Ganancia solar

El coeficiente de sombreado (CS) es una medida del rendimiento térmico radiativo de una unidad de vidrio (panel o ventana) en un edificio . Se define como la relación entre la radiación solar a una longitud de onda y ángulo de incidencia determinados que atraviesa una unidad de vidrio y la radiación que atravesaría una ventana de referencia de vidrio flotado transparente sin marco de 3 milímetros (0,12 pulg.) . ^{[ 3 ]} Dado que las cantidades comparadas son funciones tanto de la longitud de onda como del ángulo de incidencia, el coeficiente de sombreado para un conjunto de ventana se suele informar para una única longitud de onda típica de la radiación solar que incide perpendicularmente al plano del vidrio. Esta cantidad incluye tanto la energía que se transmite directamente a través del vidrio como la energía que es absorbida por el vidrio y el marco y reirradiada al espacio, y viene dada por la siguiente ecuación: ^{[ 4 ]} 

${\displaystyle F(\lambda ,\theta )=T(\lambda ,\theta )+N*A(\lambda ,\theta )}$

Aquí, λ es la longitud de onda de la radiación y θ es el ángulo de incidencia. "T" es la transmitancia del vidrio, "A" es su absortividad y "N" es la fracción de energía absorbida que se reemite al espacio. El coeficiente de sombreado total viene dado, por lo tanto, por la siguiente relación:

${\displaystyle SC=F(\lambda ,\theta )_{1}/F(\lambda ,\theta )_{o}}$

El coeficiente de sombreado depende de las propiedades de radiación del conjunto de la ventana. Estas propiedades son la transmitancia "T", la absortividad "A", la emisividad (que es igual a la absortividad para cualquier longitud de onda dada) y la reflectividad , todas cantidades adimensionales que juntas suman 1. ^{[ 4 ]} Factores como el color , el tinte y los recubrimientos reflectantes afectan estas propiedades, lo que impulsó el desarrollo del coeficiente de sombreado como un factor de corrección para tener esto en cuenta. La tabla de factores de ganancia de calor solar de ASHRAE ^{[ 2 ]} proporciona la ganancia de calor solar esperada para vidrio flotado transparente de 1/8 pulg . (3,2 mm) en diferentes latitudes, orientaciones y momentos, que se puede multiplicar por el coeficiente de sombreado para corregir las diferencias en las propiedades de radiación. El valor del coeficiente de sombreado varía de 0 a 1. Cuanto menor sea la clasificación, menos calor solar se transmite a través del vidrio y mayor es su capacidad de sombreado.  

Además de las propiedades del vidrio, los dispositivos de sombreado integrados en el conjunto de la ventana también se incluyen en el cálculo del coeficiente de sombreado (SC). Dichos dispositivos pueden reducir el coeficiente de sombreado bloqueando partes del acristalamiento con material opaco o translúcido, reduciendo así la transmitancia general. ^{[ 5 ]}

Los métodos de diseño de ventanas se han alejado del coeficiente de sombreado y se han orientado hacia el coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC) , que se define como la fracción de la radiación solar incidente que realmente ingresa a un edificio a través de todo el conjunto de la ventana como ganancia de calor (no solo la parte del vidrio). El método estándar para calcular el SHGC también utiliza un método más realista de longitud de onda por longitud de onda, en lugar de proporcionar solo un coeficiente para una sola longitud de onda como lo hace el coeficiente de sombreado. ^{[ 4 ]} Aunque el coeficiente de sombreado todavía se menciona en la literatura de productos de los fabricantes y en algunos programas informáticos de la industria, ^{[ 6 ]} ya no se menciona como una opción en textos específicos de la industria ^{[ 2 ]} o códigos de construcción modelo. ^{[ 7 ]} Además de sus imprecisiones inherentes, otra deficiencia del SC es su nombre contraintuitivo, que sugiere que valores altos equivalen a un sombreado alto cuando en realidad es al revés. Los expertos técnicos de la industria reconocieron las limitaciones del SC e impulsaron el SHGC en los Estados Unidos (y el valor g análogo en Europa) antes de principios de la década de 1990. ^{[ 8 ]}

La conversión de SC a SHGC no es necesariamente sencilla, ya que cada una considera diferentes mecanismos y vías de transferencia de calor (conjunto de ventana frente a solo vidrio). Para realizar una conversión aproximada de SC a SHGC, multiplique el valor de SC por 0,87. ^{[ 3 ]}

El valor g (a veces también llamado factor solar o transmitancia total de energía solar) es el coeficiente comúnmente utilizado en Europa para medir la transmitancia de energía solar de las ventanas. A pesar de tener pequeñas diferencias en los estándares de modelado en comparación con el SHGC, ambos valores son prácticamente iguales. Un valor g de 1,0 representa la transmitancia total de toda la radiación solar, mientras que 0,0 representa una ventana sin transmitancia de energía solar. Sin embargo, en la práctica, la mayoría de los valores g oscilan entre 0,2 y 0,7, y los vidrios de control solar tienen un valor g inferior a 0,5. ^{[ 9 ]}

