Física III e Instalaciones I. Curso 3º

Tema 5.2: El clima. El soleamiento. Duración: 2 horas


Generalidades sobre el clima (resumen del tema 5.1)

El clima es la descripción del ambiente exterior en un lugar determinado. Los parámetros físicos que definen el ambiente exterior se denominan elementos del clima, destacando:

Las causas que provocan los elementos climáticos en un lugar determinado se denominan factores del clima, entre las que podemos mencionar:

Los climas se definen según sus variables espaciales y temporales. La escala geográfica permite la siguiente clasificación de climas y microclimas, considerando al microclima como la definición del clima de un lugar muy concreto, que permite la determinación detallada y ampliada de parámetros ambientales característicos:

Definición Escala espacial Ejemplos
Climas Continental Subtropical
  Regional Canario
  Comarcal Medianías
Microlimas Local Campusde Tafira
  Puntual Entrada de la Escuela

El estudio temporal del clima se realiza por medio de técnicas estadísticas, por su carácter variable y aleatorio, para poder determinar sus valores medios y extremos, y además, para definir las fluctuaciones en ciclos diarios o anuales.


La energía solar

El Sol es el motor del clima. La energía solar captada por la tierra, y posteriormente disipada como irradiación infrarroja, determina el calentamiento o enfriamiento del aire, la cantidad de agua evaporada o precipitada, y las diferencias de presión que provocan vientos y brisas.

La radiación solar se genera por la superficie incandescente (5.700 ºK) del Sol, una estrella "enana" de 1,4 millones de Km de diámetro. La radiación recorre 150 millones de Km hasta llegar al exterior de la atmósfera de la Tierra, incidiendo con una intensidad constante de I0 = 1353 W/m², llamada constante solar de la radiación extraterrestre.

Espectro de la radiación emitida por el sol, la recibida en la superficie de la tierra, y la emitida por superficies a baja temperatura.

La Radiación solar que llega a la superficie de la tierra no suele superar los 1000 W/m², debido a la absorción y reflexión de la atmósfera, y a la inclinación de los rayos solares. Toda la energía radiante absorbida por la cara soleada de la tierra se equilibra con la irradiación infrarroja que toda la superficie de la tierra reenvía al espacio.


Movimiento de la Tierra

La tierra realiza una órbita anual casi circular en torno al sol. Como curiosidad, la ligera excentricidad de la órbita hace que en diciembre se reciba casi un 4% más de radiación que en junio. La tierra realiza una rotación diaria sobre sí misma, con la importante característica que el plano del Ecuador no es paralelo al plano de la Orbita, sino que forman un ángulo constante de unos 23,5º.

La declinación d es el ángulo que forma el rayo solar con el plano del ecuador en cada época del año, determinando las estaciones climáticas. En el caso del hemisferio norte, las principales fechas estacionales son:

Equinoccio de primavera 21 de marzo Declinación d = 0º
Solsticio de verano 21 de junio Declinación d = +23,5º
Equinoccio de otoño 21 de septiembre Declinación d = 0º
Solsticio de invierno 21 de diciembre Declinación d = -23,5º

El solsticio de verano es el día con mas horas de sol y con el máximo soleamiento del hemisferio, aunque las temperaturas máximas se retarden aproximadamente un mes, desfase producido por el almacenamiento de calor en la tierra.

En los equinoccios la noche dura igual que los días, y ambos hemisferios reciben igual cantidad de soleamiento, marcando el cambio de estación.

El solsticio de invierno es el día mas corto y con soleamiento mínimo, con temperaturas mínimas a finales de enero. En el hemisferio sur el proceso es idéntico pero con un desfase de 6 meses.

Image717b.gif (4211 bytes)

Coordenadas terrestres

Cualquier punto de la tierra se puede localizar por sus coordenadas globales, denominadas Latitud (j ) y Longitud (L), correspondientes a su paralelo y meridiano respectivamente.

