Protección solar para edificios en Cuba
Por
Dania González Couret* y Rolando Martínez Cabrera**
Propuesta de un sistema
de protección solar en el Archipiélago. |
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Necesidad de protección solar en los edificios
La protección solar de los cierres exteriores de los edificios es un requisito esencial para la eficiencia energética en casi todos los climas. Evitar la entrada del sol en los espacios interiores es deseable en los meses de verano en los climas templados e inclusive fríos, pero en los climas cálidos resulta imprescindible. En los climas cálido-secos es posible aprovechar la radiación solar diurna para calentar los cierres exteriores (paredes y cubiertas) y almacenar en ellos ese calor para desprenderlo al espacio interior durante la noche, momento en que las temperaturas bajan, inclusive por debajo de la zona de confort.
Sin embargo, en climas cálido-húmedos como el de Cuba, donde las temperaturas son altas todo el día y todo el año, evitar el calentamiento de los cierres exteriores es un recurso esencial del diseño bioclimático en cualquier época del año. Es conveniente evitar el calentamiento de las superficies exteriores de paredes y cubiertas para reducir el flujo de calor hacia el espacio interior y con ello, la ganancia térmica. Así mismo, resulta imprescindible proteger las ventanas de la penetración de la radiación solar directa, lo que además de contribuir a elevar la temperatura interior, provoca deslumbramiento.
La situación se agrava cuando se trata de ventanas de vidrio, donde se produce el efecto invernadero que contribuye a elevar la temperatura interior. Quienes piensan que en los edificios climatizados esto no resulta tan necesario, no tienen en cuenta las consecuencias del asoleamiento en los espacios interiores. El uso de cortinas para evitar el deslumbramiento obstruye las visuales al exterior y genera aumento del consumo de energía en iluminación artificial y en climatización por la ganancia térmica (que no se resuelve con una cortina interior). También, a pesar de la climatización artificial se afecta el confort de las personas sometidas al efecto de una radiación asimétrica (el calor radiante de la ventana por un lado y el frío del aire acondicionado por el otro).
La Norma Cubana «Requisitos de diseño para la eficiencia energética de las edificaciones» (NC220-1:2009), en su Parte I referida a la envolvente arquitectónica, establece los ángulos requeridos para la protección solar de las edificaciones según la orientación de sus fachadas. Sin embargo, los diseños arquitectónicos que se ejecutan en Cuba no cumplen estos requerimientos, y de manera general emplean grandes superficies de vidrio expuestas a la radiación solar sin protección. La razón fundamental que argumentan los arquitectos para justificar esta práctica es la inexistencia en el mercado de un surtido de elementos de protección solar que puedan ser empleados en los diseños arquitectónicos para ser adicionados a las fachadas de los edificios en dependencia de su orientación.
Sin embargo, la Facultad de Arquitectura del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (Ispjae) ha realizado varias propuestas de diseño: la última de ellas hace unos años a solicitud de los antiguos ministerios de la Industria Básica y de la Industria Sideromecánica (hoy unificados en el Ministerio de Energía y Minas), con vistas a proponer un sistema de elementos ligeros de protección solar que puedan ser producidos en Cuba para su adición a las fachadas de los edificios (tanto los de nueva ejecución como los existentes) en diferentes contextos, con vistas a reducir la carga térmica a través de la envolvente arquitectónica y el consumo de energía.
Sistema de elementos de protección solar
El estudio fue realizado para la ciudad de La Habana, con una latitud de 22° Norte.
Se trabajó para espacios climatizados de oficinas, aulas y alojamiento, de manera que el empleo de los elementos de protección solar diseñados contribuyera a la reducción del consumo energético por climatización. No obstante, en estos casos la protección debe satisfacer dos requerimientos contradictorios: reducir la radiación solar directa que incide en la fachada y penetra por las ventanas, y a la vez, favorecer el cumplimiento de los requisitos de iluminación natural interior, dejando penetrar la cantidad necesaria de radiación difusa.
