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Arquitectura Bioclimática en la Construcción

Arquitectura bioclimática: qué es y por qué es tan importante en la era del cambio climático y la construcción sostenible

La arquitectura bioclimática es una respuesta green innovadora y consciente a los problemas asociados con la urbanización. En una época caracterizada por crecientes preocupaciones sobre el cambio climático, la disponibilidad limitada de recursos naturales y la contaminación ambiental, la arquitectura bioclimática emerge como un recurso valioso para reducir el impacto negativo de las actividades humanas en el ecosistema.

No solo busca mitigar los daños ambientales derivados de las construcciones, sino que también aspira a promover una relación armoniosa y regenerativa entre el ser humano y la naturaleza.

¿Qué se entiende por Arquitectura Bioclimática?

La Arquitectura Bioclimática es un tipo de arquitectura en la que la sostenibilidad es la protagonista. Esta impregna cada aspecto, desde el diseño hasta la construcción de los edificios. El enfoque bioclimático aprovecha como recursos las características morfológicas y el clima del lugar, utilizando materiales locales. Para su funcionamiento, emplea fuentes de energía renovables (radiación solar, viento, vegetación, cursos de agua, etc.).

Por lo tanto, podemos decir que la arquitectura bioclimática se basa en una actitud ecológicamente correcta hacia el ecosistema humano-ambiental. Es decir, busca integrar las actividades humanas con los fenómenos naturales para lograr una mejora en la calidad de vida.

Los 3 principios más importantes en los que se fundamenta la bioarquitectura son:

  • la calidad de vida;
  • el ahorro energético;
  • la sostenibilidad ambiental.

Arquitectura bioclimática: algunos ejemplos

En Italia y en el mundo existen numerosos ejemplos de bioarquitectura que demuestran la eficacia de este enfoque. Aquí algunos ejemplos:

  • la casa en la cascada de Frank Lloyd Wright;
  • la California Academy of Sciences en San Francisco;
  • el the Edge en Ámsterdam;
  • la Energy Box (L’Aquila);
  • el castillo de la Zisa en Palermo;
  • el techo-jardín de Le Corbusier;
  • las fachadas verdes.

Arquitectura bioclimática: proyectos en el mundo

La Casa en la cascada de Frank Lloyd Wright es considerada uno de los primeros ejemplos de bioarquitectura, caracterizada por una estructura orgánica que se integra armoniosamente con el paisaje circundante. Otros ejemplos son: la California Academy of Sciences en San Francisco, con un techo completamente cubierto de vegetación que favorece el ahorro de agua y energía, y The Edge en Ámsterdam, reconocido como la oficina más sostenible del mundo por sus soluciones innovadoras de ahorro energético y producción de energía renovable.

Para mencionar otros ejemplos de arquitectura bioclimática, podemos incluir el techo-jardín de Le Corbusier y las fachadas verdes.

El concepto de techo-jardín fue introducido por Le Corbusier, famoso arquitecto moderno, como parte integral de sus obras. Este elemento arquitectónico consiste en agregar una capa de vegetación en el techo de los edificios, creando así una extensión verde sobre la estructura. Le Corbusier adoptó el techo-jardín por varias razones. En primer lugar, favorece la integración del edificio con el paisaje circundante, reduciendo el impacto visual de la arquitectura en el entorno natural. Además, proporciona aislamiento térmico y acústico al edificio, ayudando a mantener una temperatura confortable en el interior y a atenuar los ruidos externos.

Desde el punto de vista ambiental, los techos verdes absorben parte del agua de lluvia. Esto reduce el riesgo de inundaciones y ayuda a mitigar la impermeabilización del suelo urbano. Además, contribuyen a reducir el efecto isla de calor urbano y mejoran la calidad del aire a través del proceso de fotosíntesis de las plantas.

Uno de los proyectos más famosos de Le Corbusier que cuenta con un techo-jardín es la Villa Savoye, una de sus obras icónicas completada en 1931 en Poissy, Francia. Hoy en día, gracias a un software de diseño arquitectónico, es posible recrear la Villa y otros edificios eco-sostenibles en pocos pasos sencillos.

