Las energías renovables en la vivienda urbana


Por
Olivia Sánchez Martínez*
y Dania González Couret**


Influencia del diseño arquitectónico en el aprovechamiento
de las fuentes renovables de energía en la vivienda urbana

 

El aprovechamiento de las fuentes renovables de energía en los edificios de vivienda, fundamentalmente de la energía solar, se puede alcanzar de forma activa y pasiva. En las condiciones del clima de Cuba, los requerimientos de diseño para ambos usos resultan contradictorios, pues al mismo tiempo que precisan en la envolvente arquitectónica de superficies disponibles para la adición de equipamiento tecnológico que la capte, es necesario proteger los cierres y espacios de la radiación solar directa por su efecto térmico negativo en el ambiente interior.

En los enfoques convencionales usualmente se separan los usos activos, que corresponden al campo de la ingeniería, de los pasivos que son mayormente abordados por los arquitectos. Sin embargo, resulta contraproducente aprovechar las fuentes renovables de energía en edificios cuya solución de diseño sea ineficiente desde el punto de vista energético.

El presente artículo trata sobre la influencia del diseño arquitectónico en el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía en la vivienda urbana, al integrar los requerimientos derivados de los usos activos y pasivos, y resolver las contradicciones que esto encierra para las condiciones del clima cálido-húmedo de Cuba.

I. Fuentes renovables de energía cuyo aprovechamiento depende de la solución arquitectónica y urbana

Las fuentes renovables de energía susceptibles de ser empleadas en la vivienda urbana son las generadas a partir del uso del agua, el viento y el sol. El uso de la biomasa, la energía geotérmica, la hidráulica y el hidrógeno no depende de los modelos urbanos o las tipologías arquitectónicas en los cuales se desee emplear, sino de la existencia del recurso natural y de la tecnología para su explotación.


El sol

El sol es la fuente renovable de energía que mejores prestaciones reporta de manera general, y de mayor aplicación a escala urbana, pues la envolvente arquitectónica incide directamente en su uso eficiente. La energía proveniente de la radiación solar anualmente es superior a la cantidad de energía que se consume a nivel global. Aunque la potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas y la latitud, se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es aproximadamente de 900 a 1200 W/m² en la superficie terrestre. Esa radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de ambas.

Con un enfoque activo es posible emplear la radiación solar para la generación de energía eléctrica utilizando sistemas fotovoltaicos, y el calentamiento de agua mediante el uso de calentadores solares. Igualmente, la energía solar térmica en la vivienda urbana puede ser empleada para el secado de la ropa y la ventilación forzada, mediante mecanismos similares al «muro Trombe» adosados a la envolvente, o chimeneas solares en las cubiertas.

Desde el punto de vista pasivo, en climas cálidos como el de Cuba es necesario controlar la incidencia de la radiación solar en los cierres exteriores, y con ello, la transferencia de calor hacia el interior. Por otra parte, el sol es también fuente de iluminación natural diurna de los espacios interiores de la vivienda.

El sol como fuente de calor

El calentamiento de agua es una de las actividades en la vivienda urbana que mayor consumo de electricidad demanda, pues se ha demostrado que la población cubana la utiliza para fregar, cocinar y asearse. La instalación de calentadores solares de baja temperatura, inferior a los 100°C en los hogares para garantizar el agua caliente, disminuye considerablemente el consumo de electricidad.

El calor solar ha sido empleado históricamente en el secado de ropa, en los patios y las cubiertas descubiertos y expuestos de forma directa (Fig. 1). No obstante, el secador solar de ropa es una alternativa para realizar esta actividad en edificios de apartamentos o zonas de la ciudad donde la dimensión de los espacios exteriores sea pequeña. Ofrece la ventaja de proteger a la ropa de la incidencia directa del sol, evitando su decoloración, y brinda protección contra la lluvia (Fig. 2). Este equipamiento puede ser colocado en cualquier superficie vertical expuesta al sol, preferiblemente con orientaciones oeste, sur o este, a lo cual se subordinaría el horario de secado.


 
Fig. 1. Secado de ropa en azotea.
 

