ANÁLISIS
EXPERIMENTAL DE LA TRANSMISIÓN SOLAR DE DOS TIPOS DE PROTECCIONES
SOLARES PARA DISTINTAS POSICIONES EN MONTEVIDEO, URUGUAY
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE SOLAR TRANSMISSION OF TWO TYPES OF SOLAR PROTECTIONS FOR DIFFERENT POSITIONS IN MONTEVIDEO, URUGUAY
Lucía Pereira Ruchansky
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
lpereira@fadu.edu.uy
http://orcid.org/0000-0002-4697-3348
Lucía Gutiérrez Bazterrica
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
lugutib@gmail.com
http://orcid.org/0000-0001-9620-2296
Daniel Sosa Ibarra
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
dsosa@fadu.edu.uy
http://orcid.org/0000-0001-8218-2490
María Noel López Salgado
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
marianoelopezsalgado@gmail.com
http://orcid.org/0000-0002-3926-1625
Magdalena Camacho Roberts
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
magdalenacr@gmail.com
http://orcid.org/0000-0003-0694-7599
Recibido: 14/02/2020 y Aceptado: 31/07/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 2. Diciembre, 2020 (40 - 56)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
EXPERIMENTAL ANALYSIS OF THE SOLAR TRANSMISSION OF TWO TYPES OF SOLAR PROTECTIONS FOR DIFFERENT POSITIONS IN MONTEVIDEO, URUGUAY
Lucía Pereira Ruchansky
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
lpereira@fadu.edu.uy
http://orcid.org/0000-0002-4697-3348
Lucía Gutiérrez Bazterrica
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
lugutib@gmail.com
http://orcid.org/0000-0001-9620-2296
Daniel Sosa Ibarra
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
dsosa@fadu.edu.uy
http://orcid.org/0000-0001-8218-2490
María Noel López Salgado
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
marianoelopezsalgado@gmail.com
http://orcid.org/0000-0002-3926-1625
Magdalena Camacho Roberts
Universidad de la República (UDELAR). Facultad de Arquitectura Diseño y Urbanismo. Uruguay.
magdalenacr@gmail.com
http://orcid.org/0000-0003-0694-7599
Recibido: 14/02/2020 y Aceptado: 31/07/2020
ENERLAC. Volumen IV. Número 2. Diciembre, 2020 (40 - 56)
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522 (digital)
Foto de Roy Wen de Unsplash.
RESUMEN
La tendencia de la arquitectura de las últimas décadas promueve la utilización del vidrio como lenguaje expresivo. En un clima templado como el de Montevideo, este hecho puede tener efectos negativos sobre el ambiente interior y en consecuencia, sobre el confort y consumo de energía. Esto implica la necesidad de determinar criterios de diseño que logren mantener niveles adecuados de confort térmico y lumínico con un uso eficiente de la energía.
La investigación evalúa el comportamiento de algunas protecciones solares frente a la radiación solar térmica abarcando condiciones de uso en fachadas en Montevideo. El artículo tiene por objetivo presentar resultados experimentales para dos protecciones solares (tela screen y chapa perforada trapezoidal) ensayadas en condiciones de cielo real, en posición vertical para tres orientaciones (este, norte y noroeste) y en posición perpendicular a la radiación solar directa incidente.
Los resultados de transmisión solar obtenidos de forma experimental, permiten identificar que el comportamiento de las protecciones solares está estrechamente vinculado a su posición relativa al sol -ángulo de radiación incidente- y a la geometría de la protección solar; poniendo en discusión el factor solar como parámetro representativo del comportamiento de las protecciones solares en condiciones de uso y su utilidad como herramienta de diseño.
Palabras clave: Transmisión Solar, Factor Solar, Protección Solar, Radiación Solar, Eficiencia Energética, Cerramientos transparentes, Uruguay.
ABSTRACT
In last decades, architecture promotes the use of glass as an expressive language. In a temperate climate like Montevideo, this fact can have negative effects on the interior environment and, consequently, on thermal comfort and energy consumption. This implies the need to determine design criteria to maintain thermal and light comfort with efficient use of energy.
The research evaluates the behavior of some solar protections against thermal solar radiation, covering conditions of use on facades for local conditions in Montevideo. This article aims to present experimental results for two sunscreens (screen fabric and trapezoidal perforated sheet metal) tested in real sky conditions, in a vertical position for three orientations (east, north and northwest) and in a position perpendicular to the incident direct solar radiation .
The results of solar transmission obtained experimentally, allow us to identify that the behavior of the solar protections is closely linked to their position relative to the sun - angle of incident radiation - and to the geometry of the solar protection; putting into question the solar factor as a representative parameter of the behavior of solar protections under conditions of use and its usefulness as a design tool.
Keywords: Solar Transmission, Solar Factor, Solar Protection, Solar Radiation, Energy Efficiency, Fenestration System, Uruguay.
INTRODUCCIÓN
La tendencia de la arquitectura en las últimas décadas promueve la utilización del vidrio y la transparencia como lenguaje expresivo frente a una fascinación por la luz y la ligereza en el diseño. En muchos casos, estas expresiones estéticas se anteponen a la posibilidad de brindar condiciones de confort térmico y visual a los ocupantes de forma natural, condicionando al uso de ventilación mecánica y luz artificial.
Para que un edificio pueda ser eficiente y proporcionar confort a sus usuarios debe existir una correcta relación entre su forma, orientación, materialidad y los factores ambientales externos, logrando que las estrategias de diseño sean apropiadas al clima donde se apliquen.
En este sentido, la envolvente debe estar cuidadosamente diseñada de modo de controlar los intercambios de energía, mereciendo especial atención los cerramientos transparentes (conjunto conformado por: marco, vidrio y protección solar), los cuales pueden representar la principal fuente de pérdida de calor en invierno, por su alta transmitancia térmica, y la principal fuente de ganancia de calor en verano por su comportamiento frente a la radiación solar (transparente a la radiación solar de onda corta y opaca a la radiación solar de onda larga (Serra y Coch, 1995; Maraveas, 2019).