Arquitectura bioclimática: proyectos en Italia

En cuanto a Italia, podemos mencionar, por ejemplo, la Energy Box (L’Aquila): un edificio que se distingue no solo por sus altos estándares ecológicos y sostenibles, sino también por su naturaleza humanitaria, especialmente en contextos de gran necesidad. Fue concebido como un símbolo del renacimiento de la zona después del devastador terremoto que golpeó la región. El proyecto fue ideado por Pierluigi Bonomo, un joven ingeniero local especializado en seguridad sísmica y eficiencia energética, con especial atención a la integración de fuentes de energía renovables en la arquitectura.

Luego, el Castillo de la Zisa en Palermo representa un notable ejemplo de arquitectura bioclimática low tech, que aprovecha los principios termotécnicos naturales para garantizar la refrigeración y ventilación del edificio, construido hace más de 1000 años.

Y no podemos dejar de mencionar las fachadas verdes que mejoran la eficiencia energética de los edificios y contribuyen a la sostenibilidad ambiental. No solo son soluciones estéticamente agradables, sino que también ofrecen una serie de ventajas y beneficios:

1. Aislamiento térmico

Las plantas en la fachada actúan como un aislante natural, reduciendo las pérdidas de calor en invierno y las ganancias de calor en verano. Esto ayuda a mantener una temperatura interna más estable y confortable sin depender excesivamente de sistemas de calefacción o refrigeración mecánicos.

2. Reducción del efecto isla de calor urbano

Las fachadas verdes absorben parte del calor solar y de la energía térmica del entorno circundante. Esto contribuye a reducir el efecto isla de calor urbano en áreas urbanas densamente pobladas. Además, este fenómeno es especialmente relevante durante los períodos de verano y puede ayudar a mitigar los efectos de las olas de calor.

3. Mejora de la calidad del aire

Las plantas absorben dióxido de carbono y otros contaminantes del aire, contribuyendo a mejorar la calidad del aire circundante. Esto es especialmente importante en áreas urbanas, donde la contaminación atmosférica puede ser significativa y tener graves consecuencias para la salud humana.

4. Gestión de aguas pluviales

Las fachadas verdes pueden absorber parte del agua de lluvia, reduciendo el riesgo de inundaciones y ayudando a gestionar el flujo de aguas superficiales. Esto es importante para reducir la carga en los sistemas de drenaje urbano y prevenir la inundación de calles y áreas urbanas.

5. Reducción del impacto ambiental

Las fachadas verdes contribuyen a la biodiversidad urbana al proporcionar hábitats para insectos, aves y otras formas de vida silvestre. Además, reducen el impacto ambiental de los edificios mediante la reducción de los consumos energéticos y la absorción de dióxido de carbono de la atmósfera.

Arquitectura bioclimática - proyecto Edificius

Arquitectura bioclimática – proyecto Edificius

La arquitectura bioclimática y el diseño sostenible

El concepto de diseño bioclimático nace con Victor Olgyay, específicamente con el libro Design with climate (1962). En él se construyen las bases teóricas y técnicas de una metodología de diseño basada en la relación entre edificio y clima. Deriva de:

  • bios«: vida;
  • «klima«: literalmente «inclinación de la tierra desde el ecuador a los polos» y en el sentido actual indica «el conjunto de condiciones meteorológicas de una zona dada«.

Diseñar siguiendo los principios de la bioclimática significa crear edificios sostenibles y confortables, orientados hacia la autosuficiencia energética. Esta disciplina, parte integral de la bioconstrucción, considera toda la estructura como un organismo único, integrando las condiciones climáticas y las necesidades humanas. El objetivo es crear edificios sostenibles a corto y largo plazo, capaces de adaptarse incluso a los climas más extremos. Las características principales incluyen el estudio y uso de las condiciones climáticas locales, la búsqueda de la eficiencia energética óptima y la promoción de ambientes saludables.

El diseño orientado al ahorro energético y la sostenibilidad debe ser un diseño atento a las condiciones circundantes y capaz de «aprovechar» los recursos que el entorno ofrece. Un diseño atento a la contención de los consumos energéticos y al confort habitacional, capaz de aprovechar los recursos naturales locales y el clima, generalmente se basa en un enfoque bioclimático. Esto apunta a controlar simultáneamente tres niveles: climático-ambiental, tipológico y técnico-constructivo.

