexión y transmisión es igual a la unidad.
El factor de absorción será tanto menor cuanto más claros sean los componentes de la fachada. En cambio, el factor de reflexión será mayor cuanto más claros sean los componentes de la fachada ligera.
Cuando el factor de transmisión es nulo significa que se encuentra ante un cuerpo opaco, por ejemplo un panel. En caso contrario, se encuentra ante un cuerpo transparente o translúcido, por ejemplo un vidrio.
2.5.2.1 Aportaciones de calor a través de las partes opacas.
Se considera una pared opaca simple recibiendo una radiación solar incidente R, expresada en W/m2, tal como se muestra en la siguiente figura.
Parte de esta energía, ρR, es reflejada, es decir, devuelta hacia el exterior en forma de radiación solar. El resto, αR, es absorbida por el cuerpo opaco. Y de esta cantidad absorbida, parte es disipada hacia el exterior y parte hacia el interior.
El flujo de calor debido a la radiación solar absorbida que se disipa hacia el ambiente interior se puede expresar según la siguiente ecuación:
donde:
q: es el flujo de calor disipado hacia el interior [W/m2]
Up: es el coeficiente de transmisión térmica de la parte opaca [W/(m2k)]
Te: es la temperatura del ambiente exterior [ºC]
Ti: es la temperatura del ambiente interior [ºC]
he: es el coeficiente de transferencia térmica superficial exterior. [W/m2K]
α: es el coeficiente de absorción [-]
R: es la radiación solar incidente [W/m2]
2.5.2.2 Aportaciones de calor a través del vidrio. Factor solar.
Se considera una pared translúcida simple recibiendo una radiación solar R, expresada en W/m2, tal como se muestra en la siguiente figura.
Parte de esta energía, ρR, es reflejada hacia el exterior. Otra parte, αR, es absorbida por el cuerpo y disipada posteriormente hacia los ambientes exterior e interior. Y el resto de la energía, τR, es transmitida hacia el ambiente interior.
Por tanto, el flujo de calor debido a la radiación solar que penetra en el ambiente interior corresponde a la siguiente ecuación:
donde:
UH,V: es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio [W/(m2k)]
τ: es el coeficiente de transmisión
Aislando los términos relativos a la radiación solar de los relativos a temperaturas, se obtiene:
siendo el primer término de esta ecuación el conocido como factor solar g:
Por tanto, el factor solar se define como la cantidad de energía que penetra en el ambiente interior a
través del vidrio con relación a la radiación solar incidente sobre él.
A continuación se muestra una tabla con valores de factor solar de diferentes vidrios.
2.5.2.3 Efecto invernadero.
La cantidad de radiación solar que entra en el ambiente interior a través de la fachada acristalada es absorbida por los objetos y paredes interiores que, a su vez, la reemiten hacia el ambiente interior. Esta cantidad de energía que queda apresada en el interior y tiende a calentar dicho ambiente es lo que se conoce como efecto invernadero.
Este efecto se puede disminuir actuando sobre los siguientes puntos:
- Garantizando una renovación de aire del ambiente interior evitando así el sobrecalentamiento de éste.
- Utilizando vidrios con una importante absorción energética o importante reflexión energética hacia el exterior.
- Colocando todo tipo de protecciones solares.
2.5.2.4 Aportaciones de calor a través de una fachada acristalada provista de protecciones solares.
Tal como se ha comentado en el apartado 2.5.2.3 una forma eficaz de evitar que se produzca el conocido efecto invernadero es proveer la fachada de protecciones solares. Hoy día existen todo tipo de dispositivos externos e internos que actúan como protección solar.
Los fenómenos que tienen lugar cuando se tiene la protección colocada en el interior o en el exterior de la fachada acristalada son muy diferentes.
a) Protección solar exterior:
Los dispositivos externos tales como persianas, voladizos, lamas fijas o giratorias, etc., interceptan total o parcialmente los rayos de sol antes de llegar al vidrio.
En el caso que la protección sea opaca, como puede ser un parasol o una persiana enrollable, la distribución de radiación solar se esquematiza en la figura anexa.
La expresión de flujo es la siguiente:
En este caso, la transmisión es nula:
En este caso, como la mayor parte de la energía absorbida por la protección solar es disipada hacia el exterior, bien directamente por la propia protección o bien por la ventilación de la cámara de aire que separa la protección de la fachada acristalada, el valor del factor solar es pequeño, del orden de 0,05 a 0,15.
