Recuperando la memoria: La simplicidad del equilibrio térmico
Memory regaigned: The simplicity of thermal balance
130-03.jpg (17936 bytes)
Reconstrucción de una casa griega clásica, de las excavaciones de Theodore Wiegand en la ciudad de Priene. Las habitaciones tras el pórtico se abrían al lado sur del patio / Reconstruction of a Classical Greek house, from Theodore Wiegand’s excavations in the city of Priene. The rooms behind the portico opened onto the southern side of the courtyard.
De: "Un hilo dorado"(A golden thread). Ken Butti y John Perlin. 1985 Ed. Hermann Blume) / From: Ken Butti and John Perlin, "A Golden Thread" ("Un hilo dorado", 1985, Ed. Hermann Blume)
 

 

 


Melchor Monleón

130-02.jpg (21695 bytes)
—Maqueta de viviendas olintias, fachada sur / Model of Olinthian villas, South façade
—Planta baja de una casa de Delos, de Exploration archaeologique de Delos. Las habitaciones principales de la parte posterior de la casa, muy parecida a las viviendas del sector North Hill de Olinto, daban a un porche cubierto y patio orientados al sur (mitad inferior del dibujo). / Ground floor of a house on Delos, from Exploration archaeologique de Delos. The main rooms at the rear of house, very similar to the houses in the North Hill sector of Olinth, gave onto a south-facing covered porch and courtyard (lower half of the drawing).

 

Nada nuevo bajo el sol

El concepto de arquitectura solar no es nada nuevo. En nuestra cultura occidental las primeras referencias documentadas datan de la antigua Grecia. Jenofonte cita a Sócrates1:
"en las casas orientadas al sur, el sol penetra por el pórtico en invierno, mientras que en verano el arco solar descrito se eleva sobre nuestras cabezas y por encima del tejado, de manera que hay sombra"

Del mismo modo, se hablaba de la importancia de cerrar la casa a las orientaciones Norte para evitar los vientos fríos, de los aleros que protegían de la radiación solar en verano, etc.

Fue el principio de una metodología "solar", se planificaban las viviendas e incluso las ciudades conociendo y aplicando estos conceptos. La ampliación de la ciudad de Olinto en el siglo quinto a. C. (una de las principales ciudades del norte de Grecia en el periodo helénico, situada a una latitud similar a la de Nueva York) es una clara muestra de cómo los griegos practicaron la arquitectura y el urbanismo solar. Aristóteles comentaría que tal planeamiento racional permitía una disposición de las casas más conveniente al fin de obtener el máximo beneficio solar2.

Numerosos arqueólogos coinciden en señalar que la arquitectura solar constituía un afán primordial de los constructores griegos clásicos.

Del mismo modo podríamos hablar de la arquitectura y el urbanismo en la antigua China, o de los métodos usados en los climas áridos del medio oriente y norte de África para refrescar las estancias, del Urbanismo de los siglos XVIII y XIX donde las normativas preveían el derecho al Sol de las edificaciones. Y sin irnos tan lejos sólo hay que dar un paseo por nuestras huertas y observar la disposición de las edificaciones rurales, orientación Sur, fachadas norte con escasos huecos, muros con elevada inercia térmica, etc...

Históricamente podríamos seguir viajando por las enseñanzas de grandes maestros de la arquitectura solar como Vitruvio, Faventino, Palladio y un etcétera demasiado largo para ser citado.

Finalmente oigamos lo que decía Esquilo sobre los "bárbaros" que no construían según estas características que definía como "civilizadas"3:

"Aunque tenían ojos para ver, veían en vano; tenían oídos, pero no entendían. Como las formas en los sueños, durante toda su época, sin propósito arrojaron todas las cosas en confusión. Carecían del conocimiento de las casas… vueltas para dar la cara al sol, y habitaban… como pululantes hormigas en cuevas sin sol."

