El caso del deployé y su uso como filtro de control solar

Este artículo es parte del Trabajo (TFM) del Máster Universitario en Tecnologías de la Arquitectura de la Universitat Politècnica de Catalunya, desarrollado en 2015, y del que Cristina Pardal fue tutora. Para acceder al trabajo completo, puede consultarse en el siguiente enlace:https://upcommons.upc.edu/handle/2117/79894

Para la realización del estudio, se analiza un número determinado de modelos de mallas de metal expandido ‘deployé’ de diferentes tamaños y diferentes aperturas. Para obtener unos resultados cuantificables, se relaciona entre sí la capacidad como protector solar con la transparencia visual que permite. Analizando previamente estos conceptos por separado, se pueden obtener los suficientes criterios para seleccionar un producto adecuado en función de un hueco concreto en una fachada.

La luz natural que entra a través de un hueco en un edificio puede provenir de diversas fuentes: luz solar directa, cielo claro, nubes, o reflejos en el suelo y edificios cercanos.

A pesar de las múltiples variables que pueden existir en las condiciones del cielo, se puede entender la luz natural desde dos condiciones extremas: cielo cubierto y cielo despejado.

La iluminación en un día cubierto es relativamente baja (5.000 a 20.000 luxes), entre 10 y 15 veces superior a los requerimientos para una buena iluminación interior. En un día despejado, sin embargo, el nivel de iluminación es muy alto (60.000 a 100.000 luxes), entre 100 y 200 veces superior a lo que se necesita en el interior.

El mayor problema con cielos despejados es la luz solar directa, ya que es extremadamente brillante y cambia continuamente de dirección. Ésta será objeto de estudio en el trabajo, a la que se trata de encontrar una solución con el filtro estudiado. Para ello, se necesita primero entender los movimientos del sol.

El día del equinoccio de primavera, el Sol recorre el ecuador celeste, saliendo exactamente por el Este, y poniéndose exactamente por el Oeste, estando doce horas sobre el horizonte.

A partir de entonces y hasta el solsticio de verano, el Sol cada día sale por un punto del horizonte un poco más al Norte del punto cardinal Este, y se pone entre el Norte y el Oeste, culminando cada vez más alto. Se entiende por culminación el paso de cualquier astro por el meridiano del lugar.

El arco que describe el Sol sobre el horizonte hasta el solsticio de verano supera la mitad de la circunferencia, así que el día dura más de doce horas.

El día del solsticio de verano la declinación solar es máxima, (el Sol culmina más altura). A partir de entonces y hasta el equinoccio de otoño la declinación solar disminuye hasta anularse en dicho día.

A partir del equinoccio de otoño el Sol, que había permanecido sobre el Hemisferio Norte pasa al Hemisferio Sur, describiendo cada día una trayectoria paralela al ecuador pero más baja sobre el horizonte, saliendo entre el Este y el Sur y poniéndose entre el oeste y el sur. El arco descrito es inferior a una semicircunferencia, así que el día dura menos que la noche.

El día del solsticio de invierno es cuando el Sol presenta una declinación mínima, dando al mediodía la sombra más larga del año. A partir de este momento y hasta el equinoccio de primavera se repite su marcha.

Protección y vistas

Conseguir una protección de un Sol alto es muy sencillo en una fachada Sur; basta colocar una serie de elementos horizontales que vuelen lo suficiente, en función de la inclinación del Sol. En invierno, el Sol estará más bajo, con lo que el vuelo de estos elementos de protección debería ser mucho mayor. Con elementos móviles es más sencillo conseguir una buena protección, ya que éstos se orientarán según la estación.

En las fachadas Este y Oeste entra otro factor, ya que el Sol avanza en diagonal, desde que sale en el horizonte, hasta que alcanza la máxima altura al mediodía, y deja de incidir directamente en dichas fachadas. Con elementos de protección móviles lineales, lo habitual es colocar en sentido vertical, con eje de giro vertical, ya que estos elementos permiten tener mayores o menores aperturas en función del sol.

A la hora de escoger un filtro fijo para una determinada fachada, se debe encontrar una solución que funcione en todos los casos, ya que, con una única posición, éstos deben ser eficientes en todo el año.

Al tratarse de un elemento fijo, el nivel de protección que necesitemos, condicionará las vistas hacia el exterior. A mayor protección menor serán las vistas. La peculiaridad del deployé, es que al ser un filtro en el que las perforaciones están orientadas, la transparencia en ciertos ángulos será mayor.

Para poder conocer el material y sus características, es necesario en primer lugar entender cómo se obtiene.

Su fabricación, parte de bobinas de metal, que avanzan hacia una hoja de corte en forma de sierra, que es el elemento principal en la elaboración del producto.