SHGC es el sucesor del coeficiente de sombreado utilizado en los Estados Unidos y es la relación entre la radiación solar transmitida y la radiación solar incidente de un conjunto completo de ventana. Varía de 0 a 1 y se refiere a la transmitancia de energía solar de una ventana o puerta en su conjunto, considerando el vidrio, el material del marco, la hoja (si la hay), los separadores de vidrio (si los hay) y las mosquiteras (si las hay). ^{[ 3 ]} La transmitancia de cada componente se calcula de manera similar al coeficiente de sombreado. Sin embargo, a diferencia del coeficiente de sombreado, la ganancia solar total se calcula longitud de onda por longitud de onda, donde la porción directamente transmitida del coeficiente de ganancia de calor solar viene dada por: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle T=\int \limits _{350\ nm}^{3500\ nm}T(\lambda )E(\lambda )d\lambda }$

Aquí${\displaystyle T(\lambda )}$es la transmitancia espectral a una longitud de onda determinada en nanómetros y${\displaystyle E(\lambda )}$es la irradiancia espectral solar incidente. Cuando se integra sobre las longitudes de onda de la radiación solar de onda corta, produce la fracción total de energía solar transmitida en todas las longitudes de onda solares. El producto${\displaystyle N*A(\lambda ,\theta )}$es, por lo tanto, la porción de energía absorbida y reemitida en todos los componentes del conjunto, más allá del vidrio. El SHGC estándar se calcula solo para un ángulo de incidencia normal a la ventana. Sin embargo, esto suele proporcionar una buena estimación en un amplio rango de ángulos, hasta 30 grados con respecto a la normal en la mayoría de los casos. ^{[ 3 ]}

El SHGC se puede estimar mediante modelos de simulación o medir registrando el flujo de calor total a través de una ventana con una cámara calorimétrica. En ambos casos, las normas NFRC describen el procedimiento para la prueba y el cálculo del SHGC. ^{[ 10 ]} Para ventanas dinámicas o sombreado operable, cada estado posible se puede describir con un SHGC diferente.

Aunque el SHGC es más realista que el SC, ambos son solo aproximaciones burdas cuando incluyen elementos complejos como dispositivos de sombreado, que ofrecen un control más preciso sobre cuándo se sombrea la ventana de la ganancia solar que los tratamientos del vidrio. ^{[ 5 ]}

La ganancia solar descontrolada es indeseable en climas cálidos debido a su potencial para sobrecalentar un espacio. Para minimizarla y reducir las cargas de refrigeración, existen varias tecnologías para la reducción de la ganancia solar. El SHGC está influenciado por el color o tinte del vidrio y su grado de reflectividad . La reflectividad se puede modificar mediante la aplicación de óxidos metálicos reflectantes a la superficie del vidrio. El recubrimiento de baja emisividad es otra opción desarrollada más recientemente que ofrece mayor especificidad en las longitudes de onda reflejadas y reemitidas. Esto permite que el vidrio bloquee principalmente la radiación infrarroja de onda corta sin reducir significativamente la transmitancia visible . ^{[ 3 ]}

En el diseño adaptado al clima para climas fríos y templados , las ventanas suelen dimensionarse y ubicarse para aprovechar la ganancia de calor solar durante la temporada de calefacción. Para ello, se suele utilizar un acristalamiento con un coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC) relativamente alto, para no bloquear dicha ganancia, especialmente en la fachada soleada de la casa. El SHGC también disminuye con el número de paneles de vidrio en una ventana. Por ejemplo, en ventanas de triple acristalamiento , el SHGC suele estar entre 0,33 y 0,47. En ventanas de doble acristalamiento, el SHGC se sitúa más a menudo entre 0,42 y 0,55.

Se pueden utilizar diferentes tipos de vidrio para aumentar o disminuir la ganancia de calor solar a través de las ventanas, pero también se puede ajustar con mayor precisión mediante la orientación adecuada de las ventanas y la adición de dispositivos de sombreado como voladizos , celosías , aletas, porches y otros elementos arquitectónicos de sombreado.

La calefacción solar pasiva es una estrategia de diseño que busca maximizar la ganancia solar en un edificio cuando se requiere calefacción adicional. Se diferencia de la calefacción solar activa, que utiliza tanques de agua exteriores con bombas para absorber la energía solar, ya que los sistemas solares pasivos no requieren energía para el bombeo y almacenan el calor directamente en las estructuras y acabados del espacio habitable. ^{[ 12 ]}

En los sistemas de captación solar directa, la composición y el revestimiento de los cristales del edificio pueden manipularse para aumentar el efecto invernadero optimizando sus propiedades de radiación, mientras que su tamaño, posición y sombreado permiten optimizar la captación solar. La captación solar también puede transferirse al edificio mediante sistemas de captación solar indirecta o aislada.

Los diseños solares pasivos suelen emplear grandes ventanas orientadas hacia el ecuador con un alto coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC) y voladizos que bloquean la luz solar en los meses de verano y permiten su entrada en invierno. Cuando se colocan en la trayectoria de la luz solar, elementos de alta masa térmica, como losas de hormigón o muros Trombe, almacenan grandes cantidades de radiación solar durante el día y la liberan lentamente en el espacio durante la noche. ^{[ 13 ]} Con un diseño adecuado, esto puede modular las fluctuaciones de temperatura. Algunas de las investigaciones actuales en este campo abordan el equilibrio entre la masa térmica opaca para el almacenamiento y el acristalamiento transparente para la captación mediante el uso de materiales de cambio de fase transparentes que permiten el paso de la luz y almacenan energía sin necesidad de un peso excesivo. ^{[ 14 ]}