Sistemas de Protección Solar Dinámicos - SPSD

El objetivo fundamental de este estudio académico es analizar las posibilidades de innovación dentro del campo de los sistemas de protección solar dinámicos, evaluando técnica, geométrica y energéticamente las diferentes posibilidades de este tipo de sistemas.

Este artículo es parte del Trabajo Final (TFM) del Máster Universitario en Estudios Avanzados en Arquitectura-Barcelona, en la especialidad Innovación tecnológica en la arquitetura, de la ETSAB - Universitat Politècnica de Catalunya, desarrollado en 2018 y del que Eva Crespo Sánchez fue tutora. El trabajo completo se puede consultar en el siguiente enlace: http://hdl.handle.net/2117/191082.

Figura 0: Sistemas de Protección Solar Dinámicos (SPSD) en diferentes fases de actuación. Renderización: Octavio Ariza.

Figura 1: Similitudes entre la fachada de los edificios y la piel animal y vegetal. Fuente: fotografías tomadas por el autor.

“Lo único constante en la vida es el cambio”

Heráclito de Éfeso, Filósofo griego, 500 a.C.

Nuestra interacción con el medioambiente es un proceso inherentemente dinámico, que durante los últimos siglos ha sido probablemente el gran responsable de la degradación de nuestro entorno. Esta situación se da, entre otros factores, por una cuestión contradictoria: gran parte de las tecnologías desarrolladas para satisfacer las necesidades humanas, responden de una manera estática a las situaciones medioambientales dinámicas.

Hoy en día existen múltiples soluciones que intentan mejorar el comportamiento energético en los edificios, a través de sistemas que contribuyen en la adaptación de las edificaciones a su entorno. Dentro de este contexto, podemos ver que el campo de las fachadas dinámicas ha tenido un importante desarrollo, y con un amplio recorrido aún por explorar.

Para enfrentar este propósito, es fundamental que la arquitectura utilice y desarrolle soluciones coherentes con el entorno, sobre todo en la envolvente, ya que ésta representa uno de los elementos más relevantes en el intercambio energético. La utilización de sistemas de protección solar capaces de adaptarse a las condiciones exteriores variables, permite controlar las ganancias o pérdidas térmicas a través de la piel exterior, con el objetivo de minimizar la demanda energética de refrigeración y calefacción de los edificios, contribuyendo así activamente a una gestión energética más sostenible de los edificios.

Los edificios representan un conjunto de sistemas en constante interacción. Redes de instalaciones eléctricas, impulsiones y extracciones de fluidos a través de conductos, elementos estructurales actuando de soporte, hasta una serie de aparatos electromecánicos destinados a mejorar las condiciones climáticas en el interior, son algunos de los componentes que representan este conjunto de elementos, que evidentemente tiene una semejanza a los sistemas que componen un organismo vivo (figura 1). Así podemos equiparar al sistema cutáneo a la envolvente de los edificios. Es en este punto donde debemos cuestionarnos, ¿son los sistemas de envolvente que se utilizan hoy en día suficientemente flexibles, inteligentes y dinámicos como para responder a las situaciones climáticas cambiantes del entorno?

La constante innovación en el campo de las fachadas representa una de las áreas con mayor desarrollo tecnológico dentro de la industria de la Arquitectura, Ingeniería y Construcción (AEC). La envolvente de los edificios encarna un elemento mucho más importante que el límite entre el exterior e interior; es el elemento encargado de garantizar el confort térmico, acústico y lumínico en relación a su entorno, además de representar compositivamente un hito paisajístico tanto desde el exterior como del interior.

Cada vez podemos ver con mayor frecuencia edificios de gran envergadura con sistemas de fachada vidriada. La gran cantidad de energía que éstos edificios consumen para garantizar el bienestar de las personas es uno de los puntos clave dentro de la problemática medioambiental que vivimos en la actualidad. En muchas latitudes del planeta, la radiación solar produce sobrecalentamientos en el interior de los edificios. Se calcula que el 10% del consumo energético mundial está vinculado a los sistemas de climatización (*1) y se prevé que el consumo energético en climatización triplicará la demanda mundial de energía hasta el año 2050. (*2).

El presente estudio aborda el uso de sistemas de fachada adaptativa, tanto desde su perspectiva formal como funcional. El uso de pieles que modifiquen su forma, además de representar un reto técnico y una proeza estética, repercute en el desempeño energético de los edificios, lo que representa el potencial del uso de este tipo de sistemas.

