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Fachadas dinámicas

Estudios recientes han demostrado que un apropiado diseño y control de fenestración y sombreado, junto con el control simultáneo de la iluminación eléctrica y componentes de HVAC, podrían reducir significativamente la alta carga de enfriamiento y el consumo de energía para iluminación y enfriamiento, conservando buenas condiciones internas tanto térmicas como de iluminación.
por Thanos Tzempelikos,
M.A.Sc., Ph.D.

Guiadas por los avances tecnológicos en fachadas transparentes de edificios y la motivación general por edificios verdes de alta calidad, las alternativas de diseño han cambiado al uso de sistemas dinámicos de fenestración y sombreado para un control óptimo de la luz del día y las ganancias solares. El concepto de fachadas dinámicas (instalación de elementos controlables en la cubierta del edificio) no es nuevo; sin embargo, sólo durante los últimos años los arquitectos e ingenieros han comenzado a confiar en estos sistemas y a utilizarlos en edificios.

Las cubiertas dinámicas de edificios incluyen tecnologías avanzadas de ventajas, innovadores sistemas de fenestración y control automatizado del sombreado, lo cual caracteriza a la nueva generación de edificios “inteligentes” (junto con los eficientes sistemas de control de HVAC). Aunque es una grandiosa idea, el diseño y la implementación de dichos sistemas representa una tarea muy compleja.

Cada edificio requiere un método de diseño diferente, dependiendo del tipo de uso, clima, orientación y transparencia. Durante la etapa inicial del diseño, el equipo de diseño del edificio tiene que escoger entre una amplia variedad de opciones de diseño, para muchas de las cuales la evaluación de su impacto en el desempeño del edificio podría ser difícil (especialmente para tecnologías innovadoras).

Inevitablemente, la selección de las soluciones del diseño final generalmente incluye muchos factores subjetivos. La naturaleza fragmentada del proceso del edificio, en el cual ningún miembro del equipo de diseño considera la optimización general del ambiente interno, también hace parte del problema; por lo tanto, los diseños pasivos tradicionales son los que se recomiendan generalmente como una solución tradicional “segura” en la etapa final.

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Las ventajas de los elementos dinámicos en la cubierta del edificio son obvias; por ejemplo, el brillo puede ser controlado eficientemente si se utiliza  sombreado automatizado en las zonas perimetrales. Las cortinas de rodillo se mueven automáticamente con el fin de bloquear los rayos solares directos y permitir la difusión de la luz al interior del cuarto, eliminando así el brillo y creando un ambiente luminoso placentero; los placas de cierre horizontales (venecianas) re-direccionan la luz del día natural hacia el interior del espacio y mejora la uniformidad de la iluminación, incluso en oficinas de plan abierto; las ventanas de operación automatizada permiten la ventilación natural para reducir el sobrecalentamiento y proporcionar aire fresco en el edificio.

En realidad, el diseño de una fachada dinámica equipada con todo lo mencionado anteriormente es complicado y no permite que cada edificio sea diseñado en esta forma. El desempeño de la cubierta del edificio se relaciona con diferentes aspectos de las operaciones de los edificios (calefacción, refrigeración, iluminación) y la comodidad humana (térmica y visual). En consecuencia, debe seguirse un método integrado desde el inicio de la etapa de diseño para lograr resultados óptimos, con arquitectos, ingenieros y consultores especializados para energía de edificios que presenten ideas durante el proceso de diseño.

Estudios recientes han mostrado que un apropiado diseño y control de fenestración y sombreado, junto con el control simultáneo de la iluminación eléctrica y componentes de HVAC, podrían reducir significativamente la alta carga de enfriamiento y el consumo de energía para iluminación y enfriamiento, conservando buenas condiciones internas tanto térmicas como de iluminación.

Con respecto a los beneficios de los componentes automatizados de la cubierta de edificios, existen algunos inconvenientes básicos. En edificios de oficinas e institucionales, los diseñadores tienen que enfrentarse al problema de la protección del brillo antes que nada. Eso significa que las cortinas tendrían que cerrarse para evitar que los rayos directos del sol caigan sobre los ocupantes (esto también evitaría el sobrecalentamiento).

Si los edificios no son automatizados, cada persona sentada cerca de la ventana debe abrir y cerrar la cortina, lo cual no contribuiría a reducir el consumo de energía por enfriamiento/iluminación puesto que se trata de un proceso subjetivo y aleatorio. Se ha observado que al menos 30% de las personas dejarían las cortinas cerradas durante los días oscuros (minimizando la transmisión útil de la luz del día) y las dejarían abiertas durante días claros (aumentando la demanda de enfriamiento).

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¿Y qué pasa cuando no hay nadie en el cuarto (horas de almuerzo, fines de semana, etc.)? La operación automatizada puede solucionar todos estos problemas sin comprometer la comodidad (con un control apropiado). Las necesidades individuales también pueden ser satisfechas con un control manual prioritario.

Pero entonces surge la pregunta: ¿cuáles deben ser las propiedades de las cortinas? Todavía queremos la luz de día natural en el espacio y poder ver hacia fuera; por lo tanto la cortina debe permitir algún tipo de luz de día (difundir), pero al mismo tiempo debe bloquear la luz solar; al final, se hace un balance entre los efectos positivos y negativos de la radiación solar (y la luz de día).

