Climatología y Conceptos Térmicos

Para comprender mejor los principales fundamentos de la arquitectura bioclimática, se debe tener claro el papel principal que tiene el Sol, concibiéndolo en todo momento como el centro sobre el que giran todos los sistemas bioclimáticos. Ésta es la razón por la que a la arquitectura bioclimática se le puede denominar también, como arquitectura solar pasiva. Partiendo de esta base, tal y como veremos en el amplio recorrido que se va a realizar en los próximos post, todos y cada uno de los sistemas, tanto activos como pasivos, están íntimamente ligados al sol, de manera más específica con la radiación que es producida por el mismo y es captada por nuestro planeta, transformada en energía por el ser humano.

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Si hablamos de radiación, hablamos pues de calor, de modo que en el tema que nos ocupa, el conocimiento de los materiales de construcción y su correcta selección, desde el punto de vista térmico, resulta de vital importancia cuando se busca reducir el consumo de energía en las edificaciones. Su conocimiento resulta indispensable cuando se trata de obtener condiciones de confort térmico por medios pasivos o sistemas naturales en el interior de las edificaciones.

La necesidad de crear un microclima es propia de cualquier ser vivo, lo que se traduce en la necesidad de adaptarse al entorno y construir edificaciones en las cuales se proteja a los usuarios de las condiciones externas. Estas condiciones pueden suponer variaciones en nuestra edificación, ya sea por condiciones extremas de frío o por la abundante radiación solar, lo que da como resultado una temperatura sofocante y alejada del confort que se pretende alcanzar.

Entre las diferentes patologías que pueden derivarse de la acción ambiental cabe destacar las humedades y grietas producidas por el cambio de temperatura, dilatación-contracción. Cuanto más bruscos sean estos cambios más palpables serán las patologías. Por ejemplo, una fachada orientada al norte en la que ha penetrado humedad, puede mantener dicha humedad durante todo el año.

En los siguientes artículos, se desarrollaran aspectos relacionados con la climatología, así como conceptos necesarios para comprender mejor las posibles soluciones que se nos plantean, para lograr una mayor adaptación y eficiencia energética.

Todos estos condicionantes y conceptos se deben tener en cuenta a la hora de diseñar una edificación en la que se apliquen los principios bioclimáticos:

1.- LA TRAYECTORIA SOLAR

solmovimientos

2.- UBICACIÓN Y MICROCLIMA

Isla de calor

3.-ORIENTACIÓN Y FORMA

Orientación y forma

4.-LA TRANSMISIÓN DEL CALOR

Transmision del calor

5.-RADIACIÓN DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADA

Tipos de radiacion

6.-EFECTO INVERNADERO

Efecto invernadero

7.-CONFORT TÉRMICO

confort termico

8.-CONVECCIÓN NATURAL

conveccion natural

9.-CALOR DE VAPORIZACIÓN

Calor de vaporización

10.-CAPACIDAD CALORÍFICA E INERCIA TÉRMICA

Capacidad calorifica e inercia termica

Consideraciones en Fase de Diseño

1.- EL EMPLAZAMIENTO

Partiendo de la base de que el lugar en el que será implantado un edificio va a condicionar el resto de decisiones que tendremos que adoptar, la elección del mismo será una decisión estratégica. Ésta condiciona de forma considerable el cálculo de la huella ecológica del edificio en hasta un 30%, por lo que tendrá una importancia crucial en nuestro planteamiento inicial.

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Para valorar la idoneidad del emplazamiento de la edificación que vamos a realizar tendremos en cuenta una serie de condicionantes entre los que cabe destacar la atribución al edificio de un balance de carbono aceptable, si la edificación obliga a los usuarios a realizar desplazamiento en coche diariamente. Por muchas virtudes que tenga desde el punto de vista energético o eficiente tendrá un balance negativo.

Por ello, la dispersión urbana es una de las causas más importantes de la elevada emisión de gases de efecto invernadero, afecta a la impermeabilidad de los suelos y genera grandes desplazamientos, además reduce los espacios con vegetación o en los que podrían existir, por ejemplo tierras cultivables.

Para un desarrollo urbano “sostenible” es necesaria la densificación de las ciudades, para ello existen distintas soluciones como el aprovechamiento al máximo de los vacíos urbanos, suelos bajo rasante para aprovechar la temperatura terrestre, así como la creación de edificios de más altura. Esto permitiría preservar los suelos cultivables y la vegetación.

