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Universidad Politècnica de Catalunya
Master Oficial Arquitectura Energía y Medio Ambiente
Departamento de Construcciones Arquitectónicas I
Confort Térmico y Tipología
Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo
Análisis térmico de la cubierta ventilada
Mariana Guimarães Merçon
2008
Universidad Politècnica de Catalunya
Master Oficial Arquitectura Energía y Medio Ambiente
Departamento de Construcciones Arquitectónicas I
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en
Clima Cálido-Húmedo
Análisis térmico de la cubierta ventilada
Mariana Guimarães Merçon
Tesina presentada al Master Oficial Arquitectura, Energía
y Medio Ambiente de la Universidad Politècnica de
Catalunya, Barcelona, España.
Tutor: Rafael Serra Florensa
Barcelona, Septiembre 2008
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Resumen
El clima es factor determinante en las decisiones tomadas a cerca de la
vivienda, traduciendo la relación existente entre clima y arquitectura en la
búsqueda de las condiciones óptimas de confort térmico. La tipología
constructiva se encuentra definida más por las zonas climáticas que por las
fronteras territoriales. En zonas cálido-húmedas, la arquitectura característica
es ligera, muy ventilada, protegida en todas las direcciones de la radiación
solar y sin inercia térmica de ningún tipo. Como parte de esta arquitectura, la
cubierta ventilada presentase como el elemento constructivo más significativo,
ya que por si sola define el espacio e indica que el edificio es habitable,
ofreciendo protección contra la lluvia y el sol y creando un cobijo con un
microclima particular. Este trabajo estudia los efectos térmicos en el espacio
interior del edificio como consecuencia de las tipologías de cubiertas y sus
diferentes materiales.
Palabras-clave:
clima
cálido-húmedo,
arquitectura
bioclimática,
confort
térmico, cubierta ventilada.
i
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Índice
Introducción ............................................................................................. 1
Parte I.
El clima cálido-húmedo y su relación con el
hombre
.................................................................................... 5
I.1.
I.2.
El clima considerado...................................................................... 6
I.1.1
El clima Cálido-Húmedo en el planeta................................... 7
I.1.2
Las características del clima Cálido-Húmedo ........................ 8
Elementos del clima y los efectos sobre el ser humano .......... 10
I.2.1
Zona de Confort................................................................... 10
I.2.2
Elementos del Clima ............................................................ 11
I.1.1.1.
Temperatura del Aire ......................................................... 12
I.1.1.2.
Humedad Relativa ............................................................. 12
I.1.1.3.
Movimiento del Aire ........................................................... 13
I.1.1.4.
Radiación Solar.................................................................. 14
I.1.1.5.
Precipitación ...................................................................... 16
I.2.3
La Gráfica Bioclimática ........................................................ 16
I.2.4
Efectos Microclimáticos ....................................................... 19
Parte II.
I.1.1.6.
Altitud ................................................................................. 19
I.1.1.7.
Orientación del Relieve...................................................... 20
I.1.1.8.
Masas de agua .................................................................. 21
I.1.1.9.
Entorno construido............................................................. 22
I.1.1.10.
Vegetación ....................................................................... 23
Soluciones de diseño ambiental adoptadas en
respuesta al clima......................................................................... 25
II.1. La arquitectura vernácula del clima Cálido-Húmedo ................ 26
II.2. Orientación y forma de la arquitectura....................................... 30
II.2.1
II.2.2
La orientación ...................................................................... 30
I.1.1.11.
Los efectos del sol ........................................................... 30
I.1.1.12.
El impacto de la radiación solar ....................................... 30
La forma............................................................................... 31
I.1.1.13.
En la naturaleza ............................................................... 31
I.1.1.14.
Orientación sol-aire.......................................................... 33
ii
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1.1.15.
Distribución interna .......................................................... 34
I.1.1.16.
Factor viento .................................................................... 34
II.3. Ventilación .................................................................................... 36
II.3.1
Ventilación cruzada ............................................................. 36
II.3.2
Barreras de viento ............................................................... 39
II.3.3
La arquitectura..................................................................... 43
I.1.1.17.
Cubierta ventilada ............................................................ 43
I.1.1.18.
Cerramientos permeables................................................ 44
I.1.1.19.
Elevación del suelo .......................................................... 46
I.1.1.20.
Otros sistemas de ventilación .......................................... 46
II.4. Control solar ................................................................................. 48
II.4.1
La transmisión de calor........................................................ 48
II.4.2
La arquitectura..................................................................... 50
I.1.1.21.
Aleros o voladizos............................................................ 50
I.1.1.22.
Lamas, pantallas y celosías............................................. 51
I.1.1.23.
Vegetación ....................................................................... 54
II.5. El efecto térmico de los materiales............................................. 56
Parte III.
Análisis térmico de la cubierta ventilada ............. 58
III.1. La cubierta ventilada en los trópicos ......................................... 59
III.1.1 De la cubierta ventilada vernácula a la contemporánea ..... 59
III.1.2 Las tipologías y los materiales ............................................ 60
III.2. El análisis...................................................................................... 65
III.2.1 Hipótesis ............................................................................. 65
III.2.2 Descripción del estudio ....................................................... 65
I.1.1.24.
Definición del tipo y materiales de la cubierta.................. 65
I.1.1.25.
Los parámetros fijos......................................................... 67
III.2.3 Método ................................................................................ 71
III.2.4 Resultados .......................................................................... 75
I.1.1.26.
Cubierta no ventilada ....................................................... 76
I.1.1.27.
Cubierta ventilada ............................................................ 77
I.1.1.28.
Cubierta por materiales.................................................... 78
Consideraciones finales .............................................................. 83
Referencias Bibliográficas .................................................................... 87
iii
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Índice de Figuras
Figuras 1 y 2 – Casa rural en Australia y en Costa Rica. Los elementos y el lenguaje
arquitectónicos son los mismos aunque en regiones geográficas distintas. ................................ 2
Figura 3 – Los Climas del Mundo.................................................................................................. 6
Figura 4 – Posición de la ZCIT en julio (rojo) y en enero (azul).................................................... 7
Figura 5 – Temperaturas medias en la zona tropical del planeta. ................................................ 8
Figura 6 – Vegetación típica de la zona tropical. .......................................................................... 8
Figura 7 – Precipitaciones en la zona tropical. ............................................................................. 9
Figura 8 - El hombre y la interacción con el medio ambiente. .................................................... 10
Figura 9 - Cambios térmicas entre el hombre y el medioambiente. ........................................... 11
Figura 10 – El gráfico psicométrico. La relación de la temperatura del aire y la humedad relativa
influencian conjuntamente en la sensación de calor y frío. ........................................................ 13
Figura 11 – Gradientes de velocidad del viento en diferentes alturas y diferentes ambientes. (a)
Área urbana, (b) campo con vegetación y (c) campo abierto. .................................................... 14
Figura 12 – Intercambio calorífico al mediodía de un día de verano. ......................................... 15
Figura 13 – Gráfico de Olgyay para la latitud 40º norte. ............................................................. 17
Figura 14 – Gráfica de Olgyay aplicada para la ciudad de Miami, Florida.
Las curvas de
temperatura diaria tienen una clara tendencia horizontal. La distribución de la temperatura
anual está comprendida entre dos límites muy cercanos, así como la humedad. ..................... 18
Figura 15 – Comportamiento del aire durante la noche y durante el día en montes y vales. .... 20
Figura 16 – Comportamiento del viento en torno de una colina. ................................................ 21
Figura 17 – Direccionalidad de la lluvia y de los vientos en montañas....................................... 21
Figura 18 – Movimiento del aire junto al mar. (a) Desde el agua hacia le tierra durante el día y
(b) desde la tierra hacia el mar durante la noche........................................................................ 22
Figura 19 – Absorción del calor en los diferentes materiales. (a) Pavimento, (b) hierba y (c)
suelo. ........................................................................................................................................... 23
Figura 20 – Las temperaturas alrededor de los edificios son temperadas o agravadas por la
naturaleza de los materiales del entorno. ................................................................................... 23
Figura 21 – Efecto térmico producido por la sombra de un árbol. .............................................. 23
Figura 22 – Esquema de la vivienda tropical. ............................................................................. 27
iv
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 23 – Esquema de protección en las aberturas para evitar el deslumbramiento a través de
lamas fijas y móviles. .................................................................................................................. 28
Figuras 24, 25, 26, 27, 28, 29 y 30 – Casas venarculares en diversas regiones de clima
tropical: Asia, África, América Central y del Sur. ........................................................................ 29
Figura 31 – La orientación del edificio con formato este-oeste, con sus principales huecos
orientados en el eje norte-sur y el mínimo posible de huecos orientados para este y oeste. .... 31
Figura 32 – Las hojas de los árboles en cada tipo de clima: frío, templado, cálido-árido y cálidohúmedo........................................................................................................................................ 32
Figura 33 – La forma de la arquitectura cambia de acuerdo con la latitud en que está ubicada.
Más a norte suele a ser compacta priorizando la radiación solar, mientras que más cerca del
Ecuador suele ser más estrecha y alargada en el eje este-oeste priorizando los vientos
dominantes. ................................................................................................................................. 33
Figura 34 – Orientaciones sugeridas para las distintas estancias en el hemisferio norte. ......... 34
Figura 35 – Esquema de las áreas de presión proporcionada por la incidencia del viento en las
diferentes caras del edificio......................................................................................................... 36
Figura 36 – flujo de aire en el interior de la edificación. (a) Grande abertura de entrada y
pequeña abertura de salida no interfiere en la velocidad del aire, mientras que (b) pequeña
abertura de entrada garantizan velocidades máximas en el interior de la construcción. (c) y (d)
El movimiento del aire en el interior de la edificación hace siempre por el camino que sea más
fácil, o sea aquello en que exista una diferencia de presión más alta y una resistencia a su paso
más baja. ..................................................................................................................................... 37
Figura 37 - La situación de entrada determina el modelo de flujo que puede variar no solo por
el posicionamiento de las aberturas como también por el diseño de las mismas. ..................... 38
Figura 38 – Esquema de ventilación con entradas de aire posicionadas en la parte más baja y
salidas de aire posicionadas en la parte más alta del edificio para facilitar la renovación del aire
por diferencia de temperatura. .................................................................................................... 39
Figura 39 – La sombra de viento causada por el arbolado......................................................... 40
Figura 40 - La protección proporcionada por el viento depende del ancho y de la altura de la
barrera. ........................................................................................................................................ 40
Figura 41 - El movimiento del aire en áreas densas de vegetación y en áreas de escasa
vegetación. .................................................................................................................................. 41
Figura 42 – Implantación del edificio de forma aislada para permitir la ventilación cruzada...... 42
Figura 43 – La protección del viento con una ordenación lineal de edificios y de forma a
aprovechar al máximo las brisas................................................................................................. 42
Figura 44 – Modificación del movimiento del aire por medio de paisajismo............................... 43
v
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 45 – Esquema de la cubierta ventilada, utilizándose de un colchón de aire como aislante
y ventilación de la cubierta por efecto chimenea. ....................................................................... 44
Figura 46 – Separación entre espacio interno y externo con diferentes soluciones de
cerramientos móviles dispuestos de acuerdo con la necesidad del momento........................... 45
Figura 47 – La elevación del edificio en el terreno permite el cruce del aire por debajo del
edificio y, al mismo tiempo, protección de las humedades e inundaciones. .............................. 46
Figura 48 – Sistemas pasivos de ventilación: efecto chimenea, chimenea solar, aspiración
estática y torre de viento, respectivamente................................................................................. 47
Figura 49 – la energía radiante en las superficies transparentes. .............................................. 48
Figura 50 – La radiación solar proveniente de todas las direcciones. (a) Luz cenital, (b) luz
reflejada del exterior y (c) luz reflejada del interior. .................................................................... 49
Figura 51 – Utilización de elementos físicos para proporcionar sombra y no permitir la
penetración de la radiación solar directa. ................................................................................... 49
Figura 52 – Los porches y las galerías abiertas protegidos del sol y de la lluvia se convierten
locales abrigados y ventilados en la edificación tropical............................................................. 51
Figura 53 – Lamas horizontales, verticales y combinación de las dos con sus respectivos perfis
de sombra.................................................................................................................................... 52
Figura 54 – Reducción del deslumbramiento a través del oscurecimiento de las aberturas,
reduciendo la cantidad de luz y también la cantidad de calor. La luz que entra es filtrada por las
lamas y reflejada por el techo. .................................................................................................... 54
Figura 55 – Proyección de la sombra de los árboles en el edificio a las 9 horas de la mañana, al
mediodía y a las cuatro horas de la tarde. .................................................................................. 55
Figura 56 – En la pared las fuerzas térmicas actúan en el exterior en una combinación de los
impactos por convección y por radiación que son transmitidas para el interior del edificio según
sus propiedades. ......................................................................................................................... 56
Figura 57 –Estructura de ramas y cubierta de hojas de las árboles. En el detalle la paja de
coco. ............................................................................................................................................ 60
Figura 58 – La concepción de la cubierta cónica permite la ventilación cruzada en todas las
direcciones, independiente de la dirección del viento................................................................. 61
Figura 59 – Estructura de la cubierta piramidal en Indonesia..................................................... 61
Figura 60 – Cubiertas dobles en Camerún y en India, respectivamente.................................... 62
Figura 61 – Esquema de micro ventilación en la cubierta. ......................................................... 63
Figura 62 – Esquema de ventilación bajo el revestimiento en la cubierta.................................. 63
Figura 63 – Esquema de ventilación bajo techo en la cubierta. ................................................. 64
vi
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 64 – Plano, sección del edificio en estudio. ..................................................................... 68
Figura 65 – Vista aérea de la ciudad de Vitória, Espírito Santo, Brasil. ..................................... 69
Figura 66 – La cubierta no ventilada y sus posibilites. 1 – fibra natural (TF), 2 – teja de madera
(TM), 3 – teja de barro cocida (BR), 4 – teja de amianto (AM) y 5 – teja metálica de acero (MT).
..................................................................................................................................................... 75
Figura 67 – La cubierta ventilada y sus posibilites. 1 – fibra natural (TF), 2 – teja de madera
(TM), 3 – teja de barro cocida (BR), 4 – teja de amianto (AM) y 5 – teja metálica de acero (MT).