Qué hemos olvidado

El siglo que termina nos ha traído junto al desarrollo de la ciencia y de la tecnología, una fe ciega en estas últimas: todo lo pueden solucionar; el espejismo de la abundancia ilimitada de las fuentes de energía convencionales nos hace pensar que podemos generar artificialmente nuestro entorno, y nos desvincula del medio natural.

El modo en que se construye actualmente no hace más que ser el fiel reflejo de esta forma de pensamiento. En este siglo hemos descubierto que se puede construir de una manera independiente de las condiciones que nos rodean, ya que el clima lo creamos con aire acondicionado y calefacción, y la iluminación, con luz artificial. No nos sorprende ya que se urbanice relegando viviendas a tristes orientaciones norte u otras en las que el edificio vecino impide toda entrada de sol.

Por otro lado, al industrializarse la actividad edificadora, existe un alejamiento entre el usuario de la vivienda y su proceso de creación y construcción que no se daba en épocas anteriores, donde existía una sabiduría popular transmitida durante generaciones.

Todo ello ha hecho despreciar, por poco importantes, conocimientos que estuvieron arraigados en nuestra civilización y en nuestra cultura arquitectónica.

Una reflexión

Una de las razones principales de esta discontinuidad esconde su raíz en nuestro sistema económico. En nuestra sociedad las tecnologías que predominan y terminan desarrollándose son aquellas que reportan beneficios a las estructuras económicas dominantes.

El desarrollo de una arquitectura integrada hace depender menos a los individuos de los mecanismos de consumo, y en general los hace menos dependientes de los movimientos de los mercados económicos. Y tenemos que recordar que la industria de la edificación es uno de los campos principales de nuestra economía. Por la tanto parece lógico que nuestros sistemas de producción no se hayan preocupado de hacer prosperar estas prácticas.

¿Por qué en las épocas de mayor auge de las arquitecturas solares éstas han sido truncadas por políticas que han actuado en su contra?4.

¿Por qué actualmente sólo se subvencionan las instalaciones solares activas? (estas son las que utilizan instalaciones adicionales al edificio para proporcionar energía, contrapuesta a la arquitectura solar pasiva donde es la propia conformación del edificio la que provee esta que sin embargo no goza de ningún tipo de subvención)

¿Porque actualmente proliferan las grandes centrales eólicas y no las instalaciones eólicas individuales o más próximas al lugar donde se consume esta energía? cuando el rendimiento de estas grandes centrales es muy inferior al de las segundas ya que gran parte de la energía se desperdicia en los procesos de transformación y distribución.

Redescubriendo el equilibrio

Quisiera centrar en los aspectos térmicos de la arquitectura las siguientes consideraciones, sabiendo que existen muchas otras cuestiones importantes relacionadas con la integración natural de la edificación.

Se trata simplemente de abordar dichos aspectos con la misma racionalidad con que solemos abordar otras facetas de la edificación.

Una edificación correctamente orientada5, y con el aislamiento adecuado ya tiene la mayor parte del camino hecho. Si consideramos como base el gasto energético que necesita una edificación convencional, aislada según dicta nuestra normativa y orientada aleatoriamente, habremos reducido el consumo energético al menos en un 30%. Y no nos hemos gastado dinero.

En la arquitectura solar son usuales, en climas mucho mas severos que el nuestro, ahorros energéticos en calefacción del 70%. En nuestro clima podemos aproximarnos al 90%. Esto significa que se puede prescindir de un sistema de calefacción convencional.

Es muy importante señalar aquí que esto no conlleva ningún menoscabo de las condiciones de confort, muy al contrario éstas son muy superiores, ya que se consiguen condiciones y equilibrios que los sistemas convencionales no pueden conseguir.

Nos falta tan sólo alcanzar el equilibrio entre el calor generado por la aportación del sol, el grado de aislamiento térmico y la inercia térmica, siendo ésta la clave para el buen funcionamiento térmico de un edificio.