2.- INFRAESTRUCTURAS EXISTENTES O PREVISTAS

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Las principales infraestructuras necesarias para que un edificio subsista son la acometida de agua, la conexión a la red de abastecimiento y de recogida de aguas residuales. Sin la existencia de estas infraestructuras su ejecución requerirá grandes recursos energéticos (tanto en energía consumida como en energía gris) y ocasionará grandes molestias.

Por esta razón se debe dar prioridad a los entornos que cuenten con estas instalaciones o que solo deban mejorarse o completar.

3.- ACCESIBILIDAD Y TRANSPORTE

Captura de pantalla 2014-03-05 a la(s) 12.11.22El uso de vehículos particulares que producen gases de efecto invernadero (en particular CO2) es una de las principales emisiones de este gas a la atmósfera que urge reducir, en concreto el 30,7% del total de las emisiones se deben a los medios de transporte motorizados (coche, camiones, etc.), por ello se debe promover un uso responsable de éstos y la utilización de transporte público de baja emisión de CO2 como solución. Un medio de transporte público se considera accesible si está situado a menos de 400 metros del edificio.

4.- EDIFICACIÓN DE NUEVA PLANTA

Captura de pantalla 2014-03-05 a la(s) 12.12.47En el caso de edificios existentes en un determinado emplazamiento para su ejecución se han utilizado un gran número de recursos que en su gran mayoría no son renovables, además del consumo energético durante el proceso constructivo. Explicado este punto y además teniendo en cuenta que su derribo, abandono o reciclaje (para los materiales que se pueda), puede acarrear una serie de molestias y nuevamente un consumo de energía.

Es indispensable valorar si es pertinente derribar el edificio existente desde el punto de vista de la huella ecológica de la operación o por contra la rehabilitación o ampliación sean soluciones más viables. En general la falta de adaptabilidad de las edificaciones suele ser la justificación más común para optar por el derribo.

5.- BUEN ASOLEO  

Captura de pantalla 2014-03-05 a la(s) 12.13.45El entorno próximo es generalmente fuente de sombras que se proyectan obstruyendo la luz solar, generalmente debido a la orientación, diferentes alturas de los edificios y las distancias que los separan.

El aporte de asoleo en un emplazamiento tiene grandes beneficios sobre el uso favorece los aportes solares pasivos ofreciendo confort y calidad de vida a los usuarios. Hay que tener en cuenta que el ángulo de radiación solar es más horizontal en invierno y vertical en verano.

6.- CONTAMINACIÓN DEL SUELO

Captura de pantalla 2014-03-05 a la(s) 12.15.11En ocasiones podemos encontrar suelos que están contaminados como consecuencia de actividades industriales que se desarrollaron en el lugar con anterioridad o debido a materiales almacenados en el terreno.

Una nueva construcción puede ser una buena oportunidad para descontaminar el suelo o controlar esa contaminación existente. Desde el punto de vista ecológico y aunque parezca extraño, es preferible edificar sobre suelos contaminados, esto evitará filtraciones producidas por el agua de lluvia por ejemplo al nivel freático, además no alteraríamos ningún ecosistema que pueda albergar fauna o flora.

7.- LA VEGETACIÓN DEL EMPLAZAMIENTO 

Captura de pantalla 2014-03-05 a la(s) 12.16.02 La vegetación, principalmente en las ciudades tiene una función relevante de captación y absorción de CO2 para producir oxigeno, mejorando la higrometría del ambiente.

La escasez de vegetación en las ciudades es muy común, la vegetación “salvaje” por lo general se desprecia principalmente por razones estéticas, aunque puede ser un factor de especial contribución a la mejora del aire. Se debe valorar la decisión de suprimir la vegetación existente en el emplazamiento.

En algunas ocasiones se puede optar por la eliminación de la vegetación existente para sustituirla por una nueva de mayor calidad, para ello se tendrá en cuenta el ciclo de vida de la nueva vegetación y su crecimiento, además de las necesidades  de adaptación al medio. En cualquier caso la eliminación de vegetación no debe alterar el entorno y el equilibrio ya existente.

 

8.- ELEMENTOS PERJUDICIALES

Captura de pantalla 2014-03-05 a la(s) 12.18.18En ocasiones un determinado emplazamiento puede sufrir molestias acústicas, olfativas, electromagnéticas o relacionadas con la contaminación del aire, convirtiéndolo en un lugar poco idóneo para ciertos usos.

