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1er. Congreso de Arquitectura Sostenible-Valladolid 2009, www.congresoarquitecturasostenible.com
Pilar Oteiza, Marlix Pérez, César Bedoya, Javier Neila
Grupo de investigación ABIO, Arquitectura Bioclimática en un Entorno Sostenible.
Departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónicas
Escuela Técnica Superior Arquitectura Madrid.
Universidad Politécnica de Madrid
Avda. Juan de Herrera, 4. 28804 Madrid. marlix.perez@upm.es
Tel. +34 91 336 3889. Fax +34 91 336 65 60. Móvil: +34 66 389907
EFICIENCIA DE LA VENTANA MODULADA
Palabras clave: Iluminación, ventilación, arquitectura bioclimática, industrialización, sostenibilidad.
Bloque temático: Sistemas, tecnologías y productos.
Sub.-tema: Estandarización técnica e industrialización de productos y procesos.
RESUMEN
La presente investigación, forma parte del proyecto INVISO (Industrialización de la vivienda sostenible),
en el subproyecto 10, (Sistemas para la optimización del comportamiento eficiente de las viviendas), que
se está desarrollando en la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid. El subproyecto está
dirigido por el Grupo de Investigación ABIO (Arquitectura Bioclimática en un Entorno Sostenible), en el
que alumnos de doctorado preparan sus trabajos encaminados al DEA (Diploma de Estudios Avanzados)
y alumnos de últimos cursos de grado o cursos de postgrado, se inician en la investigación. Entre las
investigaciones realizadas por el grupo, en relación con los huecos de fachada, se encuentra ésta que
integra estrategias de iluminación y climatización.
Después de un análisis del estado del arte de estrategias bioclimática para la iluminación natural, y un
estudio de las ganancias energéticas y lumínicas a través de huecos de diferentes tamaños y
orientaciones, se ha llegado al diseño de una ventana modular.
Se instalar a este prototipo en una de las dos viviendas de demostración que está construyendo, en el
polígono industrial “Las Capellanías” de Cáceres, la Consejería de Fomento de La Junta de
Extremadura.
Actualmente se está simulando el diseño del prototipo con los programas, Desing Builder de térmicos y
Ecotect de iluminación. Y se está evaluando la intensidad lumínica en un modelo a escala.
Previamente a la simulación, se comprobó que la ventana cumpliera con el CTE Código Técnico de la
Edificación, asumiendo las condiciones climáticas de Cáceres, latitud 39º norte, altura sobre el nivel del
mar de 405m, con variaciones de la temperatura diaria y anual muy acusadas, llegando a tener 18ºC de
diferencia entre la temperatura mínima y la máxima, en un día de verano.
INTRODUCCIÓN
La transformación de las maneras constructivas ha llevado a que los cerramientos se dividan en capas,
separando la función portante y la envolvente, por lo que la libertad de composición y dimensiones del
hueco se hace casi absoluta. Los nuevos materiales de carpinterías (madera - aluminio), de la industria
química (sellantes que garantizan una mayor estanquidad). En el vidrio se ha conseguido mayores
dimensiones, más variedad en el control de la luz, un aumento de la seguridad y unas protecciones
térmicas cada vez mayores. Aunque los sistemas de climatización han aliviado a la ventana de su
responsabilidad de ventilar e iluminar, ya que está más vinculada con la composición de la fachada que
con las necesidades interiores [1]. Sin embargo la ventana sigue siendo el elemento que relaciona el
interior con el exterior, con elementos de manipulación que cumplen un papel importante, no solo por la
cantidad de nuevos productos, componentes y tecnologías hoy disponibles sino, sobre todo, por su
capacidad de minimizar el consumo de energía.
Después de estudiar la ventana convencional, se identificaron como características básicas:
1. Iluminación natural.
2. Ventilación natural.
3. Contacto visual, con el exterior.
Adicionalmente, a algunas, se les incorporan elementos de protección solar y materiales de protección
térmica y acústica (a través de la carpintería, cristales).
La ventana modulada contiene elementos para captar y distribuir la luz natural de forma óptima,
proporciona visuales al exterior, protege del exceso de soleamiento y reduce las pérdidas de calor.
Garantiza además la ventilación exigida en el Código Técnico de la Edificación CTE, por el apartado de
salubridad.
METODOLOGIA DE TRABAJO
1. Estudios previos
En estudios previos se ha concluido, que la ventana en latitudes medias como las de la península ibérica
debe guardar un equilibrio entre la entrada de luz para iluminación y la ganancia de calor que tiene
asociada a ella. Se ha demostrado que diversas protecciones solares cubriendo todas ellas la misma
máscara de sombra (es decir evitando la radiación solar directa) tienen distintos resultados en la
iluminación interior: cada una proporciona distinta iluminación [2, 3, 4]. Esta experiencia ha sido
trasladada a esta patente, introduciendo elementos que mejoran la distribución de la iluminación natural
interior a la vez que evitan el exceso de soleamiento.