Respecto a la aportación solar, una superficie perpendicular a la radiación solar recibe mas de 1,3Kw.h/m2, teniendo en cuenta la reducción debida a la atmósfera, la inclinación de la superficie, la nubosidad, y la transmisión del vidrio, podemos conocer el calor captado por las superficies acristaladas. Según el autor Edward Mazria6 una vivienda solar pasiva viene a necesitar del orden de 0,11 a 0,25m2 de acristalamiento al sur por cada m2 de superficie útil. Es sabido por todos que la entrada de radiación solar a través de un vidrio produce efecto invernadero, es decir la longitud de onda del espectro visible atraviesa el cristal mientras que al incidir en los materiales del interior, ésta se transforma en rayos infrarrojos para los que el vidrio es un material opaco.

La aportación solar a través de las propias carpinterías del edificio tiene un rendimiento muy superior a los sistemas basados en placas solares para calefacción.

Además de reducir las perdidas energéticas un buen aislamiento consigue hacer uniformes las temperaturas interiores. Situando el aislamiento en la cara externa de los paramentos se consigue por un lado la eliminación de los puentes térmicos y por otro el dotar al interior del edificio la mayor parte de la inercia térmica de los cerramientos.

Con una adecuada inercia térmica conseguiremos que la propia edificación sea nuestro acumulador de calor, que puede conservar éste durante días, además de protegernos de variaciones puntuales de la temperatura. Es la gran olvidada de nuestra normativa que no prevé que los aspectos térmicos son siempre procesos dinámicos.

Todo lo descrito es valido también en relación con la aclimatación para verano. Una adecuada inercia térmica regula la temperatura, tendiendo ésta hacia la temperatura media de un periodo largo de tiempo (éste es el efecto que percibimos al entrar en las típicas casas de pueblo). Sorprendentemente la naturaleza está muy bien diseñada, el movimiento del sol produce que en los ventanales orientados al sur la incidencia de sus rayos sea menor que en invierno por dos razones, el ángulo de incidencia es más oblicuo y la radiación solar es ligeramente superior en invierno que en verano. Por otro lado en nuestra latitud la inclinación de los rayos solares durante los meses de mayo a agosto es superior a 70º, con lo que dotándola de una pequeña protección evitamos la entrada de sol.

Como se puede deducir esta arquitectura no está reñida con ningún estilo y tenemos que ir olvidando el que la arquitectura solar tenga que estar necesariamente impregnada de matices rurales o de una estética alternativa.

Los arquitectos podemos racionalizar estos conocimientos mejorando las condiciones de nuestros edificios, los beneficios son obvios, los sistemas de aclimatación térmica consumen la mayor parte de la energía de los edificios, consiguiendo como se ha dicho mejores niveles de confort. Los costes adicionales se compensan sobradamente con el ahorro que supone el prescindir de las instalaciones de calefacción y refrigeración convencionales.

Estas son sólo las bases, existen múltiples posibilidades que permiten complementar estos principios aplicándose en función del proyecto concreto que se aborde.

Nothing new under the sun

The concept of solar architecture is nothing new. In our Western culture, the first documented references date from ancient Greece. Xenophon quotes Socrates1:
"in south-facing houses, the sun enters through the portico in winter while in summer the path of the sun, as we have described, rises overhead and over the roof, thus there is shade"

In the same way, he mentions the importance of closing the house on the north-facing side as a barrier against cold winds, of the eaves that provide protection from the rays of the sun in summer, etc.

These were the beginnings of a "solar" methodology and these concepts were known and applied when planning houses and even cities. In the 5th century B.C., the extension of the city of Olinthos (one of the main cities in northern Greece during the Hellenistic period, on a similar latitude to New York) is a clear example of how the Greeks practised solar architecture and urbanism. Aristotle mentions that rational planning of this kind enabled the houses to be laid out to best advantage to obtain the maximum benefit from the sun2.

