Sistemas solares pasivos: Qué son y cómo funcionan

Los sistemas solares pasivos son soluciones arquitectónicas y tecnológicas que aprovechan la energía solar pasiva (radiación solar + componentes de la envolvente) para calentar o enfriar los espacios sin sistemas mecánicos dedicados.

Funcionan gracias a tres acciones: captar el sol (vidrios/colectores integrados), acumular calor (masa térmica) y distribuirlo en el edificio a través de procesos naturales como irradiación, conducción y convección.

En la construcción, esta estrategia bioclimática requiere un equilibrio entre la captación invernal y la protección estival, especialmente en latitudes medias y altas. Entre los sistemas más comunes se encuentra la serra bioclimática, que puede contribuir a la reducción de la demanda energética si se diseña y dimensiona correctamente.

¿Qué es la energía solar pasiva y cómo se utiliza en los edificios?

La energía solar pasiva es el uso de la radiación solar para calentar o enfriar un edificio sin sistemas mecánicos dedicados, aprovechando exclusivamente orientación, envolvente del edificio, masa térmica y protecciones.

De la planificación solar pasiva se crean los llamados sistemas solares pasivos, es decir, soluciones arquitectónicas integradas en el edificio capaces de controlar las dinámicas de intercambio térmico entre el exterior y el interior, utilizando la radiación solar como fuente energética primaria.

¿Cómo funcionan los sistemas solares pasivos?

Los sistemas solares pasivos emplean la irradiación solar que incide sobre las superficies de la envolvente del edificio y mecanismos naturales (es decir, sin la ayuda de energía producida por sistemas térmicos o importada de la red) para la transferencia del calor absorbido al interior del edificio.

Los sistemas solares pasivos contribuyen a reducir significativamente las necesidades energéticas, especialmente en edificios con un envolvente eficiente y bien aislado.

Dado que no se utilizan sistemas mecánicos, el consumo de energía asociado a su funcionamiento es nulo, aunque hay que recordar que deben ser diseñados como parte integral de la arquitectura, previniendo un correcto dimensionamiento y una orientación óptima.

Por lo tanto, los sistemas solares pasivos permiten recoger, almacenar y distribuir energía térmica mediante procesos naturales, como radiación, conducción y convección, con el objetivo de regular el nivel termo-higrométrico del ambiente.

Los sistemas solares pasivos se basan en 3 principios fundamentales, que constituyen los pilares de la arquitectura bioclimática:

• captación de energía mediante efecto invernadero: este principio aprovecha la capacidad de los vidrios de dejar pasar la radiación solar, mientras impiden el paso de las radiaciones de onda larga (aproximadamente 11.000 nm) emitidas por las superficies calentadas. El calor queda atrapado y puede ser utilizado en diversas formas, siguiendo el mismo principio que regula la vida en la Tierra;
• acumulación: la energía se almacena en estructuras pesadas con alta inercia térmica, como muros y losas, con un retraso temporal y una atenuación de la onda térmica;
• distribución: el calor acumulado se distribuye y se libera en el ambiente circundante, reduciendo así las necesidades energéticas del edificio.

Elementos que componen los sistemas solares pasivos

Los elementos esenciales de los sistemas de captación pasiva de energía solar son:

• colectores: constituidos por una superficie transparente o translúcida, integrada en las fachadas bien expuestas del edificio o en la cubierta, y por un absorbedor, una superficie opaca oscura, expuesta a la radiación solar que penetra la superficie transparente;
• masas de acumulación: compuestas por materiales de diferente tipo y destinadas a almacenar calor para luego cederlo incluso en ausencia de radiación solar;
• componentes de control: pueden ser fijos o móviles, accionados manualmente o automáticamente y son protecciones para regular la entrada de la radiación solar, reflectores para aumentar la radiación que llega a las aberturas, válvulas de varios tipos que actúan sobre el movimiento natural de los fluidos termoconductores entre los elementos, aberturas regulables para el control del aire exterior, etc.

Ejemplos de sistemas solares pasivos

Los sistemas solares pasivos pueden ser de diferentes tipos y cada uno con sus propias características específicas.

Según la relación existente entre el punto donde se capta el calor y el lugar real de su uso, los sistemas pasivos pueden clasificarse en:

• sistema de ganancia directa: el intercambio térmico predominante es de tipo radiativo directo;
• sistema de ganancia indirecta: el intercambio térmico predominante es de tipo convectivo, el radiativo es indirecto, a través de la pared de acumulación;
• sistema de ganancia aislada: la superficie de captación está separada del acumulador térmico, el intercambio es de tipo radiativo indirecto con una masa que acumula sin introducir aire caliente directamente en el ambiente.

La siguiente tabla comparativa clasifica los sistemas solares pasivos según la relación entre captación, acumulación y modo de transferencia del calor hacia el ambiente interno; en los párrafos siguientes se profundizarán las especificidades constructivas y de rendimiento de cada solución.