Manteniendo el concepto tradicional de la ventana, como elemento de contacto visual con el exterior, de
distribuidor de luz natural y de aprovechamiento de la ventilación, cuando ésta sea necesaria, se plantea
incidir en mejorar el comportamiento térmico y lumínico de este elemento fundamental de la fachada [5].
2. Objetivos
El objetivo es demostrar la eficiencia de la ventana modulada desde el punto de vista funcional,
dimensional y energético. Específicamente:
1. Permitir al usuario controlar su propio ambiente interior.
2. Permitir la iluminación natural y el contacto visual con el exterior.
3. Favorecer la ventilación cruzada a través de la misma ventana.
4. Proteger del sol las superficies acristaladas y disminuir las demandas de energía en climatización.
5. Proteger el interior del espacio del exceso de ruido exterior.
3. Especificaciones técnicas
Sistema modulado de la ventana permite configurar distintas opciones, que pueden variar según
acabados, según el espacio disponible y según la función. Conformada por catorce componentes, de
estos, tres son considerados componentes adicionales y solo once, son considerados componentes
básicos (los necesarios para su óptimo funcionamiento) estos a su vez se han agrupado en tres áreas,
que estarán contenidas en un bastidor.
Bastidor: Es el contenedor en donde se anclaran todos los componentes. Funciona como premarco y/o
jamba del perímetro del hueco.
Área superior (montante): Cumple la función
principal de iluminar mediante la reflexión de la luz
natural en la bandeja de captación solar, además
contiene una serie de elementos manipulables que
completan el funcionamiento de la ventana.
Integrado por: 1. Acristalamiento practicable, 2.
Bandeja de captación solar, 3. Protección solar, 6.
Aireador.
Área central: De 1,20m de alto, su principal función
es permitir visuales para el contacto con el ambiente
exterior, además de ventilar e iluminar naturalmente
la zona más cercana a la ventana. Integrado por: 7.
Persianas graduables, 8. Acristalamiento
oscilobatiente, 9. Celosía basculante con cierre
hermético, 10. Elemento fijo transparente.
Área inferior: De 0,90m de alto, diseñado para
integrar equipos de calefacción y/o enfriamiento
cuando se requieran en la habitación, tomando en
cuenta que se debe tener la posibilidad de acceder
fácilmente para el mantenimiento. O como depósito
de objetos. Integrado por: 11. Alféizar, 12.
Almacenamiento o dispositivo de calefacción, 13.
Cerramiento exterior, 14. Celosía.
Figura 1. Despiece de la ventana modulada.
Componentes adicionales en el área superior (montante), 4. Lámpara de iluminación difusa, 5. Cortina,
estor o persiana interna. Y en el Área inferior, 15. Puertas batientes.
3.1 Funcionamiento
En el funcionamiento es importante la dinamicidad, de la doble
envolvente, para que este sea óptimo. Es necesario que el
usuario controle la apertura y cierre de algunos de sus
componentes, según las condiciones climáticas de los
siguientes modos:
En invierno de día:
1. Bandeja de captación solar se abre, para reflejar luz en la
zona más alejada de la ventana en la habitación.
2. Aireador y 5. Puertas cerradas para evitar la pérdida de
calor.
3. Acristalamientos cerrados para mantener el calor obtenido.
4. Persianas graduables abiertas, para conseguir mayor
iluminación, ganar calor y mantener el contacto visual con el
exterior.
En invierno de noche:
Se cierran, 1. Bandeja de captación solar, 2. Aireador, 3.
Acristalamientos, 4. Persianas graduables y 5. Puertas
batientes, para evitar las pérdidas de calor.
En verano de día:
Se cierran, 1. Bandeja de captación solar, y 2. Aireador, para
evitar la entrada de calor.
3. Acristalamientos y 5. Puertas cerradas para evitar las
ganancias de calor.
4. Persianas parcialmente cerradas para que la iluminación
reflecte sobre el alfeizar, sin dejar que incida directamente el
sol sobre el vidrio.
En verano de noche:
Figura 2. Funcionamiento.
Se abre, 1. Bandeja de captación solar, 2. Aireador, 3. Acristalamientos,
4. Persianas graduables y 5. Puertas batientes para ventilar.
3.2 Energético
Después de estudiar las condiciones climáticas en Cáceres y
zonas próximas como Madrid de similar latitud (40ºN) y altitud
muy parecida (582 m) se puede decir, en definitiva que en
Cáceres se requiere un 73% del tiempo anual calentar y un 27%,
enfriar. Para lograr esto se ha realizado:
En lo lumínico
La bandeja de captación solar y la alta reflexión del techo del
recinto, aumenta la iluminación en las zonas lejanas a la ventana,
mientras que en la zona más próxima a la ventana se reduce la
incidencia de iluminación [6].
Se están estudiando los resultados del análisis luminotécnico,
simulado con el programa EcoTec, para una ventana de la
fachada sur, en la estación de invierno de día. En las imágenes se
puede observar la diferencia de los niveles de iluminación, en el
que se toma en cuenta la reflexión de la luz en el interior,
generada por la proveniente del exterior.
