Parte 28 · Clase 272 de 830

ARQ-272 · Trayectoria solar y orientación

Parte 28 · Clase desarrollada · Incorporada en v0.17.0.

Prerrequisitos conceptuales: ARQ-271, ARQ-024, ARQ-105. Sin calendario. Casos, series y parámetros ficticios, salvo antecedentes atribuidos. No son mediciones de un edificio ni pronósticos. Revisión externa especializada pendiente.

Pregunta central

¿Cómo pasar de latitud, estación del año y tiempo solar a una dirección de luz que permita estudiar la orientación de un edificio, sin confundir altura solar, azimut y ángulo de incidencia?

Resultado y continuidad

ARQ-271 dejó clara la procedencia de las condiciones ambientales. Esta clase añade un sistema de coordenadas y una construcción geométrica verificable. Resolverás SOL-GEO-01, compararás una superficie horizontal y dos fachadas y dibujarás el cambio entre mañana y tarde. La latitud ficticia de −33° no identifica una parcela ni incorpora su horizonte real. ARQ-273 utilizará la dirección obtenida para estudiar protecciones solares.

1. Orientar es relacionar, no asignar una etiqueta

Decir que una fachada «mira al norte» describe una normal horizontal, pero no completa su relación con el sol. Importan inclinación, obstáculos, época, hora y parte de la fachada considerada. Una abertura puede tener igual orientación que un muro y una exposición distinta debido a un alero o al edificio vecino.

Distingue norte del proyecto, norte geográfico y el eje que utilizas en el dibujo. Un archivo rotado puede conservar su geometría interna y cambiar todas las incidencias respecto del clima. La transformación necesita estar documentada; no basta con añadir una flecha norte después de generar resultados.

La documentación de sombras de EnergyPlus define superficies mediante vértices y normales en un sistema espacial [CLI-SHADING]. Adoptaremos este, norte y arriba como ejes positivos. El valor del convenio no está en que sea el único posible, sino en que los ángulos, dibujos y ecuaciones utilicen el mismo.

2. Cuatro ángulos con funciones distintas

La latitud φ sitúa el lugar al norte o sur del ecuador. La declinación δ describe la posición solar respecto del plano ecuatorial. El ángulo horario ω representa el desplazamiento respecto del mediodía solar. La altura α se mide sobre el horizonte local geométrico; no es la inclinación de una fachada.

En esta clase ω=15°×(hora solar−12): es negativo por la mañana y positivo por la tarde. Algunas fuentes utilizan el signo contrario. Importar una ecuación sin revisar ese convenio puede intercambiar este y oeste mientras conserva alturas aparentemente razonables.

El azimut describe la dirección horizontal. El ángulo de incidencia, en cambio, se mide entre la dirección hacia el sol y la normal de una superficie. Una misma posición solar tiene una sola altura, pero diferentes incidencias sobre suelo, cubierta y fachadas. Esa diferencia explica por qué no puede multiplicarse toda superficie por el seno de la altura solar.

3. Un vector que contiene la dirección completa

Representamos la dirección hacia el sol mediante un vector unitario s=(sE,sN,sU). Usando rotaciones entre el plano ecuatorial y el horizonte, sus componentes son:

sE = −cos δ · sin ω

sN = cos φ · sin δ − sin φ · cos δ · cos ω

sU = sin φ · sin δ + cos φ · cos δ · cos ω.

La altura resulta α=arcsin(sU). El signo de sU identifica si el centro solar ideal está sobre el horizonte geométrico. La identidad sE²+sN²+sU²=1 proporciona una comprobación independiente. No describe nubes, refracción, montañas ni la duración de la penumbra del disco solar.

Las funciones trigonométricas del código reciben radianes, mientras los datos de entrada se expresan en grados. Por eso la conversión aparece explícitamente en la función. Un resultado dentro de un rango plausible no demuestra que esa conversión se haya realizado correctamente: comprueba también simetrías y casos conocidos.

4. Caso trabajado: tres mediodías solares

En SOL-GEO-01 adoptamos φ=−33° y tres declinaciones ideales: −23,44°, 0° y +23,44°. No calculamos aquí una fecha astronómica exacta; las declinaciones son entradas para comparar posiciones. Al mediodía, ω=0, por lo que desaparece la componente este.