En particular, para optimizar el desempeño térmico y prevenir el sobrecalentamiento en el interior de los locales durante el periodo caluroso es fundamental la correcta utilización de estrategias de diseño que incorporen el control de ganancias de energía por radiación solar, así como considerar desde el proyecto las propiedades térmicas y lumínicas de los componentes de estos cerramientos.
Existen dos indicadores que se relacionan con el manejo de la energía térmica y se utilizan para evaluar el desempeño de los cerramientos transparentes: transmitancia térmica U (W/m2.K) y factor solar (FS). El FS, o coeficiente de ganancia solar (por sus siglas en inglés SHGC), es la fracción de irradiancia incidente que ingresa por una ventana, e incluye la energía transmitida directamente y la reemitida, ver Figura 1. Es un valor entre 0 y 1, donde 0 indica que no se transmite radiación y 1 significa que se transmite la totalidad de la radiación incidente; puede especificarse para cada componente del cerramiento por separado (vidrio y dispositivo de protección solar) o para todo el conjunto del cerramiento transparente.
Investigaciones recientes demuestran que estos indicadores, tradicionalmente utilizados, no son suficientes para evaluar el desempeño energético de los cerramientos transparentes. Stazi et al. (2014) identifican la incidencia de algunos factores claves en el comportamiento físico-térmico de las protecciones solares como la geometría (inclinación, ancho y separación entre lamas), materialidad (calor específico y conductividad), y su colocación (interior y exterior). Dentro de esta misma línea, Mainini et al. (2014) estudian la efectividad de estos dispositivos en función de sus condiciones geométricas y textura (grado de apertura), identificando al ángulo de incidencia de la radiación solar como factor clave del desempeño energético. Por su parte, Bustamante et al. (2014) y Appelfeld et al. (2012) estudian el comportamiento de los sistemas complejos de ventanas (CFS, por sus siglas en inglés), en los cuales consideran el desempeño conjunto de ventana y sistema de protección solar frente a diferentes ángulos de incidencia de la radiación solar; estos autores identifican que los niveles de transmisión solar a incidencia normal no son un indicador preciso para sistemas con dependencia angular como los CFS, dentro de los que se incluyen por ejemplo las venecianas o chapa perforada.
La tendencia de la arquitectura de las últimas décadas promueve la utilización del vidrio como lenguaje expresivo. En un clima templado como el de Montevideo, este hecho puede tener efectos negativos sobre el ambiente interior y en consecuencia, sobre el confort y consumo de energía. Esto implica la necesidad de determinar criterios de diseño que logren mantener niveles adecuados de confort térmico y lumínico con un uso eficiente de la energía.
La investigación evalúa el comportamiento de algunas protecciones solares frente a la radiación solar térmica abarcando condiciones de uso en fachadas en Montevideo. El artículo tiene por objetivo presentar resultados experimentales para dos protecciones solares (tela screen y chapa perforada trapezoidal) ensayadas en condiciones de cielo real, en posición vertical para tres orientaciones (este, norte y noroeste) y en posición perpendicular a la radiación solar directa incidente.
Los resultados de transmisión solar obtenidos de forma experimental, permiten identificar que el comportamiento de las protecciones solares está estrechamente vinculado a su posición relativa al sol -ángulo de radiación incidente- y a la geometría de la protección solar; poniendo en discusión el factor solar como parámetro representativo del comportamiento de las protecciones solares en condiciones de uso y su utilidad como herramienta de diseño.
Palabras clave: Transmisión Solar, Factor Solar, Protección Solar, Radiación Solar, Eficiencia Energética, Cerramientos transparentes, Uruguay.
ABSTRACT
In last decades, architecture promotes the use of glass as an expressive language. In a temperate climate like Montevideo, this fact can have negative effects on the interior environment and, consequently, on thermal comfort and energy consumption. This implies the need to determine design criteria to maintain thermal and light comfort with efficient use of energy.
The research evaluates the behavior of some solar protections against thermal solar radiation, covering conditions of use on facades for local conditions in Montevideo. This article aims to present experimental results for two sunscreens (screen fabric and trapezoidal perforated sheet metal) tested in real sky conditions, in a vertical position for three orientations (east, north and northwest) and in a position perpendicular to the incident direct solar radiation .
The results of solar transmission obtained experimentally, allow us to identify that the behavior of the solar protections is closely linked to their position relative to the sun - angle of incident radiation - and to the geometry of the solar protection; putting into question the solar factor as a representative parameter of the behavior of solar protections under conditions of use and its usefulness as a design tool.
Keywords: Solar Transmission, Solar Factor, Solar Protection, Solar Radiation, Energy Efficiency, Fenestration System, Uruguay.
INTRODUCCIÓN
La tendencia de la arquitectura en las últimas décadas promueve la utilización del vidrio y la transparencia como lenguaje expresivo frente a una fascinación por la luz y la ligereza en el diseño. En muchos casos, estas expresiones estéticas se anteponen a la posibilidad de brindar condiciones de confort térmico y visual a los ocupantes de forma natural, condicionando al uso de ventilación mecánica y luz artificial.
Para que un edificio pueda ser eficiente y proporcionar confort a sus usuarios debe existir una correcta relación entre su forma, orientación, materialidad y los factores ambientales externos, logrando que las estrategias de diseño sean apropiadas al clima donde se apliquen.
En este sentido, la envolvente debe estar cuidadosamente diseñada de modo de controlar los intercambios de energía, mereciendo especial atención los cerramientos transparentes (conjunto conformado por: marco, vidrio y protección solar), los cuales pueden representar la principal fuente de pérdida de calor en invierno, por su alta transmitancia térmica, y la principal fuente de ganancia de calor en verano por su comportamiento frente a la radiación solar (transparente a la radiación solar de onda corta y opaca a la radiación solar de onda larga (Serra y Coch, 1995; Maraveas, 2019).
