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Arquitectura Pura

¿Qué es una carta solar y cómo hacerla?

Una carta solar, es una representación bidimensional y gráfica sobre el plano de la incidencia solar respecto a la latitud de la edificación.

Nos permite conocer de manera precisa, la posición solar en relación al azimut y ángulo solar en cada hora y minuto del día.

Las cartas solares son usadas en la arquitectura como un recurso aplicado al diseño.

 Permite conocer el ingreso del sol hacia ambientes interiores o su incidencia en espacios exteriores. 

El objetivo ulterior es lograr el confort higrotérmico de una edificación y es un recurso muy aplicado en la arquitectura bioclimática y sustentable.

La protección solar de la envolvente y el aprovechamiento de la iluminación natural, son criterios que pueden optimizar el diseño pasivo.

Se debe lograr un sistema de control solar adecuado y con mejoras en la eficiencia de los recursos exteriores.

Para ello, se buscan crear diseños de estructuras que no comprometan los niveles de iluminación natural, respondiendo a su vez a los requerimientos arquitectónicos. 

En los diseños de arquitectura sustentables, se utiliza la carta solar como un indicador fundamental de la orientación, tamaño y tipos de estructuras. 

Este sencillo pero útil recurso nos permite conocer las mejores condiciones que favorecen a un diseño ergonómico, sustentable y eficiente.

Veremos los diferentes tipos de carta solar, como hacerla de manera manual y los diferentes usos en la arquitectura moderna.

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Tipos de carta solar

El planeta Tierra produce dos importantes tipos de movimientos en simultáneo: el movimiento de rotación y traslación.

El movimiento de traslación describe un movimiento elíptico que describe la circunvalación de la tierra alrededor del sol.

Al mismo tiempo, se produce un movimiento sobre su propio eje, describiendo una circunferencia.

Aunque hemos estandarizado los movimientos terrestres en función del tiempo, no son del todo exactos. Es decir, hemos descrito que la tierra da una vuelta completa alrededor del sol en un año, o 365 días.

Del mismo modo, generalmente establecemos que la tierra da una vuelta entera sobre su eje en un plazo de 24 horas.

Sin embargo, estos tiempos no son de la exactitud matemática que hemos estandarizado desde hace muchos siglos.

Por ello, no podemos determinar que el sol va a iluminar un mismo punto durante todo un ciclo solar en todas las latitudes del planeta. 

La incidencia de los rayos solares varían de acuerdo a la posición respecto a la latitud y longitud terrestre.

En cada punto geográfico de la tierra, la incidencia del sol es muy distinta. Por ello, necesitamos establecer como el sol incide sobre una edificación de manera particular.

Utilizando las cartas solares podemos calcular con gran precisión cómo inciden los rayos del sol en una determinada posición geográfica. 

Calculando el azimut de la sombra, la inclinación de los rayos solares y su incidencia en la fachada de una futura edificación.

Aunque existen una serie de softwares para el cálculo exacto y en cuestión de segundos, es imprescindible conocer cómo se calcula de forma manual.

Veamos los diferentes métodos de preparación de una carta solar.

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Carta Solar de Fisher

La carta solar de Fisher se produce usando el sistema diédrico.

Este magnífico recurso nos ayuda a conocer la dirección de los rayos solares en un momento concreto a partir la altura del sol y del azimut.

Una de las mejores ventajas de la carta solar de Fisher, es su elaboración de poca complejidad, lectura e interpretación. Su utilización en el diseño arquitectónico, es una de las herramientas más útiles en el diseño de edificaciones.

En la elaboración de las cartas solares, la latitud es la coordenada de mayor importancia, pues establece la incidencia y azimut solar.

Mientras que la longitud, solo nos sirve en el caso de relacionar las horas de salida y puesta del sol.

Carta Solar Estereográfica de Fisher-Mattioni

Esta es una variación de la carta solar de Fisher. Aunque es una herramienta de magnífica aplicabilidad, tiene una serie de inconvenientes y desventajas.