A – fibra natural (FN), B – madera (MD), C – forjado de hormigón (HM), D – plástico PVC (PL) y
E – placas de yeso acartonado (YS)........................................................................................... 76
Figura 68 – Temperatura media interior (Ti) para los diferentes materiales constructivos y
diferentes incrementos de aire en cubierta no ventilada. ........................................................... 77
Figura 69 – Temperatura media interior (Ti) para los diferentes materiales constructivos y
diferentes incrementos de aire en cubierta ventilada. ................................................................ 78
Figura 70 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de fibra natural (paja de coco) sin y
con forjado de fibra natural o madera. ........................................................................................ 78
Figura 71 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de madera sin y con forjado de fibra
natural o madera. ........................................................................................................................ 79
Figura 72 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja de barro cocida sin y con
forjado de madera, hormigón, plástico PVC o placas de yeso acartonado. ............................... 80
Figura 73 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja de amianto sin y con forjado
de madera, hormigón, plástico PVC o placas de yeso acartonado. ........................................... 80
Figura 74 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja metálica de acero sin y con
forjado de madera, hormigón, plástico PVC o placas de yeso acartonado. ............................... 81
vii
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Índice de Tablas
Tabla 1 - Temperaturas por hora a lo largo de un año para la ciudad de Vitória, Brasil, latitud
20º sur. La mayor parte de las horas las temperaturas sobrepasan las de la zona de confort
indicando la necesidad de protección solar para la mayor parte del año................................... 53
Tabla 2 – Definiciones de los casos de estudio a partir de la selección de los materiales de
capa exterior y forjado y de la tipología de la cubierta................................................................ 67
Tabla 3 – Las características de los materiales constructivos de la cubierta ventilada.............. 67
Tabla 4 – Materiales de los cerramientos del edificio. ................................................................ 69
Tabla 5 - Las características de los materiales constructivos..................................................... 69
Tabla 6 - Medias mensuales de temperatura media, media máxima y media mínima, humedad
relativa y precipitación para la ciudad de Vitória, Espírito Santo, Brasil. Además la frecuencia y
velocidad del viento por dirección. .............................................................................................. 70
Tabla 7 – La radiación solar en las superficies captadoras para la ciudad de Vitória, Espírito
Santo, Brasil. ............................................................................................................................... 71
viii
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Introducción
El control del entorno y la creación de condiciones
adecuadas a sus necesidades y al desarrollo de sus
actividades son cuestiones que el hombre se ha
planteado desde sus orígenes. A lo largo del tiempo, los
hombres han buscado, en la construcción de sus
refugios, satisfacer las necesidades humanas básicas: la
protección ante los elementos y la provisión de un
espacio dotado de una atmósfera favorable para el
recogimiento espiritual.1
El hombre siempre buscó en la arquitectura una manera de protegerse,
sea del sol o de la lluvia, sea del calor o del frío. Además, la creación de un
local donde sea capaz de satisfacer sus necesidades, en la busca de confort
térmico y desarrollo de sus actividades.
El clima es factor determinante en las decisiones tomadas a cerca de la
vivienda, visto que los parámetros que actúan en cada situación hacen con que
cada región tenga condiciones distintas de temperatura del aire, de radiación,
de humedad relativa y de movimiento del aire.
Estos parámetros en combinaciones únicas definen las zonas climáticas,
que poseen clasificaciones distintas de acuerdo con cada autor, siendo los más
utilizados el de W. Köppen. Adoptando como criterio la relación entre clima y
vegetación, determina cinco zonas climáticas básicas: tropical-lluviosa, seca,
templada, boscosa-fría y polar.
Dentro de la clasificación de W. Köppen, este trabajo se especifica en
estudiar el clima tropical-lluvioso, o cálido-húmedo, y su relación con la
arquitectura.
Esta relación existente entre clima y arquitectura está explicada por
Jean Dollfus en su muestrario de viviendas de todo el mundo en que afirma que
el principal objetivo de las construcciones ha sido siempre la búsqueda de las
condiciones óptimas de confort térmico. Según sus análisis, concluye que la
1
Olgyay (1963).
1
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
tipología constructiva se encuentra definida más por las zonas climáticas que
por las fronteras territoriales. Aunque existan variaciones, producto de
particularidades de cada cultura o de disponibilidad de material, la forma de la
vivienda autóctona nace de su relación con el entorno.
La proporción entre macizo y aberturas al exterior
depende tanto de la psicología popular como del clima y
de los materiales empleados.2
Figuras 1 y 2 – Casa rural en Australia y en Costa
Rica. Los elementos y el lenguaje arquitectónicos son
los mismos aunque en regiones geográficas distintas.
Desde la antigüedad el hombre reconocía que la adaptación era un
principio esencial en la arquitectura con el objetivo de alcanzar el confort
térmico.
En las zonas cálido-húmedas, donde las temperaturas son altas, la
radiación siempre intensa, las nubes y lluvias son frecuentes, y la humedad es
constantemente alta: la arquitectura popular característica es ligera, muy
ventilada, protegida en todas las direcciones de la radiación y sin inercia
térmica de ningún tipo.
En las regiones cálido-secas, las temperaturas son muy altas durante el
día pero bajan bastante durante la noche. La radiación solar es directa y los
vientos cargados de polvo son molestos, que hacen con que la arquitectura de
2
Dollfus por Olgyay (1963).
2
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
este clima sea compacta, con escasas aberturas, muchas veces con gruesas
paredes o subterráneas para obtener la máxima inercia térmica. Además
utilizan el recurso del patio, protegido del sol, humedecido y refrescado con la
presencia de agua.
En las regiones frías, con las temperaturas bajas durante todo el año,
escasa radiación y precipitaciones frecuentes, la arquitectura autóctona es
compacta, aislada y con pequeñas aberturas, con el objetivo de conservación
de calor en su interior.
En
climas
templados,
donde
presentan
acusados
cambios
de
condiciones a lo largo del año, la arquitectura se hace más compleja, al tener
que ser adaptable. La arquitectura popular siempre se ha visto obligada a
incorporar soluciones y sistemas flexibles, que facilitan resolver los problemas
de frío en invierno y de calor en verano, como sistemas de sombreamiento para
días cálidos y aislamiento móviles para días fríos, aberturas practicables para
permitir la ventilación, espacios intermedios entre interior y exterior para
generar microclimas favorables, etc.
La arquitectura se modifica a fin de proporcionar al hombre las
condiciones necesarias de confort.
La consecuencia final de todas las consideraciones que pueden hacerse
sobre el bienestar es que, en cualquier espacio arquitectónico se puede actuar,
desde el inicio del diseño, sobre los parámetros ambientales que resultarán en
el edificio. Es decir, la “arquitectura del ambiente”, en cual la persona receptora
del mismo pasa a ser el primer factor a considerar.
La tesina tiene por objetivo estudiar los efectos del clima sobre el
hombre y relaciónalo con las tipologías de arquitectura para climas cálidoshúmedos, a través de soluciones de diseño ambiental que sean capaces de
responder a las necesidades de confort térmico del hombre.
El trabajo se desarrolla en tres partes:
Parte I. El clima cálido-húmedo y su relación con el hombre
Parte II. Soluciones de diseño ambiental adoptadas en respuesta al
clima
3
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Parte III. Análisis térmico de la cubierta ventilada
La primera parte trata de describir las características del clima cálidohúmedo y sus efectos en el confort térmico del hombre. La influencia de los
parámetros de temperatura del aire, radiación, humedad relativa y movimiento
del aire en tales condiciones climáticas.
La segunda parte trata de relacionar las tipologías arquitectónicas
(soluciones de diseño) capaces de responder a las necesidades de confort
térmico del hombre para el clima en cuestión.
El trabajo se completa con la tercera parte que trata de hacer un análisis
térmico de la cubierta doble ventilada tradicional y contemporánea, con sus
diferentes materiales, a fin de verificar su respuesta térmica en el espacio
interior de la edificación.
4
Parte I.
El clima cálido-húmedo y su relación
con el hombre
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1. El clima considerado
Se comprende por clima el conjunto de los valores promedios de las
condiciones atmosféricas que caracterizan una región. Estos valores promedio
se obtienen con la recopilación de la información meteorológica durante un
periodo de tiempo suficientemente largo. Según se refiera al mundo, a una
zona o región, o a una localidad concreta se habla de clima global, zonal,
regional o local (microclima), respectivamente.3
Figura 3 – Los Climas del Mundo
Para el estudio del clima local hay que analizar los elementos del tiempo:
la temperatura del aire, la humedad relativa, la radiación solar, los movimiento
de aire y las precipitaciones.
Hay una serie de factores que pueden influir sobre estos elementos: la
latitud geográfica, la altitud del lugar, la orientación del relieve con respecto a la
incidencia de los rayos solares o a la de los vientos predominantes, las
corrientes oceánicas y la continentalidad, distancia al océano o al mar.
3
Wikipedia
6
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1.1
El clima Cálido-Húmedo en el planeta
El clima cálido-húmedo es propio de las regiones tropicales, entre lo 0º
latitud (Ecuador) y los 23º latitud Norte y Sur, es decir, entre los trópicos de
Cáncer y Capricornio, respectivamente.
Dicho clima es consecuencia de la Zona de Convergencia Intertropical
(ZCIT), un cinturón de baja presión que ciñe el globo terrestre el la región
ecuatorial. Está formado, como su nombre indica, por la convergencia de aire
cálido y húmedo de latitudes por encima y por debajo del ecuador.
En estas áreas la lluvia simplemente se intensifica con el aumento de la
insolación solar y disminuye a medida que el sol ilumina otras latitudes. Las
variaciones de posición de la ZCIT afecta las precipitaciones en los países
ecuatoriales produciendo estaciones secas y húmedas en lugar de frías y
cálidas como en las latitudes superiores. Además, modifica la dirección del
viento, de norte a sur y viceversa.
Figura 4 – Posición de la ZCIT en julio (rojo) y en enero (azul).
Estas condiciones climáticas se encuentran en los siguientes países:
México
Colombia
Costa Dorada
Mozambique
Malasia
Islas del Caribe
Venezuela
Nigeria
Madagascar
Indonesia
Guatemala
Guianas
África Ecuatorial
India
Indo-China
Honduras
Brasil
Congo
Pakistán
Filipinas
Nicaragua
África Occidental
Kenya
Ceylon
Australia
Costa Rica
Sierra Leona
Tanganyika
Burma
Panamá
Liberia
Uganda
Tailandia
7
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1.2
Las características del clima Cálido-Húmedo
En el clima de las zonas intertropical las temperaturas medias son altas,
con variaciones poco acusadas entre día-noche y estacionales. La humedad es
muy alta, frecuente nebulosidad y fuertes precipitaciones irregulares. Es decir,
las temperaturas medias mensuales son elevadas y bastante uniformes a lo
largo del año, siendo la media anual superior a los 20 ºC. El régimen térmico
varía entre 3 y 10 ºC, mayor en el interior y menor en las áreas costeras. Las
precipitaciones oscilan entre los 400 y los 1.000 mm anuales, aunque la
variedad de clima monzónico alcanza valores muy superiores. Alternan las
estaciones secas cuya duración varía según la proximidad al Ecuador terrestre,
y una estación húmeda con un gran número de precipitaciones.
Figura 5 – Temperaturas medias en la zona tropical del planeta.
Figura 6 – Vegetación típica de la zona tropical.
8
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 7 – Precipitaciones en la zona tropical.
9
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.2. Elementos del clima y los efectos sobre el ser
humano
I.2.1
Zona de Confort
Los efectos del medio ambiente inciden directamente sobre el hombre a
través de los parámetros térmicos, acústicos y lumínicos. Sumado a estos, los
factores de confort físico, biológico-fisiológico, sociológico y psicológico. El
cuerpo humano puede absorberlos o percibir sus efectos, esforzándose para
llegar a un punto de equilibrio, adaptándose a su entorno a punto que
solamente requiera un mínimo de energía. Las condiciones bajo las cuales
consigue este objetivo se definen como zona de confort.
Dentro de los elementos físicos del entorno que tienen influencia sobre
las personas, este trabajo se limita analizar uno de los elementos – la
sensación térmica –, sin el cual no es posible satisfacer el confort.
Figura 8 - El hombre y la interacción con el medio ambiente.
10
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
El aire reúne tres de los cuatros parámetros que
condicionan la sensación térmica: su temperatura, humedad
(contenido de vapor de agua) y movimiento (velocidad).
Sumado a estos, la radiación solar, que juntos forman los
elementos principales que afectan la comodidad.
Los medios por los que el ser humano intercambia
calor con el ambiente físico pueden clasificarse en cuatro
procesos principales. A través de la radiación se estima que
el cuerpo humano pierde 40% de su calor. Pierde otros
40% por convección y conducción y, los 20% restantes por
la evaporación. Sin embargo, estas proporciones poden
cambiar si ocurren variaciones en las condiciones térmicas.
Figura 9 - Cambios
térmicas entre el
hombre y el
medioambiente.
Por ejemplo, en climas con alta humedad la evaporación a
través de la piel tornase perjudicada debido al alto índice de
vapor de agua presente en el ambiente.
Hay que tener en cuenta para definir la zona de confort la variabilidad de
la sensación térmica de los individuos: el tipo de vestimenta, naturaleza de
actividad que se realiza, sexo, edad y la aclimatación, que de acuerdo con la
localización geográfica afecta la sensación de confort.
El límite superior de temperatura a que puede resistir el hombre es el
unto de insolación debido a la radiación solar, y el límite mínimo es el punto de
congelación. Entonces, la temperatura ideal de aire debe encontrarse en la
media de los dos extremos.
En estos límites, se mueven las condiciones de comodidad térmica, que
dependerá de los factores de los usuarios. Hay que hablar de temperaturas del
aire entre 15 y casi 30º C, con humedades entre el 40 y el 80% de la saturación
para cada temperatura.
La vivienda es el principal instrumento que nos permite satisfacer las
exigencias de confort adecuadas. Modifica el entorno natural y nos aproxima a
las condiciones óptimas de habitabilidad.
I.2.2
Elementos del Clima
11
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
A los arquitectos interesan aquellos aspectos del clima que afectan al
confort humano y al empleo de los edificios. Comprenden valores medios,
variaciones y valores extremos de temperatura, diferencias térmicas entre día y
noche, humedad, condiciones del cielo, radiación directa y difusa, lluvias y
movimiento del aire. No obstante, deben tenerse en cuenta los efectos
modificados de las condiciones microclimáticas.
I.1.1.1.
Temperatura del Aire
La temperatura del aire, tomada al instante, puede variar dependiendo
del local donde es leída, si a sombra o en el sol, si el suelo del local es hierva o
pavimentado, etc.
En una lectura general, medida por las estaciones meteorológicas y
sobre condiciones predeterminadas, la variación de la temperatura diurna
depende del estado del cielo. En días despejados, la grande cantidad de
radiación solar recibida y la libre expansión de la misma originan amplia
margen de variación térmica, mientras que en días nublados, dicho margen es
inferior. Veranos con días abiertos son más calientes, mientras que inviernos
con días en las mismas condiciones, generalmente son más fríos que con días
nublados.
En
clima
cálido-húmedo,
como
mencionado
anteriormente,
las
temperaturas durante todo el año están por encima de los 20 ºC, con veranos
con temperatura extremas que pueden sobrepasar los 40 ºC e inviernos,
normalmente, las temperaturas se encuentran dentro de una zona de confort
aceptable.
Para el proyecto, cuanto a temperatura, son importantes los valores
medios, las temperaturas extremas, máximas y mínimas, diferencias térmicas
entre día y noche y las condiciones del cielo.
I.1.1.2.
Humedad Relativa
La Humedad relativa del aire es una indicación directa del potencial de
evaporación, la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Hay que
estudiarse conjunta con la temperatura del aire. Es decir, mayor temperatura y
mayor humedad del aire producen más sensación de calor.
