Martes 11 Diciembre 2018

La protección solar en la arquitectura

En este sector se ha hablado siempre mucho sobre como sombrear, de sus ángulos, enfoques, productos y materiales, también sobre técnicas y protocolos. Siendo todo eso muy útil y necesario también hay que recordar que la aplicación o mejor dicho, el diseño arquitectónico con la protección solar en mente no sólo es más eficaz sino que además proporciona mejores resultados económicos y energéticos.

Hablando de los materiales utilizados, si la protección ideal debe ser externa, ventilada, sin reflexiones, eficaz en verano e inexistente en invierno, barata y de escaso mantenimiento, la mejor sombra será la proyectada por un elemento vegetal de hoja caduca suficientemente densa. El aire circula entre las hojas y evacua el calor acumulado. Su emisividad hacia el vidrio es baja. Para mayor ventaja en invierno la planta de hoja caduca permitirá el paso del sol. El emparrado, el sombrajo y la pérgola se evidencian como la protección ideal. Pero como no siempre será posible recurrir a esta solución vegetal es mejor estudiar las características de los materiales más comúnmente utilizados para solucionar el problema del sombreado, o sea, el vidrio y sus adiciones, los tejidos con los que se forman toldos y cortinas y las lamas opacas de madera, aluminio, etc.

El vidrio
El vidrio sin más complementos no es un material protector del sol. Refleja solo el 8% de la energía total incidente y transmite el 80%. El 12 por ciento restante lo absorbe y luego lo irradia hacia el exterior y hacia el interior. Se considera como referencia un vidrio sencillo que sumando la transmisión y la radiación permite la entrada de un 87% de la energía recibida.

Para mejorar su comportamiento protector se utilizan dos recursos: el teñido en masa y la adición de films específicos. El uso de los vidrios teñidos en masa y la adición de films específicos. El uso de los vidrios teñidos en masa está en declive. Aunque su diseño se ha perfeccionado sensiblemente y el carácter selectivo de su papel de filtro ha mejorado mucho sigue sufriendo los defectos citados: la distorsión de la visión y la reducción de la captación invernal. Cuanto más protección más importancia tienen los dos inconvenientes enunciados. En efecto los vidrios teñidos contemporáneos son mucho más opacos al calor que a la visión pero ya han llegado a un punto del que parece físicamente imposible pasar. Un vidrio de 12mm teñido en masa de gris puede reducir la transmisión infrarroja al 45% pero sólo permitirá el paso del 19% del espectro visible. Además el color añadido teñirá la visión exterior de una manera artificial dando al ambiente esa luz de tormenta a punto de estallar tan poco agradable cuando es permanente.

Los vidrios teñidos en masa limitan su papel protector a la absorción de una gran parte de la energía recibida pero luego la emiten hacia el exterior y hacia el interior, con lo que parte de su eficiencia se pierde. Por ello su uso exclusivo se está reduciendo últimamente y se evoluciona hacia el uso de films adheridos sea a vidrios teñidos o claros. Caben dos recursos: las capas reflectantes que protegen reflejando la energía, y reduciendo por lo tanto la absorción, y las capas de baja emisividad que reducen la radiación de calor hacia el interior limitando así la transmisión total de estos vidrios de alta absorción.

La innovación está optimizando las características de estos films que ya han conseguido un filtrado selectivo. La gama de soluciones es muy rica pero como siempre, para conseguir protecciones térmicas significativas se debe renunciar a la transparencia. La gama baja está formada por los films de colores plata y bronce como el 10/24 bronce que permite el paso del 10% de la luz y el 24% del calor. Las gamas altas son de color azul como el 40/50 al que corresponden protecciones del 40% de luz y el 50% del calor.

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La carrera para mejorar el comportamiento del vidrio como protección solar ha entrado en una vía donde mayores costes difícilmente supondrán mejores rendimientos. La relación paso de luz-filtro de calor ya no se puede mejorar. Sólo la adición de films de baja emisividad puede mejorar ligeramente el comportamiento de estos vidrios al limitar la irradiación hacia el interior del edificio. No parece pues que el vidrio ofrezca por este camino grandes soluciones de futuro sin condenar al edificio a un invierno con escasez de luz sin opciones a la captación solar.