A number of archaeologists agree that solar architecture was a primary consideration for the builders of classical Greece.

We may also mention the architecture and urbanism of ancient China, the methods used in the arid climates of the Middle East and North Africa to cool the rooms or the urbanism of the 18th and 19th centuries, when the regulations defended the right of buildings to sunlight. We need go no further afield than a walk in our own countryside to observe the layout of the rural buildings: south-facing, few openings on the north side, walls with high thermal inertia, etc.

Historically, we can continue our journey through the teachings of great masters of solar architecture such as Vitruvius, Faventinus, Palladio and so many others that it is impossible to mention them all.

Finally, let us listen to what Aeschylus had to say about the "barbarians" whose buildings did not follow the criteria he defined as "civilised"3:

"Although they had eyes to see they saw in vain; they had ears but did not understand. Like shapes seen in dreams, throughout their time they aimlessly cast around all things in confusion. They lacked the knowledge of houses ( ... ) turned to face the sun and lived ( ... ) like swarming insects in sunless caves."

What we have forgotten

Together with the development of science and technology, the century that is coming to an end has brought us a blind faith in them: they can solve everything. The mirage of the unlimited abundance of conventional sources of energy makes us believe that we can generate our environment artificially and estranges us from the natural environment.

The way in which we build nowadays is none other than a faithful reflection of this way of thought. In this century we have discovered that we can build in a manner that does not depend on the conditions that surround us, since we can create our climate through air conditioning and heating and our light through artificial lighting. We are no longer surprised when developments relegate dwellings to facing gloomily northwards or in a direction where the neighbouring buildings cut out any sun.

Additionally, because building has become an industrial activity, there is a distance between the user of the dwelling and the process of creating and building it which never existed in previous times, when a folk wisdom existed and was handed down from one generation to another.

All this has led to knowledge that was rooted in our civilisation and in our architectural culture being despised as of little importance.

A reflection

One of the main reasons for this discontinuity buries its roots in our economic system. In our society, the technologies that dominate and end up developing further are those that bring profit to the dominant economic structures.

The development of an integrated architecture makes individuals less dependant on the mechanisms of consumption and, in general, on the movements of the economic markets. We must remember that the building industry is one of the main sectors of our economy. Consequently, it seems logical that our production systems have not concerned themselves with helping these processes to prosper.

During periods in which solar architectures have been at their height, why have they been cut short by policies that acted against them?4.

Why, nowadays, are active solar installations the only ones to be subsidised? (These are the ones that employ installations added to the building to provide energy, as opposed to passive solar architecture where it is the construction of the building itself that supplies it and this does not enjoy any kind of subsidy).

Why are great aeolian energy power stations now proliferating rather than individual wind-powered installations or ones that are closer to where the energy is consumed? Particularly since the efficiency of the big stations is far lower than that of the latter as a large part of the energy is wasted during the transformation and distribution processes.

Rediscovering the balance

I would like to centre the following considerations around the thermal aspects of architecture, although I am aware that there are many other important questions concerning the integration of the building with nature.

It is merely a question of approaching such aspects with the same rationality with which we normally approach other facets of the building process.

A correctly aligned building5 with appropriate insulation has already gone a long way towards the goal. If we take as our base line the energy costs required by a conventional building, insulated according to current regulations and sited at random, the energy consumption will be reduced by at least 30%. Without spending any money.

In climates far harsher than our own, solar architecture habitually achieves heating energy savings of 70%. In our climate we could be closer to 90%. This means that we can do away with a conventional heating system.

It is important to point out here that this is without any loss of comfort. On the contrary, the comfort is far greater because we have created conditions and balances of which conventional systems are incapable.

All that is needed is to strike a balance between the heat generated by solar collection, the degree of thermal insulation and thermal inertia. The latter is the key to a building functioning well thermally.