En particular, para optimizar el desempeño térmico y prevenir el sobrecalentamiento en el interior de los locales durante el periodo caluroso es fundamental la correcta utilización de estrategias de diseño que incorporen el control de ganancias de energía por radiación solar, así como considerar desde el proyecto las propiedades térmicas y lumínicas de los componentes de estos cerramientos.
Existen dos indicadores que se relacionan con el manejo de la energía térmica y se utilizan para evaluar el desempeño de los cerramientos transparentes: transmitancia térmica U (W/m2.K) y factor solar (FS). El FS, o coeficiente de ganancia solar (por sus siglas en inglés SHGC), es la fracción de irradiancia incidente que ingresa por una ventana, e incluye la energía transmitida directamente y la reemitida, ver Figura 1. Es un valor entre 0 y 1, donde 0 indica que no se transmite radiación y 1 significa que se transmite la totalidad de la radiación incidente; puede especificarse para cada componente del cerramiento por separado (vidrio y dispositivo de protección solar) o para todo el conjunto del cerramiento transparente.
Investigaciones recientes demuestran que estos indicadores, tradicionalmente utilizados, no son suficientes para evaluar el desempeño energético de los cerramientos transparentes. Stazi et al. (2014) identifican la incidencia de algunos factores claves en el comportamiento físico-térmico de las protecciones solares como la geometría (inclinación, ancho y separación entre lamas), materialidad (calor específico y conductividad), y su colocación (interior y exterior). Dentro de esta misma línea, Mainini et al. (2014) estudian la efectividad de estos dispositivos en función de sus condiciones geométricas y textura (grado de apertura), identificando al ángulo de incidencia de la radiación solar como factor clave del desempeño energético. Por su parte, Bustamante et al. (2014) y Appelfeld et al. (2012) estudian el comportamiento de los sistemas complejos de ventanas (CFS, por sus siglas en inglés), en los cuales consideran el desempeño conjunto de ventana y sistema de protección solar frente a diferentes ángulos de incidencia de la radiación solar; estos autores identifican que los niveles de transmisión solar a incidencia normal no son un indicador preciso para sistemas con dependencia angular como los CFS, dentro de los que se incluyen por ejemplo las venecianas o chapa perforada.
Figura 1. Esquema radiación incidente y transmitida a través de un cerramiento transparente
Fuente: Elaboración propia
Este
artículo evalúa en primer instancia el comportamiento de dos
protecciones solares frente a la radiación solar de onda corta a través
de mediciones experimentales, para diferentes posiciones y
orientaciones en Montevideo, presentando un análisis comparativo entre
los resultados obtenidos en las diferentes situaciones evaluadas, y la
relación de los mismos con los valores de transmisión solar normalmente
utilizados para el cálculo del factor solar. En una segunda etapa se
plantean estudios preliminares tendientes a la caracterización
geométrica de la trasmisión solar, realizadas a partir del estudio de
la variación de la transmisión solar en función de ángulo de incidencia
de la radiación directa, referido al plano de la protección.
METODOLOGÍA
La evaluación del comportamiento de las protecciones solares frente a la radiación solar se realizó de forma experimental y analítica. Se midieron muestras de protecciones solares en condiciones de cielo real en el período caluroso, en la ciudad de Montevideo - Uruguay (34°54’35’’S, 56°9’49’’O), cuya clasificación climática de Köppen es Cfa y tiene un promedio anual de irradiación global en plano horizontal de 4.58 kWh/m2día (Alonso-Suárez et al., 2014).
Las protecciones solares ensayadas se definieron en base a un relevamiento de ventas del mercado nacional, compras estatales y un estudio de antecedentes de investigaciones similares, obteniendo las siguientes tipologías de protecciones como casos de estudio: venecianas (exteriores e interiores), paneles (chapa perforada curva y chapa perforada trapezoidal) y rollers (tela screen).
En este artículo se presentan los resultados para la tela screen -visillo fijo, color blanca, calada al 5% (identificada como PS1)- y la chapa perforada trapezoidal -material aluzinc, color aluminio, terminación de pintura polyester al horno, perforación 20% (identificada como PS2)- ver Figuras 2a y 2b.
METODOLOGÍA
La evaluación del comportamiento de las protecciones solares frente a la radiación solar se realizó de forma experimental y analítica. Se midieron muestras de protecciones solares en condiciones de cielo real en el período caluroso, en la ciudad de Montevideo - Uruguay (34°54’35’’S, 56°9’49’’O), cuya clasificación climática de Köppen es Cfa y tiene un promedio anual de irradiación global en plano horizontal de 4.58 kWh/m2día (Alonso-Suárez et al., 2014).
Las protecciones solares ensayadas se definieron en base a un relevamiento de ventas del mercado nacional, compras estatales y un estudio de antecedentes de investigaciones similares, obteniendo las siguientes tipologías de protecciones como casos de estudio: venecianas (exteriores e interiores), paneles (chapa perforada curva y chapa perforada trapezoidal) y rollers (tela screen).
En este artículo se presentan los resultados para la tela screen -visillo fijo, color blanca, calada al 5% (identificada como PS1)- y la chapa perforada trapezoidal -material aluzinc, color aluminio, terminación de pintura polyester al horno, perforación 20% (identificada como PS2)- ver Figuras 2a y 2b.
Figura 2. Características geométricas y textura de protecciones solares ensayadas: (a) PS1; (b) PS2
Fuente: Elaboración propia con datos de proveedores
Se
confeccionó como dispositivo de ensayo una caja cúbica de 0.70 m de
lado para ubicar los instrumentos de medición, con una cara libre para
posicionar las protecciones solares. Su envolvente se diseñó para
evitar el sobrecalentamiento y su consecuente emisión de radiación de
onda larga que pudiese interferir en los registros, para ello se aisló
con poliestireno expandido de 2cm de espesor con terminación exterior
con membrana asfáltica con revestimiento de aluminio. Las mediciones se
efectuaron entre enero y mayo de 2019, en días con condición de cielo
despejado, descartando en el procesamiento de datos periodos puntuales
en que se constató nubosidad.