12
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 10 – El gráfico psicométrico. La relación de la temperatura del aire y la humedad
relativa influencian conjuntamente en la sensación de calor y frío.
En condiciones de altas humedades, caso de los climas tropicales, la
comodidad térmica resulta más difícil, produciendo desde la sensación de
bochorno a la incomodidad del frío, sin puntos confortables intermedios.
También en condiciones muy bajas de humedad, se llega a un punto de
molestia fisiológica, la sequedad del aire dificulta la respiración.
En busca del confort térmico, en climas húmedos, tanto en invierno
cuanto en verano, la solución arquitectónica es utilizar estrategias de
ventilación, que hablaremos en seguida.
Para el proyecto, es importante para el arquitecto conocer la humedad
relativa del aire para cada un de los valores de temperatura (media, máxima y
mínima).
I.1.1.3.
Movimiento del Aire
El movimiento del aire no modifica la temperatura pero provoca una
sensación de frescor debida a la pérdida de calor por convección y aumento de
la evaporación del cuerpo. Resulta que para cada 0,3 m/s de velocidad del aire
viene a equivaler al descenso de 1º C en la sensación térmica de una persona.
En verano cálido, es capaz de reducir la sensación de calor al
incrementar las pérdidas por convección y la evaporación de la transpiración
del cuerpo. Y en inverno, la adecuada ventilación, aunque enfríe el aire interior,
13
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
se produce un acentuado descenso de humedad, se secan las ropas y
aumenta la sensación de bienestar.
Para el cálculo del viento debe tenerse en cuenta la disminución de la
velocidad del viento en niveles cercanos al suelo, ya que las mediciones
hechas por la estaciones meteorológicas son normalmente tomadas a nivel de
cubierta y a nivel del suelo, el aire se encuentra prácticamente en reposo; la
modificación de los flujos de viento operativos debido a la topografía local y al
entorno inmediato; y la evaluación del confort, es decir la velocidad de viento,
desde de brisas agradables hasta vientos indeseados.
Figura 11 – Gradientes de velocidad del viento en diferentes alturas y diferentes ambientes. (a)
Área urbana, (b) campo con vegetación y (c) campo abierto.
Para el proyecto, son importantes los valores de velocidad y dirección
del viento para cada mes o estación. Y hay que comprobar si se producen
cambios diarios o estacionales previsibles.
I.1.1.4.
Radiación Solar
La importancia de la radiación para el confort térmico es mucho mayor
de lo que pensamos. Las sensaciones térmicas, en realidad, provienen de
efectos radiantes y afectan el hombre, visto que, case la mitad de los
intercambios de energía del cuerpo humano con el ambiente se realizan por
radiación.
Puede ser utilizado en cierta forma para equilibrar temperaturas
extremas del aire. A bajas temperatura, por ejemplo, una caída de 1 ºC en la
14
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
temperatura del aire puede ser compensada elevando la temperatura de
radiación en 0,8 ºC.4
Parte de la radiación incidente se refleja en las superficies de las nubes,
y parte es absorbida por los componentes atmosféricos. Una cierta cantidad es
dispersada por moléculas en la atmósfera, pero parte de la misma se recupera
como radiación difusa. Parte de la radiación que incide sobre el solo es
reflejada por la superficie terrestre, pero la mayor parte de dicha energía es
absorbida, se transforma en calor y eleva la temperatura del aire, del suelo y de
los objetos que se encuentran a su alrededor.5 Es decir, aunque el sol no incida
de forma directa en los edificios, pueden penetrar importantes cantidades de
energías radiantes, y hay que estar atento a sus efectos para evitar problemas
de sobrecalentamiento en interiores, principalmente en climas cálidos.
Figura 12 – Intercambio calorífico al mediodía de un día de verano.
Para evitar los efectos de la radiación, cuando no deseables, debe
evitarse al máximo la incidencia de la radiación solar directa en los edificios, a
través de barreras vegetales, la orientación del edificio y sus aberturas, y
4
Moon por Olgyay (1963).
5
Olgyay (1963).
15
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
protegiendo con aleros, persianas o voladizos la cara en que la incidencia de
sol es más fuerte; debe evitarse la entrada de radiación reflejada proveniente
de cualquier dirección, previendo sistemas de oscurecimiento en las aberturas
con entrada de luz controlable y permitiendo el paso del aire; debe reducirse al
máximo la penetración al interior de radiaciones reemitidas de cualquier tipo, a
través de la creación de cámara de aire y acabados exteriores claros.
Además, surge más efecto se la radiación es detenida lo antes posible.
Cuanto más exterior es la barrera a la radiación mejor son los resultados de
comodidad térmica sentidas por el hombre en los interiores.
Para el proyecto, es importante el arquitecto conocer los valores de la
cantidad medias diarias de radiación solar de cada mes del año.
I.1.1.5.
Precipitación
Precipitación es el termo colectivo que se utiliza para lluvia, nieve,
granizo, rocío y escarcha, esto es para todo tipo de agua que se precipita de la
atmósfera.
La precipitación se produce por la condensación del vapor de agua
contenido en las masas de aire, cuando dichas masas de aire son forzadas a
elevarse y a enfriarse. Cuando el agua condensada alcanza una masa crítica,
se hace más pesado que el aire que la circunda y precipita.
Para el proyecto, son importantes los valores de intensidad, la cuantidad
en milímetros por unidad de tiempo (hora, mes, año), y direccionalidad.
Además saber si las lluvias están relacionadas con los fuertes vientos, es decir,
si son lluvias torrenciales, común en zonas tropicales, aunque sean por un
corto período de tiempo.
I.2.3
La Gráfica Bioclimática
Los efectos de los elementos climáticos pueden ser agrupados en una
única gráfica dibujada por Olgyay, facilitando comprender el entendimiento de
cada uno de ellos. Dicha gráfica muestra la zona de confort en el centro, con la
zona de confort para invierno que se grafía un poco más abajo. Los elementos
climáticos de alrededor están representados por curvas, lo cual indica la
16
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
naturaleza de las medidas correctivas necesarias para recuperar la sensación
de confort en cualquier punto situado fuera de la zona.
Aunque la franja de confort no tiene limites reales, vale recordar que, la
gráfica propuesta por Olgyay fue diseñada para la latitud de 40º norte y, como
las zonas tropicales del planeta se encuentran en latitudes inferiores,
normalmente entre 0º y 23º norte y sur, es necesario elevarse la línea del
perímetro de confort de verano aproximadamente 2/5 ºC para cada 5º de
latitud, pero sin sobrepasar los 29,4 ºC.
Figura 13 – Gráfico de Olgyay para la latitud 40º norte.
En situaciones cuya temperatura seca y humedad relativa conocidas se
encuentran dentro de los límites de la zona de confort no es necesario aplicar
ninguna medida correctora para el pensar proyectual. Para otras situaciones,
serán necesarios introducción de viento, humidificación, radiación solar o
protección de la misma con la finalidad de corregir el entorno para satisfacer la
comodidad térmica.
En climas cálidos y húmedos la temperatura elevada combinada con
humedad relativa también elevada, los puntos de cruce siempre se encuentran
arriba de dicha zona, más a derecha de la gráfica, necesitando como medidas
correctoras introducción de vientos y protección de la radiación solar. No
obstante, en situaciones extremas, cuando las medidas de diseño ambiental no
son suficientes para resolver los problemas de comodidad, deberá ser
17
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
remediado con soluciones mecánicas, como por ejemplo, aire acondicionado,
deshumidificador, etc.
Figura 14 – Gráfica de Olgyay aplicada para la ciudad de Miami, Florida. Las curvas de
temperatura diaria tienen una clara tendencia horizontal. La distribución de la temperatura
anual está comprendida entre dos límites muy cercanos, así como la humedad.
La evaluación bioclimática es el punto de partida para
cualquier
proyecto
arquitectónico
que
aspire
a
6
proporcionar un entorno climático equilibrado.
Conociendo profundamente los elementos climáticos y las necesidades
bioclimáticas de un local específico es posible determinar un balance de las
fuerzas naturales en el edificio, haciendo uso de los aspectos positivos y
alejando los aspectos negativos de la edificación. Radiación solar en períodos
fríos, sombra en épocas calurosas, ventilación en locales húmedos deben ser
considerados para cada necesidad específica con el objetivo que se
6
Olgyay (1963).
18
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
produzcan, en el interior de la habitación, sensaciones físicas dentro de la
franja de confort.
I.2.4
Efectos Microclimáticos
En general concebimos el clima como una condición uniforme distribuida
sobre una gran área. Sin embargo, en esta gran área existe una infinidad de
factores que influencian en los paramentos meteorológicos haciendo que
dentro de dicho clima ocurra mucho climas particulares, lo que llamamos de
microclimas.
Normalmente los datos climáticos son obtenidos para una macroregión,
macroclima. Es necesario analizar los efectos microclimáticos que pueden
influenciar el clima de emplazamiento de la vivienda ayudando a escoger lo
mejor local de acuerdo con las condiciones climáticas generadas a partir de
factores como altitud, masas de agua, orientación del relieve, vegetación,
entorno construido, etc.
I.1.1.6.
Altitud
En la atmósfera, la temperatura disminuye con la altura, en una
proporción de más o menos 0,5 ºC al ascender 100 m en verano y 122 m en
invierno. Este efecto es especialmente importante en zonas tropicales donde
las temperaturas se vuelven más benévolas a medida que aumenta la altitud.
De la misma forma, pequeñas diferencias de en el terreno pueden alterar
las condiciones climáticas. El aire frío es más pesado que el caliente, así que
por las noches la disminución de la radiación hace con que se produzca una
capa de aire frío cerca de la superficie del suelo. El aire frío, más pesado,
circula hacia los puntos más bajos, produciendo “islas frías”, ya que la
existencia de elevaciones impide la distribución de las temperaturas nocturnas
por todo el relieve.
19
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 15 – Comportamiento del aire durante la noche y durante el día en montes y vales.
I.1.1.7.
Orientación del Relieve
La falda de una montaña recibe el impacto de la radiación solar en
función de la inclinación y de la dirección de sus laderas. Dicha radiación varía,
por presupuesto, dependiendo de la estación del año y del nivel de nubosidad.
En la zona intertropical, las consecuencias de la orientación del relieve
con respecto a la incidencia de los rayos solares no resultan tan marcadas, ya
que una parte del año el sol se encuentra incidiendo de norte a sur y el resto
del año en sentido inverso. Sin, embargo, en esta zona, donde la radiación
solar es elevada a lo largo de todo el año es importante tener en cuenta el
emplazamiento del edificio, priorizando las caras de la montaña más protegidas
del sol.
Una colina también afecta tanto la distribución de los vientos como la de
las precipitaciones. Una montaña desvía el flujo de viento tanto horizontal como
verticalmente, originando mayor aceleración en la cresta de la ladera
enfrentada al viento, y menos turbulencias en la zona baja de la misma, es
decir, zonas de alta velocidad en la parte más alta y flujos más lentos cerca de
la base de la montaña, en la “zona de sombra” de vientos.
20
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 16 – Comportamiento del viento en torno de una colina.
La precipitación va en la misma dirección del viento hacia la falda de la
montaña, cayendo de forma más vertical hacia la base, donde prevalecen
movimientos de aire más débiles. Sin embargo, en montañas muy altas
producen distribuciones de precipitaciones exactamente opuestas. Cuando el
aire, en la cara ventosa, es forzado a ascender, se producen condensaciones y
precipitaciones adiabáticas.
Figura 17 – Direccionalidad de la lluvia y de los vientos en montañas.
I.1.1.8.
Masas de agua
La proximidad del mar modera las temperaturas extremas y suele
proporcionar más humedad en los casos en que los vientos procedan del mar
hacia el continente.
El agua del mar por tener un calor específico mayor que el de la tierra,
se encuentra normalmente más templado que ésta en invierno y más frío en
verano, y generalmente, su temperatura respecto a la tierra es más fría durante
el día y más caliente durante la noche. Esto hace con que durante el día, las
brisas soplen del mar para la tierra y, durante la noche, las brisas hacen el
21
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
movimiento opuesto. Las brisas marinas atenúan el calor durante el día y las
terrestres limitan la irradiación nocturna.
Figura 18 – Movimiento del aire junto al mar. (a) Desde el agua hacia le tierra durante el día y
(b) desde la tierra hacia el mar durante la noche.
En la zona intertropical, este mecanismo de las brisas atempera el calor
en las zonas costeras ya que son más fuertes y refrescantes, precisamente,
cuanto más calor hace (en las primeras horas de la tarde).
I.1.1.9.
Entorno construido
El clima urbano refiere a las condiciones del clima en áreas urbanas
diferentes del entorno rural, y es atribuido al desarrollo urbano. El área urbana
desarrolla un significativo calentamiento frente a su entorno rural (y
posiblemente suburbano), particularmente de noche y en calma. Cuanto más
grande una población se produce un incremento más o menos proporcional en
las temperaturas, llegando a tener temperaturas entre 1 a 6 ºC más caliente
que las áreas suburbanas y rurales en días calurosos de verano, según la
Agencia de Protección Ambiental (EPA).
El "Efecto de Isla de Calor Urbano" es causado por la tendencia que
tienen el concreto, caminos y edificios para calentarse a elevadas temperaturas
durante el día, ya que la mayoría de los materiales son absorbentes;
acumulando calor y liberándolo lentamente durante la noche, dando por
resultado mayores temperaturas diurnas y nocturnas, de las existentes en el
área rural cercana.
22
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 19 – Absorción del calor en los diferentes materiales.
(a) Pavimento, (b) hierba y (c) suelo.
Figura 20 – Las temperaturas alrededor de los edificios son
temperadas o agravadas por la naturaleza de los materiales
del entorno.
Por otro lado, en las zonas rurales, las características naturales del
terreno tienden a moderar las temperaturas extremas y a estabilizar las
condiciones, debido principalmente a las cualidades reflectoras de las
diferentes superficies. La capa de hierbas y plantas que cubre el suelo reduce
las temperaturas absorbiendo parte de la insolación y enfriándose a través de
la evaporación.
I.1.1.10.
La
Vegetación
vegetación
funciona
como
elemento
de
control
térmico,
proporcionando sombra y minimizando los efectos del calor. En la sombra de
mediodía de los árboles la temperatura puede ser casi 3 ºC más baja que en el
sol en las mismas condiciones.
Figura 21 – Efecto térmico producido por la
sombra de un árbol.
23
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Además, la vegetación en cuantidad reduce con gran eficacia los
sonidos ambientales. Las hojas captan el polvo y filtran el aire. Asimismo, la
vegetación asegura la privacidad visual y disminuye los efectos del
deslumbramiento.
24
Parte II.
Soluciones
de
diseño
adoptadas en respuesta al clima
ambiental
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
II.1. La arquitectura vernácula del clima Cálido-Húmedo
Desde la antigüedad el ser humano reconoció que la adaptación es un
principio esencial en la arquitectura con el objetivo de alcanzar el confort
térmico. Esta siempre estuvo limitada por una serie de factores: climáticos,
socio-culturales, económicos, de defensa, religiosos, de disponibilidad de
materiales, de recursos técnicos-constructivos, etc.