Aunque quizás anecdótica, sí parece inteligente una solución aparentemente muy adecuada a nuestras latitudes: la fachada inclinada. Se trata de aprovechar la redacción de la transmisión solar en los vidrios cuando el ángulo de incidencia es bajo. Para una ciudad situada en el paralelo 50 si la transmisión de un vidrio es del 70% inclinando la fachada 10º esa transmisión bajará a 56% y con 15º al 43%.

La transmisividad del vidrio se reduce radicalmente cuando el ángulo de incidencia se separa de la perpendicular 70º para el vidrio sencillo y 60º para el doble. Esta facultad está siendo utilizada en algunos proyectos en el norte de Europa para conseguir una protección veraniega eficaz sin más que diseñar una fachada escarpada hacia afuera. Es evidente que en nuestras latitudes, al estar el sol aún más alto en verano, ese recurso sería aún más beneficioso.

Es posible que el futuro de los vidrios esté en la transmisión variable, es decir el diseño de vidrios que modifican su capacidad filtrante sea en función de características exteriores, sea a voluntad del ocupante. Entre estos últimos los vidrios electrocrómicos, que modifican su color y capacidad filtrante por el paso de una corriente de bajo voltaje, son los más prometedores.

 

Los toldos y screens
Los tejidos se han utilizado para protegerse del sol desde siempre. Cortinas interiores o exteriores, toldos privados y toldos urbanos forman parte de los recursos mediterráneos para conseguir la deseada sombra. Las imágenes tradicionales nos muestran que hasta la mitad del XIX era más frecuente el toldo como cortina exterior que la persiana que hoy consideramos tradicional.

El toldo tradicional en vuelo hacia el exterior del edificio para proyectar sombra sobre el hueco suele ser un tejido claro con alta reflexión y con una trama abierta que permite cierta circulación del aire. Su único inconveniente lo plantean las atenciones que exige. Frágil al viento es necesario recogerlo casi cada día para evitar que se deteriore. Quizás por ello las soluciones textiles exteriores no progresan lo rápido que gustaría al sector. Se utilizan para terrazas de restaurantes, segundas residencias y para solucionar problemas relativamente domésticos que aseguran un mantenimiento relativamente atento.

En su versión moderna y como protección solar de los huecos acristalados el toldo se confecciona con tejidos de fibras diversas, siempre muy resistentes a la intemperie, y se dispone paralelo al hueco. Es lo que hoy llaman screens. La trama de estos tejidos es muy abierta de manera que es posible cierta visión del exterior a través de ellos (helioscreen o sunscreen).

 

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Evidentemente la posición más eficaz será la exterior. Al exterior un color oscuro será el más eficaz pues sólo permite el paso directo de un 5% de la radicación (negro antracita). Si el espacio entre tejido y vidrio está perfectamente ventilado y la distancia es suficiente, la protección será eficaz. El coeficiente de sombra, o transmisión térmica en relación a un vidrio sencillo, puede llegar a 0,16. Se debe recordar que un toldo oscuro absorberá una parte importante de la energía y la emitirá hacia ambas caras. Sólo será pues eficaz si su intradós está perfectamente ventilado.

Su principal limitación sigue siendo el mantenimiento, y para mejorar su comportamiento frente al viento se están usando sistemas guiados lateralmente con barras de lastre en el extremo libre. La manipulación puede ser manual o motorizada. La automatización del conjunto con un servomecanismo de control que recoge el toldo cuando sopla excesivo viento y lo extiende cuando aprieta el sol completa la presentación del screen contemporáneo.

No se debe olvidar la eficacia del estor como protección solar interior. Un tejido claro consigue una gran reflexión que puede llegar al 63% de la energía incidente. Si gran parte de esa energía reflejada puede atravesar de nuevo el vidrio el balance puede ser interesante. El coeficiente de sombra puede llegar al 0,37.

