Titulo| El microclima urbano en los espacios abiertos. Estudio de

Universidad Politécnica de Madrid

Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid

Titulo| El microclima urbano en los espacios abiertos. Estudio de casos en Madrid.

Tesis Doctoral

Irina TUMINI

Arquitecto – Ingeniero

2012

Departamento de Urbanismo y Ordenación del Territorio Escuela Técnica Superior de Arquitectura - Universidad Politécnica de Madrid

Titulo| El microclima urbano en los espacios abiertos. Estudio de casos en Madrid.

Irina TUMINI

Arquitecto – Ingeniero

Directora de investigación: Prof. Ester HIGUERAS GARCIA, Arquitecto

2012

I r i n a T u m i n i

Agradecimientos

Esta tesis no hubiera sido posible sin la colaboración y apoyo de muchas personas que quiero agradecer. En primer lugar a la directora de mi tesis de doctorado la Profesora Ester Higueras García por haberme apoyado y guiado durante todas las etapas de la investigación. En particular agradecerle los rigurosos comentarios, la dedicación constante y por haber dirigido de forma impecable la investigación ayudándome a superar los varios problemas encontrado durante este intenso proceso de desarrollo.

En segundo lugar quería agradecer al Profesor Paolo Principi de la Universitá Politecnica delle Marche, Ancona, Italia que ha sido responsable de la investigación durante los meses de estancia en su Departamento. Su apoyo ha sido fundamental en el entendimiento de los procesos de intercambio de calor en el espacio urbano y la interpretación de los resultados de la simulación.

Al Profesor Manuel Macías Miranda que, antes como director de la investigación en la regionalización de la herramienta SBTool y después como director del Equipo Técnico de GBC-España, ha sido la persona que me ha introducido en el mundo de la investigación y de la sostenibilidad en la edificación y en el urbanismo, una guía constante y siempre disponible en resolver mis dudas en los temas energéticos y metodológicos.

A las investigadoras del grupo ABIO de la Universidad Politécnica de Madrid Nagore y Sofía y a su director el Profesor Javier Neila Gonzalez, por haberme prestado e instruido al manejo de los equipos para las mediciones de campo.

Quiero agradecer también a los expertos revisores del documento final de tesis: al Profesor José Fariña Tojo por sus observaciones que han servido sin dudas a aclarar la exposición del problema tratado. A la Doctora Lucía Mejia Dorante que en esto años ha sido una modelo como investigadora y una asesora siempre disponible en aconsejarme en mi carrera y en mi trabajo. Al Doctor Roberto Fioretti, por las interesantes discusiones conceptuales sobre el uso de los sistemas de simulación.

Este trabajo de tesis doctoral ha sido realizado dentro del marco del proyecto de investigación ECOURBAN – “Metodología para la Evaluación del Impacto Energético y Medioambiental en el Ecodiseño de Urbanizaciones” cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación dentro del Plan Nacional de investigación de I+D+i 2008-2011 – Numero de Referencia ENE2010-19850. De los


investigadores de este proyecto recordar en especial a Ignacio Zabalza por su disponibilidad en resolver mis dudas y facilitarme los recursos necesarios.

También agradecer la Agencia Nacional de Meteorología AEmet y el la oficina del Sistema de control de Calidad del Aire de Madrid, que han proporcionado los datos meteorológicos empleados en este trabajo de doctorado.

Un gracias muy especial a Raquel Diez Abarca que ha tenido la paciencia de corregir todas mis faltas del idioma español, a las compañeras de GBCe para la impresión de la tesis y a mis compañeras de doctorado con las que he compartido muchas luchas dentro y fuera de la Universidad.

En fin a mi familia, mis padres y mi hermana Laura que han sido los que en todos estos años me han apoyado, soportado y apostado por mí y por carrera, dándome el cariño y la fuerza para seguir adelante en la difícil tarea del estudio y de la investigación.


A mis Padres

Ai miei Genitori

I

Índice

INTRODUCCIÓN

1. Introducción .......................................................................................................... 1

Alcance de la tesis ....................................................................................................... 1

Presentación del problema.......................................................................................... 3

Objetivos ....................................................................................................................... 9

Objetivo general ........................................................................................................... 9

Objetivos específicos ................................................................................................... 9

Hipótesis de la tesis ................................................................................................... 10

Metodología de investigación .................................................................................... 11

PARTE I –Marco conceptual y Corpus Teórico

2. ciudad sostenible y Microclima ......................................................................... 15

Ciudades in-sostenibles ............................................................................................. 16

Ocupación del suelo ................................................................................................... 18

El agua ........................................................................................................................ 19

Agotamiento de materiales ....................................................................................... 19

La energía ................................................................................................................... 19

Las emisiones ............................................................................................................. 20

La inequidad ............................................................................................................... 20

La situación en España .............................................................................................. 20

La calidad ambiental de la ciudad ............................................................................ 23

El espacio público ciudadano .................................................................................... 24

La rehabilitación urbana ............................................................................................ 27

La rehabilitación urbana: una apuesta para la sostenibilidad ................................ 27

Políticas de rehabilitación urbana en Europa y en España ..................................... 28

El clima urbano ........................................................................................................... 33

La isla de calor urbana .............................................................................................. 35

Efectos producidos por el microclima en el entorno urbano .................................. 39

Consumo energético .................................................................................................. 40

Contaminación y efecto sobre la salud ..................................................................... 42

Uso de los espacios exteriores .................................................................................. 45

Microclima y diseño de la ciudad .............................................................................. 47

Materiales de acabado .............................................................................................. 49

La reducción de la vegetación en la ciudad ............................................................. 50

El calor antropogénico ............................................................................................... 50

II

Estrategias para contrarrestar el efecto isla de calor y mejorar el microclima urbano 51

a) Uso de la vegetación .......................................................................................... 52

b) Selección de los materiales ............................................................................... 56

3. El confort en los espacios urbanos ................................................................... 63

El concepto de confort térmico ................................................................................. 63

La medida del confort ................................................................................................ 72

El confort térmico en los espacios urbanos ............................................................. 78

Adaptación .................................................................................................................. 80

Descripción de los modelos de estudio .................................................................... 83

Modelo de adaptación fisiológica – UTCI ................................................................. 84

Modelo de adaptación psicológica – ASV ................................................................. 91

Definición del índice de confort para el caso de Madrid ......................................... 93

Fase I – Simulación climática del caso de estudio .................................................. 94

Fase II – Cálculo del índice de confort ...................................................................... 97

Fase III – Comparación entre índices ..................................................................... 104

Conclusiones parciales ............................................................................................ 106

4. metodología de estudio del microclima urbano ............................................. 108

Aproximación al estudio del efecto de la isla de calor urbana .............................. 109

Enfoque experimental .............................................................................................. 111

Modelos matemáticos ............................................................................................. 114

El cálculo del clima urbano ...................................................................................... 116

El intercambio radioactivo ....................................................................................... 117

Estudio del cañón ..................................................................................................... 123

Modelo del flujo atmosférico ................................................................................... 127

Modelos para la simulación de los efectos de la vegetación ................................ 131

Modelo del Cluster Thermal Time Costant (CTTC) .................................................. 134

Herramientas de cálculo .......................................................................................... 137

La herramienta ENVI-met 3.1 .................................................................................. 146

Datos de input .......................................................................................................... 148

Bases de datos ......................................................................................................... 151

Modelo de turbulencia ............................................................................................. 153

Conclusiones del capitulo ........................................................................................ 155

Parte II – Desarrollo experimental

5. CASOS DE ESTUDIO .......................................................................................... 157

Aproximación al lugar de estudio-la ciudad de Madrid .......................................... 157

El clima de Madrid ................................................................................................... 157

III

La tipología residencial de la periferia de Madrid .................................................. 163

El distrito de Moratalaz - Madrid ............................................................................. 168

Descripción de los casos de estudio ....................................................................... 173

Caracterización de las áreas ................................................................................... 179

Morfología urbana .................................................................................................... 180

Biodiversidad ............................................................................................................ 181

Espacio publico ........................................................................................................ 182

Conclusiones parciales: caracterización y diagnosis de las áreas de estudio ..... 183

6. APLICACIÓN DE LA TÉCNICA DE EVALUACIÓN ................................................ 185

Diseño de la metodología de investigación ............................................................ 185

Campaña de mediciones en situ ............................................................................. 188

Realización del modelo 3D con ENVImet ............................................................... 195

Modelo geométrico 3D ............................................................................................ 197

Datos meteorológicos de partida ............................................................................ 199

Simulación del modelo ............................................................................................ 201

Validación del modelo de cálculo ............................................................................ 204

Realización del modelo con ECOTECT .................................................................... 206

Conclusiones Parciales ............................................................................................ 210

7. ESTUDIO PARAMETRICO .................................................................................. 212

Comportamiento microclimatico de los casos de estudio ..................................... 213

Comparación entre los tres casos de estudio ........................................................ 224

Estudio de la radiación solar con ECOTECT2010 .................................................. 227

Realización de los escenarios de proyecto ............................................................. 233

Resultados de los escenarios de proyecto ............................................................. 241

Presentación de los resultados ............................................................................... 241

Comparación entre los escenarios ......................................................................... 242

Conclusiones del capitulo ........................................................................................ 245

Parte III - Conclusiones

8. CONCLUSIONS .................................................................................................. 247

Conceptual framework ............................................................................................. 247

Proof of Thesis hypothesis ....................................................................................... 248

Research Methodology ............................................................................................ 249

Selection and analysis of the cases study .............................................................. 250

Use of numerical method ........................................................................................ 253

Description of simulation model ............................................................................. 254

Simulation Results ................................................................................................... 256

IV

Case study Simulation ............................................................................................. 256

Validation of the simulation model ......................................................................... 258

Discussion of Cases Study Analysis ........................................................................ 259

Results of scenarios simulation .............................................................................. 266

Discussion of Scenarios Simulation Result ............................................................ 268

Conclusion ................................................................................................................ 275

Recommendations for further work ........................................................................ 281

Anexo I ..............................................................................................................................

Annex II ............................................................................................................................

Annex III ...........................................................................................................................

Apendice ..........................................................................................................................

T i t u l o | E l m i c r o c l i m a u r b a n o e n l o s e s p a c i o s a b i e r t o s . E s t u d i o d e c a s o s e n M a d r i d .

V

Key words: Urban Space, Outdoor Comfort, Microclimate, Urban simulation, 3D models.

Resumen: El microclima urbano juega un rol importante en el consumo energético de los edificios y en las sensaciones de confort en los espacios exteriores. La urgente necesidad de aumentar la eficiencia energética, reducir las emisiones de los contaminantes y paliar la evidente falta de sostenibilidad que afecta a las ciudades, ha puesto la atención en el urbanismo bioclimático como referente para una propuesta de cambio en la forma de diseñar y vivir la ciudad.

Hasta ahora las investigaciones en temas de microclima y eficiencia energética se han concentrado principalmente en como orientar el diseño de nuevos desarrollo. Sin embargo los principales problemas de la insostenibilidad de las actuales conurbaciones son el resultado del modelo de crecimiento especulativo y altamente agotador de recursos que han caracterizado el boom inmobiliario de las últimas décadas. Vemos entonces, tanto en España como en el resto de los Países Europeos, la necesidad de reorientar el sector de la construcción hacía la rehabilitación del espacio construido, como una alternativa capaz de dar una solución más sostenible para el mercado inmobiliario.

En este propósito de mejorar la calidad de las ciudades actuales, el espacio público juega un papel fundamental, sobre todo como lugar para el encuentro y la socialización entre los ciudadanos. La sensación térmica condiciona la percepción de un ambiente, así que el microclima puede ser determinante para el éxito o el fracaso de un espacio urbano. Se plantea entonces cómo principal objetivo de la investigación, la definición de estrategias para el diseño bioclimático de los entornos urbanos construidos, fundamentados en las componentes morfotipológica, climática y de los requerimientos de confort para los ciudadanos. Como ulterior elemento de novedad se decide estudiar la rehabilitación de los barrios de construcción de mediado del siglo XX, que en muchos casos constituyen bolsas de degrado en la extendida periferia de las ciudades modernas.

La metodología empleada para la investigación se basa en la evaluación de las condiciones climáticas y de confort térmico de diferentes escenarios de proyecto, aplicados a tres casos de estudio situados en un barrio periurbano de la ciudad de Madrid. Para la determinación de los parámetros climáticos se han empleado valores obtenidos con un proceso de simulación computarizada, basados en los


VI

principios de fluidodinámica, termodinámica y del intercambio radioactivo en el espacio construido.

A través de uso de programas de simulación podemos hacer una previsión de las condiciones microclimáticas de las situaciones actuales y de los efectos de la aplicación de medidas. La gran ventaja en el uso de sistemas de cálculo es que se pueden evaluar diferentes escenarios de proyecto y elegir entre ellos el que asegura mejores prestaciones ambientales. Los resultados obtenidos en los diferentes escenarios han sido comparados con los valores de confort del estado actual, utilizando como indicador de la sensación térmica el índice UTCI. El análisis comparativo ha permitido la realización de una tabla de resumen donde se muestra la evaluación de las diferentes soluciones de rehabilitación.

Se ha podido así demostrar que no existe una solución constructiva eficaz para todas las aplicaciones, sino que cada situación debe ser estudiada individualmente, aplicando caso por caso las medidas más oportunas. Si bien los sistemas de simulación computarizada pueden suponer un importante apoyo para la fase de diseño, es responsabilidad del proyectista emplear las herramientas más adecuadas en cada fase y elegir las soluciones más oportunas para cumplir con los objetivos del proyecto.

Abstract: The urban microclimate plays an important role on buildings energy consumption and comfort sensation in exterior spaces. Nowadays, cities need to increase energy efficiency, reduce the pollutants emissions and mitigate the evident lack of sustainability. In reason of this, attention has focused on the bioclimatic urbanism as a reference of change proposal of the way to design and live the city.

Hitherto, the researches on microclimate and energy efficiency have mainly concentrated on guiding the design of new constructions. However the main problems of unsustainability of existing conurbations are the result of the growth model highly speculative and responsible of resources depletion that have characterized the real estate boom of recent decades. In Spain and other European countries, become define the need to redirect the construction sector towards urban refurbishment. This alternative is a more sustainable development model and is able to provide a solution for the real estate sector.

In order to improve the quality of today's cities, the public space plays a key role, especially in order to provide to citizens places for meeting and socializing. The thermal sensation affects the environment perception, so microclimate conditions can be decisive for the success or failure of urban space. For this reasons, the


VII

main objective of this work is focused on the definition of bioclimatic strategies for existing urban spaces, based on the morpho-typological components, climate and comfort requirements for citizens. As novelty element, the regeneration of neighborhoods built in middle of the twentieth century has been studied, because are the major extended in periphery of modern cities and, in many cases, they represent deprived areas.

The research methodology is based on the evaluation of climatic conditions and thermal comfort of different project scenarios, applied to three case studies located in a suburban neighborhood of Madrid. The climatic parameters have been obtained by computer simulation process, based on fluid dynamics, thermodynamics and radioactive exchange in urban environment using numerical approach.

The great advantage in the use of computing systems is the capacity for evaluate different project scenarios. The results in the different scenarios were compared with the comfort value obtained in the current state, using the UTCI index as indicator of thermal sensation. Finally, an abacus of the thermal comfort improvement obtained by different countermeasures has been performed.

One of the major achievement of doctoral work is the demonstration of there are not any design solution suitable for different cases. Each situation should be analyzed and specific design measures should be proposed. Computer simulation systems can be a significant support and help the designer in the decision making phase. However, the election of the most suitable tools and the appropriate solutions for each case is designer responsibility.


I r i n a T u m i n i 1 | P á g i n a

1. INTRODUCCIÓN Alcance de la tesis

La voluntad de estudiar los efectos producidos sobre el clima y el ambiente por el entorno urbano han sido los elementos que han motivado desde el principio el recorrido de investigación de la tesis doctoral. La urgente necesidad de aumentar la eficiencia energética, reducir las emisiones de los contaminantes y paliar la evidente falta de sostenibilidad que afecta a las ciudades, ha dirigido la búsqueda hacía el análisis de los tres diferentes aspectos de la sostenibilidad: el ambiental, el económico y el social. Se ha observado entonces que la variación microclimática producida por el entorno urbano afecta de diferente manera a las tres esferas de la sostenibilidad:

La medioambiental: las diferentes condiciones climáticas en el entorno urbano acentúan los problemas de contaminación del aire, especialmente la concentración de foto-oxidante1 en la atmosfera, afectan al balance hídrico y, sobre todo, es determinante en el aumento de consumo energético, y de consecuencia las emisiones de GEI2, debido a una mayor uso de los sistemas de climatización en los edificios. (Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a) La económica: a mayor consumo energético corresponde un aumento del gasto económico, a lo que se añade una mayor inversión en equipos de climatización más potentes, la necesidad de aumentar la producción energética en las horas pico de consumo y los costes sanitarios inducidos por la contaminación del aire y el aumento de las temperaturas.(Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a)

1 Gases foto-oxidantes. Se consideran los Óxidos de Azoto, el monóxido de Azoto (NO) y el dióxido de Azoto (NO2) procedentes de los procesos de combustión de los combustibles fósiles. (http://www.oasi.ti.ch/web/?node=glossario) 2 GEI. Gases de Efecto Invernadero.

T i t u l o | E l m i c r o c l i m a u r b a n o e n l o s e s p a c i o s a b i e r t o s . E s t u d i o s d e c a s o s e n M a d r i d .

2 | P á g i n a

La social: las personas que viven en la ciudad están mayormente expuestas a los efectos negativos de la contaminación del aire y el aumento de temperatura puede afectar de forma grave a la salud las personas, hasta aumentar la probabilidad de muerte para los sujetos de mayor riesgo. Por otro lado, las malas condiciones climáticas afectan también al uso del espacio exterior y público, comprometiendo la frecuentación y la vitalidad del espacio público ciudadano (Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 2001; Nikolopoulou, 2004; Nikolopoulou & Lykoudis, 2006; Smith & Levermore, 2008)

El interés sobre este último punto es el que ha llevado a investigar cómo mejorar el espacio público urbano, entendiendo eso como principal soporte físico para el desarrollo social y la participación del individuo en la democracia de la ciudad. (Borja & Muxi, 2000; Rogers & Gumuchdjian, 2000) Vemos cómo en las ciudades modernas se va perdiendo el hábito de participar en la vida de la calle para ir hacía un modelo polarizado de colectivos segregados. Frente a este contexto de cambio, un espacio con condiciones térmicas no confortables o incluso perjudiciales para la salud de los usuarios no podrá dar respuesta al escenario de la vida pública de la ciudad.

La observación de la realidad inmobiliaria y la actual crisis económica mundial han puesto en cuestión el modelo desarrollista, basado en la ocupación de suelo natural para realizar nuevas urbanizaciones. (Bruquetas Callejo, Fuentes, Javier, & Walliser Martínez, 2005; Fariña Tojo & Naredo, 2010; Naredo, 2003) Sin embargo sería mucho más útil actuar sobre lo que entendemos como ciudad consolidada3 (Bruquetas Callejo, Fuentes, Javier, & Walliser Martínez, 2005) , sobre todo en aquellos barrios que presentan condiciones de degrado físico y social, mejorando las condiciones de vida de los ciudadanos, la calidad del ambiente sin tener por ello que ocupar suelo natural. Por otro lado, desde diferentes partes se empieza a proponer la rehabilitación urbana como una alternativa para reorientar el sector de la construcción hacía modelos más sostenibles. Ejemplo de ello son serían España o el conjunto de los Países Europeos. (Cuchí & Sweatman, 2011; Fariña Tojo & Naredo, 2010; Valenzuela Rubio, 2009) La experiencia laboral en los sistemas de certificación ambiental, me ha dado la oportunidad de conocer en profundidad los procesos de evaluación entendiendo las oportunidades y las carencias que su aplicación ofrece. Los sistemas de evaluación, al igual que las guías y los manuales de

3 Ciudad consolidada. Se entienden así las áreas urbanas tradicionales, multifuncionales y complejas. Normalmente este concepto se asocia a los cascos históricos, pero se puede considerar así también muchos de los barrios periféricos que han desarrollado una serie de actividades diversificadas, dotados de equipamientos mínimos y con un tejido social complejo.



buenas prácticas, pueden ser una herramienta muy valiosa para soportar las fases de diseño y orientar los clientes en la compra o alquiler de un inmueble. Sin embargo muchos de los sistemas más empleados al mundo, proponen unos criterios de evaluación del diseño urbano pocos objetivos y que no tienen en cuenta las condiciones específicas del lugar de emplazamiento de las áreas objeto de estudio. En fase de diseño, esto puede dar lugar a incertidumbre y a la aplicación de medidas que no producen los resultados esperados o que incluso pueden ser contraproducentes o estériles.

La voluntad de aclarar los mecanismos que se generan entre clima y espacio urbano, dando una información objetiva, capaz de orientar realmente los proyectistas en la selección de las estrategias, ha sido el elemento que ha guiado todo el desarrollo del trabajo de investigación.

Por todas las razones expuestas se ha decidido estudiar el problema del clima urbano en los aspectos relativos al confort y al bienestar de los ciudadanos orientado hacia una mejora de los espacios públicos de la ciudad consolidada.

Presentación del problema

La ciudad actúa como un factor modificador importante del clima local y crea unas condiciones medioambientales concretas que podemos definir como microclima urbano. Como ya estudió Oke (1978), el ambiente urbano muestra un comportamiento térmico diferente de los espacios rurales debido a la modificación de los componentes radiaoactivo, aerodinámico y a los efectos de la contaminación. En otras palabras, la diferencia de condiciones microclimáticas de los espacios urbanos frente a las de las zonas rurales es una de las consecuencias producidas por el conjunto urbano, constituido por edificios, calles y superficies pavimentadas.

En los años ’70 del siglo XX, a raíz de la crisis energética4, junto con el auge de las fuentes renovables de energía, la arquitectura bioclimática, etc., se empezó a considerar el efecto que tiene el espacio construido sobre el medio natural con fines de reducción de la contaminación y conservación energética. Hoy en día, el

4 Crisis energética del 1973. También conocida como primera crisis del petróleo, comenzó a raíz de la decisión de la Organización de Países Exportadores de Petróleo de no exportar a los países que habían apoyado a Israel en la guerra de Yom Kippur. El consecuente aumento del precio del petróleo, provocó un fuerte efecto inflacionista y la reducción de la actividad económica de los países afectados. En este momento se empezó a tomar conciencia de la importante dependencia del sistema productivo de los países industrializados de los recursos fósiles procedentes del exterior y se introdujeron una serie de medidas permanentes para reducir esta dependencia. (Blinder A.S. 1979)


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problema del efecto invernadero, los temas de la ecología y de la sostenibilidad de los espacios, hacen que esta línea de investigación en el campo de la arquitectura y del urbanismo sea relevante y propositiva. (A. L. Gómez, 1993; Steemers & Steane, 2004)

Nunca antes en la historia las ciudades habían albergado una población de la magnitud actual. Entre 1950 y 1990 la población urbana mundial se ha multiplicado por diez, desde los 200 millones hasta más de 2000 (Population Reference Bureau, 2005). En Europa se estima que la población urbana crecerá del 73% del año 2000 al 80% en el 2030 (United Nations, 2005) y la temperatura aumentará entre 0,5-1ºC por década (Hulme et al., 2002; IPCC, 2007). Es por ello que el control de las condiciones microclimáticas urbanas es un elemento fundamental tanto para la eficiencia energética y la reducciones de las emisiones de las ciudades, como para garantizar espacios de vida confortables para sus ciudadanos. El futuro de la civilización está determinado por y en las ciudades (Rogers & Gumuchdjian, 2000) y es por eso que nos atrevemos a decir que las condiciones climáticas juegan un papel fundamental en la calidad de vida de los ciudadanos. (Kolokotroni & Giridharan, 2008; Rogers & Gumuchdjian, 2000; Smith & Levermore, 2008)

Es aquí donde reside nuestra principal preocupación teórica y la razón por la que hemos generado esta investigación partiendo del concepto de microclima urbano como pivote.

Los rasgos más sobresalientes del microclima urbano se manifiestan en i) un aumento de las temperaturas respecto al entorno rural próximo, ii) en la reducción de la amplitud térmica diaria, iii) en una peculiar distribución de los vientos de la ciudad como consecuencia de los rozamientos con los edificios y encauzamiento en las avenidas y iv) en un balance hídrico diferente a los existentes en los espacios extraurbanos (A. L. Gómez, 1993), T.R. Oke, 1987). Las causas que generan este fenómeno son complejas y están relacionadas con el balance energético en los espacios urbanos debido a:

• la sustitución de las superficies vegetales por edificios y superficies impermeables como calles, plazas, etc.;

• la diferente respuesta a la absorción de los rayos solares de los materiales de acabado, debidos a las características específicas de cada uno de ellos como la reflexión, la absorción y la inercia térmica;



• el calor generado por fuentes antropogénicas, como las industrias, los edificios y los coches;

• la contaminación atmosférica.

La intensidad de los efectos sobre el microclima urbano depende también de otros factores como el tamaño y morfología urbana, la topografía, las actividades antrópicas y las características climáticas como el viento, la temperatura, la inversión térmica, etc.(Ellis Aronin, 1927; Fariña Tojo, 2007; Givoni, 1998; A. L. Gómez, 1993; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001).

El clima urbano se define en términos de comparación con su entorno rural y es a partir de las diferencias que se registran con este que podemos caracterizar el comportamiento de la ciudad, aunque cada ciudad conserve las condiciones climáticas características de la región en la que se asiente. Sin embargo, en una misma ciudad encontramos una gran diversidad de matices. Eso es consecuencia de la heterogeneidad en la morfología y estructuras de los espacios construidos, que nos lleva a un análisis a escala local que corresponden a pequeños espacios y edificios (Cardenas Jiron, 2010).

Uno de los principales fenómenos en que se manifiesta la variación microclimática es el efecto Isla de Calor Urbana (ICU), (A. L. Gómez, 1993; T. R. Oke, 1988a; E. Wong, 2007)que asume un carácter de mayor relevancia en los climas caracterizados por veranos calurosos y secos, como el caso de Madrid (España).

En estos casos una de las principales consecuencias es el aumento del consumo energético de los edificios para la refrigeración en verano. (Kolokotroni & Giridharan, 2008; K. Niachou, Livada, & Santamouris, 2008; Santamouris, Papanikolaou et al., 2001)

El problema del consumo energético para la refrigeración de los edificios en los climas cálidos es muy importante. En las últimas décadas el consumo para la refrigeración se ha disparado (A. Synnefa, 2007), sobre todo en las ciudades europeas. Si se tiene en cuenta que los sistemas de aire acondicionados usan energía eléctrica, eso además de traducirse en aumento de las emisiones de gases efecto invernadero, de los contaminantes como dióxidos de sulfuros, monóxido de carbono, los NOx y las partículas volátiles producidos por la plantas de generación, crea importantes problemas en el suministro de energético. En los veranos más calurosos se han presentado repetidos cortes de suministro energéticos (blackout) debido a la enorme demanda energética en las horas


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pico.(Santamouris, Papanikolaou et al., 2001; Smith & Levermore, 2008; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007b)

El aumento de la temperatura favorece la formación del ozono troposférico (O3) que se produce por la reacción de diferentes contaminantes bajo el efecto de los rayos solares. La formación de este contaminante, denominado smog fotoquímico, muy perjudicial para la salud del hombre y de las plantas, es mayor en los meses de veranos y en las horas de mayor soleamiento.(Polidori, 2006)

Las condiciones ambientales impuestas a los usuarios de un espacio, pueden mejorar o empeorar la experiencia y el uso que se hace del mismo. La mejora de la calidad ambiental y social de una ciudad se puede obtener promoviendo el uso y la revitalización de los espacios exteriores, fortaleciendo las relaciones social entre los ciudadanos mediante espacios adecuados a las dinámicas de interacción. ((Torres Pérez, 2002); Nikolopoulou and Steemers 2003).

Jan Gehl (1987) afirma que el bienestar de los espacios depende de la protección ofrecida a las condiciones climáticas negativas y la exposición a las positivas. Asimismo, Ralph Erskine (1988) define los espacios sociales como el lugar para el desarrollo de las actividades espontaneas fuertemente influenciado por las condiciones climáticas y Finnish Reima Pietila (1988) habla de la arquitectura y el clima como una “pareja dinámica”.(Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 2001)

Las investigaciones realizadas demuestran la estrecha relación que tiene el microclima urbano con la sensación de bienestar térmico de los usuarios. Aunque se demuestra que las condiciones de confort varían con la función metabólica, el grado de vestimenta y la adaptación fisiológica al entorno, las condiciones exteriores afectan significativamente el uso de los espacios ciudadanos. Temperatura, grado de humedad, exposición a los vientos, luminosidad e intensidad de los rayos solares son los principales factores que condicionan la calidad térmica de los espacios urbano (Fiala et al. 2011, Jendritzky, de Dear and Havenith 2011, Nikolopoulou and Lykoudis 2007, Tseliou et al. 2010).

Si bien la percepción de un espacio no dependa solamente de las condiciones ambientales, la sensación térmica es uno de los factores que influye en la decisión de permanecer o no en él. Se puede entonces arriesgar la conclusión que el éxito o el fracaso de un entorno urbano depende también de sus condiciones climáticas. (IDAE-Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2000; Matzarakis, Rutz, & Mayer, 2007; Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 2001; Nikolopoulou & Lykoudis, 2006; Nikolopoulou & Lykoudis, 2007)



Como bien define Borja J. (2000) el espacio público no es el espacio residual entre edificios y calles, sino que es a la vez espacio físico, simbólico de la cultura urbana y de la ciudadanía. La ciudad es un lugar donde se juntan muchas personas, la concentración de puntos de encuentro. El espacio público es la materialización de este significado. No es un caso que la calidad de una ciudad se mida a través de la calidad de su espacio público, ya que es un lugar privilegiado de la política urbanística para producir centralidades, para reconectar tejidos, para dar sentido a las infraestructuras, en resumen, para hacer de un conjunto urbano una ciudad.

En el diseño de una ciudad se debería promover las operaciones dirigidas a limitar la formación de guetos, garantizar la polivalencia, la mezcla y la visibilidad de cada zona de la ciudad. El espacio público es el lugar donde se desenvuelve la vida política y por eso debe asegurar la fundamental mezcla social, la accesibilidad y la igualdad de apropiación por parte de los diferentes colectivos culturales, de género y de edad. (Borja & Muxi, 2000; Rogers & Gumuchdjian, 2000)

“El derecho al espacio público es en la última instancia el derecho a ejercer como ciudadano que tiene todos los que viven y que quieren vivir en las ciudades”.(Borja & Muxi, 2000)

Con esta frase se resume el papel fundamental de la vitalidad del espacio público para la cohesión social, la complejidad cultural y la gobernabilidad de las ciudades. La ciudad es el lugar donde se optimizan las oportunidades de contacto, que multiplica los espacios de encuentro y apuesta por la mezcla funcional y social.(Borja & Muxi, 2000)

Si el futuro de la civilización depende de las ciudades, el espacio público es el campo de juego donde medir la calidad ambiental, la cohesión social y la vitalidad económica de estas. (Fariña Tojo, 2007; Naredo, 2003; Rogers & Gumuchdjian, 2000)

De acuerdo con la filosofía “Think global, Act Local”5, en el este trabajo se propone tratar un problema global como la calidad de nuestras ciudades actuando en la dimensión de barrio, siempre atendiendo a la necesidad de mejorar la sostenibilidad (habitabilidad) local sin provocar un ulterior detrimento de la global. (Naredo & Rueda, 1997)

5 Think global, Act Local. Piensa global, actual local.


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Las ciudades de hoy en día son organismos muy complejos en lo que realizar un rediseño global es casi impensable. Por otro lado plantear actuaciones de modificación y mejora a la micro-escala, enmarcadas en un proyecto general, puede ser una opción practicable para mejorar su calidad.

Todos los trabajos consultados se centran en la definición de medidas y modelos para los nuevos desarrollos urbanos, sin embargo en los países europeos, y en especial en España, el patrimonio inmobiliario existente es suficiente, sino incluso sobreabundante, con lo que la atención de los urbanistas, arquitectos y administradores debe orientarse más hacía la sostenibilidad de los espacios construidos que en los nuevos desarrollos. Aparece entonces la rehabilitación del patrimonio urbano construido como objetivo principal para reconducir la tendencia actual de una construcción masiva hacía modelos de ciudad, con menores daños económicos, sociales y medioambientales, en otras palabras más sostenible. (Fariña Tojo & Naredo, 2010; Rueda, 2006a)

La voluntad de optar para una aplicación de la investigación los espacios urbanos construidos, atiende a la exigencia de proponer un nuevo modelo de desarrollo medioambientalmente, socialmente y económicamente más sostenible.

Medioambiental porque no cabe duda que la ocupación de suelo por la edificación es la primera causa de la pérdida de biodiversidad y de reducción de espacios naturales en España por lo que la única opción para reducir, o por lo menos no aumentar la presión de la ciudad sobre el territorio pasa por non ocupar ulteriormente suelo vírgenes. (Bettini, 1998; de la Cruz Mera, Ángela, 2010; Europea, 1991; Fariña Tojo, 2003b; Fariña Tojo & Naredo, 2010; Jiménez Herrero, 2011; Naredo & Rueda, 1997; Rueda, 2006a; Valenzuela Rubio, 2009)

En el panorama actual de crisis económica, en especial del sector inmobiliario en España, no es pensable proponer ulteriores modelos de crecimiento edificatorio. Tanto la administración como los agentes económicos, prospectan un cambio estructural necesario para la sobrevivencia del sector hacía una reconversión a la rehabilitación del existente, trabajando en el desarrollo de nuevas herramientas de financiación y de planificación que promuevan este cambio. (Cuchí & Sweatman, 2011; de la Cruz Mera, Ángela, 2010; Fariña Tojo & Naredo, 2010)

Finalmente, pero no por eso menos importante, es el aspecto social que en la rehabilitación involucra la tutela de los ciudadanos, la mejora de las condiciones ambientales y el mantenimiento de los valores culturales y del tejido social. La ciudad es algo más que un conjunto de edificios y calles, es el conjunto de valore, culturas, iniciativas, relaciones y actividades que los ciudadanos desarrollan en él.



La preservación de estos valores pasa también por el mantenimiento del “contenedor”, del espacio público como escenario de la vida en la ciudad. (Bruquetas Callejo, Fuentes, Javier, & Walliser Martínez, 2005; Rogers & Gumuchdjian, 2000)

También el concepto de ecocity y ecobarrios6, normalmente asociado a los proyectos de nueva edificación, se reorienta hacía la mejora de los espacios urbanos existentes. De hecho las ecociudades y ecobarrios de nueva construcción no dejan de ser ejemplos aislados y excepcionales; de gran calidad medioambiental y eficiencia en el uso de recursos, pero que no han incidido significativamente en el modelo de desarrollo urbano. En la mayoría de los casos el resultado ha sido la realización de barrios eficientes en los aspectos ambientales, pero con carencia en la complejidad social y económica: barrios residenciales monofuncionales donde no se ha desarrollado ningún tejido económico ni complejidad social. En cambio la ciudad construida es una ciudad compleja, donde hay diversidad de funciones y un substrato social consolidado. (Cuchí & Sweatman, 2011; Fariña Tojo & Naredo, 2010; Valenzuela Rubio, 2009)

Objetivos

O b j e t i vo g enera l Proponer estrategias para el diseño bioclimático de los espacios urbanos exteriores para el clima Templado-seco (Köppen), aplicable a los proyectos de rehabilitación de los barrios existentes, fundamentado en el estudio de las componentes morfotipológicas y climática del entorno, de los requerimientos de confort, de ahorro energético y de los enfoques referenciales sostenibles considerados para el estudio.

O b j e t i vos es p e c í f i cos 1. Analizar los espacios urbanos según los aspectos físico-ambientales a

través de un sistema de indicadores que permita caracterizar y calificar las áreas de estudio. Dichos indicadores deben ser capaces de describir la situación actual y, de alguna forma dirigir las intervenciones de rehabilitación.

6Ecocity y ecobarrios. Como define Fariña (2008) en su blog, no existe una definición exacta, si no más bien una “idea” relacionada al sufijo eco- que está a indicar todas aquellas actuaciones realizadas teniendo en cuenta los aspectos medioambientales y de la sostenibilidad. Todos los autores parecen coincidir en los objetivos de diseñar entornos urbanos más eficientes, con una menor huela ecológica, en equilibrio con su entorno natural, económicamente y socialmente más equitativo. (UK Government, 2011); Fariña Tojo, 2008; Verdaguer Viana-Cárdenas 2010)


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2. Definir unos indicadores de análisis de los aspectos microclimatico del espacio, capaces de relacionar las condiciones ambientales con el confort de los usuarios, con el fin de establecer unos rangos mínimos de calidad.

3. Buscar una metodología de cálculo capaz de evaluar la calidad microclimatica del espacio público de forma objetiva y repetible a otros casos y a otros lugares.

4. Definir las directrices para la rehabilitación de los espacios construidos de la ciudad del siglo XXI, en la óptica de la mejora microclimática y ambiental de los conjuntos urbanos, aplicables a los climas templados-cálidos a través de la comparación de escenarios.

5. Evaluar software específicos para la simulación de los fenómenos climáticos que se producen en el espacio urbano exterior, resaltando sus ventajas y limitaciones.

Hipótesis de la tesis Los espacios abiertos con diferentes características de diseño, morfológicas y de uso de suelo, varían en su comportamiento microclimático. La variación de estos parámetros influye en la respuesta climática del medio, afectando a la eficiencia energética del conjunto construido y a las condiciones de bienestar de los ocupantes.

Si es verdad que los conjuntos construidos modifican las condiciones climáticas, la primera hipótesis de la investigación es que podemos asociar la entidad del microclima a las características del espacio urbano, en otras palabras encontrar un patrón microclimático característico para la tipología de tejido.

Para este trabajo se van a considerar sólo dos tipologías de tejidos la de bloque abierto y la de edificios en manzana cerrada. Se limita la investigación a estas dos tipologías urbanas porque recogen las mayorías de las actuaciones realizadas en Madrid en el siglo XX. Dentro de estas dos tipologías podemos encontrar muchas diferencias por lo que corresponde a la altura de los edificios, anchuras de calle, orientación, etc. y que influyen directamente en la formación del microclima.

En la comprobación de la hipótesis inicial se deberán establecer los parámetros climáticos de estudio (temperatura, humedad relativa, velocidad del viento etc.) y evaluar si los casos de estudio seleccionados muestran condiciones diferentes cuantificables.



Además de afectar la eficiencia energética, las condiciones microclimáticas influyen directamente en el bienestar térmico de los ocupantes, así que la segunda pregunta es:

¿Cómo afecta la variación del microclima urbano en el bienestar térmico de los ocupantes y, en consecuencia, en el uso de los espacios exteriores?

Diseñar espacios exteriores atractivos y confortables es uno de los retos para mejorar la calidad de vida en las ciudades y disminuir los efectos negativos de la urbanización. La variación de temperatura, ventilación y humedad pueden provocar condiciones de disconfort tanto en los espacios interiores como en los exteriores.

Espacios demasiados soleados y calurosos son abandonados por los usuarios que buscarán en otros sitios, a lo mejor interiores y dotados de sistemas de refrigeración, para su ocio y descanso. Calles y plazas vacías, además de perjudicar la calidad urbana, crean problemas a la economía de los comercios que desarrollan sus actividades en la ciudad. De aquí la creciente importancia que se ha puesto en las investigaciones reciente en buscar medidas para diseñar espacios confortables también en relación a las condiciones térmicas.

La demostración de las primeras dos hipótesis lleva a la formulación de la tercera que es que podemos modificar el entorno urbano de forma de crear condiciones microclimáticas favorables al confort térmico de los ciudadanos en el espacio público. Efectos como la modificación de los vientos o la formación de la isla de calor urbana, como se explicará en el cuerpo teórico, dependen de muchos factores entre ellos la orografía del terreno, la cercanía a ríos, la inversión térmica y muchos otros que se escapan del control y de la posibilidad de actuar del proyectista. Sin embargo a nivel de microescala el uso de la vegetación, de los materiales de acabado superficial o la colocación de los sistemas de protección pueden modificar la sensación térmica. Si se pudieran prever con antelación los efectos producidos por diferentes soluciones de diseño, los proyectistas podrían aplicar las que más responden a los requisitos de calidad ambiental y sostenibilidad.

Metodología de investigación El diseño de la investigación se presenta en un proceso consecuencial de etapas que conducen a la demostración de las hipótesis iniciales y a alcanzar los objetivos prefijados.


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El proceso se inicia con la observación del comportamiento térmico del microespacio urbano, con particular referencia al fenómeno de la isla de calor urbana, de cómo eso influye en el consumo energético, afecta el confort de las personas y en consecuencia el uso del espacio exterior. Se procede a realizar una revisión de la literatura existente, trabajos empíricos y teóricos, realizados en España y en otros países, para conocer el estado del arte en relación a los avances en la definición de los fenómenos urbanos a nivel de mesoescala (isla de calor) y de microescala (microclima). De dicha revisión se pudo observar que el problema de la isla de calor urbana, de su efecto en el consumo energético y en el bienestar de las personas, es un tema objeto de investigación desde hace muchos años. No obstante existen todavía muchos nichos de conocimiento insuficientes en relación a la capacidad de previsión y cálculo del comportamiento energético de los espacios urbanos. La posibilidad de actuar en los espacios construidos para mejorar su comportamiento térmico es un argumento casi inexplorado ya que la mayoría de las investigaciones, medidas y guías se concentran en el diseño de nuevos desarrollos.

Se decide estudiar el problema de forma empírica y analítica a través del análisis de casos de estudio reales localizados en Madrid. El estudio empírico se ha llevado a cabo a través de la realización de una campaña de medición in situ de las condiciones climáticas de los casos estudio con el auxilio de equipos manuales y la revisión de los datos registrados por las estaciones meteorológicas fijas del Sistema Integral de Calidad de Aire de Madrid (SIM) y de la Agencia de Meteorología Española (AEmet). El estudio analítico se ha realizado calculando las condiciones climáticas de las áreas empleando software de simulación 3D. (Ali-Toudert & Mayer, 2006; Bruse & Fleer, 1998; Mirzaei & Haghighat, 2010; Robinson, 2011) Para la elección del software más oportuno se realizó una revisión de las herramientas disponibles y de los sistemas de cálculo existentes, de su fiabilidad, de las capacidades del software y de los output obtenidos.

La campaña de mediciones se ha llevado a cabo durante 3 días enteros de 9,00 horas a las 21,00 horas, con medidas puntuales a intervalos de 3 horas. Los parámetros climáticos obtenidos en el levantamiento in situ han sido la temperatura del aire y la humedad relativa, mientras que se han obtenidos de las estaciones meteorológicas los valores de temperatura del aire, velocidad del viento, humedad relativa y radiación solar.

Uno de los principales objetivos personales en emprender el trabajo de investigación era estudiar el confort de las personas y enfocar el problema del microclima y de la isla de calor urbana en el bienestar térmico de las personas en



el espacio abierto. Por esta razón fue de fundamental importancia definir el índice de confort térmico más adecuado para los espacios abiertos, aplicable a la ciudad de Madrid y obtenibles a través los parámetros climáticos. La selección del índice ha influido también en la elección del sistema de cálculo, ya que este debía de ser capaz de proporcionar los output necesarios para su determinación.

Se realizó una revisión del estado del arte de los índices de confort más empleados para describir el bienestar térmico de las personas en espacios exteriores, y después de realizar un estudio empírico sobre diferentes sistemas se eligió el UTCI (Universal Thermal Climate Index) (Jendritky, De Dear and Havenith 2011) para realizar el presente estudio de tesis doctoral. Los parámetros necesarios para el cálculo del índice son: la temperatura del aire, la temperatura media radiante, la velocidad del viento y la humedad relativa o absoluta. La posibilidad de poder obtener estos parámetros ha sido un elemento determinante en la elección del software de cálculo.

La búsqueda de la herramienta más apropiada para la modelización y simulación de los casos de estudio ha conducido a la exploración de los sistemas disponibles dentro el territorio español y en el extranjero. En algunos casos, como para el uso de ENVImet, ha sido necesario acudir a un entrenamiento para su uso, aunque para la mayoría de los sistemas se han empleado los soportes encontrados en el web.

Una vez seleccionado las herramientas de cálculo y los parámetros de análisis, se ha procedido a la selección y caracterización de los casos de estudio más apropiado para la demostración de las hipótesis de partida. Se ha realizado entonces un estudio de los casos: caracterización morfotipologica, microclimática y del bienestar térmico en las condiciones extremas de verano e invierno. Para realizar la caracterización ha sido necesario apoyarse en los resultados obtenidos de trabajos anteriores realizados en Madrid y en España. A raíz de los resultados obtenidos se han formulado unos hipotéticos escenarios de rehabilitación del espacio libre entre edificios para su evaluación.

La metodología que ha empleado para la evaluación de las medidas aplicadas se basa en la comparación de los escenarios de proyecto. La evaluación se ha obtenido de la diferencia observada entre la simulación del escenario hipotético y de la situación actual.

Para poder determinar la influencia de cada medida adoptada, se ha optado por un estudio de tipo paramétrico, se indica con eso que se ha procedido a modificar un parámetro a la vez realizando así una serie de simulaciones de evaluación de


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un abanico de opciones organizadas en dos categorías: modificación de los materiales de acabado superficial y actuación sobre los espacios verde.

La evaluación comparativa de los escenarios de proyecto ha permitido realizar un nomograma donde se da una información indicativa sobre los efectos producidos por la aplicación de las medidas de rehabilitación a las diferentes tipologías de espacios urbanos, relativamente al confort térmico de las personas. En las conclusiones de la tesis se relata la discusión pormenorizada de los resultados obtenidos de las simulaciones. La elaboración del modelo de simulación y la interpretación de los resultados obtenidos se ha realizado bajo la supervisión del Profesor Paolo Principi del departamento de Ingeniería Industrial y Ciencias Matemáticas de la Universidad Politecnica delle Marche, Ancona, Italia.

Destacar que este trabajo de tesis doctoral ha sido realizado dentro del marco del proyecto de investigación ECOURBAN – “Metodología para la Evaluación del Impacto Energético y Medioambiental en el Ecodiseño de Urbanizaciones” cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación dentro del Plan Nacional de investigación de I+D+i 2008-2011 – Numero de Referencia ENE2010-19850.

Debe mencionarse que la investigación aplicada a través el análisis de casos de estudio no pretende formular leyes universales respectos los datos observados, es más bien una exploración de los fenómenos y de las posibilidades ofrecidas por las modernas herramientas de cálculo que puedan servir para postular hipótesis de nuevas investigaciones y directrices generales para orientar las decisiones proyectuales y normativas en el ámbito urbano.

PARTE I –Marco conceptual y Corpus Teórico



2. CIUDAD SOSTENIBLE Y MICROCLIMA

Este capítulo tiene como objetivo presentar los aspectos relacionados con la calidad ambiental urbana, la dimensión espacial y la social, con el fin de explorar los aspectos involucrados en la sostenibilidad de la ciudad, identificar los múltiples factores que caracterizan el clima urbano a la micro escala y que intervienen en la percepción del espacio exterior. Todo eso se enmarca dentro el panorama mundial del problema del calentamiento global y del agotamiento de recursos fósiles, donde el urbanismo bioclimático se propone como referente de una propuesta de cambio en la forma de diseñar y vivir la ciudad.

Si entendemos el espacio antropizado como principal manifestación de la presencia del hombre en la tierra, la búsqueda de la reducción del impacto y de la presión ambiental de la ciudad sobre el territorio y la mayor eficiencia en el uso de los recursos es un objetivo fundamental para el desarrollo sostenible. (Fariña Tojo, 2003a; Fariña Tojo, 2003b; Hough, 1998; Naredo, 1997)

Muchos son los elementos que se quieren tratar en esta investigación que tienen que ver con una visión global de la sostenibilidad en los tres aspectos: medioambiental, social y económico.

En primer lugar el microclima afecta directamente el consumo energético de los edificios, sobre todo para la refrigeración en los climas calientes, y de consecuencia también en las emisiones de CO2 y de otros contaminantes (Akbari, Bretz, Kurn, & Hanford, 1997; Higueras, 2006; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Santamouris, Papanikolaou et al., 2001; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a) . En segundo lugar muchas investigaciones han demostrado la relación existente entre condiciones climáticas y uso del espacio externo ciudadanos. La vitalidad de los espacios ciudadanos es un elemento fundamental para la participación y cohesión ciudadana, además de influir significativamente en la economía urbana. (Matzarakis, 2001; Nikolopoulou, Baker, & Steemers,


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2001; Nikolopoulou, 2004; Nikolopoulou & Lykoudis, 2007; Steemers & Steane, 2004)

En este capítulo se presenta la revisión de la literatura que ha servido de soporte en la demostración de las hipótesis iniciales, tocando los diferentes argumentos objeto de estudio. La exploración referencial de la dimensión ambiental empieza con la revisión del concepto de sostenibilidad, entendiendo la sostenibilidad en sentido amplio que abarca las tres dimensiones: medioambiental, social y económica. En este sentido, y en referencia a las condiciones económicas actuales que ven la edificación de nuevos desarrollos urbano cómo poco probable y no deseable, se buscan referencia sobre la rehabilitación urbana; teorías ya consolidadas y nuevos enfoques relativos a la financiación y a la sustentabilidad de la reforma.