De estos dos requerimientos, la iluminación natural resulta decisiva en aulas y oficinas,
por las labores visuales que en ellas se desarrollan, mientras que en los dormitorios el ambiente térmico interior y la privacidad visual constituyen el requisito principal; sin embargo, las visuales al exterior son deseables en todos los casos. Se asumió un nivel intermedio de 300 lux como valor mínimo a satisfacer en la comprobación del desempeño de los elementos de protección solar diseñados.
La clasificación tipológica de los posibles elementos de protección solar a emplear, se ordenó primeramente de acuerdo con su posición absoluta (horizontal o vertical), luego según su forma (recta, curva, quebrada o mixta), y por último, a partir de su posición relativa (perpendicular, paralela u oblicua a la fachada) (ver tablas del encarte central).
Adicionalmente, todos los tipos clasificados se pueden desarrollar a partir de elementos sólidos o en trama, y pueden ser fijos o móviles. Por la forma en que se realiza el movimiento pueden ser desplazables, giratorios, plegables o enrollables, y es posible ejecutarlo de forma manual, mecánica o automatizada.
Las propuestas de diseño tomaron como base el repertorio internacional evaluado y un inventario de los materiales disponibles en el país para la elaboración de los dispositivos propiamente, y de su estructura portante. El proceso transitó por varias etapas, que comenzaron con el diseño geométrico de cada elemento, a partir de los ángulos de protección requeridos para las diferentes orientaciones. Luego se asume el diseño formal, y por último, la solución en detalle de los elementos componentes. En todos los casos y etapas se consideraron las posibilidades de movimiento.
La geometría de cada elemento tipo responde a los ángulos de protección solar asumidos, de donde se derivaron sus dimensiones, considerando una separación no menor de 0,60 m y no mayor de 1,20 m con respecto a la fachada, por razones tanto estructurales como estéticas y funcionales. Esto permitiría la posible abertura de ventanas ubicadas detrás de los elementos de protección solar, así como su manipulación, limpieza y mantenimiento desde el interior. La modulación horizontal asumida para todos los elementos diseñados fue de 1,80 m, lo cual condiciona el espaciamiento entre las estructuras de soporte y fijación a la fachada.
En las figuras del encarte central se muestran algunas posibles soluciones formales en función de los requerimientos de protección y los criterios de diseño a asumir por los proyectistas para su selección, resumidas en doce tipos cuyo desempeño fue posteriormente verificado.
Una vez determinadas las características geométricas de cada tipo de elemento de protección, y valoradas sus posibles soluciones formales, se estudiaron los detalles de fijación de las lamas a la estructura y de esta a la fachada de los edificios.
Caso de estudio
Para demostrar las ventajas de la adición de los elementos de protección propuestos en un caso real, se seleccionó el edificio Almendares, correspondiente a una inmobiliaria de oficinas de CIMEX ubicado en la avenida 31 entre 6 y 8 en el capitalino municipio de Playa (Fig. 1). Este es actualmente uno de los edificios de esa institución con mayor consumo de energía por climatización.

Fig. 1. Caso de estudio: Edificio Almendares.
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Para el experimento se escogió la fachada con mayor incidencia de la radiación solar, que resultó ser la sureste (622 W/m2), según los resultados de la simulación efectuada con el programa Ecotect V5.5 en las cinco fachadas para los meses y días de mayor incidencia solar en cada una.
Se escogió, por tanto, una oficina vinculada a la fachada sureste en una ubicación intermedia, de 4,90 m de frente, 5,40 m de profundidad y un puntal de 2,40 m, cuyas dimensiones y proporciones son similares al resto de las oficinas vinculadas a esa fachada (Fig. 2); de manera que a partir de los resultados obtenidos en ese espacio se pudo estimar la reducción de la carga térmica para toda la fachada, una vez que se adicionaran los elementos de protección solar propuestos.