Esta hoja de corte realiza movimientos verticales y en zigzag, a la vez que la bobina suministra el material. De esta forma se generan repeticiones de perforaciones en la totalidad de la superficie de la chapa.

La multitud de tamaños y geometrías en las mallas dependen directamente de la geometría de la hoja de corte. Como resultado de esta repetición de movimientos se obtiene una repetición de formas, sobre las cuales se definen cinco parámetros básicos que definirán un producto:

• Diagonal larga (DL): Hace referencia a la distancia entre cortes en una misma fila. Corresponde con la distancia entre los dientes de corte, o el ancho total del diente de corte.
• Diagonal corta (DC): Distancia entre dos cortes en la misma vertical.
• Ancho del hilo (P): Distancia entre dos cortes contiguos.
• Espesor (e): espesor de la chapa
• Espesor total (E): espesor total una vez expandida la malla.

Para denominar un modelo con tantas dimensiones que lo definen, los fabricantes suelen usar la siguiente nomenclatura:

DL x DC x P x e

Muchos fabricantes de este tipo de mallas omiten un factor bastante importante, el espesor total E.

Analizando estos parámetros, se comienzan a obtener las siguientes conclusiones:

• Diagonal larga (DL): Proporcionalmente, a mayor diagonal larga, mayor será la corta si el ancho de hilo también aumenta. Una diagonal larga junto con una diagonal corta, implica, o un menor ancho de hilo, o menor % de hueco.
• Diagonal corta (DC): Al aumentar la diagonal corta, aumenta el ancho de hilo o crece el % de huecos. Con estiramientos mayores en el momento de su fabricación se obtienen mayores % de aperturas y mayor será la radiación que penetre por esos huecos. Con mayor ancho de hilo, será menor el % de huecos.
• Ancho del hilo (P): Debido al proceso de fabricación, el ancho del hilo está directamente relacionado con el ángulo a. A mayor ancho de hilo, menor será el ángulo a, con lo que el sol para penetrar deberá transcurrir más bajo. A menor ancho de hilo, el sol penetrará en posiciones más verticales, esto implica la entrada de radiación directa en los meses de verano.
• Espesor (e): El espesor de la mayoría de modelos está comprendido entre 1 y 3mm. En los modelos de mallas más pequeñas, el espesor será proporcionalmente mayor. De hecho, en los modelos más pequeños, el ancho del hilo puede ser de tamaño similar al espesor (P/E=1/1), cosa que no pasa en modelos mayores, donde la relación oscila entre 10/1 y 15/1.

• Espesor total (E): está relacionado con el ancho del hilo y el ángulo a. Mayores perforaciones producen mayores espesores de mallas.

• Ángulo a: Es el parámetro que indica de forma más clara y directa si los rayos de Sol atraviesan o no la malla. A mayor ángulo, mayor entrada de radiación directa. Para un estudio más concreto habrá que conocer la latitud del proyecto, que nos dará la inclinación máxima y mínima del sol.

En los siguientes puntos se estudia el comportamiento del filtro empleando los datos de la ciudad de Barcelona, en concreto el caso de un filtro orientado al Sur y otro caso con el filtro orientado al Este.

a) Comportamiento como filtro hacia el sur

A la hora de colocar un filtro hacia el Sur, no cabe duda de que lo mejor será colocar éste con los elementos (ya sean lamas, o las alas del deployé) en posición horizontal, ya que de esta forma protegeremos especialmente en las horas de más radiación del día (momento en el que el sol se encuentra en su posición más elevada).

En verano no entrará radiación directa en la mayoría de filtros ya que el sol transcurre muy vertical hacia el mediodía, ni siquiera en las primeras y últimas horas del día, ya que éste, como hemos visto sale entre el Este y el Norte, y se pone entre el Oeste y Norte. Solamente los filtros con mayores porcentajes de transparencia permiten la entrada de radiación directa en algunos momentos del día.

En invierno entrará radiación directa en la mayoría de casos (en mayor o menor medida, dependiendo del modelo empleado) ya que el sol avanza más bajo (mediodía en Barcelona a un ángulo máximo de 25º).

b) Comportamiento como filtro hacia el este/oeste

En principio se puede pensar que una mejor solución puede ser la colocación de la malla en posición vertical (giradas 90º con respecto a la posición en la que se coloca hacia el sur). Al contrario de lo que ocurre con filtros de lamas lineales, las alas protegen tanto superior como lateralmente, con lo que ya no queda claro que la colocación vertical sea definitivamente mejor que una colocación horizontal.

Para entender cómo funciona el filtro en una posición orientada al Este se debe conocer en primer lugar las horas en las que esta fachada está expuesta. En la imagen adjunta se muestra el recorrido del sol en el solsticio de verano y el solsticio de invierno, datos correspondientes a la ciudad de Barcelona. Esto es útil para conocer las diferentes inclinaciones y orientaciones del sol en diferentes horas.