(*1) y (*2) Fuente: Informe ‘The Future of Cooling Opportunities for energy efficient air condition- ing’ de la Agencia Internacional de Energía (AIE)

1. Analizar en detalle la problemática actual de los edificios vinculada con el tema de estudio.

2. Desarrollar un estado del arte como punto de partida para las evaluaciones planteadas en este estudio

3. Establecer las condiciones geométricas, electromecánicas y energéticas para resolver a través de un sistema de protección solar dinámico la problemática planteada

4. Establecer un edificio de trabajo replicable, donde la protección solar dinámica aporta una especial ventaja energética

5. Evaluar energéticamente el nivel de mejora que ofrece una protección solar móvil en este tipo de uso y la mejora que supone que ésta varíe su capacidad de factor solar en función de la época del año y las demandas energética del edificio respecto a un sistema fijo.

Para conseguir una minimización de la demanda energética en las edificaciones, uno de los aspectos fundamentales a considerar es la protección solar, sobre todo en climas cálidos, con el fin de evitar el sobrecalentamiento de los espacios interiores. Mediante un adecuado control de la luz solar se consigue reflejar, disipar o absorber la energía respecto del espacio habitable, controlando de esta forma la demanda energética y lumínica.

El decreto 21/2006 de Ecoeficiencia de Catalunya, regula la adopción de criterios ambientales y de ecoeficiencia en los edificios, se especifica que: “Las aperturas de las cubiertas y de las fachadas orientadas a suroeste (±90 °) deben disponer de un elemento o de un tratamiento protector situado en el exterior o entre dos cristales, por lo que el factor solar S de la parte acristalada de la apertura sea igual o inferior al 35%."

La ubicación de las protecciones solares tiene una repercusión energética directa. La figura 3 muestra la variación de la temperatura en el interior de una habitación, para una temperatura exterior constante, en función de donde se ubique la protección solar si por el interior, el exterior o en el espacio intersticial entre láminas de vidrio de la ventana.

Figura 2. Museo de las civilizaciones de Europa y del Mediterráneo (MuCEM) en Marsella, Francia. Arquitecto Rudy Ricciotti. Fuente: Fotografías tomadas por el autor.

La inteligencia es la capacidad de adaptarse al cambio."

Dr. Stephen Hawking, físico británico

La arquitectura dinámica no es una invención de las últimas décadas. El interés por diseñar construcciones que se puedan adaptar a las distintas condiciones climáticas anuales se remonta a las primeras civilizaciones nómadas.

Un ejemplo de ello son las yurtas, las tiendas de campaña utilizadas por los mongoles para hacer frente a las grandes variaciones de temperatura de su entorno a lo largo de todo el año y donde el número de capas de paja que las recubrían dependían de cada estación.

Adaptar el edificio para responder a las condiciones climáticas exteriores es una histórica estrategia, presente en la mayoría de los edificios de finales del siglo XIX y principios del XX. Como consecuencia del desarrollo alcanzado en la segunda revolución industrial, el vidrio empieza a tomar un papel principal en la fachada de los edificios sumado a la invención del aire acondicionado, lo que ha llevado a la gran expansión de los muros cortina en los edificios de oficinas y rascacielos. Se trata de una tipología edificatoria interesante compositiva y tecnológicamente, pero no ambientalmente.

Con la crisis del petróleo de 1973 se empieza a trabajar en nuevos modelos arquitectónicos en los que diseño y técnica se unen en la búsqueda de una arquitectura más inteligente y sostenible, posicionando las instalaciones mecánicas energéticamente en un papel secundario de apoyo, donde el dinamismo de las fachadas cobra un papel fundamental en el comportamiento energético del edificio al reaccionar a los estímulos medioambientales.

El campo del diseño paramétrico corresponde al uso de metodologías basadas en la cuantificación de parámetros que, a través de su manipulación o alteración geométrica y algorítmica, permiten readaptarlos en función del diseño. Esta metodología viene siendo utilizada por diferentes artistas, diseñadores, arquitectos y científicos desde los años 60. El arquitecto Luigi Moretti definió a la arquitectura paramétrica como el estudio de sistemas con el objetivo de “definir las relaciones entre las dimensiones dependientes de diversos parámetros” (*3).

Cada día es más habitual la utilización de este tipo de metodologías con el fin de concebir morfologías complejas, optimizar el uso de elementos prefabricados e incluso mejorar el comportamiento energético de los edificios durante su etapa de uso. La principal ventaja que representa el uso de herramientas de diseño paramétrico, es que permite incorporar ciertos parámetros cuantificables dentro de la génesis morfológica de los edificios.

(*3) Davis, Daniel. ‘Modelled on Software Engineering: Flexible Parametric Models in the Practice of Architecture'.

El concepto de fachada responsiva se ha ido incorporando paulatinamente en la arquitectura, y los edificios de la figura 4 y 5 son claros ejemplos de la importancia de la incorporación de Sistemas de Protección Solar Dinámica (SPSD).