 

Las celosías
Las celosías son protecciones que interponen cuerpos opacos para limitar la radiación solar que atraviesa el hueco. Desde las celosías de madera de tradición árabe a las de albañilería de algunos edificios industriales la gama de soluciones y matices de luz es infinita. Consideraremos celosías sólo las protecciones con cuerpos opacos que no sean escamoteables.

La principal desventaja de las protecciones fijas es su difícil compatibilidad con la visión hacia el exterior. Por ello sólo se utilizan con una trama muy fina o muy grande. Si la trama es muy fina el ojo, el cerebro, recompone la imagen exterior obviando la malla interpuesta. Es el caso de las celosías árabes tradicionales, que permiten además el desiderata de la cultura mediterránea, el ver sin ser visto. Si la trama es grande a través de cada uno de los huecos se podrá tener una visión suficiente del exterior.

Todas esas celosías tradicionales suelen ser de malla bidimensional pero la manera más sencilla de graduar la protección y de tener en cuenta el movimiento del sol es el recurso a las lamas orientables. Las celosías formadas por lamas que giran sobre un eje se pueden abrir y cerrar a voluntad. Las lamas se dispondrán horizontalmente en una orientación sur y verticalmente en las este y oeste.

Dentro de los materiales de construcción las lamas de madera constituyen la solución más tradicional pero casi siempre se utilizan como persianas escamoteables, sea en forma de venecianas, persianas de cuerda, persianas de librillo. La madera ha sido el material más adecuado para conformarse como lama protectora. Su único inconveniente es el mantenimiento pues exige barnices o pinturas cada dos o tres años. Los modernos tratamientos es posible que nos lleven a reconsiderar las posibilidades de este material por otra parte siempre tan cálido y agradable.

 

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Su reflexión dependerá del color del que se haya pintado. Desde el 3% pintado en negro mate al 71% pintado de blanco brillante. Para reducir el mantenimiento, las lamas hoy son de plástico o de aluminio. La altísima reflexión del aluminio pulido hace de este material el preferido tanto para cerrar el paso a la radiación directa como para reflejar luz hacia el interior. Es habitual disponer las lamas con una orientación de 45º y una coincidencia en altura de la parte inferior de cada lama con la parte superior de la siguiente. De esta manera se impide totalmente la entrada directa del sol, se minimiza la reflexión en general y se anula para ángulos verticales de sol superiores a los 45º.

La relación con el exterior siempre está limitada por la presencia de las lamas aunque sean orientables. Quizás se acerca más a lo que debería ser una celosía en el siglo XXI la inserción de mallas dentro del vidrio. Se trata de los vidrios fotosensitivos como el Louverre de Corning Glass. Las lamas de 1mm separadas 3mm se sitúan durante el proceso de fabricación del vidrio orientándolas de acuerdo con las exigencias del cliente. En el otro extremo las grandes lamas son cada vez más utilizadas. Hoy existen ya lamas de serie de hasta 600mm de ancho, su giro motorizado permite una radical transformación de la imagen de la fachada y una adecuación precisa a las exigencias de la protección solar.

Se observa la eficacia de los toldos, incluso los interiores siempre que sean claros y reflectantes. Cabe recordar las incompatibilidades de esto últimos con los vidrios protectores. Pero en el momento de tomar decisiones no se deben olvidar los otros aspectos a tener en cuenta: la captación invernal, la visión del exterior y el aprovechamiento de la iluminación natural.

 

La arquitectura de la protección solar
La protección solar, seriamente planteada, incide sustancialmente en la forma de la arquitectura. Según el camino adoptado para afrontar el filtro solar, aparecen imágenes radicalmente diversas. Una primera posibilidad la ofrece la opacidad de algunos materiales que se dispondrán en lamas o celosías envolviendo cada vez más completamente al edificio. Otro será el recurso a la reflexión que generará edificios de superficies cada vez más brillantes. Por fin una tercera versión, abrirá un margen entre el edificio propiamente dicho y la envolvente exterior para organizar en ese espacio un microclima protector pero también capaz de capotar y canalizar hacia el interior la energía solar cuando sea necesaria. Las sugerencias formales consecuentes se pueden agrupar bajo los siguientes puntos: las cajas de lamas, los edificios espejo y las cajas dentro de cajas.