La latitud j se mide por su elevación en grados respecto al ecuador, considerando el polo norte como j =90º N. Son paralelos de referencia del hemisferio norte:

Paralelos

Latitud j

Características
Polo Norte

90º N

A partir del equinoccio de primavera luce el sol durante 6 meses (verano artico).
Círculo polar Artico

66.5º N(90-23.5)

En el solsticio de verano luce el sol las 24 horas (sol de medianoche)
Paralelo de Canarias

28º N

(Latitud media)
Trópico de Cáncer

23.5º N

En el solsticio de verano el sol está en posición cenital (radiación perpendicular al suelo)
Ecuador

0º N

En los equinoccios al mediodía el sol está en el cenit.

coordTerrest.gif (3588 bytes)La longitud es el ángulo que forma el meridiano del lugar con el meridiano 0º de referencia que pasa por Greenwich (Londres). La longitud media de canarias es de 15º Oeste. Es de interés para calcular el mediodía local (instante en que el sol tiene la altura máxima) a partir de la hora solar media, común para un uso horario de 15º de ancho (360º / 24 horas = 15 º/hora).

Como resumen, sólo falta indicar la altitud de un lugar junto con sus coordenadas terrestres para situar cualquier punto de la tierra. Como ejemplo, la escuela de Arquitectura de Las Palmas se localiza en: Lat=28º06'N, Long=15º27'W, Alt=310m.

Coordenadas Celestes

Para el estudio del soleamiento en la arquitectura y el urbanismo interesa recuperar el concepto antropocéntrico del universo, suponiendo que el sol realiza su recorrido por una bóveda celeste, del cual somos el centro.

Los puntos singulares de la bóveda o hemisferio celeste serían el punto más alto o cenit (nadir sería el punto opuesto), y el plano del horizonte con las orientaciones principales (N, S, E y W).

Las coordenadas celestes permiten localizar cualquier punto del hemisferio por su Altura (A) sobre el horizonte y su Azimut (Z) o desviación al este u oeste del Sur:


Recorrido aparente del sol

EQUINOCCIOS:

El recorrido solar, el 21 de marzo y septiembre, se caracteriza porque el Orto (Amanecer) coincide con el Este, a las 6:00 horas, y el Ocaso (puesta de sol) con el Oeste, a las 18:00 horas, con una duración total de 12 horas (equi-noccio = igual-noche).

angulohor.gif (5185 bytes)Otro dato fundamental es que al mediodía (12:00 hora solar) el sol se halla sobre el Sur, con Azimut Z = 0, y formando con el Cenit un ángulo igual a la Latitud j , de manera que se puede calcular la altura solar como A = 90 - j .

Los recorridos solares diurnos son arcos de círculo perfectos, cuyo eje coincide con el de la tierra. El sol recorre 360º en 24 horas, correspondiendo a cada hora un ángulo horario w =15º.

Se considera como mediodía, o las 12:00 hora solar, el instante en que el sol pasa sobre el sur. Los equinoccios son los unicos días que el recorrido diurno es de 12 horas exactas.

Como ejemplo para Canarias, con una latitud de 28º N, el 21 de marzo y septiembre al mediodía la altura del sol será A = 90 - 28 = 62º.

SOLSTICIO DE VERANO:

El recorrido solar del 21 de junio se caracteriza porque al mediodía (12:00 hora solar), cuando el sol se halla sobre el Sur, se forma con el Cenit un ángulo igual a la Latitud j menos la declinación (d = + 23,5º), de manera que se puede calcular la altura solar como A = 90 - j + 23,5º. Como ejemplo para Canarias, con una latitud de 28º N, el 21 de junio al mediodía la altura del sol será A = 90 - 28 + 23,5 = 85,5º, casi en el cenit.

El recorrido solar diurno es un arco de círculo paralelo al recorrido equinoccial, que al estar mas levantado sobre el horizonte provoca que el día dure más de 12 horas. En el caso de canarias, el día llega a durar 14 horas.

Por último, el azimut del Orto (Amanecer) se produce entre el Este y el Noreste, exactamente a Z=118º E, y el azimut del Ocaso (puesta de sol) se produce mas allá del oeste, a Z=118º W.

SOLSTICIO DE INVIERNO:

El recorrido solar del 21 de diciembre se caracteriza porque al mediodía (12:00 hora solar), cuando el sol se halla sobre el Sur, se forma con el Cenit un ángulo igual a la Latitud j + la declinación (d = + 23,5º), de manera que se puede calcular la altura solar como A = 90 - j - 23,5º. Como ejemplo para Canarias, con una latitud de 28º N, el 21 de diciembre al mediodía la altura del sol será A = 90 - 28 - 23,5 = 39,5º, más cerca del horizonte que del cenit.