Se trata de edificios donde la ‘segunda piel’ de la fachada configura una envolvente programable que responde a las condiciones ambientales exteriores e interiores, disminuyendo la demanda energética del edificio y por ende reduciendo la demanda de sistemas de climatización activos. Se trata de una piel que reacciona a través de un ordenador o controlador, que debe ser programado para responder de manera dinámica a las condiciones medioambientales variables, cerrándose en caso de sobrecalentamientos en el interior y abriéndose cuando la captación de la radiación solar es positiva para el acondicionamiento pasivo interior de edifico.

Figura 4: Arriba, fachada del Edificio ICTA-ICP (H Arquitectos* DATAAE). Fuente: Flickr ArceAlejandro. Abajo, Vila Urania (SUMO Arquitectos + Yolanda Olmo). Fuente: Fotógrafo Aitor Estevez Olaizola.

Figura 5: Sistema de fachada de las Torres Al Bahar en Abu Dhabi, Emiratos Árabes. Fuente: Flickr iTimbo61.

Podemos clasificar las fachadas responsivas de acuerdo a la energía que utilizan para su funcionamiento. Encontramos sistemas que necesitan de una fuente de energía externa y otros que su forma y/o material se contraen y/o expanden espontáneamente según la temperatura, el nivel de humedad ambiental u otros factores.

Figura 6: Sistemas y materiales, clasificados según su funcionamiento. Imágenes: (A) Edificio MediaTic, Barcelona. Fuente: Flickr rvc disseny; (B) Kiefer Técnica Showroom. Fuente: Flickr Designspiration; (C) Nitiinol. Fuente: Flickr Enrico Bianchi; (D) Hygroskin. Fuente: Flickr li chao.

El objetivo de este trabajo se ha estructurado en 2 líneas:

1. Evaluar las diferentes opciones de sistemas desplegables, tanto a nivel morfológico cómo de accionamiento. Con este propósito, se desarrollan y construyen una serie de prototipos que analizan el comportamiento mecánico de los sistemas desplegables.
2. Medir el nivel de eficiencia energética que se puede lograr en un edificio replicable de uso administrativo, modelando un SDPD modular a través de una serie de softwares.

Con el objetivo de evaluar las diferentes posibilidades formales, se desarrolló un estudio geométrico en el que se diseña una serie de módulos desplegables con diferentes morfologías (figura 7) capaces de abrirse y cerrarse a través de sistemas mecánicos de diferentes dimensiones, características y articulaciones.

Establecer una morfología y/o disposición única no sería lo más adecuado, ya que el sistema debe dar respuesta a las características específicas del edificio, ya sea de orientación, ubicación, clima o incluso culturales o compositivos. Según la clasificación desarrollada en el libro 'Estructuras Desplegables'(*4), este tipo de sistemas ‘se expanden y/o contraen debido a sus propiedades geométricas, materiales y mecánicas'. Dentro de este contexto encontramos diferentes técnicas para lograr la articulación del sistema de cerramiento.

(*4) Fuente: Rivas Adrover, E. Estructuras desplegables. Promopress 2015.

La desplegabilidad de los SPSD se aborda desde el movimiento mecánico. Es por esto que se desarrollan una serie de prototipos con diferentes morfologías, a modo de experimentar entre diferentes sistemas mecánicos que permitan el movimiento de la piel del módulo.

En la figura 8 se presenta un primer prototipo, el cual fue ejecutado con un sistema de corte láser. Es un módulo cuadrado, que soporta una lámina de iguales dimensiones que se pliega en 8 caras, las que son articuladas a través de 4 cojinetes que se desplazan linealmente a lo largo de 4 guías. El movimiento de estos elementos se logra a través de un sistema de transmisión de tornillo, que con un hilo derecho e izquierdo logran desplazar los cojinetes hacia el centro y hacia el perímetro, permitiendo así la apertura o cierre de la lámina.

En la figura 9 se presenta un segundo prototipo, desarrollado en grupo para la asignatura 'Evolución de los materiales y productos para construir’ del MBarch de la UPC, con un sistema de un solo pliegue. En este caso, el mecanismo se acciona a través de un servo motor que permite su control respecto al giro de una manera más precisa que un motor rotatorio convencional. Este prototipo incorpora un sensor de luz que permite que, a través de un controlador, la lámina se pliegue en función del nivel lumínico.

Figura 8: Módulo del primer prototipo. https://www.youtube.com/watch?v=IK2UyLvgXDA

El impacto energético de los SPSD se ha evaluado a través de un caso de estudio. Un volumen aislado de 100 m², ubicado en Barcelona, orientado a sur y con uso administrativo (oficinas). La fachada sur está resuelta a través de un muro cortina que cubre el 100% de su superficie y el resto de fachadas son opacas, con la transmitancia térmica (U) recomendada por el CTE 2013: muros exteriores 0,73 W/m²K, cubierta 0,41 W/m²K y solera 0,5 W/m²K.