 

Las cajas de lamas
En la medida en la que el vidrio se extiende por toda la piel del edificio las protecciones solares en forma de lamas le siguen y llegan a envolver la construcción como en una segunda piel, dibujando lo que podríamos llamar una caja de lamas. Aunque hoy la propuesta se empieza a hacer común en los concursos de arquitectura y en los nuevos edificios no se puede decir que sea nueva: ya en 1960 el edificio de laboratorios de la fábrica de Seat en Barcelona exhibía en la fachada suroeste una envolvente de lamas fijas separadas de los cerramientos en la fachada suroeste.

La difusión de sistemas de lamas orientables de manipulación más o menos motorizada ha hecho posibles soluciones mucho más sofisticadas puesto que la colocación de lamas con direcciones diversas y de orientación fácil permite conseguir en cada fachada las condiciones de soleamiento, iluminación y visión del exterior que sean deseables.

Estas envolventes de persiana se pueden disponer directamente sobre la fachada vidriada o separarse formando unos pasillos o galerías perimetrales en las que las condiciones climáticas, como las de un umbráculo, pueden ser muy especiales. El espacio situado entre la caja de lamas y la piel del edificio se convierte en un lugar especial. Cuando llega a tener ciertas dimensiones puede conformar un paisaje recogido y controlable al que abren los locales interiores.

 

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Esta solución se ha utilizado también en la cubierta. Las lamas forman una especie de pérgola que protege del sol al último forjado reduciendo sus movimientos térmicos e incrementando la durabilidad de las láminas de impermeabilidad. Es especialmente útil si aparecen en la cubierta grandes claraboyas o se desea "carenar" en edificio por la importancia de las vistas sobre él o por la dificultad de controlar las siempre imprevisibles y evolutivas formas de la maquinaria de las instalaciones.

Si tras las lamas se coloca un vidrio simple el espacio inmediato interior puede tener unas características de confort a veces muy agradables pero no totalmente controlables por medios naturales. Es el caso de muchas galerías tradicionales, espacios intermedios que permiten la captación solar en invierno pero que por su gran fragilidad térmica no son cómodamente habitables si las condiciones exteriores son extremas. Estos espacios tienen un papel importantísimo en la protección de los locales interiores puesto que un cerramiento muy simple entre ambos asegura ya su perfecto control.

En los grandes edificios contemporáneos se está extrapolando esta solución para construir lo que se ha dado en llamar "atrios", espacios de gran tamaño que al estar protegidos por vidrio y persiana orientable son unos perfectos invernaderos en los que se pueden conseguir unas condiciones climáticas intermedias con poco gasto energético. En algunos edificios estos "atrios" modernos se convierten en espacios de clima controlado a los que abren los locales interiores que se separan de ellos con cerramientos que protegen la intimidad pero no exigen protecciones térmicas sofisticadas.

 

Los edificios espejo
Las lamas orientables basan su protección en su opacidad a los rayos infrarrojos. La evacuación por ventilación del calor que almacenan exige su disposición fuera del espacio habitable. Como ya vimos la colocación exterior de las lamas supone un mayor mantenimiento y ciertos riesgos de deterioro y ruido por la acción del viento.

Además las lamas orientables presentan algunos inconvenientes. El más importante es la reducción de la entrada de luz natural al cerrar las lamas para protegerse de ciertos ángulos de soleamiento. También se debe tener en cuenta la incompatibilidad de ciertas posturas de las lamas con la visión del exterior.

La protección óptima sería la que impidiese el paso de los rayos infrarrojos limitando lo menos posible el filtro del espectro visual de manera que se pudiese gozar de la luz natural y de la visión del exterior. Un camino adecuado es el recurso a los materiales muy reflectantes. Es un recurso similar al de las ventanas-espejo en las que el baño metálico impide la visión hacia el local menos iluminado pero la permite en sentido contrario.