El recorrido solar diurno es un arco de círculo paralelo al recorrido equinoccial, pero mas próximo al horizonte, provocando que el día dure menos de 12 horas, que en el caso de canarias el día no llega a durar 10 horas.

Por último, el azimut del Orto (Amanecer) se produce entre el Este y el Sudeste, exactamente a Z=62º E, y el azimut del Ocaso (puesta de sol) se produce antes del oeste, a Z=62º W.

 


Cartas solares

El recorrido solar se puede estimar por medio de gráficos geométricos, construidos siguiendo los principios antes expuestos, o por medios análíticos, ya que la mecánica celeste se pueden describir por ecuaciones de trigonometría espacial. Como anexo se muestra el listado del programa informático "Cartasol" elaborado en Qbasic por el profesor.

La representación mas elemental del recorrido solar sobre la hemiesfera celeste se puede realizar en sistema diédrico, aunque requiere operaciones de geometría descriptiva para su utilización. Un modelo tradicional es la Carta Solar de Fisher-Mattioni.

Una versión modificada, para su lectura directa en planta, es la Carta Solar Estereográfica. Su uso es tan sencillo como determinar la curva de la fecha (día 21 de cada mes) y el punto de la hora solar real, para leer directamente la Altura solar A en los círculos concéntricos y el Azimut Z en el borde de la carta. Se advierte que cada latitud precisa de una carta solar diferente, mostrándose la correspondiente al paralelo de Canarias (Lat. 28º N).

Una variante muy interesante para los arquitectos es la Carta Solar Cilíndrica, basada en la proyección del recorrido solar en un cilindro que rodee al observador, en vez de una hemiesfera. Al ser cortado el cilindro por el norte se puede desplegar una proyección plana del recorrido solar, con lectura directa de la Altura y Azimut solar.

En la práctica se utiliza una escala uniforme para la altura solar (0º a 90º), para evitar que el sol "se salga por arriba del cilindro".

La principal ventaja de la carta cilíndrica es la posibilidad de representar el horizonte real en torno al observador, y estudiar directamente las obstrucciones solares, así como el diseño directo de ventanas y parasoles.

 


Obstrucciones solares

Las cartas solares nos indican el recorrido solar sobre el horizonte teórico. El soleamiento efectivo de un lugar se reduce por la altura del horizonte real. La carta solar cilíndrica permite representar la panorámica del paisaje, utilizando dos sencillos instrumentos: la Brújula, para determinar la orientación respecto al Sur o azimut de cada punto singular la silueta del entorno, y el Clinómetro, para determinar la inclinación de la visual, o altura real sobre el horizonte de cada punto singular.

Superponiendo los recorridos solares con la silueta del horizonte real se pueden analizar las horas efectivas de soleamiento para cada estación del año. Otra aplicación de la carta cilíndrica es la posibilidad de dibujar la porción de cielo visible desde una superficie cualquiera o la posible incidencia del sol a través de una ventana.

Los edificios y urbanizaciones proyectados con programas de diseño asistido (CAD) permiten la interesante posibilidad de realizar perspectivas tomando el sol como punto de vista en fechas y horas estratégicas, evidenciando cuales son las fachadas mas soleadas y la eficacia de las protecciones solares.

Por último, se pueden realizar estudios experimentales con equipos de laboratorio, que permiten simular con focos móviles el soleamiento directo y difuso sobre pequeñas maquetas de edificios, pudiéndose medir directamente la radiación calorífica y luminosa en el exterior e interior de los modelos.

Aplicaciones del estudio del soleamiento

En urbanismo, el soleamiento es un elemento fundamental para definir el clima de un territorio o parcela, pero además es un factor con una enorme influencia en los otros elementos del clima, y sobre todo, del microclima, pues modifica la temperatura y humedad, brisas, vegetación, etc, del lugar.

En el proyecto de edificios, el soleamiento es una herramienta imprescindible para el diseño de la topología y la orientación de los cerramientos y huecos exteriores. Decía Vitrubio...

En particular, es la base de la Arquitectura bioclimática, que aprovecha las energías naturales y sus variaciones diarias o estacionales para acondicionar el ambiente de edificios y espacios exteriores a las necesidades de los habitantes, como una metáfora de la adaptación climática de los seres vivos.