Por lo tanto, es fundamental conocer el comportamiento de las estructuras y los sistemas en diferentes condiciones climáticas y de radiación solar y, en particular, las cantidades de energía que realmente inciden en el sistema, junto con las condiciones meteorológicas reales en las que opera el dispositivo mismo.

Fases para un diseño energéticamente eficiente

Un diseño eficiente desde el punto de vista energético debería prever las siguientes fases:

  1. análisis del clima y evaluación de los efectos, destacando la importancia de los diferentes elementos climáticos y las posibles problemáticas;
  2. identificación de las soluciones técnicas aplicables;
  3. combinación de estas soluciones con la definición proyectual del sistema.

Edificios sostenibles arquitectura bioclimática

Edificios sostenibles arquitectura bioclimática

La definición del clima y los parámetros meteorológicos

Los elementos que caracterizan el tiempo y el clima son los mismos. Sin embargo, mientras que el tiempo atmosférico representa una combinación local y momentánea de factores meteorológicos, el clima corresponde al conjunto de tipos de tiempo atmosférico que suelen suceder a lo largo del año en una región determinada.

Para establecer el clima de una región o localidad, es necesario disponer de observaciones meteorológicas prolongadas en el tiempo. A partir de esta larga serie de datos, se puede obtener la serie de condiciones meteorológicas que ocurren con mayor frecuencia en diferentes períodos del año, obteniendo así el clima de esa región o localidad.

Niveles de clima

La información sobre el clima se puede evaluar a tres niveles diferentes, utilizando la extensión de la zona considerada como escala climática. Por lo tanto, se habla de:

  • macroclima;
  • mesoclima;
  • clima local;
  • microclima.

Generalmente se define el macroclima como el clima correspondiente a regiones extensas (por ejemplo, macroclima para la cuenca mediterránea, etc.). Este hace referencia a los valores promedio de los parámetros geográficos y meteorológicos que le corresponden. Un mayor detalle es posible al analizar regiones menos extensas, caracterizadas por su propio mesoclima (por ejemplo, el mesoclima que caracteriza las zonas costeras y montañosas).

Descendiendo aún más en el detalle, se habla de clima local y microclima: por ejemplo, la deforestación, la urbanización, la ocupación del territorio tienen un impacto local no secundario.

Factores que influyen en el clima

Los principales factores que determinan un clima específico en una región terrestre son de carácter astronómico y geográfico. Sobre estos, actúa la atmósfera terrestre con los fenómenos que genera como vientos, nubes, difusión de la radiación, etc.

Los factores astronómicos son responsables de la diferente incidencia de la radiación solar en lugares y períodos del año diferentes. Los movimientos terrestres combinados con la forma elíptica de la órbita, la inclinación y la forma esférica del planeta, tienen como consecuencia una distribución diferente de la energía solar en la superficie terrestre. Así se determina el cambio de estaciones, la variación a lo largo del año de la duración del día y la noche.

Por otro lado, la cantidad de energía solar que incide en un lugar determinado depende de la época del año y de la latitud.

La latitud es el parámetro fundamental que describe la disponibilidad de radiación solar. Sin embargo, no es suficiente para caracterizar el clima de un sitio. Los factores geográficos locales como la presencia de masas de agua, la presencia de sistemas montañosos y su orientación, la exposición topográfica del sitio (mayor o menor protección contra los vientos o las corrientes marinas), etc., influyen notablemente.

Por lo tanto, para definir el clima de un lugar, es necesario considerar los parámetros físicos que permiten determinar las condiciones en las que se encuentra la atmósfera en ese sitio. Los principales parámetros utilizados son la temperatura y la humedad relativa del aire, el nivel de precipitaciones, la velocidad y dirección del viento, la intensidad de la radiación solar. Dada la variabilidad de las condiciones meteorológicas para las diferentes magnitudes, se utilizan valores promediados en el tiempo para tener una descripción estadísticamente significativa de las condiciones ambientales. La base temporal debe ser lo suficientemente amplia, del orden de 20-30 años.

1. Radiación solar

La fuente primaria de energía para la Tierra es la radiación solar que llega a la superficie terrestre tanto directamente desde el sol como después de ser dispersada por partículas (polvo, moléculas gaseosas) presentes en la atmósfera. Por lo tanto, se habla de radiación directa y de radiación difusa.