Las alturas resultan 80,44°, 57° y 33,56°, respectivamente. En los tres casos elegidos, el sol queda hacia el norte del punto. La cubierta horizontal recibe el haz con un ángulo distinto al de una fachada norte; una fachada sur plana, sin reflexiones, no recibe ese haz por su cara exterior al mediodía de estos casos.

No generalices la última observación a cualquier latitud, hora o estación. Cerca de los trópicos y fuera del mediodía pueden aparecer otras direcciones. El método permite calcularlas; la etiqueta «hemisferio sur» no reemplaza esa geometría. Tampoco una fachada sin haz directo está necesariamente oscura: falta considerar radiación difusa y reflejada.

5. De dirección a potencia sobre una superficie

Si n es la normal unitaria exterior, s·n es el coseno de incidencia. Para radiación directa normal DNI, adoptada uniforme, la potencia incidente por superficie es I_b=DNI×max(s·n,0), siempre que el sol esté sobre el horizonte. El recorte evita atribuir incidencia exterior a un haz situado detrás del plano.

En el mediodía con declinación cero, s=(0;0,544639;0,838671). Con una DNI ficticia de 800 W/m², la superficie horizontal recibe 800×0,838671=670,937 W/m² de haz directo. La fachada norte recibe 800×0,544639=435,711 W/m².

Estos valores no incluyen transmisión del vidrio ni absorción del revestimiento. Sobre diez metros cuadrados de fachada norte, la potencia directa incidente sería 4.357,112 W; la energía requiere además duración y variación temporal. Mantener potencia, energía y ganancia interior separadas evitará dobles conversiones en ARQ-284.

Figura 272. Una dirección solar produce incidencias diferentes según la normal. El dibujo representa el mediodía del caso ideal, no un estudio del horizonte de una ciudad.

6. Mañana y tarde: una prueba de signos

A las nueve solares, con declinación cero, ω=−45°. La componente este es positiva: aproximadamente 0,707107. La componente norte es 0,385118 y la vertical, 0,593030. A las quince solares, cambia el signo de la componente este, mientras norte y vertical se conservan bajo estas condiciones simétricas.

Una fachada este recibe por la mañana aproximadamente 565,685 W/m² del haz ficticio de 800; por la tarde, cero por su cara exterior. La fachada oeste intercambia esos resultados. La altura solar es igual a ambas horas, de modo que conocer solo la altura no permite identificar cuál fachada recibe el haz.

La igualdad geométrica tampoco implica igual temperatura del aire, nubosidad u ocupación. Un salón usado por la tarde puede experimentar otra condición aunque su fachada sea la imagen especular de otro usado por la mañana. La comparación arquitectónica necesita reunir la dirección con las series y actividades, sin confundir simetría solar y simetría ambiental.

7. Hora solar no es hora civil

El ángulo horario se relaciona con el paso aparente del sol; el reloj civil depende de convenciones de huso y cambios de hora. La longitud y la ecuación del tiempo también intervienen cuando se transforma una fecha y hora civil en posición solar. NOAA explica el alcance y las aproximaciones de su calculador, que actualmente avisa que ya no recibe mantenimiento activo [CLI-SOLAR].

Por eso no hemos solicitado una hora civil para Santiago ni declarado que las doce del reloj correspondan a nuestro mediodía. El ejercicio comienza después de esa transformación, con hora solar explícita. En un estudio real se documentarían fecha, zona horaria, longitud, algoritmo y tratamiento de refracción cuando corresponda.

Una comprobación útil compara la dirección calculada con una convención independiente, pero no usa una fotografía sin datos como certificado. Para levantar sombras reales se necesitarían orientación, fecha, ubicación, geometría y método de observación. La clase enseña a preparar esas preguntas, no a fingir que ya se midieron.

8. Obstáculos y límites de la orientación favorable

La disponibilidad del haz requiere que el rayo no encuentre un obstáculo. Un edificio cercano puede ocultar el sol aun cuando sU>0; un patio puede admitirlo solo en una franja. El horizonte efectivo es una relación entre el punto analizado y el entorno, no una propiedad de toda la ciudad.