En la iluminación natural, permite resolver la contradicción habitual de todo buen diseño de hueco de luz, que debe permitir la entrada del máximo de luz difusa, procedentes de la bóveda celeste, pero al mismo tiempo impedir el soleamiento directo en épocas de calor (en verano, por la tarde), ¡aunque permita la calefacción solar directa en épocas de frío!.

Es necesario para el diseño y durabilidad de elementos constructivos, por el excesivo calentamiento de fachadas y cubiertas de edificios (¡hasta 75ºC!), las previsiones de aislamiento térmico o el cálculo y dimensionado de las instalaciones de climatización.


Ejercicios:

Gráficos auxiliares a los ejercicios


Intensidad horizontal medida un día despejado de agosto en Las Palmas


Las fuentes Bibliográficas

ESPECÍFICAS DE SOLEAMIENTO

GENERALES DEL TEMA

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ANEXOS

Cálculo Informático

Se muestra el listado del programa informático "Cartasol" desarrollado en Qbasic, para el cálculo horario de las coordenadas solares (24 horas) para cualquier latitud y fecha del año. Se permite su difusión, mencionando la fuente.

CLS
PRINT "Programa <CARTASOL> ã Manuel Martín Monroy 1995"
PRINT "CALCULO GENERAL DE RECORRIDO SOLAR"
 
INPUT "LATITUD (§N) ="; LAT
INPUT "FECHA (1-365)="; FECHA
 
REDIM ASOL(48), ZSOL(48)
RAD = ATN(1) / 45
 
DECL = (23.45 * RAD) * SIN(360 * RAD * (FECHA - 81) / 365)
C1 = SIN(LAT * RAD) * SIN(DECL)
C2 = COS(LAT * RAD) * COS(DECL)
 
FOR X = 0 TO 48
 
W = (X / 48 * 360 - 180) * RAD
SENASOL = C1 + C2 * COS(W)
COSASOL = SQR(1 - SENASOL ^ 2)
ASOL(X) = ATN(SENASOL / COSASOL) / RAD
 
COSZSOL = (SIN(LAT * RAD) * SENASOL - SIN(DECL)) / (COS(LAT * RAD) * COSASOL)
IF COSZSOL >= 1 OR COSZSOL <= -1 THEN COSZSOL = 1
SENZSOL = SQR(1 - COSZSOL ^ 2)
ZSOL(X) = 90 'EVITA ERROR
 
IF COSZSOL <> 0 THEN ZSOL(X) = ATN(SENZSOL / COSZSOL) / RAD
IF ZSOL(X) < 0 THEN ZSOL(X) = 180 + ZSOL(X)
IF W < 0 THEN ZSOL(X) = -ZSOL(X)
 
NEXT X
 
FOR X = 0 TO 48 STEP 2
PRINT X / 2, ASOL(X), ZSOL(X)
NEXT X
 
END

Se ejecuta en cualquier PC con la aplicación QBASIC, que viene en todos los sistemas operativos MS-dos y Windows. La Fecha es ordinal, correspondiendo los días172 y 355 a los solsticios de verano e invierno, y los días 81 y 253 a los equinoccios.

También se dispone del programa "ENTORNO", para VisualBasic 3.0, que dibuja la carta solar de cualquier latitud y fecha, editando el perfil del horizonte real, además de calcular la emitancia aparente del entorno para el cálculo de la irradiación nocturna. Ambos están disponibles en el servidor de "EL EDIFICIO: Editori@l de Construcción": [http://editorial.cda.ulpgc.es/ambiente].

Por último, para una evaluación de la intensidad solar instantánea durante un día entero, recibida por una superficie con cualquier orientación e inclinación, para cualquier latitud y epoca del año, considerando la nubosidad, la altura del horizonte y la reflectancia del entorno, el autor a elaborador el programa en VisualBasic "AMBEDIT", como parte del programa integrado "TRASDOS", para evaluar el comportamiento de cerramientos soleados.


La hora solar y los relojes de sol

Nuestros relojes marcan la hora legal, que suele diferir bastante de la hora solar real, es decir, aquella cuyo mediodía coincide con la culminación del recorrido solar, que es precisamente la que indican los relojes solares.