La adquisición de datos de radiación de onda corta al interior del prototipo y de radiación incidente se realizó con piranómetros SPLite 2 Kipp&Zonen, los cuales presentan un desempeño adecuado para este tipo de mediciones (Bustamante et al., 2014). El piranómetro interior se ubicó paralelo al plano de la protección solar al interior de la caja, abarcando dentro de su ángulo visual únicamente la superficie de la protección solar, el piranómetro exterior -para medir la radiación incidente- se ubicó en la misma posición relativa que el piranómetro interior, ver Figura 3(a). Los instrumentos se sincronizaron para registrar datos cada 30 segundos.
Las mediciones se realizaron en la azotea de la Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo de la Universidad de la República en Montevideo, Uruguay, ver Figura 3(b). La ubicación del dispositivo se determinó considerando las distancias para minimizar la incidencia de obstrucciones cercanas que pudieran interferir en la correcta toma de datos.
La adquisición de datos de radiación de onda corta al interior del prototipo y de radiación incidente se realizó con piranómetros SPLite 2 Kipp&Zonen, los cuales presentan un desempeño adecuado para este tipo de mediciones (Bustamante et al., 2014). El piranómetro interior se ubicó paralelo al plano de la protección solar al interior de la caja, abarcando dentro de su ángulo visual únicamente la superficie de la protección solar, el piranómetro exterior -para medir la radiación incidente- se ubicó en la misma posición relativa que el piranómetro interior, ver Figura 3(a). Los instrumentos se sincronizaron para registrar datos cada 30 segundos.
Las mediciones se realizaron en la azotea de la Facultad de Arquitectura, Diseño y Urbanismo de la Universidad de la República en Montevideo, Uruguay, ver Figura 3(b). La ubicación del dispositivo se determinó considerando las distancias para minimizar la incidencia de obstrucciones cercanas que pudieran interferir en la correcta toma de datos.
Figura 3. Dispositivo de ensayo de protecciones solares: (a) instrumentos colocados al interior; (b) emplazamiento
Fuente: Elaboración propia
Las
protecciones se ensayaron para los planos verticales de orientación
este, norte y noroeste abarcando las horas en que el plano de estudio
recibe los mayores niveles de radiación solar directa, de acuerdo a la
distribución teórica de la radiación por plano para el solsticio de
verano en Montevideo, ver Figura 4. Considerando que las fachadas este
y oeste son simétricas a la radiación, las mediciones realizadas
abarcan un amplio rango de posiciones características de las fachadas
de los edificios. Adicionalmente, se realizaron mediciones durante el
mediodía solar con el dispositivo de ensayo inclinado, orientando la
protección solar normal a la radiación solar directa incidente y
considerando una desviación de hasta 5 grados, según ANSI/NFRC 200-2014
[5]. En la Figura 5 se pueden observar las posiciones del dispositivo
de ensayo durante las mediciones.
Figura 4. Niveles de radiación solar incidente por plano (W/m2) para solsticio de verano en Montevideo
Fuente: Cátedra Acondicionamiento térmico FADU-UdelaR, 2000
Figura 5.
Dispositivo de ensayo de protecciones solares: (a) medición con PS1 en
posición vertical; (b) medición con PS2 en posición inclinada, normal a
la radiación incidente
Fuente: Elaboración propia
Las
protecciones solares se ensayaron sin la utilización de vidrio,
considerando que los valores de factor solar, reflexión lumínica y
transmitancia térmica son conocidos y ensayados en laboratorio según
norma ISO 15099:2003 para los distintos tipos de vidrios. La supresión
del vidrio simplificó las mediciones. De modo que se evitaron por un
lado, las interacciones existentes entre el vidrio y la protección
solar que no permitirían identificar el comportamiento aislado de la
misma, además del efecto invernadero al interior de la caja que
generaría la presencia de vidrio, afectando las mediciones y los
resultados.
RESULTADOS Y ANÁLISIS
A continuación se presentan los resultados obtenidos, mediante mediciones, de los niveles de radiación exterior -incidente-, los niveles de radiación registrados al atravesar la protección solar -transmitida- y la relación entre ellos -transmisión solar- expresada en porcentaje, para cada tipo de protección y orientación ensayada.
Protección solar “tela Screen”, PS1
En la Figura 6(a), se muestran las mediciones de radiación solar global, orientando la protección solar normal a la radiación solar directa incidente, identificando en la figura con una línea vertical la hora legal correspondiente al mediodía solar. Se observa un comportamiento uniforme con un promedio de transmisión solar de 21.5%. Para la orientación norte -plano vertical-, Figura 6(b), los porcentajes de transmisión solar van aumentando desde un 14.3% al inicio (11:00h) con una altura solar (H) de 59.8° y azimut (Z) 66.3°, hasta alcanzar al mediodía solar el 16.8% (12:56h, H=74.3°, Z=0.2°). Luego se mantiene con oscilaciones mínimas sobre ese valor hasta finalizar la medición (14:30h, H=64.1°, Z=301.3°).
La medición presentada en la Figura 6(a) respecto a la 6(b) se realizó para un mismo azimut y diferente altura, obteniendo una diferencia porcentual en la transmisión solar registrada entre ambas mediciones. Dicha diferencia es variable, con un nivel cercano al 4.7% considerando el inicio de las mediciones (diferencia entre 21.5% y 16.8%), y próxima al 7.2% considerando el valor promedio máximo alcanzado en ambas mediciones del mediodía solar en adelante (diferencia entre 21.5% y 14.3%).
A continuación se presentan los resultados obtenidos, mediante mediciones, de los niveles de radiación exterior -incidente-, los niveles de radiación registrados al atravesar la protección solar -transmitida- y la relación entre ellos -transmisión solar- expresada en porcentaje, para cada tipo de protección y orientación ensayada.