Sistema de ganancia directa

Los sistemas de ganancia directa son la aplicación más simple de la energía solar pasiva. Permiten que la energía radiante entre directamente en el ambiente a calentar. Esta energía suele ser almacenada por elementos que también tienen otras funciones, como paredes y suelos, y luego liberada dentro del edificio para calefacción por aducción.

El sistema prevé la instalación de amplias superficies acristaladas en las fachadas expuestas al sur, mientras que las paredes ciegas, especialmente las orientadas al norte, deben estar bien aisladas. Las radiaciones solares atraviesan las superficies acristaladas y son retenidas en el interior gracias al efecto invernadero. Las estructuras edilicias, como muros y suelos, gracias a su masa, son particularmente efectivas como acumuladores de calor. Por lo tanto, se recomienda colocar el aislamiento en el exterior de las superficies murarias, para que estas puedan funcionar como un volante térmico interno.

Las superficies acristaladas deben ser diseñadas para minimizar la dispersión de calor. Además, es fundamental que los techos, suelos y paredes internas tengan una masa suficiente para actuar como acumuladores, lo que no siempre se verifica debido al uso frecuente de materiales ligeros como yeso, suelos sintéticos y madera en la construcción moderna.

Ganancia directa

Sistema de ganancia indirecta

En cuanto a la ganancia indirecta, el calor se genera en un espacio adyacente al habitado: la luz del sol es absorbida por una pared expuesta al sur, la cual almacena calor y, gracias a los movimientos de aire del ambiente posterior, lo transfiere al espacio interior.

Para un mayor control de la temperatura interna, además, se incluye a menudo un sistema de ventilación arriba y abajo de la pared, de modo que pueda ayudar en la regulación de la temperatura.

Ganancia indirecta

Los principales sistemas de ganancia indirecta están representados por:

• muro solar;
• muro de Trombe;
• roof pond (sistemas de cubierta solar).

Muro solar

Este sistema prevé la ganancia térmica mediante la captación de la energía solar a través de superficies acristaladas diseñadas específicamente, colocadas frente a una pared de acumulación, conocida como muro solar, que absorbe, acumula e irradia la energía térmica hacia el interior del edificio. El sistema está constituido principalmente por una superficie acristalada captadora situada frente a un muro de acumulación (muro solar).
La superficie acristalada crea un espacio de intersticio frente al muro solar, generando un efecto invernadero que aumenta la temperatura de la pared de acumulación, la cual absorbe y almacena la radiación solar capturada. Durante la fase de distribución, el muro solar irradia la energía acumulada hacia el interior a través de su cara interna. La distribución del calor puede ser potenciada por movimientos convectivos, activados por aberturas situadas en las zonas inferiores y superiores del muro, que conectan el espacio entre la superficie acristalada y el muro con el ambiente interno.

Muro de Trombe

En el muro de Trombe el elemento de acumulación está constituido por una pared realizada con materiales de alta inercia térmica, orientada al sur y pintada de un color oscuro para absorber mejor las radiaciones. En la pared están adecuadamente posicionadas tomas de aire superiores e inferiores que pueden ser abiertas o cerradas según la necesidad y a distancia, frente a su lado exterior, se instala una superficie acristalada que actúa como elemento captador.

Roof pond

Sistema aislado

El sistema de ganancia solar aislado utiliza el calor generado en un punto distante del ambiente que se desea calentar, trasladándolo luego mediante convección natural o forzada. La ventaja de utilizar este último tipo es su fácil adaptabilidad a edificios existentes.

Ganancia aislada

Tra los sistemas aislados se encuentran:

• colectores de aire con lecho de piedras;
• chimeneas solares Barra-Costantini;
• colectores solares de aire;
• invernaderos solares.

Colectores de aire con lecho de piedras

Este sistema es particularmente adecuado para edificios unifamiliares o edificios de uno o dos pisos. Los colectores de aire, ubicados externamente al edificio, están inclinados y son más bajos, mientras que un lecho de piedras debajo del suelo del primer piso actúa como un voluminoso acumulador de calor.

No se recomienda generalmente para la rehabilitación, incluso para edificios bajos, ya que requeriría modificaciones significativas en la estructura del suelo del primer piso, si no su completa demolición. Esto podría desincentivar la adopción del sistema, a menos que haya graves deficiencias en los requisitos estáticos o de confort de la base del edificio o grandes alturas entre pisos que podrían ser reducidas con la inserción de la masa de acumulación y un nuevo piso de tránsito.

Chimeneas solares

El sistema descrito prevé el uso de una mampostería aislada hacia el interior con un colector acristalado y una placa metálica negra en el intersticio que absorbe calor y aumenta la velocidad del aire caliente. El aire caliente asciende, atraviesa canales en la partición horizontal, entra en el ambiente interno, se enfría liberando calor y regresa al intersticio.