Para poder realizar el cálculo y elaboración de la carta de Fisher-Mattioni, debemos disponer de las coordenadas solares con anticipación.

Posteriormente, debemos representar estas coordenadas en una carta con una proyección única y usando los conceptos de los planos acotados.

Es por ello que la carta de Fisher-Mattoni funciona únicamente como complemento o basada en otras cartas solares, como la de Fisher.

Aunque requiere de los datos derivados de la carta primaria de Fisher, tiene una gran ventaja en la práctica.

La carta solar de Fisher-Mattoni es una carta de mayor aplicación, pues una vez realizada, se maneja una única proyección sobre el plano.

Carta Solar Cilíndrica

Las cartas solares cilíndricas están basadas en la proyección del sol como una posición sobre una superficie cilíndrica que se encuentra en revolución.

Se supone que la superficie del cilindro tiene una basa en el horizonte del plano, localizado es una coordenada específica, es decir en un punto geográfico dado.

La proyección de la carta coincide con el vértice desde el que se realiza la proyección coincidente con el punto geográfico dado.

Esto es, desde el punto de vista del observador que se encuentra en exposición directa a los rayos del sol.

Es por ello que la carta establece una proyección cónica de la superficie del cilindro sobre un corte por la generatriz norte.

Al igual que en la carta de Fisher-Mattioni, debemos tener de manera anticipada las coordenadas solares de altura solar y azimut.

Esto establece por antonomasia que la carta solar de Fisher, es la carta matriz de estos dos modelos posteriores.

Otra desventaja que tiene la carta cilíndrica, es que el proceso utilizado para su realización es más complejo y lento en su puesta en práctica.

Pero, la carta solar cilíndrica, tiene la ventaja que una vez confeccionada, no requiere de actualizaciones o re-elaboración.

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Elaboración manual de una carta solar

Como hemos dicho, en la actualidad existen una serie de softwares y aplicaciones informáticas que permiten hacer las cartas solares en pocos segundos.

Con un par de datos y utilizando información satelital, puede hacerse el cálculo de manera ultra precisa y dinámica.

Sin embargo, es necesario entender el mecanismo y base de cálculo de las diferentes cartas solares.

Todo arquitecto debe dominar estos cálculos como parte de su día a día profesional.

Comenzaremos con el mismo orden que hemos establecido.

¿Cómo se hace una carta solar de Fisher?

Una carta solar de Fisher representa la bóveda del cielo y la circunferencia de la atmósfera sobre una latitud específica.

Se pueden calcular las direcciones de los rayos solares a lo largo del año. Aunque por lo general, se toman solo varias muestras en cada estación, meses o días específicos del año.

Es lógico que a medida que hacemos más extensa y específica la carta solar, más difícil será la interpretación de la misma.

Es por ello que se realiza una carta de latitud y el día del año requerido y se refleja en la misma la altura solar y el azimut contemplando un día completo.

En una  una exposición didáctica, se pueden representar las trayectorias del sol en los equinoccios y solsticios. 

En la carta, solo queda la representación de la altura solar y azimut hasta el momento de su utilización.

La partida para su elaboración de la carta, es la representación, en un sistema diedrico de la parte visible de la bóveda celestial. 

Se fija como plano horizontal de proyección el coincidente con el plano del horizonte en el punto geográfico.

Como plano vertical se proyecta el plano perpendicular al anterior y paralelo a la dirección norte-sur del observador.

De esta forma quedan establecidas las direcciones de los puntos cardinales en la planta. De ella resultan la dirección norte-sur paralela al plano vertical y la dirección este-oeste al plano perpendicular.

Posteriormente, establecemos el ángulo correspondiente a la latitud del punto geográfico que pasa por el centro de la bóveda celestial.

Este punto se debe corresponder con el ángulo respecto la dirección del norte o sur, en función del hemisferio en el que está situado.

Las trayectorias del sol en cada uno de los días del año, se producen por los planos perpendiculares a esta línea en la latitud.

Elaboración de una Carta Solar de Fisher-Mattioni

A partir de los datos de la altura solar y azimut, resultante de la carta solar de Fisher, elaboramos la carta de Fisher-Mattoni.