Protección solar “tela Screen”, PS1
En la Figura 6(a), se muestran las mediciones de radiación solar global, orientando la protección solar normal a la radiación solar directa incidente, identificando en la figura con una línea vertical la hora legal correspondiente al mediodía solar. Se observa un comportamiento uniforme con un promedio de transmisión solar de 21.5%. Para la orientación norte -plano vertical-, Figura 6(b), los porcentajes de transmisión solar van aumentando desde un 14.3% al inicio (11:00h) con una altura solar (H) de 59.8° y azimut (Z) 66.3°, hasta alcanzar al mediodía solar el 16.8% (12:56h, H=74.3°, Z=0.2°). Luego se mantiene con oscilaciones mínimas sobre ese valor hasta finalizar la medición (14:30h, H=64.1°, Z=301.3°).
La medición presentada en la Figura 6(a) respecto a la 6(b) se realizó para un mismo azimut y diferente altura, obteniendo una diferencia porcentual en la transmisión solar registrada entre ambas mediciones. Dicha diferencia es variable, con un nivel cercano al 4.7% considerando el inicio de las mediciones (diferencia entre 21.5% y 16.8%), y próxima al 7.2% considerando el valor promedio máximo alcanzado en ambas mediciones del mediodía solar en adelante (diferencia entre 21.5% y 14.3%).
Figura 6. Radiación solar incidente (W/m2), transmitida (W/m2)
y transmisión solar (%) en PS1 para diferentes posiciones: (a) normal a
la radiación solar directa incidente; (b) plano vertical -orientación
norte-
Fuente: Elaboración propia
Debido
a la trayectoria del sol, que presenta un comportamiento simétrico con
eje en la hora del mediodía solar, se esperaba registrar un
comportamiento simétrico en la radiación incidente y en la radiación
medida al interior, en la posición vertical orientada al norte. Los
datos obtenidos del piranómetro exterior muestran esta simetría en su
curva, sin embargo, se encuentra desplazada del eje correspondiente al
mediodía solar, lo que podría estar indicando que la ubicación del
dispositivo de medición tiene una desviación con respecto al norte
solar o que la posición de los instrumentos presenta una pequeña
inclinación respecto a la protección solar; provocando que los datos
obtenidos no reflejen esa simetría.
Para la PS1 en la orientación este, Figura 7(a), la transmisión solar es variable. Esta relación tiende a disminuir a medida que avanza la medición, variando entre 20.5% al inicio (7:00h, H=12.0°, Z=105.9°), y un 14.3% al finalizar (12:00h, H=70.3°, Z=42.8°). En la orientación noroeste, Figura 7(b), con mediciones realizadas entre las 15:00h (H=58.6°, Z=296.3°) y las 18:30h (H=16.2°, Z=257.6°), se puede observar un comportamiento más estable, con variaciones durante toda la medición entre el 16.0% y el 18.3%.
Si bien la tela screen no presenta a priori una fuerte condicionante geométrica, se constató que a medida que varía su posición relativa con respecto al sol, varía el porcentaje de radiación transmitida. El valor medido en condición normal a la radiación directa incidente (21.5%) se aproxima únicamente al registrado a las 7:00h en la orientación este, cuando el azimut relativo es menor a 20°, y representa el mayor valor de transmisión solar registrado para esta protección. Para el resto de las mediciones se registraron valores que presentan una diferencia respecto a la medición en posición normal de hasta un 7.2% menos (diferencia entre el valor representativo en posición normal de 21.5% y el valor mínimo en orientación este de 14.3%).
Para la PS1 en la orientación este, Figura 7(a), la transmisión solar es variable. Esta relación tiende a disminuir a medida que avanza la medición, variando entre 20.5% al inicio (7:00h, H=12.0°, Z=105.9°), y un 14.3% al finalizar (12:00h, H=70.3°, Z=42.8°). En la orientación noroeste, Figura 7(b), con mediciones realizadas entre las 15:00h (H=58.6°, Z=296.3°) y las 18:30h (H=16.2°, Z=257.6°), se puede observar un comportamiento más estable, con variaciones durante toda la medición entre el 16.0% y el 18.3%.
Si bien la tela screen no presenta a priori una fuerte condicionante geométrica, se constató que a medida que varía su posición relativa con respecto al sol, varía el porcentaje de radiación transmitida. El valor medido en condición normal a la radiación directa incidente (21.5%) se aproxima únicamente al registrado a las 7:00h en la orientación este, cuando el azimut relativo es menor a 20°, y representa el mayor valor de transmisión solar registrado para esta protección. Para el resto de las mediciones se registraron valores que presentan una diferencia respecto a la medición en posición normal de hasta un 7.2% menos (diferencia entre el valor representativo en posición normal de 21.5% y el valor mínimo en orientación este de 14.3%).
Figura 7. Radiación solar incidente (W/m²), transmitida (W/m²) y transmisión solar (%) en PS1 para plano vertical en diferentes orientaciones: (a) este; (b) noroeste
Fuente: Elaboración propia
Protección solar “chapa perforada trapezoidal” PS2
En la Figura 8(a), correspondiente a la PS2 en condición normal a la radiación incidente se identifica un comportamiento fluctuante de la radiación transmitida, con picos y valles, que se refleja en valores de transmisión solar que oscilan entre el 15.1% y el 24.2%. La transmisión solar puede variar en un 8.9% al considerar un pico (24.2%, 12:31 h) y un valle (15.3%, 12:38 h), aún con un movimiento relativo del sol muy acotado. Para la orientación norte, Figura 8(b), el porcentaje de radiación que pasa a través de la protección mantiene un comportamiento fluctuante, con valores máximos del 14.7% (11:29h, H=60.4°, Z=48.8°) y mínimos del 3.4%, 16 minutos después (11:45h, H=62.7°, Z=42.3°). La mediciones de las Figura 8(a) y 8(b) presentan el mismo azimut, variando la altura y la extensión del periodo de medición, sin embargo, se puede observar que los valores obtenidos para la posición vertical son inferiores a los obtenidos en posición normal. Al igual que en las figuras anteriores, la línea vertical corresponde al mediodía solar. La ausencia de un comportamiento simétrico en los resultados, respecto a esta hora, es posible atribuirla a la ubicación relativa del piranómetro interior en relación a la geometría de la protección; el cual quedó desplazado del eje de simetría del trapecio que conforma la chapa plegada. No obstante, se considera que los resultados obtenidos presentan una coherencia global en relación a lo esperado desde el punto de vista teórico.