El clima toma papel principal en las diferentes fuerzas que generan la
forma de la arquitectura. En locales de baja tecnología y al ser más críticas las
condiciones climáticas, más limitadas y fijas son las soluciones. La tipología
constructiva se encuentra definida más por las zonas climáticas que por las
fronteras territoriales. Aunque existan variaciones, producto de particularidades
de cada cultura o de disponibilidad de material, la forma de la vivienda
autóctona nace de su relación con el entorno.
En climas cálidos donde las temperaturas son altas, con reducidas
variaciones entre día-noche y entre estaciones, no hay ninguna ventaja la
inercia térmica. La radiación siempre intensa, las nubes y lluvias frecuentes
resulta importante tener el máximo de protección posible. Hay que se
preocupar no solo en detener la radiación directa como también la difusa.
Además la humedad es constantemente alta haciendo muy importante la
ventilación que más allá de reducir la humedad también disipa el calor.
En las regiones cálidas y húmedas […] la arquitectura no
precisa de inercia térmica, aunque debe protegerse de la
radiación solar y procurar la máxima ventilación con
objetivo de eliminar en lo posible la humedad.7
7
Serra, 1993.
26
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 22 – Esquema de la vivienda tropical.
Los edificios tienen grandes aberturas, formas alargadas y estrechas en
el eje este-oeste y implantación independientes y alejadas entre sí para permitir
el paso del aire si crear barreras. Las paredes desaparecen cuando posible o
tienen aberturas totales de los paramentos para permitir la ventilación.
Frecuentemente son usados como elementos constructivos persianas y
celosías que proporcionan la protección de la radiación y permiten la libre
circulación del aire.
La cubierta es un elemento de grande importancia, ya que debe
protegerse tanto de la radiación como de la lluvia. Esta si, normalmente
compuesta de, por lo menos, dos capas y cámara de aire ventilada entre ellas,
tiene poco peso para evitar el almacenamiento del calor de la radiación.
También acostumbran tener grandes inclinaciones para evacuar el agua de las
lluvias. Los grandes voladizos se convierten muchas veces en porches y
galerías abiertas, protegidos del sol y de la lluvia y son ventilados, un local
abrigado para descansar o dormir.
Por otra parte, los suelos se elevan para obtener una mejor exposición a
las brisas, protegerse de las inundaciones y defenderse de los insectos.
Para disminuir el deslumbramiento, debido al cielo producir un gran
resplandor en todas las orientaciones, las ventanas se cubren de celosías,
persianas y rejas y el techo se pinta de blanco. Esto provoca un oscurecimiento
de las aberturas sin crear una barrera para el viento, reduciendo al mínimo
imprescindible la cantidad de luz que penetra por la ventana y, por lo tanto,
también la cantidad de calor.
27
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 23 – Esquema de protección en las aberturas para evitar el deslumbramiento a través
de lamas fijas y móviles.
La arquitectura popular tornase un manual de cómo construir en cada
clima debido a la necesidad de adaptación a las limitaciones impuestas por la
naturaleza, por las técnicas y disponibilidad de recursos de cada región.
28
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figuras 24, 25, 26, 27, 28, 29 y 30 – Casas
venarculares en diversas regiones de clima
tropical: Asia, África, América Central y del
Sur.
29
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
II.2. Orientación y forma de la arquitectura
II.2.1
I.1.1.11.
La orientación
Los efectos del sol
El hombre primitivo estaba sujeto al ciclo solar y muchos grupos rendían
honores al sol, orientando sus edificios más importantes hacia sus rayos.
Posteriormente, dejó de actuar respecto al sol como símbolo, atribuyendo a él
más sus efectos terapéuticos y psicológicos.
La orientación del edificio abarca numerosos factores: topografía local,
privacidad, vistas, reducción del ruido, vientos y radiación solar. Entre ellos la
radiación solar se sobresale determinando la orientación del edificio para el
aprovechamiento máximo de los beneficios térmicos, higiénicos y psicológicos
que otrora fue defendido por Vitrubio en su tratado De Arquitectura:
[…] si se orientan hacia el mediodía o hacia el occidente
no serán salubres porque durante el verano la sección
meridional del cielo se calienta al amanecer y arde al
mediodía; de la misma forma, aquellas que miran hacia
occidente se calientan al mediodía y arden por la tarde.
I.1.1.12.
El impacto de la radiación solar
La orientación de un edificio es determinante en la cantidad de radiación
solar que recibe en los distintos lados en diferentes momentos. Durante el
invierno, un área expuesta hacia el sol, norte para el hemisferio sur y sur para
el hemisferio norte, recibe mucho más energía que las expuestas a este y
oeste, mientras que en verano, la radiación que incide en los lados hacia en sol
y posterior a él, es menor las que incide en las fachadas este y oeste.
Asimismo en latitudes más baja, próximas al ecuador, los valores son aún más
acentuados. Sin embargo, es importante orientarse paralelamente al sol para
reducir el impacto de la radiación.
No obstante, en climas cálidos la orientación hacia el sol de la mañana
es preferible que hacia el sol de la tarde porque cuando el sol incide en las
primeras horas de la mañana sobre la fachada este, el aire es más fresco.
30
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Es consenso entre los estudiosos de la arquitectura bioclimática de que
el ideal es la implantación del edificio con formato este-oeste, con sus
principales huecos orientados en el eje norte-sur y el mínimo posible de huecos
orientados para este y oeste. Estas condiciones minimizan la ganancia térmica,
debido al ángulo de incidencia solar en las regiones tropicales, además
favorecen la ventilación natural dentro del edificio.
Figura 31 – La orientación del edificio con formato este-oeste, con sus principales huecos
orientados en el eje norte-sur y el mínimo posible de huecos orientados para este y oeste.
Esta orientación, sin lugar a dudas, proporciona mayor cantidad de
radiación durante el invierno y la menor durante el verano.
II.2.2
I.1.1.13.
La forma
En la naturaleza
En la naturaleza la forma es consecuencia de la necesidad de
adaptación de la especie en el entorno que ella esta inserida.
En las teorías de la evolución vale la ley del más fuerte, más resistente.
Es decir, la forma se modifica para adaptarse a las condicionantes exportas,
buscando el equilibrio con el medio.
El mismo gen sometido a las distintas circunstancias se
deforma proporcionalmente a una magnitud relativa
diferente, tanto en exceso como en defecto.8
8
Lodge por Olgyay, 1963.
31
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Un ejemplo claro de que la naturaleza se adapta para sobrevivir es
observado en la vegetación. Esta adapta su forma y tamaño de acuerdo con las
condiciones climáticas.
En zonas frías la forma es compacta, para resistir al frío, la sequía, los
vientos y todas las otras condiciones desfavorables. En zonas templadas, las
hojas tienen forma abierta y considerable tamaño para permitir captar el
máximo de la luz. Ya en zonas cálidas-áridas, como el entorno no es favorable,
las plantas se adaptan mediante la reducción de su superficie, de hojas y
ramas y presentan desarrolladas una cantidad de celdillas protectoras. Por fin,
en zonas cálidas-húmedas, donde las condiciones climáticas son más
favorables para la vida vegetal, las plantas se desarrollan de forma y tamaño
totalmente libres.
Figura 32 – Las hojas de los árboles en cada tipo de clima: frío, templado, cálido-árido y cálidohúmedo.
En ser humano respectando estos principios también tiene su desarrollo
impuestos por los condicionantes del entorno en que esta inserido, buscando
siempre el equilibrio con el medio ambiente. La construcción de su refugio
sigue las limitaciones de la naturaleza. Es decir, la edificación es de forma
compacta cuando el clima no es favorable, cerrándose sensiblemente sus
superficies y manteniendo en equilibrio mediante la vida en el interior. Mientras
que, cuando el clima es más favorable, la forma permite una comunicación
fluida con el entorno natural y el edificio intenta equilibrarse con el medio
ambiente.
En climas cálidos y húmedos, en la busca del equilibrio con la
naturaleza, la edificación en el intento de disminuir sus impactos, utilizase de la
combinación de los factores térmicos: temperatura del aire y radiación solar,
para alcanzar una forma y una orientación óptimas.
32
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1.1.14.
Orientación sol-aire
La orientación de edificio partiendo de la premisa sol-aire, implica
reconocer que la temperatura del aire y la radiación solar actúan conjuntamente
para producir la sensación de calor en el cuerpo humano.
La importancia del calor del sol variará, entonces, según las regiones y
estaciones. Una orientación óptima en un emplazamiento dado, será aquella
que proporcione la máxima radiación durante el período frío y la mínima
durante el cálido.
Figura 33 – La forma de la arquitectura cambia de acuerdo con la latitud en que está ubicada.
Más a norte suele a ser compacta priorizando la radiación solar, mientras que más cerca del
Ecuador suele ser más estrecha y alargada en el eje este-oeste priorizando los vientos
dominantes.
En las latitudes más septentrionales generalmente el aire es frío y existe
una gran necesidad de calor procedente del sol. Como consecuencia, las
edificaciones deben orientarse para recibir una máxima cantidad de radiación
durante todo el año. La forma del edificio es compacta, con orientación
preferente perpendicular al eje norte-sur. No obstante, el mismo edificio,
situado más al sur, donde el aire es más caliente, deberá girar su eje para
evitar la radiación solar directa, más desfavorable, y acoger en su lugar, las
brisas refrescantes.
Los
edificios
suelen
ser
estrechos
y
alargados,
transversales al viento dominante y separados entre si
para no obstruir el paso del aire entre ellos.9
9
Serra, 1993.
33
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1.1.15.
Distribución interna
Vale recordar que para asegurar unas condiciones apropiadas de bien
estar en el interior de la edificación hay que tener en cuenta la distribución de
las estancias y el tiempo de utilización de las mismas.
Figura 34 – Orientaciones sugeridas para las distintas estancias en el hemisferio norte.
Recomendase planear las estancias de mayor utilización, como
comedor, estar, habitación, en las fachadas más favorables y las estancias
secundarias, de menor utilización, como baños, garajes, trasteros, etc, en las
fachadas menos favorables.
I.1.1.16.
Factor viento
En regiones cálidas-húmedas el movimiento del aire constituye el
elemento principal para alcanzar el confort. Como consecuencia, los
emplazamientos adecuados son aquellos que, aunque se encuentre fuera de la
dirección del viento predominante, estés situada en áreas expuestas a las
corrientes de aire, cerca de las cimas de las colinas o en zonas elevadas de la
cara ventosa de la montaña, cerca de alguna arista, en pendientes en dirección
a norte o sur que son más apropiadas que a este y oeste, donde los rayos
inciden más oblicuamente y por esto reciben mayor radiación solar.
Cuando la dirección de los vientos no es coincidente
con la mejor
orientación solar, debedse priorizar la ventilación, debido a mayor facilidad de
se utilizar elementos para sombrear que para direccionar los vientos. Con todo,
34
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
el posicionamiento del edificio no precisa ser, necesariamente, perpendicular a
la dirección de los vientos. Machado, Ribas y Oliveira afirman que rotaciones
de 20º a 30º en relación a los vientos predominantes de verano también son
bien recomendadas, utilizándose recursos que faciliten la ventilación cruzada.10
10
Machado, Ribas y Oliveira, 1986.
35
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
II.3. Ventilación
La acción del viento sobre los edificios tiene repercusiones directa e
indirecta acerca de las condiciones del ambiente interior. El viento influye en el
microclima que envuelve las construcciones, actúa en sus cerramientos
incrementando las pérdidas de calor hacia el exterior de las superficies sobre
las que incide y penetrando por las aberturas generando movimiento y
renovación del aire interior.
Los movimientos favorables del aire deben ser utilizados para refrescar
durante las épocas calurosas y como alivio en aquellos períodos en que los
valores de humedad absoluta son muy altos.
II.3.1
Ventilación cruzada
La ventilación natural en la edificación ocurre por la diferencia de presión
y por la diferencia de temperatura.
Cuando el viento incide sobre el edificio disminuye su velocidad y lo
acumula en su lado más expuesto, originando un área de presión relativamente
alta. Es decir, el viento al incidir en una de las caras del edificio genera una
acentuada sobrepresión en dicha cara, una presión de menor cuantía en la
cara opuesta y una ligera depresión en las caras laterales, en la zona más
próxima a la cara sobrepresionada.
Figura 35 – Esquema de las áreas de presión proporcionada por la incidencia del viento en las
diferentes caras del edificio.
36
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Las diferencias de presión entre el lado expuesto al viento y el contrario
contribuyen al movimiento del aire en el interior del edificio.
La ventilación cruzada ocurre cuando se
crea un espacio mediante
aberturas situadas en fachadas opuestas. Las aberturas han de situarse en
fachadas que comuniquen con espacios exteriores de diferentes condiciones
de radiación y/o de exposición al viento. Lo más útil, en cualquier caso,
orientadas en el sentido de un viento dominante de características favorables.
Resulta evidente que grandes aberturas situadas en caras apuestas y
con zonas de alta y baja presión generan el máximo intercambio de aire en el
interior del edificio. Sin embargo en zonas calurosas, la velocidad del aire es
más importante que la cantidad de aire intercambiado, ya que minimiza los
efectos de la humedad en una proporción de 0,3 m/s de velocidad del aire
equivalente al descenso de 1º C en la sensación térmica de una persona.
Pequeñas aberturas de entrada garantizan velocidades máximas en el interior
de la construcción.
Entonces, el flujo interior del aire depende de las aberturas: del tamaño
de las mismas en la cara que enfrenta el viento y en la cara opuesta, de la
localización y del diseño de los diferentes elementos en las aberturas, capaces
de conducir el viento en el interior de la edificación.
Figura 36 – flujo de aire en el interior de la edificación. (a) Grande abertura de entrada y
pequeña abertura de salida no interfiere en la velocidad del aire, mientras que (b) pequeña
abertura de entrada garantizan velocidades máximas en el interior de la construcción. (c) y (d)
El movimiento del aire en el interior de la edificación hace siempre por el camino que sea más
fácil, o sea aquello en que exista una diferencia de presión más alta y una resistencia a su paso
más baja.
Como regla general, el flujo de aire seguirá siempre el camino que sea
más fácil, o sea aquello en que exista una diferencia de presión más alta y una
resistencia a su paso más baja. Un flujo directo asegura la rapidez del
movimiento del aire, y cualquier cambio en su dirección reducirá dicho efecto.
37
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
La relación entre el tamaño de las aberturas, de entrada y salida del aire,
asegura una velocidad adecuada del viento, y, por lo tanto mayor flujo de aire.
Sin embargo, el posicionamiento de las aberturas de salida es irrelevante y la
velocidad solamente disminuirá si los cambios de dirección del aire originan
alguno consumo de energía.
Por otra parte, en los locales que la posición de salida del aire se
mantiene constante y la posición de la entrada varia, situándose en la parte
inferior, media o superior, el flujo de aire es desviado un poco más abajo del
techo o hacia el suelo. La situación de entrada determina el modelo de flujo que
puede variar no solo por el posicionamiento de las aberturas como también por
el diseño de las mismas. Dichas aberturas pueden direccionar el viento a través
de lamas o voladizos, conduciéndolo hacia donde sea más eficaz en el interior
del edificio, la zona de actividad.