Tomando como datos de partida el solsticio de verano, hasta aproximadamente las 10:00 el sol se encuentra entre el Este y el Norte, continuando a partir de esta hora su movimiento hacia el sur. El sol a esta hora forma unos 38º con la horizontal mientras que a las 11:00 alcanza los 50º.

En invierno el sol transcurre mucho más bajo, saliendo entre el este y el sur, manteniéndose así un menor número de horas incidiendo sobre las fachadas de estudio.

Estudiemos, entonces, el comportamiento con las dos posiciones posibles del filtro:

- Solsticio de verano (malla en posición vertical)

En este caso se protegen solamente las horas en las que más alto está el sol, que es hacia el mediodía, en detrimento de las primeras horas del día. Cuando la protección hacia el Sur-Este es máxima, la protección hacia el noreste es mínima. En la imagen adjunta se muestra una simulación de la radiación total que entra a través del filtro en esta posición.

- Solsticio de verano (malla en posición horizontal)

Poniendo un ejemplo, con una apertura en torno al 30% se bloquean los rayos que llegan a inclinaciones mayores de 40-45º (Según los datos de los modelos analizados en el punto 6). Esto quiere decir que a partir de las 11:00 se bloquearía el 100% de la radiación directa empleando una malla en posición horizontal, mientras que la salida del sol sería el momento en el que más radiación directa atravesaría el filtro.

En la imagen adjunta se muestra una sección desde el Sur, con las horas en las que el sol atravesaría una malla (misma malla que en el apartado a).

Al comparar los resultados de las dos opciones, se puede ver cómo en este caso se bloquea totalmente la entrada de sol aproximadamente dos horas antes, y también cómo a primeras horas del día entra un menor % de rayos, ya que la dirección del filtro enfocaría al suelo.

- Solsticio de invierno (mallas en posiciones vertical y horizontal)

En el caso de la malla vertical resulta mucho más efectiva en los meses más fríos, ya que el sol sale por el sur-este avanzando hacia el sur.

Al contrario que con el solsticio de verano, la malla en posición horizontal es menos efectiva que la opción vertical. No por ello es mala opción. El sol atraviesa la malla algo más de tiempo que la opción vertical (en torno a una hora más).

Debido al poco ángulo que alcanza el sol en las primeras horas del día, la mayoría de radiación que entra la reciben los paramentos verticales, recibiendo el suelo una mínima cantidad de rayos.

Debido a la geometría que adquieren estos elementos en el momento de su fabricación, las visuales al exterior varían en función del punto de vista del ojo y hacia dónde quiere ver éste. Cuando éste se coloca para proteger un sol alto, las vistas desde el interior hacia el cielo se bloquearán, consiguiendo un efecto contrario cuando se mira hacia abajo.

En la imagen 4.1. se explica el comportamiento visual a través del deployé. Se puede resumir en tres situaciones; vista hacia el cielo, vista frontal y vista hacia el suelo. La que interesa bloquear es la primera, y, a partir de ésta se establecen las otras dos. La vista al suelo, dependiendo del modelo, puede llegar a aumentar considerablemente con respecto a la vista frontal. Esto se traduce en mejores vistas a la calle desde un interior de un edificio.

Como resultado de los modelos analizados que se mostrarán más adelante, se obtienen varias conclusiones relacionadas con el comportamiento visual. En la siguiente gráfica se representan los modelos de malla analizados, junto a una curva polinómica, que trata de representar la tendencia en función al % frontal de huecos. A partir de estos datos se obtienen las siguientes conclusiones:

a) Los modelos que menos incrementan la visión hacia abajo son:

- Los que más % de visión o transparencia tienen

- Los que menos % de visión o transparencia tienen

- Los modelos más pequeños (aproximadamente =30mm)

- Los modelos con Diagonal Corta mucho menor en proporción a la Diagonal Larga

b) Los modelos que más incrementan la visión hacia abajo son:

- Los modelos más grandes (a partir de 100mm aproximadamente)

- Los que permiten entre un 30 y un 50% de visión frontal

Otro aspecto importante, está en la calidad de la imagen que se produce a través de un filtro de estas características. Se muestran, a continuación, tres ejemplos, con % de aperturas frontales similares, en tres tamaños diferentes de DLxDC: 16x7mm, 62x25mm y 200x70mm.

Mientras que el filtro más pequeño permite reconstruir perfectamente la imagen exterior, bloquea menos la visión hacia el cielo, o lo que es lo mismo, permite mayor radiación solar directa. Las vistas al suelo también son menores, debido a que el espesor de la chapa es proporcionalmente mucho mayor en relación al tamaño del hueco.

