Radiación solar
Los índices de incidencia de radiación solar sobre un sitio tienen un impacto determinante en sus características climáticas. Después de todo, la radiación solar proporciona prácticamente toda la energía que genera los fenómenos atmosféricos. Una muestra de esto es que la tierra puede dividirse en franjas (paralelas al ecuador) con determinados patrones climáticos generales que dependen fundamentalmente del cambio en la incidencia de la radiación solar debido a la latitud.
Al momento de establecer la radiación solar que incide sobre una superficie determinada es importante diferenciar, en primer lugar, su componente directo y su componente difuso. El componente directo representa la radiación solar que ha atravesado la atmósfera de manera prácticamente sin obstrucciones, mientras que el difuso se deriva de la reflexión causada por los gases atmosféricos, las partículas en suspensión y el vapor de agua. El componente difuso puede contener también reflexiones del suelo y otros elementos del entorno, por lo que se considera proveniente de todas direcciones. La unidad básica de medición de la radiación solar es el watt (W), aunque existen variables importantes (ver Unidades y medidas más adelante).
La aplicación de la información relativa a la radiación solar, tanto en el campo de la meteorología como en el de la arquitectura y otras disciplinas, suele implicar una diferenciación más fina de sus componentes y sus posibles combinaciones. En los siguientes párrafos haremos una breve descripción de los principales parámetros ambientales relacionados con la radiación solar.
Radiación directa normal
La radiación directa normal se mide sobre una superficie orientada directamente hacia el sol, de tal manera que los rayos solares resultan siempre perpendiculares a dicha superficie. Cuando el sol se mueve de manera aparente a través del cielo, dicha superficie también se mueve para mantener la relación normal.
La radiación directa normal generalmente se mide con un pirheliómetro, el cual contiene un sensor termoeléctrico ubicado en el fondo de un tubo relativamente largo (para evitar la incidencia de la radiación difusa) que se mueve mecánicamente para orientarse siempre hacia el sol.
Radiación directa horizontal
A diferencia de la normal, la radiación directa horizontal se mide al incidir sobre un plano horizontal (en relación con la superficie terrestre). En este caso la radiación directa normal es modificada por el coseno del ángulo de incidencia, de la siguiente manera:
Radiación difusa horizontal
La radiación difusa horizontal se puede definir como la radiación total proveniente del domo celeste que cae sobre una superficie horizontal, menos el efecto de la radiación directa que incide sobre dicha superficie. En este caso la radiación proveniente de las partes bajas del cielo (cerca del horizonte) llega a la superficie horizontal en forma casi rasante, contribuyendo mucho menos que la radiación proveniente de las partes altas del cielo, las cuales inciden en forma casi perpendicular.
Los valores de radiación difusa horizontal se indican asumiendo que no existen elementos en el entorno que obstruyan una parte del cielo, por lo que generalmente se toman a campo abierto o sobre el techo de un edificio alto. Se suelen obtener mediante un piranómetro que incluye una banda de sombreado, la cual evita que el sensor termoeléctrico reciba radiación directa (la banda se coloca siguiendo la trayectoria del sol durante todo el día). La radiación difusa horizontal también se puede deducir restando el coseno de la radiación directa a la global horizontal.
Radiación global horizontal
Otro valor empleado frecuentemente es la radiación global horizontal, que es la suma de la radiación directa horizontal y la radiación difusa horizontal. Dicha suma se puede expresar de la siguiente manera:
O bien:
La radiación global horizontal se suele medir con un piranómetro, aparato que usa un lente de 180° (ojo de pescado) para conducir toda la radiación disponible hacia un sensor termoeléctrico que mide la energía recibida.
Radiación global máxima
En algunos ámbitos se hace referencia a la radiación global máxima. A diferencia de la radiación global horizontal, la radiación global máxima es un valor teórico, el cual resulta de la suma de la radiación directa normal (en lugar de la radiación directa horizontal) y la radiación difusa horizontal.
Obviamente ninguna superficie puede ser siempre horizontal y al mismo tiempo perpendicular a los rayos del sol. Debido a ello la radiación global máxima no representa un valor real, sino que se utiliza generalmente como indicador de la radiación disponible total para superficies verticales o inclinadas, especialmente ante ángulos solares bajos.