Se pasa luego a la exploración de los mecanismos térmicos que se producen en los espacios construidos y que caracterizan el comportamiento climático de un entorno. Se indaga como las condiciones ambientales influyen en la calidad de vida y en la sostenibilidad de las ciudades, dando una visión general del problema, de las componentes interesadas y de las principales medidas paliativas.

Ciudades in-sostenibles Los edificios dan reparo y protección a las personas, además de definir su bienestar y contribuyen en la calidad de la vida. Como afirmado por Wilson Churchill “damos forma a nuestros hogares y después los hogares dan forma a las nuestras vidas”. Lo mismo se puede decir para nuestras urbanizaciones, calles, plazas y ciudades donde vivimos. El ambiente urbano no es un sencillo conjunto de edificios, si bien el resultado de los procesos económico, sociales y ambientales estrictamente relacionados con las necesidades y exigencias de la sociedad. Las ciudades son complejos sistemas que facilitan un amplio abanico de actividad y servicios, y la sinergias entre las necesidades es elemento generador del tejido urbano donde la resolución de algunos problemas lleva a la creación de otros. (Naredo, 2003; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

Las ciudades nunca albergaron tanta población como en la actualidad. Según los informe de ONU-HABITAT (2008) más de la mitad de la población mundial vive en las ciudades y en el 2030 se prevé que este valor alcanzará el 60%. Las ciudades representan la contribución más alta al producto interno bruto mundial, a la vez de ser grandes consumidores de recursos y generadores de desechos. Todo eso



es particularmente crítico en un mundo sobrecargado por los impactos generados por las actividades humanas y de un creciente espacio urbanizado. Está claro que el futuro de la civilización está ligado al desarrollo de la ciudad. (Fariña Tojo, 2003a; Rogers & Gumuchdjian, 2000; Smith & Levermore, 2008)

La creciente dependencia de la ciudad de los combustibles fósiles, la imperante demanda de recursos naturales y la implacable generación de contaminantes son sin dudas los problemas más urgentes a los que la ciudad del futuro debe enfrentarse.(Rogers & Gumuchdjian, 2000)

La integración del concepto de Urbanismo Sostenible, introduce un cambio conceptual que vas más allá de búsqueda de soluciones a bajo impacto ambiental, cuestionando el modelo tradicional de desarrollo urbano e territorial así como el modo de pensar y diseña la ciudad.(Turégano Romero, 2009)

A partir de la definición de sostenibilidad definida en el informe Brundtland7 (1987) complementada por la definición de la Unión mundial de la Conservación:

El desarrollo sostenible implica la mejora de la calidad de vida dentro de los límites de los ecosistemas.

Se delinea un concepto de sostenibilidad mucho más amplio que la sencilla protección del medio natural, ya que implica la preocupación por las generaciones futuras y la integridad del medio natural a largo plazo. El desarrollo sostenible implica también la calidad de vida, la igualdad entre las personas en el presente y la igualdad intergeneracional, entendiendo con eso los derechos de los que todavía no han nacido. (Comisión de las Comunidades Europeas, 1990)

Para entender mejor los aspectos ambientales ligados al significado del adjetivo “sostenible”, podemos observar los procesos que se producen en los ecosistemas naturales, donde las tres funciones de producción, consumo y descomposición están satisfechas por el mismo sistema. Los sistemas se definen abiertos cuando pueden intercambiar flujos de energía y materia con el exterior y cerrado cuando el intercambio adviene solo al interno de mismo. Un sistema abierto puede así obtener la energía necesaria a su mantenimiento, y la capacidad de intercambiar, seleccionar y procesar la información procedente del medio, permite al sistema de evolucionar hacía un estado más complejo. La tierra es un sistema energéticamente abierto, siendo la principal fuente de energía la solar, y cerrado al intercambio de materia. Hoy en día sabemos que la biosfera ha sido capaz de

7 Definición por Brundtland en el informe de la ONU (1987): Desarrollo sostenible es el que atiende las necesidades de las generaciones actuales sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para atender a sus necesidades y aspiraciones.


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desarrollarse a base de cerrar ciclos, donde los residuos vienen reconvertidos en recursos en un reciclo continuo en el que todo acaba siendo reutilizado. (De Martino, 2008; Fariña Tojo, 2001; Naredo, 2003; Peter, 2010)

El hombre pudo poner a su servicio, mediante el sistema agrario y extractivo, los recursos generados por la biosfera, sin crear graves problemas de sostenibilidad, hasta la época reciente. Con la revolución industrial la cantidad de residuos generado por el hombre ha empezado a ser de tal magnitud que la tierra no ha sido capaz de reconvertirlos. De aquí la insostenibilidad de este modelo de comportamiento y de ocupación sobre el territorio que ha culminado en las actuales conurbaciones. (Naredo, 2005; Naredo, 2003)

En este marco de referencia podemos situar la relación entre la ciudad y la sostenibilidad, o más bien, su “insostenibilidad”. Debido a su fuerte dependencia del exterior, las aglomeraciones urbanas ejercen una fuerte presión sobre el medio que la soportan y son responsables de la alteración de los procesos naturales y del empobrecimiento de los ecosistemas naturales. Eso vale tanto en el espacio materialmente ocupado por la ciudad como para las distintas formas de contagio en una porción de territorio más o menos extensa. Podemos así arriesgar la hipótesis que el espacio urbano es el paradigma de la “insostenibilidad”, simplificando en algunos puntos los elementos más críticos.(IDAE-Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2000; Valenzuela Rubio, 2009)

Ocupación del suelo Los sistemas antrópicos son grandes consumidores de recursos, el suelo natural es uno de los primeros recursos altamente en peligro. Suelos fértiles vienen sustraídos a la agricultura para ser urbanizados, se taladran bosques, se modifican los cauces de los ríos y montañas enteras vienen transformadas en canteras para los materiales de construcción.

La invasión del territorio ha ido progresivamente aumentando en las últimas décadas debido al modelo de ciudad difusa que ha ido dispersando porciones de ciudad (o más bien urbanizaciones) en un territorio cada vez más amplio. Este proceso ha sido posible gracias a la difusión del automóvil privado, que ha sido nefasto no solo por la dispersión de la ciudad, la necesidad de realizar un sistema de infraestructuras cada vez más extenso y caro, el consumo de energía y el aumento de las emisiones para el trasporte, sino también por haber provocado una la segregación social y espacial. (Fariña Tojo, 2003a; IDAE-Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2000)



El agua El agua potable es otro recurso, fundamental para la misma supervivencia de los seres vivos, cuya preservación se ve perjudicada por el acción del hombre: directamente mediante la extracción y posible vertido de agua contaminada; o bien indirectamente obstaculizando el ciclo natural del agua debido a la modificación del suelo y de la vegetación.(Fariña Tojo, 2001; Fariña Tojo, 2007; Hough, 1998)

Agotamiento de materiales La edificación es un voraz consumidor de materiales, principalmente en su fase de construcción y un gran generador de residuos en todo el ciclo de vida8, de la construcción, reposición y fin de vida. Muchos materiales empleados en la construcción son materias primas limitadas, cuya reutilización o reciclado es todavía muy difícil de obtener. (IDAE-Instituto Para la Diversificación y Ahorro de la Energía, 2000)

La energía Sin dudas el problema del agotamiento de los recursos energético fósiles y el cambio climático, han hecho sí que la sostenibilidad se confundiera siempre más con la eficiencia energética. Las ciudades son grandes depredadores de energía, durante todo su ciclo de vida: energía para la extracción de materiales, su transporte y transformación, para la construcción de edificios, calles, plazas, carreteras, etc., durante su uso y también en el transporte para la entrada de los recursos y la salida de los desechos.(Robinson, 2011) Solo relativamente a la edificación se estima que el consumo energético asociado a la construcción de una vivienda es alrededor de 150.000kWh a lo que se le deben sumar 12.000kWh/año de consumo medio, que corresponde una generación de emisiones de CO2 igual a 42t y 1,9t/año respectivamente.(Rueda, 2006a) Para entender el problema del consumo energético en las ciudades, no es suficiente relacionar el problema con la necesidad de hacer edificios más aislados, el uso de sistemas más eficientes y la producción combinada de calor y electricidad. Es necesario poner en primer lugar la planificación energética de la ciudad, operando en base a los principios de un uso racional de la energía y de la reconsideración de sus sistemas de producción y distribución. (Bettini, 1998)

8 Ciclo de vida: conjunto de etapas y estados relacionados con el objeto de estudio a lo largo de su vida. En relación con los aspectos ambientales de un producto, se consideran todas las etapas desde la materia primas o generación del recurso natural, hasta la disposición final. (CEN 350 2006)


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Las emisiones Las ciudades son generadoras de residuos y contaminación: desechos, residuos sólidos, emisiones al agua y a la atmosfera, contaminación acústica y lumínica son los subproductos de los procesos de transformación que advienen en la ciudad, una de las principales razones de baja calidad de vida para las personas y de destrucción del medio natural. (Prats, 1995; Rueda, 2006a)

La inequidad El modelo actual de desarrollo se ha generado basándose en unas fuertes desigualdades a lo que la globalización no ha hecho nada más que aumentar la deslocalización de las funciones in un territorio más amplio que comprende todo la tierra. El desarrollo de los medios de transporte y la posibilidad de desplazarse de una forma rápida y barata, ha permitido a las conurbaciones de ir ocupando un territorio siempre más amplio, separando las actividades en polos monofuncionales conectados a través de la red de carreteras. A la vez se ha producido una segregación social atendiendo a los niveles de renta. La separación de los usos y de las personas ha dado lugar a espacios homogéneos y sin complejidad, en la negación misma de la esencia de ciudad que es el contacto, el intercambio y la comunicación proyectada en el espacio público. (Naredo, 2003; Sassen, 2001)

Estos procesos de urbanización, repetido en forma planetaria y agrandado por las desigualdades económica entre los países, generan un panorama muy poco propicio a la sostenibilidad tanto la global como la local, ya que en los países pobres, la calidad interna de la ciudad se ve comprometida por los escasos recursos.(Naredo, 2005; Sassen, 2001)

La situación en España

El estado de la sostenibilidad en las ciudades españolas no se diferencia mucho del panorama general descrito. A pesar de todos los planes, guías y buenas prácticas que apelan a la sostenibilidad, en los últimos años las condiciones en nuestras ciudades no solo no han mejorado, sino que en algunos casos han surtido el efecto contrario, demostrando que las acciones que se han puesto en marcha tienen ben poco a que ver con la sostenibilidad. (Naredo, 2005)

El boom inmobiliario que empieza en España a finales de los años ’90 del siglo anterior, se ha caracterizado por un modelo de desarrollo especulativo, altamente agotador de recursos y que hoy en día es un factor determinante de la crisis económica que está sufriendo el país.



La producción de nuevas edificaciones, no soportada de un correspondiente aumento de la población, ha dado origen a una ocupación dispersa en el territorio, con la fragmentación de los usos en polos monofuncionales y la consecuente segregación de la población, agravado por la casi nula política de viviendas protegidas. Una importante red infraestructural, generado por la dispersión en el territorio de las edificaciones, ha generado un fuerte impacto ambiental e ineficiencia económica, debido a sus elevados costes energéticos, de construcción y de mantenimiento. (de la Cruz Mera, Ángela, 2010; Naredo, 1996)

El conjunto del sector de la edificación, que ha representado hasta el 2008 el 10% del PIB y más del 12% del empleo, se ha desarrollado sobre una explotación del medio para la extracción de los recursos no renovable y el continuo vertido de residuos en el entorno. Las emisiones de GEI producido en la fabricación de los materiales corresponden a alrededor de 1,3 t/año per cápita, a lo que se le debe sumar unas dos toneladas de CO2 debido al consumo energético de los edificios, lo que significó una quinta parte de las emisiones totales del país. (de la Cruz Mera, Ángela, 2010)

A raíz de la falta de liquidez debido a la crisis de las hipotecas subprime por un lado y el deterioro del modelo de crecimiento Español por el otro, se ha producido una brusca caída de la demanda y de los precios de las viviendas, desestabilizando así el entero sistema económico centrado en el sector de la construcción. (Andreu, 2009)

Figura 2.1 Proyecciones de viviendas terminadas. Datos trimestrales. Fuente: Una visión-País para el sector de la edificación en España. Cuchí &Sweatman, 2011.

De los recientes análisis sobre la sostenibilidad del OSE (2011), se observa que el sector inmobiliario ya no es el principal motor de la economía Española. Sin embargo no se ha producido un cambio necesario hacía la consolidación de un


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nuevo modelo más eficiente, limpio y con mayores niveles de cohesión social. La insostenibilidad del modelo inmobiliario ha dejado como herencia unos niveles excesivos de endeudamiento privado, especialmente relevante de los hogares.

Los indicadores relativos a la contaminación producida por los asentamientos urbanos, muestran una ligera disminución de las emisiones desde el 2007, aunque no se alcanzan todavía los niveles mínimos de calidad exigidos por la UE. En calidad del aire, la mejora se asocia principalmente a la reducción del consumo de energía en consecuencia de la crisis económica. En cuanto al consumo de agua se registra una reducción, aunque las fugas de la red siguen colocándose en el 16,8%. Los residuos sólidos urbanos, aunque hayan bajado en el 2009 de un 1,6% respecto al año anterior, siguen representado 547 kg/hab al año, de los que el más del 50% va a vertederos.

En lo relativo a las emisiones de los GEI, después de una tendencia a la alza hasta el 2007, la crisis económica y la caída de los consumos de energía, se han estabilizados al 22% respecto a las emisiones del 1990, lo que corresponde un 7% de cuanto previsto en el protocolo de Kyoto. Sin embargo el informe destaca:

“La construcción se ha paralizado en gran medida, las ventas de automóviles se han reducido a la mitad, el paro en poco más de dos años pasó de menos de dos millones a casi cinco millones de personas, el consumo de electricidad cayó un 4,4% en 2009 y aumentó solo un 2% en 2010, la demanda de gas natural en España descendió un 10,6% en 2009 y un 0,3% en 2010 y el consumo de cemento, según Oficemen, cayó un 33% en 2009. Por tanto, la cuestión estriba en si las medidas adoptadas son lo suficientemente eficaces como para que cuando repunte la actividad económica nuestro país sea más eficiente energéticamente y se sigan reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.”(Jiménez Herrero, 2011)

No cabe duda que un cambio en la organización de los sistemas urbanos actuales y del consiguiente modelo territorial es algo necesario y urgente. Encaminar el desarrollo de las ciudades, que hasta el momento ha pivotado sobre la canalización hacía ellas de grande recursos de entrada procedentes de cualquier lugar del mundo y sobre la emisión desde ellas de residuos y demás impactos contaminantes, es un arduo reto que puede ser alcanzado solo con el respaldo de políticas eficaces e inversiones consistentes y no con aislados eventos frutos del voluntarismo de unos pocos. De aquí la necesidad de contemplar las diferentes escalas (la global, regional y local en especial) por lo cual habrá que replantear el funcionamiento de la realidad económica, social, cultural, territorial, etc. Aunque la huella ecológica urbana tenga una dimensión planetaria, la microescala es la



más próxima al ciudadano-habitante. Apostamos pues por ella, ya que es la dimensión en la que el ciudadano puede experimentar los logros de la sostenibilidad, pero también donde este puede y debe convertirse en agente activo para alcanzar su plenitud. (Valenzuela Rubio, 2009)

La calidad ambiental de la ciudad

Por todo lo indicado anteriormente podemos decir que en lugar de hablar de ciudad sostenible, sería más oportuno dirigir los esfuerzo hacía una reducción de la insostenibilidad de las urbanizaciones, prestando atención no solo a la sostenibilidad local a corto plazo, si bien a sus efectos en el tiempo y su repercusión en la espera global.

Está claro que para poner en marcha el proyecto de una ciudad más sostenible se necesitan una serie de informaciones, estrategias y políticas donde el compromiso público-institucional debe ser firme y duradero. (Naredo & Rueda, 1997; Naredo, 2003)

Un propuesta de éxito debe contemplar muchos aspectos, que van de la complejidad de usos y funciones, el régimen de tenencia de la viviendas, la gestión de recursos a la participación ciudadana. (Fariña Tojo, 2003a) Todos estos aspectos, aunque sean de fundamental importancia, no son objeto de la investigación por lo que no se profundiza en su estudio.

Sin embargo no podemos ladear la calidad medioambiental ya que, para conseguir ciudades menos insostenibles, es necesario reducir la presión de la urbanización sobre el medio natural. En otras palabras, el problema es cómo podemos mejorar la eficiencia de nuestras ciudades y reducir su huella ecológica sin comprometer la calidad de vida y el confort de los ciudadanos. En esta pregunta están implícitas muchas cuestiones, relacionada no solo con la eficiencia en el uso de la energía y de los recursos, si bien con el mismo concepto de confort de la sociedad del bienestar y del consumismo.(Fariña Tojo, 2003a)

Desde los acuerdos de los Programas 21 y Agendas 21 aprobados por las Naciones Unidas (1992), donde se reconoce el papel fundamental de la ciudad como generador de conflictos económico, sociales y medioambiental, todas las políticas de crecimiento de la Unión Europea han puesto interés en promover una mayor atención a la mejora de la eficiencia y la reducción del impacto ambiental de los aglomerados urbanos. En este panorama, el problema de la eficiencia energética y de la lucha al cambio climático, desempeña un papel de particular importancia, que ha llevado a la aprobación de estrategias y políticas específicas


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(EnergyEfficiency Plan 2011, EnergyEfficiencyforthe 2020 goal, Directiva 2010/31/EU, etc).

En general los logros que se persiguen atienden a una concepción holística de la calidad ambiental del espacio urbano, destacando los múltiples factores que inciden y su determinación. Desde la óptica del confort térmico, la relación entre hombre y clima ha tenido siempre una gran importancia en las diferentes etapas del desarrollo de la sociedad humana. En épocas recientes, los avances tecnológicos en la climatización, han permitido que se alcanzaran condiciones de confort en lugares donde anteriormente era impensable, pasando de una fuerte dependencia de los agentes naturales, a una dependencia de los medios tecnológicos.(Gómez de Perozo, 2012)

No cabe duda que las condiciones climáticas afectan de forma determinante el consumo energético de la ciudad, para la climatización de los edificios, viviendas, oficinas, (Akbari, Bretz, Kurn, & Hanford, 1997; Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; K. Niachou, Livada, & Santamouris, 2008; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Santamouris, Papanikolaou et al., 2001; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a) y también de los espacios exteriores: por ejemplo los sistemas de climatización para exteriores, como calentadores para el invierno o sistema de microclima para el verano, que son cada vez más difusos en plazas, paseos y terrazas.

En el contexto urbano las condiciones ambientales, y entre ellas el clima, influencian el uso que se hace del espacio abierto y la experiencia (estimulación visual, térmica, acústica, etc.) que tenemos en él.(Steemers & Steane, 2004) Como se explica más detalladamente en el capítulo 4, la percepción térmica es uno de los factores que condicionan nuestras decisiones en un espacio exterior. Por eso que aquellos espacios que se diseñan teniendo en cuenta los aspectos climáticos, no solo mejoran la calidad medioambiental y eficiencia, sino que también favorecen el uso del espacio público por parte de los ciudadanos, atendiendo así a los aspectos relacionados con la socialización y la integración. (Nikolopoulou & Lykoudis, 2007)

El espacio público ciudadano

El espacio público ciudadano es el elemento fundamental que hace de una aglomeración urbana una ciudad. No es objetivo de esta tesis doctoral tratar el tema del espacio público en todos sus múltiples aspectos, pero es interesante destacar brevemente algunos de los elementos que han llevado a la decisión de



concentrar el estudio microclimatico en sus efectos sobre el espacio exterior y en el confort térmico de los usuarios.

El espacio público ciudadanos no es el espacio residual entre los edificios, ni un espacio vacío considerado público sólo por definición jurídica, ni tampoco un espacio especializado en el cual se tiene que ir como se acude a un museo o a un espectáculo. El espacio público es el lugar donde la sociedad se hace visible, donde se materializan las relaciones entre los ciudadanos y del poder con la ciudadanía. (Borja & Muxi, 2000)

La historia de la ciudad es la del espacio público, y los últimos acontecimientos de movilización social, como la primavera árabe, occupy Wall Street en New York, el movimiento 15M en Madrid, etc. han vuelto a poner la atención en la importancia del espacio público ciudadano como lugar para la expresión y construcción de la democracia ciudadana. Desde el nacimiento de la democracia como sistema político en el IV siglo a.c., el Ágora es el espacio representativo donde se manifiesta. Así igual de significativa es la revolución Francesa, donde podemos encontrar en el levantamiento popular y la toma de las calles por el pueblo, el comienzo del espacio público moderno. Es con la construcción de las grandes avenidas diseñadas por Hasuman, con objetivos representativos y de consentir el avance de las tropas para la dispersión de los levantamientos populares, que los anchos boulevares empiezan a poblarse de actividades de comunión social. Las grandes avenidas, con bares y terrazas, se vuelves apreciados lugares de paseo y de ocio, deviniendo estas las principales función en las ciudades modernas. (Gallardo, )

El espacio público toma un papel de protagonista, no solo porque diseña el trazado del espacio construido, sino también es el lugar por excelencia de la sociabilidad y del contacto que caracteriza la ciudad. Es el espacio de la cotidianidad, del juego, de las relaciones casuales o habituales con los otros, de los recorridos a las diferentes actividades. (Borja & Muxi, 2000)

Según Lefebvre (1972) el espacio urbano “es el enclave donde se opera el contacto entre las cosas y las gentes, donde tiene lugar el intercambio”. (Lefebvre, 1972) El espacio urbano modela y viene modelado por el conjunto de relaciones que existen en una sociedad. La proximidad, el intercambio y el contacto son elementos constitutivos de la ciudad. (Florencia Rodriguez, 2001)

“El espacio público es un espacio importante, complejo y delicado, donde se desarrollan dinámicas de inclusión o, por el contrario de tensión y exclusión”. (Torres Pérez, 2002)


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Como destaca Torres (2002) en sus estudios sobre la inserción de los inmigrantes, las calles, plazas, vestíbulos y parques constituyen lugares para la convivencia, por lo menos espacial, de personas desconocidas. La co-presencia con extraños, que es una de las características de la sociabilidad de la ciudad moderna, genera una interacción superficial y ocasional, pero no por eso priva de consecuencias.

El espacio público puede ser usado como soporte para los desplazamientos, puede ser un lugar de contemplación para el paseante o de encuentro y de ocio para familias y amigos. Muchas veces, se utiliza y disfruta de forma colectiva, en familia o en grupo y, en la mayoría de los casos, el espacio público es el espacio de la co-presencia e interacción entre diferentes grupos. (Torres Pérez, 2002)

Sin embargo vemos que en las ciudades modernas, las políticas urbanas neoliberales9 han producido la fragmentación y especialización del espacio urbano, efecto que trae consigo la perdida de sociabilidad y de exclusión de los sectores más vulnerados. De acuerdo con Lefebvre (1972) la segregación rompe lo urbano en cuanto destruye las relaciones percibida y concebida, elude las confrontaciones, destruye la complejidad y disgrega el tejido social. (Lefebvre, 1972; Florencia Rodriguez, 2009) El mantenimiento de ciertos valores culturales y sociales así como la integración entre las personas, pasa también por la defensa y preservación del espacio para el contacto, la convivencia y la interacción entre los ciudadanos.

La calidad de una ciudad se mide en la calidad de su espacio público. Un diseño que pretende definirse sostenible no puede atenerse solo a la búsqueda de las soluciones tecnológicas y de diseño, sino que tendrá contar con los estilos de vida y aspectos sociales, intentando encontrar las soluciones ecológicamente más adecuadas a paliar los problemas urbanos actuales. En este sentido la microescala es la dimensión ideal para plantear una restructuración medioambiental ya que es el espacio donde las personas viven, actúan y sufren los agravios de los problemas de la ciudad.(Gómez de Perozo, 2012)

9 Urbanismo neoliberal. De esta manera Smith (2002) hace referencia a este nuevo tipo de urbanización caracterizado por el fenómeno de la gentrificación, o en otra palabras, el fenómeno de expulsión de la franca de población más vulnerable hacía los barrios (guetos) más humildes. Este proceso se asocia a la recalificación de porciones de ciudad degradadas, con el consecuente aumento de los precios de las rentas e impuestos debido a la subida del valor de las viviendas. En estos fenómenos la administración pública juega un papel fundamental, ya que puede favorecer estos fenómenos a través de las acciones de rehabilitación urbanas cuando estas no vienen acompañadas de políticas específicas de viviendas y de protección de la población más vulnerable. (Harvey, 2000; Smith 2002; Florencia Rodriguez 2009)



La rehabilitación urbana

La rehabilitación urbana: una apuesta para la sostenibilidad

Está claro que los sistemas urbanos han tratado de preservar su sobrevivencia (local) a base de comprometer la sostenibilidad global, hasta el punto que la presión sobre el medio natural se está volviendo insoportable. Desde hace unos años la literatura, guías y políticas que proponen “sistemas urbano sostenible”, que sin embargo no han producido una mejora sustancial en la calidad de las ciudades. En lugar de seguir en este camino, sería mucho más útil y claro empezar a poner en marcha medidas para paliar la obvia insostenibilidad global del sistema actual o por lo menos intentar no acentuarla más. (Fariña Tojo, 2003a; Naredo, 2003; Valenzuela Rubio, 2009)

Además del fracaso del modelo inmobiliario desarrollista y de la insostenibilidad que es derivada, existen otras razonen que hacen pensar que la resurrección del sector de la construcción no puede venir del lado de la nueva edificación:

• La burbuja inmobiliaria ha dejado una herencia de más de 700.000 viviendas nuevas desocupadas.

• La estabilización del crecimiento demográfico hasta el 2050 pronosticado por el Instituto Nacional de Estadística (INE) no da esperanza que vaya a dar lugar a un aumento la demanda de viviendas a largo plazo.

• Aunque pueda haber un aumento de la demanda de las segundas viviendas y se reduzca el número de personas por hogar, no se produciría un fenómeno de suficiente magnitud como para invertir el proceso.

Las inversiones en el ladrillo, que hasta ahora se había considerado como una inversión sólida para las familias, ha sido puesto en crisis, tanto en sus aspectos culturales (no es cierto que el valor de las viviendas no puede bajar) como en los mecanismos financieros que la había alimentado. (Cuchí & Sweatman, 2011) Si puede existir una resurrección del sector de la construcción, eso no puede producirse a través de los mismos patrones de desarrollo que han generado su derrumbe. Al contrario, es justo en este momento de crisis que se puede y se debe aprovechar la oportunidad para proponer nuevos modelos basados en un menor impacto ambiental, una mayor estabilidad económica y equidad social.

Desde diferentes lados, tanto institucionales como en el sector privado, empieza a promoverse una reconversión del sector hacía la rehabilitación del existente,


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edificios y espacios urbanos. La rehabilitación no consume suelo, es meno cara en cuanto se pueden ahorrar los costes de la nueva urbanización, es meno agotadora de recursos energéticos, de materiales y produce una cantidad inferior de residuos. Es una opción coherente con las políticas económicas y puede absorber buena parte del desempleo dejado por el sector inmobiliario sin grandes esfuerzos para la reconversión. (Cuchí & Sweatman, 2011; de la Cruz Mera, Ángela, 2010)

Bajo los aspectos sociales, la rehabilitación ofrece la posibilidad de mejorar las condiciones de habitabilidad y de calidad de vida de los barrios degradados, con una inversión inferior y sin que los vecinos tengan que verse obligados a desplazarse a otros lugares. La recuperación de los barrios degradados produce beneficios no solo a los residentes, sino bien a todos los ciudadanos gracias a la mejora de la salubridad, la seguridad, la eficiencia, el aumento del valor de las viviendas y, lo que es más importante, una mayor calidad de vida. (Laino, 2001)

Políticas de rehabilitación urbana en Europa y en España

El tema de la rehabilitación y regeneración del espacio urbano es uno entre los más debatidos en los diferentes ámbitos de discusión sobre la ciudad. Hace años los teóricos del urbanismo se interrogaban sobre el rol del re-uso de edificios y trozos de ciudad degradados y que habían perdido su función, original centrando la discusión sobre todo en el problema de los centros urbanos y el mantenimiento de los cascos históricos.

El debate sobre la rehabilitación urbana aparece ha mediado del siglo anterior cuando el problema de la rehabilitación del patrimonio histórico, que había llevado a la definición de los principios del restauro conservativo de la carta del Restauro de Atenas (1931), había generado la discusión sobre la rehabilitación urbana. A conclusión del Convenio Nacional para la Conservación y la Regeneración de los Cascos históricos en el 1960 en Gubbio-Italia se firma la “Carta de Gubbio” donde se aprueban los principios para la conservación y rehabilitación de los cascos históricos. Se reconoce el inminente estado de degrado de las ciudades y la necesidad de establecer un vínculo de protección para evitar la pérdida del patrimonio histórico y cultural de la ciudades. Uno de los elementos más novedoso del documento es que ya se pide que los planes de Ordenación y en los Reglamentos del Ayuntamiento, que generalmente se limitan a regular los nuevos desarrollos, se ocupen también de la protección y mantenimiento de la ciudad construida, a través de la definición de planes



especiales de regeneración urbana.(Convegno Nazionale per la Salvaguardia e il Risanamento dei Centri Storici, 1960; International Museums Office[, 1931)

Algunos años más tardes, los mismos conceptos de protección y salvaguardia son adoptados también en la Declaración de Amsterdam (1975), donde se define entre el patrimonio histórico y cultural no sólo edificios aislados de valor excepcional con su entorno inmediato, sino también conjuntos, barrios de ciudades y pueblos. En el documento se resalta que el planeamiento urbano debe crear y mantener un entorno que permita al individuo encontrar su identidad, sentirse seguro frente a los bruscos cambios sociales y rescubrir las interacciones entre las funciones socio-economicas y el tejido urbano. Se hace también hincapié en que la rehabilitación del espacio construido da la posibilidad de no ocupar nuevos suelos y así no aumentar ulteriormente la presión de la ciudad sobre los ecosistemas naturales.(Consiglio d'Europa, 1975)

En los últimos años el problema de la rehabilitación se ha ido transfiriendo de los cascos históricos a porciones más grandes de la ciudad consolidada, como las áreas industriales en desuso y los barrios residenciales populares surgidos de las grandes actuaciones de edificación publica subvencionada, que en el tiempo han desarrollado importantes problemas estructurales, de inhabitabilidad, falta de equipamientos asociados a un degrado del tejido socio-económico. Muchas veces se afirma que los barrios públicos son un problema debido a las mismas políticas que los han generados. (Annunziata Sandra, 2008)

Nacen entonces, en seno a la Unión Europea diferentes programas de ayuda pública para la regeneración de los barrios degradados, entre los cuales recordamos el Programa URBAN; programas de cofinanciación a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) para la regeneración urbana. La grande novedad de este programa es la puesta en marcha de proyectos para la revitalización económica, social y ambiental de lugares con degrado pluridimensional reconocible, a través de la actuación a nivel local con procesos participativo y enfoque intersectorial, que busca obtener una mejora en los diferentes aspectos trabajando con los actores, públicos y privados, que actúan en el espacio urbano.(Annunziata Sandra, 2008; Laino, 2001)

En Italia se han llevado a cabo los programas de Contratti di quartiere donde han sido financiadas acciones de regeneración urbana integrada que, a pesar de los resultados excelentes, no dejan de ser eventos aislado cuyo éxito está ligado a la capacidad de liderazgo de las entidades promotoras locales más que a la capacidad programática de la administración nacional. (Sepe, 2010)


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En Inglaterra desde el 1980 se han actuados programas de regeneración de los barrios públicos trabajando principalmente en la modificación del espacio físico con la demolición y reconstrucción, con el objetivo de disminuir la densidad edificatoria. En el 1999 en Escocia se aprueba la Social Inclusion Strategy10 que se pone como objetivo la reducción de la pobreza y del degrado de los barrios más críticos través de la designación de una entidad local: las Social Inclusion Partnership, con una asignación financiaría estatal para la regeneración de los barrios degradados.(C. Fioretti, 2008; Fortuzzi Angelica, 2008)

A los problemas de degrado y de inhabitabilidad de los barrios periféricos, podemos añadir la necesidad de introducir medidas de eficiencia y reducción de las emisiones de contaminantes tanto en los edificios como en el entorno urbano. Solo una pequeña parte del patrimonio construido ha sido realizado de acuerdo a los principio de eficiencia y ahorro energético de la directiva europea del 2002/91/ce y 2010/31/UE. Para incidir significativamente en la eficiencia de los edificios es necesario intervenir sobre el patrimonio edificado, con programas reales de acondicionamiento y mejora energética, capaces de poner en marcha actuaciones a gran escala.

La rehabilitación y readaptación del patrimonio construido es uno de los objetivos más prioritarios del Ministerio de Obras Públicas Español (antes Ministerio de Viviendas), remarcado en la Ley del Suelo 8/2007 donde se explica la imprescindible necesidad de cambiar de modelo de crecimiento inmobiliario, basado en un principio de limitar la urbanización de los suelos rurales a aquel realmente necesario a atender a las exigencias económicas y sociales y a preservar el valor ambiental y cultural del suelo urbano. Implícita la necesidad de crear nuevas herramientas de planificación que permitan gestionar el patrimonio inmobiliario en suelos y edificios, como recurso agotable impidiendo el desarrollo urbano indiscriminado y de la destrucción de los valores naturales y culturales prexistentes. (Fariña Tojo & Naredo, 2010)

Enunciando algunos elementos normativos:

“En virtud del principio de desarrollo sostenible, las políticas a que se refiere el apartado anterior deben propiciar el uso racional de los recursos naturales armonizando los requerimientos de la economía, el empleo, la cohesión social, la igualdad de trato y de oportunidades entre mujeres y hombres, la salud y la

10Social InclusionStrategy. Estrategias de inclusión social. Es relacionado al concepto de exclusión social que tradicionalmente se liga al ‘degrado social’, incluyendo el desempleo, las rentas bajas, las malas condiciones de la viviendas, la criminalidad, las malas condiciones de salud y la desintegración familiar. (David Webster, 2000)



seguridad de las personas y la protección del medio ambiente, contribuyendo a la prevención y reducción de la contaminación[…]” art.2, punto 2.

Con el Real Decreto 2066 del 2008 se aprueba el Plan Estatal de Viviendas y Rehabilitación 2009-2012 con la importante novedad de la introducción de nuevas herramientas para la financiación de los programas de rehabilitación urbana. Se definen entonces las Áreas de Rehabilitación Integral (ARI) y las Áreas de Renovación Urbana (ARU), programas específicos para la financiación de actuaciones para la rehabilitación y regeneración de barrios y conjuntos urbanos que se encuentran en condiciones de degrado por falta de equipamiento, inhabitabilidad, seguridad, accesibilidad, etc.

Se marca el concepto que la rehabilitación urbana va más allá del mantenimiento y recupero de los cascos históricos y del patrimonio histórico-cultural, aludiendo a la necesidad de una acción integrada que considere de forma conjunta y coordinada la recuperación ambiental, la renovación y regeneración urbana y edificatoria, la mejora de la eficiencia energética y de las condiciones económicas y sociales de los ciudadanos. (de la Cruz Mera, Ángela, 2010)

¿Che se entiende por “Rehabilitación Urbana”?

En ello se puede entender todo lo que tiene a que ver con la recalificación de la ciudad:

• El diseño de una nueva organización urbana, que pueda surgir de la demolición, reconstrucción y remodelación de edificios, calles y plazas.

• El proyecto de los usos y funciones, en particular en la dotación de servicios y equipamientos.

• El diseño de nuevas pavimentaciones, verde urbano, iluminación publica, arreglo de las obras de arte cuando eso influye en el decoro urbano.

• Rehabilitación de fachadas, de los pórticos, de la apertura de los escaparates en las vías públicas, que si bien de pertenencia de los edificios, pertenecen a la vez a la escena urbana.

• El proyecto del mantenimiento urbano, en particular de la recogida de los residuos.

• El proyecto de las actividades económicas, en particular las comerciales y artesanal.


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• La programación de los sistemas de financiación, subvención y gestión de las intervenciones pública y privada.

Podemos decir que la rehabilitación urbana es el re-diseño de la ciudad marcado por el mantenimiento de la identidad histórica. Es entonces que el mantenimiento, la demolición o la construcción toman sentido en un proyecto complejo que exige el conocimiento de la ciudad, la física, funcional y la relacional, la interpretación de los procesos y, en tercer lugar, la formación del proyecto que debe siempre tender al mantenimiento o regeneración de la identidad y del tejido social.(Gabrielli, 1993)

Hoy en día, el reto más importante de las ciudades europeas es seguramente la rehabilitación y regeneración de un parque inmobiliario relativamente moderno, que pero no corresponde a los requisitos de salubridad, confort y eficiencia energética que la sociedad moderna exigen. (de la Cruz Mera, Ángela, 2010) Como se describe en el plan de acción propuesto por el GTR, la rehabilitación del parque inmobiliario existente es una alternativa real para reducir el consumo energético de los edificios, mejorar la habitabilidad de las ciudades y relanzar el mercado inmobiliario con una inversión pública razonable.(Cuchí & Sweatman, 2011)

Sin embargo, para una mayor sostenibilidad de la ciudad es necesario intervenir también en el espacio público ya que la calidad de la vida del ciudadano se mejora tanto internamente (vivienda) que en el entorno residencial donde se produce la convivencia. La rehabilitación del espacio público, si realizado en colaboración con las entidades económicas y sociales que actúan en el, supone también una mejora a nivel económico sobre todo de los pequeños comercios de barrio y de la integración social promoviendo las interrelaciones entre las personas en el espacio ciudadano.

La puesta en marcha de planes especiales de rehabilitación permite a los Ayuntamiento resolver problemas urbanísticos delimitando el área de actuación, etapas y medios técnicos y financieros. Otro beneficio de la rehabilitación frente a la nueva construcción es el aumento de valor de las propiedades, tanto de las públicas como de las privadas, incentivando así también el mantenimiento del parque inmobiliario existente. Por todo ello, la rehabilitación “representa una compleja alternativa urbanística de creación del patrimonio futuro sobre el patrimonio heredado”. (Campesino Fernández, 1989)



El clima urbano La ciudad puede entenderse como un ecosistema11 que contiene sus comunidades de organismos vivos, su soporte físico que se va transformando en relación a sus actividades internas y sus flujos de intercambio de materia, energía e información. A diferencia de lo que se produce en los ecosistemas naturales, los sistemas antrópicos son sistemas abiertos donde los flujos se pueden resumir en una entrada de recurso (energía, agua, materiales, combustibles, etc.) y una salida de desechos, en una dinámica agotadora capaz de perjudicar la sobrevivencia de otros ecosistemas incluso a grande distancia. (Higueras E. 1998, Lauro G. 2008, Fariña Tojo J. 2007)

Para entender el comportamiento de la ciudad, podemos apoyarnos en el concepto de la termodinámica de la entropía, como medida de disipación del orden. El concepto de entropía se introdujo para entender la naturalidad de los fenómenos físicos, con lo que se llegó a la conclusión que en cada sistema psico-químico aislado, la entropía aumenta hasta alcanzar el equilibrio. En analogía, las ciudades pueden aumentar su orden interior y de consecuencia reducir su entropía. La entropía dentro de la ciudad es debida a los procesos internos irreversibles, como la quema de combustible, los recursos necesarios a las transformaciones internas (energía, sol, combustible, materiales, etc.) proceden desde el exterior mientras que los residuos (basura y contaminación) son exportados fuera del sistema. (Robinson D. 2011)

Recientemente se han podido introducir analogías entre la entropía física y la teoría de la información en la que se mide con la entropía la falta de información sobre la verdadera estructura del sistema, midiendo la cantidad de información transmitida por la estructura urbana en bit (Fariña Tojo J. 1998). Los flujos de información no son objeto de la presente investigación, con lo que nos referimos solo a los procesos termodinámicos y a los flujos de energía, bajo diferentes formas, que se instauran en la ciudad y entre sus límites.

Un uso más ordenado y eficiente de los recursos naturales, por ejemplo acoplando procesos, permitiría reducir la producción interna de entropía y de

11 De la definición de las teorías de la Ecología del Paisaje, el paisaje se constituye por un sistemas de ecosistemas organizados según una estructura jerárquica e integrantes entre ellos por el intercambio de materia y energía, en un frágil equilibrio dinámico sometido a perturbaciones de origen tanto natural como antrópica. El ecosistema es la unidad funcional de base de la ecología, é un sistema abierto, lejano de la condición de equilibrio, que vive del intercambio de energía entre un ambiente de entrada y otro de salida, entre los cuales los nutrientes circulan, se acumulan y se transforman constituyendo un complejo sistema de interacciones entre la población de productores, consumidores y decompositores. (Lauro G. 2008)


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consecuencia los flujos de entrada. En este marco se ha desarrollado el concepto de Urbanismo Sostenible, que supone la generación de un entorno urbano de menor impacto en el medio natural y por eso menos explotador de recursos, generar la menor cantidad posible de desecho, asegurar calidad de vida y ser económicamente viable. En este contexto aparece también el concepto de Arquitectura Bioclimatica, o en otras palabras una arquitectura más eficiente capaz de aprovechar las condiciones ambientales para generar espacios construidos que necesiten menos recursos energéticos y más confortables para sus ocupantes. (Valenzuela Rubio, 2009),Turegano JA. 2009, Robinson D. 2011, Gaja F. 2009)

Para lograr trasladar los criterios de la sostenibilidad al sector de la edificación y aprovechar el diseño bioclimático no sólo en los edificios, es necesario que estos criterios se consideren a la escala urbana. Así que las normativas urbanísticas deberían recoger indicaciones para consentir la correcta orientación de los edificios y de las calles, permitiendo el aprovechamiento solar y una adecuada ventilación, según las exigencias del lugar.(Turegano JA. 2009,(Higueras, 2011)

El concepto de microclima urbano y de la diferencia en la percepción sensorial entre espacio rural y ciudad se remonta a la antigüedad. Como recuerda Landsberg, ya se refería Seneca a los pestilentes humos de Roma y como mejoraba el ánimo al alejarse de la ciudad. Señala también que desde el siglo XIII hay prohibiciones del uso de carbón en Londres, especialmente en el siglo XVI en periodos de reuniones del Parlamento. Pero el primer estudio del clima londinense se debe a Evelyn en la curiosa obra sobre el clima de dicha ciudad (1661), en la que afirma que el azufre producido por la combustión del carbón dificulta la llegada de los rayos solares. (Antonio Lopez,1993)

Es solo a principio del siglo XX cuando se comienza a perfilar el concepto del microclima urbano, y en concreto de la isla de calor urbana, cuando los investigadores germanos empiezan a tomar datos concretos de temperaturas en diferentes puntos de las ciudades utilizando vehículos con aparatos de medidas, suponiendo un gran adelanto metodológico y la obtención de trazado de perfiles y mapas de isotermas.En los últimos años, además de los sistemas de medición de los datos climáticos, existen nuevos métodos de investigación entre los cuales destacan la teledetección mediante imágenes en infrarrojo térmico desde satélite o avión.

Aunque una ciudad mantenga las características climáticas del lugar donde se asienta, esta presenta condiciones diferentes de su entorno rural y también dentro de una misma ciudad, se pueden reconocer rasgos diferenciales entre las



zonas. Podemos entonces decir que el las actividades humanas influencian los cambios climáticos, creando lo que se define ambiente urbano o microclima urbano. Este fenómeno es directamente relacionado al comportamiento energético de la ciudad, a su morfología, su dimensión y a las actividades que se desarrollan en su interior. (Cardenas Jiron, 2010; Cardenas Jiron, 2010; Giridharan, Lau, Ganesan, & Givoni, 2007; T. Oke, 1987; T. Oke, 1987; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Steemers & Steane, 2004) Muchas son las investigaciones que se han llevado a cabo con la finalidad no sólo de describir y cuantificar este fenómeno, sino que también de explorarlo a partir de la forma urbis de la ciudad. Otras parten del presupuesto de buscar soluciones paliativas a incorporar en el diseño urbano, para reducir los efectos perjudiciales a la calidad ambiental y al consumo energético. Se presenta a continuación una explicación de los procesos energéticos que se generan en el espacio urbano y que modifican las condiciones climáticas, en particular a la escala de barrio.

La isla de calor urbana

Se define isla de calor urbana (ICU) la diferencia de condiciones climáticas registradas por un observador situado en la ciudad frente a otro observador localizado en su entorno rural.(T. Oke, 1987) De acuerdo con las afirmaciones de Landsberg (1981), la ICU es presente en todas las ciudades y es la manifestación más obvia de la influencia de la urbanización sobre el clima. (A. L. Gómez, 1993)

El fenómeno de la ICU puede manifestarse tanto de día como por la noche, su intensidad es determinada principalmente por el balance térmico de la región urbana y puede alcanzar hasta los 10ºC de diferencia con su entorno.

Los factores generadores del fenómeno de la ICU dependen del clima, de la topografía, de la estructura urbana, de las condiciones climáticas en el corto plazos y de fenómenos como la inversión térmica. Sin embargo los principales elementos que influencian la ICU son de origen antropogénica:

• La reducción de las superficies de evaporación debido a la sustitución de las superficies vegetales por edificios y superficies impermeable como calles, plazas, etc.

• La diferente respuesta a la absorción de los rayos solares, debidos a las características especifica de los materiales de acabado, como reflectividad, absorción e inercia térmica, a la geometría de los cañones y a las múltiples reflexiones y a la remisión de la radiación en onda larga;


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• calor generado por fuentes antropogénicas, como las industrias, los edificios y los coches;

• contaminación atmosférica y al efecto invernadero generado por las partículas en suspensión.

(Giridharan, Lau, Ganesan, & Givoni, 2007; T. Oke, 1987; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

Existen dos tipos de isla de calor, la superficial y la atmosférica, que se diferencian por los elementos que la forman, los métodos para identificarlas y medirlas, los impactos generados y, en algunos casos, las formas para mitigarlas.

La isla de calor superficial se genera cuando las superficies de suelos, techos y fachadas, registran una temperatura superior a la del aire. En general la isla de calor superficial se produce tanto por el día como por la noche, pero tiende a ser más fuerte por el día cuando el Sol es alto y el cielo es claro. En las zonas urbanas la temperatura de las superficies son generalmente superiores a las del aire en valores que oscilan entre los 10 ºC y los 15 ºC, a diferencia de las áreas rurales donde la diferencia de temperatura entre superficies y aire es sensiblemente inferior, siendo esta oscilación entre 5 ºC y 10 ºC. La magnitud de la ICU superficial varía según la estación, dependiendo del cambio de la intensidad de la radiación solar, y en relación al tipo de suelo y de revestimiento. Para identificar la ICU superficial, normalmente se pueden emplear métodos de medición directos o indirectos, modelos numéricos o métodos de estimación empíricos. En muchos casos se recurre a técnicas de medición indirectas para estimar la temperatura superficial, obtenidos con el soporte de mapas térmicos e imágenes radiométricas.



Figura 2.1 Variación de la temperatura superficial y atmosférica. Fuente: ReducingUrbanHeat Island: Compendium of Strategies

La isla de calor atmosférica se identifica con la diferencia de temperatura del aire entre las áreas urbanas y las rurales. Normalmente distinguen dos tipos de ICU atmosférica:

• La isla de calor a nivel de suelo que existe en la capa de aire que afecta directamente los habitantes, entre el suelo y el nivel superior de los techos o árboles y

• La isla de calor de la capa en altura que empieza por encima de los techos o árboles y se extiende en altura hasta el punto en el que el paisaje urbano influye en la temperatura del aire. Esta altura generalmente no supera los 1,5 km.

La diferencia de temperatura del aire entre las ciudades y las zonas rurales no son tan elevadas como la de la temperatura superficial, quedándose en una diferencia alrededor de los 3 ºC. Más que en los valores de temperatura, las principales diferencias que se puede apreciar en el comportamiento entre los dos ambientes es en la amplitud térmica diaria que es inferior en las conurbaciones, y un desplazamiento en el tiempo hacía adelante debido al inercia térmica del entorno urbanizado.


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Figura 2.2. Grafica conceptual de la evolución de la Isla de Calor Urbana en una noche clara y poco ventilada. Fuente: ReducingUrbanHeat Island: Compendium of Strategies

También podemos distinguir los dos fenómenos por la escala en la que influyen: la mesoscala y la microescala. En la microescala sa tratan las variaciones climática que se producen a pequeñas distancias, algunos metros, debido a la interacción de la atmosfera con los elementos urbanos (edificios, calles, plazas, jardines, etc.). En la mesoescala se analizan las variaciones climáticas producidas por el conjunto urbano, la escala de orden es de distancia de algunos kilómetros y en este caso otros factores como la topografía, cercanía a fuentes de agua como los ríos o la presencia de grandes parques urbano son lo que más influyen en su intensidad.