La radiación directa llega en una dirección bien definida, mientras que la radiación difusa es omnidireccional. La suma de la radiación directa y difusa se denomina radiación global.

La radiación incidente se expresa en términos de potencia incidente por unidad de superficie (W/m²), o de energía incidente por unidad de superficie en un cierto intervalo de tiempo (J/m² o Wh/m²).

También se debe tener en cuenta que la intensidad de la radiación depende del ángulo de incidencia según la ley del coseno. Es decir, la radiación es mayor si la superficie sobre la que incide es perpendicular a la dirección de los rayos solares. Generalmente, las estaciones meteorológicas registran la intensidad en superficie horizontal.

En consecuencia, la intensidad de la radiación depende principalmente de la latitud del lugar considerado. Altas intensidades se tienen alrededor del ecuador en la franja comprendida entre los trópicos donde el sol siempre está cerca del cenit. A medida que aumenta la latitud, la intensidad de la radiación será más baja.

La radiación y la atmósfera

La radiación fuera de la atmósfera no varía con el tiempo y tiene aproximadamente 1353 W/m² (constante solar). Los valores de radiación en la superficie terrestre, sin embargo, son considerablemente menores debido a la absorción y reflexión de la radiación por parte de la atmósfera, y en particular, cuanto mayor es el recorrido de los rayos solares a través de la atmósfera, menor es la intensidad de la radiación global que llega al suelo. La longitud de este recorrido varía de hecho con la inclinación de los rayos, es decir, en función de la latitud, la temporada y la hora del día.

La intensidad de la radiación también depende de la turbidez de la atmósfera, es decir, del contenido de vapor de agua, polvo, corpúsculos y gases contaminantes que componen la atmósfera local.

2. Temperatura del aire

La temperatura es una magnitud fundamental en la definición del estado termodinámico del aire atmosférico.

  • Es altamente variable en el espacio y en el tiempo. En un sitio dado, las variaciones características de la temperatura a lo largo del día y del año son consecuencia de las variaciones en las condiciones de insolación. Sin embargo, también hay una dependencia directa de la presencia de viento y lluvia.
  • La magnitud de la variación diurna de la temperatura depende de las condiciones de cobertura del cielo. En días despejados, la gran cantidad de radiación disponible produce una notable variación diurna de la temperatura, mientras que en días nublados la variación es menor.
  • La temperatura máxima generalmente ocurre alrededor de las 14-15 horas, con un retraso respecto al máximo de insolación. De hecho, el aire no se calienta directamente por la acción de la radiación, sino que se calienta por intercambio convectivo desde el suelo y otras superficies expuestas al sol.
  • La temperatura mínima se produce durante las últimas horas de la noche o las primeras horas de la mañana después de que la superficie terrestre ha alcanzado los valores mínimos de temperatura debido a su enfriamiento por radiación hacia el cielo y los rayos solares aún no han comenzado a calentarla.

Temperatura en el año

A lo largo del año, la temperatura tiene un patrón que muestra un máximo aproximadamente 30-40 días después del período de máxima insolación correspondiente al solsticio de verano y un mínimo aproximadamente 30 días después del solsticio de invierno, debido a la inercia térmica del sistema. Por lo tanto, el aire cambia su temperatura después de que la superficie terrestre haya cambiado la suya. Además, el período más cálido del año es entre julio y agosto, mientras que las temperaturas más bajas se alcanzan en enero.

Cómo la altitud afecta a la temperatura

La temperatura también varía con la altitud, generalmente con una disminución de aproximadamente 0,5 a 0,8 °C por cada aumento de 100 m de altitud. La descripción térmica de un sitio se realiza utilizando valores promediados en el tiempo para neutralizar eventos excepcionales no representativos del clima local. Se definen temperatura media diaria, temperatura media mensual, temperatura máxima y mínima diaria, temperatura máxima y mínima anual, según el intervalo de tiempo en el que se promedian los datos.

La diferencia entre la temperatura máxima y mínima registrada en un cierto intervalo de tiempo se llama amplitud térmica y también en este caso es necesario hacer referencia a valores promediados.