Estimando valores de radiación
Es posible estimar valores aproximados de radiación solar. Aunque son un sustituto imperfecto de los valores medidos, en ocasiones son los únicos valores que pueden ser obtenidos. La siguiente fórmula calcula la radiación directa normal asumiendo un cielo despejado:
Donde:
Gnormal = Radiación directa normal
y = Altitud del sol sobre el plano horizontal
Unidades de medida de la radiación solar
Como hemos visto, la radiación solar es un factor climático que tiene múltiples formas de medirse y expresarse. En ese sentido, para evitar confusiones, es importante familiarizarse con las diferentes unidades de medida empleadas en cada caso.
Watt, watt-hora y kilowatt-hora
El watt (W) es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades, y equivale a 1 Joule por segundo (J/s). El watt-hora (Wh) es una unidad que equivale a la energía desarrollada por un 1 watt durante una hora. Si tenemos que 1W = 1J/s, y 1 hora = 3,600 segundos, entonces:
1Wh = 1J/s * 3600s = 3,600 J
El kilowatt-hora (kWh) es una unidad que equivale a la energía desarrollada por 1000 watt, es decir, un kilowatt (kW), durante una hora. Si tenemos que 1 W = 1 J/s, y una hora = 3,600 segundos, entonces:
1kWh = 1,000 Wh = 1,000 J/s * 3600 s = 3,600,000 J
Un kWh equivale a la energía consumida por:
- Un foco de 100 watts encendido durante diez horas
- 10 focos de 100 watts encendidos durante una hora
- Una plancha (1,000 W) utilizada durante una hora
- Un televisor (50 W) encendido durante veinte horas
- Una computadora (150 W) utilizada durante un poco más de 6 horas y media
Nota: Un joule es la energía requerida para ejercer una fuerza de un newton por una distancia de un metro, o bien para levantar un objeto de 1 Kg a una altura de 10 cm de la superficie de la tierra: 1 joule = 1 Kg*m2/s2. Un newton, por otra parte, es la energía requerida para acelerar una masa de un kg a una tasa de 1 m/s2 (1 newton = 1 kg*m/s2).
Radiación solar sobre una superficie
La radiación solar que incide sobre una superficie se expresa comúnmente de dos formas distintas: como irradiación o como exposición radiante. La irradiación es una medida de la tasa de energía recibida por unidad de superficie, expresada en watts por metro cuadrado (W/m2):
1 W/m2 = (1 J/s)/m2
La exposición radiante es una integral de tiempo, o suma de irradiación. Por ejemplo, un minuto de exposición radiante indica la energía recibida por un metro cuadrado durante un minuto, o lo que es lo mismo: 1 minuto de exposición radiante = irradiación (W/m2) x 60 segundos. El resultado se expresa en unidades de Joules por metro cuadrado (J/m2), watts-hora por metro cuadrado (Wh/m2) o kilowatts-hora por metro cuadrado (kWh/m2).
El Watt-hora por metro cuadrado (Wh/m2) es una unidad que equivale a la energía desarrollada por 1 Watt recibido por un metro cuadrado de superficie durante una hora. Si tenemos que 1W = 1J/s, y 1 hora = 3,600 segundos, entonces:
1Wh/m2 = (1J/s * 3600s) / 1m2 = 3,600 J/m2
El kilowatt-hora por metro cuadrado (kWh/m2) es una unidad que equivale a la energía desarrollada por 1 kilowatt recibido por un metro cuadrado de superficie durante una hora. Si tenemos que 1 W = 1 J/s, y una hora = 3,600 segundos, entonces:
1kWh/m2 = (1000J/s * 3600s) / 1m2 = 3,600,000 J/m2
Referencias
[1] D. Clements-Croome, BUILDINGS AS CLIMATIC MODIFIERS. 2020.
[2] V. Jain, V. Garg, J. Mathur, and S. Dhaka, “Effect of operative temperature based thermostat control as compared to air temperature based control on energy consumption in highly glazed buildings,” presented at the Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Nov. 2011.
[3] J. Niu and J. Burnett, “Integrating radiant/operative temperature controls into building energy simulations,” in ASHRAE Transactions, Dec. 1998, vol. 104, no. 2, pp. 210–217, Accessed: Feb. 02, 2021. [Online]. Available: https://research.polyu.edu.hk/en/publications/integrating-radiantoperative-temperature-controls-into-building-e.
[4] V. Olgyay, Arquitectura y clima: Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Barcelona: Editorial Gustavo Gili, S.L., 1998.
[5] G. Schmidt, “Climate Classification,” May 10, 2016, doi: 10.13140/RG.2.2.36606.59209.
[6] D. Watson and K. Labs, Climatic design. New York; London: McGraw-Hill, 1983.
[7] ASHRAE, Handbook 2009: Fundamentals. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2009.
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