En el desarrollo vertical podemos asociar los dos fenómenos a dos capas o área de estudio: el Urban Canopy Layer (UCL) que es la capa que va del suelo hasta las cubiertas de los edificios y que se asocia a la microescala, en el estudio de los fenómenos mesoescalares nos referimos al Urban Boundary Layer (UBL) que es la capa de atmosfera que va del UCL hasta la altura donde las condiciones climáticas manifiestan la presencia de la ciudad. El UCL tiene una altura de 0,1-0,3 km, el UBL va de 0,1-0,3 km a los 0,6-1,5 km según los casos. (Acero, 2012; T. R. Oke, 1988a; Steemers & Steane, 2004; Voogt, 2007; E. Wong, 2005) También la forma de medir la ICU a las dos escalas es muy diferente. En el UBL se emplean sensores montados en edificios altos, medidores de altura con globos o con observaciones aéreas, radiosondas, sistemas SODAR, RASS, LiDAR o radiómetros de microondas. Para el UCL las mediciones se realizan normalmente a pie de calle (1,3-2m) con sensores oportunamente colocados en lugares significativos del entorno urbano, protegidos de la radiación directa y con la justa ventilación. (Voogt, 2007)



Figura 2.3. Capas de análisis para la ICU, en la primera figura en rojo el UBL y en la segunda el UCL. Fuente: elaboración propia adaptado de Voogt J. How Researchers Measure Urban HeatIslands.

Efectos producidos por el microclima en el entorno urbano

El microclima que se crea en el entorno urbano produce diferentes consecuencias relacionadas principalmente al aumento de la temperatura en el entorno urbano que dependen de la intensidad del fenómeno de la ICU y de las condiciones del lugar. El clima urbano se define en término de comparación con su entorno rural y es a partir de las diferencias que se registran con ese que podemos caracterizar el comportamiento de la ciudad, aunque cada ciudad conserve las condiciones climáticas características de la región en que se asiente. Los rasgos más sobresalientes se pueden identificar en:

• General aumento de la temperatura, sobre todo de las mínimas, reduciendo así el efecto de enfriamiento nocturno.

• Reducción de la amplitud térmica diaria y modificación de los horarios en que se alcanzan los picos de temperatura.


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• Modificación de los vientos en distribución e intensidad, debidos a la presencia de los edificios y a los flujos turbulentos que se producen en los cañones y por el calentamiento de las superficies por radiación.

• Modificación de la cantidad e intensidad de las precipitaciones, consecuencia de la reducción de la evapotranspiración y de los flujos ascensionales de aire.

Los efectos producidos por el diferente comportamiento climático pueden ser de menor o mayor impacto según las condiciones del lugar, sin embargo el fenómeno es indicador de un grado de contaminación del aire y las medidas para contrarrestarla producen una mejora de la calidad ambiental que, a lo largo del año, da un balance positivo.

C ons um o e nerg é t i co El aumento de la temperatura tiene un impacto significativo en el consumo energético de los edificios, en especial manera en condiciones de veranos en los climas caliente donde los edificios necesitan ser enfriados para alcanzar condiciones de confort.

Está claro que las áreas urbanas con malas condiciones climáticas y de la calidad del aire necesitan más de los sistemas de climatización y de consecuencia de energía eléctrica. Además, se producen condiciones perjudiciales para el confort de las personas debido a las altas temperatura, al calor emitido por los aparatos a la altura los peatones, al efecto “túnel de viento” en las calles así como las inusuales turbulencias debida a un mal diseño de los edificios altos.(Hassid et al., 2000)

Las investigaciones han demostrado que en las ciudades Europeas el consumo para la refrigeración se ha disparado en las últimas dos décadas. Eso se traduce en un aumento del consumo energético global, de las emisiones de GEI y de otros contaminantes como dióxidos de sulfuros, monóxido de carboneo, los NOx y las partículas volátiles producidos por la plantas de generación. También el coste asociado con la energía es un factor a considerar, a lo que hay que sumar la dificultad de gestión de la producción de energía de las plantas generadoras. (Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001)

De los estudios realizados (Jones 1992) se demuestra que a un aumento del 1%del PIB el consumo energético incrementa del 1,03%. Un aumento de la población del 1% se traduce en una subida del consumo del 2,2%, lo que



demuestra la gran importancia que tiene la urbanización con el consumo energético.

De los estudios realizados en diferentes ciudades se demuestra que el aumento de temperatura debido a la ICU provoca un aumento del consumo en las horas picos es del orden de 1,5-2% por cada grado Fahrenheit (0,6 ºC). El consumo energético para contrastar el efecto de la ICU en las ciudades representa alrededor del 5-10% del consumo en las comunidades de vecinos. Akabari (1992) demuestra que existen importantes correlaciones entre las condiciones exteriores y el consumo energético de los equipos. En los estudios realizados en seis ciudades de EE.UU. (Los Angeles, CA; Washington, DC; Phoenix, AZ; Tucson, AZ; and Colorado Springs, CO) se observa que para cada aumento de la temperatura de 1ºC, se produce un incremento del consumo de energía en refrigeración para las horas pico del 2-4%. Para una ciudad con Los Ángeles se ha estimado que la ICU produce un aumento del consumo energético alrededor de 1-1,5 GW, correspondiente a 100 millones de dólares por año. (Hassid et al., 2000)

En los países europeos tienen particular relevancia los trabajos realizados por Santamouris sobre la ICU en Atenas (1996) donde se han recopilado datos en 22 diferentes estaciones con el fin de medir el efecto producido según las características del lugar: zonas centrales vs. zonas periféricas, alta densidad de trafico vehicular vs. baja densidad, presencia de parques y jardines, etc. Se demuestra que la ICU es más intensa en las zonas centrales y más bajas en las zonas periféricas, lo que produce en condiciones de verano un aumento de la temperatura 16ºC y del consumo de energía en las horas pico del 350% respecto las áreas suburbanas.(Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

También en el diseño del edificio, los sistemas de climatización están calculados considerando un clima tipo, realizado normalmente con datos obtenidos en las estaciones meteorológicas posicionadas en áreas periféricas, principalmente en los aeropuertos donde las condiciones de temperatura y de ventilación son muy diferentes de las de un entorno urbano. Para realizar un cálculo efectivo, se debería ajustar el clima tipo a las condiciones reales considerando las modificaciones producida por el entorno. Estas valoraciones han sido realizadas en muchos proyectos de investigación, demostrando el aumento del consumo de energía, sobre todo en los climas calientes donde el impacto de la refrigeración es significativo. (Hassid et al., 2000; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

En la estimación del aumento de consumo debido a la ICU hay dos efectos importantes a tener en cuenta: el aumento de la potencia para alcanzar las condiciones de confort y el tiempo de uso de los sistemas de refrigeración. El


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aumento medio de la temperatura en concomitancia con la reducción de la amplitud térmica y eltime leg de las temperatura, dificultan el efecto de free cooling12 nocturno, reduciendo la dispersión del calor acumulado en el día y dilatando en el tiempo de uso los sistemas de aire acondicionado, pasando por ejemplo de 8 a 12 horas.(Geros, Santamouris, Karatasou, Tsangrassoulis, & Papanikolaou, 2005; Ghiaus, Allard, Santamouris, Georgakis, & Nicol, 2006) Este aumento de consumo se traduce de forma directa en un aumento de producción de CO2 debido a la quema de combustible fósiles para la producción de energía eléctrica y en un mayor coste económico. Relativamente al aspecto económico se debe considerar también que el incremento de la temperatura, sobre todo en las horas pico, hace que para poder abatir un mayor salto térmico, sean necesarios equipos más potentes y de consecuencia más caros. (Hassid et al., 2000; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a)

C on t a m i na c i ó n y e fe c t o s obre l a s a lud El aumento de la temperatura tiene serias consecuencia para la salud del hombre y del medioambiente. Los NOx, producidos en los procesos de combustión a alta temperatura, son un precursor para la formación del ozono troposférico (O3) un gas toxico de color azul, principal contaminante de lo que se define como smog fotoquímico. La formación de O3 se produce bajo la acción de los rayos solares, de consecuencia es mayor en los meses más calurosos y en las horas de mayor soleamiento.

Este tipo de contaminación representa un problema para la salud del hombre, de los animales y de las plantas. Los principales efectos de la contaminación por O3 sobre el hombre son fuertes irritaciones a los ojos, déficit en la funcionalidad pulmonar y aumento de la incidencia de síntomas del aparato respiratorio. El número de ingresos en urgencias y hospitales por asma y otras afecciones del sistema respiratorio aumenta en los días en los que la concentración de ozono es más alta.(Polidori, 2006)

Las plantas, teniendo como órgano principal las hojas con un elevado ratio entre superficie y volumen, absorben por medio de las aberturas estomáticas una gran cantidad de contaminantes gaseosos. Los principales daños que se observan en ellas consisten en la reducción de la producción, fenómeno que se observa también a niveles de concentración de ozono inferiores a los que afectan el

12Free Cooling.Enfriamiento Libre: es un sistema empleados en los sistemas de climatización que aprovecha las temperatura del aire externo para enfriar un cualquier elemento (gaseoso o liquido)(Posladek, 2008)



hombre. La contaminación por ozono es además conectada con el problema de las lluvia acidas ya que la concentración de NOx es responsable de ambos fenómenos.

La contaminación fotoquímica depende, no solo de la concentración de los contaminantes en el aire, sino también de las condiciones meteorológicas, lo que hace difícil prever la evolución y la deslocalización así como poder tomar medidas adecuadas. Hasta el momento, el problema de la contaminación fotoquímica no ha sido un tema muy discutido porque no ha tenido efectos agudos y dramáticos como el smog clásico.(Polidori, 2006)

El ozono se forma en la troposfera en la capa de aire contaminada que va de la superficie de la tierra hasta una altitud entre 100 y 3000m. El contaminante se genera de la oxidación de VOC13 o CH4 y de CO en presencia de NOx y de la luz solar. El NO es el catalizador que desencadena la reacción, la formación del ozono depende principalmente de la concentración de este gas en la atmosfera. El proceso de formación del O3 es muy complejo, según las condiciones puede que esa dependa principalmente por la concentración de VOCs o de NOx con lo que reducir solo uno de los dos contaminantes no tiene los efectos esperados, sobre todo a escala regional. Además del O3, la presencia de VOC y NOx bajo el acción de la radiación solar provoca la formación de numerosos contaminantes fotoquímicos, como el nitrato de perossiacetile (PAN), el ácido nítrico, aldehídos segundarios, el ácido fórmico y muchos otros. (Gray & Finster, 2000) De las observaciones realizadas en las ciudades Europeas se ha registrado un aumento de la concentración de contaminantes fotoquímicos en correspondencia de los periodos de alta presión veraniegos, con cielo despejado, aumento de las radiaciones UV y temperaturas elevadas. Muchos episodios pueden perdurar varios días e interesar una región más amplia que el límite de la aglomeración urbana. La topografía y el clima pueden dar vida a complejas recirculación del aire, como las brisas marinas, que a veces re-llevan los contaminantes hacía las zonas urbanas durante muchos días consecutivos.(Gray & Finster, 2000; Taha, Chang, & Akbari, 2000)

13VOC. Volatile Organic Compound. Compuestos Orgánicos Volátiles. Se definen así las

sustancias químicas que contienen carbono y que se pueden encontrar en la atmosfera bajo forma de vapor o gas. Pueden ser de origen natural o artificial y son peligrosos contaminantes del aire. (Southerland 2010)


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De las observaciones realizadas por el Ozone Transport Assessment Group14 (OTAG) en Chicago, se ha podido encontrar que la concentración de ozono troposférico, además de ser relacionado con los patrones de viento y el transporte atmosférico, depende de la temperatura del aire, siendo mayor en aquellos lugares donde la ICU tiene mayor intensidad.(Taha, Chang, & Akbari, 2000)

Otro fenómeno que afecta la concentración de contaminación es las inversiones térmicas ya que no permiten el descenso del aire frío y menos contaminado y, en consecuencia, el normal recambio de las masas de aire. Las inversiones térmicas se producen en las noches limpias, justo después del atardecer, cuando el repentino enfriamiento del suelo provoca un enfriamiento del aire en contacto con el suelo que se queda así atrapada, hasta que no se produce el recalentamiento de la superficie terrestre en las horas matutinas. Si eso no ocurre, los contaminantes se pueden acumular hasta por algunos días consecutivos.(Polidori, 2006)

Además de los problemas crónicos causados por el aumento de la contaminación, la mayor temperatura registrada en verano puede causar serios problemas a la salud de las personas e incluso a la muerte. La respuesta del cuerpo respecto al estrés térmico por calor es más rápida que en caso de frío, llegando a condiciones perjudiciales para la salud en menor tiempo. (Candas, 2005; Höppe, 2002) En el verano 2003, particularmente caluroso, en Londres se ha registrado un aumento de la mortalidad sobre todo de las personas mayores, subrayando así la mayor exposición de la población ciudadanas a condiciones perjudiciales respecto a la población rural.

Estas conclusiones están avaladas por otros ejemplos internacionales. En Chicago, en correspondencia de la ola de calor del 1995, en las áreas urbanas se registraron un número de ingresos hospitalarios muchos mayores que en las zonas rurales. También en Suiza, la mortalidad en el verano 2003 fue más alta en las zonas urbanas respecto a las áreas suburbanas. (Greater London Authority, 2006)Los estudios realizado por Gabriel (2011) sobre la mortalidad en Berlín demuestran que el mayor número de decesos se producen en correspondencia de altas ICU y reducido enfriamiento nocturno.(Gabriel & Endlicher, 2011)

14 Ozone Transport Assessment Group. Es un equipo de trabajo nacional de E.E.U.U. que se ocupa de los problemas de contaminación del aire debido a los sistemas de transporte. Su principal objetivo es encontrar un acuerdo entre los diferentes actores, privados y públicos, en las medidas a aplicar para reducir la contaminación del aire debida a la concentración del Ozono troposférico. (http://www.epa.gov/ttn/naaqs/ozone/rto/otag/index.html)

http://www.epa.gov/ttn/naaqs/ozone/rto/otag/index.html



Us o d e l os es p a c i os ex t e r i o res

Diseñar espacios exteriores atractivos y confortables es uno de los retos para mejorar la calidad de vida en las ciudades y disminuir los efectos negativos de la urbanización. El aumento de temperatura provoca condiciones de disconfort tanto en los espacios interiores como en los exteriores.

Espacios demasiados asolados y calurosos son abandonados por los usuarios que buscarán en otros sitios, a lo mejor interiores y dotados de sistemas de refrigeración, para el ocio y el descanso. Calles y plazas vacías, además de perjudicar la calidad urbana, crean problemas a la economía de los comercios que desarrollan sus actividades en la ciudad. Espacios acogedores con la justa proporción entre sombra y sol, temperatura confortable y ventilación adecuada, atraen a los usuarios para volver a ocupar los espacios exteriores.

Las condiciones ambientales impuestas a los usuarios de un espacio, pueden mejorar o empeorar la experiencia y el uso que se hace del mismo. La mejora de la calidad ambiental y social de una ciudad se puede obtener promoviendo el uso y la revitalización de los espacios exteriores, fortaleciendo la interacción social entre los ciudadanos mediante espacios adecuados a las interrelaciones. (Borja & Muxi, 2000; Nikolopoulou & Lykoudis, 2006; Steemers & Steane, 2004) Podemos experimentar como las condiciones atmosféricas estimulan y dan vida a nuestras actividades o como, en algunos días y en ciertos momentos, limitan nuestras energías físicas o mentales. Las condiciones climáticas modifican, promueven, limitan u orientar el uso del espacio exterior. Las reacciones a los estímulos climáticos en muchos casos son inconscientes, pero condicionan nuestras acciones en el espacio abierto. De consecuencia asegurar condiciones climáticas confortables es una medida muy importante para promover el uso del espacio público ciudadano. Es ampliamente reconocido que diseñar espacios teniendo en cuenta las condiciones climáticas del lugar resulta beneficioso para la calidad del espacio, la salud de las personas, la economía y el medioambiente. (Eliasson, Knez, Westerberg, Thorsson, & Lindberg, 2007; M. N. S. Lykoudis, 2007; Marques Monteiro, 2008; Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 2001; Reiter & De Herde, 2003; Thorsson, Lindqvist, & Lindqvist, 2004) No cabe duda que las personas van buscando lugares donde las condicione fisiológicas sean optímales, pero es cierto que evitarán situaciones en la que se sienten en disconfort.

En las últimas dos décadas muchas investigaciones relativas al confort en los espacios exteriores han empezado a poner atención también a los aspectos psicológicos relacionados con la sensación térmica, demostrando que los


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aspectos adaptativos y culturales influyen en la percepción del espacio y en la condición de bienestar.(Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 2001; Thorsson, Lindqvist, & Lindqvist, 2004)

Así también se ha podido comprobar que una de las razones para que las personas usan el espacio exterior es justo por el estímulo climático, para escapar de la sensación térmica neutral, mantenida constante en los edificios por los sistemas de climatización. La variación climática del espacio exterior brinda al ciudadano la oportunidad de volver en contacto con la naturalidad del ambiente, del pasar de las horas y de los cambios de estación. (Reiter & De Herde, 2003)

Las teorías de la “psicología ambiental” ponen la atención en como diseñar espacios urbanos considerando los aspectos psicológicos involucrados, y de cómo eso pueda mejorar su sostenibilidad. La Comisión para la Arquitectura y el Ambiente Construido (CABE) afirma en sus principios que:

“Nosotros creemos que diseñar bien edificios, calles, parques, espacios de trabajo, escuelas y hospitales es un derecho fundamental de las personas. Usamos las nuestras capacidades y recursos para mejorar la calidad de vida de las personas y las comunidades Inglesas y con particular atención a los problemas de cuantos viven en zonas degradadas… Nos motiva la responsabilidad de proponer diseño de edificios y espacios donde se pueda vivir, trabajar y desarrollarse bien. Hemos demostrado a nuestros clientes que esta inversión dará en cambio una fuerza de trabajo más productiva, clientes más satisfechos y en general un ambiente más saludable”.15(Edgerton, Romice, & Spencer, 2007)

El gobierno de la ciudad de Nueva York ha recientemente publicado una guía para el diseño de los espacios urbanos y la salud. En este texto se investiga en primer lugar el aumento de la obesidad relacionada al mayor uso de medios de transporte motorizados, a los problemas causados para la salud de las personas y al coste económico que representa para el sistema sanitario. Una de las medidas propuesta para combatir el problema de la obesidad y de la diabetes, que se ha transformado en un problema crónico de los ciudadanos de NY, es utilizar un diseño urbano que promueva y facilite los desplazamientos a pies y la actividad

15CABE. Commission for Architecture and the Built Environment. Es un asesor gubernamental para la arquitectura, el diseño urbano y el espacio público en Inglaterra. Su trabajo es influir e inspirar en el proceso de decisiones de las personas en relación al ambiente construido. Defiende el buen diseño de los edificios, de los espacios y ambientes, promoviendo campañas públicas y soportando los proyectistas, arquitectos, urbanistas e inversores con herramientas prácticas y asesores expertos.(UK Government, 2011)



física al aire libre, cosa que se traduce también en una mejora de la calidad del aire, de los espacios públicos y de la vida en general.(AA.VV., 2009)

Microclima y diseño de la ciudad

Como indicado anteriormente el microclima urbano es el principal efecto producido por la construcción sobre las condiciones climáticas en entorno urbano. Las causas de la formación de este diferencial climático son complejas y relacionada con la alteración del balance energético por el espacio urbano: eliminación de la vegetación, impermeabilización de los suelos, absorción de calor por los edificios, emisiones antropogénicas, contaminación del aire, etc. (Yagüe, Zurita, & Martinez, 1991) Muchas investigaciones se han concentrado en definir la relación que existe entre aumento de la temperatura y diferentes elementos urbanos. (Giridharan, Lau, Ganesan, & Givoni, 2007; A. L. Gómez, 1993; Gray & Finster, 2000; T. Oke, 1987; T. R. Oke, 1988b; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Santamouris, Papanikolaou et al., 2001; Yagüe, Zurita, & Martinez, 1991)

Oke T. (1982) propone una correlación del aumento de la temperatura en la ciudad en relación a la población, para las ciudades de más de 1 millón de habitantes de 8K para las ciudades Europeas y de 12K para las de EE.UU. Esta diferencia entre los dos continentes está relacionada, según el autor, por la diferente conformación del centro de la ciudad que en las aglomeraciones de EE.UU., está compuesta por edificios altos y mucha densidad de construido. (Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

Otras investigaciones se han concentrado en la microescala y en la demostración de la influencia del diseño urbano en el clima.(Giridharan, Lau, Ganesan, & Givoni, 2007; Idczak, Groleau, Mestayer, Rosant, & Sini, 2010; Mirzaei & Haghighat, 2010; T. R. Oke, 1988b; Oliveira Panão, Gonçalves, & Ferrão, 2009; Santamouris, Papanikolaou et al., 2001; Scudo, 2006)

Los estudios tienen como principal objetivo definir la influencia del espacio urbano de forma de poder prever su comportamiento climático y proponer medidas paliativas para contrarrestar los efectos negativos. (Agenzia Europea dell'Ambiente, 1998; Ali-Toudert & Mayer, 2006; Davies, Steadman, & Oreszczyn, 2008; Robitu, Musy, Inard, & Groleau, 2006; Santamouris, Papanikolaou et al., 2001; Scudo, 2006; Tumini, 2010; Weng, Lu, & Schubring, 2004; M. S. Wong, Nichol, To, & Wang, 2010) Morfología urbana


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Forma e disposición de los edificios influyen en el microclima urbano en diferentes aspectos: en la cantidad de radiación entrante, directa e indirecta, en la reflexión de onda, en la absorción de onda corta y la emisión de onda larga y en los vientos. Por ejemplo calles estrechas reducen el aprovechamiento solar, pero a la vez dificultan la ventilación y de consecuencia la disipación del calor acumulado por edificios y calles en las horas nocturnas. (Giridharan, Lau, Ganesan, & Givoni, 2007; Mirzaei & Haghighat, 2010; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; E. Wong, 2005)

Como demuestran las investigaciones realizadas en varios lugares del mundo, la relación entre densidad urbana y el aumento de la temperatura no es lineal. Por ejemplo las importantes diferencias registradas entre las ciudades Europeas y Estadunidenses, demuestran que la morfología es más importante que la densidad del construido. (T. R. Oke, 1988a; T. R. Oke, 1988b; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001) Densidad de las edificaciones, distancia entre los edificios, orientación de las calles pero también tipología urbana, son elementos que influyen significativamente en el microclima, como demuestra Cardenas (2010) en la búsqueda de un patrón bioclimático relacionado con las características morfo-tipológica del espacio construido. (Cardenas Jiron, 2010)

Sin embargo el elemento de estudio más empleado para analizar la morfología urbana es el cañón, en otra palabra el volumen de aire contenido entre dos edificios opuestos y hasta la altura de las cubiertas de los edificios. Entender el flujo energético y radiactivo del cañón es fundamental para estudiar el comportamiento climático del entorno urbano.

La geometría del cañón se describe normalmente por dos elementos: la relación entre altura y distancia entre los edificios H/W y el factor de cielo visible SVF (ver capítulo 4) que es la medida de la exposición del espacio urbano a la radiación solar directa. La relación H/W determina también la cantidad de radiación que llega a los edificios, elemento muy importante al fin de garantizar a los edificios luz natural y el aprovechamiento solar en invierno. Por eso las Ordenanzas Bioclimaticas suelen fijar unos rangos para el H/W según las necesidades del lugar concreto. (Ali-Toudert & Mayer, 2006; Higueras, 2011) De hecho no existe un valor óptimo para el H/W valido para todas las aplicaciones. Las investigaciones realizadas en los climas árido demuestran que los cañones profundo, donde la radiación solar entrante es muy poca, se crean oasis de frío mejorando las condiciones de confort para los peatones.

También la orientación de las calles y la exposición a los vientos es determinante, ya que se puede estudiar la geometría urbana de forma de crear corredores de



ventilación que permitan la disipación del calor y el enfriamiento nocturno. (Geros, Santamouris, Karatasou, Tsangrassoulis, & Papanikolaou, 2005)

El cañón urbano es además el espacio de aplicación de los modelos matemáticos basados en el calculo de fluido dinámica (CDF ver capitulo 4) teoría en la cual se fundamentan los principales sistemas de modelación del espacio urbano. La metodología de calculo, avalada por las observaciones experimentales, indica que la distribución de las temperaturas al interno del cañón depende, además de la geometría del cañón y de la orientación, también por las propiedades ópticas de los materiales de acabado y de las condiciones meteorológicas.(K. Niachou, Livada, & Santamouris, 2008; Robinson, 2011; Sánchez de la Flor, Francisco & Alvarez Dominguez, 2004)

Ma t e r i a l es d e a ca ba d o Las propiedades físicas de los materiales empleados son elementos determinantes en el balance de radiación del espacio urbano. La radiación solar de onda corta incidente es absorbida por las superficies urbanas y re-emitida en el atmosfera bajo forma de onda larga, en otras palabras calor sensible. Las características de los materiales: albedo, emisividad, capacidad térmica, ect. son determinantes en este proceso radioactivo. (Mirzaei & Haghighat, 2010; T. R. Oke, 1988a; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

Techos, fachadas de edificios, calles, plazas, etc. representan una importante masa de acumulación ya que absorben la radiación solar y la re-emiten al ambiente en forma de radiación de ondas larga y con un desfase en el tiempo. La alta capacidad térmica y absorción de los materiales sumada a la extensión de las superficies expuesta, sobre todo por las superficies horizontales, son significativas en el aumento de la temperatura en las ciudades. La emisión de la energía almacenada se produce con un desfase temporal debido a la inercia térmica de los materiales. Eso se traduce en un aumento de las temperaturas sobre todo en las horas más fría, reduciendo la amplitud térmica y dificultando el enfriamiento nocturno.(Davies, Steadman, & Oreszczyn, 2008; Geros, Santamouris, Karatasou, Tsangrassoulis, & Papanikolaou, 2005; Levinson & Akbari, 2002; Mirzaei & Haghighat, 2010; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Yagüe, Zurita, & Martinez, 1991)

Estudios sobre el uso del suelo en ciudades de Estados Unidos como Houston, Sacramento y Chicago, muestran que la superficie pavimentada va del 29% al 39% de la superficie urbana y que casi el 60% de estas es reservado a los aparcamientos. (Levinson & Akbari, 2002)


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Un estudio realizado sobre Los Angeles prevé que la sustitución de los 1.250 km2 de pavimentos por un material con un albedo de 0,25 permitiría ahorrar alrededor de 15 millones de dólares al año, reducir la contaminación y los daños por la salud estimados en 76 millones anuales en servicios sanitarios. (Levinson & Akbari, 2002)

De las propiedades de los materiales depende también la temperatura superficial, que influencia significativamente la sensación térmica de los peatones a nivel de calle, mientras que a nivel de las cubiertas determina el fenómeno de Isla de Calor a nivel de los techos y el consumo energético de los edificios. (Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; R. Fioretti, Palla, Lanza, & Principi, 2010; Karlessi, Santamouris, Apostolakis, Synnefa, & Livada, 2009b; Meyn & Oke, 2009)

La red u cc i ó n d e l a ve ge t ac i ó n e n l a c i ud a d

La principal diferencia entre el espacio urbano y las zonas rurales é la presencia de vegetación y de espacio naturales. (Giridharan, Lau, Ganesan, & Givoni, 2007; Gray & Finster, 2000; T. R. Oke, 1988a; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

La vegetación y el suelo natural, predominantes en los espacios rurales, contribuyen a la reducción de la temperatura. Los procesos que más influencian el balance energético son dos: la captación de la radiación solar y la evapotranspiración.

Los árboles y plantas, principalmente a través de las hojas, pero también a través de los troncos y ramos, absorben la radiación solar incidente. Del 100% de radiación solar alrededor del 5-20% es reflejada, el 5-20% es absorbido por la fotosíntesis, el 20-40% viene disipado por evapotranspiración, el 10-15% emitida y transmitida 5-30%.(Ochoa De La Torre, J.M., 1999)

Evapotranspiración, es el procesos en que árboles y plantas absorben agua de la tierra y la re-emiten en la atmosfera en forma de vapor de agua. Se instaura así un mecanismo de enfriamiento evaporativo que podemos considerar como la aportación principal de la vegetación en el microclima. (Migliorini, 1992; Ochoa De La Torre, J.M., 1999; Wan, Hien, Ping, & Aloysius, 2009; Yu & Hien, 2006)

E l ca lo r a n t rop ogé n i co Bajo la denominación de “calor antropogénico” se indica la cantidad de calor y energía emitida en el ambiente generada por las actividades del hombre. Las fuentes que la genera son diferentes: calefacción, aires acondicionados, medios de transportes, industrias, etc. y depende mucho del nivel y la tipología de desarrollo del espacio urbano. (RIZWAN, DENNIS, & LIU, 2008; E. Wong, 2005)



En los últimos años la introducción de los equipos de aires acondicionados en las viviendas y locales de la ciudad ha tenido un efecto importante en el microclima urbano. Los aparatos, puestos en las fachadas de los edificios, no solo modifican el aspecto de la ciudad, si no que expulsan aire caliente a pocos metros de altura y en proximidad de otros edificios, aumentando la temperatura y haciendo menos confortable el espacio también para los peatones que transitan en las calles.

Los medios de transporte son otros importantes generadores de calor a baja altura. Además de emitir al ambiente gran cantidad de energía en forma de calor, los coches, camiones, autobuses y otros medios de transportes que circulan en la ciudad, producen contaminantes peligrosos para el ambiente y la salud humana. (Smith & Levermore, 2008)

Estrategias para contrarrestar el efecto isla de calor y mejorar el microclima urbano

La atención puesta en los últimos años en el estudio de la ICU y del microclima urbano, ha producido muchos avances en el conocimiento del problema y de las posibles soluciones o medidas de atenuación que se pueden tomar. (González & Javier, 2011; Gray & Finster, 2000; Higueras, 2011; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Smith & Levermore, 2008; Weng, Lu, & Schubring, 2004)

La aplicación de medidas para contrarrestar o mitigar los efectos negativos del microclima urbano depende de muchos factores, algunos que se pueden incorporar en las estrategias de planificación y otros que se escapan del control del uso y geometría de los espacios. En general en los proceso de planificación el proyectista tiene que considerar los diferentes factores e impulsar un desarrollo eco-compatible con el medio, promoviendo la eficiencia, el ahorro energético además de la funcionalidad y la salubridad para los ciudadanos.

Las investigaciones relacionadas se pueden distinguir en las que se concentran en la morfología urbana y en la búsqueda de una relación entre forma, disposición y orientación de los edificios que permita asegurar las mejores condiciones microclimáticas.(Bourbia & Boucheriba, 2010; Cardenas Jiron, 2010; Gómez de Perozo, 2012; González & Javier, 2011; Higueras, 2006; Johansson, 2006) Dentro de este marco se configuran muchas investigaciones interesada a un enfoque bioclimático, a la revalorización de la ciudad tradicional y de la arquitectura vernácula. (D’Amico, 2002; de Garaio, Gracia, Callau, & Romero, 2009; González & Javier, 2011; Higueras, 2011; Higueras, 2006)


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Otra rama de investigación se concentra en el estudio del espacio intersticial entre edificios, proponiendo medidas para mejorar el microclima, principalmente con el aumento de la vegetación en el espacio urbano, el uso de materiales con albedo alto, uso de cubiertas verdes o materiales fríos. (Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; C. Fioretti, 2008; R. Fioretti, Palla, Lanza, & Principi, 2010; Ghiaus, Allard, Santamouris, Georgakis, & Nicol, 2006; Ochoa De La Torre, J.M., 1999; T. Oke, 1987; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Yu & Hien, 2006) Sin embargo faltan todavía modelos de medición y herramientas de proyecto para la comprobación de la sensibilidad proyectual de los diferentes elementos de diseño. (Scudo, 2006)

Se presentan a continuación algunas de las principales medidas que se pueden aplicar en el entorno urbano. Para este caso el estudio se limitan a las medidas que se pueden aplicar al espacio construido ya que la rehabilitación del espacio urbano es tema de esta investigación. Distinguimos las medidas en dos macro-estrategias: a) uso de la vegetación y b) selección de los materiales

a ) Us o d e l a ve ge t a c i ón Sin duda la primera y más efectiva medida para reducir la isla de calor urbana es el uso de espacios verdes y árboles. La sustitución del manto vegetal por superficies artificiales tienes efectos directos e indirectos sobre el clima urbano, los directos son la creación de sombra y la acción sobre el viento, mientras que la evapotranspiración se considera como efecto indirecto.

Control de la radiación solar: gracias al uso de árboles altos, pero también pérgolas y setos altos puede proporcionar sombras y proteger las fachadas de los edificios y el espacio libre entre ellos. Bajo el aspecto de la protección solar las especies de hojas caducas son las más interesantes, sobre todos aquellas especies que ofrecen protección en los meses calurosos, pero reducen su densidad foliar en los meses invernales. El posicionamiento de árboles y arbusto para la protección de las fachadas sur y oeste puede reducir la demanda de refrigeración del orden del 15-35%, hasta un 50% según las específicas condiciones de aplicación. El uso de arbustos o plantas trepadoras para realizar apantallamiento, produce un ahorro en el gasto energético para la refrigeración del 10%.(Gray & Finster, 2000)

• Protección contra los vientos: en forma particular en presencia de aglomeraciones de plantas. Aunque en el entorno urbano los edificios, su morfología y disposición son determinantes en la formación de los vientos,



la vegetación puede reducir la velocidad de los vientos, incluso en invierno cuando los arboles han perdido sus hojas.

• Evapotranspiración: en este procesos la vegetación contribuye a crear un espacio urbano meno caluroso, dando origen a lo que se define “fenómeno del oasis”. En el proceso de transformación del agua en vapor se produce una transferencia de energía latente del ambiente a las plantas muy alta, alrededor de 2324 kJ/kg de agua evaporada y se estima que un árbol adulto puede llegar a transpirar más de 350 litros al día. La magnitud de la reducción de la temperatura es función del balance de energía global del área resultante del cociente entre la energía sensible y la energía latente.

(Gray & Finster, 2000; Ochoa De La Torre, J.M., 1999; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

El efecto positivo de la vegetación sobre el microclima es internacionalmente reconocido, incluso algunos órganos administrativos han puesto en marcha acciones dirigidas a aumentar la presencia del verde en la ciudad por su efecto mitigador. Por ejemplo la municipalidad de Sacramento ha suportado y financiado la plantación de árboles, estratégicamente posicionados para proteger los edificios y así reducir el consumo de energía para la refrigeración del 15-35%. (Akbari & Taha, 1992)

También el CABE indica el uso de árboles entre las medidas para reducir el efecto del ICU en Londres (Greater London Authority, 2006) y herramientas de evaluación como LEED y BREEAM asigna una puntuación al uso de espacios verdes en la parcela.(BRE, 2008; USGBC, 2009) En España podemos recordar Rueda (2007) que en Plan Especial de Indicadores de Sevilla da indicaciones sobre el uso de la vegetación para la protección solar y la mejora del confort térmico del espacio urbano y, entre los sistemas de evaluación ambiental, la Guía de edificación del País Vaco. (EVE. et al., 2006; Rueda, 2006b)

El departamento de Servicios Forestales de EE.UU. USDA ha investigado los beneficios correspondiente al uso de árboles en el espacio urbano estimando que cada árbol plantado puede aportar una reducción de consumo energético correspondiente al 1% en refrigeración y del 2% en calefacción. De los estudios de costes-beneficios realizados en cinco ciudades de EE.UU. se ha podido estimar que para cada dólar de inversión se pueden tener beneficios entre 1,5 y 3 dólares, siendo siempre positivo en balance final.(E. Wong, 2007)


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En la bibliografía se encuentran muchos autores que dan pautas para el uso de la vegetación en el diseño bioclimático de los espacios. Los trabajos de Oke (1990), así como Givoni (1998) y Olgyay (1969) sientan las bases para el estudio del microclima. Los estudios de Akbari (1992) llegan a formular indicaciones sobre el uso de la vegetación sobre todo en relación al ahorro energético de los edificios, aunque su aplicabilidad queda limitada a la tipología edificatoria de la casa aislada americana.(Akbari & Taha, 1992; Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; Ochoa De La Torre, J.M., 1999)

Un diferente enfoque es el propuesto en las investigaciones de Scudo (2006), que se centran en la observación de los efectos mitigadores de los parques y jardines urbanos en la ciudad de Milán, confirmando su efecto beneficioso en cuanto a reducción de la temperatura y mejora de la ventilación.(Scudo, 2006) Resultados símiles han sido obtenidos de las observaciones realizadas por Santamouris en Atenas(Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)y en Valencia donde Gómez y otros autores (2004) relacionan también el uso de la vegetación a las mejora del confort térmico de las personas.(F. Gómez, Gil, & Jabaloyes, 2004)

Numerosas son también las investigaciones que buscan definir un modelo de cálculo capaz de cuantificar el efecto producido por la vegetación en el entorno urbano y así soportar el diseño de estos espacios. Muchos trabajos se basan en las mediciones de parámetros climáticos, aunque los datos obtenidos son difícilmente extrapolables a otros contextos. (Georgi & Dimitriou, 2010; Hwang, Lin, Cheng, & Lo, 2010; Kolokotroni & Giridharan, 2008)

De las observaciones realizadas con sistemas de teledetección e imágenes térmicas, principalmente obtenidas de vuelos aéreos y de las imágenes SODAR, se pueden obtener informaciones muy interesantes como la temperatura superficial o la emisividad de los parques urbanos. (A. L. Gómez, 1993; Jiménez-Muñoz et al., 2009; Weng, Lu, & Schubring, 2004; Yagüe, Zurita, & Martinez, 1991)

Otros sistemas se basan en el cálculo numérico aplicando las teorías de fluido dinámica en el espacio urbano. (Oliveira Panão, Gonçalves, & Ferrão, 2009; Robitu, Musy, Inard, & Groleau, 2006)

En el modelo de cálculo energético del comportamiento de la vegetación es necesario considerar los dos efectos de la protección contra la radiación solar y de la evapotranspiración. Ambas cosas no son fáciles de estimar y varios autores aplican teorías diferentes. Generalmente el cálculo pasa por la definición del



índice de área de hoja LAI16(Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001) calculando la transpiración como la contribución de la evapotranspiración de la parte de copa expuesta al sol y la parte en sombra. Otros consideran también el efecto de los movimientos de aire turbulento que se genera entre las hojas (Bruse & Fleer, 1998) mientras que Shashua-Bar &Hoffman en su teoría del CTTC introducen dos factores para indicar la transmisión de la radiación solar a través de la copa y el valor C que indica la cantidad de radiación empleada en la evapotranspiración de la planta. Ambos factores varían en relación a la especie y al tamaño de la planta.(Shashua-Bar & Hoffman, 2002; Shashua-Bar & Hoffman, 2003; Shashua-Bar, Hoffman, & Tzamir, 2006)

Estos modelos requieren un desarrollo muy elaborado que normalmente necesitan del apoyo del cálculo computacional muy especializado.

Sin embargo el uso de la vegetación en el espacio urbano, además de reducir la temperatura del aire y proporcionar sombra a edificios y espacio libre, aporta muchos otros beneficios. En primer lugar recordamos la reducción de la contaminación del aire, no solo por la secuestración del CO2 y la liberación en el atmosfera de O2a través de la fotosíntesis, sino que también la fijación de partículas contaminantes como los NOx, el SO2, el CO y los PM10(Currie & Bass, 2008; E. Wong, 2007)

También la reducción del ruido gracias al efecto barrera proporcionado por las hojas es un tema de investigación muy explorado en los últimos decenios. Algunos trabajos demuestran que el uso de la vegetación permite la absorción de ruido para las frecuencias de 2000Hz y que, para el ruido de tráfico, depende de la profundidad y altura de la barrera. (Ochoa De La Torre, J.M., 1999)

Importante es también la contribución de la vegetación en la protección de los suelos, sobre todo en el control de los deslaves y de la retención de las aguas de lluvia. Además la vegetación, cuando no se usan abonos anticrittogamicos, contribuye a la preservación de las aguas subterráneas. (E. Wong, 2007)

No podemos olvidar los aspectos psicológicos y sociales ligados al verde urbano, que proporciona lugares de descanso, de socialización y de ocio a los ciudadanos. La posibilidad de acceder a espacios abiertos naturales es algo fundamental para el confort y bienestar de los ciudadanos. El uso de la vegetación en la ciudad produce muchos beneficios que en definitiva podemos resumir en la mejora de la calidad del espacio y de consecuencia en la calidad de vida en la ciudad. (Edgerton, Romice, & Spencer, 2007; Gray & Finster, 2000; Higueras, 2011; 16 LAI: Leaf Area Index.


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Josefina Gómez Mendozas, 2004; Marcus & Francis, 1998; Ochoa De La Torre, J.M., 1999; Scudo, 2006; E. Wong, 2007)

b ) S e le cc i ón d e l os m a t e r i a les Las características técnicas de los materiales de construcción son determinante en el consumo energético, las condiciones de confort de los edificios y en la temperatura del espacio construido. En particular las características ópticas, el albedo a la radiación solar y la emisividad, son las que más impacto crean en el balance energético urbano. (Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001)

Un segundo enfoque para reducir el efecto negativos del microclima es actuar sobre los materiales de acabado de las superficies horizontales: suelos, calles, plazas, aparcamientos y cubiertas, ya que en la ciudad el espacio natural es muy reducido. El uso de materiales con albedo alto para la envolvente de los edificios y las superficies urbanas reduce la cantidad de radiación absorbida. Por ejemplo Taha (1997) demostró que la temperatura superficial, medida en las horas más caliente en un día de verano con cielo claro, en una cubierta blanca (albedo 0,72) era 45ºC más fría que una cubierta negra (albedo 0,08). También la temperatura superficial de una superficie clara con albedo 0,61 es solo 5ºC más alta que la temperatura del aire, a diferencia de una superficie convencional de grava (albedo 0,09) cuya temperatura superficial es de 30ºC más alta de la del aire. Según sus cálculos la modificación del albedo medio de 0,13 para las áreas urbanizadas puede producir una disminución de la temperatura entre 2ºC y 4ºC para los climas calientes típico de las latitudes medias. Un decremento de esta entidad puede reducir el consumo energético para la refrigeración del 10% y del 20% la concentración de Ozono en los días de verano. (Taha, 1997)

En los últimos años ha aumentado el interés para el uso de los materiales llamados fríos (coolmaterials) caracterizados por una alta reflexión y emisividad al infrarrojo, cuyo resultado normalmente es una temperatura superficial más baja y de consecuencia, una menor emisión de onda larga al ambiente. (Karlessi, Santamouris, Apostolakis, Synnefa, & Livada, 2009a; Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a; Synnefa et al., 2011)

Para los suelos no existen todavía unos rangos establecidos y es un tema de investigación todavía muy abierto. Principalmente podemos reconocer diferentes enfoques, uno basado en el aumento de la reflexión, reduciendo así la absorción de la radiación solar por el suelo y el segundo consiste en aumentar la permeabilidad del suelo permitiendo una reducción de la temperatura a través de la evaporación. Otros sistemas adoptan materiales compositos, estudiados para



reducir el ruido, que han demostrado una emisión del calor nocturno más bajas.(Synnefa et al., 2011)

Entre las investigaciones de materiales con alta reflexión podemos recordar los trabajos de Santamouris (Santamouris, Asimakopoulos et al., 2001; Santamouris et al., 2012) y Synnefa(Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a; Synnefa et al., 2011) en el desarrollo de una nueva generación de materiales con altas prestaciones térmicas y capacidad potencial de mitigación de la ICU mayor.

Estos tipos de materiales están caracterizados por dos propiedades:

a- Alta reflexión a la radiación solar (SR): es la reflexión de la radiación directa e indirecta procedente del cielo y de eso depende el balance radioactivo global del ambiente. Es un valor que se indica en porcentaje o de 0 a 1.

b- Alta emisividad al infrarrojo (e) e indica la capacidad del cuerpo de re-emitir la radiación absorbida hacía el ambiente. Este valor indica la relación entre la cantidad de radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y también este valor se expresa en un numero de 0 a 1.

Figura 2.5. Principios básicos del funcionamiento de los materiales fríos. Fuente: Using advanced cool materials in the urban built environment to mitigate heat islands and improve thermal comfort conditions. M. Santamouris , A. Synnefa, T. Karlessi. Solar Energy. 2011

Baja temperatura

Reducción del calor que penetra en el edificio

Reducción del calor transferido al ambiente

Materiales

Alta reflexión solar Alta emisividad infrarroja

Baja absorción se la radiación solar

Rápida emisión del calor almacenado (radiación


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Otro sistema para definir los cool materials es calculando el índice de reflexión solar SRI17 que incorpora ambas propiedades en un único valor.

Figura 2.6. Imagen visible (a) e infrarroja (b) de cuatros baldosas pintadas de blanco (1 y 4), de negro (2) y no pintada (3). Las diversas reflexiones de la radiación solar se traduce en una clara diferencia en la temperatura superficial. Fuente (Santamouris et al., 2012)

En sus investigaciones Santamauris y Synnefa (2007, 2011, 2012) han comprobado el efecto producido por suelos de asfaltos tradicionales pintados con diferentes colores, demostrando que el suelo pintado de blanco es el que demuestra mejores prestaciones. (Karlessi, Santamouris, Apostolakis, Synnefa, & Livada, 2009a; Santamouris et al., 2012; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a)

El uso de materiales claros en las carreteras puede pero producir problemas de deslumbramiento, reduciendo la visibilidad de los conductores. Soluciones alternativas han sido propuestas por la NIPPO Corporation que ha patentado el asfalto de color oscuro PerfectCool que junta alta reflexión, baja capacidad térmica y alta emisividad. El material consiste en una capa de recubrimiento para los suelos tradicionales constituida por un pigmento oscuro de baja reflexión mezclado a un pigmento altamente reflexivo a la onda infrarroja, y finas partículas cerámicas huecas para reducir la conducción térmica y el sobrecalientamiento de las pinturas. (Wan, Hien, Ping, & Aloysius, 2009) Otros tipos de materiales objeto de investigación son los water-holding pavement. Estos materiales consisten en asfaltos porosos con material inerte que retienen agua

17 De acuerdo a la ASTM E1980-01 el SRI (Solar ReflectanceIndex) cuantifica el calor superficial respecto a un cuerpo negro estándar (reflectividad 0,05 y emisividad 0,9) y un cuerpo blanco estándar (reflectividad 0,8 y emisividad 0,9). La ecuación de cálculo requiere el uso de valores de reflectancia solar y emisión al infrarrojo medidos en el ambiente específico. La ecuación de calculo es igual a

𝑆𝑅𝐼 =(𝑇𝑏 − 𝑇𝑠)(𝑇𝑏 − 𝑇𝑤) · 100

Siendo los valores Tb, Tw y Ts las temperatura de la superficie negra, blanca y del material respectivamente. Un material frío ha un valor SRI alto.(Santamouris et al., 2012)



realizados en composite en base de silicatos. La evaporación del agua almacenada genera un efecto de enfriamiento evaporativo natural que puede durar hasta 3 días. Este sistema podría de una vez solucionar dos problemas en el espacio urbano: la atenuación del efecto de ICU y la gestión de las escorrentías de las aguas superficiales de lluvia. (Nakayama & Fujita, 2010)

En la envolvente del edificio, el principal objetivo será una menor penetración del calor al interior del mismo, con lo que se preferirán materiales con alta reflexión y emisividad, normalmente de color claro, que reflejen la radiación solar y mantengan una baja temperatura superficial.

El efecto del uso de materiales con alto coeficiente de reflexión puede ser fácilmente calculado con los normales sistemas de simulación introduciendo las características específicas de los materiales empleados. Se ha podido así demostrar que el uso de cool roof en los techos provoca una disminución sensible de la demanda de refrigeración, entre el 18% y el 93%, permitiendo un importante ahorro energético y mejorando las condiciones de confort para los ocupantes, especialmente en climas templados-cálidos o mediterráneos, donde el consumo en refrigeración es bastante importante. En estos casos se ha demostrado que la aplicación de techos reflectantes produce un ahorro en refrigeración sensiblemente superior al aumento de consumo energético de calefacción en las condiciones de invierno (figura 2.7). (Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a)

Figura 2.7. Variación de consumo energético en refrigeración y en calefacción por la aplicación de una cubierta con reflectancia de 0,65 (kWh/m2año) – Fuente: Estimating the effect of using cool coatings on energy loads and termal comfort in residential buildings in various climatic conditions. (Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007a)


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De la gráfica 2.7 podemos observar también como la aplicación de cool roof en los climas fríos comporta una reducción del aprovechamiento solar en invierno que en el cálculo energético anual da un balance negativo. El resultado de esta investigación permite formular otra importante conclusión: las medidas para contrarrestar los efectos negativos del microclima urbano deben ser estudiadas de forma apropiada al lugar de aplicación. Se demuestra así que no existen recetas en el diseño bioclimáticos y que las medidas deben ser estudiada pensando en las condiciones específicas del lugar de aplicación.

