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…

Diagrama Bioclimático de Givoni

Givoni en su diagrama bioclimático para edificios “Building Bioclimatic Chart” introduce como variable el efecto de la propia edificación sobre el ambiente interno, el edificio se interpone entre las condiciones exteriores e  interiores y el objetivo fundamental de la carta bioclimática consiste en utilizar unos materiales y una estructura constructiva, cuya respuesta ante unas determinadas condiciones exteriores permita crear un ambiente interior comprendido dentro de la zona de bienestar térmico.

El diagrama de Givoni es una carta que permite determinar la estrategia bio­climática a adoptar en función de las condiciones higrotérmicas del edificio en una determinada época del año. En el diagrama se distinguen unas zonas asociadas a sus respectivas técnicas bioclimáticas que permiten alcanzar la zona de bienestar.

La carta se construye sobre un diagrama psicrométrico y en ella se distinguen una serie de zonas características:

  • Una zona de bienestar térmico delimitada a partir de la temperatura del termómetro seco y la humedad relativa, sin tener en cuenta otros factores.
  • Zona de bienestar ampliada por la acción de otros factores adicionales:

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a)     Hacia la derecha la zona de bienestar puede ampliar en función de la masa térmica del edificio, representada por los tipos de materiales de la construcción; el enfriamiento evaporativo, que se produce cuando una corriente de aire seco y cálido pasa sobre una superficie de agua, parte de la cual se evapora produciendo un doble efecto positivo: descenso de la temperatura por la energía utilizada en el proceso de evaporación y aumento de la humedad ambiental. Fuera de estos límites y hacia la derecha del gráfico, solo se pueden conseguir las condiciones adecuadas con sistemas mecánicos de ventilación y deshumificación.

b)     Hacia la izquierda del gráfico la zona de confort se extiende siempre que se produzca calentamiento, que puede ser calentamiento pasivo, es decir, utilizando la radiación solar directa, durante el día, o el calor almacenado en acumuladores, durante la noche y calentamiento mecánico, mediante el uso de sistemas convencionales de calefacción.

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Como ocurre con la carta de Olgyay, la utilidad del diagrama es indiscutible, sin embargo el problema consiste, primero en determinar los límites de confort, bastante diferentes según autores y zonas y, en segundo lugar, utilizar los datos adecuados de temperatura y humedad, que deberían ser horarios o, al menos representativos de los distintos ambientes que se producen a lo largo del día, sobre todo en climas tan contrastados como los del interior de la Península.

Un ejemplo de aplicación lo podemos encontrar en la realización del Museo Ydañez en Puente de Genave:

Image(Click en la imagen para saber mas sobre el proyecto)

Diagrama Bioclimático de Olgyay

Los hermanos Olgyay desarrollaron en una de sus obras “The Bioclimatic Chart”, una carta bioclimática en la que se integran dos variables fundamentales para el bienestar, la humedad y la temperatura. Además se añaden otras como la velocidad del viento, la radiación y la evaporación que son medidas correctoras.

El procedimiento deseable será trabajar con y no contra las fuerzas naturales y hacer uso de sus potencialidades para crear mejores condiciones de vida…El procedimiento para construir una casa climáticamente balanceada se divide en cuatro pasos, de los cuales el último es la expresión arquitectónica. La expresión debe estar precedida por el estudio de las variables climáticas, biológicas y tecnológicas…” (Olgyay, 1963).

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Dentro de este diagrama se pueden distinguir:

a)     Una zona de bienestar o confort de referencia para una persona en reposo y a la sombra, con una temperatura ambiente entre 22ºC y 27ºC, y una humedad relativa entre el 20% y el 80%, unos límites que corresponden a una sensación térmica aceptable.

b)     En el eje de ordenadas se representa la temperatura seca del aire, es decir, la que indica un termómetro normal.

c)     En el eje de abscisas se representa la humedad relativa del aire.

d)     También aparecen una serie de líneas, que representan las medidas correctoras que es preciso realizar en el caso de que las condiciones de temperatura y humedad salgan fuera de la zona de confort.

Estas líneas son:

  • La radiación expresada en Kcal/hora se sitúa en el límite inferior de la zona de confort y con ella se dibuja la línea de sombra o límite a partir del cual el confort se pierde como consecuencia del frío.
  • El viento en m/s. se representa por una líneas crecientes con la temperatura y decrecientes con la humedad.
  • La línea de congelación, aparece en el borde inferior del gráfico e indica la temperatura mínima soportable antes de que aparezcan problemas de congelación en los miembros.
  • La línea de insolación, en la parte superior, indica posibles desmayos por la combinación de altas temperaturas y elevada humedad.

Los puntos situados por debajo de la zona de confort indican periodos con defecto de calor,  por lo que es necesaria la radiación solar para alcanzar la confortabilidad. Los puntos situados por encima indican periodos sobrecalentados y el bienestar requiere del concurso de la ventilación o enfriamiento evaporativo para regresar a la zona de confort. En la utilización del gráfico pueden tomarse temperaturas mensuales, medias o extremas o los valores diarios.

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Cada zona geográfica dispone de una carta bioclimática específica en función de las condiciones ambientales correspondientes a su clima. Sobre una de estas cartas pueden estudiarse las actuaciones a realizar entre el punto de partida de una estancia y aquél que garantizaría el confort térmico.

Diagrama Psicrométrico

Los diagramas psicrométricos permiten determinar de forma gráfica el conteni­do de vapor de agua en el ambiente en función de dos parámetros. Esto es importante porque facilita la adopción de estrategias que permitan alcanzar unos límites razonables de confort térmico desde la posición inicial hasta la deseada. El aire que respiramos contiene una importante cantidad de agua en forma de vapor. En función de la cantidad de agua presente en el aire ambiente, se facilitará o impedirá la evaporación del sudor del cuerpo humano condicionando el principal procedimiento fisiológico utilizado por el cuerpo para regular la temperatura interna.

En las normativas españolas aparece reseñado como un punto de referencia para el cálculo del confort térmico de edificaciones en nuestro país.

En la siguiente figura se puede observar un diagrama psicrométrico (El diagrama no es constante, ya que es variable con la altura sobre el nivel del mar, aunque es usual en la bibliografía encontrarlo para la altura a nivel del mar) con sus parámetros significativos:

  • El eje horizontal representa en grados centígrados, °C, la temperatura seca, que corresponde a la que se obtiene con la lectura directa de un termómetro normal.
  • El eje vertical refleja la humedad absoluta. Se representa con el símbolo w y en el diagrama viene indicada en gramos de agua por kilogramo de aire seco (gw/kga).
  • La línea verde representa la línea de humedad relativa del 100%, que es indica­tiva del estado de saturación. Las líneas pintadas de azul son las líneas de humedades relativas inferiores a 100%. El valor de la humedad relativa está es­crito sobre la línea correspondiente. Por ejemplo, la representada de azul en esta figura representa una humedad relativa (HR) del 60%.
  • La línea naranja es la de la entalpía (cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno), representada con el símbolo h, siendo sus unidades kJ/kg aire seco.
  • La línea (100% de saturación) verde es el límite del diagrama del aire real.

La utilización del diagrama permite determinar el estado del aire conociendo sólo dos parámetros, siendo los más utilizados la temperatura seca y la hume­dad relativa. Tanto la temperatura seca como la humedad relativa son fáciles de obtener con un termohigrómetro.