Conocidas las alturas solares y los azimut para una latitud y  día del año específico, podemos representar la incidencia en un sistema de planos acotados.

Cada hora entera se sitúa en el azimut y se abate el plano vertical que contiene esta orientación en la planta. De esta forma, el abatimiento queda representado como el ángulo de la altura solar.

Elaboración de una Carta Solar Cilíndrica

De la misma forma que calculamos la carta de Fiser-Mattoni, necesitamos los cálculos realizados en la carta solar de Fisher.

De este modo, conoceremos con exactitud la altura o las alturas solares y el azimut en el punto geográfico específico por cada latitud en un día concreto.

Carta Solar Cilíndrica

Cuando conocemos estos ángulos, podemos calcular la intersección de las rectas que contiene cada rayo en una hora específica en relación al objeto.

Esta incidencia, en relación a la bóveda celestial, nos puede informar sobre la trayectoria solar en un punto dado, a una latitud y hora específica.

Sistemas de control solar fijos externos

La incidencia solar en altitudes bajas, regiones tropicales y subtropicales, marca al control solar como una de las estrategias fundamentales de la arquitectura sustentable.

Los dispositivos de control solar externos como solución al problema arquitectónico del exceso de radiación solar, es uno de los mejores recursos bioclimáticos.

El impacto de estos dispositivos se sustenta en la filosofía del incremento del confort y la eficiencia energética como base arquitectónica fundamental.

Para poder establecer la configuración espacial y la orientación del proyecto desde el primer momento del diseño es la clave para la sustentabilidad de edificios.

Para una eficiente protección y/o aprovechamiento de los rayos del sol, basado en el cálculo previo de la incidencia por la carta solar, existen métodos muy efectivos.

Cada uno de estos métodos, permiten bloquear o maximizar la incidencia de los rayos solares en determinadas épocas del año u horas del día.

Veamos estos sistemas simples de control/aprovechamiento del sol, que han sido resultantes del análisis de la carta solar.

Horizontales alero, volado o voladizo

Podemos considerar como alero, volado o voladizo a  cualquier elemento sobresaliente del plano vertical de la edificación.

Un alero se corresponde a una extensión superficial del techo del edificio, el cual permite proyectar la sombra en una determinada hora o época del año.

Las pérgolas o extensiones horizontales actúan en relación perpendicular al azimut y puede proyectar sombra sobre la edificación.

Verticales

Los elementos verticales funcionan en cierto modo de manera opuesta a los elementos horizontales. Es decir, proyecta las sombras de acuerdo a la incidencia del sol en horas opuestas a las proyecciones horizontales.

De acuerdo a los cálculos hechos en la carta solar, podemos establecer las alturas solares y azimut del sol sobre la edificación en el plano.

De esta manera, podemos proyectar en el diseño los elementos que cubrirán y protegerán del sol en una hora del día y/o época específica del año.

Mixtos

Los elementos mixtos contemplan la combinación de elementos horizontales y verticales que fungen como barreras arquitectónicas contra la incidencia solar.

Los sistemas mixtos, ideados por el afamado arquitecto franco-suizo Le Corbusier formalizaron uno de los sistemas más eficientes productos de la carta solar.

Una vez establecidas las incidencia solares en un punto geográfico específico y teniendo como referencia a la altura y azimut solar, podemos adaptar el diseño.

En el sistema mixto, el maestro creó una estructura envolvente que es capaz de crear un espacio de “colchón solar” entre el exterior y el interior.

Este sistema, se considera como el epítome de la arquitectura sustentable, pues no solo utiliza el conocimiento de la carta solar sino de las corrientes de aire.

Puede calcular sistemas de protección/aprovechamiento solar y de las corrientes de viento para generar sistemas de ventilación natural eficiente.

En estos edificios, la reducción de sistemas artificiales de calefacción enfriamiento de aire interior es máxima.

En resumen, la carta solar es una de las herramientas de diseño más eficientes, prácticas y de mayor utilidad en el diseño arquitectónico sustentable

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