En el campo de la innovación tecnológica se están experimentando nuevos materiales capaces de modificar sus propiedades ópticas de acuerdo a las condiciones ambientales de temperatura y radiación solar. Estos materiales consisten principalmente en unas pinturas termocromática de base orgánica que junta:

1) una pintura leuco formador de color, que determina el color final del producto,

2) el revelador del color, por lo general es un ácido débil que comunica el cambio de color reversible al material termocrómico y es responsable de la intensidad del color final y

3) el disolvente, generalmente alcohol o un éster, cuyo punto de fusión sirve a regular la temperatura de cambio de color.

Las partículas termocromáticas están contenidas en microcapsulas de tamaño

inferior a 15 μm al fin de protegerlas de los agentes químicos de las pinturas, los

agentes atmosféricos, la oxidación, etc. En las experimentaciones realizadas por Karlessi (2007) sobre la evaluación comparativa del comportamiento de diferentes materiales en condición de altas temperatura y fuerte radiación solar, han demostrado que los materiales termocromáticos son los que mantienen una temperatura superficial más bajas (Figura 2.8). En correspondencia de temperaturas más bajas el material cambia de color y se reduce el coeficiente de reflexión aumentado de consecuencia la absorción solar. En definitiva el uso de esta familia de materiales, capaces de reducir la absorción solar en verano y aumentarla en invierno, permitiría una reducción de la demanda energética de calefacción y de refrigeración, se reduciría el aporte antropogénico de calor, previniendo el aumento de temperatura en el ambiente exterior y se mejorarían las condiciones de confort de los edificios. (Karlessi, Santamouris, Apostolakis, Synnefa, & Livada, 2009a)



Figura 2.8. Diferencia de temperatura superficial entre material termocromático, material frío y convencional. Imagen del visible (a y c) e infrarroja (b y d). Fuente: Karlessi, Santamouris, Apostolakis, Synnefa, & Livada, 2009a

Una solución alternativa puede ser el uso de la vegetación en la envolvente. Cubiertas ajardinas y fachadas vegetales son entre las estrategias más estudiadas, no solamente para mejorar el microclima, sino que también como medida bioclimática, para equilibrar el balance hídrico urbano aumentando el suelo permeable, para reducir la contaminación del aire, aumentar la presencia del verde en la ciudad y mejorar el ambiente urbano. (Akbari, Pomerantz, & Taha, 2001; R. Fioretti, Palla, Lanza, & Principi, 2010; Higueras, 2006; Rueda, 2006b; E. Wong, 2007)

El uso de la vegetación en la cubierta une diferentes estrategias en una solución constructiva:

• protección solar: ofrecido por la cantidad de radiación interceptada por las hojas de las plantas,

• enfriamiento evaporativo: resultante del procesos de evapotranspiración de las plantas y evaporación del suelo natural,

• aumento del aislamiento en cubierta: el paquete de cubierta constituido por forjado, drenaje, suelo y vegetación constituye una capa con elevada masa térmica, muy beneficiosa para la reducción del consumo energético y el confort interior de los edificios.

(R. Fioretti, Palla, Lanza, & Principi, 2010; A. Niachou, Papakonstantinou, Santamouris, Tsangrassoulis, & Mihalakakou, 2001; E. Wong, 2007)


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Figura 2.9. Diferencia de temperatura superficial entre un techo normal y una cubierta vegetal registrado en un día de verano en Chicago – Fuente: National Centre of Excellence ASU

Otro sistema de emplear la vegetación en la envolvente es en fachada. Investigaciones recientes han propuesto el uso de fachadas vegetales como medida bioclimática para el ahorro energético de los edificios y la mejora del ambiente exterior. Los estudios realizados sobre los sistemas de paneles modulare muestran una clara disminución de la temperatura superficial de la fachada y, de consecuencia, la temperatura interior del edificio. Sin embargo la evaluación de los efectos sobre la temperatura ambiental necesita todavía de mayores estudios y experimentación. (Chanampa et al., ; Wan, Hien, Ping, & Aloysius, 2009)



3. EL CONFORT EN LOS ESPACIOS URBANOS

Uno de los indicadores empleados para evaluar la sostenibilidad de las ciudades es la calidad ambiental de los espacios abiertos. A diferencia de lo que se verifica en los espacios interiores, en el exterior la aplicación de los sistemas de evaluación térmicos basados en el estado estacionario, tienden a sobrestimar la sensación de disconfort y, en consecuencia, son poco representativos de la percepción real del usuario. Mientras que en los espacios interiores el concepto de confort térmico es bastante claro y controlado, para los espacios exteriores no existe todavía un sistema de evaluación internacionalmente reconocido y válido para diferentes aplicaciones.

En este capítulo se exploran diferentes sistemas para la definición de la sensación térmica en los espacios exteriores en búsqueda del sistema que mejor se adapta a las condiciones de Madrid y a su uso en la presente investigación. Como se ha indicado en los objetivos iniciales, el trabajo se basa en la búsqueda de estrategias para la mejora del confort exterior, por lo tanto, la definición de un indicador claro y medible del confort térmico es fundamental para todo el desarrollo del trabajo.

El concepto de confort térmico Todos los animales, hombre incluidos, responden a las condiciones ambientales exteriores y en particular son muy sensibles al estado microclimático de su entorno. Los animales de sangre fría suelen desplazarse de zona para encontrar lugares donde pueden mantener su temperatura corporal, a diferencia de los animales homotermos18 que pueden mantener una temperatura corporal constante a través de una respuesta fisiológica. Así, para mantener su estado

18 Se definen así los animales y mamíferos con capacidad de regulación metabólica para mantener la temperatura del cuerpo constante e independiente de la temperatura ambiental. (RAE)



térmico, el hombre puede recurrir a la llamada adaptación fisiológica y a modificaciones comportamentales que van del desplazarse al sol o a la sombra, usar sistemas de aislamiento como la vestimenta o modificar la temperatura de su entorno a través de la climatización del espacio.

El hombre reacciona respecto a las condiciones ambientales de forma involuntaria y fisiológica o consciente y controlada y, en algunos casos, eso depende de la percepción personal y subjetiva de la sensación de confort. Para entender los aspectos fisiológicos y psicológicos relacionados con el confort térmico, en primer lugar se van a explorar los procesos que se instauran entre el cuerpo humano y el ambiente. (Clark J.A. 1981, Neila F.J. 2004)

El cuerpo humano produce continuamente calor. Este calor, definido calor metabólico, es producido por el metabolismo basal de forma continua y no consciente, y por el metabolismo muscular que es debido al trabajo realizado y que normalmente es controlable. El calor producido puede ser disipado en el ambiente o aumentar la temperatura interna según las necesidades. La temperatura interna del ser humano es alrededor de 37ºC, mientras que la temperatura de la piel varía de los 31ºC a los 34ºC según la zona en relación al tipo de vestimenta y a la circulación venosa. Existe un continuo transporte de calor entre las diferentes partes de cuerpo y entre el cuerpo y el ambiente. Las formas de intercambio de calor entre cuerpo y ambiente son por radiación, con convección o conducción y por evaporación.

El balance térmico entre cuerpo y ambiente, desarrollado por Büttern en el 1960 y que hoy ha ganado siempre más aceptación en el mundo científico para el cálculo de las condiciones de confort, se basa en la siguiente relación:

M-W=R+CV+Cc+ED+EV+D+A

Donde se indica con M la energía metabólica, con W el trabajo realizado por el cuerpo, R la radiación neta del cuerpo, CV es el calor intercambiado por convección, CC el calor por conducción, ED es el intercambio de calor latente y sensible por evapotranspiración, D es la difusión de vapor de agua desde la piel, EV es la pérdida por evapotranspiración y A es la cantidad de calor acumulado por el cuerpo. (Büttern 1960, Hoppe P.1999, Clark J.A. 1981, Neila FJ. 2004, Auliciems A. and Szokolay S V. 1997(Fernando 1980). El intercambio de calor latente por la evapotranspiración, difusión y respiración, puede llegar a ser el 30% en un ambiente interno acondicionado considerando la evapotranspiración nula, y estar entre 80% y el 100% en los ambientes exteriores. (Neila FJ. 2004)



En caso de calor el cuerpo humano responde con la vasodilatación: los vasos sanguíneos subcutáneos se dilatan y aumentan la irrigación a nivel cutáneo y, en consecuencia, la temperatura de la piel, permitiendo así la disipación del calor a través de ella. Si eso no es suficiente para volver al estado de equilibrio, se activan las glándulas sudoríparas y se pone en marcha el mecanismo de enfriamiento por evaporación. El cuerpo es capaz de evaporar hasta 4l/h en un breve lapso de tiempo, aunque este proceso lleva un cierto consumo de energía. La evaporación es un proceso endotérmico y permite la disipación de 2,4 MJ/l de calor. Si el mecanismo no es suficiente para restablecer las condiciones de equilibrio se produce un inevitable aumento de la temperatura interna, con graves riesgos para la salud. A 40ºC se originan dificultades en el sistema circulatorio, cansancio, ojos vidriosos y disturbios mentales. Por encima de los 41ºC la sudoración se para, se produce un estado de coma con daños permanentes. A 42ºC lo más probable que se llegue al fallecimiento del sujeto.

Figura 3.1. Intercambio de calor entre cuerpo humano y ambiente. Elaboración propia a partir de Jendritzky G.

En caso de frío la primera respuesta fisiológica es la vasoconstricción: se reduce la circulación de los vasos de sangre subcutáneos con el consecuente enfriamiento de la piel y la reducción de la disipación del calor. El fenómeno puede ser asociado a la elevación de los pelos, lo que se llama comúnmente piel de gallina, que es uno de los mecanismos para aumentar el aislamiento térmico. Si eso no fuera suficiente, se instaura una tensión muscular y temblores con el objetivo de aumentar la producción de calor metabólico. El mecanismo del



temblor puede aumentar hasta a 10 veces el calor metabólico producido por el cuerpo, la temperatura de los tejidos profundos permanece a una temperatura de 37 ºC mientras que las extremidades (manos, pies, lóbulos de las orejas) pueden carecer de sangre y enfriarse hasta por debajo de los 20 ºC o, en caso de enfriamiento grave, llegar a congelarse antes que la temperatura corporal interna se vea afectada. Cuando el mecanismo de adaptación fisiológica no es suficiente para mantener la temperatura interna se puede entrar en la condición de hipotermia donde la temperatura interna empieza a bajar. El fallecimiento del individuo se produce normalmente por una temperatura interna entre los 25 ºC y los 30 ºC, aunque el sujeto permanezca con vida, una prolongada exposición a bajas temperatura puede provocar problemas celébrales permanentes. (Auliciems A. and Szokolay S V. 1997)

En condiciones normales, aunque el balance térmico esté en equilibrio, la temperatura de las diferentes partes del cuerpo no es la misma. La distribución de la temperatura de la piel sigue el eje cefalo-caudal y, en caso de termoneutralidad, como por ejemplo un cuerpo desnudo en verano, la diferencia entre las zonas es alrededor de 3-4ºC, siendo la cabeza la más caliente y las extremidades (manos y pies) los más fríos. En invierno, con el cuerpo cubierto, la temperatura del cuerpo es más caliente que la de la cabeza. Eso es muy importante porque significa que se puede permanecer a temperaturas bajas con un tipo de vestimenta que asegure un buen aislamiento.

El sistema nervioso central es informado respecto al estado térmico local gracias a millones de sensores localizados en la piel y en el cuerpo. Los sensores perciben tanto el nivel de la temperatura (estático), como el cambio (dinámico). El centro vegetativo de la regulación térmica es el hipotálamo, que regula las reacciones fisiológicas y envía a zonas especificas termo sensitivas de la corteza cerebral la información necesaria para generar la sensación de bienestar o malestar térmico. (Candas V. 2005)

La American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) define el confort como “el estado mental que exprime satisfacción con el ambiente térmico”. En consecuencia, el concepto de confort está ligado a la sensación térmica y al estado neutral del balance térmico. Los estudios realizados por Chatonnet and Cabanac (1965), después por Cabanac (1971) y Stevens, Marks y Simonson (1974), han demostrado que la sensación térmica depende de la temperatura media del cuerpo y de la piel. Una visión alternativa es proporcionada por Fanger (1970) que en sus estudios demuestra que la condición de neutralidad térmica es la condición óptima que garantiza que el



sujeto no experimente sensación de calor o de frío. Su modelo está basado en el concepto de que no existe un ambiente térmico perfecto: en unas condiciones aceptables para la mayoría de la población habrá siempre algún individuo en disconfort. De aquí la definición del valor PPD (Predic Percentage of Dissatisfied19) que indica el porcentaje de personas que están insatisfechas con las condiciones ambientales.

Para resumir podemos esquematizar el proceso de formación de la sensación térmica como:

(Cena K, Clark JA. 1981, Candas V. 2005)

Analizando cada paso del esquema, vemos que en el primer punto están las condiciones climáticas, que podemos incluir entre las variables independientes del balance energético. El primer parámetro, y sin duda el más relevante, es la temperatura del aire, aunque muchos otros factores climáticos influyen en la disipación del calor y, en consecuencia, en la sensación térmica como la humedad, la velocidad del viento y, como veremos en detalle más adelante, la temperatura media radiante.

Los parámetros simples se denominan Índices de Bienestar Directos. Entre ellos está la temperatura del aire (Ta, ºC) que es la que aporta mejor información, aunque a veces puede llegar a ser engañosa. La humedad puede ser medida de diferentes maneras: la medida fundamental para determinar el contenido de vapor de agua en el aire húmedo es la temperatura del punto de rocío Td, un sistema alternativo es la presión o tensión de vapor e20, aunque el sistema más

19 Predict Percentage Dissatisfied. Previsión del Porcentaje de Insatisfechos. La teoría de confort de Fanger (1972) se basa en la definición de un umbral de condiciones ambientales en que la mayoría de las personas se encuentran en condiciones de confort. Los valores empleados para su definición son el Predict Mean Vote (PMV) y el Predict Percentage Dissatisfied (PPD). Estos dos valores se emplean en la ingeniería para el diseño de los sistemas de climatización. El PMV es un índice que refleja el valor medio de los votos emitidos por un grupo numeroso de personas respecto una escala de sensación térmica. El PPD es un índice que establece una predicción cuantitativa de la cantidad de personas que se sentirían insatisfechas por notar demasiado calor o demasiado frío. Mientras el PMV es un valor que va de un rango de -2 a +2 (la norma define estos valores como máximos permitidos) el PPD se indica en porcentaje. Fanger aconseja mantenerse en una valor de 95%, la normativa ASHRAE usa como valor de proyecto el 80%. (UNE 7730) 20 Se define tensión de vapor e la presión parcial del vapor de agua sobre el volumen de aire seco a una determinada temperatura. (Macías M, 2011)

Condiciones climáticas

Flujo térmico

Temperatura de la piel

Sensación térmica

(dis)confort



empleado es la humedad relativa (HR, %)21. La humedad por su parte es un factor significativo de disconfort solo en sus valores extremos por debajo del 30% o por encima del 80%. La velocidad del aire en un ambiente (W, m/s), además de por la presencia de viento, puede generarse por el movimiento de flotación libre del aire alrededor de un cuerpo caliente en un espacio frío, sistema de ventilación forzada o el movimiento del cuerpo debido a la actividad. Es posible medir solo el movimiento del aire debido al viento o la ventilación forzada, y aunque este factor no sea por si solo representativo de una condición de bienestar térmico, es fundamental para entender el intercambio de calor por convección y evaporación.

Sin embargo, de mayor interés para la sensación higrotérmica es la definición de los parámetros definidos como Índices de Bienestar Derivados de los Directos, que como bien indica su nombre, derivan de los Directos. Entre ellos el que recubre una especial importancia es la Temperatura Media Radiante (Tmrt, ºC) ya que es la variable ambiental que indica el intercambio de calor radioactivo entre el cuerpo humano y el ambiente. Por definición es la cantidad de calor que un individuo intercambia con un cuerpo negro ideal que representa su entorno real. (Clark J.A. 1981, Neila F.J. 2004, Macías M. 2011)

Otro parámetro que influye en el balance de energía es el aislamiento ofrecido por las prendas de vestir, ya que un individuo con vestimenta pesada percibirá mayor sensación de calor que otro que ocupa el mismo ambiente con ropa más ligera. Para evaluar la cantidad de arropamiento se ideó una unidad, el clo (clothing) que corresponde a la capacidad de aislamiento ofrecida según la relación (Clark J.A. 1981, Neila F.J. 2004, UNE-EN ISO 7730):

1𝑐𝑙𝑜 = 0,155 𝑚2𝐾

𝑊�

Para la determinación del grado de confort y el diseño de los sistemas de climatización en los espacios interiores, la norma UNE-EN 7730 define los valores de referencia del arropamiento que están indicados en la siguiente tabla:

Ropa de uso diario Aislamiento térmico clo K m2/W

Camiseta, pantalones cortos, calcetines finos, sandalias 0,30 0,050

Camisa de manga corta, pantalones ligeros, zapatos 0,50 0,080

Combinación, medias, vestido, zapatos 0,70 0,105

Camisa, pantalones, calcetines, zapatos 0,70 0,110

Camisa, pantalones, chaqueta, calcetines, zapatos 1,00 0,155

21 Se define humedad relativa HR el cociente entre la tensión de vapor del aire y la tensión de vapor máxima a saturación para una determinada temperatura, expresada en porcentaje. (Macías M.2011)



Medias, blusa, falda larga, chaqueta, zapatos 1,10 0,170

Ropa interior de manga larga y pernera larga, camisa, pantalones, jersey de cuello en V, chaqueta, calcetines, zapatos

1,30 0,200

Ropa interior de manga larga y pernera cortas, camisa, pantalones, chaleco, chaqueta, chaquetón, calcetines, zapatos

1,50 0,230

Tabla 3.1 Aislamiento térmico para combinaciones habituales de prendas. Fuente: UNE-EN ISO 7730.

El balance energético es gobernado también por las variables dependientes de la condición fisiológica. Entre ellas recordamos la temperatura media de la piel (Ts, ºC), variable en las diferentes zonas del cuerpo y que puede ser medida a través de sensores. La medición de la temperatura de la piel es útil para a la definición del gradiente de presión de vapor que afecta el intercambio de calor sensible y latente.

Otro parámetro muy importante e igualmente usado para determinar el grado de bienestar de las personas, es el índice de sudoración (w) que según las referencias puede indicarse como el cociente entre la superficie del cuerpo cubierta por agua (Aw) y la superficie total del cuerpo (AD) (Clark J.A. 1981, Nishi Y. 1981) o en gramos de agua evaporada por hora (g/h) (Macho JJG. et all. 1994, Auliciems A and Szokilay SV. 1997).

El calor almacenado por el cuerpo está directamente relacionado con los cambios en la temperatura del cuerpo Tb que podemos expresar igual a:

𝐽 =𝑐𝑏𝑚𝐴𝐷

𝑑𝑇𝑏��𝑑𝑡

Donde cb es la temperatura específica del cuerpo, que es igual aproximativamente a 3,5 kJ/kg K, y m es la masa del cuerpo en kg.

Por último, y no por eso menos importante, es la actividad metabólica. La determinación de la energía producida por el metabolismo es fundamental en el balance energético y puede ser calculado a través de la cantidad de oxigeno consumida según la relación:

𝑀 = 352(0,23𝑅 + 0,77)(𝑉𝑂2

𝐴𝐷� )

Donde R es el cociente de respiración igual a 0,83 durante el descanso y 1 para

actividades moderadamente pesadas, y 𝑉𝑂2 es el volumen de oxígeno consumido

por minuto indicado en litros. (Nishi Y. 1981)



Aunque la forma más empleada para cuantificar la actividad metabólica es a través del met, una magnitud correspondiente a una dispersión de calor de 50 kcal/m2, que aplicado a la superficie corporal estándar se corresponde a 1met=100W. El valor más bajo de transferencia metabólica, correspondiente a un estado de reposo absoluto, da origen a lo que se define metabolismo basal y tiene el valor estándar de 79W en los hombres y 65W en las mujeres. Existen diferentes métodos para la definición del metabolismo, el más empleado en el diseño ingenieril es según la actividad cuyos valores de referencia son definidos por la UNE-EN 28996, indicados en la siguiente tabla: (Neila FJ. 2004)

Actividad Velocidad del metabolismo W/m2 W met

00 Nula Metabolismo basal 41/44 65/79 0,65/0,79

0 Mínima Descanso 65 115 1,15 1 Baja Actividad manual sentado,

Ligeros desplazamientos (<1,0 m/s) 100 180 1,80

2 Media Trabajo con brazos y piernas.

Desplazamientos a velocidad moderada (1-1,5 m/s)

165 295 2,95

3 Alta Trabajos intensos.

Desplazamientos rápidos (1,5-2 m/s) 230 415 4,15

4 Muy alta Trabajos muy intensos.

Desplazamientos corriendo (>2,0 m/s) 290 520 5,20

Tabla 3.2 Velocidad del metabolismo según la actividad. Fuente: Neila FJ, Arquitectura bioclimática en un entorno sostenible.

Para las actividades desarrolladas en vivienda y en oficinas con trabajo administrativo, se asume un valor del met del 1,25. Para temperaturas ambientales comprendidas entre los 21ºC y los 32ºC el cuerpo es capaz de conseguir que su pérdida de calor coincidan con la velocidad del metabolismo, reduciendo la actividad metabólica en caso de calor, aumentando la dispersión de calor a través de la evaporación o en caso de frío aumentando la actividad metabólica con el efecto de la tiritona, que incrementa el consumo de oxígeno y en consecuencia la actividad metabólica. (Neila FJ. 2004)

A diferencia del clima, la medición del flujo térmico es algo muy difícil de realizar y muy costoso. Además condiciones como postura, actividad, vestimenta afectan al intercambio de calor con el ambiente, con lo que resulta muy difícil cuantificar su



influencia. En los últimos 50 años se han producido diferentes modelos que intentan reproducir la respuesta fisiológica del cuerpo humano, principalmente son multisegmentales basados en un modelo de dos nodos, donde la pérdida de calor humano hacía el ambiente se calcula teniendo en cuenta las no homogeneidades, como por ejemplo la diferente temperatura de la piel, la respuesta fisiológica, el tipo de vestimenta, etc. (Azer and Hsu 1977, Gagge et all 1986, Stolwijk 1971; Wissler 1985; Huizenga et al. 2001; Tanabe et al. 2002; Fiala et al. 1999–2003)

Dicho eso, la determinación de sensación de confort está todavía irresoluta (sensación, indiferencia, placer, preferencia, etc…). Condiciones de pequeño disconfort no suponen riesgos graves para la salud, en algunos casos hasta puede ser agradable, por ejemplo sentir un poco de frío después de una prolongada exposición al calor, o al contrario, entrar en un sitio caliente después de estar en un estado de estrés por frío. Un problema añadido estriba en la dificultad de los individuos en expresar con precisión su condición térmica. En respuesta a esta necesidad la ISO 773022 propone una escala mono-polar que da más posibilidades de definir el disconfort. (Candas V. 2005)

El sistema basado en el cálculo del PMV y del PPD desarrollado por Fanger (1972) es actualmente el más reconocido e internacionalmente empleado, también en las indicaciones técnicas para el diseño de los sistemas de climatización (ASHRAE, ISO, UNE, RITE). El sistema, basado en el grado de aceptación de la sensación térmica, no es capaz de determinar las condiciones físicas y fisiológicas reales en la que se encuentra el sujeto. Por eso es necesario emplear un modelo que tenga en cuenta de los procesos reales de termorregulación, como la constricción o dilatación de los vasos sanguíneos o de la sudoración. Höppe en el 1984 desarrolló un modelo de calor termo-fisiológico MEMI23 que es la base para la definición del PET, un índice de confort entre los más reconocidos internacionalmente. (Höppe P.2002)

22 La escala definida en la UNE-EN ISO 7730 para la definición del PMV es:

+3 Muy caluroso +2 Caluroso +1 Ligeramente caluroso 0 Neutro -1 Ligeramente fresco -2 Fresco -3 Frío

23 MEMI Munich Energy balance Model for Individuals. Modelo de balance energético para las personas Munich. (Höppe 1984)



La medida del confort Como se ha indicado anteriormente, la definición de un indicador para la sensación térmica es un tema todavía irresoluto. En el pasado se han desarrollado cientos de índices que van de la definición de índice de Temperatura Efectiva TE de Houghton y Yaglou en el 1923, a la definición de complejas elaboraciones basadas en las respuesta psicofísicas (Fiala D. 2001, Givoni B. 1986) o formulaciones realizadas a partir de observaciones experimentales (Höppe P. 1999, Nikolopulo M. 2003).

En general podemos distinguir los índices en:

1. Índices racionales: basados en el balance de la ecuación de transferencia de calor.

2. Índices empíricos: basados en la tensión objetiva y subjetiva, como los índices basados en el stress fisiológico.

3. Índices directos: basados en la medición directa de las variables ambientales.

Los índices pertenecientes a las primeras dos categorías son más difíciles de estimar y, en consecuencia de implementar en el día a día, ya que en algunos casos necesitan de valores difíciles de medir. El tercer tipo tiene una aplicación más fácil ya que se puede obtener de datos registrados en las observaciones realizadas, por ejemplo, por las estaciones meteorológicas.

Durante años han sido desarrollados muchas investigaciones sobre el tema, que han llevado a la definición de muchos índices para la determinación de la sensación térmica cuya recopilación completa sería demasiado extensa. Para recordar algunos de ellos, resaltamos por antigüedad la Temperatura Efectiva ET desarrollada por Houghton y Yaglou en 1923, que se basa en la combinación de la temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo con el objetivo de combinar temperatura y humedad en la definición del confort. En 1932 Vernon & Warner sustituyen la temperatura de bulbo seco por la temperatura de globo generando un nuevo parámetro empleado por el ASHRAE (1967), llamado Temperatura Efectiva Corregida CET. Missenard (1933) desarrolla una formulación matemática para la temperatura efectiva estableciendo una relación entre el estado de la capacidad de termorregulación del organismo y los parámetros climáticos de temperatura y humedad. (Fernando 1980), Monteiro L. 2008, Blazejczyk el all. 2011, Tornero J. et all. 2006).

En 1978 Stendman desarrolla el índice de la temperatura aparente AT calculado como la combinación de temperatura del aire y humedad relativa. La Temperatura



Aparente (AT) se desarrolló para los espacios interiores y solo a través de ulteriores investigaciones se pudo extender su aplicación a los espacios exteriores (Standman, 1984). La evaluación en este caso resulta de la combinación de los valores de temperatura y humedad absoluta con el punto de rocío a 14ºC, considerando una persona andando a velocidad media y a la sombra. Del análisis de regresión múltiple del índice Rothfusz (1990) se define el índice de calor HI que indica el calor realmente percibido. Este valor es válido para temperaturas superiores a los 20ºC y las categorías indican los posibles riesgos para la población.

La Marina de Estados Unidos, durante sus estudios sobre las enfermedades producidas por el calor durante los entrenamientos, desarrolló un índice Wet-bulb-globe-temperature (WBGT) (Yaglou and Minard, 1957) y pondera los valores de la temperatura de bulbo seco, la temperatura de bulbo húmedo (no aspirada) y la temperatura de globo. Gracias al uso de este índice la Conferencia Gubernamental de Industria e Higiene de EE.UU. ha publicado el Permissible heat exposure threshold limits values (TLV) recogido también por la ISO 7243 en 1989, que define las condiciones climáticas límite a la que los trabajadores pueden estar expuestos sin que se produzcan daños para la salud (2004). El mismo criterio ha sido adoptado por la Administración de Seguridad y Salud en el trabajo (Occupational Safety and Health Administration 1995) y empleada por la Facultad de Medicina Deportiva y el Ejército de EE.UU. para publicar una guía para la actividad física bajo varios niveles de stress térmico. La dificultad intrínseca en el uso del sistema está en la medición de la temperatura de globo. A diferencia de las otras dos temperaturas que se pueden obtener de las observaciones de la estación meteorológica, la temperatura de globo debe ser medida en el lugar, por esa razón se han realizados ulteriores estudios para simplificar el cálculo y hacerlo más manejable. El índice es aplicable a las condiciones exteriores. (Blazejczyk el all. 2011, Monteiro L. 2008)

Estos sistemas han encontrado su aplicación principal en la realización de recomendaciones para guiar las decisiones en relación a la actividad que se puede practicar al aire libre bajo ciertas condiciones climáticas. Por ejemplo, el Gobierno australiano ha redactado diferentes guías para las actividades deportivas al aire libre, disponibles para su consulta en la web (Sport Medicine Australia 2011).

Estos son algunos de los numerosos índices directos obtenidos de la combinación de dos parámetros climáticos. Estos sistemas son muy fáciles de calcular y de emplear, por ejemplo en las comunicaciones públicas sobre los riesgos para la



salud. Sin embargo en esta sencilla formulación se olvidan variables o procesos fundamentales, su aplicación es muy limitada para la función para la cual han sido desarrollados y la mayoría no son comparables entre ellos.

Para los espacios interiores, donde el ambiente es fácilmente controlable, las condiciones de confort pueden obtenerse de la combinación de muchos parámetros. También en este caso es necesario distinguir entre los espacios climatizados, provistos de sistema de calefacción, ventilación y climatización (HVAC) y los espacios sin climatización.

Para los espacios interiores climatizados el uso de los índices PMV y PPD para la determinación de las condiciones de confort, sobre todo en el diseño de los edificios, es el sistema internacionalmente reconocido y aplicado por las diferentes normativas (ASHRAE, ISO, UNE, RITE). Para el cálculo en fase de diseño se considera una actividad metabólica de 1 met y un arropamiento de 1 clo. Los parámetros que contribuyen a la definición de la sensación térmica son: temperatura del aire Ta (ºC), Temperatura media radiante Tmrt (ºC), velocidad del aire v (m/s), presión parcial del vapor de agua Pa (Pa). Siempre para el proyecto de los espacios interiores, se definen unas condiciones de aceptabilidad en la que se considera la velocidad del aire con el factor DR (%) de molestia por corriente de aire, la diferencia de temperatura vertical, así como el disconfort producido por techo o suelo frío. (UNE-EN ISO 7730, GBCe. 2011)

Para los espacios con ventilación natural, se ha demostrado que la aplicación del sistema PMV y PPD produce una sobre estimación de las condiciones de disconfort. Este fenómeno ha sido recogido en las teorías denominadas “adaptativas”, donde se tiene en cuenta la natural adaptación del individuo a las condiciones locales y a la estación del año. Los métodos adaptativos se han probado a través de investigaciones experimentales (Humphreys 1975, de Dear 1998, Nicol y McCartey 2001) y están introducidos en las normas para el diseño de edificios. Por ejemplo, el ASHRAE 55-2004 propone el modelo adaptativo para los espacios no acondicionados definidos como aquellos que están provistos de un sistema de calefacción, pueden tener un sistema de ventilación mecánica, sin climatización y siempre que el principal medio de control de la temperatura y la ventilación sea a través de la aberturas (abrir y cerrar las ventanas). El método se basa en la definición de un rango de aceptabilidad definido a partir de las condiciones exteriores, identificado por el intervalo de temperatura en la franja gris en el grafico en figura 3.2. Para el diseño de edificios se considera el intervalo del 80% de aceptabilidad (franja gris claro) siendo la condición óptima una



aceptabilidad del 90% (franja gris oscuro). (Ford B et all. 2007, ASHRAE 55 2004, Manuel Macias et all. 2012)

Figura 3.2. Diagrama de temperatura operativa aceptable para espacios con acondicionamiento natural. Fuente: GEA Verde v-0.2.

Un enfoque diferente en la relación entre clima urbano y confort se desarrolla en la Escuela de Berkley (1987), orientada a los estudios de la ecología urbana. De estos trabajos destacan las investigaciones realizadas por el profesor Olgyay sobre la climatología urbana y precursor de las investigaciones en la relación entre energía y arquitectura. Los principios enunciados en su libro “Design with Climate” (1963) son elementos de referencia para el diseño bioclimático, totalmente aplicables hoy en día. Entre sus trabajos encontramos también el climograma de bienestar higrotérmico como herramienta base para el diseño bioclimático, proporcionando diferentes estrategias constructivas y de diseño según la condición climática. (Neila FJ. 2004, Tornero J. 2006, Höppe 2002)

Este diagrama usa como coordenadas la temperatura y humedad relativa del aire de una localidad, ya que se considera una variable básica que afecta a la temperatura sensible del cuerpo humano. En él se consideran exclusivamente las zonas de confort del medioambiente exterior, y es un indicativo de las modificaciones microclimáticas que pueden aplicarse para corregir las condiciones de la falta de confort térmico en un espacio. (Granado E. 2006)

El diagrama de Olgyay (figura 3.3) se genera a partir de datos experimentales tomados por el fisiólogo en 1925. El método se basa en unas condiciones muy concretas, de una persona desarrollando una actividad física ligera (paseando) vestida con ropa de entretiempo (1 clo) sin viento y a la sombra. Debido a que la



adaptación del cuerpo humano tiene una limitación biológica, el nivel de temperatura de confort está fijado en 26,5ºC para las zonas calientes y 21,1ºC para las localidades frías. La franja de confort está delimitada por la humedad relativa, en su valor mínimo de aproximadamente 20% y el máximo en el 80% con una zona de exclusión para el aire demasiado cálido o demasiado húmedo.

Además la gráfica muestra:

• Las sensaciones fisiológicas de las zonas periféricas

• Los límites de la actividad o riesgo en función de las condiciones de calor y humedad

• La tolerancia a bajas temperaturas cuando se aumenta el arropamiento (unidades de CLO)

Figura 3.3. Diagrama de Olgyay. Fuente Elena Granados Menéndez, Principios y estrategias del diseño bioclimático en la arquitectura y urbanismo. Eficiencia energética.v0

Para cualquier variación del arropamiento, el gráfico debe ser ajustado en 7,3ºC por cada clo que se altere. En la figura siguiente (figura 3.4) se muestra el desplazamiento de la zona de confort cuando se aplican medidas correctoras del ambiente:



• Aumento de la radiación incidente o soleamiento (W absorbidos) contra el frío.

• Aumento de la velocidad del viento (m/s) contra el exceso de calor y humedad.

• Evaporación adiabática (g agua/Kg aire) contra el exceso de calor y sequedad.

Figura 3.4 Diagrama de Olgyay corregido para espacios exteriores. Fuente Elena Granados Menéndez, Principios y estrategias del diseño bioclimático en la arquitectura y urbanismo. Eficiencia energética. v 0

El diagrama puede ser provechosamente empleado para el diseño bioclimático dibujando por encima las temperaturas máximas y mínimas medias mensuales para determinar en cada momento del año las condiciones de confort y saber cuándo se necesita aportar calor, aportar frío o favorecer la ventilación. Sin embargo, este método ha recibido críticas cuando se ha querido aplicar para evaluar condiciones ambientales interiores, ya que no permite evaluar en detalle el “nivel de comodidad” ni la influencia de parámetros personales como la actividad, el arropamiento o la temperatura radiante media de los cerramientos, tal como se describen en otros métodos más modernos. (Izard JL. And Guyot A., 1980, Neila FJ, 2004, Granado E. 2006)



El confort térmico en los espacios urbanos El estudio del confort térmico de los espacios urbanos ha sido un tema de gran interés para numerosos científicos. Ya Hipócrates en su “Aforismos” habla de la influencia del clima y de ambiente sobre las personas y explica cómo el sol, el agua y el clima de una ciudad sean fundamentales para el bienestar, la salud y la felicidad de los humanos. Recientemente hemos hablado de los sistemas que se emplean para las alertas y las recomendaciones para la salud y la seguridad de las personas y se han multiplicado las investigaciones que relacionan el uso del espacio público con las condiciones térmicas experimentadas por los usuarios. (Tornero J. 2006)

A pesar de los numerosos estudios y formulaciones que se han producido en el tiempo para la definición del confort térmico, la mayoría de los trabajos se han concentrado en la aplicación a los espacios interiores, siendo el confort para los espacios abiertos un tema sobre lo que la comunidad científica no ha alcanzado un acuerdo. El estudio del confort en los espacios exteriores parte de algunas diferencias sustanciales respecto a las teorías usadas para los espacios interiores. (Jendritzky G. et all. 2011, Höppe P. 2002)

En primer lugar el tiempo de exposición, que normalmente es inferior al tiempo en que las personas permanece en los espacio interiores. En las investigaciones conducidas por Rhole (2007) se estudia el denominado “síndrome del supermercado” en la que se relaciona la sensación térmica al entrar en un espacio con aire acondicionado en verano, como por ejemplo en los centros comerciales. Gracias a estos estudios se ha podido determinar que la sensación de frío que se produce al pasar del ambiente exterior al interior con aire acondicionado, y la de calor sofocante cuando al contrario se sale al exterior desde un ambiente climatizado, está ligada al tiempo empleado por el cuerpo humano para modificar su temperatura interna. En la tabla 3.3 se muestran los valores que el cuerpo humano necesita para modificar su temperatura interna de 2ºF (alrededor de 1,1 ºC). (Rhole F.H., 2007)



Temperatura con 80% de Humedad relativa

Tiempo en que la temperatura rectal aumenta de 2ºF

medio

120 ºF (48,9 ºC) 21.7 min 2.7 min

110 ºF (43,6 ºC) 38.5 min 8.1 min

105 ºF (40,6 ºC) 56.0 min 11.4 min

100 ºF (37,8 ºC) 99.6 min 32.4 min Tabla 3.3. Tiempo necesario para aumentar la temperatura rectal en 2ºF según cuatro condiciones de temperatura ambiental. Fuente: Rohles F.H., R.G. Temporal characteristics of body temperature during high termal stress.

Existen otros factores como la actividad física desarrollada y el nivel de arropamiento, que para los espacios exteriores es muy variable en las diferentes épocas del año. En consecuencia, los índices de confort de tipo estáticos pueden ser empleados en la evaluación de los espacios exteriores solo en caso de exposición muy prolongada. (Hoppe P. 2002)

Los estudios realizados en las playas Italianas (Höppe P. 1991) y en las playas de Queesland (Australia) (De Freitas CR. 1985) demuestran que las personas se exponen voluntariamente a condiciones térmicas que pueden definirse extremas, hecho que subraya la importancia de los factores psicológicos en las expectativas térmicas, que son un factor altamente subjetivo. (Höppe P., 2002) En las últimas dos décadas se ha empezado a considerar la influencia psicológica entre las variables determinantes para la definición de la sensación térmica. Algunas de las investigaciones han demostrado recientemente que la evaluación de las condiciones atmosféricas interviene en los procesos psicológicos y culturales influyendo fuertemente en la sensación de confort, a veces contradiciendo los índices basados en los parámetros fisiológicos y en el balance térmico. Los estudios revelan que las condiciones microclimáticas influyen en la sensación térmica, pero para algunos enfoques eso cuenta solo un 50% en la evaluación subjetiva y objetiva del confort. El restante 50% depende de otros factores como la adaptación fisiológica y psicológica, que asume aspectos relevantes en los espacios abiertos. (Nikolopoulou M. 2003,Jendritzky G. 2011)

Nikoloupolou y otros autores (2003) sugieren que la adaptación fisiológica y psicológica, la naturalidad, la experiencia, el tiempo de exposición y la percepción sobre el control, son factores muy importantes para la sensación de bienestar térmico. Una de estas variables es especialmente importante: la experiencia. Ésta es un factor fundamental para comprender los parámetros subjetivos y que, en la sensación de bienestar, no influyen solo las componentes ambientales térmicas y la adaptación fisio-psicológica, sino la evaluación del ambiente en general. (Nikoloupolou et all. 2003)



La psicología cognitiva contemporánea dice que cuando aprendemos, recordamos, pensamos, imaginamos y creemos, los estímulos físicos involucrados en la experiencia consciente (oír, oler, tocar, ver y saborear) todos están implicados en el procesamiento de la información. Esta secuencia de eventos asociados con una diferente estructura incluye el sistema sensorial, el sistema nervioso central y la conexión mente/cerebro. Además, hábitos colectivos e individuales como los comportamientos ambientales autorreferenciales: personas que aman la vida al aire libre “encuentran placentero en el mar, los bosques, la naturaleza” versus personas urbanas que “prueban placer en el andar por la calle, en las tiendas y en las diversiones de la ciudad”, influyen en la percepción y la evaluación emocional del espacio abierto urbano. En relación a la percepción del confort térmico, elementos culturales y la expectativa vienen apreciados según una escala de valores subjetiva.(Knez I. 2009)

Adaptación

Como se ha citado anteriormente, la adaptación es uno de los elementos diferenciales entre la evaluación de sensación térmica percibida en el interior y en los espacios al aire libre. Según la Real Academia Española la “adaptación” para un ser vivo significa acomodarse a las condiciones de su entorno, según Nikolopoulou (2003) se puede definir como la gradual disminución de la respuesta de un organismo sometido a la repetida exposición a un estimulo, involucrando todas las acciones aptas para mejorar la supervivencia en un ambiente.

La discusión relativa a la adaptación térmica es tema de debate desde el 1978, cuando en la universidad de Karpacz, Polonia, Cena y Clark empiezan sus investigaciones sobre el tema. Nikolopoulou (2003) elabora sus teorías de la relación entre confort térmico y adaptación psicológica a partir del esquema de adaptación basado en tres categorías: la física, fisiológica y psicológica. Una pequeña explicación es necesaria para entender el enfoque adaptativo.

Adaptación física Se entienden todas las acciones operadas por el individuo de forma consciente para regular su condición de confort térmico: arroparse o reducir su arropamiento, cambiar de posición como por ejemplo en condición de calor moverse a un sitio sombreado y ventilado o cambiar el proprio metabolismo como puede ser realizar alguna actividad física o tomar bebidas calientes o frías según la necesidad. Estas acciones que implican un cambio personal, se indican como adaptación reactiva.



Distinta es la adaptación interactiva que implica una modificación de las condiciones ambientales, como puede ser en un espacio interior el abrir o cerrar de una ventana, encender la calefacción o activar el sistema de climatización, y en el espacio exterior puede consistir, por ejemplo, en el posicionar sistemas de protección solar como sombrillas o parasoles, disponer sistemas de microclima o estufas de exteriores.

Adaptación fisiológica Entran en esta categoría todos aquellos mecanismos de adaptación térmica puestos en marcha por el cuerpo humano de forma no consciente o involuntaria. Este proceso, se define también como aclimatación. Existen diferentes procesos de aclimatación según las reacciones fisiológicas que se producen:

• la adaptación instantánea, que son mecanismos que se ponen en marcha para equilibrar el balance térmico entre cuerpo y ambiente.

• la adaptación a los cambios de estación en el año, cuando la repetida exposición a ciertas condiciones producen un cambio gradual en la respuesta fisiológica en tanto que no se reduce la sensación de disconfort. Puede ser un ejemplo la constricción de los vasos sanguíneos superficiales en las personas expuestas repetidamente al frío para días o semanas

• La adaptación genética que es la que se ha producido en la evolución del hombre y que ha llevado a la selección de algunas características físicas que mejor se adaptan a las condiciones del lugar. Vemos por ejemplo que los individuos en lugares con clima frío presentan una tasa metabólica más alta o en las zonas calientes un tipo de piel que permite mayor transpiración.

En la presente investigación vamos a analizar solo el primer tipo de adaptación fisiológica, ya que el estudio de las otros dos no es pertinente para los objetivos del trabajo. (Clark J.A. 1981, Havenith, G. 2001, Jendritzky G. el all. 2011)

Adaptación psicológica Las personas perciben el ambiente de forma diferente, y la respuesta al estímulo físico no está directamente relacionada con esta magnitud, sino más bien con la información que las personas reciben de una determinada situación. Según la definición de espacio confortable, éste es aquel en el que la que las personas se sienten en condición de bienestar térmico con su entorno (McIntre 1981). Los factores que influyen en la sensación de bienestar dependen de la percepción del



espacio y de los fenómenos que se producen en él. A continuación se describen estos factores:

• Naturalidad: este término ha sido empleado por Griffiths et all (1987) para indicar los cambios climáticos que se producen naturalmente. En sus investigaciones demuestra que el rango de confort es más grande en caso de espacios con ventilación natural o, dicho en otras palabras, que las personas soportan menos los cambios climáticos en los espacios provistos de sistemas de climatización. Para demostrar esto, se confronta el valor PPD y el ADP (Actual Percentage of Dissatisfied) el primero estimado en un espacio interior climatizado y el segundo en el exterior y se ve que a un PPD medio anual del 66% corresponde un ADP del 10%. (Griffiths et all. 1987)

• Expectativa: en los espacios interiores las personas se esperan unas condiciones térmicas mucho más estables que al aire libre. Es normal que haga frío en invierno y calor en verano. Respecto a las condiciones en los espacios abiertos es usual que cuando se pregunte sobre las condiciones climáticas se obtengan respuestas del tipo “Está bien para la época del año” o “Debería hacer más calor/frío en esta temporada”. Esta sensación está ligada también a las condiciones de los días anteriores. Los estudios realizados en Noruega (Zrudlo N. 1989, Culjat B. and Erskine R. 1989) muestran que las condiciones mínimas de confort eran de 11 ºC en otoño y de 9 ºC en primavera, lo que indica que después de los meses invernales, las personas se habían adaptado a un clima más frío.

• Experiencia: ésta cambia en el corto y en el largo plazo y depende mucho de las expectativas construidas por el individuo. Entran en juego otros factores relativos a la adaptación como la variación del arropamiento, el consumo de bebidas frías o calientes, las condiciones a las que el individuo ha sido expuesto o la actividad que se está desarrollando. Vemos por ejemplo que puede ser agradable sentir calor después de un stress térmico por frío o que la percepción de bienestar cambia si se está desarrollando una actividad placentera o desagradable.

• Tiempo de exposición: generalmente el tiempo de exposición a las condiciones exteriores no son muy prolongadas, de forma que las condiciones perjudiciales suelen no representar problemas para la salud (Candas V. 2005, Höppe P. 2002). Sin embargo, la percepción del ambiente térmico es uno de los principales condicionantes a la hora de



decidir el tiempo de permanencia en el exterior con lo que es un factor a tener en cuenta si queremos promover el uso del espacio público.

• Percepción del control sobre el espacio: en este punto se indica la capacidad que tiene el individuo de modificar sus condiciones físicas, por ejemplo la posibilidad de cambiar de posición, abrir o cerrar una sombrilla o sencillamente la posibilidad de desplazarse a una zona de sombra o al sol.

Todos estos factores están relacionados entre ellos: vemos por ejemplo que si estamos tomando un momento de descanso en un ambiente al aire libre agradable, no sentimos la necesidad de cambiar de posición y en consecuencia prolongaremos nuestra estancia en este espacio. Si al contrario estamos haciendo una actividad desagradable, como por ejemplo esperar a alguien que se está retrasando y si, por ejemplo, queremos movernos de un lugar al sol a uno a la sombra pero nuestra posibilidad de movernos es limitada, también nuestra percepción del ambiente será negativa y lo más probable es que nos movamos a otro lugar lo antes posible. (Nikolopoulou M. and Steemers K.2003, Nikolopoulou M. and Lycoudis S. 2006, Cena K and Clark J.A. 1981, Höppe P. 1999)

En resumen podemos distinguir dos diferentes enfoques de evaluación: el primero basado en el balance térmico entre cuerpo y ambiente, en definitiva, en la respuesta fisiológica al estímulo debido a las condiciones climáticas, y otro que involucra más factores como los psicológicos y la percepción del ambiente en general.

Descripción de los modelos de estudio A continuación se presentan dos modelos, cada uno representativo de estos dos enfoques. Ambos han sido desarrollados en investigaciones recientes y se proponen como elementos de novedad en el panorama de la evaluación del confort para los espacios abiertos.

El primero es el UTCI (Universal Thermal Climate Index24) basado en la valoración de la respuesta fisiológica (Jendritzky G. 2011) y el ASV (Actual Sesation Vote25) desarrollado a partir de las teorías de adaptación físico-psicológica (Nikolopoulou M. 2003). Los índices han sido desarrollados con el objetivo de definir la sensación térmica a partir de los valores climáticos medidos en un lugar, factores como el valor metabólico y el rango de arropamiento son parámetros implícitos en

24 Universal Thermal Climate Index. Índice universal del ambiente térmico. 25 Actual Sesation Vote. Evaluación de la sensación real.



los modelos. Han sido estudiados para ser empleados en diferentes lugares y, aunque su aplicación puede ser extendida a diferentes fines, han sido desarrollados pensando en su aplicación en el diseño de los espacios urbanos.