En la Figura 8(a), correspondiente a la PS2 en condición normal a la radiación incidente se identifica un comportamiento fluctuante de la radiación transmitida, con picos y valles, que se refleja en valores de transmisión solar que oscilan entre el 15.1% y el 24.2%. La transmisión solar puede variar en un 8.9% al considerar un pico (24.2%, 12:31 h) y un valle (15.3%, 12:38 h), aún con un movimiento relativo del sol muy acotado. Para la orientación norte, Figura 8(b), el porcentaje de radiación que pasa a través de la protección mantiene un comportamiento fluctuante, con valores máximos del 14.7% (11:29h, H=60.4°, Z=48.8°) y mínimos del 3.4%, 16 minutos después (11:45h, H=62.7°, Z=42.3°). La mediciones de las Figura 8(a) y 8(b) presentan el mismo azimut, variando la altura y la extensión del periodo de medición, sin embargo, se puede observar que los valores obtenidos para la posición vertical son inferiores a los obtenidos en posición normal. Al igual que en las figuras anteriores, la línea vertical corresponde al mediodía solar. La ausencia de un comportamiento simétrico en los resultados, respecto a esta hora, es posible atribuirla a la ubicación relativa del piranómetro interior en relación a la geometría de la protección; el cual quedó desplazado del eje de simetría del trapecio que conforma la chapa plegada. No obstante, se considera que los resultados obtenidos presentan una coherencia global en relación a lo esperado desde el punto de vista teórico.
Figura 8. Radiación solar incidente (W/m2), transmitida (W/m2)
y transmisión solar (%) de PS2 para diferentes posiciones: (a) normal a
la radiación solar directa incidente; (b) plano vertical -orientación
norte-
Fuente: Elaboración propia
La
transmisión solar de la PS2 en orientación este se muestra en la Figura
9(a), más adelante. El mayor nivel, 25.0%, se registra al comienzo de
la medición (7:05 h, H=8.1°, Z=98.7°), y el menor, 6,6%, a las 12:00 h,
H=63.2°, Z=33.3°. A partir de las 11:20 h las fluctuaciones disminuyen,
tendiendo a un comportamiento regular sin variaciones abruptas. La
tendencia general de la curva de transmisión solar muestra una
disminución en los porcentajes a medida que avanza la medición. Para la
orientación noroeste, Figura 9(b), al igual en las anteriores
mediciones se observa la característica de fluctuación en la radiación
que ingresa a través de la protección. En esta orientación se
identifica que a pesar de la fluctuación hay una coincidencia entre los
niveles máximos y mínimos de radiación incidente y transmitida;
registrándose la mayor transmisión solar de 21.8% (16:20 h, H=41.4°,
Z=279.4°), y la menor de 4.0% (13:07 h, H=71.2°, Z=353.7°).
Figura 9. Radiación solar incidente (W/m2), transmitida (W/m2) y transmisión solar (%) de PS2 para plano vertical en diferentes orientaciones: (a) este; (b) noroeste
Fuente: Elaboración propia
Los
resultados para la PS2, en todos los casos presentan un comportamiento
fluctuante en magnitud y amplitud, lo cual permite constatar que las
variaciones en la transmisión solar están condicionadas por su
geometría.
El plegado trapezoidal de la chapa por su parte, genera un auto-sombreado, mientras que las perforaciones presentes en la misma permiten mayor o menor captación de radiación directa dependiendo del ángulo de incidencia, ver Figura 10(a) y (b).
El plegado trapezoidal de la chapa por su parte, genera un auto-sombreado, mientras que las perforaciones presentes en la misma permiten mayor o menor captación de radiación directa dependiendo del ángulo de incidencia, ver Figura 10(a) y (b).
Figura 10. Detalle de incidencia de radiación solar directa sobre protección “Chapa perforada trapezoidal” y presentación esquemática
Fuente: Elaboración propia
Análisis comparativo
En el resumen de resultados de transmisión solar presentado en la figura 11, es posible observar el comportamiento de ambas protecciones solares para las tres orientaciones analizadas y la condición normal a la radiación incidente. Al analizar el comportamiento de ambas protecciones solares se observa que para la PS1, el porcentaje de radiación solar que atraviesa la protección describe un comportamiento aproximadamente lineal en todas las posiciones; en cambio la protección PS2, describe un comportamiento fluctuante en todos los casos, identificándose un patrón de picos y valles con una amplitud variable.
Para ambas protecciones en posición vertical y según los períodos de medición considerados, los valores más altos de transmisión se constatan para una incidencia cuasi normal, en este caso se corresponde con la orientación este en las primeras horas de la mañana.
En el resumen de resultados de transmisión solar presentado en la figura 11, es posible observar el comportamiento de ambas protecciones solares para las tres orientaciones analizadas y la condición normal a la radiación incidente. Al analizar el comportamiento de ambas protecciones solares se observa que para la PS1, el porcentaje de radiación solar que atraviesa la protección describe un comportamiento aproximadamente lineal en todas las posiciones; en cambio la protección PS2, describe un comportamiento fluctuante en todos los casos, identificándose un patrón de picos y valles con una amplitud variable.
Para ambas protecciones en posición vertical y según los períodos de medición considerados, los valores más altos de transmisión se constatan para una incidencia cuasi normal, en este caso se corresponde con la orientación este en las primeras horas de la mañana.