El uso pasivo de la energía solar está relacionado directamente con la forma urbana, e influido además por la orientación y los materiales de construcción. En climas como el de Cuba no es necesario el uso directo de la energía solar para calentar los espacios interiores, sino que por el contrario, resulta imprescindible la protección solar para mejorar el ambiente térmico interior y reducir el consumo de energía convencional por ventilación y climatización.

 

Fig. 2. Esquema de secador solar adosado o en balcón.
 

El sol como fuente de luz

La tendencia reciente, en lo referente a la energía fotovoltaica, es generarla e incorporarla a la red nacional como energía limpia, pues su almacenamiento en sistemas de acumulación con un alto impacto ambiental y un elevado costo en relación con su vida útil, sería un elemento vulnerable del sistema. Esta práctica no está generalizada en Cuba, pues la mayoría de los paneles fotovoltaicos se encuentran en lugares aislados o en campos de generación fotovoltaica en las afueras de la ciudad. Sin embargo, resulta conveniente aprovechar la envolvente arquitectónica, sobre todo las cubiertas para ubicar los paneles fotovoltaicos que,
a la vez, permitan reducir la carga térmica en la edificación.

La iluminación natural de los espacios interiores constituye un importante uso pasivo del sol. El nivel de iluminación interior depende de la obstrucción del entorno, el área de vanos, tipo de cierres, existencia de elementos de protección solar y el color de las superficies.
En lugares donde no es posible lograr la iluminación natural directa, se puede emplear la iluminación natural conducida, mediante el uso de conductos de sol o de luz capaces de dirigirla hacia puntos profundos y alejados de los cierres exteriores del edificio. En climas cálidos y húmedos como el de Cuba no es recomendable el uso de conductos de sol debido al calor que transmiten hacia el interior del espacio; sin embargo, el uso de los conductos de luz ha sido demostrado para edificios de hasta cuatro niveles de altura.

El viento

El viento puede ser aprovechado como fuente de energía en la vivienda urbana, tanto para el bombeo de agua como para generar energía eléctrica, utilizando máquinas eólicas o aerogeneradores que transforman la energía eólica en energía mecánica de rotación, la cual puede emplearse para accionar directamente las máquinas operantes o para la producción de energía eléctrica. Ello depende de la disponibilidad de equipos que puedan ser instalados en la edificación o en los espacios públicos, y sean capaces de aprovechar los flujos de viento que se producen en el contexto urbano (Fig. 3). Es importante tener en cuenta la relación costo beneficio y la eficiencia del equipamiento a emplear, factores por los cuales el aprovechamiento de esa fuente no se encuentra altamente difundido a escala urbana.

 
Fig. 3. Aerogeneradores en conjunto de viviendas.
 

La ventilación natural, como una forma de aprovechamiento pasivo del viento, es un elemento indispensable a tener en cuenta, pues permite garantizar un ambiente interior adecuado y disminuye el consumo de energía convencional (proveniente de la explotación de los recursos fósiles) en equipos de climatización artificial. La ventilación forzada puede resultar útil como complemento de la natural, o en espacios sin relación directa con el exterior. Para ello pueden emplearse conductos con dispositivos tipo «Venturi» o «Shunt», de aspiración estática
(Fig. 4).

 
Fig. 4. Dispositivo tipo Venturi.
 

El agua

El ahorro del agua, su reúso y reciclaje, o la colección pluvial en las viviendas, constituyen formas pasivas de aprovechar la energía en las ciudades, ya que se reduce el consumo de agua proveniente del sistema de abasto, que generalmente emplea energía para el bombeo.

La colección pluvial depende de la solución de diseño arquitectónico, ya que se requieren cubiertas preferiblemente inclinadas, canales de colección, bajantes pluviales y depósitos de almacenamiento. A lo anterior se agregan el uso eficiente, su reúso y reciclaje, así como el empleo de dispositivos ahorradores que no dependen de la forma del edificio, sino de la tecnología, las instalaciones y el equipamiento sanitario empleados.


II. Necesidades energéticas de la vivienda que pueden ser satisfechas
mediante energías renovables


De las necesidades energéticas de la vivienda, la que ha sido históricamente satisfecha mediante el empleo de energía solar es el calentamiento de agua, cuyos sistemas se comercializaban en Cuba desde los años 50. Esto solo requiere de la existencia de dispositivos de colección y almacenamiento en la cubierta, así como de un doble sistema de tuberías de suministro interno.