La ventaja clave de esta solución radica, como ya se ha visto, en que la protección se puede disponer en el interior de la fachada. Un material tan reflectante no almacena caso nada de calor, eleva muy poco su temperatura y emite muy poca radiación de larga longitud de onda, la que queda atrapada en el interior del edificio.

Toda la energía reflejada lo es con la misma longitud de onda y por lo tanto atravesará el vidrio hacia afuera con la misma facilidad que lo hizo hacia dentro. Cuanto más sencillo sea el vidrio mejor para esta solución pues se calentará menos y no emitirá calor hacia el interior.

Si se puede colocar la protección solar tras los vidrios su durabilidad y facilidad de manejo habrán cambiado sustancialmente. Si además esas protecciones permiten la iluminación interior y la visión exterior la solución perfecta. En este camino han estado las cortinas interiores de lino que han aportado reflexión y transparencia luminosa desde hace siglos.

 

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Hoy el camino pasa por los films metálicos; primero se intentó colocando esos films directamente sobre la cara interior de los vidrios exteriores, pero la imposibilidad de escamotear la protección suponía renunciar a la captación invernal, a gran parte de la luz natural y a una visión exterior natural.

Para hacer compatible esos films con el escamoteamiento se están utilizando cortinillas enrollables o plegables de poliéster con la cara exterior, o las dos, protegidas por un film de aluminio. Las cualidades finales de estas cortinillas son variables y se pueden subordinar a los objetivos deseados en cada caso, pero se mueven entre reflexiones del 55 al 75% con transmisiones para el espectro visible del 2 al 7%.

Estos materiales cambian las perspectivas de la protección solar sobre todo para los edificios de oficinas puesto que lógicamente evitan completamente el deslumbramiento. En efecto esta virtud de la reflectividad se puede volver en contra de nuestros objetivos si se producen fenómenos de doble reflexión. Es decir una veneciana de aluminio puede producir reflejos sobre el trasdós de las lamas que irradien hacia el interior y reduzcan gravemente la eficacia de la protección.

La mejor posición para estos materiales es la interpuesta entre dos vidrios en una cámara aislada. En esas condiciones y para un film de características medias (el G 1900 de Agero que tiene una reflexión solar de 68,75%) la transmisión solar total, el porcentaje de radiación que alcanza directamente el interior, es de 2,07% y la absorción total del 29,19% y el coeficiente de sombra de 12,4.

Su eficacia se puede mejorar si los vidrios tienen algún tipo de tratamiento. Por ejemplo si la cara exterior del vidrio interior tiene una lámina de baja emisividad la transmisión solar del conjunto puede bajar a 1,62 y el coeficiente de sombra a 10. Recuérdese que esta eficacia en cuanto a la protección solar tiene su equivalente en las pérdidas nocturnas pues la U del conjunto se puede reducir respecto a la del vidrio cámara en un 50%.

En sus soluciones más sofisticadas como las cortinillas de poliéster metalizado que se enrollan en un estrecho cilindro asociado al vidrio cámara. El movimiento de la cortinilla está motorizado y todo el conjunto tiene un diámetro de entre 40 y 70mm. El cilindro se protege en una caja de aluminio anodizado o lacado que se confunde con la carpintería.

La única limitación de esta solución es que la iluminación interior se reduce paralelamente a la reducción del soleamiento. Hasta cierto punto eso es deseable puesto que así se evita el deslumbramiento y se consiguen unas condiciones de trabajo más agradables. Pero cuando se busca una protección muy alta, por ejemplo un coeficiente de sombra inferior al 10% que implica una reflexión superior incluso al 75%, las condiciones de iluminación interior bajan verticalmente pues la transparencia al espectro visible es sólo de 1,5%. En ese caso el nivel lumínico, sobre todo a cierta distancia de la fachada, puede ser totalmente insatisfactorio.

 

Las cajas dentro de las cajas
Como ya se ha visto la disposición de la protección solar entre dos vidrios puede llegar a gozar de las ventajas de la posición interior y de la exterior. Con la primera comparte la durabilidad y la menor suciedad por la protección que brinda la hoja exterior. Con la segunda la posibilidad de evacuar el calor acumulado sin que apenas se transmita hacia el edificio gracias a la presencia del vidrio interior. Es natural pues que este sea el camino adoptado en muchas investigaciones y proyectos recientes.