Un estudio previo del entorno, mediante la toma de muestras ayudará a tomar medidas relativas a las emisiones sonoras o las ondas electromagnéticas producidas por ejemplo, por antenas o líneas de alta tensión. En principio este tipo de inconvenientes están previstos en el planeamiento urbanístico.

Los materiales en la Arquitectura Bioclimática

Antes de nada y a modo de breve comentario, recordar que la arquitectura bioclimática es una arquitectura que diseña con el fin de conseguir unas condiciones de bienestar interior, aumentando notablemente el confort y la eficiencia energética de las edificaciones. Esto se consigue aprovechando las condiciones del entorno, donde el clima, el microclima, la orientación, los vientos, la humedad, las aguas subterráneas, las corrientes telúricas, los campos electromagnéticos y por supuesto una buena elección de materiales nos dan como resultado una solución particularizada consiguiendo una casa más integrada con el entorno, más agradable, económica y sobre todo sana.

La elección de los materiales pasa por todo un análisis, teniendo en cuenta, no solo su disposición sino su comportamiento y su ciclo completo de vida. Tanto desde el punto de vista económico, como desde el ecológico, es interesante saber cómo se desarrolla la vida de un material desde su origen como se produce, como vive, como muere y como se incorporan de nuevo a la naturaleza.

Con la propia arquitectura y sin necesidad de utilizar sistemas complejos, podemos conseguir un nivel de confort que en muchos lugares sería suficiente para mantener una temperatura confortable sin tener que usar fuentes de energía convencional, o preferiblemente alternativas.

La arquitectura bioclimática, como luego veremos no es solo gestión energética, sino que es un concepto más amplio y profundo que abarca desde el uso sostenible de los materiales al tratamiento del sol y el viento, pasando también por la integración medioambiental.

Los materiales, en la mencionada anteriormente arquitectura popular, debían responder de una forma muy evidente al uso sostenible de sus recursos, pero a su vez, de modo más sutil, debían servir para la correcta gestión de la energía, su captación acumulación y aprovechamiento, y para hacer más confortables y habitables los espacios interiores.

Allí donde los recursos son mínimos la arquitectura debe buscar en la imaginación y en la intuición, más que en la naturaleza, los medios materiales para realizarse. Por ejemplo, en Islandia donde falta la madera, los muros se hacen con bloques de pasto, aprovechando su ligereza como aislante; los “inuit” realizan sus iglús con el único material del que disponen, el hielo que les rodea, y de un modo tan eficaz que se acondicionan con la poca energía que proporciona una lamparilla de aceite y el calor del propio cuerpo; en el desierto, donde las tribus nómadas fabrican los tejidos de sus “jaimas” con la lana de sus cabras. En todos estos casos el uso de los materiales ha sido el resultado de la aplicación de los recursos más inmediatos de los que disponían para construir, pero nunca ha sido el motivo exclusivo ya que los materiales siempre han estado en sintonía con la gestión de la energía necesaria para el acondicionamiento.

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En este sentido podríamos decir que los materiales responden a tres situaciones posibles: climas favorables donde las condiciones exteriores ya respetan el bienestar, climas con condiciones extremas pero donde los recursos energéticos naturales permiten el acondicionamiento pasivo y climas donde lo anterior ya no es posible.

En España, el conjunto de climas y microclimas del que disfrutamos responden a la segunda de las situaciones. En este caso, para alcanzar las condiciones de bienestar es necesario aprovechar el calor que nos proporciona la radiación solar o el aire frío nocturno. Pero surge un problema, debido a que estos fenómenos son erráticos, irregulares en el tiempo, día-noche, verano-invierno, y se ven alterados ocasionalmente, días nublados, de lluvia, particularmente calurosos o fríos. Para alcanzar el aprovechamiento máximo es necesario acumular la energía que nos llega para distribuirla durante el resto de las horas del día. Y contado con que estos fenómenos en general son breves esa acumulación se debe hacer rápidamente: por ejemplo, en invierno podemos aprovechar la radiación solar en una fachada orientada al sur durante escasamente cuatro horas, y esa energía nos debe durar las veinte restantes.

Dicho esto, los materiales que configuren el edificio bioclimático deberán tener una gran capacidad para acumular la energía, calor o frío. Los materiales que más energía acumulan son los que mayor inercia tienen, es decir, los más densos y con mayor calor específico; entre estos se encuentran los metales, las piedras, las cerámicas y las tierras. Pero quizá lo más importante es que deben acumular esa energía rápidamente. Si lo hacen lentamente, la energía que pretendemos aprovechar permanecerá en el aire y se eliminara rápidamente con la ventilación, sin embargo, si se acumula en la construcción, en sus materiales, la podremos disfrutar durante mucho más tiempo conservándola en ellos, esta propiedad térmica es de crucial importancia, es por ello por lo que en las entradas o post siguientes se ha considerado de manera prioritaria.