La demostración de las hipótesis de partida de la existencia de la relación entre condición microclimática, confort de las personas y uso de espacio ciudadano, pasa por la identificación de un índice de evaluación del bienestar térmico adecuado a su aplicación al trabajo de investigación. Los dos índices seleccionados reúnen las características de ser valores numéricos, calculados a partir de parámetros climáticos obtenibles de una medición en situ o de una simulación y que son aplicables a diferentes lugares. De los dos se quiere seleccionar el que muestra mejor aplicabilidad al clima de Madrid para la realización del análisis de los casos de estudio y las valoraciones comparativas de los escenarios de proyecto.

Modelo de adaptación fisiológica – UTCI

Cuando se habla de adaptación fisiológica hacemos referencia a las acciones operadas por el cuerpo en un ambiente para equilibrar el balance térmico. Al evaluar el estado térmico de las personas debemos considerar todos los factores que influyen en el balance térmico (Buttern 1939), pero como hemos visto anteriormente, esto conlleva la formulación de complicados modelos.

Los índices mencionados anteriormente han demostrado varias limitaciones en la definición del estado fisiológico de las personas y en la aplicabilidad a diferentes usos: por ejemplo valores que han nacido para dar alertas sobre los riesgos para la salud se adaptan mal para dar informaciones turísticas o guiar el diseño de los espacios ciudadanos. Muchos de los valores han sido desarrollados a través de observaciones experimentales realizadas en lugares específicos y en consecuencia, se adaptan difícilmente a otras condiciones. Además la especificidad de cada indicador hace que la comparación entre diferentes índices sea muy poco acertada.

De aquí la necesidad de desarrollar un índice para la valoración del confort versátil, aplicable a diferentes lugares y universalmente reconocido. El UTCI es el resultado de los trabajos de investigación de la Action COST 73026 que ha reunido expertos procedentes de 23 Países (Australia, Canadá, Israel, diferentes

26 Programa Europeo para promover la Cooperación en Ciencia e Inovacción Tecnológica



países de Europa, Nueva Zelanda y EE.UU.) bajo el paraguas de la Comisión de Climatología del WOM27.

El nuevo sistema de evaluación de confort nace con el objetivo de representar un índice internacionalmente reconocido, aplicable a los diferentes lugares y a los diferentes usos:

• Información meteorológica: para informar a la población sobre las condiciones térmicas en breve tiempo (en las previsiones meteorológicas) sobre las actividades en el exterior (trabajo, deporte, ocio), comportamientos apropiados y terapias climáticas. Los sistemas nacionales de meteorología hace un uso extendido de los sistemas de advertencia, aunque a veces el uso de un determinado índice no es adecuado para las condiciones del lugar.

• Alertas públicas: para alertar a la población y a los servicios de emergencia en caso de condiciones extremas que puedan ser peligrosas para la salud de las personas. Es muy útil para poder predisponer planes de emergencia en caso de riesgo de estrés térmico extremo (calor o frío) con el objetivo de reducir la mortalidad y el impacto en la salud de las personas.

• Planeamiento preventivo: en referencia al amplio campo de la planificación urbana y regional y la industria del turismo que tiene aplicación tanto en la esfera pública como la privada. El incremento del conocimiento y de la previsión de las condiciones estacionales, pueden ser útilmente empleadas para dirigir las decisiones en la planificación y el desarrollo de los productos más oportunos.

• Investigación del impacto climático en la salud: tanto en la prevención de los problemas debido al estrés térmico, como en la epidemiología debida al cambio climático. (Jendritzky, de Dear and Havenith 2011)

El sistema debe asegurar una correcta representación del comportamiento del cuerpo humano de un sujeto no aclimatado, respecto un amplio abanico de condiciones climáticas que, para los espacios exteriores, pueden ser muy diferentes: calor, frío, viento fuerte, humedades muy altas o muy bajas, radiación solar muy fuerte, etc.

27 WOM. World Metereological Organization. Organización Mundial de Meteorología.



Después de una revisión de los diferentes sistemas existentes, se ha optado por adoptar el modelo de intercambio de calor cuerpo-ambiente Fiala (Fiala et all. 2010). El UTCI-Fiala es un sistema multi-nodo que aproxima el comportamiento del cuerpo humano en 12 esferas compartimentadas: cabeza, cara, cuello, hombros, tórax, abdomen, brazos superiores e inferiores, manos, piernas superiores e inferiores y pies, incluyendo 187 nodos del tejido (el modelo original tenía 342), lo que permite una aproximación mucho más elaborada que la realizada por el modelo de dos nodos MEMI. El modelo representa una persona de constitución media con una superficie corporal de 1,85 m2, peso de 73,4 kg y contenido de grasa del 14%. (Fiala D. el all. 2011, (Havenith 2001)

El modelo está integrado por un modelo de arropamiento adaptativo que considera:

• El comportamiento adaptativo del nivel de arropamiento según la temporada observado en la población urbana en relación a la temperatura ambiental actual

• La distribución del arropamiento en las diferentes parte del cuerpo, considerando un aislamiento diferente según el segmento anatómico

• La reducción de la resistencia a la evaporación y al intercambio térmico producido por el viento y el movimiento de las extremidades arropadas asumiendo que el individuo se desplace andando con una velocidad media de 4 km/h a nivel del suelo (2,3 met=135 W/m2) (Jendritzky et al. 2011).

El UTCI sigue el concepto de la Temperatura Equivalente (ET) el cual involucra el concepto de ambiente de referencia con las siguientes características: humedad relativa del 50% (presión de vapor máxima de 20 hPa), aire calmo y temperatura media radiante igual a la temperatura del aire. La respuesta fisiológica de la persona es calculada después de una exposición de 30 minutos y 120 minutos. El UTCI se exprime en valor en ºC que representa, para unas determinadas condiciones climáticas de humedad, velocidad del viento, temperatura media radiante y temperatura del aire, la temperatura del aire equivalente en el ambiente de referencia que produce la misma respuesta fisiológica. El índice está asociado a una escala de valores donde se relaciona el valor de temperatura UTCI con el estrés térmico. El sistema es aplicable para valores climáticos que se encuentran dentro de estos rangos:

-50ºCTa +50ºC



-30ºC Tmrt-Ta +70ºC

0,5 m/s w 30,3 m/s

5% Hr 100% (Bröde et al. 2011)

El enfoque adoptado para la definición del valor del UTCI se basa en la respuesta fisiológica de un individuo medio en un ambiente de referencia e incorporando un modelo de nivel de arropamiento adaptativo. La respuesta dinámica se obtiene de la combinación lineal de las reacciones de siete parámetros de estrés térmicos (temperatura rectal, media de la piel y de la cara, sudoración, humedad de la piel, flujo sanguíneo de la piel, temblores) obtenidos en el corto y largo plazo, 30 y 120 minutos respectivamente.

De acuerdo con este criterio el estrés térmico ha sido categorizado en una escala de valores mostrada en la figura 3.5. La escala es ligeramente asimétrica y la zona de confort se coloca entre los 9 ºC y los 26 ºC

El UTCI ha sido desarrollado usando como parámetros de input los valores climáticos obtenidos de la información meteorológica convencional, sin necesidad de recurrir a mediciones especiales. Sin embargo las mayores incertidumbres en su cálculo se debe a la dificultad de obtener el valor de Tmrt. Los parámetros de input para el cálculo son:

• Temperatura del aire medida a cota 2m sobre el nivel del suelo (Ta, ºC)

• Velocidad del viento medida a 10m sobre el nivel del suelo (W, m/s)

• Temperatura media radiante (Tmrt, ºC)

• Contenido de agua en el aire expresada en humedad relativa (Hr, %) o humedad absoluta (Ha, gr) medida a 2m sobre el nivel del suelo.



UTCI (°C) rangos Categorías de Estrés

superior +46 Calor extremo

+38 a +46 Calor muy fuerte

+32 a +38 Calor fuerte

+26 a +32 Calor moderado

+9 a +26 Bienestar

+9 a 0 Frío ligero

0 a -13 Frío moderado

-13 a -27 Frío fuerte

-27 a -40 Fío muy fuerte

inferior -40 Frío extremo

Figura 3.5 Categorías de estrés térmico del índice UTCI. Fuente: Glossary of Terms for Thermal Physiology (2003). Journal of Thermal Biology 28, 75-106 (http://www.utci.org)

La temperatura media radiante

En el cálculo se introduce el parámetro de la Temperatura media radiante Tmrt (ºC, K) para parametrizar la transferencia de energía (perdida de energía o ganancia por radiación térmica) con el ambiente externo. En el contexto de la investigación, es importante hacer un pequeño paréntesis en la explicación de esté parámetro, ya que es fundamental para entender el concepto de confort.

Se define como Temperatura media radiante a la temperatura uniforme de un

cuerpo negro ficticio (con coeficiente de emisión ε=1) que representa el

intercambio de energía, debido a la radiación neta, entre el sujeto y el ambiente real. Es el parámetro climático más representativo del flujo de energía entre el cuerpo humano y el ambiente, sobre todo en condiciones de verano. Este indicador ha sido introducido con el objetivo de paramétrizar el efecto de la radiación de un ambiente complejo en un valor unidimensional.

El valor de la Tmrt para los espacios exteriores es considerablemente distinto a los valores calculados en espacios interiores. En caso de espacios soleados, la Tmrt puede alcanzar valores superiores a 30ºC por encima de Ta. La cantidad de radiación, el cielo, así como la topografía y la morfología urbana, influyen en la Tmrt. (Matzarakis, Rutz and Mayer 2010, Kántor 2011). Para su definición la radiación es la componente que tiene mayor peso:

http://www.utci.org/



• Radiación solar o de onda corta en la atmosfera baja (longitud de onda de

λ=0,3-3μm):

• Radiación solar directa (I)

• Radiación solar difusa (D)

• Radiación reflejada de onda corta (R) procedente de la reflexión de la radiación directa y difusa

• Radiación terrestre o de onda larga (longitud de onda λ=3-100μm)

• Radiación atmosférica (A) radiación térmica procedente del cielo

• Radiación de onda larga procedente del suelo o de otras superficies (E)

Sin embargo el cálculo de este parámetro climático es muy complicado, sobre todo en los espacios externos ya que, como podemos ver en el esquema de la figura 3.6, los factores que entran en juego son numerosos. Para su estimación teórica se parte da la teoría de Fanger (1972) de subdividir el ambiente externo en un numero n de superficies isotermas. Otros componentes muy importantes en la definición de la cantidad de radiación absorbida es el factor de forma, que indica la porción de cuerpo expuesto a la radiación y depende de la posición del sujeto y del ángulo de incidencia de la radiación. La fórmula final puede escribirse como:

𝑇𝑚𝑟𝑡 = �1𝜎

· ��𝐸𝑖 + 𝑎𝑘 ·𝐷𝑖𝜀𝑝� · 𝐹𝑖 +

𝑓𝑝 · 𝑎𝑘 · 𝑙∗

𝜀𝑝 · 𝜎

𝑛

𝑖=1

4

donde

𝑇𝑚𝑟𝑡= Mean Radiant Temperature

𝜎 = Stefan Boltzmann’s

𝐸𝑖= Environmental Long wave radiation

𝑎𝑙= Absorption coefficient for long wave assumed as 0,97

𝑎𝑘= Absorption coefficient for short wave assumed as 0,7

𝐷𝑖= Diffuse solar radiation

𝜀𝑝= Emission coefficient to clothed human body

𝐹𝑖= Angle factors

𝑓𝑝= Surface project factors (portion of body exposed to direct solar radiation)



𝑙∗=Direct solar radiation

Figura 3.6 Ilustración de soporte a la explicación de la Tmrt. Elaboración propia a partir de Kantor, Noemi, & Unger, Janos. (2010).

La medición directa de la Tmrt puede realizarse a través del termómetro de globo, aunque su viabilidad en el exterior es bastante inferior a la de los espacios interiores por las siguientes razones:

1. El termómetro de globo mide la radiación procedente de las diferentes direcciones de forma igual, con lo que la aproximación a la condición de una persona sentada es bastante incorrecta.

2. No se considera que la esfera de color negro del termómetro de globo sobrestima la cantidad de onda corta absorbida.

3. Normalmente el aparato necesita un tiempo de 15-20 minutos para estabilizarse, cosa que no resulta un problema para los espacios interiores, donde las condiciones son estables, a diferencia de los espacios al aire libre donde en este lapso de tiempo, valores como Ta y w, pueden variar sensiblemente.

Existen también programas de simulación térmicos para los espacios urbanos capaces de simular la Tmrt a partir de la definición del entorno urbano y de los valores climáticos obtenidos en el proceso de simulación.

Entre los más populares recordamos RayMan (Matzarakis A., Rutz F. and Mayer H. 2009) desarrollado para el calculo de la densidad de flujo de radiación y la evaluación de diferentes índices termo-fisiológicos (PET, Tmrt, SET y PMV) y ENVImet(Bruse M. 1999) un programa de simulación térmica de un entorno urbano a la microescala.



Modelo de adaptación psicológica – ASV

Los aspectos relativos a la sensación de bienestar térmicos, que involucran la componente física, fisiológica y psicológica, ham sido objeto de estudio del proyecto de investigación RUROS28. El proyecto nace del reconocimiento de que, en los espacios públicos, existe una conexión entre el ambiente físico y los aspectos sociales y que las condiciones ambientales del espacio público influyen significativamente en su uso. Gracias al trabajo de investigación ha sido desarrollada una plataforma común de análisis de los espacios abiertos en los contextos urbanos, combinando ambiente físico y requisitos de satisfacción de los usuarios, produciendo así herramientas de diferente complejidad, para la evaluación de varios aspectos que influyen en la percepción del espacio.

En relación al tema del bienestar térmico, se ha realizado un trabajo experimental de campo a través de la evaluación de más de 10.000 datos recopilados en siete ciudades de diferentes países europeos (Atenas, Salónica, Friburgo, Milán, Cambridge, Sheffield y Kassel) con el objetivo de definir un índice de confort capaz de representar el enfoque adaptativo.

El estudio de los datos recopilados demuestra que, sin duda, las condiciones térmicas ambientales son el primer factor que influyen en la percepción de la decisión de permanecer en un espacio al aire libre y en consecuencia su uso. Más difícil de definir resulta la influencia que los otros factores psicológicos y perceptivos tienen en la condición de confort. En la figura 3.7 se propone un esquema de las conexiones entre los varios parámetros. Como se puede ver algunos de ellos tienen una conexión en los dos sentidos, lo que indica que los dos parámetros se afectan entre si.

28 RUROS. Rediscovering the Urban Realm and Open Spaces es un proyecto de investigación coordinado por el Centro de Energía Renovable (CRES-Centre for Renewable Energy Sources) para el análisis de los espacios urbanos combinando el contexto físico con el grado de satisfacción de los usuarios.



Figura 3.7 Esquema de influencia entre los diferentes parámetros de la adaptación psicológica. Elaboración propia a partir de Nikolopoulou, M., & Steemers, K. (2003).

En la tabla 3.4 se muestra una valoración teórica del peso que cada parámetro puede tener en influir y ser influio por otros parámetros del mismo grupo. Hay que señalar que la naturalidad puede influir en otros parámetros, pero no ser influcido, esto se debe a que es una variable inherente al espacio y no se ve afectada por otras variables personales.

Parámetro Peso Influir en otros Ser influido Control percibido 3 3

Expectativa 3 5

Estímulo ambiental 3 5

Experiencia 4 2

Tiempo de exposición 3 5

Naturalidad 4 0 Tabla 3.4 Peso teórico de la interacción entre los diferentes parámetros de la adaptación psicológica. Fuente: Nikolopoulou, 2003, Thermal comfort and psychological adaptation as a guide for designing urban spaces

El trabajo de campo realizado en el proyecto RUROS ha consistido en la monitorización de las condiciones microclimáticas de los casos de estudio contemporánea a la observación del comportamiento de las personas en sus actividades habituales al aire libre. La medición de los parámetros climáticos se realiza a través de equipos portátiles, mientras que el estudio del comportamiento de las personas se realiza a través de la observación de las actividades desarrolladas y de la realización de un cuestionario estructurado.

La elaboración de los datos recopilados ha permitido la formulación de un índice de evaluación de la sensación térmica, el Actual Sensation Vote (ASV), basado en

Expectación

Control percibido

Estimulación ambiental

Experiencias pasadas

Tiempo de Exposición

Naturalidad



una escala de 5 rangos que varía de “muy frío” a “mucho calor” donde se relacionan los parámetros microclimáticos para la sensación real del ambiente térmico. Se realizan entonces unos modelos sencillos, capaces de prever las condiciones de confort térmico, usando los parámetros climáticos fácilmente disponibles y ecuaciones lineales, donde el concepto de adaptación es intrínseco al modelo.

Los parámetros empleados para la determinación del ASV son: Temperatura del aire Ta (ºC), radiación solar global S (W/m2), velocidad del viento W (m/s) y humedad relativa Hr (%). La ecuación para una ciudad europea genérica es igual a:

ASV= 0.049 Ta + 0.001 S - 0.051 W – 0.014 Hr– 2.079 (r=0.78)

Debido a la falta de mediciones en condiciones ambientales de mucho calor y mucho frío, se limita el uso del modelo a los rangos de temperatura que van de 5ºC a 35ºC.

El trabajo de investigación está orientado hacía la definición de unas herramientas para guiar el diseño de los espacios urbanos, fácilmente utilizables por los arquitectos y proyectistas. (Nikolopoulou and Steemers 2003, Nikolopoulou and Lykoudis 2006, Nikolopoulou 2002, Nikolopoulou and Lykoudis 2007, Tseliou et al. 2010)

Definición del índice de confort para el caso de Madrid Como se ha señalado en la metodología de trabajo, el indicador para evaluar la calidad del espacio de los casos estudio es el confort térmico. La falta de definición de un índice para el confort en espacios exteriores aceptado y reconocido internacionalmente, ha obligado a conducir una labor paralela a la del estudio del microclima urbano que ha sido la búsqueda de un indicador aplicable a Madrid y adecuado a los objetivos y el enfoque metodológico de la investigación. Se ha optado por comprobar la aplicabilidad de los dos enfoques: uno basado en el equilibrio fisiológico entre ambiente y cuerpo y el adaptativo eligiendo el UTCI y el ASV respectivamente.

Los dos índices reúnen características que los hacen adecuados para la presente investigación:

• Son índices novedosos en el panorama científico de las investigaciones relativas al confort en espacio urbanos y ambos se proponen el objetivo de superar las limitaciones comprobadas en los modelos anteriores.



• Se pueden calcular a partir de valores climáticos que pueden obtenerse de mediciones en situ o de los procesos de simulación del espacio.

• La evaluación de la sensación térmica se realiza a través de un valor numérico asociado a una escala cualitativa, permitiendo así la comparación objetiva de los diferentes casos de estudio.

La metodología empleada para la selección del índice se basa en la comparación de la evaluación de confort realizada con ambos sistemas de un área de Madrid, en concreto del caso de estudio del barrio de Pavones. El trabajo se articula en:

Fase I: obtención de los parámetros climáticos a través de un proceso de simulación computarizada con la herramienta de simulación 3D ENVI-met 3.1

Fase II: evaluación de las condiciones de bienestar térmico en las condiciones de invierno y de verano

Fase III: comparación entre los modelos y selección del índice.

Para la descripción pormenorizada del caso de estudio se remite al capitulo 5 y de la herramienta de simulación al capitulo 4.

Fase I – Simulación climática del caso de estudio

El caso de estudio seleccionado para analizar el confort es el área en el barrio de Pavones en el distrito de Moratalaz en la zona Sureste de la ciudad de Madrid. El área de estudio es de carácter principalmente residencial, con edificios en bloque sobre pilotis de 5 plantas de altura y áreas verdes y paseos peatonales en los espacios libres. El área de estudio ha sido seleccionada porque es representativa de la organización morfotipológica de las periferias de la ciudad de Madrid.

Figura 3.8 área de estudio del barrio de Moratalaz. Foto aérea. Fuente: Googlemaps y elaboración propia.



Los valores climáticos para la aplicación de los índices de confort se han obtenido de un proceso de simulación 3D realizado con la herramienta de cálculo computarizada ENVI-met 3.1. Se ha preferido emplear datos obtenidos de un proceso de calculo por diferentes razones: en primer lugar porque no se disponen de datos fiables medidos en situ para todos los parámetros necesarios. En segundo lugar, como se explica con más detalle en los siguiente capítulos, el uso de modelos matemáticos para el estudio del microclima tiene algunas ventajas que han hecho que la metodología de investigación se orientara hacia esta opción respecto a la de realizar campañas de mediciones. Parece entonces justificada la decisión de emplear para esta parte del trabajo el mismo sistema que se empleará para todo el trabajo de estudio del microclima.

La evaluación del confort se ha realizado para las condiciones de verano y de invierno, simulando el caso de estudio en dos días en las diferentes épocas del año: el 21 de diciembre 2010 y el 15 de agosto de 2011. Para calibrar los datos iniciales de partida empleados por la herramienta, se han utilizado los datos registrados por la estación meteorológica de Madrid-Retiro (Fuente: AEMET) (ver capitulo 5). La simulación ha sido ejecutada para las 24 horas de un día entero, obteniendo valores de output en intervalos de 3 horas.

El output de resultados puede ser visualizado a través del software LEONARDO en mapas temáticos como en el ejemplo mostrado en figura 3.9 y sobre eso se han fijado unos nodos o estaciones de observación para el cálculo del UTCI y del ASV. El periodo de estudio se ha limitado al intervalo entre las 9:00 y las 21:00 horas ya que estas son las horas de mayor ocupación del espacio público y en consecuencia, en las que más se necesita asegurar las condiciones de confort.

Los nodos de estudio identificados están localizados en puntos característicos del área de estudio:

A. Centro del área de aparcamiento: zona abierta sin protección, los edificios laterales están posicionados a mucha distancia de modo que no influyen directamente, el suelo es de asfalto negro.

B. Área de juego de los niños: posicionado en el lado Noroeste del área, espacio libre entre dos edificios aislados altos XI plantas protegido por arboles altos de hoja caduca (principalmente hipocastáneos) y suelo de arena.

C. Fachada oeste del edificio largo central, en la zona en contacto directo con el boulevard arbolado, en el lado oeste se encuentra el aparcamiento y el boulevard, en el lado opuesto el edificio en línea de V plantas, el pavimento simulado es de cemento.



D. Centro del cañón entre los dos edificios en línea de V plantas, el área está dedicada a aparcamiento y, a excepción de unas pequeñas franjas laterales de acera de hormigón, el suelo es de asfalto, 4 arboles aislados de tipo de hoja caduca están posicionados en la zona central entre las dos filas de aparcamiento mientras que en las fachadas de los edificios hay arbustos de 1m de altura.

E. Límite Sureste del área de estudio en la zona dedicada al trafico vehicular, es un área abierta, sin edificios o vegetación que cree sombra o protección, el suelo es de asfalto negro.

F. Pequeña área ajardinada en la cabeza del edificio en el límite Suroeste del área, el pequeño jardín constituido por arboles altos de hoja caduca y arbustos, está delimitado por la acera de hormigón y por el edificio de V plantas.

En la figura 3.9 se muestra el mapa de temperaturas de output de la simulación como muestra de los resultados con la indicación de las estaciones de observación. En este capitulo se omite la parte de descripción del modelo 3D y se reenvía a los siguientes capítulos la presentación pormenorizada del sistema de cálculo y de los casos de estudio.

Figura 3.9. Mapa de temperatura de output en condiciones de verano a las 15:00 horas, con la indicación de las estaciones de observación. Elaboración propia con ENVI-met.



Los valores observados en las simulaciones ejecutadas para las condiciones de verano y de invierno se han empleado para el cálculo de los dos índices de confort. Los resultados se presentan en las tablas 3.5a y 3.5b, se han coloreado las celdas con los valores del UTCI y del AVS de acuerdo a la escala de valores correspondiente (en la leyenda). Se ha optado por esta visualización para facilitar la comparación entre los dos índice de confort.

Para el cálculo de la temperatura equivalente del UTCI se ha empleado la herramienta de calculo UTCI-a002.exe que se puede descargar de forma libre en la página web http://www.utci.org/index.php introduciendo los valores de Ta, Tmrt, Hr y W obtenidos directamente de la simulación, mientras que para el calculo del ASV se ha usado la formula para la ciudades genérica obteniendo el valor de la radiación solar como sumatorio de las tres componentes de radiación: directa, reflejada e indirecta.

ASV= 0.049 Tair_met + 0.001 Sol_met - 0.051 V_met – 0.014 RH_met – 2.079 (r=0.78)

donde

Tair_met = Temperatura del aire (ᵒC)

Sol_met = Radiación solar global (W/m2)

V_met = Velocidad del viento (m/s)

RH_met = Humedad relativa (%)

Del análisis de los valores climáticos obtenidos se puede comprobar que las épocas del año en la que se produce mayor disconfort es la de verano. En consecuencia la comprobación del modelo se concentra en la que mejor represente el estrés térmico por calor.

Fase II – Cálculo del índice de confort

A través de la simulación 3D con la herramienta ENVImet se han obtenido los parámetros climáticos necesarios para realizar el cálculo de los índices de confort en condiciones de invierno y de verano. Los valores están indicados en las tablas 3.5 a) y 3.5 b). Los valores observados en las diferentes estaciones de temperatura y velocidad del viento han sido representados en los gráficos de la figura 3.10 para una mejor comprensión del comportamiento del espacio urbano. No se han representado de forma gráfica lo valores de humedad porque la variación entre las estaciones es menos significativa y porque, como se ha

http://www.utci.org/index.php



indicado anteriormente, la humedad influye en el confort solo en sus valores extremos. Para la temperatura, con la línea de puntos, se indica el valor de la temperatura media mensual horaria registrada por la estación de meteorología de Madrid-Retiro de la AEMET para los meses objeto de evaluación.

Los resultados mostrados se refieren todos a una altura de 1,20m. Nos referimos a esta altura porque es la que afecta directamente a las personas que ocupan el espacio, y en consecuencia su sensación térmica. El comportamiento microclimatico del espacio se analiza con más detalle en los próximos capítulos, en este nos limitamos a analizar los valores para el calculo del confort.

Ta [ºC] Tmrt [K] ΔTmrt RH [%] W [m/s] Sol Dir Sol Dif Sol Ref Sol Glo UTCI ASV

Hour 9:00

a) 22,99 334,9 38,91 67 1,37 791 71,78 14,64 877,42 33,7 0,79

b) 21,83 292,43 -2,4 74,77 0,38 0 71,29 5,62 76,91 22,4 0,09

c) 21,94 294,86 -0,08 74 1 0 48,34 61,52 109,86 22,7 0,09

d) 22,14 323,08 27,94 76 1,09 0 66,9 24,41 91,31 30,9 0,11

e) 22,44 330,66 35,22 73 1,33 791 77,64 2,92 871,56 32,6 0,85

f) 22,51 298,26 2,75 69 0,69 791 72,27 13,67 876,94 24,2 0,83

Hour 12:00

a) 28,98 339,88 37,9 57 1,49 970,82 105,05 17,97 1093,84 38,8 1,16

b) 26,37 289,89 -9,48 71 0,39 0,14 104 19,17 123,31 25,3 0,31

c) 26,79 300,4 0,61 66 0,95 0 70,75 75,5 146,25 28 0,26

d) 28,17 345,75 44,58 63 1,29 970,82 97,9 29,96 1098,68 40,1 1,22

e) 27,64 333,07 32,43 61 1,32 970,82 113,62 3,59 1088,03 36,5 1,15

f) 28,17 309,18 8,01 59 0,73 338,74 105,76 16,77 461,27 31,1 0,55

Hour 15:00

a) 30,49 342,48 38,99 56,06 1,71 954,84 102,24 17,68 1074,76 40,5 1,19

b) 27,93 346,63 45,7 68 0,43 0,1 101 18,86 119,96 41 0,34

c) 28,97 335,36 33,39 62,23 1,02 672,37 68,85 74,26 815,48 38,5 0,98



d) 29,93 348,22 45,29 60,5 0,78 954,84 95,29 29,47 1079,6 40,4 1,27

e) 29,28 337,23 34,95 59,79 1,36 954,84 110,59 3,53 1068,96 38,7 1,19

f) 30,13 337,29 34,16 56 1,05 320,91 102,94 16,5 440,35 39,2 0,57

Hour 18:00

a) 27,95 335,56 34,61 63,29 1,81 689 59,54 12,75 761,29 36,9 0,85

b) 26,95 340,08 40,13 68,94 1,27 688 58,73 14,45 761,18 38,1 0,90

c) 27,28 299,37 -0,91 66,73 1,03 2,88 40,1 53,58 96,56 28,1 0,24

d) 27,87 340,95 40,08 66,68 1,43 689 55,49 21,26 765,75 38,8 0,91

e) 27,88 332,97 32,09 64,8 1,4 689 64,4 2,55 755,95 36,7 0,88

f) 27,98 332,87 31,89 62,56 1,06 689 62,78 5,95 757,73 37 0,87

Hour 21:00

a) 23,66 289,56 -7,1 71 1,78 0 0 0 0 21,6 -0,02

b) 22,87 287 -8,87 76 0,4 0 0 0 0 21,6 0,09

c) 23,2 289,63 -6,57 73 0,96 0 0 0 0 22,2 0,03

d) 23,23 289,97 -6,26 74 1,22 0 0 0 0 22,2 0,03

e) 23,37 286,79 -9,58 72 1,39 0 0 0 0 21 0,00

f) 23,66 287,27 -9,39 70 0,78 0 0 0 0 21,8 0,02

Tabla 3.5 a) Valores obtenidos de la simulación con ENVI-met y valoración del confort con el índice UTCI y ASV para las condiciones de verano. Elaboración propia.



Ta [ºC] Tmrt [K] ΔTmrt RH [%] W [m/s] Sol Dir Sol Dif Sol Ref Sol Glo UTCI ASV

Hour 9:00

a) 10 274,45 -8,55 91 2,81 0 0 0 0 3,1 -0,46

b) 10,64 274,68 -8,96 93 0,77 0 0 0 0 8,6 -0,29

c) 10,69 278,28 -5,41 92 1,69 0 0 0 0 8 -0,35

d) 10,7 275,73 -7,97 92 1,98 0 0 0 0 6,3 -0,37

e) 10,63 272,9 -10,73 92 2,55 0 0 0 0 3,8 -0,40

f) 10,68 274,21 -9,47 91 1,2 0 0 0 0 7,6 -0,34

Hour 12:00

a) 11,59 323,55 38,96 93 3,04 719,48 62,46 13,32 795,26 20,7 0,43

b) 11,36 281,27 -3,09 96 0,68 0 62,03 14,21 76,24 11,8 -0,14

c) 11,33 285,75 1,42 95 1,76 0 42,06 55,95 98,01 11,1 -0,19

d) 11,59 316,27 31,68 95 2,12 719 58,21 22,2 799,41 20,9 0,51

e) 11,51 319,78 35,27 94 2,58 719 67,56 2,66 789,22 20,7 0,46

f) 11,52 286,16 1,64 93 1,4 80,17 62,88 12,43 155,48 12,1 -0,13

Hour 15:00

a) 12,2 313,21 28,01 95 3 492 56,41 12,43 560,84 18 0,26

b) 11,9 281,25 -3,65 98 0,7 0 56 13,26 69,26 12,1 -0,09

c) 12 330,3 45,3 97 1,75 671 37,99 52,23 761,22 26,5 0,54

d) 12,42 328,63 43,21 96 2,16 671 52,57 20,72 744,29 25,2 0,51

e) 12,11 317,99 32,88 96 2,55 671 61 2,48 734,48 20,7 0,46

f) 12,18 299,47 14,29 94 1,43 335 56,8 11,6 403,4 17,3 0,16

Hour 18:00

a) 10,14 273,86 -9,28 99,00 3,09 0,00 0,00 0,00 0,00 2,50 -0,35

b) 10,18 274,24 -8,94 100,00 0,70 0,00 0,00 0,00 0,00 8,40 -0,22

c) 10,15 277,60 -5,55 99,00 1,73 0,00 0,00 0,00 0,00 7,40 -0,28

d) 10,23 275,09 -8,14 99,00 2,14 0,00 0,00 0,00 0,00 5,50 -0,30



e) 10,14 272,62 -10,52 99,00 2,51 0,00 0,00 0,00 0,00 3,60 -0,32

f) 10,14 273,83 -9,31 99,00 1,45 0,00 0,00 0,00 0,00 6,70 -0,27

Hour 21:00

a) 9,27 272,82 -9,45 100,00 3,06 0,00 0,00 0,00 0,00 1,40 -0,38

b) 9,36 273,40 -8,96 100,00 0,68 0,00 0,00 0,00 0,00 7,60 -0,26

c) 9,33 276,70 -5,63 100,00 1,71 0,00 0,00 0,00 0,00 6,50 -0,31

d) 9,33 273,99 -8,34 100,00 2,10 0,00 0,00 0,00 0,00 4,50 -0,33

e) 9,29 272,71 -9,58 100,00 2,46 0,00 0,00 0,00 0,00 3,00 -0,35

f) 9,28 272,71 -9,57 100,00 1,46 0,00 0,00 0,00 0,00 5,60 -0,30

Tabla 3.5 b) Valores obtenidos de la simulación con ENVI-met y valoración del confort con el índice UTCI y ASV para las condiciones de invierno. Elaboración propia.

En relación a los resultados de la simulación podemos comprobar que en verano las temperaturas en las zonas que no disponen de ningún tipo de protección, como en el aparcamiento y en el cañón, estación a) y d), son las más altas. Las temperaturas muestran una amplitud térmica entre el valor mínimo, que se registra a las 9:00 horas, y el valor máximo, que se obtiene a las 15:00, de alrededor de 8 ºC. En estas zonas también la velocidad del viento es más fuerte, a diferencia de la humedad relativa que se comporta de forma inversa a la temperatura: es más alta en las zonas con más verde, más baja en las zonas de aparcamiento y tiene un valor más alto en las primeras horas de la mañana y a última hora de la tarde, mientras que disminuye en las horas más calientes.

En las condiciones de invierno, la diferencia más sobresaliente con el verano es que la amplitud térmica es inferior y que las condiciones en el área son generalmente más homogéneas: las diferencias de temperatura entre las zonas de aparcamientos y las áreas arboladas son casi imperceptibles. En los vientos se aprecia que casi no hay variación a lo largo del día, pero sí se comprueba que en las zonas donde no hay elementos de protección la velocidad del viento es significativa a diferencia de las zonas más protegidas donde el viento es casi inexistente.

Si analizamos las diferencias entre las temperaturas reales y las simuladas podemos observar que en condiciones de verano las temperaturas reales son más altas, en 2 ºC de media y que en invierno son más bajas, alrededor de 5 ºC.



Aunque exista esta diferencia, vemos que la tendencia de la temperatura a lo largo del día es bastante parecida, con lo que podemos considerar aceptables los valores obtenidos a través de la simulación para este trabajo. Para una evaluación detallada del sistema de cálculo se reenvía a los siguientes capítulos.

Figura 3.11. Resultado de la simulación en las diferentes estaciones del año. Elaboración propia.

En relación a la evaluación de confort vemos que

Condiciones de invierno Con el índice UTCI se obtiene una valoración bastante homogénea en todos los puntos de observación: para la mayor parte del día la condición de estrés es de slight cold stress durante la mañana y la tarde, y de no thermal stress de 12:00 a 16:00 horas. Observando los resultados de la temperatura equivalente UTCI vemos también que en las zonas con presencia de vegetación las temperaturas son más homogéneas, a diferencia de las de mayor variación que presenta el área del aparcamiento y del cañón, que muestran valores bajos en las primeras horas de la mañana y al final de la tarde, y valores altos entre las 12:00 y las 16:00 horas.



La valoración realizada con el ASV muestra una menor homogeneidad en el área que la obtenida con el índice anterior. Sin embargo podemos observar que la valoración del ASV va de un valor mínimo de -0,45 a un máximo de 0,54, en otras palabras valores muy próximos a las condiciones de confort (ASV=0)

Condiciones de verano La valoración del UTCI en verano muestra heterogeneidades en el confort tanto a lo largo del día como en la distribución en el área. El rango de valoración va de una condición de no thermal stress en las primeras horas de la mañana a una de very strong heat stress a las 15:00 horas. A las 21:00 horas se observa una condición constante de no thermal stress en toda el área, mientras que en trascurso del día las diferentes zonas muestran valores UTCI muy diversos. Las dos estaciones a) y d) son las que presentan condiciones más desfavorables, encontrándose en estrés térmico durante la mayor parte del día. Las zonas ajardinadas son las que muestran unas condiciones más templadas que en las otras estaciones, siendo la estación c), la zona de los boulevares, una verdadera oasis de frío en el área. Sin embargo a las 15 horas toda el área se encuentra en una condición de very strong heat stress.

En lo relativo a la evaluación con el AVS, podemos subrayar algunos matices importantes en comparación con el otro índice. En primer lugar se indica una condición general de confort térmico con algunos casos de disconfort por calor en las zonas más calientes a las 12:00 y a las 15:00 horas. El valor de ASV máximo es de 1,27 lo que corresponde a una condición de “calor”, mostrando una general subestimación del confort. Incluso se indica a las 21:00 horas un ASV inferior a 0, correspondiente a una sensación de frío.

La comparación entre las evaluaciones realizadas con los dos índices puede resumirse en los siguientes puntos:

• El ASV arroja valores más homogéneos respecto el UTCI, mostrando una mayor condición de confort en ambas temporadas. La homogeneidad de la valoración se muestra tanto a lo largo del día, como en las diferentes zonas del área. En total discrepancia con este resultado, el UTCI marca sensibles diferencias a lo largo del día y en la distribución de las zonas de confort recalcando las diferencias microclimáticas en el área.

• El UTCI indica condiciones de confort muy variables en verano, pasando de 4 rangos de evaluación entre las horas más frías y las más calientes del día, y una sensación térmica menos heterogénea en invierno. Esto es



acorde a los valores climáticos resultantes de la simulación que muestran variaciones más altas en verano respecto al invierno.

• El ASV muestra una subestimación del grado de disconfort, siendo la variación de un rango tanto en verano como en invierno.

• Dentro de la misma franja de rango de sensación térmica, el valor de temperatura UTCI permite comparar los valores entre sí, dando la posibilidad de dar ulteriores matices a los resultados. En el ASV esta posibilidad es limitada ya que la escala es muy pequeña y, en nuestro caso concreto, los valores son muy parecidos.

Fase III – Comparación entre índices

En los puntos anteriores hemos subrayado los rasgos diferenciales entre las dos evaluaciones. Para decidir cual de las dos es la más representativa para el clima de Madrid y la más adecuada a los objetivos de este trabajo de investigación, vamos a realizar una verificación de los resultados con el análisis conjunto de otros dos parámetros muy empleados: el rango de sudoración (Macho JJG et all. 1994) y la carta de Olgyay (1998).

El rango de sudoración es un modelo fisiológico empleado para el diseño del sistema de acondicionamiento climático de la Expo ’92 de Sevilla para consentir condiciones de confort en los espacios interiores y en las zonas de distribución entre las exposiciones.

El índice indica la cantidad de sudor secretada por el cuerpo de una persona de constitución media y aclimatada, para mantener el equilibrio térmico entre cuerpo y ambiente. El valor empleado para el proyecto del Expo ’92 es representado por la cantidad de sudor en gramos por hora en una función lineal que coloca en las ordenadas la temperatura del aire (ºC) y en las abscisas la humedad relativa (%), como se puede ver el gráfico en figura 3.11, fijando como valor aceptable el rango de sudoración de 10g/h y como valor máximo de proyecto y límite de confort 30g/h. (Macho JJG and all. 1994)

Aunque estos dos parámetros sean muy reconocidos, no se han identificado como validos para la realización del trabajo de investigación porque ambos están basados en un sistema gráfico. Aunque el sistema gráfico sea muy fácil de emplear, es poco práctico a la hora de comparar varios escenarios entre si: sería muy difícil definir la condición más favorable entre opciones muy parecidas. Además ambos sistemas nacen como herramienta de diseño, con lo que su



aplicación como herramienta de análisis no es adecuada. Sin embargo se han podido emplear útilmente para la evaluación de los dos índices.

Debido a que la condición más desfavorable es la de verano y en consecuencia, es la que necesita ser mejor representada, se procede a evaluar el rango de sudoración dibujando los valores de temperatura y humedad obtenidos de la simulación ejecutada el día 15 de agosto, en la gráfica. Los puntos están representados de forma diferente según la valoración del punto con el UTCI y el ASV, para poder mostrar y comparar los tres resultados a la vez.

Como podemos ver, la mayoría de los valores de UTCI correspondientes al rango very strong heat stress, se encuentran por encima de la tasa de sudoración de 30g/h, valor que se ha fijado como límite máximo. Entre las dos curvas de 30g/h y 10g/h se colocan la mayorías de puntos de rango strong heat stress y por debajo del rango de sudoración de 10 g/h las dos condiciones de no termal stress y moderate heat stress, mostrando así una correlación muy cercana entre los dos sistemas. En relación al ASV la correlación no es igual de cercana, algunos valores que muestran un rango de sudoración superior a 30g/h se indican como estado térmico neutral, así como la mayoría de valores entre las dos franjas de 10g/h y 30g/h.

De esta primera comparación se puede concluir que el índice UTCI da una mejor representación de la condición de bienestar térmico, acercándose más a la respuesta fisiológica del cuerpo en condiciones de estrés por calor.

Figura 3.12. Comparativa entre el rango de sudoración, el UTCI y el ASV. Elaboración propia.

Con la misma metodología, se comparan las valoraciones del ASV y el UTCI con el climograma de Olgyay adaptado a las condiciones exteriores. El resultado es bastante parecido: se puede observar que los valores de very strong heat stress



se encuentran por encima de la zona de confort, la mayoría de los valores strong heat stress se colocan en el límite superior del área de confort, mientras que los valores pertenecientes a los otros dos rangos, están localizados dentro del área de bienestar térmico.

Figura 3.13. Comparativa entre el climograma de Olgyay, el UTCI y el ASV. Elaboración propia.

Para el ASV la correspondencia con la carta de Olgyay es inferior: muchos de los valores que se encuentran por encima del área de confort son evaluados como condiciones neutrales según el ASV, mientras que otros dos que son evaluados como condiciones de calor, se encuentran dentro zona de confort. En general podemos decir que el ASV da una valoración de la sensación térmica discordante del climograma de bienestar de Olgyay dando una subestimación de la condición de estrés térmico por calor.

Conclusiones parciales En este capítulo se ha tratado el problema de la determinación de la sensación de bienestar térmico en los espacios exteriores con una revisión de los principales sistemas empleados. En particular se ha puesto atención en dos enfoques diferentes: uno basado en la respuesta fisiológica del cuerpo humano respecto a las condiciones ambientales y otro basado en las teorías adaptativas que, además de los aspectos físicos y fisiológicos, tienen en cuenta la componente psicológica que influye en la percepción del espacio y del ambiente. Se seleccionan dos modelos, el ASV y el UTCI uno para cada tipo de enfoque, y se aplican a un caso de estudio para ver su viabilidad en el presente trabajo de investigación.



Después de realizar una revisión de la literatura relativa a los dos índices, se evalúan las condiciones de invierno y de verano de un área de estudio situada en el barrio de Pavones en Madrid. Para verificar la aplicabilidad de los modelos, se realiza una comparativa con dos sistemas gráficos: el rango de sudoración y el climograma de bienestar térmico Olgyay adaptado a los espacios exteriores.

La verificación con los dos sistemas gráficos muestra que la valoración realizada con índice fisiológico del UTCI es más acorde que la evaluación proporcionada por el ASV. Tanto en la comparativa con el rango de sudoración como con el climograma, el ASV hace una subestimación del estrés térmico por calor, hecho que supone una particular importancia en una situación en la que los problemas de disconfort están relacionados principalmente con el calor en verano.

El índice UTCI, además de demostrar ser más acorde a la evaluación con los sistemas gráficos, asocia a las condiciones ambientales una valoración del estado de las personas con una escala más amplia. El resultado puede ser matizado dentro del mismo rango también, ya que la valoración es realizada a través de un número que representa una temperatura equivalente. Esto es un punto muy importante para la selección del índice apropiado para este trabajo, ya que debe permitir la comparación entre escenarios similares.

El UTCI se demuestra aunar las características más adecuadas para el trabajo de investigación:

• Se calcula a partir de datos climáticos que pueden ser obtenidos de las observaciones en situ o de un proceso de cálculo, asociando a las condiciones ambientales la respuesta fisiológica del cuerpo humano.

• Está basado en un modelo fisiológico complejo, que tiene en cuenta los procesos de adaptación física y fisiológica para un individuo aclimatado y según la época del año. Es un sistema novedoso, internacionalmente reconocido, aplicable a los diferentes lugares, válido para diversos usos (alertas, información al ciudadano, diseño urbano, etc.) y capaz de describir el confort tanto en condiciones de calor como de frío.

• Es representativo de la condición de bienestar para el clima de Madrid y sobre todo para la condiciones de verano.

• Proporciona una evaluación sensible a las pequeñas variaciones microclimaticas, facilitando la comparación entre escenarios similares.



4. METODOLOGÍA DE ESTUDIO DEL MICROCLIMA URBANO

Es conocido que el espacio urbano tiene un efecto modificador sobre el clima y la posibilidad de poder modelar su comportamiento y testear los escenarios futuros es fundamental para mejorar la sostenibilidad de las ciudades. Como se ha indicado anteriormente, el clima urbano se genera a partir de fenómenos muy complejos donde entran en juego muchos factores. La unicidad de cada caso de aplicación, hace que sea imposible definir unas estrategias universalmente aplicables, obligando cada vez al proyectista a enfrentarse al problema con un amplio margen de incertidumbre en los resultados finales.

Entender los procesos que se generan en el espacio construido y cómo las ciudades funcionan, es entonces esencial para poder proponer un diseño acorde con las condiciones concretas del lugar de aplicación.

En este capítulo se va a presentar una visión general de los sistemas empleados para la realización de modelos para la simulación del comportamiento térmico del entorno urbano obtenido de la revisión del estado del arte. Se hará referencia a los enfoque teóricos de los principios de la física y de la termodinámica que sirven de base para la realización de los modelos matemáticos de simulación. Finalmente se realiza una descripción de la herramienta que ha sido empleada en el trabajo de tesis tanto para la caracterización de los casos de estudio, como para la realización de los escenarios de proyecto.

Para entender los mecanismos que regulan el espacio urbano podemos apoyarnos en los principios de la termodinámica y en concreto en el concepto de la Entropía (S) y entendiendo la ciudad como un sistema abierto que está continuamente intercambiando flujos de energía y materia con el exterior. La entropía se produce dentro de la ciudad a través de los procesos irreversibles, como por ejemplo quemar combustible para mover los coches o calentar los



edificios. En analogía con los humanos que queman energía para mantener su estado inicial de calor y trabajo a través de los procesos metabólicos, se define con metabolismo urbano los procesos que consuman energía dentro de la ciudad. Este metabolismo es altamente ineficiente y es objetivo del diseño sostenible hacer que se disminuya la entropía generada dentro del sistema.

Siempre en analogía con los sistemas naturales, la ciudad es un organismo muy complejo donde los varios elementos, que podemos llamar subsistemas (Wegener M.1994), interaccionan de forma no lineal

. Para poder proponer un nuevo modelo de desarrollo basado en maximizar la eficiencia de los edificios, las modalidades de desplazamiento, la localización de la población y los sistemas contributivos, es necesario entender y modelar los flujos de energía y materia que se producen internamente y con el exterior. (Robinson 2011)

En este capítulo se presenta la descripción de los modelos de simulación del comportamiento microclimático del espacio urbano, limitando la exploración a los principales sistemas para calcular la influencia de las diferentes componentes urbanas.

Aproximación al estudio del efecto de la isla de calor urbana El comportamiento térmico del espacio urbano depende del balance energético, que para un volumen determinado de aire, el volumen de control, puede expresarse como (Nunez M y Oke TR, 1977):

Q*+QF=QH + QE + ΔQS +ΔQA

Donde

Q* es la radiación neta

QF representa la energía de origen antropogenica, estimada a través del volumen de control

QH es el flujo sensible y QE es el flujo latente

ΔQA es el calor por advección a través de la cara lateral del volumen de control.

ΔQS representa la energía de almacenamiento dentro del volumen de control

También el balance energético para cada cara del volumen de control puede expresarse como



Q*=QH + QE + QG

Donde QG es el flujo de calor por conducción. El balance energético varía en función de estos parámetros, eso significa que el efecto de isla de calor varía en tiempo e intensidad en las diferentes ciudades y en la misma ciudad asume características diferentes según la zona. (Parham A. Mirzaei 2010, Santamouris 2001, Oke 1978).