En segundo lugar se encuentra el empleo del sol para secar la ropa, ya sea en la forma tradicional en patios o cubiertas con exposición directa a la radiación solar, o mediante el empleo de secadores adosados a los cierres verticales exteriores.

Es posible también generar energía eléctrica fotovoltaica, o eólica, ya sea en lugares apartados o en zonas urbanas, fundamentalmente, si se usa la red eléctrica como almacenamiento y se emplean mecanismos de estimulación y compensación. Ambas fuentes de energía pueden ser también empleadas para el bombeo del agua.

En cuanto a los usos pasivos, con un adecuado diseño es posible satisfacer la iluminación natural diurna, la ventilación natural y la protección solar para reducir la carga térmica, así como ofrecer soluciones para disminuir el consumo de agua, colectar la lluvia, reusar y reciclar el preciado líquido, o aprovechar la gravedad para evitar el bombeo. Es posible usar el agua pluvial en actividades domésticas como cocinar, lavar, fregar vajillas o autos, regar las plantas, y reusar las aguas grises en la descarga de los inodoros.

III. Variables de diseño que influyen en el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía en la vivienda urbana

La relación entre las variables de diseño arquitectónico y las energías renovables, que pueden ser empleadas para satisfacer necesidades de la vivienda, se muestra en la tabla.


Cubierta


La cubierta es el elemento arquitectónico con mayor influencia en el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía. Los parámetros que condicionan la conveniencia de su forma y orientación, varían según la fuente renovable de que se trate. Necesita ser horizontal para tender y secar la ropa; preferiblemente inclinada para facilitar la evacuación pluvial, y específicamente con 30 grados al sur para incorporar armónicamente calentadores solares de agua y paneles fotovoltaicos, e incluso, para favorecer el uso de chimeneas solares para la ventilación forzada.

Tabla. Matriz de relación de las variables
de diseño arquitectónico y las necesidades de la vivienda



En todos los casos mencionados, la cubierta debe estar expuesta a la radiación solar y ser accesible para mantenimiento. Sin embargo, en aras de reducir la carga térmica, la misma debe estar protegida del sol. Los calentadores solares y paneles fotovoltaicos pueden actuar como elementos de protección solar que contribuyen a reducir la carga térmica hacia el interior de los espacios, pero cuando no se utilicen dispositivos de captación solar las cubiertas deberán estar sombreadas.


Patio

El patio puede ser interior o exterior. El patio interior generalmente aparece en edificios profundos o en zonas urbanas compactas, para favorecer la iluminación y ventilación de los espacios interiores no vinculados con el exterior por el perímetro de la edificación.
Si se usa para secar la ropa al sol, el patio debe estar asoleado, lo cual resulta difícil en las plantas bajas cuando los edificios tienen varios niveles y arrojan sombra sobre él. Si su función es iluminar y ventilar, conviene, por el contrario, que esté protegido del sol, para evitar el deslumbramiento y el aumento de la ganancia térmica con el consiguiente incremento de la temperatura interior.


Paredes exteriores

Para aprovechar la energía solar en el secado de ropa o en la ventilación forzada por diferencia de temperatura, se necesitan superficies exteriores expuestas al sol, donde puedan adosarse los secadores solares de ropa o los dispositivos del tipo «muro Trombe». Sin embargo, para garantizar un ambiente térmico interior apropiado, las paredes exteriores deben estar protegidas del sol, o en su defecto, tener baja absortividad y coeficiente global de transferencia térmica. De hecho, los dispositivos adosados en las paredes asoleadas los protegen del sol y evitan el flujo de calor hacia los espacios interiores, pues los cierres de ese equipamiento son aislantes.

Vanos

Los vanos también tienen que estar protegidos de la radiación solar directa, lo cual depende de la orientación y puede lograrse mediante el contexto, la vegetación, el autosombreado del edificio, dispositivos externos, o la propia ventana, que influye también en el flujo de viento para la ventilación natural.

Las ventanas opacas actúan como elementos de protección solar cuando están abiertas. Si son regulables, ello resulta favorable tanto para la protección solar como para controlar el flujo de aire. Las dimensiones, proporciones y ubicación de los vanos influyen en el comportamiento de la iluminación y la ventilación naturales.