Figura 37 - La situación de entrada determina el modelo de flujo que puede variar no solo por
el posicionamiento de las aberturas como también por el diseño de las mismas.
38
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
De manera general, siempre será conveniente situar las salidas en
posición más alta las entradas en posición más baja, debido que el aire caliente
es más leve que el aire frío y sube hacia la parte más alta del local, tiende a
salir por las aberturas y es sustituido por el aire más fresco que penetra por las
aberturas inferiores.
Figura 38 – Esquema de ventilación con
entradas de aire posicionadas en la parte más
baja y salidas de aire posicionadas en la parte
más alta del edificio para facilitar la renovación
del aire por diferencia de temperatura.
No obstante, la lentitud del aire en un ascenso normal, no es adecuada
para aliviar el efecto de las altas temperaturas o mejorar a sensación térmica.
Para esto, es necesario introducir la fuerza del viento.
II.3.2
Barreras de viento
Aunque no sea posible alterar e movimiento de las grandes masas de
aire si está producido por diferencias en la presión del aire, es posible controlar,
hasta cierto punto, la velocidad del aire cuando se mueve al nivel del suelo.
Edificios vecinos, paredes, vegetación, etc, pueden influenciar el movimiento
del aire o su distancia de sombra de viento más de lo que imaginamos. La
diferencia de protección ofrecida por vegetación, elementos sólidos o edificio
depende no solo de su altura como también del grado de permeabilidad. La
masa verde cuando permite un cierto grado del paso de aire causa menos
turbulencia que un elemento sólido e, como resultado, un área de protección
total del viento buena.
39
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 39 – La sombra de viento causada por el arbolado.
Un elemento protector del viento desvía las correnties de aire hacia
arriba, mientras vuelve para barrer de nuevo el suelo, crea una superficie cerca
del mismo que permanece en cama relativa. La parte más protegida de esta
área se encuentra situada a sotavento y bastante próxima al cortaviento, es
decir, el área de mayor calmaría es la luego después del elemento protector y
la inmediatamente antes del mismo, especialmente si la barrera de viento es
muy densa. A medida que nos alejamos del mismo aumenta la exposición
hasta el punto en el cual las corrientes de aire alcanzan su velocidad máxima.
Figura 40 - La protección
proporcionada por el viento depende
del ancho y de la altura de la
barrera.
40
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
El tipo de elemento empleado ejerce un efecto determinante en el
modelo de movimiento del aire resultante y en el área protegida. Las barreras
sólidas contra el viento originan remolinos en la parte superior la cual reduce su
eficacia.
Figura 41 - El movimiento del aire en áreas densas de vegetación y en áreas de escasa
vegetación.
En clima cálido-húmedo donde la ventilación es esencial para ayudar en
la disminución de la humedad y mejorar la sensación de comodidad del usuario
del edificio, se hace importante tener en cuenta los efectos causados por las
barreras de viento.
Es más aconsejable la implantación del edificio aislado, de forma no
lineal. Los edificios que se ordenan de forma lineal y perpendicular a la
dirección de los vientos reciben en su fachada de mayor exposición el impacto
total de la velocidad, mientras que las fachadas consiguientes la velocidad de
viendo disminuí considerablemente. Los que se ordenan a 45º la velocidad del
viento se reduce unos 50% y la sombra de viento presentase mucho más
ancha. Asimismo, para asegurar un nivel de ventilación satisfactorio es
necesario que las construcciones estén espaciadas entre si una distancia de
siete veces su altura.
41
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 42 – Implantación del edificio de forma aislada para permitir la ventilación cruzada.
Figura 43 – La protección del viento con una ordenación lineal de edificios y de forma a
aprovechar al máximo las brisas.
También es determinante el entorno inmediato que rodea las
construcciones de baja altura. El paisanismo que incluye materiales vegetales
como árboles y arbustos, o muros y vallas, pueden crear zonas de baja presión
alrededor de la vivienda. Debe tenerse especial cuidado en la distribución de
estos elementos, de forma a no crear barreras a las brisas refrescantes en
períodos calurosos, siendo dibujados para dirigir y acelerar los movimientos
favorables del aire hacia el edificio. Sin embargo, se debe tener precauciones
para que el viento no alcance superficies calentadas, aumentando la
temperatura interna.
42
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 44 – Modificación del movimiento del aire por medio de paisajismo.
II.3.3
La arquitectura
I.1.1.17.
Cubierta ventilada
La cubierta es prácticamente el único elemento que tiene verdadera
importancia. Aunque no pueda mejorar las condiciones internas, en el sentido
de enfriar la temperatura interna, si está bien diseñado, puede evitar que la
temperatura interior no se haga superior a la del aire exterior.
La cubierta es un elemento de gran importancia. Se
caracteriza por cumplir la función de sombrilla y de
paraguas y, en algunos casos, llega a descomponerse
en multitud de cubiertas sobrepuestas, que se protegen
mutuamente de la radiación, a la vez que disipan por
ventilación la energía absorbida.11
11
Serra (1993).
43
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
La doble cubierta ventilada permite formase entre sus camadas un
colchón de aire que funciona como aislante para el calor y, además se tuviera
añadido en su parte superior aberturas para salida de aire caliente tiene, aún,
el efecto chimenea auxiliando en este sistema.
Figura 45 – Esquema de la cubierta ventilada, utilizándose de un colchón de aire como
aislante y ventilación de la cubierta por efecto chimenea.
El efecto chimenea funciona por la extracción del aire
caliente de
espacio al situar aberturas en la parte superior para este fin y situar aberturas
inferiores en el espacio para la entrada de aire fresco. La diferencia de
densidad del aire, en función de su temperatura hace con que el aire caliente
tienda a salir por estas aberturas y ser renovado por el aire fresco que entra por
las aberturas inferiores.
El facto de la cubierta ventilada desarrollar un papel tan importante en la
arquitectura tropical nos lleva a estudiar mejor el comportamiento térmico de
este elemento de la edificación, teniendo en cuenta los materiales tradicionales
y los utilizados recientemente.
La análisis térmica de la cubierta ventilada presentase el la Parte III de
este trabajo.
I.1.1.18.
Cerramientos permeables
Para garantizar la ventilación, las paredes desaparecen cuando posible
o tienen aberturas totales de los paramentos. Los espacios interiores deben ser
44
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
fluidos y flexibles para favorecer la circulación del aire entre estos y los otros
espacios internos, y el exterior.
Son
muy
comunes
los
espacios
exteriores,
desproveídos
de
cerramientos o con cerramientos ligeros que permiten el paso del aire. Los
grandes voladizos se convierten muchas veces en porches y galerías abiertas,
protegidos del sol y de la lluvia y son ventilados, un local abrigado para
descansar o dormir.
La separación entre los espacios internos y espacios externos deben ser
con paineles móviles, paredes bajas o dispositivos tales como elementos
perforados, celosías, venecianas y otros, que proporcionan la protección de la
radiación y permiten la libre circulación del aire.
Figura 46 – Separación entre espacio interno y externo con diferentes soluciones de
cerramientos móviles dispuestos de acuerdo con la necesidad del momento.
45
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
I.1.1.19.
Elevación del suelo
Otra alternativa, es elevar la edificación del suelo para que el aire pueda
cruzar por de bajo de la vivienda, haciendo con que el edificio sea desproveído
de inercia térmica.
En muchas ocasiones, el suelo se levanta sobre pilares
para ofrecer mejor exposición a las brisas […]. Este
suelo a menudo es permeable al paso del aire, y su
ligereza, unida a la de los otros elementos constructivos,
da como resultado una construcción desproveída de
inercia térmica.12
Figura 47 – La elevación del edificio en el terreno permite el cruce del aire por debajo del
edificio y, al mismo tiempo, protección de las humedades e inundaciones.
Además, con el suelo elevado es posible defenderse de las humedades,
inundaciones y de los insectos.
I.1.1.20.
Otros sistemas de ventilación
El sistema ideal de ventilación para el clima tropical, como dicho
anteriormente, es el sistema de ventilación cruzada, pero este puede esta
añadido a otros sistemas de ventilación que tienen como función primordial
facilitar la circulación del aire, y en algunas veces tratar el aire, para mejorar
sus condiciones de temperatura y humedad.
El efecto chimenea además de utilizado en la cubierta doble ventilada
puede ser utilizado como sistema independiente. Es un sistema que genera
12
Serra (1993).
46
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
una extracción del aire al situar aberturas en la parte superior de un espacio y
aberturas inferiores para entrada de aire. La diferencia de densidad del aire, en
función de su temperatura hace con que el aire caliente tienda a salir por estas
aberturas.
Chimenea solar es un dispositivo que utiliza la energía de la radiación
solar para extracción del aire. Su misión consiste en calentar el aire dentro de
una cámara, mediante un captador de superficie oscura protegido con una
cubierta de vidrio. Funciona como el sistema de efecto chimenea. En climas
cálidos para la utilización de este sistema es necesario crear inercia térmica
entre la cámara de aire caliente y el interior de la edificación para que el calor
no sea radiado hacia en interior de la arquitectura.
Aspiración estática es un sistema que produce una depresión en el
interior del edificio, mediante la aspiración por efecto Ventura, generada por el
viento sobre un dispositivo adecuado, situada en la cubierta del edificio. La
extracción se debe completar con una entrada de aire por la parte interior.
Y, por fin, la torre de viento que es sistema de introducción de aire en un
edificio, a través de una torre que recoge el viento a cierta altura sobre la
cubierta. Sistema válido para zonas de climas cálidos con vientos frecuentes e
intensos.
Figura 48 – Sistemas pasivos de ventilación: efecto chimenea, chimenea solar, aspiración
estática y torre de viento, respectivamente.
47
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
II.4. Control solar
II.4.1
La transmisión de calor
En general se acepta que la piel del edificio actúa como filtro entre las
condiciones externas e internas para controlar la entrada del aire, el calor, el
frío, la luz, los ruidos y los olores. El uso excesivo de vidrio en la arquitectura
en lugar del muro, produce considerables cambios, principalmente térmicos, en
la relación entre el interior y exterior del edificio, ya que una de las propiedades
de los materiales transparentes como el vidrio es trasmitir la energía radiante
directamente. Esto influye sobre el bienestar de los ocupantes del espacio.
La energía radiante que atraviesa las superficies transparentes se divide
en tres componentes: una parte es reflejada, no teniendo efecto térmico sobre
el material; otra parte es absorbida por el material que consecuentemente es
disipada por convección y por radiación de ondas largas y; la última parte es
directamente transmitida a través del material.
Figura 49 – la energía radiante en las superficies transparentes.
Aunque el sol no incida de forma directa, en los edificios poden penetrar
importantes cantidades de energía radiante. El sol reflejado en el exterior, en
otras superficies, es un importante aporte de energía cuando penetra por
aberturas, mismo sin incidencia de la radiación solar directa.
En zonas calurosas es de suma importancia tener todas las entradas de
luz, con o sin cerramiento en vidrio, protegidas de la incidencia solar directa e
indirecta, ya que luz es también calor. Tanto en verano cuanto en invierno, la
48
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
radiación solar es siempre alta, y viene de todas las direcciones, reflejada por
el suelo y otras superficies.
Figura 50 – La radiación solar proveniente de todas las direcciones. (a) Luz cenital, (b) luz
reflejada del exterior y (c) luz reflejada del interior.
Debe evitarse al máximo la incidencia de la radiación solar directa en los
edificios, a través de barreras vegetales, la orientación del edificio y sus
aberturas, y protegiendo con aleros, persianas o voladizos la cara en que la
incidencia de sol es más fuerte; debe evitarse la entrada de radiación reflejada
proveniente de cualquier dirección, previendo sistemas de oscurecimiento en
las aberturas con entrada de luz controlable y permitiendo el paso del aire;
debe reducirse al máximo la penetración al interior de radiaciones reemitidas
de cualquier tipo, a través de la creación de cámara de aire y acabados
exteriores claros.
La solución más acertada para control de la radiación es la utilización de
elementos físicos para proporcionar sombra, ya que este método intercepta la
radiación solar antes de penetrar en la arquitectura. De esta forma, la radiación
se refleja y se disipa hacia el aire exterior proporcionando mejores resultados
en la comodidad térmica sentidas por el hombre en los interiores.
Figura 51 – Utilización de elementos físicos para proporcionar sombra y no permitir la
penetración de la radiación solar directa.
49
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Los sistemas de protección a la radiación están constituidos por aquellos
elementos que tienen como misión proteger de radiaciones no deseadas y
proporcionar sombra a los edificios. Pueden ser utilizados aislados o en
conjunto, pero la utilización de una suma de ellos es más eficaz para reducción
de la radiación solar, principalmente en las zonas de clima cálido-húmedo
donde las temperaturas diarias normalmente están por arriba de la zona de
confort, y la protección de las aberturas se hace esencial para no transmitir
más calor hacia el interior del edificio.
Tanto la localización, como la latitud y la orientación contribuyen a la
definición de un mecanismo efectivo. El recorrido que el sol hace en una
determinada latitud y la orientación de la abertura influyen en el dibujo de la
protección solar.
II.4.2
I.1.1.21.
La arquitectura
Aleros o voladizos
Son elementos construidos fijos, muchas veces son extensiones de las
cubiertas que se prologan, o son elementos a parte de los tejados y están
situados en las partes altas de las fachadas, se proyectando en horizontal.
Protegen las fachadas y especialmente las aberturas, de la radiación y de la
lluvia. Normalmente son opacos y sus dimensiones dependerán del ángulo de
incidencia del sol a que se quiera proteger.
Los aleros presentan mayor resultado en las fachadas norte y sur. En
estas fachadas el recorrido del sol presentase más vertical y paralelo, que hace
con que las sombras proyectadas en las superficies a proteger sean más
efectivas, mientras que en las fachadas este y oeste las bajas trayectorias
solares los hace poco útiles.
Sin embargo, cuando la radiación es muy elevada, caso del clima
tropical, tener aleros en todas las orientaciones es importante porque no solo
protegen el edificio del sol, como también de la lluvia que generalmente incide
formando un ángulo de 45º. La utilización de otros sistemas de protección
solar, sumado a los aleros, será más eficiente.
50
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Muchas veces, los grandes voladizos se convierten en porches y
galerías abiertas, protegidos del sol y de la lluvia, creando un espacio ventilado
en la arquitectura con condiciones térmicas más equilibradas que el espacio
interior, encerrado entre muros.
Figura 52 – Los porches y las galerías abiertas protegidos del sol y de la lluvia se convierten
locales abrigados y ventilados en la edificación tropical.
I.1.1.22.
Lamas, pantallas y celosías
Las lamas son elementos exteriores que detienen parte de la radiación,
permitiendo el paso de aire y la luz difusa. Pueden ser de los tipos verticales y
horizontales, fijos o móviles, posibilitando una regulación voluntaria de las
condiciones de protección. Además pueden ser de una combinación de ellas.