La orientación también afecta otras funciones: vistas, ruido, acceso y organización interior. Una decisión no se justifica exclusivamente porque maximice radiación. El objetivo puede ser moderar ganancias en ciertas horas, conservar luz difusa o permitir control. Es necesario declarar servicio y estación antes de llamar «óptima» a una dirección.

El producto de esta clase es una lámina con ejes, normales, vectores y comprobaciones, no una fachada terminada. Anota qué superficies y momentos se estudiaron. ARQ-273 añadirá una geometría de sombra; el valor incidente de esta clase será su punto de partida, no una ganancia que deba contarse otra vez después.

Práctica independiente

Para latitud −30°, declinación cero y mediodía solar, calcula vector, altura e incidencia directa sobre suelo horizontal, fachada norte y fachada este con DNI ficticia de 600 W/m². Comprueba la longitud del vector. Después analiza a las nueve y quince solares qué componente cambia de signo y qué fachadas intercambian exposición.

Redacta además una corrección a la frase «a igual altura solar, todas las fachadas reciben igual radiación». Distingue la geometría del haz de la energía transmitida a un recinto y menciona dos antecedentes adicionales necesarios para un estudio de un edificio real.

Autoevaluación y enlace

Explica cada ángulo, reconstruye el vector y detecta un cambio de convenio. No avances confiando solo en una imagen de sombras. ARQ-273 aplicará la dirección a un alero y mostrará por qué una solución en sección todavía necesita revisión tridimensional.

Decisión pedagógica y posición curricular

Por qué existe

Esta clase existe para resolver una necesidad concreta del recorrido: ¿Cómo pasar de latitud, estación del año y tiempo solar a una dirección de luz que permita estudiar la orientación de un edificio, sin confundir altura solar, azimut y ángulo de incidencia?

Por qué está exactamente aquí

Ocupa el lugar 2 de la Parte 28. Se estudia después de ARQ-271 · Datos climáticos, series y representatividad porque usa esa base para responder «¿Cómo pasar de latitud, estación del año y tiempo solar a una dirección de luz que permita estudiar la orientación de un edificio, sin confundir altura solar, azimut y ángulo de incidencia?». Se ubica antes de ARQ-273 · Sombra, protección solar y estacionalidad porque la evidencia producida aquí debe estar disponible para ese paso.

• Prerrequisitos: ARQ-271, ARQ-024, ARQ-105
• Capacidad que introduce: ARQ-271 dejó clara la procedencia de las condiciones ambientales. Esta clase añade un sistema de coordenadas y una construcción geométrica verificable. Resolverás SOL-GEO-01 , compararás una superficie horizontal y dos fachadas y dibujarás el cambio entre mañana y tarde.
• Clases o experiencias que dependen de ella: ARQ-273, ARQ-287, ARQ-814

flowchart LR
    A["Prerrequisitos · ARQ-271, ARQ-024, ARQ-105"] --> B["ARQ-272 · necesidad y fundamento"]
    S["Fuentes · CLI-SHADING EnergyPlus 24.2: Shading Module + Responsable: NOAA Global Monitoring Laboratory. Consulta registrada:…"] --> B
    B --> C["Actividad auténtica"]
    C --> D["Evidencia auditable"]
    D --> E["Continuidad · ARQ-273, ARQ-287, ARQ-814"]

El diagrama permite comprobar una relación que el texto lineal oculta con facilidad: esta clase recibe capacidades previas, toma decisiones apoyadas por fuentes, exige una experiencia y produce evidencia que habilita trabajo posterior. No representa un procedimiento de obra.

Resultado observable, evidencia y evaluación

1. Identificar y delimitar las condiciones necesarias para responder la pregunta central de trayectoria solar y orientación.
2. Producir y comprobar la evidencia declarada por la clase: ARQ-271 dejó clara la procedencia de las condiciones ambientales. Esta clase añade un sistema de coordenadas y una construcción geométrica verificable. Resolverás SOL-GEO-01 , compararás una superficie horizontal y dos fachadas y dibujarás el cambio entre mañana y tarde.
3. Justificar una decisión de trayectoria solar y orientación mediante fuentes, supuestos, alternativas y límites explícitos.