Figura 4.1. Esquema del volumen de control y del flujo energético en el ambiente urbano, Elaboración propia a partir de los esquemas presentado por Santamouris M at. all 2001

La estimación del flujo energético depende de la integración de muchos mecanismos en las diferentes escalas que son de difícil estimación debido a la incertidumbre en la exacta definición de todas las componentes urbana y la falta de conocimiento de modelos teóricos multiescalares. Dependiendo de la escala de longitud y temporal se puede emplear una estrategia u otra de cálculo. Las escalas pueden variar mucho: la escala de dimensión puede ir desde los metros para la microescala a longitudes de km si tratamos fenómenos a nivel de mesoescala, así como en el tiempo podemos hacer observaciones según las estaciones del año o variaciones de pocos minutos. No existe todavía una metodología universal que sea de aplicación a todas las escalas con lo que para cada caso se debe elegir la más oportuna. (Parham A. Mirzaei 2010, Robinson D. 2011)



Enfoque experimental

Muchas investigaciones sobre el efecto de isla de calor se basan en las observaciones del comportamiento del espacio urbano en comparación con el entorno rural. A través de la realización de campañas de medidas en situ se intenta estudiar fenómenos como la diferencia de temperatura, la modificación de los vientos, el balance hídrico o realizar mapas térmicos de las ciudades (Acero JA 2012).

Mediciones in situ Se han realizado así modelos estadísticos que han intentado relacionar el efecto de isla de calor con parámetros específicos. Así Oke (1988) ha relacionado la intensidad de la isla de calor con el tamaño de la ciudad según la relación:

𝑑𝑇 =𝑃0,25

�(4𝑈)

Donde 𝑑𝑇 es la intensidad de la isla de calor expresado en grados K, 𝑃 es la

población y 𝑈 es la velocidad del viento en m/s medido en una zona no urbana a

una altura de 10m. Jauregui (1986) ha suplementado el trabajo de Oke con datos procedentes de ciudades de Suramérica e India, lo que permite relacionar la formación de la isla de calor urbana con la morfología del espacio construido.

Bornstein (1986) cita otro modelo estadístico, que relaciona la isla de calor nocturna en Uppsala, Suecia, con varios parámetros meteorológicos: presencia de nubes (N), velocidad del viento (U), temperatura (T) y humedad específica (H) según la siguiente ecuación:

𝑑𝑇 = 2,8 − 0,1𝑁 − 0,38𝑈 − 0,02𝑇 + 0,03𝐻

Para Montreal, Summers (1964) relaciona la intensidad de isla de calor ∆𝑡 con la

velocidad del viento 𝑢:

∆𝑡 =�2𝑟 𝜃𝑇𝜃𝑧 𝑄𝑢� 𝜌𝑐𝑝𝑢

�

Indicando con r la distancia del punto de medición del viento con el centro de la

ciudad, 𝜃𝑇𝜃𝑧

el potencial de incremento de la temperatura con el aumentar de la

altura z, Qu es el calor excedente por unidad de ciudad, 𝜌 es la densidad del aire

multiplicada por el valor de su respectivo calor específico 𝑐𝑝.



También Oke (1981) formula una relación entre la intensidad máxima de la isla de calor urbana con la morfología de los cañones urbanos caracterizados por el ratio entre altura (H) y distancia (W) entre los edificios:

𝑑𝑇 = 7,54 + 3,97 ln (𝐻 𝑊� )

Esta fórmula puede ser reinterpretada también en termino del factor de vista del cielo Sky View Factor (SVF) Ysky

𝑑𝑇 = 115,27 = 13,88 𝑌𝑠𝑘𝑦 (Santamauris M. el all. 2001)

El uso de los métodos experimentales de las mediciones de campo tiene muchas limitaciones. En primer lugar por la dificultad de realizar una campaña de mediciones: los altos costes, la posibilidad de posicionar estaciones fijas en diferentes puntos de la ciudad, la necesidad de realizar las mediciones por un largo periodo de tiempo son algunos de los problemas que se presentan. Debido al elevado número de factores que influyen en el microclima urbano, el estudio paramétrico de uno o algunos factores es algo muy complicado de realizar. En segundo lugar, la singularidad del clima y de la conformación del lugar de emplazamiento del área de estudio hace que los resultados obtenidos sean difícilmente extensibles a otras ciudades. Por todos estos, muchas investigaciones limitan el uso de las mediciones en situ a la validación de los modelos matemáticos realizados para la simulación del espacio urbano. (Parham A. Mirzaei 2010)

Teledetección térmica La teledetección usa sistemas muy sofisticados, generalmente a través de observaciones aéreas, que permiten la medición de las propiedades térmicas y radioactivas de las superficies de la ciudad. Entre los parámetros que se pueden medir está la temperatura, el albedo, la humedad, la emisividad y la irradiación de las superficies. Además del coste elevado que suponen estos tipos de observaciones, se deben tener en cuenta los errores que se producen en la captura y retrasmisión de los datos por el satélite, el ruido cósmico y que nubes y contaminación pueden imposibilitar una correcta visualización del área. Otra limitación deriva del hecho que se está realizando una visualización superficial cenital en dos dimensiones, las condiciones que realmente se producen en los cañones de la ciudad normalmente son muy diferentes de la temperatura que se observa en los techos. La transformación de los datos obtenidos de una teledetección a los valores de temperatura del aire lleva un proceso de cálculo muy elaborado. (Yagüe et al. 1991), Sobrino, J. A. el all. 2009, Parham A. Mirzaei 2010)



Estos tipos de observaciones son muy útiles para la realización de mapas térmicos UC-AnMap (Urban Climate Analysis Map) que dan una información bidimensional de la distribución de las temperaturas en una ciudad. Para la realización de estos mapas se mezclan datos obtenidos de observaciones aéreas (satélite o vuelos aéreos) y mediciones in situ por ejemplo con estaciones fijas, móviles, recorridos en coche, etc. elaborados con diferentes modelos analíticos basados en el balance energético de la ciudad (Acero JA 2012;Gómez 1993).

En el estudio de la isla de calor urbana de Alcalá de Henares, Bello Fuentes (1995) emplea los datos medidos en los transectos térmicos usando los valores medios de las diferentes experiencias, como los valores medidos en diferentes condiciones atmosféricas. En este trabajo se ha relacionado la variación de temperatura con la ocupación de suelo obtenida de las fotos aéreas realizadas por la Comunidad de Madrid en 1991.

En los estudios realizados en la teledetección de Madrid se han analizado los datos registrados de los observatorios meteorológicos de la red municipal de contaminación del aire posicionados en Plaza de España, Plaza de Castilla y de Manuel Becerra, los del Instituto Nacional de Meteorología del Parque del Retiro, Ciudad Universitaria y el Aeropuerto de Barajas así como los aeródromo de Getafe y Cuatro Vientos. Además se realizaron unos recorridos en automóvil con un centenar de puntos de observación momentánea, gracias a los cuales ha sido posible trazar un mapa de isotermas y perfiles térmicos. (López Gómez, A 1993)

Gracias al programa DESIREX2008 (Dual-use European Security IR Experiment 2008), ha sido realizada una nueva teledetección de la isla de calor en Madrid pudiendo emplear equipos muy avanzados. En la campaña de mediciones se obtuvieron datos de sensor aerotransportado multiespectral AHS (Airbone Hyperspectral Scaner) siguiendo dos líneas de vuelo Norte-Sur, Este-Oeste. Se adquirieron imágenes desde el satélite de la zona de estudio a partir de los sensores ASTER/TERRA, TM/Landsat, AATSR/ENVISAT, MODIS/TERRA y AQUA, AVHRR/NOAA Y SEVIRI/MSG2 gracias al sistema de percepción de imágenes instalado en el Laboratorio de Procesamiento de Imágenes de la UVEG, así como imágenes del ESA y el Instituto Nacional de Geografía. (Sobrino et al. 2009)

Se realizaron un total de 10 vuelos en avión a las 11h, 21h y 4h entre el 25 de junio y el 4 de julio, las estaciones meteorológicas aportaron los datos medidos en los días de vuelo para la caracterización de las condiciones meteorológicas y de los aerosoles en altura, además se realizó una campaña de medición a nivel de suelo en automóvil: radiométrica para calibrar/validar los datos y de los parámetros climáticos para caracterizar la isla de calor urbana. Los mapas de



temperatura se generaron del tratamiento de los datos con dos algoritmos distintos Split-Window (Sobrino y Raissouni 2000) y el algoritmo TES. (Sobrino, J. A. el all. 2009)

Todo eso confirma que dichos estudios son muy caros, difíciles de realizar y que necesita de personal muy calificado tanto en la elaboración como en la interpretación de los resultados.

Realización de modelos a escala Para el estudio de los mecanismos de los flujos en la microescala urbana se pueden emplear las observaciones realizadas a modelos en escala puestos en simuladores como puede ser el túnel del viento. Estas técnicas permiten estudiar los flujos de aire que normalmente son muy difíciles de prever, aunque en estos casos también se deben considerar las limitaciones a la aplicación de este método.

En primer lugar el coste y la dificultad de realización: se debe disponer de los equipos adecuados (túnel del viento) y realizar una maqueta a escala, cosa que claramente lleva una importante inversión de tiempo y dinero y es una práctica que se puede realizar solo por porciones muy limitadas del entorno urbano. En segundo lugar en el modelo no se pueden reproducir elementos urbanos como la rugosidad de los materiales, ni la absorción térmica o el intercambio radioactivo, así que no vienen considerados todos los fenómenos relacionados con el balance energético,aun que influyan significativamente en el flujo de aire..

Sin embargo los modelos a escala pueden ser un soporte muy efectivo para la validación de estudios de campo o modelos matemático. (Parham A. Mirzaei 2010, Robinson D. 2011(Giridharan et al. 2007) .

Modelos matemáticos

En los últimos años se han desarrollado muchos modelos para la simulación del espacio urbano, basados en los fundamentos de la termodinámica y de la física de los fluidos o apoyándose en las observaciones experimentales, con diferentes detalle de aproximación. Gracias al uso de los sistemas de cálculo computarizados ha sido posible desarrollar modelos cada vez más detallados, capaces tener en cuenta un número mayor de variables. Sin embargo, como se ha señalado anteriormente, el tipo de modelo de simulación depende del tamaño y de la escala temporal de estudio. Es importante destacar que las escalas son interdependientes. Por ejemplo los fenómenos de turbulencia cinética que se producen a gran escala, pasan a la pequeña escala donde se produce la



disipación en forma de calor. Así también los fenómenos de se producen en la pequeña escala influyen en la matriz general a nivel mesoescalar. La diferencia substancial que existe entre las dos es el tamaño del dominio, la resolución de la malla y la selección de las variables.(Robinson 2011)

Bitter y Hanna (2003) hacen una distinción de las diferentes escalas del contexto urbano, que usaremos de referencia para la explicación de las metodologías de calculo: Cañón29 <100m, microescala o escala de barrio hasta 1-2 km, mesoescala o escala de ciudad 10-20 km y escala regional cuando tratamos áreas de extensión de 100-200 km. (Robinson 2011)

Escala de ciudad o Mesoescala A nivel de ciudad o Mesoescala se estudia los fenómenos que se producen en el UBL, con el objetivo principal de caracterizar el comportamiento de la ciudad respecto su entorno rural. Para su estudio se emplean mallas con celdas que pueden tener dimensiones de algunos centenares de metros hasta algunos kilómetros y el UCL se considera más bien como un factor de rugosidad aerodinámica.

La exactitud de los resultados depende mucho de la fiabilidad de las informaciones contenidas en las bases de datos de uso de suelo y de los materiales de acabado (Lans-Use Land-Cover). Normalmente no se tienen informaciones de la conformación urbana a nivel de microescala, con lo que se aplican valores medios en cuanto a viento, albedo y emisividad. Los modelos de mesoescala emplean las informaciones relativas a las condiciones del contexto como velocidad del viento y temperatura superficial que se obtienen de observaciones reales.(Robinson 2011, Mirzaei, Haghighat 2010)

Escala de barrio o microescala A diferencia de lo que se ha explicado en la escala de ciudad, cuando estudiamosla escala de barrio entramos en el detalle de los fenómenos que se producen en el espacio entre las superficies (fachadas y suelos) analizando la geometría concreta del espacio objeto de observación. En esta escala no entran en juego los procesos que se producen en el UBL ni los fenómenos atmosféricos como por ejemplo el efecto de la fuerza de Coriolis.

Aportar datos del contexto es mucho más complicado que en los modelos mesoscalares, ya que se deberían realizar muchas mediciones en relación al 29 Cañón: se entiende el volumen de aire delimitado lateralmente por las fachadas opuestas de los edificios, verticalmente por el suelo y un plano ideal constituido por la altura de los edificios y de longitud L que depende de la conformación urbana (longitud de las manzanas). Ver figura 4.3.



elevado número de superficies que entran en juego. Estos tipos de modelos tienen una extensión de algunos centenares de metros con lo que su aplicación a una ciudad entera sería un enorme dispendio de tiempo y de recursos. (Mirzaei, Haghighat 2010, Robinson 2011)

El cálculo del clima urbano A continuación se van a explicar los conceptos que están en la base de los mecanismos térmicos del espacio urbano, sobre lo que se fundamentan los modelos de cálculo informáticos, haciendo especial referencia al estudio de la escala de barrio o microescala. Los modelos empleados se basan en los principios de la dinámica de fluidos y de termodinámica y se pueden resumir en dos fenómenos principales: la transmisión de onda30 y el movimiento de flujos31. (Robinson 2011, Santamouris et al. 2001b, Ellis Aronin 1927, Steemers, Steane 2004)

En la simulación matemática se intentan estudiar todos los fenómenos que se producen en el entorno urbano considerando como fuente principal de energía la solar. La cantidad de radiación absorbida, reflejada o emitida depende de la cantidad de radiación que entra en el espacio urbano y después de las características32 de los materiales de las superficies incidentes. Estos dos factores son muy importantes en la determinación de la cantidad de calor emitida a la atmosfera y, en consecuencia, de la temperatura del aire.

También la temperatura superficial es un elemento muy significativo, no solo por la cantidad de calor emitido a la atmosfera por radiación, sino también porque influyen el movimiento del aire en contacto con las superficies.

La simulación del comportamiento de la vegetación es algo bastante complejo de determinar, puesto que se deben considerar diferentes fenómenos a la vez: cantidad de radiación absorbida y reflejada por las hojas, porción de la copa que

30 Transmisión de onda. En el entorno urbano la principal fuente de energía es el sol y se considera el intercambio radioactivo principalmente de dos bandas: la onda corta, con una longitud inferior a los 3μm, y la onda larga superior a los 3μm. (Robinson 2011, Fernando 1980) 31 Movimiento de flujos. Principalmente se considera el movimiento de los flujos de aire atmosféricos. Los cálculos se fundamentan en los principios de la física de fluidos en diferentes condiciones ambientales. (Robinson 2011) 32 Caracteristicas de los materiales. En la determinación del intercambio radioactivo en el entorno urbano las características ópticas de los materiales, sobre todo capacidad térmica, albedo y reflectividad al infrarrojo, son de gran importancia. (Gray and Finister 1999)



recibe radiación y porción en sombra, evapotranspiración y movimiento del aire a través de las hojas.

Para estos mecanismos muchos expertos han elaborado diferentes teorías que intentan acercarse al comportamiento real del espacio urbano a la microescala. Se va a presentar una visión general sobre los principales sistemas, haciendo especial hincapié en los métodos que han tenido un desarrollo con herramientas computarizadas.

El intercambio radioactivo

El sol es prácticamente la única energía que influye en el clima de la tierra. La radiación emitida por el sol es una cantidad constante, que se modifica en su pasaje por la atmosfera debido a la absorción o reflexión de los gases que la componen. El espectro de radiación que llega a la tierra es el resultado del producto de la radiación extraterrestre del sol por la transmisión monocromática debida a la absorción de los diferentes gases. (Santamouris et al. 2001a)

Los fenómenos climatológicos que se producen en los espacios construidos tienen su origen en el proceso de absorción de los rayos solares, nos referimos a

ella como a las ondas cortas ya que tienen un espectro que van de los 0,3 µm a

los 3 µm. Dichas ondas son absorbidas por las superficies urbanas que la emiten,

a través de un intercambio radiactivo, en ondas de espectro que va de los 3 µm a

los 100 µm y que normalmente se llaman ondas largas. Este proceso radiactivo

es determinante en la definición de la temperatura del espacio urbano, ya que se ve influido por la transferencia de calor entre los materiales de acabado superficial y condiciona los movimientos convectivos que se generan en ella (Santamouris M 2001, Robinson D 2011, Criag 1972)

Para entender los procesos que se generan en un espacio construido se hace necesario introducir dos parámetros: la componente de cielo Sky View Factor (SVF) y el albedo de los materiales de acabado superficial.

Sky View Factor La distribución de la temperatura en el entorno urbano depende mucho de las características de las superficies de absorción: de la altura de los edificios (H) y de la distancia entre ellos (W), comúnmente indicado con la relación H/W (Niachou, Livada and Santamouris 2008, Santamouris and Asimakopoulos 2001). El SVF se usa normalmente para describir la geometría radioactiva del espacio construido, siendo por definición igual a la ratio entre la cantidad de radiación recibida por



una superficie y la cantidad de radiación emitida por el hemisferio entero. (Gal et al. 2007)La fórmula más utilizada es

𝑆𝑉𝐹 = [1 + cos(𝜏)] /2 = cos2(𝜏/2)

El SVF se calcula en un punto de observación especifico y da una medida de la apertura del cielo al transporte radioactivo en este punto, pudiendo así describir un espacio urbano más complejo con un detalle de información mucho mayor que la relación H/W.

La ecuación representa el ángulo sólido, el ratio entre las dos proyecciones en la superficie horizontal de la parte del hemisferio visible y del hemisferio entero (figura 4.1) expresándose así como un valor adimensional de 0 a 1. (Rakovec and Zaksek 2012)

Figura 4.2 Aproximación del Sky View Factor como el área de proyección de la parte del hemisferio sobre la superficie horizontal. Fuente: Rakovec and Zaksek 2012.

Los métodos para la determinación del SVF pueden sintetizarse en:

• Modelos en escala (Oke, 1986)

• Modelos analíticos estimados gráficamente (medición del ángulo y del ratio H/W) ( Bottyán and Unger 2003)

• Evaluación con fotografía con cámaras de ojo de pez (Grimmond el al., 2001)

• Evaluación de la señal de GPS

• Evaluación realizada con modelos informáticos 3D (Brown et al., 2001, Lindberg, 2004, Souza et al., 2003)

Las investigaciones recientes en el cálculo 3D, se han basado en la construcción de una malla de bits que cubre el área de estudio donde se integran las



proyecciones de las sombras en varias ocasiones. Estos modelos dan como resultado una imagen raster de puntos en blanco y negro que muestra la cantidad de luz y de sombra para cada punto. (Unger 2009)

Otro sistema muy empleado es usar las fotografías realizadas con cámaras de ojo de pez, que proyecta en una imagen circular plana el espacio del hemisferio. Tradicionalmente el cálculo venía realizado sobre las fotos impresas a través de las coordenadas polares, una labor muy tediosa y sujeta a errores. Gracias a la digitalización de las cámaras ha sido posible automatizar el proceso, que puede ser rápidamente estimado con métodos de cálculo ópticos. (Grimmond et al. 2001)

Figura 4.3. Fotografía de ojo de pez hemisférica realizada con una cámara digital Nikon CoolPix 950 con una lente de conversión FC-E8. Fuente: Grimmond C. et all. Rapid methods to estimate sky-view factors applied to urban areas. 2001.



Albedo La ciudad marca un impacto importante en el balance neto de la radiación de onda corta debido a la presencia de aerosoles y a los cambios de las propiedades radioactivas de las superficies. La ratio entre la cantidad de onda corta que entra en la ciudad y la reflejada, en otras palabras el albedo medio de la ciudad, depende de los aerosoles, de los materiales de acabado y también de la conformación y disposición de los edificios. (Oke T. 1982, Santamouris M. 2001)

Santamouris (2001) define que el balance energético entre superficie terrestre y ambiente atmosférico en el espacio urbano está determinado por las pérdidas y ganancias energéticas y la cantidad de energía almacenada por los elementos que componen la ciudad, calles y edificios principalmente

Ganancia energética= Perdidas energéticas-Energía almacenada

El balance radiactivo R en el ambiente urbano puede ser resumido como la suma de la radiación absorbida, tanto de onda larga como de la corta, restando la cantidad de radiación emitida por el sumatoria de las componentes de la superficie terrestre:

𝑅 = (𝐼𝑏 + 𝐼𝑑)(1 − 𝑎) − 𝐼𝑙

Donde 𝐼𝑏 + 𝐼𝑑 es el sumatorio de la componente de radiación solar y del cielo

incidente sobre la superficie terrestre, a es el albedo medio de la ciudad respecto

a la radiación solar. El término 𝐼𝑙 es relativo a la radiación de onda larga donde

𝐼𝑙 = 𝐼𝑙 ↑ −𝐼𝑙 ↓

es la diferencia entre la onda larga emitida por la ciudad 𝐼𝑙 ↑ y la cantidad de onda

larga atmosférica absorbida 𝐼𝑙 ↓.

Como se ha indicado anteriormente, la cantidad de radiación que llega a la superficie de la tierra después de la absorción y la disipación que aviene en la atmosfera, se trasmite con un espectro de longitud de onda dentro de la banda del visible. La luminosidad del cielo depende de una serie de parámetros meteorológicos y estacionales. Los sistemas más empleados para calcular la cantidad de radiación que llega asumen algunas simplificaciones usando modelos basados en el cielo estándar:

• Cielo a luminancia uniforme. Que representa un modelo de cielo con un valor constante de luminancia. En estos casos podemos calcular la

irradiación incidente en un determinado punto de la superficie β debida a



la radiación difusa del cielo Idβ, como una función de la irradiación difusa

en el plano horizontal Idh

𝐼𝑑β = 𝐼𝑑ℎ[1 + cos(β)] /2

a lo que debemos sumar la componente reflejada para estimar la cantidad total de radiación que incide sobre una superficie. La radiación reflejada

del suelo IρGβ es función de la irradiancia de la superficie horizontal Igh que

depende también de la reflexión ρ según la siguiente ecuación

𝐼ρ𝐺β = ρ𝐼𝑔𝐻 (1 − cos β)/2

• Cielo nublado CIE. Se asume que en un día completamente nublado, la distribución de la luminancia del cielo respecto del cenit es simétrica y que es mínima en la horizontal y máxima en la vertical según la ecuación:

𝐿𝛾 =𝐿𝑍3

(1 + 2 sin 𝛾)

Siendo 𝐿𝑧 la luminancia en el cenit, y 𝐿𝛾 la luminancia del cielo en

correspondencia de la cota del ángulo γ.(Teller and Azar 2001)

Para el cálculo de la onda larga 𝐼𝐿, asumiendo el cielo gris con una

emisividad de ε en un entorno isotrópico, se puede usar la ley de Stefan-

Boltzmann:

𝐼𝐿 = 𝜀𝜎(𝑇𝑒𝑛𝑣4 − 𝑇𝑠4)

Donde la constante de Boltzmann σ es 5,67·10-8, 𝑇𝑠 es la temperatura de

las superficies y la 𝑇𝑒𝑛𝑣 es la temperatura superficial del ambiente

medidas en grados Kelvin (K). Para lugares aislados el ambiente se puede considerar como la combinación de la temperatura del cielo (sky) y del suelo (ground) con lo que podemos escribir la ecuación anterior como:

𝑇𝑒𝑛𝑣4 = 𝑇𝑠𝑘𝑦4 (1 + cos𝛽) 2 + 𝑇𝑔4(1 − cos𝛽) 2⁄⁄

Para el cálculo de 𝑇𝑠𝑘𝑦 y 𝑇𝑔 la aproximación más realística se puede

obtener considerando la temperatura suelo-aire como una temperatura ficticia calculada en una capa en el limite del suelo, se consideran el intercambio de calor entre las superficies principales pero se ignora la conducción dentro de los sólidos.

Si seguimos en la hipótesis de analizar una superficie aislada, podemos calcular la irradiación de onda larga aplicando la ley de Stefan-Boltzmann considerando



𝑇𝑒𝑛𝑣 = 𝑇𝑠𝑘𝑦 pudiendo así obtener la temperatura del aire sin cometer errores

garrafales. (Robinson D. 2011)

Métodos simplificados y digitalizados En la actualidad se han desarrollado nuevos sistemas informáticos que permiten el cálculo de la cantidad de radiación recibida por las superficies urbana, la reflejada y la emitida, basados en métodos simplificados y que asumen algunas condiciones por defecto. Entre los primeros que intentaron explicar los modelos de obstrucción del cielo recordamos Nieweda y Heidt (1986) y Quaschning y Hanitsch (1998) que han calculado el SVF en base a la comprobación de la interacción de las superficies de los rayos generadores a lo largo de un conjunto de vectores constantes que abarcan la mitad de la bóveda celeste que está en frente de la superficie de recepción.

Gracias al proyecto europeo POLIS el grupo de investigación LEMA ha podido desarrollar un método para predecir la radiación solar directa, del cielo y la reflexión difusa en un punto arbitrario de un espacio 3D usando la herramienta informática Townscope. (http://www.townscope.com/index.php?page=software&subpage=main&lang=EN&theme=default).

Otro sistema se basa en el método del procesamiento de las imágenes a través de un modelo de elevación digital (Digital Elevation Models – DEM) introducido por Richens (1997). El DEM es una imagen donde cada pixel corresponde a una posición en coordenadas x,y mientras que la cota z se representa en una escala

de gris (0≤z≤255). Cada pixel se asocia además a una escala ‘s’ que define el

ancho del pixel y la calibración ‘c’ que indica la diferencia de altura representada por un numero entero en la escala de grises. El sistema, calculando la radiación solar a cada nivel hasta llegar a la cota cero, permite así calcular el volumen total de sombra. En la figura 4.4 se pueden ver los resultados. (Ratti and Richens 2004, Ratti, Di Sabatino and Britter 2006)

http://www.townscope.com/index.php?page=software&subpage=main&lang=EN&theme=default

http://www.townscope.com/index.php?page=software&subpage=main&lang=EN&theme=default



Figura 4.4. Ejemplo de figuras que se pueden obtener con la técnica de procesamiento DEM. Visión de las sombras posición del sol: azimut=30º, altitud=30º (negro=sombra, blanco=sol), SVF de la superficie urbana (valoración desde 0 hasta 1). Fuente: C. Ratti, S. Di Sabatino, and R. Britter. Urban texture analysis with image processing techniques: winds and dispersion

El sistema usa una proyección estereográfica de la escena 3D en un diagrama solar para tener en cuenta el acceso al sol directo y de la luz difusa del cielo.(Robinson 2011, Robinson, Stone 2004) Marsh (2004) en el software Ecotec, usa el mismo enfoque del cielo isotrópico, pero considerando la posición real del sol para predecir la radiación directa y difusa a lo largo del año.(Marsh 2010)

Estudio del cañón

El cañón representa una forma de abstracción de la geometría urbana en un sistema simple constituido por dos fachadas y el suelo entre los dos edificios. El aire contenido en este espacio puede ser considerado como un volumen de longitud L delimitado lateralmente por las fachadas de altura H hasta la cota de las cubiertas y de ancho W correspondiente a la distancia entre los edificios. Uno de los enfoques más empleados para el estudio del fenómeno urbano es el estudio de los flujos de intercambio de calor que se producen en volumen de aire del cañón.(Robinson 2011, Santamouris et al. 2001b, Sánchez de la Flor, Francisco, Alvarez Dominguez 2004)

Existen diferentes sistemas empleados para simular la radiación solar dentro del cañón, basados en la abstracción de la componente de cielo en las condiciones reales considerando la reducción en la exposición al cielo y la contribución a la reflexión.

Modelo Isotrópico Se basa en la asunción del cielo isotrópico, en otras palabras la radiación se considera igual para todas las direcciones y valen las ecuaciones de irradiación indicadas en el párrafo anterior. (Robinson and Stone, 2004).



Figura 4.5. Geometría de los cañones visto desde la superficie de recepción. Fuente: Robinson and Stone, 2004.

Modelo anisótropo De acuerdo con la teoría desarrollada por Perez et all. (1987), la mayoría de los sistemas de cálculo dinámico usan un modelo de cañón anisótropo compuesto por tres componentes: fondo isótropo, resplandor circunsolar y resplandor del horizonte. Para los tres planos se aplican las siguientes condiciones:

• Para el fondo se aplica la simplificación usada para el modelo isotrópico

𝐼𝑑τ = 𝐼𝑑ℎ[1 + cos(𝜏 + 𝑢)] /2

• El resplandor circunsolar puede ser multiplicado por el operador Booleano B para considerar cualquier punto de vista la obstrucción solar

• Introduciendo el escalar S en el término final se puede tener en cuenta la porción de franja horizontal visible desde el punto en que se está calculando.

Finalmente el modelo de Pérez se exprime según la siguiente ecuación:

𝐼𝑑τ = 𝐼𝑑ℎ �(1 − 𝐹1 ) ·1 + cos(𝜏 + 𝑢)

2+𝐵 · 𝐹1

𝑎0𝑎1

+ 𝑆 · 𝐹2 sin 𝜏�

El modelo se basa en un cañón sencillo donde la componente anisótropa del cielo es ignorada o concentrada en una surgente circunsolar y una franja horizontal. En realidad la ausencia de un fondo dispersor puede generar unos errores de cálculo significativos. (Robinson and Stone, 2004).



Para intentar superar estos inconvenientes, en los modelos computacionales se usan unos algoritmos simplificados Simplified Radiosity Algorithm (SRA)33 que se fundan en la condición de considerar las superficies de difusión y reflexión Lambertianas. Eso permite emplear fórmulas que tienen en cuenta la componente incidente difusa, la irradiación total y la componente del cielo multiplicado por un vector matricial que representa la contribución de cada pieza del cielo en la irradiación incidente en cada superficie que se encuentra en el interior de la escena.

El SRA ha sido diseñado para la integración entre los programas de simulación de los edificios y de los espacios urbanos, de tal forma que no es requerida una resolución espacial fina en el tratamiento de la radiación solar incidente sobre los edificios o en el sistema de conservación de la energía solar, en beneficio deuna mayor velocidad en el cálculo.

Uno de los sistemas más empleados y que mejor resuelve el problema de la propagación de la luz a través de la atmosfera (considerada como espacio esférico y reflectante) donde la dispersión y la absorción varía en relación a la posición, es el modelo de transferencia radioactiva Monte Carlo (RTM)(2004). Este sistema permite calcular analíticamente la ecuación de transferencia radiactiva entrando dentro de dos clases de modelo. La primera es de tipo determinístico o explicito, como los modelos Discreto Ordenado o el Discreto Ordenado Esférico Armónico que discreta el campo total de radiación de forma interactiva. La segunda es el enfoque estadístico para la estima de la cantidad de radiación deseada. El método Monte Carlo tiene la ventaja de permitir simular las condiciones atmosférica especificas de manera más precisa que con los modelos determinísticos, aunque sea usualmente más lento. (Robinson 2011), Deutschmann et al. 2011, Hay et al. 2012, Santamouris and Asimakopoulos 2001)

Francisco Sánchez de la Flor (2004) propone una metodología de simulación a través de una herramienta que calcula la temperatura del aire y temperatura superficial dividiendo el volumen del cañón en una malla de celdas del tamaño decidido por el usuario. Para la realización de este modelo se asume la existencia de una fachada ficticia compuesta por una capa de material homogéneo (hormigón), y con una capa de aislamiento con tres posiciones posibles: exterior,

33 Simplified Radiosity Algorithm: Algoritmo de radiosidad simplificado es un sistema para modelar la cantidad de luz solar en el espacio urbano, capaz de tener en cuenta de las obstrucciones de los edificios con una precisión razonable y una limitada demanda computacional. (Robinson, D. Stone, A. Internal illumination prediction based on a simplified radiosity algorithm. Solar Energy, 2006, 80, 3, 260-267)



interior o en el centro de la pared; de esta manera es posible obtener la función de transferencia térmica con un número limitado de parámetros. El flujo de calor

por conducción en el tiempo 𝑡 se puede obtener de las siguientes ecuaciones:

Para los muros

𝑞𝑠𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛(𝑡) = 𝑎0𝑇𝑠(𝑡) + 𝑎1𝑇𝑠(𝑡 − 1) + 𝑎2𝑇𝑠(𝑡 − 2) − 𝐶 − 𝑑1𝑞𝑠𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛(𝑡 − 1)

Para los suelos

𝑞𝑠𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛(𝑡) = 𝑎0𝑇𝑠𝑖(𝑡) + 𝑎1𝑇𝑠𝑖(𝑡 − 1) + 𝑎2𝑇𝑠𝑖(𝑡 − 2) − 𝐶

− 𝑑1𝑞𝑠𝑖𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛(𝑡 − 1) + ∆𝑞𝑎𝑛𝑛𝑢𝑎𝑙

Donde los coeficiente 𝑎0, 𝑎1, 𝑎2, C y 𝑑1 indican las funciones de transferencia.

La absorción de la onda corta por el cañón puede ser calculada multiplicando la radiación solar total incidente en todas las caras por el coeficiente de absorción

α. La cantidad de radiación solar incidente (directa, difusa y reflejada) puede

estimarse de acuerdo con el modelo del Costant Thermal Time Coeficient (CTTC) de Enlahas y Williams (1997) con la ecuación:

𝐼(𝑡) = 𝐼𝑑𝑖𝑟(𝑡)(1 − 𝑃𝑆𝐴(𝑡)) + 𝐼𝑑𝑖𝑓(𝑡)𝑆𝑉𝐹 + �𝐼𝑑𝑖𝑟+𝑑𝑖𝑓(𝑡)(1 − 𝛼𝑖)𝐹𝑖𝐴

Donde PSA(t) es el área en sombra, la I(t) es la radiación solar media horaria incidente sobre la superficie, la Idir(t) la cantidad de radiación directa horaria , Idif(t) la difusa horaria sobre el plano horizontal y Idif+dir(t) la radiación media horaria directa y difusa expresadas en (W/m2) y con F el factor de vista de dos superficies.

Figura 4.6. Descripción de la transferencia del calor entre los edificios. Fuente: de la Flor, F. S., & Dominguez, S. A. (2004).



En esta ecuación se asume que la radiación difusa sea isotrópica y que la reflexión proceda de una sola superficie, ya que el cálculo de reflexiones múltiples es muy complicado.

Para la simulación del movimiento de aire se usan dos modelos: uno para las zonas bajas basado en un modelo zonal aplicado a los volúmenes de celdas en la que se divide el espacio entre los edificios, aplicando a ellas diferentes ecuaciones para determinar el comportamiento de cada una y el intercambio entre ellas, y un modelo para el movimiento de aire en altura basado en la ecuación de Nicholson (1975). Finalmente la ecuación puede escribirse como:

∆𝑈 =𝜌𝑉𝑐𝑝𝐴

𝑑𝑇𝑑𝑡

= 𝑞𝑅𝐶 − 𝑞𝑅𝐿 − 𝑞𝑒 − 𝑞𝑐 − 𝑞𝑠 + 𝑞𝑎 − 𝑞𝑝

Donde ∆𝑈 es el calor almacenado por unidad de área y de tiempo, 𝑞𝑅𝐶 es la

ganancia solar, 𝑞𝑅𝐿 es la radiación desde las superficies del cañón, 𝑞𝑒 es el flujo

de calor de evaporación, 𝑞𝑐 el flujo de calor por convección, 𝑞𝑠el calor debido a los

pulverizadores, 𝑞𝑎el calor emetido desde el exterior y 𝑞𝑝 la perdida de calor por

conducción.

Finalmente, la presencia de árboles en el cañón se considera por el efecto de sombra, reduciendo la cantidad del SVF, y por la emisión de radiación onda larga considerando una temperatura del árbol igual a la temperatura del aire. (De la Flor and Dominguez, 2004).

Gracias a los estudios realizados por De la Flor y Dominguez (2004), se ha podido definir un sub-modelo de simulación que permite introducir las características climáticas del entorno urbano como dato de input en el cálculo energético del edificio. Uno de los principales alcances de esta metodología es la determinación de la relación existente entre condiciones de contexto del entorno urbano y consumo energético del edificio. La integración de las condiciones microclimáticas en la estimación del consumo energético de los edificios puede permitir realizar simulaciones en condiciones ambientales reales y ,en consecuencia, hacer un avance significativo para un diseño más eficiente y acorde con los principios de la bioclimática.

Modelo del flujo atmosférico

El problema del movimiento de los flujos en la atmosfera se puede resolver con las ecuaciones fundamentales de equilibrio:

Masa 𝜕𝜌𝜕𝑡

+∇→. (𝜌

𝑢→) = 0



Momento 𝜌 �𝜕𝑢→

𝜕𝑡+

𝑢→· ∇

𝑢→� = −

∇→ 𝑝 + 𝜇∇2

𝑢→ +

𝑓→

Energía 𝜌 �𝜕𝐶𝑝 𝑇𝜕𝑡

+𝑢→· ∇𝑇� = 𝜇∇2𝑇 + 𝑄𝑇

Para la modelización del flujo atmosférico en el espacio urbano existen tres métodos: el físico, el analítico y el numérico.

El físico se obtiene de la realización de una réplica en escala de las características morfológicas de la topografía y organización del espacio que viene introducido en simuladores como puede ser el túnel del viento. Las características del fluido en el túnel deben ajustarse para dar una visión representativa de la realidad. Sin embargo las condiciones de contexto como la temperatura de las diferentes superficies, las características de la turbulencia del límite, la rugosidad del suelo, etc. son imposibles de reproducir en escala y no se puede tener control sobre ellas.

El sistema analítico usa las técnicas de álgebra y calculo básicas para resolver directamente las ecuaciones de fluido. El problema de la no linealidad de las ecuaciones puede ser resuelto solo haciendo importante simplificaciones que normalmente no se corresponden con la complejidad de la realidad.

Finalmente el tercer modelo, el numérico, es el más flexible y el que más se presta a resolver los complejos cálculo de simulación del fluido. Las herramientas informáticas pueden resolver las ecuaciones diferenciales no-lineales discretizándolas en el tiempo y en el espacio y resolviéndolas usando volúmenes finitos, elementos finitos o métodos diferenciales finitos.

El modelo del flujo atmosférico urbano es un modelo muy complejo debido a la naturaleza caótica de la turbulencia y a la presencia de una numerosa variedad de escala espacio-temporal. Las características más importantes de esta turbulencia se pueden enumerar en:

• Es irregular y aparentemente random, para extraer informaciones útiles se pueden usar modelo estadísticos.

• Es altamente difusiva. La remezcla rápida aumenta significativamente el momento y la transferencia de calor y masa.

• Es un movimiento rotacional 3D.

• Se asocia a la alta fluctuación de la vorticidad. La estructura de pequeña escala se genera a través de los mecanismos de extensión de los vórtices.



• Es altamente disipativa con lo que es necesario una fuente de energía para que se mantenga.

• Es un fenómeno continuo.

• Es la manifestación de un flujo y no del fluido.

Los modelos desarrollado para resolver el problema de la turbulencia se dividen en tres categorías: simulación numérica directa (DSN), simulación de los remolinos largos (LES) y Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). La preferencia de un sistema o el otro depende también de la escala espacial y temporal que se está analizando: la escala y la magnitud de los procesos de interés son elementos que en conjunto van a determinar cuáles procesos deben ser resuelto explícitamente, parametrizados o ignorados completamente.

Un enfoque multiescala propuesto por Robinson (2012) consiste en juntar un modelo de cálculo a nivel de mesoescala, que se basa en un modelo de Urban Canopy (UCM), un modelo energético para los edificios (BEM), y un modelo de microescala fundamentado en las técnicas de la inmersión de superficie (IST34) y las SRA para el cálculo de la radiación incidente sobre las superficie de los edificios.

Modelos a Micro-escala Los modelos CFD35 aplicados en microescala dependen fuertemente de la calidad de la malla empleada en cuanto a exactitud de los resultados y tiempo de ejecución del cálculo. Por eso es importante elegir el tipo de malla que permite resolver la simulación del flujo alrededor del edificio sin incrementar el cálculo computacional. Existen diferentes tipos de malla que podemos distinguir en: 34 Immersed Surfaces Technique. Es una metodología desarrollada por ASCOPM GmbH, que prescinde del uso de una estructura de malla cartesiana donde se sumerge el solido procedente de un archivo CAD. La idea es representar la envolvente del solido a través de una función Level Set que representa la distancia exacta desde la superficie, considerando lo cero en correspondencia de las superficie, un valor positivo en el fluido(s) y negativo en el solido. Fluido(s) y solido se caracterizan por sus propias propiedades: densidad r, capacidad calorífica Cp y conductividad térmica λ. El sistema tiene la principal ventaja de resolver el problema del cálculo de la transferencia de calor, donde la conducción en el interior del solido está directamente relacionada con la convección del fluido externo. La ecuación de Navier-Stroke es modificada con el fin de tener en cuenta de la Set Function en el conjunto de solidos y la viscosidad en la superficie del solido es tratada según el código convencional CDF. Lakehal, D. 2008. RANS & LES of Industrial Flows using the Immersed SurfaceTechnology. 35 Computational Fluido Dynamics: Mecánica de fluidos computacional. Es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para resolver y analizar problemas sobre el flujo de sustancias. El enfoque teórico se basa en las ecuaciones de Navier-Stokes y el cálculo computacional realiza la simulación de las interacciones entre fluidos y superficies mediante la definición de una condiciones de contexto. (http://www.cfd-online.com/)



• Mallas estructuradas, compuestas normalmente por cubos o exaedros. Es una malla muy simple que permite simplificar la conectividad computacional de la malla y realizar un cálculo muy eficiente, aunque la visualización es muy limitada.

• Mallas non estructuradas, típicamente formadas por tetraedros en una conformación no repetible. Este sistema permite una representación del espacio mucho más real, pero es muy difícil crear la conectividad entre las celdas necesaria para realizar el cálculo computacional del CFD.

Para la simulación del comportamiento urbano, los sistemas computarizados emplean mayoritariamente el modelo IST frente al CFD ya que permite la posibilidad de simular un espacio urbano relativamente largo, hasta algunos centenares de metros. La construcción de un modelo de ciudad en 3D relativamente complejo, puede ser resuelta rápidamente dependiendo de la disponibilidad de los datos. Cualquier geometría puede ser convertida en un archivo STL (stereolitográfico) o CAD.

Para resolver el balance energético superficial en un modelo 3D realista, se han desarrollado diferentes modelos de Urban Canopy que tienen en común las siguientes características:

• Representación 3D de las superficies de los edificios y de su impacto en las fuerzas de arrastre y de cizallamiento.

• Distinción entre techos, calles y superficies de los muros.

• Interacción radioactiva entre calle y muros.

• La geometría urbana es representada con paralelepípedos regulares.

Los modelos consisten en una representación vertical y horizontal de la estructura urbana, siendo las superficies verticales los muros y las horizontales constituidas por las calles y los techos. Los modelos pueden distinguirse en dos categorías: modelos mono-capa, donde se considera el intercambio con la atmosfera solo en la superficie del Canopy Layer, y los modelos multi-capa donde la velocidad, temperatura y humedad están computadas en la malla vertical. Esto abre la posibilidad de tratar las superficies de calles, muros y techos de forma autónoma y, dependiendo de la resolución, en diferentes punto de la misma superficie.



Modelos para la simulación de los efectos de la vegetación

Es conocido que la presencia de la vegetación contribuye significativamente a la reducción de la temperatura de la ciudad. Los arboles provén sombras a los edificios y espacios libres, protegiéndolos de la radiación solar a la vez que la evapotranspiración reduce la temperatura urbana.

La evapotranspiración, definida como la dispersión de agua en la atmosfera por efecto combinado de la evaporación y de la transpiración, es el principal mecanismo a través del cual la vegetación contribuye al refrescamiento del ambiente. A través de este fenómeno el líquido, agua, contenido en las plantas pasa a la atmosfera bajo forma de gas, el vapor de agua. Al proceso de transformación de agua a vapor corresponde una transferencia de energía igual a 2324 kJ de calor latente por kg de agua evaporada. (Santamouris et al. 2001a, Ochoa De La Torre, J.M. 1999)

Para calcular la posible reducción de la temperatura debida a la presencia de la vegetación en el espacio urbano, es necesario saber la cantidad exacta de calor latente absorbida por el ambiente durante el proceso de evapotranspiración de los árboles. Una vez conocido el calor latente de evaporación, es necesario determinar la cantidad del rango de transpiración total Etot de los árboles. Para eso se pueden usar diferentes métodos.

Santamauris (2001) en su libro propone el método desarrollado por Kjelgren y Montague (1998). El sistema asume dos capas aisladas de copa del árbol: una iluminada por el sol y otra en sombra, cada una con un balance de energía distinto, el Etot es calculado de la contribución de cada capa.

𝐸𝑡𝑜𝑡 = 𝐸𝑠 �𝐿𝐴𝐼𝑠

𝐿𝐴𝐼𝑡𝑜𝑡� � + 𝐸𝑠ℎ �𝐿𝐴𝐼𝑠ℎ

𝐿𝐴𝐼𝑡𝑜𝑡� �

Donde Es y Esh es la transpiración de la capa al sol y la capa en sombra respectivamente y el LAI36 es el índice de área de hoja. El LAIs puede calcularse como parte del LAItot según la relación

𝐿𝐴𝐼𝑠 = (1 − 𝑒−𝑘𝐿𝐴𝐼)/𝑘

Donde k es la transmisión o porosidad de la copa del árbol a la luz solar, y el LAIsh

se calcula como diferencia entre en LAIs y el LAItot.

La transpiración E se puede calcular para cada capa como:

36 Leaf Area Index. Indice de área de las hojas. Es un índice que permite simular la reflectancia espectral y la absorción de la radiación fotosintética (G. Asrar el all. 1984)



𝜆𝐸 = (∇𝑅𝑛𝑠,𝑠ℎ +

𝜌𝑐𝑝𝑒𝑎𝑟𝑎

)/(∇ + 𝛾(2 +𝑟𝑠𝑠,𝑠ℎ

𝑟𝑎)

Donde λ es el calor latente de evaporación en (J/g), E es la ratio de transpiración

(g/m2), 𝑅𝑛𝑠,𝑠ℎ es la densidad de flujo de radiación neta retenida por las capas al

sol y la sombreada, la ea es la presión de vapor en la capa superior, ra es la

resistencia al movimiento del vapor del aire entre las hojas del árbol (s/m2), 𝑟𝑠𝑠,𝑠ℎ

es la resistencia estomática media para ambas capas (s/m), ∇ indica el gradiente

de la presión de vapor a saturación (Pa/k), γ es la constante psicométrica (igual a

66,2 Pa/k), r es la densidad del aire (g/m3) y cp es el calor especifico del aire a presión constante (J/gK). Las variables rs y ea pueden ser medidas directamente,

la 𝑅𝑛𝑠 puede calcularse a través de la radiación de onda larga global

separadamente para la capa al sol y la capa a la sombra y para ra Landsberg y Powell proponen la siguiente ecuación:

𝑟𝑎 = 59𝑝0,56��𝑑 𝑢� �

Donde d es la dimensión característica de la hoja, u es la velocidad del viento en el nivel de la copa y p es un numero adimensional derivado de la ratio debido al área total de la silueta de la copa del árbol perpendicular a la dirección del viento. (Santamouris and Asimakopoulos 2001)

Georgi y Dimitriou (2009) proponen para el cálculo de la evapotranspiración a través del valor del evapotranspiración de la planta ETc, calculado en referencia a la evapotranspiración de referencia ET0 multiplicado por un coeficiente kc diferente por tipo de planta

𝐸𝑇𝑐 = 𝐸𝑇0𝑘𝑐

Los valore de kc representativos para algunas especies están obtenidos de los valores indicado por la FAO y por las investigaciones realizadas en el sur de Grecia por Papazafiriou (1984)

Ficus retusa ssp. Nítida 1,10 Pinus pinea 1,00 Phoenix canariensis 0,95 Citrus aurantium 0,60 Olea europea ssp. Europea 0,45 (Niachou et al. 2001) (Georgi and Dimitriou 2010)



Robitu M. et all (2006) proponen simular el efecto producido por los árboles en los flujos de aire, aplicando a las ecuaciones de CFD la influencia de la vegetación representada en una reducción de los vientos y en el aumento de la turbulencia en el espacio de aire entre los árboles. (Robitu et al. 2006)

Para las tres ecuaciones de conservación de la masa, del momento y de la energía, se introduce un término fuente S, que en la ecuación del momento representa la perdida de velocidad del viento debido a la oposición de los arboles (Kobayashi et all 1994)

𝑆𝑢𝑖 = −12𝜌𝑎𝑐𝑑𝐿𝐴𝐷𝑢𝑖𝒖

En la conservación de la energía se introduce el parámetro St igual a:

𝑆𝑇 = 𝑅𝑛 − 𝐿𝐴𝐷(𝜑𝑐𝑜𝑛𝑣 + 𝐿𝐸𝑣)

Indicando con Rn el volumen de la radiación, con ϕconv la densidad del flujo de

calor, la densidad del flujo de calor latente de las hojas con LEv y con LAD37 la densidad del área de las hojas.