Cada uno de estos elementos presentan un perfil de sombra geométrico
específico e independiente de la latitud, de la orientación y del horario de sol,
pudendo ser utilizado para cualquier situación. Las horizontales así como los
aleros y voladizos son más efectivas en las fachadas norte y sur debido al
recorrido del sol. Mientras que las lamas verticales responden mejor en las
orientaciones este y oeste, cuando el sol esta más oblicuo a estas fachadas.
51
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 53 – Lamas horizontales, verticales y combinación de las dos con sus respectivos
perfis de sombra.
El perfil de sombra generado por un elemento de protección solar será
independiente de la escala o tamaño del mismo. La relación está determinada
por su profundidad y su tamaño en la superficie del muro. Es decir, un
elemento de protección solar horizontal puede ser tanto un balcón como una
persiana exterior al edificio.
Para una escoja eficaz del tipo de lama a ser utilizado, de manera que
proporcione sombra en las horas deseadas, es necesario tener en cuenta las
horas de sol, las estaciones, la orientación y la latitud en la cual se necesita la
sombra. Las horas a lo largo del año en que la temperatura del aire se
encuentra por encima de la zona de confort definirán el período de
sobrecalentamiento y, por lo tanto, las horas necesarias de sombra para
minimizar las ganancias térmicas en el interior de la edificación. Con el objetivo
de solucionar un determinado perfil de sombra es posible la utilización de un o
más elementos agrupados.
52
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Tabla 1 - Temperaturas por hora a lo largo de un año para la ciudad de Vitória, Brasil, latitud
20º sur. La mayor parte de las horas las temperaturas sobrepasan las de la zona de confort
indicando la necesidad de protección solar para la mayor parte del año.
Las pantallas, son como las lamas, situadas en la fachada de forma que
sombrean una determinada superficie vidriada para determinadas situaciones
del sol. Normalmente son elementos opacos, rígidos y fijos. Asimismo, en
ciertas ocasiones, pueden favorecer la reflexión difusa hacia el interior.
Las celosías son las combinaciones de las lamas horizontales y
verticales que muchas veces se presentan diseñadas de forma geométricas de
las más variadas posibles a fin de conferir un carácter estético al elemento de
protección solar, y con esto, proporcionar en el interior claridades y oscuridades
de
forma
inusitadas.
Pueden
ser
eficaces
en
cualquier
orientación,
dependiendo solo de las dimensiones de los elementos. Sin embargo, hay que
tener en cuenta que dependiendo del diseño y cuantidad de abertura de una
celosía, ella interfiere en el paso de aire al interior del edificio.
Los elementos de protección solar citados también son importantes para
disminuir el deslumbramiento provocado por la luz que viene del cielo en todas
las orientaciones. La utilización de celosías, persianas y rejas provoca un
oscurecimiento de las aberturas sin crear una barrera para el viento,
reduciendo al mínimo imprescindible la cantidad de luz que penetra por la
ventana y, por lo tanto, también la cantidad de calor. La claridad es proveniente
53
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
de la luz que entra filtrada por las lamas y es reflejada por el techo pintado de
blanco.
Figura 54 – Reducción del deslumbramiento a través del oscurecimiento de las aberturas,
reduciendo la cantidad de luz y también la cantidad de calor. La luz que entra es filtrada por
las lamas y reflejada por el techo.
I.1.1.23.
Vegetación
La vegetación esta constituida por aquellos elementos vegetales que
pueden sombrear una fachada o parte de ella, permitiendo la convección
natural del aire entre la fachada y las hojas. Además, pueden estar soportados
por una pérgola, creando un espacio intermedio con circulación de aire e la vez
que una zona sombreada. También pueden estar pegadas al muro,
refrescando el aire a través de la evaporación y proporcionando sombra. Las
parras al crecer apoyada en una pared donde hay la incidencia del sol
presentan una protección muy valiosa en climas cálidos.
Elegir bien que tipo de vegetación para el entorno de la edificación es
importante no solo por sus características estéticas, como también por ser
elemento de sombra, control térmico y barrera de vientos. En climas con
inviernos fríos y veranos calurosos se debe elegir árboles caducas para
proporcionar sombra cuando hace calor y permitir la radiación solar en tiempo
frío. En climas calientes durante todo el año, la elección de árboles de hojas
permanentes es más acertada, ya que la radiación solar es siempre elevada y
la sombra es conveniente. La forma de la copa del arbole, sus características
de hojas y su tamaño deben ser considerados en la elección de la vegetación
de sombra.
La localización de los árboles y de la vegetación debe ser determinada
según su sombra. La sombra proyectada de los árboles debe cubrir el contorno
54
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
más expuesto en el período cálido. Los árboles cumplen mejor estos objetivos
cuando posicionados en los lados este y oeste de la edificación, más a norte os
más a sur dependiendo de la latitud de implantación de la construcción, ya que
por la mañana y al atardecer el sol pasa muy bajo. Cuando el sol pasa en una
posición baja, sus rayos producen sombras muy alargadas que protegen de
forma eficaz los lados del edificio que, de otra madera, seria muy difícil de
salvaguardar. Al mediodía la sombra proyectada de los árboles es muy cerca
de ellos mismos, siendo más eficaz en estos periodos de tiempo otros tipos de
protección solar.
Figura 55 – Proyección de la sombra de los árboles en el edificio a las 9 horas de la mañana, al
mediodía y a las cuatro horas de la tarde.
55
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
II.5. El efecto térmico de los materiales
La piel del edificio funciona como barrera a los impactos caloríficos
externos, es decir, antes de estos impactos afectaren las condiciones de
temperatura interna deben traspasar los muros de la edificación.
Las fuerzas térmicas que actúan en el exterior de una edificación son
una combinación de los impactos por convección y por radiación. La radiación
actúa a través de la radiación solar directa y el intercambio de calor con la
temperatura del aire del entorno y con el cielo. La convección actúa en función
del intercambio con la temperatura circundante y puede acelerarse a través del
movimiento del aire. Consecuentemente, la capa externa del muro presenta
temperatura superficial mayor que la del aire a su alrededor debido a estar
expuesta directamente al asoleo. El movimiento del aire a su alrededor reducen
los impactos caloríficos externos y son especialmente beneficiosos en
condiciones de calor extremo.
Figura 56 – En la pared las fuerzas térmicas actúan en el exterior en una combinación de los
impactos por convección y por radiación que son transmitidas para el interior del edificio según
sus propiedades.
Los materiales de absorción y emisión selectivas constituyen una
defensa eficaz contra los impactos de la radiación. Los materiales selectivos
fríos al reflejar más radiación de la que absorben y expeler rápidamente la
cantidad absorbida en forma de radiación térmica producen temperaturas más
bajas dentro de la edificación. Siempre que un superficie este expuesta
56
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
directamente a la radiación solar, la elección de superficies reflectoras ayuda
en este sentido.
Los materiales blancos pueden reflejar el 90% o más de radiación
recibida, mientras que los negros solamente 15% o menos. Por esto la
importancia de elegir colores claras para edificaciones en climas calurosos.
Por otra parte, la elección de materiales con inercia térmica es
dispensable en zonas tropicales. Las pequeñas variaciones de temperatura
diaria, inferiores a 8 ºC, no garantizan un efecto de inercia térmica.
Debido a que la temperatura permanece prácticamente constante
durante noche y día, los edificios no pueden enfriarse significativamente
durante la noche, perdiendo el calor almacenado durante el día. Las
temperaturas superficiales de las paredes y cubiertas tienden a estabilizarse al
mismo valor que la del aire. En consecuencia, la perdida de calor del cuerpo
por radiación es despreciable, siendo preferibles las construcciones ligeras con
materiales de baja capacidad térmica.
57
Parte III. Análisis
ventilada
térmico
de
la
cubierta
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
III.1. La cubierta ventilada en los trópicos
III.1.1
De
la
cubierta
ventilada
vernácula
a
la
contemporánea
La cubierta en el clima tropical por si sola define el espacio e indica que
el edificio es habitable, ofreciendo protección contra la lluvia y el sol y creando
un cobijo con un microclima particular. Sin duda, el techo es el elemento que
más caracteriza la arquitectura tropical.
El techo en la arquitectura vernácula tenia la forma a partir de los
materiales disponibles y de las técnicas conocidas, presentando como
soluciones los techos cónicos y piramidales, y piramidales ventilados con
aberturas para mejorar la ventilación y lograr un mayor confort en el espacio
abrigado.
El hecho de levantar la cubierta ampliando el volumen de aire cubierto
ayuda al confort. Las aberturas estratégicamente ubicadas que permitan el
movimiento del aire es un recurso de diseño usual, sumado al aceleramiento
del movimiento de aire que, juntos, ayudan a bajar la temperatura y la
humedad.
La cubierta cónica apoyada sobre vigas y pilares es una evolución del
techo cónico apoyado directamente en el suelo y con una estructura que
apunta hacia arriba hasta un vértice. Esta solución presenta un microclima
interior muy fresco, en parte por la gran masa de aire y en parte por la cubierta
vegetal que permite una ventilación cruzada en todas las direcciones,
independiente de la dirección del viento. Asimismo, la inclinación de la cubierta
hace que esté más protegido de la lluvia ya que la cubierta es bastante vertical
favoreciendo la evacuación de la lluvia.
La cubierta piramidal de cuatro aguas aunque con menos altura que los
techos cónicos presentase como una solución apropiada porque los cuatros
aleros bajan suficiente para proteger las paredes y las aberturas de todos los
costados del edificio.
59
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Ambas las soluciones estructurales de cubierta, antes de la influencia
europea eran construidas con hojas de árboles locales para la cubierta y ramas
para la estructura.
Figura 57 –Estructura de ramas y cubierta de hojas de las árboles. En el detalle la paja de
coco.
Con la colonización europea en diversas zonas tropicales del planeta el
techo se modificó, pasó a ser un elemento pesado, construido de tejas y vigas
macizas de madera apoyadas en los muros y formando una cubierta de dos
aguas, pobre en ventilación ya que las tejas no respiran y los muros de adobe
no permiten grandes aberturas.13
III.1.2
Las tipologías y los materiales
En los trópicos, la cubierta es la superficie más expuesta del edificio,
transmitiendo al interior los cambios del clima, algo que se puede controlar con
un diseño apropiado de sus elementos.
La cubierta vernácula tropical tenía la forma a partir de los materiales
disponibles y de las técnicas conocidas, presentando como soluciones los
techos cónicos y piramidales. Normalmente eran construidas con hojas y ramas
de árboles locales.
En la cubierta cónica la gran masa de aire y la cubierta vegetal que
permite una ventilación cruzada en todas las direcciones, independiente de la
dirección del viento. Además, la inclinación de la cubierta favorece la
evacuación de las lluvias frecuentes en este clima. Estos elementos
proporcionas un microclima interior muy fresco.
13
Stagno, 2007.
60
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 58 – La concepción de la cubierta cónica permite la ventilación cruzada en todas las
direcciones, independiente de la dirección del viento.
La cubierta piramidal aunque con menos altura que los techos cónicos
presentase como una solución apropiada porque los cuatros aleros bajan
suficiente para proteger las paredes y las aberturas de todos los costados del
edificio, muchas veces constituyéndose en más de una cubierta que se
sobrepone y se extienden creando verandas alrededor de toda la construcción.
La ventilación de la cubierta es proveniente del movimiento de aire a través de
aberturas entre la cubierta superior e inferior.
Figura 59 – Estructura de la cubierta piramidal en Indonesia.
Otra solución son las dobles cubiertas de paja con dos o cuatro aguas.
Esta compuesta por varias capas de paja, similar a la cubierta cónica que
permite la ventilación cruzada entre sus fibras. En el interior, muchas veces
existe un falso techo con una estructura ligera recubierta con esteras que, en
61
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
tiempo seco, se contraen permitiendo el paso del aire entre las fibras y que,
cuando llueve, se dilatan tornándose mallas compactas y casi impermeables.
Además hay las dobles cubiertas de paja y arcilla o barro. La capa de
paja protege del agua en los tiempos de lluvias a la de arcilla o barro, y la
protege también del sol directo evitando el almacenamiento de calor y la
radiación reemitida en el interior del edificio. La cámara de aire entre las dos
capas ofrece aislamiento adicional en días calurosos y la capa de arcilla con su
inercia térmica regula la repercusión interior de las oscilaciones térmicas
exteriores.
Figura 60 – Cubiertas dobles en Camerún y en India, respectivamente.
La cubierta ventilada de la actualidad puede ser compuesta de diferentes
tipos y materiales, con una cámara de aire de diferentes dimensiones según
solución adoptada.
En la arquitectura popular normalmente la cubierta es de una o dos
aguas debido a la mayor facilidad de ejecución, pero también es posible de tres
y cuatro aguas y, hasta mismo, composiciones de varias aguas. Además de las
cubiertas curvas.
Las cámaras ventiladas de la cubierta también pueden ser ejecutadas de
maneras distintas, pudendo ser por micro ventilación, ventilación bajo
revestimiento y ventilación bajo techo.
Las cubiertas ventiladas con micro ventilación son aquellas en que la
cámara de aire esta situada entre la teja y la capa inferior de la cubierta, es
decir, entre los elementos de soporte de la teja, con espesor de paso de aire
bastante restricto, de 3 a 4 cm.
62
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 61 – Esquema de micro ventilación en la cubierta.
Las con ventilación bajo el revestimiento poseen la cámara ventilada
bajo los elementos de soporte de la teja y cerrada por la parte de abajo por el
forjado manteniendo la misma pendiente. La capa de aire en este caso es
continua, con un grueso mayor que la micro ventilada. Además esta cámara de
aire puede estar o no conectada con la capa micro ventilada de la cubierta.
Figura 62 – Esquema de ventilación bajo el revestimiento en la cubierta.
En las cubiertas con ventilación bajo techo la cámara ventilada está
comprendida bajo las pendientes de la cubierta y el forjado horizontal inferior.
La capa de aire en este caso varia de espesor y el paso de aire es muy amplio.
63
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 63 – Esquema de ventilación bajo techo en la cubierta.
Además de las tipologías es posible la utilización de diversos materiales
en estas cubiertas ventiladas, tanto para la composición de los tejados –
metálicos, pétreos, cerámicos, plásticos, etc –, como para la composición de
los falsos techos – plásticos, cerámicos, metálicos, textiles, minerales,
naturales, etc.
En la arquitectura popular tropical los materiales más usuales para los
tejados son las tejas de barro cocido, las de amianto y las metálicas, que tienen
precios más accesibles para la población en general. Para los techos interiores
normalmente se utiliza el forjado de hormigón, la madera, los plásticos como el
PVC y las placas de yeso acartonado.
64
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
III.2. El análisis
III.2.1
Hipótesis
Es sabido que en la cubierta ventilada el aire actúa como un “aislante
térmico” y que aunque no pueda mejorar las condiciones internas, en el sentido
de enfriar la temperatura interna, puede evitar el sobrecalentamiento de la
temperatura interior, es decir, que la temperatura interior no se haga superior a
la del aire exterior.
Se supone que la cámara de aire ventilada de las cubiertas sumadas a
los diferentes materiales hace con que la temperatura interior tenga diferentes
valores para cada combinación de caso.