Actividad, evidencia y criterio de aceptación

Actividad: Para latitud −30°, declinación cero y mediodía solar, calcula vector, altura e incidencia directa sobre suelo horizontal, fachada norte y fachada este con DNI ficticia de 600 W/m². Comprueba la longitud del vector. Después analiza a las nueve y quince solares qué componente cambia de signo y qué fachadas intercambian exposición.

Evidencia mínima: ARQ-271 dejó clara la procedencia de las condiciones ambientales. Esta clase añade un sistema de coordenadas y una construcción geométrica verificable. Resolverás SOL-GEO-01 , compararás una superficie horizontal y dos fachadas y dibujarás el cambio entre mañana y tarde.

Archivo sugerido: evidence/ARQ-272/evidencia.md.

Criterio de aceptación: la entrega se acepta cuando:

• La entrega responde explícitamente a la pregunta: ¿Cómo pasar de latitud, estación del año y tiempo solar a una dirección de luz que permita estudiar la orientación de un edificio, sin confundir altura solar, azimut y ángulo de incidencia?
• La actividad conserva las fronteras del caso y permite reconstruir el procedimiento: Para latitud −30°, declinación cero y mediodía solar, calcula vector, altura e incidencia directa sobre suelo horizontal, fachada norte y fachada este con DNI ficticia de 600 W/m². Comprueba la longitud del vector. Después analiza a las nueve y quince solares qué componente cambia de signo y qué fachadas intercambian exposición.
• Cada afirmación externa puede seguirse hasta una fuente, su alcance consultado y su límite.
• La evidencia deja disponible una entrada comprobable para ARQ-273.
• Explica cada ángulo, reconstruye el vector y detecta un cambio de convenio. No avances confiando solo en una imagen de sombras.

La rúbrica común complementa estos criterios; no los reemplaza. Una entrega puede superar un promedio y continuar pendiente si oculta una condición crítica.

Trazabilidad de las decisiones

La tabla permite auditar las relaciones; la explicación, el caso y la práctica de la clase siguen siendo la documentación principal.

Autoevaluación, recuperación y continuidad

Errores diagnósticos

Antes de avanzar, comprueba si puedes reconstruir cada resultado sin mirar la solución, señalar qué evidencia lo sostiene y nombrar una condición que obligaría a revisar tu decisión. Conserva la primera versión, la objeción recibida y la revisión.

Conexión siguiente: La continuidad inmediata es ARQ-273 · Sombra, protección solar y estacionalidad; conserva el método y vuelve a verificar datos y límites.

Fuentes y alcance de uso

Los modelos, datos, figuras, prácticas y soluciones son elaboraciones originales. Consulta de fuentes nuevas: 22 de septiembre de 2026. Las referencias heredadas conservan su alcance. No se afirma aplicación íntegra de normas ni ejecución de simuladores externos.

[CLI-SHADING] EnergyPlus 24.2: Shading Module

EnergyPlus / U.S. Department of Energy. https://bigladdersoftware.com/epx/docs/24-2/engineering-reference/shading-module.html

Consulta: Posición solar, sistema de coordenadas y proyección de sombras. Apoyo: Definir normales, ángulos y geometría antes de calcular incidencia y sombra. Límite: Las ecuaciones ENU y el alero docente se derivan con convenciones propias explícitas; no reproducen todo el algoritmo.

[CLI-SOLAR] Solar Calculation Details

NOAA Global Monitoring Laboratory. https://gml.noaa.gov/grad/solcalc/calcdetails.html

Consulta: Método, supuestos, advertencia de variabilidad y aviso de falta de mantenimiento del calculador. Apoyo: Separar geometría solar, refracción, tiempo y exactitud del resultado. Límite: El calculador indica que ya no recibe mantenimiento activo; no se usó como servicio de predicción ni certificación.

[ENE-SKY] EnergyPlus 24.2: Sky Radiance Model

EnergyPlus / U.S. Department of Energy. https://bigladdersoftware.com/epx/docs/24-2/engineering-reference/sky-radiance-model.html

Consulta: Radiación difusa sobre superficies y tratamiento distinto de obstrucciones. Apoyo: Evitar aplicar una fracción de sombra de haz directo a toda la radiación. Límite: No se implementó el modelo Perez ni se reprodujeron sus tablas de coeficientes.