Figura 3. Resultados previos de la evaluación con EcoTec.
En lo térmico
Actualmente se está simulando con el programa Desing Builder, lo térmico y para esto se han tomado las
siguientes variantes:
El bastidor, garantiza la integración y la estanqueidad entre muro y premarco de la ventana.
El confort de invierno, se garantiza con la carpintería, con los vidrios dobles de cámara sellada y con la
protección térmicamente del cajón de la persiana. También contribuye la persiana a la protección térmica
y a la acústica. Además se consigue mejor calidad lumínica en esta estación.
El confort de verano, aspecto olvidado mayormente por la confianza ante la refrigeración artificial y los
vidrios coloreados. En este caso se reivindica el uso de la persiana además de funcionar como
protección solar, permite ver el exterior y redirecciona la ventilación en las noches [7, 8, 9].
3.3 Dimensionamiento
Para dimensionar la ventana se ha estudiado la normativa existente para ventanas [10] y para iluminación
- ventilación en los Planes Generales de Ordenación Urbana de Cáceres y Madrid, así como el estudio
realizado por M. Mendizábal [11], definiendo en base a esto una modulación de 60 cm.
De todas las opciones que se pueden configurar,
se ha seleccionado la más flexible para el usuario
y se compara con la ventana convencional
propuesta en el proyecto original. Como se
puede observar en la Tabla 1. Se demuestra que
con menos área de ventana (iluminación y
ventilación) se consigue cumplir los parámetros
del CTE y además se mejora la calidad de la
iluminación, ya que ésta se distribuye por todo el
espacio de la habitación, es decir, en la zona
próxima a la ventana no hay exceso de
iluminación y la zona mas profunda de la
habitación esta mejor iluminada.
Figura 4. Comparación de fachadas en Cáceres, España. Ventana convencional a la izquierda, ventana modular a la derecha.
TABLA 1. AREAS DE VENTANA CONVENCIONAL Y LA MODULADA
Áreas minima exigida* Ventana convencional m² Ventana modulada m²
Iluminación (12% = 1.87 m²)
Ventilación (8%=1.38 m²) 2,07 1,88
* Exigencia minima del Código Técnico de la Edificación
CONCLUSIONES
Actualmente se realiza un modelo a escala en el que se medirá la eficiencia lumínica de la bandeja de
captación solar. Y se siguen realizando las simulaciones y estudio de los resultados arrojados por los
programas EcoTec y Desing Builder.
Una vez concluida la etapa anterior, se instalará en una de las dos viviendas de demostración, que se
están construyendo en el polígono industrial “Las Capellanías” de Cáceres.
La comparación del comportamiento lumínico y térmico de las dos viviendas, permitirá obtener
conclusiones y proporcionar una serie de recomendaciones para mejorar la calidad de nuestras
edificaciones, teniendo en cuenta la sostenibilidad y la industrialización en la construcción.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Grupo de Investigación ABIO y al Departamento de Construcción y Tecnología
Arquitectónicas de la ETSAM. Por el apoyo prestado en todas las fases de esta investigación.
REFERENCIAS
[1] Tectónica 4. ”El Hueco”. ATC Ediciones, S.L., 1995. ISSN 1136-0062.
[2] P. Oteiza; A. Soler; “Influence of shading devices in the distribution of natural light within models” Renewable
Energy, Nº 5, Pergamon Press, (1994), Londres. pp. 2181-2183.
[3] P. Oteiza; A. Soler, “A comparison of the daylighting performance of the different shading devices giving the
same solar protection” Architectural Science Review, Vol 38-4, Sydney, Australia, Diciembre 1995. pp. 171-176.
[4] A. Soler; P. Oteiza, “Dependence on solar elevation of the performance of a lightshelf as a potential daylight
device” International Journal of Renewable Energy, Pergamon Press, (1996), Londres. pp. 198-201.
[5] D. Phillips, “Daylighting: Natural Light in Architecture”. Ámsterdam etc.: Elsevier, 2004. ISBN 0-7506-6323-5.
[6] H. Köster, “Dynamic daylight in architecture: basics, systems, projects”. Editor: Birkäuser. 2004. ISBN
376436730X.
[7] W. Lang; T. Herzong, “Detail 3, Madera, Sistemas de lamas de madera para fachadas de segunda piel”. 2003.
ISSN 1578-5769.
[8] F. Javier. Neila, Arquitectura bioclimática en un entorno sostenible. 1ª edición. Madrid. Editorial Munilla-Lería.
2004. ISBN 8489150648
[9] A. Compagno, Intelligent glass facades: material, practice, design. Editor: Basel: Birkhauser. 1999. ISBN:
376435996X.
[10] Asociación Española de Fabricantes de Fachadas Ligeras y Ventanas, “Ventanas: Manual De Producto”.
Madrid: AENOR, 2005. ISBN 84-8143-427-2.
[11] M. Mendizábal, “Manual De La Ventana”. Madrid: Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo, 1988. ISBN 84-
7433-575-2.