Es importante saber que en los materiales, la propiedad física que nos indica la rapidez con la que estos se calientan es su difusividad térmica. Los materiales con altas difusividades térmicas son materiales de calentamiento rápido, mientras que los que tienen una difusividad térmica baja se calientan más lentamente. Los materiales de calentamiento más rápido son los metales, y en segundo lugar las piedras, tierras y cerámicas. Por su parte, los que más lentamente se calientan son las maderas. Los materiales de calentamiento rápido distribuyen la energía entre toda su masa con rapidez, ofreciendo una temperatura superficial baja; son materiales fríos al tacto. Mientras que los materiales de calentamiento lento dejan que la energía se acumule solo en la superficie; son los materiales cálidos al tacto.

Esto quiere decir que cuando queremos aprovechar la radiación solar no es suficiente con colocar gran cantidad de huecos acristalados orientados adecuadamente, sino que hay que construir interiormente el espacio con materiales que se calienten rápidamente y que se acumulen grandes cantidades de energía. Descartando los metales, por tratarse de materiales poco habituales como acabados interiores, los más adecuados son las piedras, tierras y cerámicas, es decir, lo que tradicionalmente se ha utilizado en los climas españoles. Por el contrario, los que resultan completamente inadecuados son las maderas, por ser materiales de calentamiento lento y con poquísima inercia térmica.

Hay una gran diversidad de opiniones en este tema, sobre todo respecto a la madera, pero lo que sí está claro es que la madera se utiliza en aquellos climas donde no es posible el calentamiento solar, por la escasa intensidad de la radiación solar o por las pocas horas de sol, y donde lo importante es la capacidad aislante del material, aspecto en el que la madera es mucho mejor que otros materiales. Por eso, en los países nórdicos, repletos de bosque, en los que durante el invierno reina la noche perpetua, y en los que cuando luce el sol lo hace débilmente, la madera es el material por excelencia.

De esto sacamos una conclusión importante, y es que generalmente, los materiales bioclimáticos, no son los mismos aquí que en otro lugar del mundo, hay que tener en cuenta varios factores, en los que se profundizará en los próximos capítulos.

En esos climas, donde no puede haber calentamiento pasivo, lo que debe hacer la arquitectura bioclimática es gestionar eficazmente el consumo de energía convencional, y eso se consigue con acabados de madera que, al no acumular calor, conforman espacios donde cualquier pequeña cantidad de energía convencional calienta el aire; el ejemplo perfecto es la sauna finlandesa.

En los climas donde las condiciones son tan benignas que no hace falta ninguna captación, ni ningún consumo de energía convencional, los materiales tienen menor importancia, ya que la estrategia bioclimática que predomina es la ventilación.

La bioconstrucción ofrece otra visión del empleo de los materiales, ésta es una rama del bioclimatísmo que hace particular hincapié en el espacio saludable y está vinculada a la geobiología y a la selección de materiales y sistemas constructivos sanos. No se preocupa tanto de otros aspectos bioclimáticos como el aprovechamiento y captación de energía pasiva.

En este punto es donde surge la disparidad entre la arquitectura bioclimática, en el sentido más amplio, y la bioconstrucción, no tanto por cuestiones básicas, sino por cuestiones de prioridad a la hora de tomar ciertas decisiones, más especificas.

Es importante comprender estas diferencias, para entender el buen uso de la madera; si en los edificios de alta eficiencia energética lo único que preocupa es la energía, sin dar mayor trascendencia al ambiente saludable, a la bioconstrucción básicamente le ocupa el ambiente sano. Por ello es tan frecuente ver como se promueven en estos edificios, el empleo de la madera como material estructural y de recubrimiento básico, sin dar importancia al aprovechamiento de la energía natural del sol o del viento.

Por último, la edificación sostenible contempla un uso racional de suelo, de los materiales, de la energía que consume, de la gran cantidad de agua que utiliza y una reducción de los residuos que genera.