3. Humedad relativa

Cuando se habla de humedad atmosférica se refiere a la cantidad de vapor de agua contenido en el aire atmosférico, como resultado de la evaporación de las superficies, principalmente de los mares y océanos. Sin embargo, también contribuyen todas las demás superficies húmedas, la vegetación y los cuerpos de agua más pequeños como lagos y ríos. El vapor de agua luego se distribuye sobre la superficie terrestre por los vientos.

Una masa de aire no puede contener una cantidad ilimitada de vapor de agua, sino que existe una concentración límite función de la temperatura de manera directamente proporcional. Más allá de esta concentración, llamada de saturación, el vapor comienza a condensar. A menudo, esta concentración límite se expresa en términos de presión parcial del vapor en la mezcla y se define como la presión parcial de saturación.

El contenido de humedad en la atmósfera se expresa principalmente como

  • Humedad absoluta, definida como la relación entre la masa de vapor contenida en una determinada masa de aire húmedo y el volumen ocupado por esa masa de aire; su unidad de medida será (g/m³);
  • Humedad relativa, es decir, la relación porcentual entre la cantidad de vapor realmente presente en el aire con respecto a la cantidad máxima que podría estar presente, en las mismas condiciones de presión atmosférica y temperatura del aire. Cuando el aire contiene la máxima cantidad de vapor se dice que está saturado y su humedad relativa es del 100%.

Desde un punto de vista práctico, el parámetro más fácilmente medible es la humedad relativa y es el más utilizado para indicar el contenido de vapor de agua en la atmósfera.
Cuando la temperatura del aire disminuye, disminuye su capacidad para contener vapor, mientras que aumenta su humedad relativa. La temperatura a la que se alcanzan las condiciones de saturación se llama punto o temperatura de rocío.

4. Nubosidad

La cobertura nubosa de un sitio dado tiene repercusiones significativas en la cantidad y calidad de la radiación térmica y luminosa del Sol y del cielo. Es posible deducir la presencia de nubes a partir del índice de insolación relativa. Es decir, la relación entre las horas de cielo despejado y la duración del día. Las horas de cielo despejado se indican por el intervalo de tiempo durante el día en el que la radiación solar alcanza un cierto valor (generalmente igual a 200 W/m²) que puede ser registrado por un instrumento especial llamado heliómetro. El uso del índice de insolación relativa introduce en todo caso la aproximación de que la nubosidad esté uniformemente distribuida durante todo el día e incluso durante todo el mes, ya que este índice generalmente se proporciona como un valor medio mensual.

5. Precipitaciones

La cantidad de precipitación, junto con la temperatura del aire y la intensidad de la radiación, constituye una de las magnitudes fundamentales para la meteorología. La cantidad de precipitación en sus diferentes formas (lluvia, nieve, granizo) se expresa en milímetros de agua por unidad de tiempo (hora, día, año). 1 milímetro equivale a un litro de agua por m². Además de las precipitaciones globales mensuales o anuales, también es importante la intensidad de la precipitación, es decir, la cantidad de agua caída en una unidad de tiempo (mm/h).

6. Viento

Con el término viento nos referimos a los movimientos de masas de aire causados por diferencias de presión atmosférica debido a un calentamiento diferente de la superficie terrestre (gradiente barométrico). Los parámetros que caracterizan el régimen de vientos de un sitio dado son esencialmente dos: el módulo de la velocidad y su dirección. La dirección se identifica haciendo referencia a los puntos cardinales y puede expresarse en grados (entre 0° y 360°, con 0° coincidiendo con el Norte) o en sectores, generalmente 8 o 16 (rosa de los vientos).
Para aplicaciones particulares, también se puede hacer referencia a una velocidad media del viento independientemente de la dirección. Se debe considerar que la velocidad del viento, tanto en términos de módulo como de dirección, varía mucho en el tiempo. Por lo tanto, es recomendable referirse a valores promediados en intervalos de tiempo adecuados.

Para indicar la intensidad del viento, también se puede hacer referencia a la escala de vientos Beaufort, desarrollada en 1805 para la medida empírica de la velocidad del viento por el Almirante Beaufort, y adoptada en 1874 por el Comité Meteorológico Mundial.

 

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