Dado que la morfología de los SPDS es infinita, se ha procedido a utilizar para la evaluación un sistema altamente replicado de protección solar móvil tipo brise-soleil por el exterior con lamas móviles 180°. El sistema se activa cuando la radiación solar difusa incidente en la ventana excede el punto de control programado, cerrando la protección.

Figura 10: Sección del caso de estudio. Fuente: Elaboración propia.

En el caso de estudio se han evaluado 3 opciones:

1. Abertura sin protección solar
2. Abertura con protección fija exterior (lamas con inclinación de 0° en horizontal)
3. Abertura con protección móvil exterior (lamas con inclinación de 0° a 180°)

En la opción 3, la inclinación de las lamas se regula a través de 10 puntos de control vinculados a un nivel de radiación solar incidente.

La tabla de la figura 11, muestra el valor de radiación solar que activa diferentes puntos de control fijados para el SPSD. Comparando las ganancias solares, demanda de frío y calor en cada caso, se seleccionan aquellos puntos que tienen mejor desempeño.

La figura 12, muestra 3 gráficos que dan respuesta a las tres propuestas analizadas en el caso de estudio.

El primer dato a destacar es que la demanda de calefacción es relevante en los meses de enero, febrero, noviembre y diciembre, y la de refrigeración en el resto.

El segundo aspecto es que la demanda de calor es menor en el sistema que no dispone de protección solar dado que los lamas, aunque se hallen en posición horizontal, tienen un pequeño impacto de sombra. En cambio, se observa cómo el sistema de protección móvil consigue minimizar la demanda de refrigeración a la mitad respecto el sistema de protección solar fijo y una cuarta parte respecto el caso de no protección solar.

En la figura 13, se observa que la demanda de refrigeración se reduce un 42% al incorporar protección solar fija y casi un 70% si ésta es móvil. En cambio, respecto a la demanda de calefacción, se observa un incremento que está entre el 30-40%, valores aparentemente grandes, pero que a nivel de valor absoluto es despreciable en el cómputo total. A su vez, el sistema de protección solar móvil aporta un 27% más de reducción de demanda de refrigeración y un 12% menos de calefacción.

Esta investigación ha sido desarrollada durante más de 2 años, y ha implicado una serie de procesos que van desde la fabricación de prototipos con un funcionamiento electromecánico, hasta la evaluación energética.

A nivel geométrico, se ha mostrado que la teselación de las superficies de fachada y la desplegabilidad son 2 componentes geométricas, y así como la composición estética generan infinitas configuraciones de envolvente dinámica.

Según la evaluación desarrollada, se puede concluir que para reducir las emisiones de CO2 de un edificio de oficinas en Barcelona, es fundamental el uso de un sistema de protección solar dinámico capaz de adaptarse a las diferentes condiciones exteriores llegando a disminuir casi un 70% de la demanda de refrigeración.

La complejidad de evaluar los datos climáticos de un lugar específico radica en que habitualmente se realiza a través de datos estadísticos. Los SPDS pueden ser programados a través de datos preexistentes, pero el ideal es la toma de mediciones ‘in-situ’ a través de una estación meteorológica o sensores, a modo de optimizar el funcionamiento de este tipo de sistemas. Además, el agregar nuevos parámetros, como temperatura interior, la humedad ambiental, la iluminación interior y los vientos predominantes, podrían generar un funcionamiento más preciso del sistema, y por lo tanto mejorar su eficiencia. Además, cabe destacar que para esta evaluación se analizan mensualmente, pero si lo hacemos diariamente o cada hora el sistema podría mejorar aún más su funcionamiento.

Respecto a la eficiencia energética de un edificio, ésta depende de múltiples factores, entre los que podemos destacar el ángulo de incidencia solar, la nubosidad, la temperatura exterior, los vientos exteriores, temperatura interior, la orientación, la geometría, la humedad interior, el uso y la ocupación, entre otros. Gestionar todos estos factores para lograr minimizar la demanda energética es una labor compleja, pero necesaria dentro del actual contexto medioambiental. Para esto, la programación de los sistemas que busquen este objetivo debe estar orientada a asignar a cada factor un nivel de importancia y generar la función algorítmica necesaria para lograr condiciones estables y el confort interior, garantizando que el consumo energético disminuya y/o tienda a cero.

Figura 14: Visualización de un SPSD en funcionamiento sobre el mismo edificio, con diferentes usos para la jornada diurna y nocturna. Renderización: Octavio Ariza.