Siempre en la conservación de la energía, se introduce el parámetro Sq debido a la transpiración de las hojas expresado por:

𝑆𝑞 = −𝐿𝐴𝐷 ∙ 𝐸𝑣

En las ecuaciones de turbulencia k-ε, el efecto de los arboles puede expresarse a

través de los términos Sk para la ecuación de la energía de la turbulencia y en la

ecuación de disipación de la energía Sε según las ecuaciones desarrolladas por

Kobayashi (1994)

𝑆𝑘 = 𝜌𝑎𝑐𝑑𝐿𝐴𝐷𝑢𝑖3

Y

𝑆𝜀 =𝜀𝑘𝜌𝑎𝑐𝑑𝐿𝐴𝐷𝑢𝑖3

Para lo relativo a la radiación solar, como para todos los elementos que constituyen el espacio urbano, también para la vegetación la contribución de la

37 Leaf Area Density. Densidad del área foliar. Es un valor que indica la densidad de hojas de la copa del árbol y se exprime en valores que van de 0,1 a 10 m2/m3. La relación entre LAI y LAD a la cota z es:

𝐿𝐴𝐼(𝑧 + ∆𝑧) = � 𝐿𝐴𝐷(𝑧′)𝑑𝑧′𝑧′+∆𝑧

𝑧′



radiación solar global es computada como la suma entre la radiación solar directa, difusa y reflejada. Para los árboles estimar estas cantidades lleva un proceso muy complejo ya que parte de la radiación incidente es reflejada, otra parte penetra en la copa donde parte viene absorbida, otra transmitida alcanzando así las superficies urbanas. En la figura 4.7 se muestra una representación esquemática de este proceso.

La parte de radiación absorbida representa la fuente de energía de los arboles empleada en el modelo de flujo de aire

𝑅𝑛 = (1 − 𝑎 − 𝜏)𝜑𝑠𝑜𝑙 + (1 − 𝑎)𝜑𝑚𝑟 − (𝜑𝐿𝑊 + 𝜑𝑠𝑘𝑦)

Figura 4.7 Representación esquemática del intercambio radiactivo de los arboles. Fuente: Elaboración propia a partir de Mirela Robitu et all. 2006.

Este modelo que acopla el modelo radiación con conducción térmica y uno de flujo de aire puede ser obtenido a través el uso simultáneo de dos herramientas informáticas: SOLENE para el modelo radioactivo y térmico y el FLUENT para implementar el modelo de flujo del aire. (Robitu et al. 2006)

Modelo del Cluster Thermal Time Costant (CTTC)

El modelo CTTC ha sido desarrollado por Swaid y Hoffman (1990) para calcular la temperatura del aire a través del cálculo de las contribuciones de calor procedente de surgentes exteriores y principalmente de la radiación solar y de las aportaciones antropogénicas. Este sistema se emplea para la estimación del efecto de isla de calor urbana, considerando la diferencia de temperatura registrada entre el espacio urbano y su entorno rural, en el tiempo t igual a:



∆𝑇(𝑡) = �∆T𝑆𝑂𝐿𝐴𝑅(𝑡) − ∆T𝑆𝑂𝐿𝐴𝑅(𝑡𝑚𝑖𝑛)� − �∆T𝑁𝐿𝑊𝑅(𝑡) − ∆T𝑁𝐿𝑊𝑅(𝑡𝑚𝑖𝑛)� + ∆𝑇𝐴𝐻𝑅(𝑡)

Siendo el primer término la aportación debida a la radiación solar directa, el segundo la contribución debida al intercambio de la radiación de onda larga y el último termino la contribución de calor antropogénico expresado en K.

Considerando tmin la temperatura inicial mínima al amanecer, podemos calcular los términos anteriores como

∆T𝑆𝑂𝐿𝐴𝑅(𝑡) = 𝑚ℎ∑ ∆𝐼𝑝𝑒𝑛(𝜆) �1 − 𝑒𝑥𝑝 −(𝑡−𝜆)

𝐶𝑇𝑇𝐶�𝜆=𝑡

𝜆=0

Donde 𝐼𝑝𝑒𝑛(𝜆) representa la radiación incidente, calculada como

𝐼𝑝𝑒𝑛(𝑡) = 𝐼(𝑡)(1 − 𝑃𝑆𝐴(𝑡))

La 𝐼(𝑡) representa la intensidad de la radiación solar no obstruida y el 𝑃𝑆𝐴(𝑡) es el

área obstruida (en sombra) ambas calculadas en el tiempo t, mientras que el factor CTTC es un factor atenuante en la formación de la diferencia de temperatura del aire que es función de las propiedades del cluster: materiales y geometría de los edificios

𝐶𝑇𝑇𝐶 = �1 −𝐹𝐴𝑆�𝐶𝑇𝑇𝐶𝑔𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑 +

𝑊𝐴𝑆𝐶𝑇𝑇𝐶𝑤𝑎𝑙𝑙𝑠

La contribución de la radiación de onda larga se calcula aplicando la ley de Stefan-Boltzman:

∆𝑇𝑁𝐿𝑊𝑅(𝑡) =(𝜎𝜀𝑇𝑠4 − 𝜎𝐵𝑟𝑇𝑎4) 𝑆𝑉𝐹

ℎ

Donde Ts y Ta son las temperaturas superficial y del aire, Br es la emisividad atmosférica de Brunt (igual a 0,65).

El calor de origen antropogénico ∆𝑇𝐴𝐻𝑅(𝑡) incluye los efectos debido a las

actividades humanas como por ejemplo el consumo de combustibles fósiles para la climatización de los edificios, el calor generados por los medios de transporte o por las industrias. La magnitud de dichos efectos varía dependiendo de la estación del año y de latitud. Oke (1989) indica que por una típica ciudad de clima temperado la cantidad media anual se encuentra en el rango entre 15 y 50 W/m2 por una unidad horizontal de área de ciudad. (Shashua-Bar and Hoffman 2003, Swaid and Hoffman 1990, Shashua-Bar and Hoffman 2004)



Estudios posteriores han permitido la introducción del efecto de la vegetación en la estimación de la temperatura del cañón. El Green CTTC (Shashua-Bar, Hoffman 2002) se basa en los mismos principios del CTTC, incorporando en el cálculo la radiación solar reflejada por las superficies del conjunto estudiado (cluster) y la sombra producida por los árboles. Cambia entonces el cálculo de la intensidad de

la radiación incidente 𝐼𝑝𝑒𝑛(𝜆) según la siguiente ecuación:

𝐼𝑝𝑒𝑛(𝑡) = 𝐼(𝑡)(1 − 𝑃𝑆𝐴𝐺(𝑡)) + 𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓(𝑡)𝑆𝑉𝐹 − �𝐼(𝑡) + 𝐼𝑑𝑖𝑓𝑓(𝑡)𝑆𝑉𝐹�𝑓(1 − 𝐶)𝑃𝑆𝐴𝑇𝑟

Se introducen los parámetros 𝑃𝑆𝐴𝐺 , que es el área parcialmente sombreada por

los muros, y 𝑃𝑆𝐴𝑇𝑟, que representa el área parcialmente sombreada por los

árboles. El producto 𝑓(1 − 𝐶)𝑃𝑆𝐴𝑇𝑟 representa el efecto térmico de la sombra

producida por la vegetación (1 − 𝑓) es el coeficiente que denota la transmisión

de la radiación solar a través de la copa de los árboles y C es el coeficiente de intercambio de calor por convección a través de los árboles. De esta manera el efecto térmico debido a la presencia de los árboles se estima a través de la reducción de la penetración de la radiación solar por la copa y la intensidad de la evapotranspiración. (Shashua-Bar, L., & Hoffman, M. E. 2002, 2003, 2004, Shashua-Bar, L., Hoffman, M. E., & Tzamir, Y. 2006, Shashua-Bar, Limor, Tsiros, Ioannis X., & Hoffman, Milo E. 2010).

Hoy en día muchas de las teorías de cálculo analítico del espacio urbano, se están centrando en el desarrollo y comprobación del enfoque propuesto por el CTTC, ya que la metodología está dando resultados muy apreciables. Las investigaciones han demostrado, a través la comparación entre los datos calculados y los valores obtenidos de campañas de medición, que la metodología permite una estimación del efecto de la isla de calor en las diferentes horas del día bastante fiable. (Erell, E., & Williamson, T. 2006, Shashua-Bar, L., Hoffman, M. E., & Tzamir, Y. 2006, Kabrhel & Dolezilkova 2007, Shashua-Bar, Limor, Tsiros, Ioannis X., & Hoffman, Milo E. 2010).

De los primeros estudios realizados por Shashua-Bar y Hoffman (2001), en la aplicación del modelo para la estimación del efecto de isla de calor en Tel-Aviv, se demuestra su validez a través de una comprobación con los resultados medidos in situ. En este caso se demuestra también que el factor de intercambio por convección C varía a lo largo del día asumiendo valores de 0,1, 0,6 y 0,3 respectivamente a las 09:00, 15:00 y 18:00 horas. Los estudios anteriores habían ya demostrado la variabilidad del factor C en relación a la estación del año, siendo para Tel-Aviv alrededor de 0,8 para el invierno y alrededor de 0,6 en verano (Shashua-Bar and Hoffman 2002). Se muestra también que la desviación



entre los valores calculados y los reales es muy pequeña: inferior a 0,5 K para las 15:00 horas en verano. (Shashua-Bar, L., & Hoffman, M. E. 2002, Shashua-Bar and Hoffman 2004)

Erell (2006), a través de la aplicación de la metodología al caso de Adelaida (Australia), concluye que la metodología da buenos resultados en la estimación de las modificaciones producidas en la microescala respecto a unas condiciones meso-climáticas conocidas. Se excluye su aplicabilidad a aquellos casos donde no se observa una cierta homogeneidad de densidad de construido, tipología en el uso del suelo, en las fuentes de calor, en concreto en aquellos casos en que se producen sustanciales variaciones de la condición mesoescalar como por ejemplo debido a la topografía o a la presencia de un rio. (Erell, E., & Williamson, T. 2006)

Herramientas de cálculo El uso del cálculo computacional ha permitido el desarrollo de metodologías de simulación cada vez más elaboradas, capaces de considerar un número mayor de variables y de mejorar el conocimiento y la previsión de los procesos que se generan en el entorno urbano.

Uno de los principales problemas de la determinación de las condiciones climáticas en un espacio urbano es la escala longitudinal y espacial que se quiere estudiar. Las grandes diferencias entre los procesos que se generan entre la mesoescala y la microescala hacen que no sea posible definir un único sistema multiescalar aplicable a todos los casos. Por eso en general se opta por emplear diferentes herramientas cada una realizada para resolver un problema específico.

Para la realización del trabajo de investigación se han estudiado diferentes herramientas en búsqueda de las que reúnen unas condiciones tales que permitan ser empleadas eficazmente para alcanzar los objetivos de la investigación. En la actualidad existen muchos sistemas, pero su aplicación es muy limitada por:

• El tipo de input: algunos sistemas necesitan datos recolectados de mediciones especiales in situ.

• Aplicabilidad: muchas herramientas desarrolladas a través de estudios experimentales son aplicables a lugares concretos, la aplicación a otros contextos puede no ser descriptiva de las condiciones reales.

• Output de la herramienta: una vez seleccionado el sistema de evaluación del confort, se han investigados los sistemas que permitían la obtención



de todos los datos necesarios para su cálculo. La opción de utilizar diferentes sistemas o de mezclar datos simulados con reales habría implicado la suma de los errores intrínsecos en cada sistema, aumentando la incertidumbre del resultado.

SUNtool Robinson (2011) propone un enfoque multiescala que contempla la integración de dos sistemas: uno a nivel de mesoescala que se encarga de simular las condiciones regionales, considerando los condicionantes a nivel de ciudad y uno a escala más fina, que tiene en cuenta las características de los barrios de estudio. El procedimiento de simulación empieza ejecutando el modelo a la macro escala y, cuando se han obtenidos los valores característicos del ambiente ciudadano, estos se introducen entre los parámetros de input en la herramienta de simulación a microescala. El modelo mesoescalar es también la base para la interpolación de los resultados obtenidos en las diferentes mallas a nivel micro.(Robinson 2011)

Uno de los principales alcances de las herramientas computarizadas es la simulación de la radiación solar en el espacio urbano. El sol es la principal fuente de energía y poder predecir la cantidad de radiación entrante da una información muy útil tanto en relación a los aspectos energéticos de las ganancias solares como en la iluminación natural. La calidad del espacio percibido por los peatones es determinado en consecuencia.

La herramienta SUNtool, desarrollada a través de un proyecto financiado por la Comisión Europea, realiza una modelación energética a partir de la estimación de las obstrucciones solares, calculada en el espacio urbano. (Robinson, Stone 2004, Robinson, Stone 2006)

La herramienta se constituye en una interface donde el usuario puede seleccionar la localización y los correspondientes “iDefault” o datos inteligentes que incluyen valores climáticos y otras características de los edificios como la ocupación, la tipología, antigüedad, sistemas de acondicionamiento, etc. En la interfaz se define también la geometría 3D de los edificios, las características del ajuste de la simulación y de los datos de output. La interfaz gráfica ha sido desarrollada de manera compatible con los principales software de diseño como CAD (www.autodesh.com), ArchiCAD (www.graphisoft.com), Sketchup (www.sketchup.com), Rhino (www.rhino3d.com) y de las herramientas de modelación ambiental como LT(www.carltd.com), Ecotect (www.squl.com) y Tas (www.edsl.net). El segundo componente es el motor de simulación ‘Solver’, constituido por diferentes módulos que pueden calcular separadamente el

http://www.edsl.net/



comportamiento microclimatico, térmico, estocástico y de las aportaciones de la vegetación.

La herramienta SUNtool ha integrado en un modelo de cálculo dinámico del espacio urbano y del edificio, basado en la aplicación de las teorías físicas de fluido dinámica e intercambio radioactivo facilitando el análisis de las relaciones entre los dos sistemas. El sistema ha sido desarrollado con la doble función de ayudar en la fase de diseño definiendo una pautas para el diseño bioclimático, y a fines educativos, facilitando el análisis y la comprensión de los procesos que se producen en el espacio construido.(Robinson, Stone 2004, Robinson, Stone 2006, Robinson et al. 2007)

El sistema integra en una única herramienta diferentes módulos de simulación:

• Microclimatico: el modelo se basa en la aplicación de los principios de hidrodinámica, del intercambio de radiación solar de onda larga y corta, las aportaciones de calor antropogénico y la evapotranspiración.

• Consumo energético: con este módulo se quiere evaluar la demanda energética de los edificios teniendo en cuenta, además de las características de los edificios y de la ocupación, la influencia del microclima y del conjunto urbano, cómo puede ser por ejemplo las sombras arrojadas por otros edificios.

• Modelo estocástico: se incluyen en este apartado los modelos relativos a las actividades humanas que no son previsibles, pero que sin embargo afectan de forma importante al balance energético de los edificios y del conjunto urbano en general. Se refiere por ejemplo al abrir y cerrar de las ventanas que modifican el flujo de aire y la temperatura interior, o la ocupación de un espacio que varía cuando la gente se va de vacaciones. Entran en este apartado también la generación de residuos, la posibilidad de generar energía y biogás a partir de ellos, o el uso de la iluminación natural, que normalmente está asociado a una ocupación pero que en la mayoría de los casos no coincide con la realidad.

• Plantas: el objetivo de este módulo es simular y dimensionar las plantas de distribución de energía y agua, cómo por ejemplo los sistemas de district heating. En este caso una de las propuestas de los desarrolladores es que la herramienta haga un autodimensionado del sistema y que eso se ajuste en un segundo paso.



El sistema representa un importante paso hacia adelante en el estudio del espacio urbano para una mejor comprensión del procesos que se generan en él y en consecuencia, poder actuar en la dirección de una mayor sostenibilidad. Sin embargo el sistema no es una panacea: existen todavía muchas limitaciones en el cálculo y en la validación del software.

La herramienta SUNtool se propone como el sistema más completo para el estudio del balance energético de la ciudad, sin embargo ha sido descartado su uso para esta investigación doctoral debido a que la herramienta no está todavía disponible al público para su uso.

SOLENE Otra herramienta desarrollada por el grupo de investigación CERMA es el software SOLENE (http://www.cerma.archi.fr/CERMA/expertise/solene/). El software se basa en el diseño de un modelo 3D para la evaluación de la concepción climática de los proyectos de arquitectura. El objetivo principal que ha guiado el desarrollo de este sistema ha sido la realización de una herramienta que pudiera soportar el diseño bioclimático de los edificios en un espacio urbano. La herramienta se usa también en laboratorio para la formulación de conocimientos teóricos que puedan constituir una base referencial para el diseño arquitectónico.

El modelo 3D de elementos finitos, integra diferentes módulos de cálculo que tienen en cuenta la radiación solar, la iluminación y los efectos térmicos producidos por un espacio urbano en cuanto a condiciones exteriores y confort de los usuarios.

El modelo 3D de simulación se compone de una malla rectangular o triangular generalmente de tamaño igual a 1 m2 que define el espacio urbano y un cielo hemisférico, que permite simular la radiación difusa de un cielo anisótropo. La

radiación solar se divide en radiación solar de onda corta (0,3-2,5 μm) y la

infrarroja (2,5-18 μm).

Entre los parámetros que se pueden obtener de los cálculos realizados con SOLENE podemos encontrar:

Relativo al cálculo de la radiación solar

• Radiación solar e iluminación: se da una indicación de la cantidad de la radiación solar (W/m2) y de la iluminación (lux) recibida por las superficies del espacio urbano, considerando la componente directa, indirecta y reflejada.

http://www.cerma.archi.fr/CERMA/expertise/solene/



• Mapas de repartición: se indica la distribución de la radiación en porcentaje. Eso es muy útil para la definición de las zonas de sombra.

• Iso-shadow: es la representación en un mapa de isolíneas del ratio entre la cantidad de radiación solar incidente sobre los edificios o el terreno y la cantidad de radiación solar incidente en la zona no obstruida en un intervalo de tiempo. Da una percepción de la influencia de las obras arrojadas por el conjunto urbano.

• La rosa de las orientaciones: indica la exposición solar de una fachada para cada orientación, sirve para elegir la mejor orientación en el espacio urbano.

• El SVF: expresado en un mapa con un degradado de colores que van de 0 a 1. (Frédéric Cherqui el all. 2005)

En relación al cálculo de simulación energética:

• Temperatura superficial y flujo de energía de las fachadas de los edificios y entre las superficies horizontales y la atmosfera: el cálculo de las emisiones de las superficie se basa en la ley de Stefan-Boltzmann

𝜀 = 𝜎 · 𝑇4

Para el cálculo del flujo de calor Qh entre aire (a) y superficie (s) por convención se usa la ecuación

𝑄ℎ = 𝐶𝑝𝜌𝐶𝐻𝑈(𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)

Mientras que la transferencia de calor por conducción se calcula considerando las fachadas como superficies multicapas, considerando la capacidad de almacenamiento del calor de cada capa y la conducción entre ella.

Los datos de input necesarios para la realización del cálculo se componen de: la indicación temporal (fecha y hora), los datos meteorológicos de partida medidos in situ (temperatura del aire, velocidad y dirección del viento, nebulosidad o cobertura de nubes) y también la descripción detallada de los materiales, con sus propiedades físicas, que componen las diferentes capas de los edificios.

De la literatura consultada se demuestra que el sistema realiza una buena aproximación del comportamiento real del espacio urbano. Sin embargo la calidad



de los resultados es fuertemente influida por la calidad y precisión de los datos de input, cosa que limita mucho la realización del modelo.

La imposibilidad de acceder a datos fiables de los valores meteorológicos y de las características de los materiales, ha sido una de las razones por las que se ha descartado el uso de esta herramienta para la realización del trabajo de tesis. Además, como en muchas otras herramientas, también SOLENE ha sido desarrollada con el principal objetivo de ayudar y soportar el diseño de nuevos espacios urbanos, dando pautas por ejemplo para la disposición y morfologías de edificios y calles, la distancia entre los bloques, para permitir el aprovechamiento solar y una buena iluminación natural, y elegir entre varias soluciones para la envolvente. Su aplicación en un proyecto de rehabilitación urbana, donde la morfología y disposición de los edificios no se ve modificada, sería poco apropiada.

RayMan Una herramienta sencilla pero capaz de proporcionar una buena resolución del balance del flujo radioactivo y de la evaluación termo fisiológica de las personas es el modelo humano bioclimático RayMan (Matzarakis et all. 2007). El output final proporcionado por la herramienta es el valor de Temperatura Media Radiante (Tmrt) empleado para la determinación de la mayoría de los índices de confort térmicos, como el PMV38, el PET39 y el SET40.Los datos requeridos para ejecutar el cálculo son la temperatura del aire, humedad y velocidad de viento además de la definición de la geometría del espacio. Una interfaz gráfica muy sencilla permite definir la geometría del espacio. En la herramienta se ha incorporado el cálculo del SVF y su visualización en una imagen de ojo de pez. El software puede ser empleado también para la determinación de las sombras, la radiación solar media y máxima diaria y las horas de sol.(Gulyás et al. 2006)

Una de las principales aplicaciones que ha encontrado esta herramienta es en las previsiones de confort térmico en el sector turístico. El clima es un factor determinante en las decisiones que afectan a nuestros momentos de ocio y de descanso. La previsión de las condiciones de confort en las zonas turísticas durante las épocas de vacaciones puede ser determinante para el diseño de los espacios urbanos y de los edificios. El programa ha sido empleado también para la determinación del grado de confort proporcionado por los árboles en diferentes parques en Tel Aviv. (Matzarakis 2001, Matzarakis et al. 2004, Matzarakis et al. 2007) 38 Predict Mean Vote. 39 Physiologically Equivalent Temperature 40 Standard Effective Temperature



La gran ventaja del uso de esta herramienta es que se puede evaluar con poco esfuerzo y una baja inversión de tiempo, para el cálculo computacional, muchos escenarios. (Matzarakis et al. 2007) Una de las limitaciones para la aplicación al trabajo de tesis propuesto es la necesidad de disponer de datos climáticos: temperatura del aire, humedad y velocidad del viento deben ser introducidos como valores de input. Su uso en esta investigación está condicionado por la disponibilidad de datos medidos in situ. Como alternativa la herramienta podría emplearse como complementaria a otra de simulación. En la primera hipótesis, además de tener que realizar una campaña de mediciones con todos los problemas que eso implica, se limitaría la evaluación solamente a las condiciones actuales porque no se podrían determinar los valores climáticos de los escenarios de proyecto. Si se opta por la segunda hipótesis se sumarían los errores intrínsecos en el cálculo de cada sistema, con lo que el valor obtenido sería poco fiable.

URSOS En España el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), en colaboración con el Grupo de Energía y Edificación de la Universidad de Zaragoza (http://gee.unizar.es/) ha desarrollado el sistema de simulación de la sostenibilidad urbana URSOS, que junta una herramienta de evaluación energética para conjuntos de edificios con la evaluación de algunos criterios de sostenibilidad.

El sistema, a través de una interfaz amigable, permite la definición de una geometría urbana de manera rápida y fácil, también para usuarios no expertos. Los tres elementos que componen la geometría urbana son las calles, las parcelas con su uso específico y los edificios que pueden ser organizados por tipología. Una vez definida la geometría y el uso de los espacios, a través de un cálculo estático, se puede simular en pocos segundos el consumo energético de todos los edificios del conjunto. Se pueden obtener también informaciones como el derecho al sol, la calidad de la ventilación natural cruzada y las condiciones de confort en los edificios, además de una serie de datos como la cantidad de superficie dedicada a vegetación o a espacio público, que están calculadas automáticamente por el programa.

El sistema de evaluación energética ha sido integrado también por una evaluación de una serie de indicadores de sostenibilidad en los siguientes tres aspectos:

• energético, es el que tiene más peso y evalúa, además del consumo energético de los edificios, el consumo debido a alumbrado y al transporte urbano.



• medioambiental, en este apartado se evalúan unos indicadores sobre el consumo de suelo, las emisiones a la atmosfera, el consumo de aguas potables y la generación de residuos.

• Habitabilidad, aquí se contemplan parámetros como la cantidad de superficie para la movilidad peatonal, el espacio público, la cantidad de servicios básicos y de equipamientos y la accesibilidad al entorno natural.

Para la evaluación de los indicadores el usuario deberá introducir algunos datos de input más específicos, para permitir a la herramienta calcularlos y puntuarlos según una escala de valores que va de 1 a 5. Un segundo sistema de ponderación permite pesar los diferentes indicadores y obtener una valoración final de la urbanización según un índice de sostenibilidad.

La herramienta ha sido desarrollada como herramienta de diseño de urbanizaciones y nuevos desarrollos urbanos, pero puede ser empleada útilmente también para proyectos de rehabilitación urbana. La gran ventaja de usar este sistema es la facilidad de uso y la rapidez con la que se puede obtener el resultado de la evaluación ya que puede emplearse en las primeras fases de diseño en la toma de decisiones. A través de un sistema de “alarmas”, el resultado destaca los elementos e indicadores que son más desfavorables, dando claras directrices de diseño orientadas hacia una mayor sostenibilidad.(Unizar 2012)

El sistema se propone como una alternativa muy interesante para el diseño y la evaluación de los proyectos urbanos, sin embargo el uso del sistema no es adecuado para la presente investigación ya que está orientado a la mejora energética del conjunto de edificios y no de la calidad térmica del espacio exterior. Los valores de output no pueden ser empleados para evaluar las condiciones de confort térmico en el espacio libre. Sin embargo no se descarta que la evaluación energética realizada con otras herramientas pueda ser acompañada con una evaluación realizada con el software URSOS, como elemento de comparación y para ampliar la información también en los otros aspectos implicados en la calidad urbana.

Autodesk Ecotect Analysis 2010 Entre las varias herramientas analizadas se exploraron las capacidades del software de simulación y análisis energético Autodesk Ecotect Analysis 2010. El programa permite un amplio estudio de los diferentes comportamientos energéticos de los edificios, incluyendo también módulos para el estudio de la



radiación solar, la iluminación natural, el consumo de agua y la propagación del ruido. (Marsh 2010)

El programa está pensado para orientar a los proyectistas en las primeras fases de toma de decisione en el diseño de edificios eficientes y en las fases sucesivas para la evaluación de las demandas y consumos energéticos. Como herramienta de ayuda al diseño, Ecotect integra un módulo para el estudio a nivel urbano enfocado principalmente a encontrar la mejor orientación de los edificios para el aprovechamiento solar. La herramienta permite incorporar valores climáticos específicos en su base de datos a través de la herramienta Weather Tool. Además de los datos de temperatura, los ficheros contienen una serie de datos relativos a la radiación solar, intensidad y dirección de los vientos. Es posible consultar estos datos con diferentes sistemas de visualización: por ejemplo podemos ver el recorrido del sol en un diagrama Stereografico y hacer una superposición con otros diagramas como el de aprovechamiento solar.

El programa es capaz además de hacer un estudio más avanzado de la componente solar en un área específica analizando dos parámetros, que sin el cálculo computacional sería de muy difícil determinación: el Sky View Factor y la radiación solar incidente y reflejada en el espacio urbano. Los modelos geométricos 3D del caso a simular pueden ser realizado directamente en el programa, a través del módulo de diseño, o importado desde otros programas de diseño como Autocad, Revit o Sketchup.

El uso del software en el estudio climático del espacio urbano es muy limitado, ya que Ecotect nace principalmente para el estudio energético de los edificios. El sistema hace una buena aproximación en el análisis de la radiación solar, de la componente de cielo y en el estudio de sombra, elementos muy importantes en el diseño bioclimático (Marsh 2010, Robinson 2011). Sin embargo la única información sobre la componente de radiación solar no es suficiente para determinar los procesos térmicos en el espacio urbano. Sobre todo en temas de rehabilitación urbana, donde no se prevé una modificación sustancial de los volúmenes de los edificios, la aportación que puede dar el uso de software es muy limitada.

Para el trabajo de tesis la herramienta ha sido empleada como sistema complementario para el estudio de la componente radioactiva y del SVF en la fase de análisis del estado actual.



ENVI-met 3.1 Uno de los softwares estudiados, y que actualmente se viene empleando en muchas investigaciones científicas sobre la simulación microclimatica del espacio urbano, es la herramienta ENVI-met. El sistema ha sido desarrollado por Michael Bruse (Institute of Geography, Department of Geoinformatic, Environmental Modeling Group, University of Mainz) con el objetivo de poder simular la interacción entre superficies-plantas-aire en un entorno urbano, basado fundamentalmente en modelos de fluidodinámica y termodinámica (Bruse 2010). La herramienta ha sido diseñada para simular las condiciones a la micro-escala con una resolución de la malla horizontal entre 0,5 y 10 m en un lapso de tiempo entre las 24-48 horas con intervalos de 10 s. (Yu and Hien 2006)

El programa permite obtener, a través de una modelización 3D del espacio urbano, un amplio abanico de resultados incluyendo entre ellos parámetros meteorológicos, de calidad del aire y de confort. Los datos de input se limitan a la introducción de la geometría y a la indicación de algunos datos climáticos de partida que pueden ser fácilmente recopilados de las estaciones meteorológicas cercanas.

Una de las características más importante del programa es que permite evaluar el efecto de la presencia de la vegetación en el espacio urbano, simulando tanto el efecto de absorción y reflexión de la radiación solar, como el de la evapotranspiración. La posibilidad de poder simular el efecto de la vegetación, y así realizar diferentes escenarios de rehabilitación en los que se incluye el espacio verde como elemento de mitigación de los efectos microclimáticos, ha sido una de las principales razones que han llevado a profundizar en el estudio de esta herramienta, que finalmente ha sido empleada como principal sistema de cálculo para la realización del trabajo de investigación.

La herramienta ENVI-met 3.1 El proceso de simulación se lleva a cabo con diferentes softwares de cálculo, entre los cuales el principal es ENVImet 3.1. En este apartado se ilustrará en detalle la herramienta para una mejor compresión del trabajo desarrollado.

El software desarrollado por el equipo de investigación de la universidad de Mainz, bajo la dirección de Michal Bruse, ha sido diseñado para simular el comportamiento climático del espacio urbano en la microescala. A nivel local, los diferentes materiales, disposición de los edificios y de la vegetación producen diferentes patrones climáticos. Para la simulación de dichos patrones se ha



desarrollado un modelo numérico de cálculo de la interacción entre superficies-plantas-aire en un entorno urbano.

El modelo empleado, 3D Atmospheric Boundary Layer41 (ABL), depende de la interacción de las propriedades opticas y dinámicas de la atmósfera, de las caracteristicas de las superficies y, en general, de los diferentes elementos que condicionan el balance energético entre onda larga y onda corta. La contribución de la vegetación se estima a partir del LAD que corresponde a:

LAD= m2(Leaf Surface)/m3(Air Volume)

y se estima su interacción en el microclima en la distribución e intensidad del viento, en el proceso de transferencia radiactiva, en la temperatura y humedad del espacio. En la figura 4.7 se presenta el esquema de funcionamiento general del sistema de modelización de ENVI-met.

Figura 4.8. Modelo urbano usado por Envi-met 3.1. Elaborado a partir de Bruse M. 2010.

La herramienta se compone principalmente por dos sistemas: el primero representa la superficie terrestre y el segundo la porción de atmosfera que va de la superficie terrestre hasta la cota máxima de 2500m. La superficie terrestre está constituida por la porción de ciudad estudiada como una estructura multicapa donde vegetación y suelo son tratados separadamente. La vegetación se divide también en varias capas con el fin de realizar una mejor representación del intercambio de energía y masa. (Samaali et al. 2007)

La principal ventaja de la herramienta es su capacidad de simular el efecto de muchos elementos urbanos dando un amplio abanico de resultados: i) su comportamiento climático (temperatura, humedad, velocidad del viento, radiación, etc.), ii) una evaluación de parametros fisiológicos como la temperatura

41 Atmospheric Boundary Layer. Capa Límite Atmosferica.



media radiante Tmrt, el PMV y el PPD y, además iii) una evaluación de la concentración de particulas y de CO2. ENVI-met simula los procesos que se producen en la micro-escala usando una compleja estructura del ciclo diario esquematizada en figura 4.8. (Ali-Toudert, Mayer 2006)

A continuación se realiza una breve descripción de la estructura de la herramienta, destinada a la comprensión del proceso de simulación realizado. El conocimiento del sistema ha sido fundamental en el desarrollo del trabajo para entender la sensibilidad de la herramienta y poder así dirigir la investigación hacía una dirección uotra. Además de la revisión de la literatura en el tema y de la guía online del software, una parte importante del conocimiento se ha desarrollado a partir de las observaciones personales realizadas en el desarrollo de la investigación.

Da t os d e i np u t Los datos de input son de dos tipos: valores climáticos y espacio físico. Para ambos existe una herramienta específica para la introducción de los datos.

Los valores climáticos de referencia se introducen en el archivo Configuration Editor. En este archivo se indican todos los datos iniciales de configuración de la simulación (nombre, carpeta de procedencia del input y del output, etc.), y los datos climáticos iniciales que se mantendrán constantes para toda la simulación. Cada caso de estudio debe tener su archivo .cf especifico.

El modelo 3D está anidado en un modelo 1D que se extiende hasta la altura de 2500m. Los valores del modelo unidimensional se utilizan como valores de referencia así como los perfiles de flujo de entrada y la condiciones de contexto superior. Así los fenómenos a gran escala pueden incorporarse al modelo cambiando los datos de partida, de modo que el modelo unidimensional pueda representar el promedio de la condición mesoescalar.



Archivos de Input Bases de datos Home Archivos de Output

Archivos de resultados de la simulación 3D: AT: Atmosfera SF: Flujos Superficiales SO: Suelos

1D: Perfil del flujo interior

Output de los Receptores 1D: -Serie de tiempo -Valores instantaneos

Simulación especifica para las bases de datos: -Vegetación -Suelos Bases de datos adicionales

ENVImet 3.1

Datos de conexión con BOTworld (evaluación del confort)

Plantas y Vegetación PLANT.DAT

Perfil de suelos PROFIL.DAT

Tipos de suelos SOIL.DAT

Tipos de Fuentes SOURCES.DAT

Bases de datos y ajustes globales

Define: -Edificios -Vegetación -Suelos -Fuentes Archivos de simulación

Archivo de Diseño 3D (ENVIEddi *.in)

Configuración principal (configuration file *.cf)

Figura 4.9 Estructura de la herramienta ENVI-met 3.1. Fuente: (Bruse 2004) www.envi-met.com

En el archivo ENVIEddi se puede conformar el modelo 3D construido a partir de una malla tridimensional sobre base rectangular definida por el usuario. En la versión 3.1 es posible definir el tamaño de la malla, la información de las superficies de los suelos y el tipo de vegetación, ambos asociados a una base de datos, la posición del sitio y la orientación.

En altura, la malla vertical puede ser definida como equidistante (A) donde todas las mallas tienen la misma dimensión, o telescópica según las reglas

∆𝑧(𝑘) = �1 + �𝑠 100� ��𝑘−1 · ∆𝑧𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡

Con k número de celda y s factor de extensión que puede ser al máximo igual a un incremento del 20% porque de otra manera el modelo tendría una dimensión superior a la de 2500m, cota máxima que el modelo 1D puede alcanzar. El



tamaño de las celdas depende del modelo 3D que se quiere realizar: dimensión del área de estudio y definición que quiere obtener.

Figura 4.10 Vista esquemática del modelo 1D de celda vertical equidistante o telescópica. Fuente: (Bruse 2004)www.envi-met.com

Es necesario mencionar que la primera celda en altura está subdividida en 5 celdas, para dar una mejor aproximación del intercambio turbulento y radiactivo en correspondencia del suelo. (Samaali et al. 2007)

Para modelar los edificios se asignan a las celdas correspondientes el valor del edificio indicando su altura. Las características de los edificios están definidas por defecto y no son modificables por el usuario en esta versión. La temperatura del edificio es de 293K y se mantiene constante a lo largo del día y en las diferentes temporadas, la transmisión de los muros es de 1,94 W/m2K y para los techos es de 6 W/m2K considerando así un bajo aislamiento de la envolvente, el albedo es de 0,2 para los muros y de 0,3 para las superficies de cubierta, también estos valores son indicativos de las características típicas de las ciudades de la Europa central.



Figura 4.11. Vista esquemática del modelo 3D empleado por ENVI-met 3.1. Fuente: (Bruse 2004) www.envi-met.com

En este archivo se indican también a) los receptores, que constituyen la estructura básica de almacenamiento de la información atmosférica y que son fundamentales para la gestión del output, y b) las fuentes de gas y partículas que están relacionadas también con una base de datos especifica. Debido a la complejidad del diseño del modelo de dispersión de partículas, la información necesaria está almacenada en 3 sitios diferentes:

a) la localización física de la fuente en el modelo 3D b) el tipo de fuente indicado en el archivo de configuración c) el tipo (puntual o lineal), la altura y el rango de emisión diaria de la fuente

están almacenados en la base de dato SOURCES.DAT

B a s es d e d a t os Las bases de dato son el lugar donde se almacena la información necesaria para realizar el proceso de simulación. La herramienta proporciona por defecto unas opciones de partida, aunque estos archivos pueden ser modificados o ampliados por el usuario. Se va a realizar una pequeña explicación de la estructura de la base de datos ya que se han modificado algunos de ellos para personalizar la simulación.

Las bases de datos almacenan los valores característicos de las plantas, suelos y fuentes de contaminación. El tipo de dato almacenado es directamente



relacionado con el modelo de cálculo empleado y que se describe en detalle en el apéndice.

Suelo La definición de los suelos se obtiene de dos bases de datos conectadas entre ellas: la primera con las características de los suelos (SOIL.DAT) y la segunda con las especificaciones del perfil de los suelos (PROFILS.DAT) donde se define la composición de cada capa a partir de una profundidad de 1,75m. Por debajo de esta cota se considera que la temperatura es constante y no se produce evaporación.

Las informaciones almacenadas y que son necesarias para la definición del suelo, indican su respuesta a la radiación solar (albedo a onda corta y emisividad), su comportamiento térmico (Conductividad térmica y capacidad térmica volumétrica), su humedad y su evaporación (contenido de agua, conductividad hidráulica, etc.). Por defecto el programa considera una temperatura inicial para todas las capas del suelo de 293K y la humedad relativa es calculada usando la capacidad hídrica de campo, que no puede ser más bajo de 10% para evitar problemas en la estabilidad del cálculo. Para los pavimentos impermeables el contenido de humedad viene considerado igual a cero.

Plantas En el modelo las plantas se consideran como una columna subdividida en capas: en altura la vegetación se describe por el perfil LAD y en profundidad por el RAD. Cada capa está caracterizada por su propio balance de transferencia radioactiva, balance energético y temperatura media.

Para calcular la transpiración de las plantas, es necesario conocer la resistencia estomática. Los estomas son componentes activos de la planta y reaccionan a los estímulos ambientales como la radiación solar, la temperatura del aire y la disponibilidad de agua en el suelo. El software permite emplear dos métodos para el cálculo de la resistencia estomática: un enfoque simple basado en las ecuaciones desarrolladas por Deardoff (1978) y un enfoque más sofisticado el A-gs, basado en las teorías de Jacobs (1994) que calcula el estado de los estomas a partir del proceso de fotosíntesis de las plantas y de la concentración de CO2. En el apéndice se presenta una descripción pormenorizada del proceso de cálculo.

Teniendo en cuenta que el sistema ha sido realizado para simular los espacios urbanos, se han aplicado algunas simplificaciones del modelo con el fin de hacer



más estable y rápido la resolución del cálculo. (Bruse M. 2004, Samaali et all 2006, Wania A et all 2012).

Mod e lo d e t u r bu l en c i a El modelo usado por ENVI-met se fundamenta en el sistema de dos ecuaciones de la Energía Cinética de Turbulencia (TKE) donde la primera describe la distribución cinética de la energía en el aire, y depende de la producción, advección, difusión y destrucción; la segunda ecuación es similar y describe el rango de disipación TKE (Ver el desarrollo de las ecuaciones en el apéndice) Finalmente el intercambio turbulento es igual a:

𝐾𝑚 = 𝑐𝑛𝐸2

𝜖

El resultado de las ecuaciones TKE es usado como input para el cálculo cíclico. La no linealidad entre las ecuaciones puede producir problemas en la estabilidad con lo que se han introducidos muchos mecanismos para evitar problemas numéricos:

• Cálculo en dos etapas: se ha reducido el riesgo de la oscilación numérica en la fase de instalación haciendo una resolución de las ecuaciones TKE y e interactiva y realizando el cálculo del km solo cuando se ha obtenido la estabilidad de las dos anteriores.

• Relajación inteligente del proceso de cálculo: para evitar la oscilación numérica en la fase de instalación, ENVI-met puede relajar el resultado de la ecuación usando el resultado obtenido parcialmente para el cálculo de la interacción sucesiva.

• Limitación del rango: limitación del modelo 1D en altura, para evitar los problemas derivados por las fuerzas de disipación de la turbulencia en cotas altas.

El resultado de Km depende también de las condiciones de contexto (Lateral Boundary condiction –LBC) que se eligen. El software ENVI-met considera 3 diferentes tipos de contexto:

1. Abierto: el valor del punto de la celda de confine es copiado en el confine en cada instante. Esta solución es la que menos afecta a las condiciones internas del modelo, aunque pueden producirse algunas inestabilidades.



2. Cerrado: el valor del modelo 1D es copiado en el confine. Es el sistema más estable pero si el modelo 1D no es representativo de las condiciones medias específicas, puede conducir a errores.

3. Cíclico: el valor del modelo de confine descendiente se copian en el modelo de confine ascendente. Eso se traduce en el asunción que las condiciones medias que se produce por encima del modelo son similares a las del área del modelo. En este caso se puede producir una retroalimentación de datos dentro del modelo que puede generar problemas de estabilidad.

Las condiciones de contexto lateral empleadas por defecto por el sistema es el modelo abierto.

Se puede comprobar que el sistema de interacción entre superficies, edificios y vegetación que se produce en el espacio urbano es muy complejo y genera diferentes patrones de temperatura y perfil de flujo. También pequeños cambios en la disposición de los edificios o en la vegetación, pueden provocar cambios inesperados de magnitud o distribución muy significativos en la microescala.

La simulación del estado estacionario de los fenomenos microclimáticos no puede ser resuelto con ecuaciones lineales, sino que es necesario hacer complejos cálculos en un intervalo de tiempo de un ciclo diario. El uso de una herramienta basada en el cálculo en computadora y la simulación numerica es fundamental para entender el espacio urbano y optimizar su diseño según el clima de su emplazamiento.

De la revisión de la literatura (Wania, A., Bruse, M., Blond, N., & Weber, C. 2012; Ali-Toudert, Fazia, & Mayer, Helmut. 2007; (Ali-Toudert, Mayer 2006, Thorsson et al. 2004) y de la experiencia personal en el uso de la herramienta de simulación ENVImet se puede concluir que el sistema tiene las siguiente ventajas:

• la simplicidad de uso y baja demanda de tiempo en el uso del software,

• una buena representación de las tranferencias superficiales entre vegetación y suelos con una configuración en multicapas,

• la posibilidad de usar una malla horizontal y vertical pequeña con una precisión hasta de 1 metro,

• existencia de un bajo número de parámetros de input para el conjunto del sistema vegetación-suelo-atmosfera. (Samaali et al. 2007)



Se han comprobado también muchas limitaciones en el uso y en algunos casos poca sensibilidad en los resultados. Sin embargo la herramienta constituye una de las mejores opciones para la simulación del microclima en espacios urbanos en cuanto a dificultad de uso, información de partida proporcionada por el usuario, tiempo de ejecución y valores de output. También la literatura consultada demuestra que los errores en la simulación del flujo, en el cálculo de la radiación y en la dispersión de particula (Samaali M et all. 2006, Nikolova I. et all 2012, Kantor N. and Unger J. 2011) son errores aceptables comparados con las magnitudes manejadas.

El desarrollo completo de las ecuaciones de calcúlo empleada por el software ENVI-met 3.1 se detalla en el apéndice de este documento.

Conclusiones del capitulo En este capítulo se han presentado los principales sistemas empleados para estudiar el clima en el espacio urbano. Entre los varios sistemas, los métodos numéricos basados en la realización de un modelo 3D son los que mejor permiten evaluar los escenarios de proyecto, y por eso es el tipo de enfoque que se ha preferido para el desarrollo del trabajo de tesis.

Como se ha podido ver de la exposición de los diferentes sistemas, la realización de un modelo completo es bastante laboriosa y compleja donde se deben considerar muchos factores: balance radioactivo y fluido dinámico son las dos componentes principales. Gracias a la introducción del cálculo computacional ha sido posible avanzar en el enfoque teórico y realizar modelos cada día más complejos y más cercanos a la realidad. Sin embargo, una mayor complejidad del modelo implica a la vez una mayor dificultad en la introducción de datos y la necesidad de usar equipos más potentes.

De la revisión realizada, el programa ENVI-met se propone como una alternativa entre las herramientas de cálculo que encuentra el justo compromiso entre dificultad en la realización del modelo y fiabilidad de los resultados. Se comprueba que, a diferencia de otros sistemas que necesitan apoyarse en más de una herramienta, en ENVI-met todas las componentes que influyen en la formación del microclima (suelos, edificios y vegetación) se integran en un único software de cálculo.

La posibilidad de no necesitar de equipos especialmente potentes para ejecutar un modelo y la posibilidad de acceder al programa de forma gratuita, son otros



dos elementos que han influido en la elección del software como herramienta de cálculo para el trabajo de doctorado.

Parte II – Desarrollo experimental



5. CASOS DE ESTUDIO Para comprender los efectos del microclima sobre los espacios urbanos, se decide estudiar el comportamiento de unos casos reales de la ciudad de Madrid. En este capítulo se presenta una descripción general de la ciudad de Madrid: su clima, su morfología y su desarrollo urbano desde mediados del siglo XX. Se pasa luego a una descripción pormenorizada de los casos de estudio seleccionados con la evaluación de unos indicadores característicos. Finalmente se describen los resultados obtenidos de la campaña de mediciones realizada in situ durante 3 días entre el año 2010 y 2011.

Aproximación al lugar de estudio-la ciudad de Madrid

El clima de Madrid

La ciudad de Madrid se encuentra en la zona central de la Península Ibérica, las coordenadas de la ciudad son 40º 26’N 3º41’O y su altura es de 667m sobre el nivel del mar siendo así la capital más alta de Europa. En el contexto geográfico Madrid se coloca en la Submeseta Sur, dentro de la Meseta central, a pocos kilómetros de la Sierra Central y dentro de la cuenca hidrográfica del Tajo. El río Manzanares es el río principal de la ciudad, que penetra en el municipio en torno al Monte del Pardo, comenzando su curso urbano en la zona de Ciudad Universitaria, entrando después en la Casa de Campo pasando por el distrito de la Latina, Carabanchel, Usera, Villaverde saliendo de la ciudad en el extremo oriental del municipio de Getafe.(Anon.2012, Gómez 1993)

La ciudad se caracteriza por un clima Templado con veranos secos y calorosos según la clasificación de Köppen42 para la Península Ibérica. Los climas

42 Clasificación de Köppen. Clasificación climática creada por el científico ruso Wladimir Peter Köppen que consiste en una identificación del clima con una serie de letras que indican el comportamiento de las temperaturas y precipitaciones como principales elementos de caracterización de dicho clima. (Kottek, M., J. Grieser, C. Beck, B. Rudolf, and F. Rubel, 2006)



templados se caracterizan por una estación invernal con temperaturas que van de los 0ºC a los 18ºC y veranos calurosos con temperaturas superiores a los 22ºC. Este tipo de clima es el que abarca una mayor extensión en España ocupando alrededor del 40% de la superficie.

Las temperaturas medias varían de los 6ºC en invierno a los 24ºC en verano alcanzando picos superiores a los 30ºC en los meses más calurosos (Julio y Agosto) (Departamento de Producción de la Agencia Estatal de Meteorología de España, Área de Climatología y Aplicaciones Operativas y por el Departamento de Meteorologia e Clima 2011).

Figura 5.1. Clasificación climática de Köppen-Geiger en la Peninsula Ibérica e Islas Baleares (Departamento de Producción de la Agencia Estatal de Meteorología de España (Área de Climatología y Aplicaciones Operativas) y por el Departamento de Meteorologia e Clima 2011).

Además de los valores medios, los aspectos más sobresalientes del clima de Madrid son:

• Elevada amplitud térmica diaria de alrededor de 7 ºC en invierno y algo más de 12 ºC en la temporada de verano.



• Baja humedad relativa sobre todo en verano donde alcanza sus valores mínimos.

• Clima prevalentemente seco, con pocas precipitaciones y gran variabilidad en los diferentes meses del año con una clara disminución durante en verano.