La gama de soluciones es muy amplia puesto que la duplicación de la protección se puede plantear simplemente como doble vidrio con cámara estanca, dobles carpinterías con espacios accesibles y manipulaciones diversas de ambas hojas o ventanas dobles o triples con control de la ventilación de la cámara de las llamadas "dinámicas". Las ventajas de cada una de ellas para el confort de verano e invierno o para la precisión de futuros de la relación con el exterior son muy diferentes.

En algunos casos se trata de cámaras selladas, del tipo de las del vidrio de protección térmica habitual, que alojan alguna forma de protección, en general lamas de aluminio o plástico bastante finas (1 o 2cm). Para la manipulación de estas lamas son necesarios motores que se suelen colocar al exterior para evitar que se tenga que sustituir todo el vidrio cuando se deterioran. Para evitar el punto débil que siempre supone la conexión con el motor se han diseñado algunas lamas metálicas que se pueden orientar desde el exterior de la cámara con sistemas magnéticos (Luxaclair, Velther).

En algún caso, para evitar la necesidad de mover las lamas, se han diseñado estas con una sección en forma de triángulo cada una de cuyas caras se ha diseñado con una curvatura adecuada a la orientación del hueco. Esa curvatura asegura que los rayos de sol de verano no entren en el interior del local y sin embargo en invierno permite el paso de la radiación y sus reflexiones. La visión a través de esas lamas fijas es reducida, la transmisión luminosa perfecta.

Una sofisticada solución de protección solar inserta entre vidrios es la proyectada por J. Nouvel para el Instituto del Mundo Árabe en París. La protección está formada por unos diafragmas a modo de los que controlan la entrada de luz en las máquinas fotográficas que están movidos por un sistema hidráulico controlado por una única célula fotoeléctrica. La celosía que forman los paneles con los diafragmas de diversos tamaños es bellísima pero la operatividad de un sistema tan sofisticado y ajeno a la voluntad de cada usuario es más que dudosa.

Para orientaciones del entorno sur es posible recurrir a lamas fijas con una orientación prefijada que evita el soleamiento de verano y sin embargo permite una visión exterior bastante correcta. Es una solución muy delicada pues puede producir fenómenos de reflexión entre lamas hacia el interior con lo que pierde su efectividad como protección solar y produce deslumbramientos. En todos estos casos el calor acumulado en las lamas, el producido por la radiación absorbida la que no es reflejada ni transmitida, se irradia hacia los vidrios y su evacuación es difícil por el conocido efecto invernadero. Una elección adecuada de los vidrios interiores puede reducir aún más la ganancia térmica interior.

La mejor solución es la recuperación es la recuperación de ese calor utilizando ese espacio como retorno del sistema de aire acondicionado. La evacuación de esa energía térmica, hacia el exterior en verano y hacia el interior en invierno sugiere muchas soluciones interesantes con dobles carpinterías que se pueden utilizar sin mayor alarde tecnológico.

Muchos edificios tienen esa cámara protectora climatizada como una envolvente general del edificio. El aeropuerto de Barcelona de Bofill o los edificios de Sainz de Oiza en el Recinto Ferial de Madrid son algunos ejemplos de esa gran cámara. La imagen de este último edificio nos permite decir que los locales habitables forman una caja inmersa dentro de la gran caja exterior que conforma la imagen de todo el edificio.
Si los huecos se comunican piso a piso, el movimiento por convección de todo ese aire caliente se puede llegar a controlar dentro de una doble piel formando parte del proyecto de climatización del edificio. Los más modernos están introduciendo esa cámara envolvente de todo el edificio como el lugar donde se controla la relación de los locales habitables con el exterior. Estas son las características de los que hemos dado en llamar "edificios con doble piel". El calor acumulado por las lamas calienta el aire de esa cámara entre las dos pieles y produce un movimiento de convección. Según los estudios realizados sobre modelos de computador esta convección permite la evacuación del 25% del calor acumulado en la cámara.

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