Para determinar la hora solar real a partir de la hora legal se precisa el siguiente proceso:

Hora solar = hora legal + C + L + E Siendo:

Por ejemplo, la hora solar real a las 12:00 hora legal del 1 de agosto en Fuerteventura, con longitud 14º W, sería:

Hora solar = 12:00 - 2:00 + 0:04 (15º-14º) - 0:06 = 9:58 horas

Los relojes de sol son sencillos de construir, ya que sólo precisan de una varilla o nomón perfectamente orientada de sur a norte, con una inclinación sobre la horizontal igual a la latitud del lugar, es decir, paralela al eje de la tierra. La sombra gira exactamente 15º cada hora, en cualquier época del año, y al mediodía solar real indicará la dirección norte-sur.

 

Hay que tener precaución con la orientación de la brújula mágnética, que no coincide con la real debido a la declinación magnética, que varía según las regiones y los años. En Canarias, el norte real está desviado unos 10º al este del norte magnético.


Cita de Vitrubio

Extracto de "Compendio de los diez libros de arquitectura de Vitrubio" de la versión en francés de Claudio Perrault, traducido al castellano por Joseph Castañeda (Madrid, 1761). Edición facsímil publicada por el Colegio de Aparejadores de Murcia (1981).

de Vitruvio. Libro Primero. Capítulo Tercero. Artículo Segundo:

De la Posicion de los Edificios

Despues de haber elegido un parage sano, se debe delinear ó demarcar las calles, conforme al aspecto mas ventajoso del Cielo. La mejor posicion será de modo que los ayres no enfilen las calles en aquellos parages en que fuesen muy frios y extraordinariamente impetuosos.

 

La posicion de una Ciudad depende de su situacion relativa al Cielo

Y respecto a los ayres

El aspecto de las Casas particulares se hace comodo por medio de aberturas que de varios modos se practican en ellas para recibir ayre y darles luces, conforme á la condicion de las piezas que tiene la Fabrica. Y asi las Despensas, Bodegas, Graneros, y generalmente todas las piezas destinadas para encerrar y guardar algunas cosas, deben exponerse ácia el Septentrion y recibir poquisimo Sol.

La posicion de las Casas y de sus partes pende de dos cosas, á saber:

I. De sus calidades y usos, según los cuales se deben situar diversamente.

Lugares para encerrar frutos

La variedad de los destinos que se da á las partes que componen las Fabricas piden tambien variedad en su posicion. Las Piezas ó Salas en que comian los antiguos en tiempo de Invierno y sus Baños miraban ácia el Poniente de Invierno, cuya posicion las hacia mas calientes, respecto de herirlas el Sol en aquella misma hora de dia en que acostumbraban servirse de ellas

 

Salas de comer en Invierno y Baños

Las Bibliotecas deben estar al Levante, porque su uso pide la luz de la mañana: además que los Libros, si miran ácia esta parte, no se maltratan tanto como en las Bibliotecas que miran ácia el Mediodia y Poniente, en donde estan mas sujetos á gusanos y á cierta humedad que los enmohece.

Bibliotecas

Las Piezas ó Salas de comer en la Primavera y en el Otoña deben mirar al Oriente, para que estando al abrigo de la mayor fuerza del Sol, que es al tiempo que se pone, se hallen templadas quando es preciso servirse de ellas.

Salas de comer en Primavera y Otoño

Los Quartos de Verano mirarán al Septentrion, para que estén mas frescos.

Quartos de Verano

Este aspecto no es menos propio para los Gavinetes de Pinturas y Obradores de Pintores; pues la igualdad de la luz que se goza en ellos en cualquier hora del dia mantiene los colores siempre en un mismo estado.

Los Gavinetes de Pinturas y Obradores de Pintores

No menos atencion merecen los diversos Paises, en que los Edificios, por los excesos de calor ó frio, requieren situaciones, posiciones y disposiciones diversas. En los Paises Septentrionales deben estar la Casas embobedadas, tener pocas aberturas, y estar vueltas ácia las partes del Mundo en donde mas reyna el calor; y al contrario, en las Regiones calurosas y Meridionales deben tener grandes aberturas que miran al Septentrion, para que el arte y la industria remedien las incomodidades que tienen los sitios por naturaleza

II. De la naturaleza de los Paises