Figura 11. Transmisión solar (%) de PS1 y PS2 para todas las posiciones y orientaciones
Fuente: Elaboración propia
Estos
datos permiten afirmar que, aun protecciones de geometría homogénea
-PS1- presentan desempeños variables según el ángulo de incidencia de
la radiación solar. Mientras que, para el caso de la PS2, se constata
la incidencia de la geometría compleja en su desempeño como protección
solar, registrándose resultados aún más variables. En la Figura 12, se
puede observar la caracterización de los valores de transmisión solar
para cada protección solar si consideramos los resultados de las
mediciones para todas las orientaciones. La PS1 presenta un rango de
transmisión solar más acotado (14.0% a 21.0%), mientras que la PS2
presenta un rango más extenso (3.4% a 25.0%), ver Figura 12. De esto se
desprende que, para todas las orientaciones y posiciones, el valor
medio de transmitancia solar es más representativo para la PS1 que para
la PS2, debido a que en la primera los resultados presentan una menor
desviación respecto a la media.
Figura 12. Distribución normal de coeficientes de transmisión solar para las protecciones PS1 y PS2
Fuente: Elaboración propia
Caracterización del desempeño de las protecciones
En una siguiente etapa, se independizaron los resultados obtenidos de la orientación en que se midieron. Cada ángulo de incidencia de radiación se expresó en relación a un mismo plano genérico, considerando la variación en altura entre 0° -perpendicular al plano- y 90° -rasante al plano- y la variación en azimut como la desviación respecto a la normal entre 0° y 90° hacia ambos lados, ver Figura 13. Como resultado se obtuvo para cada protección, la variación de la transmisión solar en función de ángulo de incidencia de la radiación. Los análisis realizados a continuación se plantean cómo estudios preliminares tendientes a la caracterización geométrica de la trasmisión solar.
La Figura 14 presenta los resultados obtenidos para la PS1 donde se observa que en ángulos cercanos a la perpendicular, tanto en azimut como en altura, se presentan los mayores niveles de transmitancia (20% o más); así mismo los menores valores (entre 14% y 17%) se presentan únicamente a partir de los 55° de altura.
En una siguiente etapa, se independizaron los resultados obtenidos de la orientación en que se midieron. Cada ángulo de incidencia de radiación se expresó en relación a un mismo plano genérico, considerando la variación en altura entre 0° -perpendicular al plano- y 90° -rasante al plano- y la variación en azimut como la desviación respecto a la normal entre 0° y 90° hacia ambos lados, ver Figura 13. Como resultado se obtuvo para cada protección, la variación de la transmisión solar en función de ángulo de incidencia de la radiación. Los análisis realizados a continuación se plantean cómo estudios preliminares tendientes a la caracterización geométrica de la trasmisión solar.
La Figura 14 presenta los resultados obtenidos para la PS1 donde se observa que en ángulos cercanos a la perpendicular, tanto en azimut como en altura, se presentan los mayores niveles de transmitancia (20% o más); así mismo los menores valores (entre 14% y 17%) se presentan únicamente a partir de los 55° de altura.
Figura 13. Lectura de ángulos de incidencia para el plano de medición
Fuente: Elaboración propia
Figura 14. Transmisión solar (%) de PS1 en función de posición relativa del sol
Fuente: Elaboración propia
Figura 15. Transmisión solar (%) de PS2 en función de posición relativa del sol
Fuente: Elaboración propia
Para
la PS2, Figura 15, es posible identificar sobre los 50.0° de altura un
cambio en los rangos de transmitancia independiente del azimut.
Mientras que, para alturas menores a 50.0° el rango oscila entre 14.0%
y 20.0%, para alturas mayores la transmisión varía entre 3.4% y 17.0%.
A su vez, dentro de cada zona se identifica que los niveles más altos se presentan en diferentes ángulos de incidencia – altura y azimut relativo al plano de la protección -, lo cual tiene relación con el comportamiento presentado en la Figura 10.
CONCLUSIONES
Este trabajo presenta los estudios realizados sobre dos tipos de protecciones solares, cortina de tela screen y chapa perforada trapezoidal, para evaluar la transmisión de radiación solar de onda corta a través de ellas, en diferentes posiciones y orientaciones. En las mediciones realizadas se pudo constatar que el desempeño de las protecciones solares es variable según el ángulo de la radiación incidente, o sea, a su posición relativa al sol, y la geometría propia de la protección.
Los resultados obtenidos de forma experimental para la ciudad de Montevideo, demuestran que las protecciones ensayadas presentan una diferencia en su desempeño según la posición en que se orienten, lo cual revela la dificultad de utilizar un indicador único por dispositivo de protección solar. Considerando siempre su evaluación para el período de verano, ambas protecciones presentan un mejor desempeño, es decir menores niveles de transmisión solar, cuando se orientan hacia el norte.
Por otro lado, la evaluación comparativa de los resultados para ambas protecciones permitió identificar que el valor de transmisión solar en condición normal a la radiación incidente -que corresponde al porcentaje de radiación de onda corta en el cálculo del factor solar- se encuentra por encima de los niveles registrados en condiciones reales de uso en fachada. Esta diferencia podría, por ejemplo, llevar a un sobre dimensionamiento de los cálculos de demanda de refrigeración o condicionar los niveles de iluminación interior, poniendo en discusión la utilidad del factor solar como herramienta de diseño.
El estudio realizado permitió caracterizar el desempeño de las protecciones estudiadas para posibles orientaciones de fachadas de edificios en Montevideo, Uruguay. Adicionalmente, se presentó un análisis preliminar que permite caracterizar el desempeño de las protecciones solares para cualquier ubicación y orientación, a través del análisis realizado que expresa la transmisión solar en función del ángulo de radiación incidente. Para profundizar el estudio de las protecciones solares, es necesario un mayor número de mediciones frente a otros ángulos de incidencia de radiación para obtener una caracterización global por protección solar, así como para independizar esta variable de la incidencia de la geometría que la caracteriza. El desarrollo de esta metodología podría aportar un indicador más adecuado para la toma de decisiones en el diseño y evaluación de cerramientos transparentes.
Los datos de este artículo forman parte del proyecto Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC), I+D “Efectos de las características de las ventanas, los vidrios y los dispositivos de protección solar sobre los requerimientos energéticos del edificio y las condiciones de confort térmico y visual”.
A su vez, dentro de cada zona se identifica que los niveles más altos se presentan en diferentes ángulos de incidencia – altura y azimut relativo al plano de la protección -, lo cual tiene relación con el comportamiento presentado en la Figura 10.