El filtro con celdas más grandes permite una buena visión al suelo, sin embargo, al estar estos huecos más separados entre sí, existen mayores superficies sin información, sobre todo en la parte media.

Parece entonces que el equilibrio se encuentra en el término medio, el espesor de la chapa comienza a ser casi despreciable, manteniendo un buen equilibrio entre visión a suelo y protección superior.

Para la realización de los cálculos se han escogido tres escenarios; los solsticios de invierno y verano (21 de diciembre y 21 de junio), y la media anual, resultado de la suma de las radiaciones totales en un año, dividido entre los 365 días.

Para la obtención de resultados se ha procedido a modelar en 3d un número determinado de mallas existentes en el mercado de diversos tamaños y % de aperturas, empleándolas como filtro protector de un espacio orientado a sur. La radiación en el suelo recibida a través de estos filtros se recoge en unos valores, obteniendo un valor promedio de una superficie concreta, de forma que para cada filtro obtenemos un resultado en cada uno de los 3 escenarios planteados. Como se ha comentado anteriormente, los datos geográficos del estudio corresponden a la ciudad de Barcelona

Las gráficas que se representarán a continuación, representan la relación entre el % de visión frontal y la energía que se proyecta en la superficie concreta del suelo, tras el paso por la correspondiente malla. La línea que delimita la gráfica superiormente representa, a modo comparativo, una serie de mallas perforadas planas, con % de perforaciones de 5, 10, 25, 50 y 75%, tamaños de agujeros de 6 a 8mm, y espesor de 2mm. De cada escenario se obtienen 4 gráficas: una correspondiente a la radiación directa, una a la difusa, una tercera correspondiente a la suma de las 2, y la última gráfica que representa el aumento de visión entre la visión frontal y la visión al suelo, establecida a 45º de la horizontal (se mostrarán en puntos los modelos analizados y en flechas el incremento de visión en % de cada modelo).

a) Radiación solar en el solsticio de verano

En las gráficas, se puede ver la gran diferencia entre las mallas planas (línea superior) y el deployé (la diferencia entre un filtro con aperturas perpendiculares con otro cuyas aperturas están orientadas). La radiación directa está totalmente bloqueada con filtros con una cantidad de huecos incluso superior al 60%. Esto quiere decir, que en los días próximos al solsticio de verano solamente entrará radiación difusa, debido a que el sol sale cerca del Noreste y se pone cerca del Noroeste, pasando muy elevado por el Sur. La entrada de radiación difusa en los meses de verano es mucho mayor a la directa, manteniéndose mínima con aperturas hasta un 30%, y coincidiendo con la radiación total en aperturas hasta un 60%. Sumando las dos radiaciones, se puede ver cómo con aperturas de entorno al 30% la radiación que penetra es mínima, aumentando de forma algo más pronunciada en aperturas hasta un 50%, y disparándose la radiación con aperturas superiores.

Al incluir el parámetro de visión hacia el suelo, son efectivos la mayoría de modelos con % de huecos menores al 70%, mientras que los que tienen aperturas en torno a un 30%, aumentan entre un 30 y un 40% más su transparencia. En resumen, se puede concluir que una óptima protección en verano se obtendrá con elementos con un máximo del 30% de perforaciones aproximadamente. A partir de este punto el filtro comienza a perder eficacia como tal.

b) Radiación solar en el solsticio de invierno

En las siguientes gráficas se repiten también las curvas, con modelos de aperturas hasta un 30% consiguiendo resultados más cometidos, y disparándose la energía atravesada a partir de este punto. Al contrario que en el solsticio de verano, la radiación directa atraviesa en todos los modelos (exceptuando alguno de apertura en torno al 8%).

En los modelos de menores % de aperturas, la radiación directa corresponde exclusivamente a las primeras y últimas horas del día, con lo que, según aumentan los huecos, aumenta el tiempo en el que el sol penetra a través.

Con el análisis de estas gráficas se puede concluir afirmando que el mayor problema en invierno corresponde a la radiación directa, pero como se ha comentado, muchos de estos modelos bloquean el sol cuando más alto está. La entrada de radiación directa puede no ser problema, ya que en invierno se busca captación de calor, y dependiendo del % de perforaciones empleado se obtendrá mayor o menor cantidad.

A la vista de los gráficos, se llega a entender la diferencia que hay entre un filtro de metal expandido y uno perforado; a igualdad de radiación penetrada, puede haber un 30% de diferencia de transparencia entre filtros cuando se mira hacia el horizonte, mientras que, si se mira hacia el suelo, esta diferencia puede crecer hasta un 60%. Se puede concluir validando los mismos resultados que en las gráficas de verano. Teniendo en cuenta que se trata de un filtro que debe proteger todo el año, deben predominar los resultados de las condiciones más adversas, que son las de verano.