Este sistema ofrece un rendimiento superior al de un muro Trombe, pero a un costo de instalación mayor. Estéticamente, requiere atención debido a las amplias superficies acristaladas frente a elementos oscuros. El flujo de aire es controlado por compuertas o válvulas. Sin embargo, en la construcción residencial reciente, con alturas entre pisos mínimas, la adopción de este sistema es impracticable sin excepciones.

Colectores solares de aire

Los colectores solares de aire están instalados a lo largo del perímetro del edificio y aprovechan los movimientos convectivos naturales para facilitar la circulación del aire entre el colector y los ambientes internos.

Invernaderos solares

Los invernaderos solares (o bioclimáticos) combinan las características de la ganancia directa con las de un muro de acumulación. Funcionan como un sistema de ganancia directa ya que son calentados directamente por los rayos solares y el calor se transfiere al ambiente adyacente a través de un muro termo-acumulador. La radiación solar es absorbida por el muro trasero del invernadero, convertida en calor y una parte de ella se transmite al edificio.

El funcionamiento de un invernadero bioclimático se basa en el concepto del efecto invernadero: se utiliza la radiación solar para elevar la temperatura interna de la estructura.

Específicamente, la energía de la luz visible atraviesa el vidrio que encierra el invernadero, es absorbida por los objetos contenidos en el invernadero mismo y luego es reemitida con una longitud de onda mayor (luz infrarroja) que no es transmitida al exterior por el vidrio. El resultado es el calentamiento dentro del invernadero.

Cómo un invernadero solar pasivo apoya la calefacción sostenible

Un invernadero solar apoya la calefacción sostenible porque captura y almacena naturalmente el calor solar, reduciendo o incluso eliminando la necesidad de calefacción externa.

Realizado principalmente en material transparente como el vidrio, tiene la capacidad de maximizar la captación solar y, superada la superficie acristalada, la radiación solar se transforma en calor, gracias al conocido efecto invernadero.

Aprovechando el efecto invernadero de hecho, acumula la energía térmica durante el día y la libera lentamente dentro de la casa, por lo que es útil insertar dentro elementos masivos que acumulan el calor y luego lo dispersan gradualmente en el ambiente.

Son una herramienta de alta sostenibilidad porque están diseñadas para adaptarse a las diferentes estaciones:

• en la temporada invernal funcionan como un verdadero acumulador de calor, la radiación solar penetra a través de las superficies acristaladas, se transforma en calor y se retiene en el interior. La energía térmica absorbida durante el día se libera lentamente dentro de la casa, por lo que es útil insertar dentro elementos masivos que acumulan el calor y luego lo dispersan gradualmente en el ambiente. Esto contribuye a calentar e iluminar la vivienda de manera sostenible y a costo casi nulo;
• en la temporada estival en cambio, se utilizan sistemas de sombreado, vidrios selectivos, toldos o aberturas para la ventilación natural para evitar el sobrecalentamiento interno y garantizar el mantenimiento de un buen nivel de confort, favoreciendo el intercambio de aire y aprovechando las corrientes naturales.

Comparación entre sistemas solares pasivos y activos: Diferencias principales

Un sistema activo se diferencia de un sistema pasivo por el uso de dispositivos mecánicos o tecnológicos que consumen energía, emplea de hecho instalaciones y dispositivos mecánicos para recoger y transportar el calor.

Las instalaciones mecánicas de un sistema activo están destinadas a la captación, acumulación y distribución de la energía térmica, que realizan sus funciones de manera independiente respecto a la forma y tecnología de la arquitectura propiamente dicha.

Se diferencian de los sistemas solares pasivos por las siguientes especificidades:

• el sistema de captación, ya sea de agua o aire, es, generalmente, un componente modular (colector solar), de producción industrial, compuesto por una lámina transparente (generalmente, vidrio), por un intersticio de aire, por una lámina negra absorbente con una capa aislante subyacente y por una carcasa metálica que tiene la función de mantener ensambladas las capas mencionadas;
• el sistema de distribución es un verdadero circuito de instalaciones, de bombas y tuberías (agua) o ventiladores y conductos (aire), que transporta el fluido a los terminales de intercambio térmico, que pueden ser radiadores tradicionales o serpentinas de baja temperatura (en el suelo o en el techo), en el caso de fluido agua, o bien ventiloconvectores o bocas de aireación en el caso de fluido aire.

Generalmente, los edificios que incorporan soluciones pasivas en su arquitectura no son autosuficientes: esto significa que no son capaces de garantizar las condiciones de confort del proyecto durante la totalidad del tiempo.

Por lo tanto, se está obligado a prever un sistema auxiliar para cubrir las necesidades y requerimientos que no se pueden satisfacer pasivamente.