Espacios


Los espacios intervienen en el desempeño de la iluminación y la ventilación natural interior, mediante sus dimensiones, proporciones y relación con el exterior a través de los vanos.
La reflectividad de las superficies interiores condiciona la iluminación.


IV. Recomendaciones de diseño para favorecer el aprovechamiento de las fuentes renovables de energía en la vivienda urbana

La cubierta y paredes exteriores, que constituyen la «piel» de los edificios, son las que mayor influencia tienen en el aprovechamiento de las energías renovables, ya que se relacionan con todos los usos domésticos excepto el reúso, el reciclaje y el consumo racional del agua.

Se recomienda priorizar la ubicación de los sistemas de calentamiento solar de agua en las cubiertas para cubrir la demanda. Los mismos contribuyen a reducir la carga térmica hacia el espacio interior por la sombra arrojada. El resto de la cubierta puede emplearse para los sistemas fotovoltaicos, si resulta factible, con vistas a aportar energía limpia a la red, en la medida posible (Figs. 5 y 6). La superficie de cubierta que quede expuesta a la radiación solar directa deberá ser diseñada para reducir al máximo la transferencia de calor hacia el interior,
o pudieran emplearse elementos de autosombreado como es la vegetación, que favorezcan además su uso para otros propósitos.

 
 
 
Figs. 5 y 6. Sistemas de calentamiento solar de agua
y sistemas fotovoltaicos ubicados en las cubiertas.
 

En climas como el de Cuba es recomendable que los volúmenes de las edificaciones sean poco profundos (no más de dos crujías1), lo cual permite una mejor ventilación e iluminación por medios naturales. A su vez, la envolvente debe estar protegida de la radiación solar directa para evitar la transferencia de calor hacia el interior del espacio, ya sea mediante el contexto, la forma del edificio y(o) los elementos adosados, para lo cual es posible el empleo de paneles fotovoltaicos. Debido a las temperaturas elevadas del aire y su reducida oscilación diaria, resulta conveniente evitar el empleo de materiales de alta inercia térmica en los cierres expuestos al sol.

Por tanto, es necesario priorizar las sombras arrojadas sobre las paredes exteriores, a menos que se requiera instalar un secador de ropa o un dispositivo de ventilación forzada por diferencia de temperatura, en cuyo caso se escogerían las superficies expuestas al sol en los horarios convenientes para su funcionamiento. La protección solar de los cierres exteriores es recomendable tanto para los cierres opacos como para los permeables, es decir, las ventanas, porque se evita la penetración directa de la radiación solar al espacio interior con sus consecuencias negativas desde el punto de vista térmico y de iluminación (deslumbramiento). De no ser ello posible, entonces deberá acudirse a otros recursos existentes para reducir el flujo de calor a través de ellas, como disminuir la absortividad superficial y el coeficiente global de transferencia térmica, empleando materiales aislantes.

Resulta imprescindible favorecer la relación directa de todos los espacios interiores con el exterior para garantizar la iluminación y ventilación naturales; de no ser posible, será necesario acudir al empleo de alguna solución que promueva la ventilación forzada por diferencia de temperatura o de presiones, así como conductos de iluminación.

Finalmente, el enfoque combinado de los usos activos y pasivos de las fuentes renovables de energía permite solucionar los conflictos que entre ellos se generan.

La envolvente, y particularmente la cu-bierta, juegan un rol fundamental en la integración de ambos usos.

Las soluciones pasivas no constituyen una inversión adicional, sino la forma más adecuada de aprovechar los recursos disponibles mediante el diseño.

1 Crujía es el espacio comprendido entre dos ejes estructurales contiguos en un edificio,
en cuyos ejes se sitúan los muros de carga o las columnas, y que generalmente subdividen
y delimitan los espacios interiores. Es por ello que cuando el ancho o la profundidad de un edificio es mayor que dos crujías, las interiores quedan sin relación directa con el exterior,
de manera que se afecta la iluminación y ventilación naturales en esos espacios.

* Arquitecta, Máster en Vivienda Social. Facultad de Arquitectura,
Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (Ispjae).
** Arquitecta, Doctora en Ciencias. Profesora Titular de la Facultad de Arquitectura del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (Ispjae).
E-mail: osanchez@arquitectura.cujae.edu.cu;
dania@arquitectura.cujae.edu.cu