Los materiales para una arquitectura bioclimática surgen debido a que la mayor parte de los edificios están construidos con materiales que respetan muy poco o nada el medio ambiente. Materiales altamente tóxicos, en cuanto a su fabricación y combustión. Otros materiales proceden de las pinturas y barnices que son productos derivados del petróleo y en cuyo origen se incluyen elementos volátiles tóxicos como el xileno, cetonas, toluenos, etc. Son materiales que requieren un alto consumo de combustibles fósiles para su producción, que además de ser cada vez más escasos y costosos, aumentan la contaminación porque en su combustión emiten grandes volúmenes de gases nocivos contaminantes.

Pero frente a este tipo de materiales existen alternativas, que pueden parecer más caras, pero cuyo uso a largo plazo resulta más rentable porque proporcionan un importante ahorro energético, con lo que se obtiene la construcción de viviendas de mayor calidad, y una calidad respetuosa con el medio ambiente.

También se elaboran materiales ecológicos a partir de escombros y de residuos sólidos industriales, que sustituyen el consumo creciente de materias primas, escasas o ubicadas en lugares distantes, reduciendo el incremento de costos y resultando más económicos que los materiales tradicionales de construcción. Podemos citar como ejemplo sistemas de ahorro de agua y autoabastecimiento con energía solar y/o eólica.

No obstante, de poco sirve utilizar materiales ecológicos si los edificios no están bien diseñados, fallando por ejemplo la orientación lo cual supondrían un gran gasto energético para calentar el ambiente, generalmente éste se hace mediante combustibles fósiles emitiendo diariamente grandes cantidades de CO₂ a la atmosfera.

Por lo tanto, se deben tener en cuenta tanto la respuesta deseada de los materiales que son más adecuados para cada caso concreto, como la zona climática y las diferentes consideraciones a la hora de realizar una edificación, no solo en la aplicación de sus sistemas constructivos sino durante su gestación y la posterior concepción del edificio en cuestión. Consideraciones previas, sistemas constructivos y características de los materiales que analizaremos más detenidamente en próximas entradas…

El concepto

Para comprender mejor en qué consiste esta corriente de la arquitectura es interesante descomponer y analizar su significado y morfología:

– “Bioclimático, ca. (De bio- y climático). Adj. Dicho de un edificio o de su disposición en el espacio: Que trata de aprovechar las condiciones medioambientales en beneficio de los usuarios.”

– “Bio-. (Del gr. βιο-). Elem. compos. Significa ‘vida’.”

– “Climático, ca. Adj. Perteneciente o relativo al clima.”

Por lo tanto, hablamos de un término que hace referencia a la vida y el clima en la edificación, a la vida tanto de las personas que habitan, mejorando o protegiendo la salud de los usuarios y el medio que lo contiene, adaptándose al mismo y respetando los recursos naturales que éste le ofrece, haciendo un uso responsable de los mismos.

Una vez aclarado este punto, podríamos definir la arquitectura bioclimática también llamada arquitectura solar pasiva, como la fusión de los conocimientos adquiridos por la arquitectura tradicional a lo largo de los siglos con las técnicas más avanzadas de confort y de ahorro energético. El objetivo de la misma es cubrir las necesidades de sus habitantes con el menor gasto posible, independientemente de la temperatura exterior, para lo cual se diseña la edificación con el doble fin de captar toda la energía solar posible (cuando se desea) y evitar las pérdidas de calor en invierno (o las ganancias, en verano).

Para ello, se trata de estudiar a conciencia tanto el diseño de la edificación como los materiales a utilizar con miras a dar origen a una edificación ahorradora y confortable. La arquitectura moderna aporta el concepto de eficiencia y simplicidad en la distribución interior, suprimiendo pasillos, bajando los techos, y optimizando la colocación de elementos de la cocina, con lo que se gana comodidad interior, pero ha sufrido un empeoramiento en otros ámbitos.

La diferencia entre la arquitectura moderna y la arquitectura bioclimática es que la primera necesita enormes cantidades de energía que no es generada por la propia vivienda para calentar agua o el clima interior, enfriar en épocas de calor o iluminar, mientras que la vivienda bioclimática por estar integrada en su ambiente no requiere de tanta energía obteniéndola del medio, fundamentalmente del sol. Esto se conseguirá mediante el aislamiento, dimensiones razonables, orientación y aperturas adecuadas, así como el aprovechamiento de los recursos y energía del entorno. Una casa bien aislada pierde la mitad de calor, y si está bien orientada y con aperturas convenientes puede ganar hasta 3 veces más energía que una vivienda convencional, con lo que si sumamos ambos conceptos sería posible gastar 6 veces menos energía.