As regards solar heat collection, a surface that is perpendicular to the sun’s rays receives over 1.3 KW/h/m2. Bearing in mind the reduction due to the atmosphere, clouds, the angle of the surface and the transmission through glass, we can calculate the heat caught by glazed surfaces. According to the author Edward Mazria6, a passive solar building will need around 0.11 to 0.25 m2 of south-facing glazing per m2 of net floor area. As everyone knows, the entry of solar radiation through glass causes a greenhouse effect. This means that the wavelength of the visible spectrum passes through the glass but when it falls on the materials in the interior it is transformed into infra-red rays, for which glass is an opaque material.

Solar heat collected by the windows of the building is far more effective than solar panel based heating systems.

As well as reducing energy loss, good insulation evens out internal temperatures. By placing the insulation on the external face of the building, on the one hand we eliminate thermal bridges and, on the other, transmit the majority of the thermal inertia benefits of the envelope to the interior of the building.

With appropriate thermal inertia we turn the building itself into a heat accumulator which can conserve heat for days and protect us from sudden variations in temperature. This is the great oblivion of our regulations, which do not envisage that thermal aspects are always dynamic processes.

All this is also valid in relation to summer climate control. Appropriate thermal inertia regulates the temperature, and this tends towards the average temperature over a long period of time (this is the effect we perceive as we enter a typical old village house). Nature is remarkably well designed, as the movement of the sun means that south-facing windows catch the sun less in summer than in winter. There are two reasons for this: the angle is more oblique and solar radiation is slightly higher in winter than in summer. In our latitude, the angle of the sun’s rays in the months from May to August is over 70º. Consequently, by providing just a little protection we can avoid the sun entering.

As may be deduced from all this, such an architecture is not at odds with any style. We must begin to forget the idea that solar architecture is necessarily suffused with rural overtones or alternative aesthetics.

We architects can rationalise this knowledge and improve the conditions in our buildings. The benefits are obvious: thermal control systems consume the majority of the energy in a building and, as we have said, we can achieve greater levels of comfort. The additional costs are more than compensated for through the savings achieved by doing away with conventional heating and cooling systems.

This is only the basis and there are manifold possibilities that can be applied to complement these principles according to the particular project under consideration.

1 Memorabilia, VIII y siguientes. / Memorabilia, VIII ff.

2 Política VIII, 11.6 Aristóteles atribuye al célebre urbanista Hipodamo la introducción del trazado de calles en cuadrícula. / Politics VIII, 11.6. Aristotle attributes the introduction of grid planning to the famous urban designer Hippodamus.

3 Esquilo. Prometeo encadenado p. 447 y siguientes. / Aeschylus, Prometheus Bound, p.447 ff.

4 En Estados Unidos han existido etapas en las que se ha conocido un gran desarrollo de estas prácticas, como ejemplo en 1941 más de la mitad de la población de Miami consumía agua caliente solar y el 80% de las nuevas construcciones se equipaban del mismo modo, después de la guerra debido al encarecimiento del cobre y a una bajada espectacular de las tarifas eléctricas se redujo considerablemente su uso. "Un hilo dorado" de Ken Butti y John Perlin./ In the United States there have been periods of great growth in these practices. For example, in 1941 over half the population of Miami was consuming solar-heated water and 80% of new constructions were solar equipped. After the war the price of copper rose, electricity charges dropped spectacularly and the use of solar installations fell considerably. Ken Butti and John Perlin, "Un hilo dorado" [A Golden Thread (1980)]

5 En nuestro clima, térmicamente, la orientación de la fachada principal (que contendrá la mayor parte de los huecos de fachada) será la Sur admitiéndose variaciones de hasta 30º./ In our climate, thermally, the alignment of the main façade (that which contains the majority of openings in the façade) should be south-facing, although variations of up to 30º are admissible.

6 Edward Mazria. El libro de la energía solar pasiva. 1983. / Edward Mazria, El libro de la energía solar pasiva, 1983 [The passive solar energy book (1979)]