chimenea solar

Una chimenea solar —a menudo denominada chimenea térmica— es un sistema para mejorar la ventilación natural de los edificios mediante la convección del aire calentado por energía solar pasiva . En pocas palabras, una chimenea solar consiste en un conducto vertical que utiliza la energía solar para optimizar la ventilación natural por efecto chimenea en un edificio.  

La chimenea solar se ha utilizado durante siglos, particularmente en Asia Occidental por los persas , así como en Europa por los romanos .

En su forma más simple, la chimenea solar consiste en una chimenea pintada de negro . Durante el día, la energía solar calienta la chimenea y el aire en su interior, creando una corriente ascendente de aire. La succión creada en la base de la chimenea se puede utilizar para ventilar y enfriar el edificio que se encuentra debajo. ^{[ 1 ]} En la mayor parte del mundo es más fácil aprovechar la energía eólica para dicha ventilación, por ejemplo, con un captador de viento , pero en días calurosos y sin viento, una chimenea solar puede proporcionar ventilación donde de otro modo no la habría.

Sin embargo, existen varias variantes de chimeneas solares. Los elementos básicos de diseño de una chimenea solar son:

• El área del colector solar: Puede ubicarse en la parte superior de la chimenea o abarcar todo el conducto. La orientación, el tipo de acristalamiento, el aislamiento y las propiedades térmicas de este elemento son cruciales para captar, retener y utilizar la energía solar.
• El conducto de ventilación principal: La ubicación, la altura, la sección transversal y las propiedades térmicas de esta estructura también son muy importantes.
• Las aberturas de entrada y salida de aire: El tamaño, la ubicación y los aspectos aerodinámicos de estos elementos también son importantes.

Se ha propuesto un principio para la generación de energía solar que utiliza un gran invernadero en la base, en lugar de depender únicamente del calentamiento de la chimenea. (Para más información sobre este tema, véase Torre de tiro ascendente solar ).

Las chimeneas solares se pintan de negro para que absorban el calor del sol con mayor eficacia. Cuando el aire dentro de la chimenea se calienta, asciende y extrae el aire frío del subsuelo a través de los tubos de intercambio de calor.

Las chimeneas solares, también llamadas chimeneas térmicas o conductos de calor, pueden utilizarse en arquitectura para reducir el consumo energético de los sistemas mecánicos (sistemas que climatizan el edificio). Durante décadas, el aire acondicionado y la ventilación mecánica han sido el método estándar de control ambiental en muchos tipos de edificios, especialmente oficinas, en los países desarrollados. La contaminación y la redistribución de los recursos energéticos han impulsado un nuevo enfoque ambiental en el diseño de edificios. Las tecnologías innovadoras, junto con los principios bioclimáticos y las estrategias de diseño tradicionales, se combinan a menudo para crear soluciones de diseño novedosas y potencialmente exitosas. La chimenea solar es uno de estos conceptos que actualmente exploran tanto científicos como diseñadores, principalmente a través de la investigación y la experimentación.

Una chimenea solar puede tener múltiples usos. La luz solar directa calienta el aire en su interior, provocando que ascienda por la parte superior y atraiga aire desde la parte inferior. Esta entrada de aire puede utilizarse para ventilar una casa u oficina, para hacer circular aire a través de un intercambiador de calor geotérmico o para ventilar únicamente un área específica, como un inodoro de compostaje.

Se puede crear ventilación natural instalando rejillas de ventilación en la planta superior del edificio para que el aire caliente ascienda por convección y escape al exterior. Al mismo tiempo, se puede introducir aire más fresco a través de rejillas en la planta baja. Se pueden plantar árboles en ese lado del edificio para proporcionar sombra y permitir la entrada de aire exterior más fresco.

Este proceso de ventilación natural puede mejorarse con una chimenea solar. La chimenea debe ser más alta que el nivel del techo y construirse en la pared que da al sol. La absorción de calor solar puede incrementarse utilizando una superficie acristalada en el lado que da al sol. En el lado opuesto se puede utilizar material absorbente de calor. El tamaño de la superficie absorbente de calor es más importante que el diámetro de la chimenea. Una superficie grande permite un intercambio de calor más eficaz con el aire necesario para la calefacción por radiación solar. El calentamiento del aire dentro de la chimenea mejorará la convección y, por lo tanto, el flujo de aire a través de ella. Las aberturas de las rejillas de ventilación de la chimenea deben estar orientadas en dirección opuesta al viento predominante .

Para maximizar aún más el efecto de enfriamiento, el aire entrante puede canalizarse a través de conductos subterráneos antes de que ingrese al edificio. La chimenea solar puede mejorarse integrándola con un muro Trombe . La ventaja adicional de este diseño es que el sistema puede invertirse durante la temporada de frío, proporcionando calefacción solar.