CONCLUSIONES
Este trabajo presenta los estudios realizados sobre dos tipos de protecciones solares, cortina de tela screen y chapa perforada trapezoidal, para evaluar la transmisión de radiación solar de onda corta a través de ellas, en diferentes posiciones y orientaciones. En las mediciones realizadas se pudo constatar que el desempeño de las protecciones solares es variable según el ángulo de la radiación incidente, o sea, a su posición relativa al sol, y la geometría propia de la protección.
Los resultados obtenidos de forma experimental para la ciudad de Montevideo, demuestran que las protecciones ensayadas presentan una diferencia en su desempeño según la posición en que se orienten, lo cual revela la dificultad de utilizar un indicador único por dispositivo de protección solar. Considerando siempre su evaluación para el período de verano, ambas protecciones presentan un mejor desempeño, es decir menores niveles de transmisión solar, cuando se orientan hacia el norte.
Por otro lado, la evaluación comparativa de los resultados para ambas protecciones permitió identificar que el valor de transmisión solar en condición normal a la radiación incidente -que corresponde al porcentaje de radiación de onda corta en el cálculo del factor solar- se encuentra por encima de los niveles registrados en condiciones reales de uso en fachada. Esta diferencia podría, por ejemplo, llevar a un sobre dimensionamiento de los cálculos de demanda de refrigeración o condicionar los niveles de iluminación interior, poniendo en discusión la utilidad del factor solar como herramienta de diseño.
El estudio realizado permitió caracterizar el desempeño de las protecciones estudiadas para posibles orientaciones de fachadas de edificios en Montevideo, Uruguay. Adicionalmente, se presentó un análisis preliminar que permite caracterizar el desempeño de las protecciones solares para cualquier ubicación y orientación, a través del análisis realizado que expresa la transmisión solar en función del ángulo de radiación incidente. Para profundizar el estudio de las protecciones solares, es necesario un mayor número de mediciones frente a otros ángulos de incidencia de radiación para obtener una caracterización global por protección solar, así como para independizar esta variable de la incidencia de la geometría que la caracteriza. El desarrollo de esta metodología podría aportar un indicador más adecuado para la toma de decisiones en el diseño y evaluación de cerramientos transparentes.
Los datos de este artículo forman parte del proyecto Comisión Sectorial de Investigación Científica (CSIC), I+D “Efectos de las características de las ventanas, los vidrios y los dispositivos de protección solar sobre los requerimientos energéticos del edificio y las condiciones de confort térmico y visual”.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a CSIC y a FADU - UdelaR por el apoyo brindado y a todos los compañeros que participaron en el proyecto.
REFERENCIAS
Alonso-Suárez, R., Abal, G., Siri, R., Muse, P. (2014). Satellite-derived solar irradiation map for Uruguay. Energy Procedia 57:1237-1246, 10.1016/j.egypro.2014.10.072.
Appelfeld, D., McNeil, A. y Svendsen, S. (2012). An hourly-based performance comparison of an integrated micro-structural perforated shading screen with standard shading systems. Energy and Buildings, 50, 166-176. doi: 10.1016/j. enbuild.2012.03.038.
Bustamante, W., Vera, S., Prieto, A. y Vásquez, C. (2014). Solar and lighting transmission through complex fenestration systems of office buildings in a warm and dry climate of Chile. Sustainability, 6, 2786-2801. doi:10.3390/su6052786.
Cátedra de acondicionamiento térmico (2000) AT 01 (Material de curso). Universidad de la República, Facultad de Arquitectura. Montevideo, Uruguay.
Mainini, A., Poli, T., Zinzi, M., Speroni, A. (2013). Spectral light transmission measure of metal screens for glass façades and assessment of their shading potential. International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, Friburgo, Alemania.
Maraveas, C. (2019). Environmental Sustainability of Greenhouse Covering Materials. Sustainability, 11(21), 6129. doi.org/10.3390/su11216129.
National Fenestration Rating Council (2013). NFRC 200A- 2014 Procedure for Determining Fenestration Attachment Product Solar Heat Gain Coefficient and Visible Transmittance at Normal Incidence.
Serra, R. y Coch, H. (1995). Arquitectura y energía natural. Barcelona. ISBN 84-7653-505-8.
Stazi, F., Marinelli, S., Di Perna, C., Munafaro, P. (2014). Comparison on solar shadings: Monitoring of thermo-physical behaviour, assessment of the energy saving, thermal comfort, natural lighting and environmental impact. Solar Energy, 105, 512–528. https://doi.org/10.1016/j. solener.2014.04.005
Agradecemos a CSIC y a FADU - UdelaR por el apoyo brindado y a todos los compañeros que participaron en el proyecto.
REFERENCIAS
Alonso-Suárez, R., Abal, G., Siri, R., Muse, P. (2014). Satellite-derived solar irradiation map for Uruguay. Energy Procedia 57:1237-1246, 10.1016/j.egypro.2014.10.072.
Appelfeld, D., McNeil, A. y Svendsen, S. (2012). An hourly-based performance comparison of an integrated micro-structural perforated shading screen with standard shading systems. Energy and Buildings, 50, 166-176. doi: 10.1016/j. enbuild.2012.03.038.
Bustamante, W., Vera, S., Prieto, A. y Vásquez, C. (2014). Solar and lighting transmission through complex fenestration systems of office buildings in a warm and dry climate of Chile. Sustainability, 6, 2786-2801. doi:10.3390/su6052786.
Cátedra de acondicionamiento térmico (2000) AT 01 (Material de curso). Universidad de la República, Facultad de Arquitectura. Montevideo, Uruguay.
Mainini, A., Poli, T., Zinzi, M., Speroni, A. (2013). Spectral light transmission measure of metal screens for glass façades and assessment of their shading potential. International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and Industry, Friburgo, Alemania.
Maraveas, C. (2019). Environmental Sustainability of Greenhouse Covering Materials. Sustainability, 11(21), 6129. doi.org/10.3390/su11216129.
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