Ahora sabemos que las cortinas con una transmitancia superior al 5% con seguridad causan brillo en condiciones de cielo muy despejado; es decir que ese 5% es generalmente un valor recomendado; sin embargo, el color de la cortina afecta la vista hacia el exterior y el calor absorbido del sol. Los colores oscuros permiten una mejor vista, pero absorben más, así que aumentarán la temperatura del aire.  En otras palabras, el color de la cortina podría mejorar la comodidad visual, pero también podría aumentar la incomodidad térmica.

También existen soluciones para este problema. La tela podría ser oscura en la superficie interna y podría ser clara en la parte externa (reflejando así hacia fuera en lugar de absorber). Además, desde luego, la posibilidad de placas de cierre horizontales (persianas) que rotan automáticamente de acuerdo con la posición del sol, pueden asegurar un desempeño óptimo (sin embargo, este sistema tiene que ser diseñado cuidadosamente). La ubicación del dispositivo de sombreado es importante: dispositivos externos superan en funcionamiento cualquier dispositivo interno, pero generalmente las cortinas se ubican internamente por razones de estética y mantenimiento.

Controles después del diseño
Cuando la labor del diseño y control del sombreado ha sido resuelta (al menos parcialmente al iniciar la etapa de diseño), existen aún muchas cosas que pueden hacerse. La evolución de los controles de iluminación permiten ahora efectividad en el costo y eficientes reductores (o interruptores) de luz automatizados. Las luces se apagarán (o se reducirán a un nivel mínimo) cuando exista suficiente luz de día en el espacio y serán controladas cuando se necesite iluminación eléctrica.

Los sensores de ocupación asegurarán que no sea consumida energía extra cuando no hay nadie en el cuarto. Los sensores de luz actualmente están equipados con sofisticados algoritmos de control, que sólo requieren dos o tres sensores por cada fachada de edificio. Las luces también pueden ser controladas con base en el tipo de tarea y en las preferencias del usuario.

Actualmente, es sólo cuestión de integrar la operación de control de iluminación con el sombreado automatizado para lograr el mejor desempeño posible. ¿Cómo puede hacerse esto? Teniendo en cuenta el control de sombreado e iluminación, “sistema de iluminación total”, como parte integral del diseño de la cubierta (y la zona perimetral) desde el inicio de la etapa de diseño. Las cortinas responderán a los constantes cambios en las condiciones externas y las luces, por consiguiente, se reducirán (no necesariamente como un sistema separado sino dependiendo de las propiedades del sombreado, la posición y el control). Esto puede sonar sencillo pero se requiere que haya cierto tipo de intercomunicación entre los dos sistemas (y ya contamos con la tecnología actualmente).

La última parte de la integración de las fachadas dinámicas con los otros sistemas del edificio se relaciona con el sistema HVAC. El impacto del control de sombreados e iluminación sobre el control y diseño del sistema HVAC tiene dos partes: (i) reducir el tamaño del enfriador para lograr un sombreado efectivo, y reducir así el costo de capital, y (ii) reducir el consumo de energía de enfriamiento para lograr menores ganancias internas (luces) y ganancias solares (sombreados). Estos dos puntos deben ser una parte esencial del inicio de la etapa de diseño, ya que es aquí cuando se deben tomar las decisiones importantes.

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Excepto por la reducción del tamaño del sistema, el control dinámico y apropiado de la temperatura en las zonas perimetrales (teniendo en cuenta el control de sombreado e iluminación) podría reducir significativamente el consumo de energía. Otras opciones de cubierta dinámica tales como ventanas operables para ventilación natural, también son importantes y requieren ser tenidas en cuenta cuando se diseña una fachada y los requerimientos del sistema mecánico.

Trabajar en proyectos con tecnologías de fachada dinámica ha demostrado que, para un edificio de tamaño promedio (10-15 pisos, 50 mil pies cuadrados) con fachadas de vidrio, los ahorros de energía por refrigeración debido al control automatizado del sombreado y la iluminación podrían alcanzar el 40%, mientras que el consumo de energía de iluminación puede reducirse en más del 60%, comparado con un diseño de cubierta pasiva. La carga máxima de refrigeración también puede reducirse entre 20 y 40%. Esto hace que las tecnologías de cubiertas dinámicas sean muy atractivas, puesto que contribuyen a la reducción en las demandas de energía, reducción en las emisiones de gases de invernadero, y ofrecen ambientes más saludables en los edificios.

* Thanos Tzempelikos, M.A.Sc., Ph.D., (agtzemb@alcor.concordia.ca) es un consultor independiente de energía de fachadas y un investigador de la Red de Investigación de Edificios Solares (www.solarbuildings.ca). Durante los últimos cinco años, ha estado realizando investigaciones y trabajando en proyectos relacionados con la optimización de zonas perimetrales y el diseño de edificios integrados (fachadas dinámicas, luz del día, sombreado, diseño, control e integración con sistemas de iluminación eléctrica y componentes de HVAC).

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