Una variante del concepto de chimenea solar es el ático solar . En climas cálidos y soleados, el ático suele alcanzar temperaturas extremadamente altas en verano. En un edificio convencional, esto supone un problema, ya que aumenta la necesidad de aire acondicionado . Al integrar el ático con una chimenea solar, el aire caliente acumulado puede aprovecharse. Esto favorece la convección en la chimenea, mejorando la ventilación. ^{[ 4 ]}

El uso de una chimenea solar puede beneficiar la ventilación natural y las estrategias de refrigeración pasiva de los edificios, contribuyendo así a reducir el consumo de energía, las emisiones de CO₂ _y la contaminación en general. Los beneficios potenciales relacionados con la ventilación natural y el uso de chimeneas solares son:

• Mejores tasas de ventilación en días calurosos y sin viento.
• menor dependencia del viento y de la ventilación impulsada por el viento
• mejor control del flujo de aire a través de un edificio
• mayor variedad de tomas de aire (es decir, el lado de sotavento del edificio)
• Mejora de la calidad del aire y reducción de los niveles de ruido en las zonas urbanas.
• aumento de las tasas de ventilación nocturna
• ventilación de espacios estrechos y pequeños con mínima exposición a elementos externos

Entre los posibles beneficios relacionados con la refrigeración pasiva se incluyen:

• Mejora de la refrigeración pasiva durante la temporada cálida (sobre todo en días calurosos y sin viento).
• Mejores tasas de refrigeración nocturna
• Rendimiento mejorado de la masa térmica (refrigeración, almacenamiento en frío)
• Mayor confort térmico (mejor control del flujo de aire, reducción de corrientes de aire).

El edificio de oficinas del Building Research Establishment (BRE) en Garston, Watford, Reino Unido, incorpora conductos de ventilación pasiva con asistencia solar como parte de su estrategia de ventilación.

Diseñadas por los arquitectos Feilden Clegg Bradley, las oficinas de BRE buscan reducir el consumo de energía y las emisiones de CO₂ _en un 30 % con respecto a las mejores prácticas actuales, manteniendo un ambiente confortable sin necesidad de aire acondicionado. Las chimeneas de ventilación pasiva, la protección solar y las losas de hormigón huecas con refrigeración integrada bajo el suelo son características clave de este edificio. Los sistemas de ventilación y calefacción se controlan mediante el sistema de gestión del edificio (BMS), que además permite a los usuarios ajustar las condiciones según sus necesidades.

El edificio incorpora cinco conductos verticales como parte integral de su sistema de ventilación y refrigeración. Los componentes principales de estos conductos son una pared de bloques de vidrio orientada al sur, muros de masa térmica y salidas de humos redondas de acero inoxidable que se elevan unos metros por encima del nivel del techo. Las chimeneas están conectadas a las losas curvas de hormigón hueco del piso, que se refrigeran mediante ventilación nocturna. Tuberías empotradas en el piso permiten una refrigeración adicional mediante el aprovechamiento del agua subterránea.

En días cálidos y ventosos, el aire entra a través de conductos en las losas curvas y huecas de hormigón. La ventilación por efecto chimenea, que asciende naturalmente a través de las chimeneas de acero inoxidable, mejora el flujo de aire en el edificio. El movimiento del aire sobre la parte superior de las chimeneas potencia el efecto chimenea. En días cálidos y sin viento, el edificio se beneficia principalmente del efecto chimenea, mientras que el aire se toma desde el lado norte, que está a la sombra. También se pueden utilizar ventiladores de bajo consumo en la parte superior de las chimeneas para mejorar el flujo de aire.

Durante la noche, los sistemas de control permiten la ventilación a través de la losa de hormigón hueca, eliminando el calor acumulado durante el día, que permanece frío para el día siguiente. El techo curvo a la vista ofrece una mayor superficie que un techo plano, actuando como disipador de calor y proporcionando refrigeración en verano. Un estudio basado en mediciones reales del rendimiento de las chimeneas pasivas demostró que estas mejoraban la ventilación y refrigeración del espacio durante los días cálidos y sin viento, y que también podrían contribuir a la refrigeración nocturna gracias a su estructura térmicamente inerte. ^{[ 5 ]}

Una tecnología estrechamente relacionada con la chimenea solar es la torre de refrigeración evaporativa de tiro descendente. En zonas con clima cálido y árido, este sistema puede contribuir a una forma sostenible de climatizar edificios.

El principio consiste en permitir que el agua se evapore en la parte superior de una torre, ya sea mediante el uso de paneles de enfriamiento evaporativo o rociando agua. La evaporación enfría el aire entrante, creando una corriente descendente de aire frío que reduce la temperatura dentro del edificio. ^{[ 6 ]} El flujo de aire se puede aumentar utilizando una chimenea solar en el lado opuesto del edificio para ayudar a ventilar el aire caliente hacia el exterior. ^{[ 7 ]} Este concepto se ha utilizado para el Centro de Visitantes del Parque Nacional Zion . El Centro de Visitantes fue diseñado por el programa de Investigación de Edificios de Alto Rendimiento del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL).

El principio de la torre de refrigeración de tiro descendente también se ha propuesto para la generación de energía solar. (Véase Torre de energía para más información).

La evaporación de la humedad de las plataformas sobre los edificios Toguna, construidos por el pueblo Dogon de Malí, África, contribuye a la frescura que sienten los hombres que descansan debajo. Los edificios de las mujeres, en las afueras de la ciudad, funcionan como chimeneas solares más convencionales.

• Chimenea solar – "Chimenea solar" . Innovaciones solares . Consultado el 28 de noviembre de 2017 .
• Ideas de innovación solar – Iniciativa de innovación solar de Victoria "Sistemas de ventilación – Chimenea solar" (PDF) . Sustainability Victoria. Archivado del original (PDF) el 27 de septiembre de 2007. Consultado el 10 de marzo de 2007 .
• Análisis ambiental arquitectónico: una guía para el diseño ambiental "Ventilación" . EcoResearch. Archivado del original el 7 de abril de 2007. Consultado el 10 de marzo de 2007 .
• Manual de calefacción y refrigeración solar pasiva "Refrigeración natural" . Centro Solar de Arizona. Archivado del original el 17 de febrero de 2004. Consultado el 10 de marzo de 2007 .