En el estudio pretendemos hacer la comparación de diferentes casos de
la cubierta ventilada y de la cubierta sin la cámara de aire a fin de calificarlas
cuanto su eficiencia térmica en el clima cálido-húmedo.
III.2.2
I.1.1.24.
Descripción del estudio
Definición del tipo y materiales de la cubierta
Para los cálculos de eficiencia energética de la cubierta ventilada
definimos como tipología la cubierta con ventilación bajo techo, es decir,
cuando la cámara ventilada está comprendida bajo las pendientes de la
cubierta y el forjado horizontal inferior.
Para podernos hacer las comparaciones de temperatura interior
definimos también modelos de cubierta sin cámara de aire, ambas con
diferentes materiales en los diferentes casos posibles.
Para los materiales definimos dos grupos, un de materiales tradicionales
y otro de materiales contemporáneos.
A los materiales tradicionales atribuimos las fibras naturales (paja de
coco) y la madera, tanto utilizadas en la capa exterior de la cubierta como en
forjado.
65
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
A los materiales contemporáneos atribuimos las tejas de barro, de
amianto y metálica de acero con los forjados de madera, hormigón, plástico
(PVC) y placas de yeso acartonado, y todas sus composiciones posibles. Estos
materiales fueron escogidos porque son los más usuales en la arquitectura
popular contemporánea tropical.
La composición de casos estudiados está definida en la tabla 2. En esta
tabla
aún
definimos
si
la
cubierta
se
clasifica
como
tradicional
o
contemporánea, señaladas con colores distintos. Las características de cada
material vienen definidas por la tabla 3.
Composición
Casos
Leyenda
TF
Caso 1
TF
Teja de fibra natural (1)
TM
Caso 2
TM
Teja de madera (2)
BR
Caso 3
BR
Teja de barro (3)
AM
Caso 4
AM
Teja de amianto (4)
MT
Caso 5
MT
Teja metálica (5)
TF / FN
Caso 1.A
FN
Forjado de fibra natural (A)
TF / MD
Caso 1.B
MD
Forjado de madera (B)
TM / FN
Caso 2.A
HM
Forjado de hormigón (C)
TM / MD
Caso 2.B
PL
Forjado de plástico (D)
BR / MD
Caso 3.B
YS
Forjado de yeso acartonado (E)
BR / HM
Caso 3.C
BR / PL
Caso 3.D
Sin cámara de aire
BR / YS
Caso 3.E
Ventilación bajo techo
AM / MD
Caso 4.B
AM / HM
Caso 4.C
Tradicional
AM / PL
Caso 4.D
Contemporánea
AM / YS
Caso 4.E
MT / MD
Caso 5.B
MT / HM
Caso 5.C
MT / PL
Caso 5.D
MT / YS
Caso 5.E
66
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Tabla 2 – Definiciones de los casos de estudio a partir de la selección de los materiales de
capa exterior y forjado y de la tipología de la cubierta.
λ
(W / m K)
K
(W / ºC m2)
Espesor
(m)
ρ
(Kg / m2)
Absortancia
α
Fibra natural
0,045
1,50
0,03
200
0,50
Madera
0,13
4,33
0,03
430
0,70
Teja de barro cocida
1,00
50,00
0,02
2000
0,65
Teja de amianto
0,22
36,67
0,006
1200
0,60
Teja metálica acero
50,00
8333,33
0,006
7800
0,65
Forjado de hormigón
1,316
8,77
0,15
1330
0,60
Plástico (PVC)
0,17
8,50
0,02
1390
0,05
Yeso acartonado
0,25
12,50
0,02
825
0,08
Material
constructivo
Tabla 3 – Las características de los materiales constructivos de la cubierta ventilada..
I.1.1.25.
Los parámetros fijos
El estudio tiene como foco la influencia de los diferentes materiales de la
cubierta para la simulación de la eficiencia térmica de las cubiertas ventiladas
en clima cálido-húmedo.
Como el objetivo del estudio se basa en estudiar la cubierta se hace
necesario definir algunos parámetros para que reduzcamos el cálculo a un
mínimo de variables y consecuentemente
alcanzarnos resultados los más
satisfactorios posibles. Para esto, definimos algunos parámetros, tales como:
•
Tipología de edificio: dimensiones y volumen;
•
Materiales constructivos de las paredes, suelo y aberturas;
•
Localización del edificio: latitud, longitud y altitud;
•
Orientación del edificio: eje de implantación;
•
Datos climáticos: temperatura, humedad, dirección y velocidad de
viento, radiación solar, etc.
TIPOLOGÍA Y ORIENTACIÓN DEL EDIFÍCIO
El edificio de estudio esta definido en un único volumen de forma
rectangular con dimensiones de 4,00m y 7,00m, dimensión del menor lado y
del mayor lado respectivamente, y altura de 2,50m en la base de la cubierta.
67
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
El edificio posee cuatro ventanas, dos en la fachada norte y dos en la
sur, con dimensiones de 1,20m x 1,20m y superficie de 1,44m2 cada una.
También posee una puerta, de dimensión de 0,80m x 2,10m y superficie de
1,68m2.
La cubierta del edificio es de dos aguas, con la orientación de la cumbre
en el eje más ancho. Posee inclinación de 30º, con una altura de cumbre de
1,30m. Además abertura en la base de la cubierta con 10cm de altura y acho
igual a toda la extensión de la cubierta, es decir, 7,00m, comprendiendo un
área de ventilación de cubierta de 2 x 0,70m2.
Su área es de 28,00m2 y su volumen bajo techo es de 70,00m3 y
volumen de cubierta de 36,40m3, sumando un total de 106,40m3.
Figura 64 – Plano, sección del edificio en estudio.
Su orientación es en el eje este-oeste con las fachadas más anchas a
norte y a sur. De esta manera favorece la orientación solar y la ventilación.
MATERIALES CONSTRUCTIVOS
Los materiales de las paredes y aberturas fueran definidos con el
objetivo de ser un dato constante para que los resultados presentados para la
cubierta sean comparables, tanto en lo que si refiere a tipología cuanto a
materiales.
68
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Para las paredes, suelo y aberturas fueran definidos los siguientes
materiales presentados en la tabla 4. La tabla 5 trae las características de estos
materiales.
Tipo de cerramiento
Paredes
Espesor (m)
Mortero de cimiento
0,015
Ladrillo de barro
0,12
Mortero de cimiento
0,015
Hormigón en masa
0,05
Tierra
0,50
Puerta de madera
0,03
Suelo
Aberturas
Ventanas de aluminio + vidrio sencillo
--
Tabla 4 – Materiales de los cerramientos del edificio.
Material
constructivo
λ
(W / m K)
K
(W / ºC m2)
Espesor
(m)
ρ
(Kg / m2)
Mortero de cimiento
0,80
53,33
0,015
1525
Ladrillo de barro
0,595
4,96
0,12
1020
Hormigón en masa
2,00
40,00
0,05
2450
Tierra
1,10
2,20
0,50
1885
Puerta madera
0,15
5,00
0,03
500
Ventana sencilla
5,60
Tabla 5 - Las características de los materiales constructivos.
LOCALIZACIÓN Y ORIENTACIÓN DE EDIFICIO
Figura 65 – Vista aérea de la ciudad de Vitória, Espírito Santo, Brasil.
69
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
El edificio de estudio esta ubicado en la ciudad de Vitória que esta
ubicada en el estado de Espírito Santo, en Brasil. Es una isla y por lo tanto esta
al nivel del mar. Su latitud es 20,6º sur y su longitud es 40º oeste.
DATOS CLIMÁTICOS
Los dados meteorológicos presentados para Vitória fueran colectados en
la página web www.tutiempo.net y de los softwares Meteonorm y Sol-Ar.
Presentan una media de los cinco anos, comprendidos entre los años de 2002
y 2006.
Tabla 6 - Medias mensuales de temperatura media, media máxima y media mínima, humedad
relativa y precipitación para la ciudad de Vitória, Espírito Santo, Brasil. Además la frecuencia y
velocidad del viento por dirección.
De acuerdo con la tabla, la temperatura media para Vitória queda
alrededor de 25,21º C, con temperatura media mínima 22,06º C y como
temperatura media máxima 30,10º C. La tasa de humedad media es de case
80% y precipitación anual de 41mm.
La amplitud térmica mensual esta alrededor de 8º C, es decir, no posee
una variación muy larga de temperatura entre el día y la noche.
La humedad para la ciudad es bastante elevada, con humedad relativa
media de 79,59% y humedad absoluta mínima superior a 50%.
Por tener una ubicación en el litoral, Vitória es favorecida por la
presencia de las brisas de verano necesarias para amenizar la temperatura en
los días más calientes. El viento predominante en este período es lo de la
dirección nordeste, también el más indicado para ser utilizado en la ventilación
70
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
natural. Cuando hay una incidencia más pequeña de este viento, el viento sur
predomina, aún que este debe ser utilizado con más cautela, pues es más frío
y veloz, y ocurre con más intensidad en el invierno, pudendo causar
incómodos. El viento nordeste posee frecuencia de 22,3%, seguido de
predominancia del viento sur, 12,8%.
La radiación solar es bastante elevada a lo largo de todo año. A partir
de cálculos hechos con el software ISOL llegamos a los valores de la radiación
solar para los meses y superficies captadoras.
Tabla 7 – La radiación solar en las superficies captadoras para la ciudad de Vitória, Espírito
Santo, Brasil.
III.2.3
Método
El método consiste en calcular el valor medio de la temperatura interior
del edificio para unas condiciones determinadas de clima exterior y del edificio,
suponiendo que todas las acciones son constantes en el tiempo, y con esto
verificar la eficiencia de las diferentes tipologías y materiales de la cubierta
ventilada.
71
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Para la simulación fue determinada un mes para el análisis, común a
todos los resultados presentados en este estudio. El mes de análisis es enero,
escogido para representar las condiciones climáticas del local. Asimismo, vale
recordar que en climas cálidos-húmedos las condiciones climáticas son
prácticamente constantes a lo largo de todo el año.
Para el cálculo de la temperatura media interior (Ti) utilizamos la
expresión:
G . ∆T= I +D
Donde:
∆T = diferencia entre temperaturas exterior (Te) e interior (Ti), en ºC.
I = ganancia media por radiación solar, en W / m3.
D = aportes medios internos, en W / m3.
G = coeficiente de intercambio térmico, en W / (ºC m3).
En este estudio adoptamos en el cálculo de intercambio térmico (G) de
la cubierta la temperatura sol-aire Tsa en lugar de la temperatura media exterior
Te, visto que la temperatura en el entorno inmediato de la cubierta es más
elevada que la temperatura media exterior, debido a una combinación de la
radiación solar y las propiedades del material constructivo. Te = Tsa.
La temperatura sol-aire Tsa se define como el impacto combinado de la
temperatura ambiente y la influencia de la radiación solar combinado con la
coloración superficial y la rugosidad de la superficie. El resultado de esta
ecuación determina temperaturas superficiales exteriores muy superiores a la
temperatura ambiente en un dado momento.
La fórmula de la temperatura sol-aire (Tsa) es:
Tsa = Te + (I . α . Rse)
Donde:
Te = temperatura media exterior para el mes considerado, en ºC.
I = intensidad de la radiación solar, en W / m2.
α = absortancia de la superficie respecto a la radiación solar.
72
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Rse = resistencia superficial exterior, en m2 ºC / W. Este valor es 0,05 m2 ºC /
W.
Para los valores de ganancia medias por radiación solar (I), aportes
medio internos (D) y coeficiente de intercambio térmico (G), utilizamos las
siguientes fórmulas a seguir:
• Las ganancias medias por radiación solar (I) se calculan por la fórmula:
I = Svn . Rv
Donde:
Rv = radiación media en el plano vertical al norte, en W / m2.
Sv = superficie equivalente de la ventana a norte, en m2 / m3.
La radiación media en el plano vertical al norte para la ciudad de Vitória
en verano es 108,78 W / m2.
La superficie equivalente de la ventana a norte (Sv) es:
Sv = (Σ Si . γi . CRi) / Vh
Donde:
Si = superficie captadora en m2.
γi = coeficiente de captación. Para sistemas directos vale 0,4 a 0,7.
CRi = coeficiente según la orientación y las obstrucciones. Para enero:
Sur
Norte
0,00
1,00
Vh = volumen habitable, en m3.
• Los aportes medios internos (D) se pueden calcular como:
D = (Σ ni . ei . nhi) / (Vh . 24)
Donde:
ni = número de elementos que desprenden calor.
ei = energía que desprende cada elemento, en W.
nhi = número de horas diarias de funcionamiento.
73
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Vh = volumen habitable, en m3.
Los aportes medios internos no fueron considerados en este estudio, ya
que como estamos analizando la cubierta estos valores son indiferentes desde
que sea el mismo para todos los cálculos, por lo tanto, igual a cero. D = 0 W /
m 3.
El coeficiente de intercambio térmico (G) es dado por la fórmula:
G = Gt + Gv
Donde:
Gt = coeficiente de intercambio por transmisión, en W / (ºC m3).
Gv = coeficiente de intercambio por ventilación, en W / (ºC m3).
El coeficiente de intercambio por transmisión (Gt) viene dado por la
fórmula:
Gt = (Σ Si . Ki . ∆T) / Vh
Donde:
Si = superficie de la piel, en m2.
Ki = coeficiente de transmisión del calor, en W / (ºC m2).
∆T = diferencia entre temperaturas exterior (Te) e interior (Ti), en ºC.
Vh = volumen habitable, en m3.
En el cálculo del coeficiente de transmisión de calor Ki adoptamos como
resistencia exterior el valor de 0,05 m2 ºC / W y como resistencia interior el
valor de 0,13 m2 ºC / W.
Y el coeficiente de intercambio por ventilación (Gv) viene dado por la
fórmula:
Gv = 0,29 . rh . ∆T / Vh
Donde:
rh = volumen horario de intercambio de aire, en m3 / (m3 h).
∆T = diferencia entre temperaturas exterior (Te) e interior (Ti), en ºC.
Vh = volumen habitable, en m3.
74
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
En los cálculos adoptamos valores diferentes de volumen horario de
intercambio de aire para poder analizarnos si el incremento de la renovación
del aire en el espacio interior es capaz de modificar la temperatura encontrada
Ti. Fueron adoptados los siguientes valores: 1 m3 / (m3 h), 5 m3 / (m3 h), 10 m3 /
(m3 h), 15 m3 / (m3 h) y 20 m3 / (m3 h).
En los cálculos de los casos que la cubierta es sencilla, es decir, sin la
cámara de aire, utilizamos las fórmulas presentada de forma directa. En los
casos que la cubierta es ventilada, los cálculos fueron hechos de forma doble.
Primero encontramos valores de temperatura interior para el espacio entre
cubierta y forjado y, después, valores de temperatura interior para el espacio
habitable.
III.2.4
Resultados
Primeramente hicimos la comparación de los diferentes materiales
constructivos en la cubierta sencilla, es decir, no ventilada, a fin de verificarnos
la eficiencia térmica de cada material para el clima estudiado.