Entre los principales sistemas activos que aprovechan la energía del sol podemos recordar los colectores solares planos o de concentración y los sistemas de acumulación.

Las ventajas del diseño solar pasivo para la eficiencia energética

El diseño solar pasivo es más que un simple concepto: es un enfoque holístico que integra elementos arquitectónicos, materiales y el entorno natural para optimizar la energía solar para la calefacción doméstica.

Durante el proceso de diseño es bueno tener siempre en mente los pilares de la arquitectura bioclimática y considerar:

1. el posicionamiento de las aperturas acristaladas: es conveniente que no estén obstruidas o sombreadas por otros edificios y que estén orientadas al SUR (dentro de 30°);
2. la inserción del absorbente: el absorbente es la superficie que cubre el elemento de acumulación térmica y que absorbe la luz transmitida y la transfiere al acumulador térmico; puede ser, por ejemplo, el revestimiento de una pared o de un suelo;
3. la inserción de un elemento con alta masa térmica: representa el material, por debajo del revestimiento absorbente de la luz solar que almacena el calor;
4. la distribución del calor: es importante, durante la fase de diseño, considerar la forma en que el calor circula y se distribuye en los espacios. Conducción, convección e irradiación son los métodos de transmisión natural, pero esta puede ser facilitada también con la ayuda de ventiladores o difusores;
5. la inserción de elementos de control solar: cortinas, persianas y salientes son elementos utilizados para sombrear las superficies acristaladas durante los meses de verano.

Sección edificio con elementos clave del diseño pasivo

Una planificación solar pasiva precisa, acompañada del uso inteligente de los materiales, permite:

• reducir significativamente el consumo energético;
• reducir las emisiones de carbono;
• obtener una construcción de calidad superior;
• aumentar el confort habitacional;
• mejorar la calidad de vida.

FAQ sobre sistemas solares pasivos

¿Qué es la energía solar pasiva?

La energía solar pasiva es el uso de la radiación solar para calentar o enfriar un edificio sin sistemas mecánicos dedicados. Se basa en la integración entre orientación, superficies acristaladas, masa térmica y protecciones, permitiendo que la propia arquitectura capte, acumule y distribuya el calor a través de procesos naturales.

¿Qué son los sistemas solares pasivos?

Los sistemas solares pasivos son soluciones arquitectónicas integradas en el edificio que aprovechan la energía solar pasiva para calentar o enfriar los espacios sin el uso de sistemas mecánicos dedicados. Utilizan superficies acristaladas para captar la radiación solar, materiales de alta inercia térmica para acumular el calor y procesos naturales como la irradiación, conducción y convección para distribuirlo dentro del edificio.

Su funcionamiento depende de una correcta orientación, de un dimensionamiento adecuado y de la integración con elementos de control solar, como protecciones y aberturas regulables.

¿Cuáles son los principales sistemas solares pasivos?

Los sistemas solares pasivos se clasifican en tres categorías principales según la relación entre captación y uso del calor:

• Ganancia directa, en la que la radiación entra directamente en el ambiente a través de superficies acristaladas.
• Ganancia indirecta, en la que el calor se acumula en una pared o masa intermedia antes de ser liberado en el interior.
• Ganancia aislada, en la que la captación ocurre en un espacio separado y el calor se transfiere posteriormente al ambiente habitado.

¿Cómo funciona un sistema de ganancia directa?

En el sistema de ganancia directa, la energía solar atraviesa superficies acristaladas orientadas preferentemente al sur y es absorbida por paredes y suelos con alta masa térmica. El calor acumulado se libera gradualmente en el interior del edificio, contribuyendo al calentamiento natural de los espacios.

¿Qué es un muro de Trombe?

El muro de Trombe es un sistema de ganancia indirecta constituido por una pared masiva de alta inercia térmica, orientada al sur y protegida por una superficie acristalada externa. La pared absorbe la radiación solar, acumula calor y lo libera hacia el interior, también a través de movimientos convectivos regulados por aberturas superiores e inferiores.

¿Los sistemas solares pasivos son suficientes para garantizar el confort todo el año?

Generalmente no. Los edificios que integran sistemas solares pasivos no son completamente autosuficientes y requieren un sistema auxiliar para cubrir las necesidades energéticas en los períodos en que la aportación solar no es suficiente para garantizar las condiciones de confort del proyecto.

¿Cuál es la diferencia entre sistemas solares pasivos y sistemas solares activos?

Los sistemas solares pasivos integran captación, acumulación y distribución del calor directamente en la arquitectura del edificio y funcionan a través de procesos naturales. Los sistemas solares activos, en cambio, utilizan componentes de instalación como colectores modulares, bombas, ventiladores y circuitos de distribución para recoger y transportar la energía térmica.