En caso que la protección deje pasar una cierta parte de la radiación solar, bien sea por transparencia directa (cortinas de tela) o bien por reflexión (persianas), el flujo de calor debido a la radiación solar que penetra en el ambiente interior responde a la siguiente ecuación:
Independientemente de la ubicación de la protección solar, la eficacia del conjunto formado por la fachada acristalada y la protección solar depende de los siguientes factores:
- la tonalidad de la cara exterior de la protección
- el factor de absorción del vidrio en el caso que la protección no oponga una pantalla total a los rayos de sol
- la resistencia térmica de la protección
- la emisividad de la cara interior de la protección y de la cara exterior del vidrio
- la ventilación de la cámara de aire ubicada entre la protección, exterior en este caso, y la fachada acristalada
- el coeficiente de transmisión térmica de la fachada acristalada.
b) Protección solar interior:
Toda la radiación solar que atraviesa la fachada acristalada llega a incidir en la protección solar.
Este caso responde a las mismas ecuaciones que una protección solar exterior.
La gran diferencia con respecto a la protección solar exterior es que la mayor parte de la energía acaba entrando en el local, provocando el llamado “efecto estufa” o “efecto radiador”, donde la protección calentada cede el calor a su alrededor, hacia la cámara de aire interior por convección, y hacia el interior del local por convección y radiación.
En este caso el valor del factor solar es generalmente superior a 0,5.
El centro tecnológico BUILDTEC de Hydro Building Systems ha realizado un estudio de la influencia de la ubicación exacta de una protección solar. En la siguiente figura se puede apreciar que la diferencia de temperaturas en el local es completamente diferente dependiendo si la protección está posicionada en la cara externa o interna de la fachada ligera. En el caso que esté colocada internamente, la temperatura de la sala es más elevada debido fundamentalmente al ya explicado efecto invernadero.
Es muy importante disponer de protecciones solares cuando se tienen fachadas acristaladas, sobre todo en el caso que estén orientadas a Sur, Sur- Oeste y Oeste, donde la radiación solar alcanza valores más elevados. De esta forma se evita en muchas ganancias térmicas por radiación solar en verano y se reduce el consumo de refrigeración en el interior del edificio.
2.5.2.5 Factor solar. Exigencias del Código Técnico de la Edificación.
En el nuevo Código Técnico de la Edificación, en su Documento Básico HE – Ahorro de Energía, se especifican los valores máximos del factor solar de los huecos acristalados ( FHlim ) en función de la zona climática donde se ubica el edificio, de la orientación de la fachada acristalada, del tanto por ciento de huecos acristalados en el total de la fachada y de la carga térmica interna del edificio.
Se entiende por hueco cualquier elemento semitransparente de la envolvente del edificio.
En este Documento Básico HE – Ahorro de Energía se especifica la expresión mediante la cuál se puede hallar el valor del factor solar del hueco, denominado FH.
donde:
δ: es el factor de sombra en función del dispositivo de protección del hueco o mediante la simulación de otras tipologías. Valores definidos en el CTE.
FM: es la fracción del hueco ocupada por la carpintería.
FH,v: es el factor solar de la parte semitransparente, es decir, el vidrio. Valores obtenidos del CTE o alternativamente mediante la norma UNE EN 410.
UH,m :es el coeficiente de transmisión térmica de la carpintería [W/m2·K]. Valores obtenidos del CTE.
α: es el factor de absorción de la carpintería en función de su color. Valores especificados en el CTE.
2.5.3 Importancia de la radiación solar.
Ejemplos prácticos.
El parámetro que caracteriza las prestaciones térmicas de la parte acristalada de una fachada ligera es su coeficiente UH,V, expresado en W/m2K.
Para la obtención de dicho valor se emplea una metodología descrita en el CTE que no tiene en cuenta los efectos de la radiación solar.
No obstante, a la hora de definir el flujo de calor en W/m2 que atraviesa la fachada acristalada se tienen que considerar las siguientes dos partes de energía calorífica:
- Una primera parte que es función de la diferencia de temperaturas entre el interior y el exterior del edificio. Viene definida por el coeficiente de transmisión térmica UH,V
- Una segunda parte que es función de la cantidad de radiación solar que incide sobre la fachada acristalada. Viene definida por el factor solar g del vidrio
En el apartado 2.5.2.2 se ha podido ver la siguiente expresión:
donde:
q: es el flujo de calor que atraviesa el cerramiento acristalado [W/m2]
UH,V: es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio [W/(m2k)]
Te: es la temperatura ambiente exterior [ºC]
Ti: es la temperatura ambiente interior [ºC]
g: es el factor solar de la parte acristalada de la fachada [-]
R: es el cantidad de radiación solar incidente sobre la parte acristalada de la fachada [W/m2]
En este apartado se pretende poner de manifiesto la vital importancia que tiene la parte de flujo de calor que entra en el edificio como consecuencia de la radiación solar.
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