Figura 66 – La cubierta no ventilada y sus posibilites. 1 – fibra natural (TF), 2 – teja de madera
(TM), 3 – teja de barro cocida (BR), 4 – teja de amianto (AM) y 5 – teja metálica de acero (MT).
Después fue hecha la comparación entre cubierta no ventilada y cubierta
ventilada, con todas la posibilidades posibles para analizarnos el rendimiento
de cada caso.
75
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Figura 67 – La cubierta ventilada y sus posibilites. 1 – fibra natural (TF), 2 – teja de madera
(TM), 3 – teja de barro cocida (BR), 4 – teja de amianto (AM) y 5 – teja metálica de acero (MT).
A – fibra natural (FN), B – madera (MD), C – forjado de hormigón (HM), D – plástico PVC (PL) y
E – placas de yeso acartonado (YS).
Por último comparamos la cubierta no ventilada y la cubierta ventilada,
las dos con mismo material constructivo, y con forjado en diferentes
composiciones para la cubierta ventilada, para podernos analizar si el hecho de
utilizar diferentes materiales en la capa interior del tejado (forjado) interfiere en
el rendimiento térmico general de la cubierta.
Vale recordar que en todos los casos estudiados hicimos la comparación
de un mismo caso con diferentes incrementos de aire a fin de verificarnos si la
cantidad de renovaciones de aire en metros cúbicos por metros cúbicos horas
es capaz de minimizar los efectos térmicos en la cubierta y consecuentemente
en el espacio interior del edificio.
I.1.1.26.
Cubierta no ventilada
En los gráficos podemos ver que la temperatura interior en un edificio
con una cubierta no ventilada, la temperatura media interior (Ti) puede alcanzar
casi los 37 ºC, como es el caso de la cubierta metálica (MT), aunque la
utilización de determinados materiales hace con que la temperatura del interior
sea más amena, como es el caso de la cubierta de paja de coco (TF), en que
temperatura alcanza una media interior alrededor de 31ºC. La diferencia de
casi 6ºC es debido a las propiedades de cada material con relación a la
conductividad y la absortancia. Dependiendo de que valores presenten estos
76
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
índices hace con que la temperatura sol-aire se eleve bastante y
consecuentemente la temperatura interior.
El hecho de introducir aire en el edificio, sea a través de ventilación
cruzada de la zona habitable o a través de esta ventilación en la cubierta, como
veremos más adelante, hace con que la temperatura media interior decrezca a
la medida en que incrementamos aire.
Figura 68 – Temperatura media interior (Ti) para los diferentes materiales constructivos y
diferentes incrementos de aire en cubierta no ventilada.
Cuando simulamos la temperatura media interior (Ti) en cubiertas
ventiladas percibimos que esta, aunque no sea más baja que la temperatura
exterior (Te), presentase más baja con relación a la temperaturas medias
interiores encontradas para la cubierta no ventilada considerando las mismas
condiciones del local y los mismos materiales constructivos.
I.1.1.27.
Cubierta ventilada
El hecho de introducir aire en la cubierta formando una cámara de aire
ventilada ayuda mucho para que la temperatura media interior (Ti) no suba
demasiado con relación a la temperatura media exterior (Te) del local.
Aunque el incremento de cantidad de renovaciones de aire en metros
cúbicos por metros cúbicos horas haga con que disminuya un poco la
temperatura media interior (Ti), este incremento no presenta resultados
77
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
significativos. La diferencia de la cubierta ventilada con 1 renovación hora y 20
renovaciones horas presenta cono temperatura interior un máximo de 0,5 ºC en
las composiciones de cubierta que presentan mejor rendimiento.
Figura 69 – Temperatura media interior (Ti) para los diferentes materiales constructivos y
diferentes incrementos de aire en cubierta ventilada.
Determinados casos presentan rendimientos bastantes considerables si
compararnos la cubierta no ventilada (Figura 68) y la ventilada (Figura 69). La
diferencia de temperatura entre las dos tipologías puede alcanzar más los 3ºC,
como es el caso de la cubierta metálica sin y con forjado de madera.
I.1.1.28.
Cubierta por materiales
CUBIERTA DE FIBRA NATURAL
Figura 70 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de fibra natural (paja de coco) sin
y con forjado de fibra natural o madera.
78
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
En la cubierta de paja de coco el hecho de tener un forjado interior no
significa una mejora de la temperatura media interior (Ti). El material en si
presenta un coeficiente de conducción de calor (Ki) muy bajo, haciendo que la
temperatura media interior (Ti) no se eleve demasiado, mismo para una
cubierta sin cámara de aire.
El caso 1.B, composición techo en fibra natural y forjado de madera hace
con que la temperatura interior sea más elevada que la misma cubierta con
forjado de fibra natural o, hasta mismo, la cubierta sin la cámara de aire.
Aunque, en una comparación general (Figuras 68 y 69), la cubierta de fibra
natural en todas sus composiciones presenta buenos rendimientos térmicos.
CUBIERTA DE MADERA
Figura 71 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de madera sin y con forjado de
fibra natural o madera.
En la cubierta de madera la temperatura media interior (Ti) queda más
baja cuando esta presentase con forjado interior en las dos composiciones de
cubierta tradicional.
El caso 2.A, cubierta de madera con forjado de fibra natural, presenta la
temperatura media interior (Ti) resultante más baja, debido a las propiedades
de la fibra natural, con un coeficiente de conducción de calor (Ki) más pequeño
que la madera.
79
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
CUBIERTA DE TEJA DE BARRO COCIDA
Figura 72 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja de barro cocida sin y con
forjado de madera, hormigón, plástico PVC o placas de yeso acartonado.
En la cubierta de teja de barro cocida también es verdad que la
temperatura media interior (Ti) queda más baja cuando esta presentase con
forjado interior en las cuatro composiciones posibles.
Los materiales constructivos que presentan el coeficiente de transmisión
de calor (Ki) más bajo presentan mejor resultado.
CUBIERTA DE TEJA DE AMIANTO
Figura 73 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja de amianto sin y con
forjado de madera, hormigón, plástico PVC o placas de yeso acartonado.
80
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
La cubierta de teja de amianto presenta los mejores resultados térmicos
de las cubierta contemporáneas, en todas las suyas composiciones. Esto es
debido al coeficiente de transmisión de calor (Ki) que es más bajo que el de la
teja de barro y la teja metálica de acero.
El caso 3.B, composición teja de amianto con forjado de madera, posee
la temperatura media interior (Ti) más baja por el mismo motivo. El coeficiente
de transmisión de calor (Ki) es más bajo que los demás forjados, de hormigón,
de plástico PVC y de placas de yeso acartonado.
CUBIERTA DE TEJA METÁLICA DE ACERO
Figura 74 – Temperatura media interior (Ti) para la cubierta de teja metálica de acero sin y con
forjado de madera, hormigón, plástico PVC o placas de yeso acartonado.
Lo mismo que ocurre con las demás cubiertas, también ocurre con la
cubierta metálica.
La cubierta metálica presenta coeficiente de transmisión de calor (Ki)
mucho más alto que las otras soluciones de cubierta, haciendo que la
temperatura media interior (Ti) en la cámara de aire, en los casos de cubierta
ventilada, sea la más alta.
Con todo, las soluciones con forjado interior hace con que la temperatura
media interior (Ti) del espacio habitable sea más amena. Asimismo, los
resultados de temperatura media interior (Ti) para todas las composiciones con
teja metálica de acero presentan los peores resultados (Figuras 68 y 69) si
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Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
comparados con las otras soluciones de cubierta ventilada con composiciones
de forjados iguales.
Resumiendo:
La selección de materiales para la cubierta con bajo coeficiente de
transmisión de calor (Ki), y de forjado, también con bajo coeficiente de
transmisión de calor (Ki), presentan siempre mejores resultados (Figuras 68 y
69) que las soluciones en que los coeficientes de transmisión de calor (Ki) son
altos, tanto para la cubierta como para el forjado.
También es importante la selección de materiales para la cubierta con
coeficiente de absortancia (α) bajo para que esta pueda reflejar el máximo
posible la radiación solar.
La introducción de una cámara de aire ventilada ayuda para que la
temperatura media interior (Ti) no suba demasiado con relación a la
temperatura media exterior (Te) del local. Aunque el incremento de cantidad de
renovaciones de aire en metros cúbicos por metros cúbicos horas haga con
que disminuya un poco la temperatura media interior (Ti), este incremento no
presenta resultados significativos.
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Consideraciones finales
Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
El ser humano en la busca de protegerse, sea del sol o de la lluvia, sea
del calor o del frío, tiene en la concepción de la arquitectura una adaptación a
las condicionantes climáticas, además de otros condicionantes, tales como
disponibilidad de materiales, técnicas constructivas, costumbres locales, etc.
A lo largo de la historia, la suma de todos estos condicionantes fueran
responsables por el desarrollo de una arquitectura en armonía con el entorno,
posible a través de las observaciones del medio ambiente. Mirando el
funcionamiento de la naturaleza y respectando sus preceptos – las
temperaturas, las humedades, la cantidad de radiación solar, los vientos y las
precipitaciones –, el hombre ha desarrollado su vivienda en acuerdo con el
medio en que vive, buscando siempre interferir lo mínimo posible para
beneficiarse lo máximo posible.
En consecuencia a este proceso ocurrió el surgimiento de una
arquitectura popular específica para cada clima: tropical-lluvioso, seco,
templado, boscoso-frío y polar. En estas definiciones climáticas, este trabajo se
limitó en estudiar el clima tropical-lluvioso, o cálido-húmedo, y su relación con
la arquitectura.
A partir de la análisis de los elementos del clima cálido-húmedo, las
particularidades de los efectos microclimáticos y sus efectos en el ser humano,
fue posible seleccionar una serie de soluciones de diseño ambiental que van al
encuentro con las limitaciones impuestas por el medio ambiente. El resultado
es una arquitectura, tanto popular como contemporánea a nosotros, que utiliza
soluciones, muchas veces simples, con el objetivo de contornear las
condicionantes impuestas por la naturaleza.
En el clima cálido-húmedo los condicionantes a la arquitectura se
traducen en la reducción de la sensación de calor por parte del usuario a través
de la creación de soluciones capaces de reducir la producción de calor, tanto a
través de la reducción de los aumentos de radiación solar como la potenciación
de las pérdidas de calor por la evaporación, posibles con un control solar
adecuado, un incremento de la ventilación cruzada y la utilización de materiales
con poca inercia térmica y con grande capacidad de reflexión del calor.
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Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
Las soluciones adoptadas para el clima se resumen en la tabla siguiente,
inspirada en la propuesta por Olgyay en su libro Arquitectura y Clima:
El diseño de la casa
EMPLAZAMIENTO
Emplazamientos situados un poco altos y enfrentados a la dirección del viento son
lo más conveniente, en especial aquellos situados cerca de las crestas donde
reciben la mayor cantidad del movimiento del aire. Las pendientes norte y sur son
mejores que las este y oeste debido a principalmente a que reciben menor
radiación. Las casas deben estar separadas para aprovechar los movimientos del
aire.
TIPOLOGÍA
La tipología más apropiada es la individual, aislada y situada preferentemente en un
emplazamiento un poco elevado.
DISTRIBUCIÓN
Las
edificaciones
deben
ser
estructuras
sombreadas
que
estimulen
los
movimientos de aire refrescante; la protección solar debe estar presente en todas
las superficies expuestas al asoleo, especialmente en el techo y en las fachadas
este y oeste.
FORMA Y
Los fuertes efectos de la radiación en la fachada este y oeste determinan la
VOLUMEN
tendencia de la edificación hacia una forma ligeramente alargada en el eje esteoeste.
ORIENTACIÓN
La mejor orientación se encuentra en el eje norte-sur. Aquellas orientaciones en las
que el lado más largo se encuentra en una situación diferente a procedencia del
viento, son aceptables solamente si se encuentran protegidas bajo la sombra.
EL INTERIOR
Los espacios interiores deberán estar sombreados y bien ventilados. Son
adecuados espacios flexibles, multiusos divididos con paneles móviles o muros
bajos.
VEGETACIÓN
Los árboles plantados para proporcionar sombra deberán ser altos para no interferir
con las brisas. La vegetación baja debe estar lejos de la casa para no interrumpir el
movimiento del aire. El aire que incide en una estructura procedente de un
estanque a la sombra es muy beneficioso.
EL COLOR
Los colores reflectantes que se encuentran en la gama de los tonos pastel son los
más apropiados, ya que ayudan a evitar los resplandores tanto en el interior como
en el exterior.
Elementos Constructivos
ABERTURAS Y
Las diferenciaciones existentes entre muros y ventanas desaparecen. La
VENTANAS
ventilación es necesaria en 85% del año, la ventilación cruzada según el eje esteoeste es esencial. Elementos de protección solar que permiten el flujo de aire son
aconsejables. La edificación deberá estar protegida del sol, de la lluvia, de la
radiación celeste y del deslumbramiento.
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Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
CERRAMIENTOS
Las paredes tienen menor importancia mientras que los espacios techados
adquieren mayor importancia. Los muros no actúan como barreras térmicas debido
a las altas temperaturas. Los sótanos son impracticables debido a la humedad. Una
construcción tipo paladita proporciona una ventilación más adecuada en las zonas
de actividades diarias y crea un área protegida de bajo de ella. Debe tenerse
cuidado especial con la humedad y hongos
PROTECCIÓN
Los elementos de protección solar son muy importantes debido a la poderosa
SOLAR
radiación que procede principalmente de los lados este-oeste.
En el estudio de las soluciones adoptadas para el clima tropical pudimos
observar que la cubierta ventilada tiene papel bastante importante tanto para la
función de protección del sol y de la lluvia como para la protección de la
penetración del calor por radiación.
En la parte III de este trabajo comprobamos que la introducción de una
cámara de aire ventilada ayuda para que la temperatura media interior (Ti) no
suba demasiado con relación a la temperatura media exterior (Te) del local.
Aunque el incremento de cantidad de renovaciones de aire en metros cúbicos
por metros cúbicos horas haga con que disminuya un poco la temperatura
media interior (Ti), este incremento no presenta resultados significativos.
La selección de materiales para la cubierta con bajo coeficiente de
transmisión de calor (Ki), y de forjado, también con bajo coeficiente de
transmisión de calor (Ki), presentan siempre mejores resultados (Figuras 68 y
69) que las soluciones en que los coeficientes de transmisión de calor (Ki) son
altos, tanto para la cubierta como para el forjado.
También es importante la selección de materiales para la cubierta con
coeficiente de absortancia (α) bajo para que esta pueda reflejar el máximo
posible la radiación solar.
Un buen diseño de la cubierta ventilada, elemento más significativo de la
edificación
tropical,
sumado
a
los
demás
elementos
constructivos
recomendables para este clima y a los condicionantes locales, se traducen en
la reducción de la sensación de calor por parte del usuario. Es decir, en
cualquier espacio arquitectónico se puede actuar desde el inicio del diseño
sobre los parámetros ambientales que resultará el edificio a fin de proporcionar
al usuario las condiciones necesarias de confort.
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Confort Térmico y Tipología Arquitectónica en Clima Cálido-Húmedo: Análisis térmico de la cubierta ventilada
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