Fig. 2. Oficina objeto de estudio.
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Posteriormente se definieron las condiciones geométricas a satisfacer por cualquier elemento de protección solar a emplear en la fachada seleccionada, a partir del ángulo requerido, las dimensiones de las ventanas existentes y su forma de apertura, así como la altura de la fachada. Sobre esta base se valoraron posibles dispositivos a emplear de los diseñados en el sistema propuesto, y finalmente se seleccionó uno compuesto por elementos horizontales múltiples en un ángulo de 30° (Fig. 3), y se diseñó el sistema de fijación en función del material de la fachada, haciendo coincidir su modulación con la de los paneles del muro cortina. El elemento de protección se sitúa a 70 cm de la fachada para facilitar la apertura de las ventanas.

Fig. 3. Elemento de protección solar seleccionado.
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Con el empleo del programa Ecotect V5.5 se evaluó el comportamiento de la iluminación natural (niveles de iluminación y uniformidad), y la radiación transmitida con y sin la protección solar, a partir de lo cual se estimó la carga térmica total para toda la fachada. Como resultado, se obtuvo que el espacio sin protección permite un nivel mínimo de iluminación natural de 600 lux a partir de una profundidad de 3,50 m, con un máximo de
1 500 lux junto a la ventana, para una uniformidad de 0,4. Con la protección solar el nivel mínimo de iluminación natural se reduce a 450 lux a 2,90 m de la fachada, y la uniformidad es de 0.3. Por tanto, en el espacio estudiado, aun empleando los elementos de protección solar, es posible cumplir los niveles mínimos de iluminación natural requeridos y la uniformidad en su distribución.
El comportamiento de la radiación fue simulado para el día más crítico del año en esa orientación (18 de enero), considerando una reflexión de 0,62 y una absorción de 0,44 para el muro de hormigón de color beige. La carga térmica total transmitida al interior del local sin protección fue de 19 543 W, y a las 11:00 a.m. (hora más crítica) alcanzó 4 094 W, lo que equivale a 1,16 T de refrigeración. Con el empleo de la protección solar la radiación total transmitida fue de 1 889 W, y en la hora más crítica, a las 8:00 a.m., la carga fue de 664 W. Esto significa una reducción total de 17 654 W y de 3 430 en la hora crítica, lo que equivale a 0,97 T de refrigeración.El área total de fachada del piso donde se ubica la oficina estudiada es de 76,4 m2 (seis veces el área del cierre exterior, que equivale a 2,076 m2).
Para estimar la reducción de la carga térmica en toda la fachada, se asumió el valor de la oficina estudiada como representativo de todo el piso, y este valor a su vez, repetido para todo el edificio. Sobre esa base, la reducción total de la carga térmica con el empleo de elementos de protección solar en la fachada sureste del edificio, equivale a una disminución de 18,4 T en la demanda de equipos de climatización.
Una valoración económica de estos resultados arroja que el costo de los elementos de protección solar para cubrir toda la fachada, estimado en 17 280,00 CUC, podría amortizarse en menos de dos años, al reducir en 65 kWh el consumo de energía diario.
Reflexiones finales
Se muestra un sistema de elementos de protección solar de posible producción en Cuba para ser empleado en edificios climatizados nuevos o existentes, con vistas a mejorar sus condiciones ambientales interiores y reducir su consumo energético. Se demuestra que permiten reducir la carga de refrigeración de los equipos de climatización a emplear, y que la reducción de la iluminación natural interior puede ser compensada con iluminación artificial en la zona más alejada del cierre exterior. Su aplicación en el caso de estudio permite demostrar que la inversión necesaria para su adición en la fachada del edificio objeto de análisis puede ser amortizada en menos de dos años.
* Arquitecta, Doctora en Ciencias y Profesora Titular del
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (Ispjae), Cuba.
** Arquitecto y Profesor del Ispjae, Cuba.
e-mail: dania@arquitectura.cujae.edu.cu