Mes T TM Tm R H DR DN DT DF DH DD I

Enero 6.1 9.7 2.6 37 71 6 1 0 5 6 8 148

Febrero 7.9 12.0 3.7 35 65 6 1 0 4 3 6 157

Marzo 10.7 15.7 5.6 26 54 5 0 1 2 1 7 214

Abril 12.3 17.5 7.2 47 55 7 0 1 1 0 5 231

Mayo 16.1 21.4 10.7 52 54 8 0 3 0 0 4 272

Junio 21.0 26.9 15.1 25 46 4 0 3 0 0 8 310

Julio 24.8 31.2 18.4 15 39 2 0 3 0 0 16 359

Agosto 24.4 30.7 18.2 10 41 2 0 2 0 0 14 335

Septiembre 20.5 26.0 15.0 28 50 3 0 2 0 0 9 261

Octubre 14.6 19.0 10.2 49 64 6 0 1 1 0 6 198

Noviembre 9.7 13.4 6.0 56 70 6 0 0 5 1 7 157

Diciembre 7.0 10.1 3.8 56 74 7 1 0 6 4 7 124

Año 14.6 19.4 9.7 436 57 63 4 16 24 16 97 2769

Leyenda T Temperatura media mensual/anual (°C) TM Media mensual/anual de las temperaturas máximas diarias (°C) Tm Media mensual/anual de las temperaturas mínimas diarias (°C) R Precipitación mensual/anual media (mm) H Humedad relativa media (%) DR Número medio mensual/anual de días de precipitación superior o igual a 1 mm DN Número medio mensual/anual de días de nieve DT Número medio mensual/anual de días de tormenta DF Número medio mensual/anual de días de niebla DH Número medio mensual/anual de días de helada DD Número medio mensual/anual de días despejados I Número medio mensual/anual de horas de sol

Tabla 5.1. Valores característicos del clima de Madrid. Fuente: AEMET, estación Madrid-Retiro



Figura. 5.2. Normales climatológicas de la temperatura del aire en España (1971-2000). Fuente: Atlas Climático Ibérico.

Los datos indicados son datos climáticos medios obtenidos de observaciones de 30 años. Sin embargo los valores medios no reflejan los fuertes contrastes que se producen en la comunidad de Madrid, y en particular los producidos por dos fenómenos: la isla de calor, que se refleja en el aumento de la temperatura del aire, y la inversión térmica que produce el efecto contrario o sea una acumulación de aire frío en cotas bajas.

En la figura 5.3 se muestran los valores máximos y mínimos medios mensuales para Madrid dibujados en la carta bioclimática de Olgyay (Fariña Tojo 2007) de la que se puede observar que la amplitud térmica es elevada, de forma más significativa en los meses de verano, y que los meses en los que se producen situaciones de disconfort por frío son los mayoritarios. De esta carta se puede concluir que la mayor parte del año es necesario aportar calor y radiación solar y que solo los meses de agosto e julio existe sobrecalentamiento. Sin embargo es necesario resaltar que en esta carta se han indicado los valores máximos y mínimos absolutos, mientras que en fase de proyecto del entorno urbano es preciso indicar los valores relativos a las horas de ocupación del espacio exterior.



Figura 5.3. Carta bioclimática de Olgyay para Madrid. Fuente: (Fariña Tojo 2007)

Como se ha indicado en los capítulos anteriores, se define “isla de calor urbana” el fenómeno del aumento de la temperatura, que en cifras medias puede suponer entre 2-3 ºC pudiendo llegar en algunas ocasiones a los 10ºC. La contaminación puede actuar sobre la radiación reduciéndola, sin embargo esta reducción no es suficiente para contrarrestar el aumento de calor debido a la remisión en las horas nocturnas de la radiación absorbida. La isla de calor es más débil en presencia de lluvia, tiempo nuboso o con mucho viento.(Santamouris et al. 2001a)

En los estudios realizados en la teledetección de Madrid se analizaron los datos registrados de los observatorios meteorológicos de la red municipal de contaminación del aire posicionados en Plaza de España, Plaza de Castilla y Manuel Becerra, los del Instituto Nacional de Meteorología del Parque del Retiro, Ciudad Universitaria y Aeropuesto de Barajas así como los aeródromos de Getafe y Cuatro Vientos. Además se realizaron unos recorridos en automóvil con cien puntos de observación momentánea gracias a los cuales ha sido posible trazar un mapa de isotermas y perfiles térmicos. (Lopez Goméz 1993)

El estudio de temperatura muestra que en la ciudad de Madrid el efecto de isla de calor puede ser moderado, entre 3 y 6 ºC, o más intenso, entre 6 y 9ºC en todas las épocas del año, con mayor frecuencia en invierno, en tiempo estable y despejado. Los máximos se localizan en la calle Alcalá, paseo de la Castellana y



en el centro. Los mínimos están acentuados en la vaguada del Manzanares y en otros puntos, normalmente en correspondencia con los parques. Se produce una disminución general en las áreas periurbanas no edificadas para volver a acentuarse en los centros de los núcleos de Alcobendas, Getafe y Alcorcón. Con el tiempo perturbado por nubosidad o lluvia la isla de calor es débil y, en caso de viento, trasladada a sotavento. Durante el día la isla de calor es débil y más dispersa, casi inexistente a primeras horas de la mañana.

De las imágenes infrarrojas obtenidas de los vuelos especiales nocturnos a 2.400 y a 500 metros, se ha podido distinguir y caracterizar el comportamiento de tres elementos: superficies asfaltadas, edificaciones y espacio verdes.

Las superficies asfaltadas y oscuras se conforman como elementos calientes registrando una diferencia de alrededor de 17ºC, aunque en el interior de la ciudad se pueden apreciar diferencias en relación a la orientación de las calles, donde las orientadas a E-W son las que más radiación reciben. Las calles amplias tienen una acumulación de calor mayor, en los bordes se puede observar que hay una disminución de la temperatura por efecto de las sombras arrojadas. Es importante subrayar que en las zonas abiertas, donde no hay edificios que obstaculicen la radiación infrarroja, se produce una mayor disipación del calor. A pesar de ello estas áreas se mantienen más calientes que su entorno inmediato. Las grandes superficies asfaltadas, como plazas o glorietas, se destacan como focos de acumulación muy intensas tanto en las zonas centrales como en las periurbanas.

La absorción de calor en las edificaciones se distingue por el material empleado en la cubierta, el volumen y la disposición en general, compacta o abierta, con patios mayores o menores, espacios ajardinados o no. En el casco antiguo, donde las cubiertas son principalmente de teja, casi no se aprecia diferencia entre los edificios y las calles. En el Ensanche los techos muestran una temperatura inferior a la de las calles de alrededor de 3ºC, mientras que en la periferia empiezan a aparecer puntos fríos en correspondencia con las cubiertas formadas por materiales selectivos fríos (pizarras, fibrocemento, cemento, etc.)

El comportamiento de los parques y zonas verdes puede dividirse en dos grandes grupos: los urbanos y periurbanos y los grandes parques y zonas rurales fuera de la ciudad. Los parques urbanos, de pequeñas dimensiones y normalmente caracterizados por arboles muy densos, no muestran una diferencia de temperatura significativa con el entorno construido. Esta aparente contradicción se origina por el hecho de que las zonas más frescas están situadas por debajo de los arboles mientras que las fotos aéreas captan las temperatura por encima



de la copa de los arboles sobre la que influye de manera acusada la radiación directa y reflejada.

Los jardines verdes y con césped aparecen como áreas frías, tanto en el centro como fuera de la ciudad. Los espacios abiertos, baldíos y cultivados, dan unos niveles de radiación medios debido al rápido calentamiento y enfriamiento de estas áreas. (López Gómez, 1993)

Estudios más recientes sobre el efecto de ICU en Madrid han sido realizados, gracias al proyecto DESIREX2008 (Sobrino et al. 2009). La campaña de mediciones ha contado con el uso de equipos sofisticados tanto para los relevos aéreos como para la campaña de mediciones a la altura de calle realizada con estaciones fijas y transectos móviles. Se realizaron 10 vuelos entre los días del 25 de junio al 4 de julio 2010 a las 4h, 11h y 21h en dos líneas de vuelo: Norte-Sur y Este-Oeste. La elaboración de los datos obtenidos de los vuelos muestran una diferencia de temperatura máxima en el área de sobrevuelo de 27 ºC en el día, siendo las zonas más calientes las zonas rurales y de 14 ºC en la noche situándose las temperaturas máximas en la ciudad.

El efecto de ICU puede ser estudiado a través de las medidas en mástiles fijos, en la figura 5.3, y que muestran una intensidad mayor en las horas nocturnas y antes de la salida del sol. Gracias a las mediciones realizadas se ha podido llegar a la conclusión que la ICU tiene una intensidad media de 4 K, alcanzando su máximo igual a 5 K el día 2 de junio.

Figura 5.3. Evolución de la temperatura del aire en zona urbana y rural y humedad relativa de la estación de Barajas. Fuente (Sobrino et al. 2009)

La tipología residencial de la periferia de Madrid

El área metropolitana de Madrid ha conocido desde mediado del siglo anterior, un desarrollo urbano extraordinario, siendo el sector residencial el principal protagonista. Las viviendas y su entorno residencial constituyen la mayor parte del territorio urbano, tanto en las experiencias de desarrollo de ciudad compacta43

43 Ciudad compacta: es la que presenta una estructura y trama urbana de cierta compacidad, cercanía a los servicios, genera espacios de sociabilidad, propicia el



como en el modelo de ciudad difusa44 que se ha ido imponiendo en las actuaciones realizadas en los últimos 20 años en Madrid y en otras ciudades españolas grandes y medianas. Hoy en día, gracias al importante desarrollo de las infraestructuras de movilidad, en concreto las carreteras y el metro, ha propiciado la transformación de la región urbana de Madrid, que ha llegado a tener dimensiones inusitadas en el último cuarto de siglo. (López de Lucio 2011b)

En el desarrollo urbano se han distinguido tradicionalmente tres espacios: el Centro, el Ensanche y la extensa periferia. No procede realizar aquí un análisis detallado de las diferentes tipologías edificatorias que caracterizan en el tejido residencial del área metropolitana, pero quizá sea conveniente hacer una rápida enumeración de las principales que caracterizan el panorama urbano de la ciudad de Madrid.

• Casco antiguos. Comprende el centro histórico que, a exclusión de las remodelaciones modernas, está constituido por un tejido de calles estrechas e irregulares y una edificación muy compacta.

• Ensanches históricos y parcelaciones periféricas consolidadas. Principalmente constituida por edificios de manzana cerrada. Se realiza a partir del proyecto de Castro del 1860 y se planifica sobre una cuadricula ortogonal teniendo como eje principales el paseo de la Castellana.

• Viviendas colectivas de alta densidad, de promoción pública y privada, realizadas a partir de la posguerra hasta finales de los años 1970. Estas actuaciones se caracterizan por la aplicación de los modelos arquitectónicos y urbanos racionalistas y funcionalista del movimiento moderno, usando edificios de bloque abierto e introduciendo el concepto de supermanzana peatonal.

• Nuevos barrios residenciales realizados a partir de los años 1980 y que se desarrollan según el modelo de ciudad difusa. En estas actuaciones se vuelve a proponer el modelo de la manzana cerrada, que empieza a asumir cada vez más una configuración de “comunidad cerrada y absolutamente excluyente”. También se encuentran en estos nuevos

encuentro de actividades y permite el desarrollo de la vida en comunidad. (Giner, 2007; Rueda, 1997) 44 Ciudad difusa: en las últimas décadas el modelo de crecimiento urbano se ha realizado ocupando de manera diseminada un territorio cada vez más amplio, separando las funciones y segregando la población en base a su estatus socio-económico. (Giner, 2007; Rueda, 1997)



desarrollos tejidos de viviendas unifamiliares, sean en parcela aisladas o en adosados lineales.

(López de Lucio 1999, Gómez 1993)

Dejando de un lado los cascos históricos y los ensanches históricos, el trabajo de la tesis doctoral se ha limitado al estudio del tercer espacio: la periferia. Este espacio es el más extenso en el territorio metropolitano y se caracteriza por una gran diversidad morfológica que podemos distinguir por su proximidad y antigüedad. (Gómez 1993)

La elección de orientar el trabajo de investigación hacia la rehabilitación de los barrios periféricos ha sido justificada por la constatación de que en estas áreas se encuentran importantes bolsas de degradación del espacio físico y del tejido socio-económico. En estas zonas se concentran las promociones de viviendas de protección oficial de los últimos cincuenta años. Aunque en la mayoría de los casos el parque de viviendas no está en malo estado, alojan población con bajo nivel de educación, alta tasa de paro y rentas bajas. (Arias Goytre, Nicolás Rodrigo 2000) Incluso parece paradójico que estos barrios acaben siendo el resultado de las condiciones de degradación por la que se habían edificado.

En concreto, la ciudad de Madrid ha experimentado un gran impulso edificatorio a partir del fin de la guerra civil, con la realización de más de 100 actuaciones de vivienda pública que han supuesto la realización de 106.000 viviendas entre el 1940 y el 1978. Estas actuaciones han sido localizadas fundamentalmente en las zonas periféricas del Madrid de la postguerra, entre lo que actualmente es la M30 y la M40 y que hoy albergan casi el 40% de la población de la ciudad, constituyen el 36% del stock de viviendas y ocupan el 30% del suelo urbano. (Zamora 2010)

Es de resaltar que la política de construcción de la vivienda pública se realiza en un cuadro histórico de la posguerra, influenciado por una extraordinaria situación de exigencia debido a:

• Las destrucciones causadas por la guerra civil.

• La gran emigración de la población de las campañas a la ciudad que provoca el desarrollo del chabolismo.

• La escasez de viviendas de promoción privada y su alto precio.

• El lento desarrollo de la actividad inmobiliaria de carácter social o popular.



• La creación de Instituciones Públicas cuya finalidad básica es la política de las viviendas.

En 1957 se lanza el Plan de Urgencia Social en Madrid con el objetivo de promover la construcción de 60.000 viviendas a precio asequible y limitar la creación de nuevas parcelaciones ilegales. Así se ponen en marcha la creación de los poblados mínimos, los poblados dirigidos y los poblados de absorción, que con forma diferente de gestión intentan promover la participación privada y pública para la construcción masiva de este tipo de viviendas.

A mediados de los años 50 del siglo anterior se inicia la labor de saneamiento de los suburbios y en particular de los constituidos por chabolas y las urbanizaciones ilegales que habían surgido, con la creación de núcleos satélites a la ciudad con el Primer programa de poblado de absorción. Además de la necesidad de reabsorber población por cuestiones humanitarias y socioeconómicas, estas actuaciones buscan una segregación social recolocando los chabolistas en los márgenes de la ciudad y aprovechando el suelo dejado libre al lado del nuevo ensanche, para reconstruir viviendas para clases de mayor nivel económico.(Zamora 2010)

A partir de la experiencia de los poblados de absorción y aprovechando en parte el suelo dejado libre, van apareciendo los primeros poblados dirigidos, cuya finalidad es diferente y que en algunos casos, van a suponer un laboratorio experimental muy importante para la Arquitectura social en España. No cabe duda de que el grupo elegido para llevar a cabo el plan tiene mucho que ver con el éxito que supuso: Sáenz de Oíza (1956), Romanay (1959), Cubillo (1957), Sierra, Alvear, Leoz, Huervás, Vázquez de Castro (1959) entre otros, que optan por el modelo racionalista de la tipología de los edificios de bloque abierto. (Esteban Maluenda 2009)

Llega la vivienda reducida del movimiento racionalista internacional45. Se utiliza preferentemente el bloque abierto en doble crujía en formación paralela y orientación constante, trazados elementales que divide el terreno en supermanzanas libres de tráfico rodado para configurar una teórica relación vecinal. (de Terán F. 1999, López de Lucio R. 1999, Esteban Maluenda A. 2010, Ardura A. and Gómez A.,2011)

45 Arquitectura internacional. Se define así el estilo de la arquitectura del Movimiento Moderno que se desarrolla alrededor de los años ’30 del siglo anterior. Este tipo de arquitectura se caracteriza por una forma universal de proyectar que no se ata a las características de ninguna región específica. (http://www.arqhys.com/articulos/estilo-internacional-arquitectura.html)



Con el Plan Nacional de Vivienda de 1961, se dan instrucciones precisas de las concepciones urbanísticas de los conjuntos de promoción pública y privada de construcción de viviendas acogidas a la protección oficial, donde se define una densidad óptima de 500 habitantes por hectárea mientras que el valor del suelo edificable se cifraba en un 15% del coste de la construcción. Esta normativa confiere a los conjuntos que se desarrollaron posteriormente esta conformación de “barrios-dormitorios” compactos y sobre densificados en la que se empezó a abandonar la concepción racionalista que exigía mucho espacio libre entre bloques. “Se abrió el camino entonces, sobre todo en las actuaciones de iniciativas privadas, a la proliferación de edificios en bloques de cinco crujías con patios de luces, en formación macizas de muchas alturas, con densidades claramente abusivas.” (de Terán 1999)

A partir de mediados de los años 1970 la situación de las grandes ciudades europeas cambia de rumbo y empiezan a perder población que se desplaza a las ciudades medianas y a las grandes periferias metropolitanas. En España también se puede comprobar una clara disminución del acelerado ritmo de crecimiento urbano, sobre todo en las grandes ciudades como Madrid, Barcelona, Bilbao, Zaragoza y Valencia. (de Terán 1999)

También el importante desarrollo de las infraestructuras de transporte ha sido un elemento determinante que ha promovido un cambio desde los barrios sobredensificados de concepción pseudoracionalista, a la dispersión de la ciudad en un territorio cada vez más amplio. A partir de finales de los años 1980 se ha comprobado en Madrid un aumento de las construcciones en las áreas metropolitanas, con la consecuente deslocalización de población y actividades que se han ido reorganizando alrededor de las nuevas centralidades apoyadas en las grandes superficies comerciales y de ocio. (López de Lucio 2011b)

En cuanto a la introducción de estas nuevas piezas en el paisaje madrileño, se encuentra una cierta variedad tipológica. En general las densidades son más bajas, situándose en valores comprendido entre las 30 y las 50 viviendas por hectárea para los barrios de viviendas colectivas. Se va consolidando una nueva tipología edificatoria constituida por las grandes actuaciones residenciales aisladas, diseñada como elementos autónomos conformada en una especie de “distrito-isla” con sus propios elementos de centralidad y unos límites nítidos.

Se vuelve a preferir los edificios de manzana cerrada, en este caso con urbanizaciones de macromanzanas cerradas al exterior que tienen su propio espacio verde ‘público’ comunitario. También se produce una infravaloración del espacio público, que asume un carácter simbólico de estatus social, un fácil



expediente para resolver los espacios que resultan de los polígonos residenciales y de las zonas de contacto con las grandes vías arteriales. Los trazados mantienen una cierta regularidad de las retículas, aunque se introducen algunas líneas curvas y fragmentos de retículas con diferente orientación. Los edificios altos y compactos se sustituyen por adosados de dos plantas o viviendas colectivas de cuatros a seis plantas. Los amplios viales y el sobreabundante espacio libre, está poco ocupado, remarcando una cierta ausencia de la vida de la calle, a excepción del tráfico rodado. De hecho la ruptura de los frentes de los edificios, los retranqueos de las fachadas y los casi inexistentes zócalos comerciales en las plantas bajas, hacen que estos grandes boulevares tenga como única función la distribución de la movilidad y bien poco que ver con la vitalidad de un espacio ciudadano. (López de Lucio 2011b, López de Lucio 2011a)

El distrito de Moratalaz - Madrid Los casos de estudio seleccionados se sitúan en el distrito de Moratalaz situado en la zona sur-este de la ciudad, entre la M-30 y la M-40, limitada a norte por la R3 y a sur por la A-3. El conjunto del distrito tiene una superficie de 634,42 hectáreas y una población de 101.112 (Padrón Municipal 2011) cuyo nivel socio-económico puede calificarse de medio a tenor de su indicador de Renta Disponible Bruta per cápita, según los datos del 2006. El distrito consta con 6 barrios y las áreas de estudio han sido seleccionadas en 3 de ellos.

El distrito es una zona de expansión construida en 1970 gracias a los programas públicos del Ministerio de Vivienda y otras promociones privadas, caracterizadas por edificios en bloque abiertos de altura media de cinco plantas.(Tumini and Higueras 2011). En aquellas actuaciones de viviendas públicas en el área de Moratalaz se opta por una novedosa composición de supermanzana y bloques abiertos de distinta altura y configuración. Con esta nueva solución es posible obtener una alta densidad de miles de viviendas en parcelas que miden de media 2-3 hectáreas, crear una complejidad tipológica y de las funciones, abaratar los costes de urbanización dada la menor repercusión del viario rodado en la parcela además de la libertad de composición que deja el bloque abierto que permite componer y distribuir volumetría atendiendo solo a los limites de edificabilidad y de distancia entre edificios.

El viario se organiza principalmente en la calle Encomienda de Pavones y calle de la Fuente de Carrantona dejando que las áreas interbloque tengan un uso principalmente dedicado a espacios libre y el viario peatonal. Las áreas de



expansión de 1970 se caracterizan por una organización urbana muy novedosa para la época, fundamentada en una estructura racionalista, con edificios residenciales en bloques abiertos sobre pilotis, grandes espacios ajardinados entre edificios y la creación de los boulevares arbolados para la viabilidad peatonal que han empezado a ser utilizados por la población solo en los últimos años. La gran liberación de espacio público genera una trama urbana ideal para el desarrollo de las relaciones e intercambios sociales.

Este modelo no está exento de críticas tanto de los medios sociales como profesionales, entre las más destacadas:

• La disolución del concepto de espacio público bien acotado, privado y comunitario.

• La pérdida de parcelario que genera una confusión en la titularidad del espacio.

• La dificultad de orientación entre las caprichosas e incomprensibles formas construidas, que a veces no siguen ningún criterio de orientación.

• Falta de aparcamientos y servicios como el comercio de proximidad.

• Difícil conservación del espacio libre, que ha ido progresivamente degradándose y perdiendo de forma e identidad

• La creciente inseguridad que se han desarrollados en estos tejidos.

Es por estas razones que desde el final del 1970 vuelve a reaparecer el modelo de manzana cerrada, que en los últimos decenios se han desarrollado en verdaderas urbanizaciones cerradas protegidas desde el exterior con acceso limitado a los residentes. (Ardura and Gómez) (ver planos y fotos del área en los Anexo III de imágenes)



Imagen 5.4. Visión aérea de la ciudad de Madrid con localización del área de estudio. Elaboración propia a partir de imagen de googlemaps.

Los elementos que han influido en la selección del barrio para el estudio han sido:

• La accesibilidad.

• La seguridad en la realización de las mediciones.

• La posibilidad de encontrar en un radio inferior al km las dos tipologías de edificios en bloque y manzana cerrada.

• La condición de degradación del área que, en el reciente informe del Observatorio de la Vulnerabilidad de España, ha sido considerada barrio vulnerable.

• La posibilidad de disponer de datos de temperatura y de calidad del aire medido por la estación de vigilancia del Sistema Integral de Calidad del Aire de la ciudad de Madrid, posicionado en el edificio de la Junta de distrito de Moratalaz.



Dado que la construcción de muchos de los polígonos fue fruto de las primeras iniciativas privadas de edificación a gran escala en Madrid entre los años 60 y 70 del siglo XX, se puede comprender que el distrito fue diseñado en origen, como una “ciudad dormitorio”. En este sentido resulta muy significativa su elevada densidad media, 168 hab/ha, muy superior a la del Municipio de Madrid que se de alrededor de 53 hab/Ha (López de Lucio R. and Higueras E. 2010). El barrio se puede definir como un barrio de uso fundamentalmente residencial consolidado, dotados de los principales servicios (centros de salud, colegios, guardarías), zonas comerciales (tiendas, mercados y supermercados de tamaño medio), un centro cultural juvenil, un centro para mayores y un polideportivo comunal. Situada poco a poca distancia de la almendra central de Madrid, no cuenta con instalaciones industriales que produzcan contaminación o impactos negativos como en otras zonas de la ciudad.

En relación a la movilidad, la carretera de Fuente Cantarrona y el Camino de Vinateros son sin duda los grandes colectores vehiculares del distrito, destacando además las concentraciones puntuales en los accesos al distrito norte, desde el eje de O’Donell, y en el sur, desde la A3, además de la glorieta de Moratalaz. En el interior de las parcelas se presenta una situación de acceso y una viabilidad fragmentada que dificultan la reconocibilidad y la orientación. El área es servida por la línea 9 del metro que la une directamente con puntos clave de la ciudad como Chamartin, Avda. de América y O’Donell y de los barrios periurbanos de Vicálvaro, Rivas Vaciamadrid y Arganda en el otro sentido. El sistema de transporte público está integrado por el servicio de red de autobuses que recorren gran parte del viario más importante.

Sin embargo, de los últimos estudios del observatorio de barrios vulnerables de España, el barrio supera los índices de vulnerabilidad sobre todo en temas sociales debido a la alta tasa de paro, al alto porcentaje de analfabetismo, además de los problemas de delincuencia y de los problemas ambientales debido al ruido. En lo relativo a las edificaciones, no se registran viviendas con más de 50 años, en muy mal estado o sin servicios. A pesar de eso, las edificaciones son de baja calidad y sin ascensores, lo que empieza a constituir un problema en un barrio donde más del 24% de la población está constituida por gente mayor de 64 años. El espacio público, aunque caracterizado por amplios espacios verdes consolidados y recorridos peatonales, se encuentra en un mal estado de conservación y con una topografía en algunos casos accidentada.

En el distrito se realizó en el pasado un estudio para un Plan Especial de Mejora de la calidad Ambiental del Espacio Público de dos polígonos, el A y el C que se



encuentran en el límite Sur-Oeste del distrito. En este trabajo se realiza un diagnostico de los dos polígonos de estudio cuyas conclusiones principales se pueden considerar validas también para los restantes polígonos edificados en la misma época.

El proyecto de reforma fija los siguientes objetivos:

A. La reducción de las emisiones contaminantes y del ruido, en particular, las derivadas de la circulación automóvil, potenciando los desplazamientos no motorizados y en transporte público, desincentivando el uso del automóvil y el control de los aparcamientos.

B. La recuperación del ciclo natural del agua y, aumentando el porcentaje de agua de lluvia que se reintegra a las capas freáticas y reduciendo el consumo de agua del abastecimiento municipal para el riego de jardines y aún para el consumo de los residentes.

C. La reducción del consumo de energías no renovables y su sustitución por energías renovables, mejorando el comportamiento térmico de los edificios y con la introducción de la energía renovable fotovoltaica en edificios e instalaciones urbanas, la mejora de las condiciones de aislamiento térmico y acústico de los edificios.

D. La mejora de las condiciones paisajísticas del ámbito, mediante la reducción de la presencia de automóviles, en movimiento o estacionados y eliminando la monotonía en el paisaje cambiando los colores de los edificios, en la vegetación e introduciendo agua en el paisaje.

E. La mejora de la funcionalidad del espacio libre a través de la adjudicación de funciones concretas a cada espacio interbloque, desde su integración en la nueva red peatonal y ciclista interna hasta otras más innovadoras, como la creación de huertos comunitarios.

F. La mejora de las condiciones de habitabilidad del barrio, dando la posibilidad de ampliación de las viviendas, dotándolos de servicios y equipamientos complementarios.

G. La potenciación de la integración social y la vitalidad económica, sobre todo gracias a la mejora en las condiciones de seguridad percibida, de la identidad y la promoción de núcleos de actividad productiva, lúdica y deportiva.

Las primeras dos áreas de estudio seleccionadas, aunque no coincidentes con los dos polígonos A y C, se corresponden en muchas cosas, tanto que las propuestas de reforma podrían extenderse a todas las áreas del distrito edificadas entre los años 1960-1980.



Descripción de los casos de estudio La primera área de estudio localizada en el barrio de Pavones está constituida por edificios en bloque aislados de XI plantas y de V plantas combinados, caracterizados por la presencia de soportales a lo largo de todo el perímetro con orientación NE-SO con una inclinación 27º acimut sur. La organización del espacio libre entre los edificios se caracteriza por la presencia de avenidas arboladas y en el centro del área seleccionada se sitúa un gran aparcamiento con suelo de asfalto y sin ningún tipo de protección solar. La segunda área de estudio en el barrio de Fontarrón se conforma por edificios de V plantas posicionados perimetralmente en la manzana en cuyo interior hay espacios verdes, zonas con arena y arboles aislados. La orientación es de NE-SO con una inclinación respecto del sur de 48º. Estas dos zonas corresponden a las acciones de edificación de los programas públicos realizados a principios de la segunda mitad del siglo anterior.

a)Pavones b) Fontarrón

Figura 5.4 Ortofotomapa del distrito de Moratalaz en el 1975. En esta imagen se pueden ver las dos urbanizaciones de estudio en un área todavía en expansión. Fuente: Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. Comunidad de Madrid.

La tercera área de estudio está situada entre las parcelas pertenecientes al barrio de Horcajo y de Marroquina y delimita el perímetro de 4 edificios en bloque de manzana cerrada. Este tercer caso de estudio se ha elegido porque corresponde a un área urbanizada en época reciente, y la organización urbana es totalmente diferente a las anteriores: la tipología de los edificios es de manzana cerrada, atravesada por la carretera de alta densidad de tráfico de calle de fuente Carrantona y calles entre bloques de doble sentido con baja densidad de trafico y aparcamientos en líneas. De ahora en adelante indicaremos el área 1 como Pavones, el área 2 como Fotarrón y Horcajo el área 3. En la Figura 5.5 y 5.6 se muestra la Ortofotomapa de las dos áreas de 2011 de las tres áreas.



Figura 5.5. Visualización aérea de las tres áreas de estudio, localización en el barrio de Moratalaz. Elaboración propia a partir de las imágenes obtenidas de la Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. Comunidad de Madrid.

Pavones



Fontarrón

Horcajo

Figura 5.6. Ortofotomapa del distrito de Moratalaz en 2011. En estas tres imágenes se pueden ver las áreas de estudio en el entorno actual completamente urbanizado. Fuente: Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. Comunidad de Madrid.

Los principales rasgos que identifican las áreas seleccionadas son los siguientes:

• Las áreas se localiza en la parte centro y este del distrito, muy próximos a la A-3. Tienen una superficie de 2,88 Ha en Pavones, 2,09Ha el área de Fontarrón y 4,52Ha la de Horcajo en la que se ubican respectivamente



192, 298 y 464 viviendas con una densidad media de alrededor de 100 viviendas por hectárea.

• Las dos áreas de Fontarrón y Pavones se localizan sobre una ladera que desciende hacía el sur-oeste, mientras que la tercera se sitúa en una ladera con descendiente contraria siendo la calle de Luís de Hoyos Sáinz el punto de inflexión. Como consecuencia de los movimientos de tierra realizados para implantar las edificaciones y los accesos, las parcelas de las primeras dos áreas presentan muchos cambios de cotas, a veces bruscos, que crean una movilidad peatonal fragmentada y dificultad para el acceso universal. La tercera área presenta una organización espacial muy diferente, ordenada y sin saltos de cota.

• Como se ha indicado anteriormente, los barrios de Fontarrón y de Pavones están edificados con una tipología de bloque aislado, con grupos de edificaciones idénticas agrupadas bajo diferente morfología. En Fontarrón los edificios son todos de V plantas y están organizados con una disposición de patio colocándose alrededor de las plazas peatonales ajardinadas, mientras que en Pavones existen dos tipos de edificios: edificios de desarrollo lineal de altura de V plantas y bloques en altura de XI plantas. El caso de Horcajo es un área con una tipología edificatoria de manzana cerrada de VI plantas, en la última planta hay un retranqueo de las viviendas para dar la posibilidad de realizar terrazas en los áticos.

• Los espacios interbloques son mayoritariamente de uso público: verde urbano, paseos peatonales y aparcamientos. La urbanización interior se caracteriza por la presencia mayoritaria de zonas de terrizas cruzadas por sendas peatonales pavimentadas, los saltos de cotas se resuelven principalmente con escaleras limitando en algunos casos la accesibilidad de los recorridos. En el caso de Horcajo las superficies peatonales son pavimentaciones duras con intervalos de parterre con arbustos o los alcorques de los arboles en las aceras.

• Como se ha señalado anteriormente el distrito es principalmente residencial, las actividades productivas son prácticamente ausentes y los pequeños comercios se colocan en las plantas bajas, concentrados en las zonas de los boulevares del barrio de Pavones y en los frentes de las calle de la Fuente de Carrantona.

• También en el paisaje las dos tipologías urbanas presentan muchas diferencias. Las dos áreas de edificaciones de bloques aislados se



caracterizan por tener una gran superficie en el interior de las parcelas para la viabilidad peatonal. Esta circunstancia, que en principio podría parecer favorable, no está convenientemente aprovechada, de forma que el paisaje interior presenta una degradación y una falta de identidad debido principalmente a la presencia de bloque iguales, del mismo color, de la misma forma, configurando un espacio exterior monótono y sin identidad. A su favor se puede destacar la abundante presencia de arboles frondosos, de alto porte, en mayoría acacias, hipo castaños pero también pinos y olmos que mejoran la visión además de dar frescor y sombra al espacio abierto. En la tercera área de estudio la presencia del automóvil es preponderante, las carreteras y los aparcamientos en línea son los que más impactan la visión. Aunque se hayan plantado muchos arboles a lo largo de la carretera y en las aceras, su tamaño es todavía muy pequeño así que no mejoran ni la sensación visual, ni la sensación térmica del espacio exterior. (López de Lucio R and Higueras E. 2010)

Para las finalidades de esta investigación, que es mejorar el confort térmico del espacio público, es interesante hacer algunas pequeñas observaciones sobre el uso que hacen de él los ciudadanos. En este caso también debemos distinguir entre los diferentes casos de estudio, sobre todo entre las dos áreas de bloques aislados que son mayormente frecuentadas que la tercera.

En el caso de Fontarrón las zonas mayoritariamente ocupadas son las plazas peatonales entre bloque donde las personas mayores pasean o descansan en los asientos y los niños juegan, a diferencia del espacio ajardinado entre los edificios que sirve solo de acceso a las viviendas. La plaza y los parques son también punto de reunión de los jóvenes que empiezan a ocupar este espacio desde mediados de la tarde en adelante. Las personas mayores y los niños salen a la calle sobre todo en la mañana y desde mediados de la tarde, mientras que las personas entre la franja de edad laboral, hacen uso de este espacio de forma más esporádica, principalmente a la vuelta del trabajo, para pasear a los perros o para ir a hacer la compra.

En el área de Pavones se observa el mismo patrón de comportamiento, pero con algunas diferencias. En este caso la zona donde se produce una mayor concentración de personas es en las zonas de los boulevares arbolados que ofrecen un espacio para el paseo y el descanso de las personas mayores, espacio para pasear los perros, pasear y jugar con los niños, sentarse en las terrazas de los bares y restaurantes. Aunque el mobiliario y los materiales de acabado sean de baja calidad, los arboles frondosos y de hoja caduca proporcionan un ambiente



sombreado y fresco en verano y soleado en invierno, sobre todo en la mañana, creando así un espacio muy agradable también en la temporada fría. A partir de mediados de la tarde y sobre todo en el fin de semana, además de los mayores y los niños, el espacio publico es frecuentado también por las personas que hacen deporte, pasean o se sientan a leer o hablar, sobre todo en las zonas de los parques.

Figura 5.7. Zona de los boulevares arbolados del barrio de Pavones, foto realizada a las 12 de la mañana en un día de Invierno

Totalmente distinto es el uso del espacio público del área de Horcajo, donde el flujo de peatones en las calles entre bloques y en las aceras de la carretera es limitado a las personas que quieren acceder a las viviendas o ir a las diferentes áreas verdes para realizar actividades estanciales como el juego de los niños o el descanso. La gran cantidad de tráfico de la carretera y el espacio que proporciona poca protección de los agentes atmosféricos, hacen que también las terrazas de las actividades en calle de la Fuente de Carrantona sean poco frecuentadas. En general podemos decir que el uso que hacen los ciudadanos de este espacio es principalmente de acceso a las viviendas o a los servicios, y que las actividades estanciales se concentran en las áreas verdes equipadas.



Figura 5.8. Calle de la Fuente de Carrantona, foto realizada a las 12 de la mañana en un día de invierno.

Caracterización de las áreas

Para caracterizar los barrios se toman de referencia los indicadores desarrollados por Salvador Rueda para el Plan Especial de Indicadores de Sostenibilidad Ambiental de la actividad urbanística de Sevilla (2006) y los empleados para el Plan de Movilidad de Victoria (2011). En el plan Especial de Sevilla se proponen, en el ámbito de la estructura física, una densidad edificatoria y una compacidad46 suficientes para generar proximidad entre usos y funciones y para generar un espacio publico promotor de una idea de ciudad. También por lo que se refiere al espacio publico, en este plan se busca el equilibrio entre las superficies dedicadas a la funcionalidad y organización de la ciudad y la dedicada al ciudadano para el descanso, el ocio, el deporte y el contacto con el verde. (Rueda 2006)

Estos indicadores han sido desarrollados con el objetivo de realizar una herramienta previa para la formulación de la planificación urbanística, de primer orden para construir un modelo de ciudad más sostenible. En este trabajo los mismos indicadores serán empleados para el análisis y caracterización de las

46 Compacidad. En un ambiente urbano expresa la idea de proximidad de los componentes que conforman la ciudad, es decir, la reunión en un espacio más o menos limitado de los usos y las funciones urbanas. La compacidad por tanto, facilita el contacto, el intercambio, la comunicación y la generación de las relaciones que son la esencia de la ciudad. (Rueda , 2010)



áreas de estudio, con lo que los valores de referencia se emplearán solo como elementos descriptivos y de diagnosis del estado actual y no como herramienta de proyecto. Para esta fase se seleccionan algunos de los indicadores tratados por Rueda, los más adecuados para una caracterización del espacio exterior en relación a las condiciones microclimáticas que son los de morfología urbana, biodiversidad y espacio público.

M o r f o l o g í a u r b a n a Estos indicadores han sido seleccionados por su capacidad de describir la estructura física urbana.

• Densidad edificatoria D=Nviv [n]/Sup tot [ha]

El objetivo del indicador es ordenar la expansión y remodelación urbana para prevenir la proliferación de la ciudad difusa y de su difusión en el territorio. Las ciudades difusas suman a la extensa ocupación del suelo, la ineficiencia en los sistemas de transporte fomentando el uso del coche privado, el alto coste de mantenimiento y de tiempo. Además la dispersión de la población en el territorio favorece el aislamiento de las personas y dificultan las relaciones vecinales y los vínculos de identidad con el espacio. En el Plan especial de Indicadores para Sevilla se fija como valor de densidad mínima edificatoria de 45 viv/ha y como valor recomendado 60 viv/ha. (Reuda S. 2006)

• Compacidad Absoluta C=Volumen edificado [m3]/unidad de superficie urbana [m2]

Con este indicador se quiere medir la presión que ejerce el edificado sobre el tejido urbano. La compacidad es el eje de la sostenibilidad que incide en la forma física de la ciudad, en la funcionalidad y más en general en la ocupación del territorio. Expresa en el ámbito urbano la idea de proximidad de los componentes que conforman la ciudad, es decir la capacidad de reunir en un espacio limitado todas las funciones urbanas. Una ciudad compacta es una ciudad más sostenible porque permite una mayor eficiencia en el uso de los recursos y en primer lugar el recurso del suelo. Permite ser más eficiente en la gestión de la movilidad y, si evitamos la creación de polos monofuncionales, podemos asegurar la complejidad facilitando el contacto, el intercambio y la comunicación que son la esencia de la ciudad. (Reuda S. 2006)

• Relación H/W

Este factor es uno de los principales indicadores empleados en la bibliografía sobre el tema de clima urbano para caracterizar la morfología del espacio



construido. La relación entre altura de los edificios y ancho de calle afecta a muchos elementos que condicionan el comportamiento térmico de los espacios, entre ellos la absorción solar, el SVF, la trasmisión del calor por radiación y la convección dentro de los cañones. (Santamouris M. 2001)

B i o d i v e r s i d a d • Índice de permeabilidad IP= Σ(factor por tipo de suelo*área) [m2]/unidad

de superficie total [m2] ·100

El objetivo de este indicador es reducir el sellado y la impermeabilización del suelo. Es conocido que el primer efecto de la urbanización es que impide el cierre del ciclo natural del agua. Las aguas de lluvia que caen sobre las superficies impermeables de la ciudad son recogidas por los sistemas de alcantarillado y llevadas a plantas de tratamiento, sustrayéndola así al ciclo natural de lluvia-infiltración-evapotranspiración, creando problemas no solo al ecosistema, sino además al sistema de gestión de aguas. Es de gran importancia que en las ciudades también, se asegure una superficie mínima permeable dejando áreas en estado natural o usando suelos semipermeables. En la actualidad se están desarrollando muchos sistemas de acabado superficial para los suelos que permiten la infiltración y evaporación de las aguas meteóricas y que por eso se consideran semipermeables. Rueda, para los indicadores de Sevilla, define una clasificación de los suelos a los cuales asigna un factor en relación a su permeabilidad. Finalmente se define un valor de referencia mínimo del 30%, proponiendo una serie de medidas compensativas para aquellos lugares que no lo alcanzan.

Tipo de Superficie Factor Descripción del tipo de superficie Superficie impermeabilizada 0 Pavimento impermeable (respecto aire y agua) y sin plantaciones

(como asfalto, losa con capa de pavimento de hormigón) Superficie parcialmente impermeabilizada

0,3 Pavimentos que permiten el traspaso de aire y agua, normalmente sin plantaciones (como pavimentos de piedras, con caja de pavimento de grava/arena)

Superficie semipermeable 0,5

Pavimentos que permiten el traspaso de aire y agua y infiltración, con plantaciones (como sablón, madera, losa calada con tierra vegetal fértil, pavimentos de piedras con caja de pavimento de grava/arena)

Espacio verde con conexión con el suelo natural

0,5 Espacio con vegetación sobre parkings o sótanos, cubiertas verdes intensivas con menos de 80 cm de tierra vegetal fértil.

Espacio verde con conexión con el suelo natural

0,7 Espacio con vegetación de más de 80 cm de tierra vegetal fértil.

Espacio verde sobre suelo natural 1 Tierra vegetal disponible para el desarrollo de flora y fauna.

Tabla 5.2. Valores de los índices de permeabilidad. Fuente: Rueda 2006.



• Asignación de árboles por superficie construida. Ar=Numero de arboles [n]/superficie construida [m2]

El objetivo de este indicador es asignar una superficie arbolada idónea para las condiciones de la trama urbana, entendiendo como superficie arbolada la proyección en el suelo de la copa de los arboles. Esta cantidad no puede ser fijada de forma unívoca para todos los tipos de trama: no cabe duda que no puede ser la misma cantidad en un casco histórico compacto que en un nuevo desarrollo de viviendas unifamiliares. Por esta razón Rueda indica que en primer lugar es necesario definir la tipología de tejido urbano que se generará a partir de los nuevos proyectos. Por ejemplo define unos rangos por tipo de calle que va en una cantidad de arboles por km de longitud o una cantidad por m2 construido si nos referimos a tipología de edificado. Una información complementaria puede ser proporcionada, da la relación entre superficie arbolada por numero de habitantes, porque nos da una indicación de la cantidad de personas que harán uso de este espacio. (Reuda S. 2006)

E s p a c i o p u b l i c o • Porcentaje de viario. Vtm=Σ(viario motorizado) [m2]/Sup tot de viario [m2]

En las ciudades modernas el espacio público ha sido destinado preferentemente al servicio de los coches (calles y aparcamientos), quitando cada vez más importancia a las otras funciones y a los otros sistemas de movilidad (transporte público, bicicleta, peatones). Uno de los ejes principales de la propuesta de Rueda se basa en el cambio de la movilidad urbana, apostando por la reducción de la hegemonía del coche a favor de que el espacio público recupere sus funciones de convivencia, ocio, descanso y socialización. La propuesta se basa en la creación de la supermazana para reinventar el espacio público y los modos de transporte a corta distancia. El sistema se basa en la definición de un sistema viario básico, posiblemente ortogonal y con cruce de aproximadamente 400 metros donde circulan los medios de transporte motorizados, en sentido único a una velocidad constante entre los 30 y los 50 km/h, que sirven para los desplazamientos de larga distancia. El desplazamiento de los coches en las vías principales dejará mucho espacio libre en el interior de la supermanzana que podrá destinarse a otros usos de ocio y descanso y a la circulación con otros sistemas de transporte no motorizados.(Rueda 2006)

Para la descripción de las tres áreas de estudio se ha procedido a la valoración de los indicadores detallados con antelación. Aunque la evaluación ambiental del estado actual no es objeto de este trabajo, se ha procedido a la valoración de los



indicadores en las áreas de estudio con el objetivo de realizar una comparativa entre ellas y, sobre todo, poder orientar las propuestas de rehabilitación urbana hacía una mayor sostenibilidad. La evaluación y diagnosis del estado actual se ha realizado a partir de las indicaciones aportadas por Rueda para los indicadores de Plan Especial de Sevilla. (Reuda 2006)

En la tabla a continuación se detallan los valores obtenidos en las tres áreas, en la primera columna se indica el valor de referencia y al lado la evaluación según la

escala favorable, aceptable, desfavorable. El indicador H/W se ha

representado en los mapas que aparecen en el Anexo III.

Rangos Pavones Fontarrón Horcajo Densidad edificatoria

66,67 142,58 102,65

60 viv/ha Compacidad Absoluta

3,94 3,33 4,87

5-7,5 m

Índice di Permeabilidad

27% 23% 6% 30% % de viario

57% 37% 59%

<25%

Asignaciones de Arboles

0,09 0,15 0,07 1al/20m2

Tabla 5.3. Evaluación de indicadores para los tres casos de estudio. Elaboración propia.

Conclusiones parciales: caracterización y diagnosis de las

áreas de estudio Como se puede ver, a excepción del primer indicador de la densidad urbana, los restantes cuatros tienen valores por debajo de los aconsejados por Rueda, lo que trasmite una visión de la poca calidad ambiental de estos espacios. Del análisis individual de cada uno de los indicadores se puede ver que, a diferencia de lo que se piensa, las tipologías urbanas racionalistas, con edificios en bloque y mucho espacio verde, pueden permitir también altas densidades, aunque la compacidad es muy baja con lo que podemos decir que la presión que ejerce el edificado sobre el territorio es muy alta. En Horcajo, caracterizado por edificios de manzana cerrada vemos que se produce una densidad y una compacidad más alta que en los otros dos casos con lo que podemos decir que en relación con la morfología esta tipología es más cercana a los valores de sostenibilidad.

Sin embargo, en relación a los aspectos de biodiversidad y espacio público vemos que el área de Horcajo tiene valores más bajos en asignación de árboles, en



porcentaje de viario y en el índice de permeabilidad. Es justo este valor el que más se aleja de los indicadores recomendados, lo que demuestra la tendencia que se ha ido desarrollando en las urbanizaciones modernas de impermeabilizar los suelos, pavimentando también los recorridos peatonales o las áreas para el juego de los niños.

Las tres áreas tienen un porcentaje alto de viarios subrayando el predominio del coche sobre otros sistemas de transporte. Sobre todo en Pavones eso es debido a la importante cantidad de espacio dedicada a aparcamiento de superficie. Dicho problema se podría resolver eficazmente con la realización de un aparcamiento enterrado multiplanta que pudiera servir a todo el barrio, proceso que se está llevando a cabo en otros lugares de Madrid, liberando así superficie a nivel de la calle para uso público.

El enterramiento de los aparcamientos sustituido a ras de suelo con espacios públicos verdes con arboles, parterres y zonas ajardinadas, permitiría aumentar la superficie permeable alcanzando así los mínimos recomendados en el área de Pavones y Fontarrón. La morfología del barrio de Horcajo no permite conseguir los valores recomendados de permeabilidad solo con el aumento de las zonas verdes. Una solución alternativa podría ser la sustitución de las superficies duras de los aparcamientos y los recorridos peatonales por otras soluciones constructivas que permiten la infiltración del agua como los pavimentos ecológicos.

El valor que resulta muy inferior a las recomendaciones es el relativo al número de árboles, tanto que resulta muy poco probable, por no decir imposible, conseguir estos valores ya que se debería multiplicar por 10 la cantidad de árboles. A la luz de eso han surgido dudas en la aplicabilidad de dichos rangos a los espacios urbanos ya que un número tan elevado de árboles supondría muy poca densidad de edificado, una muy baja compacidad y un elevado coste de mantenimiento por el riego y el cuidado de los espacios verdes.



6. APLICACIÓN DE LA TÉCNICA DE EVALUACIÓN

En el presente capitulo se describe el trabajo de investigación realizado con la finalidad de demostrar de las hipótesis de partida. Se introduce el trabajo con la explicación de la metodología de investigación indicando las diferentes fases y a continuación el detalle de los trabajos realizados en cada fase y las herramientas empleadas. Los resultados y las conclusiones se discuten en los siguientes capítulos.

Diseño de la metodología de investigación En el capítulo de introducción ya se ha explicado la metodología de investigación que se ha decidido adoptar. Se presentan ahora las fases secuenciales que se han producido en el trascurso de la investigación, las dificultades encontradas que han justificado la decisión de optar por un camino o por el otro y, en algunos casos, replantear el enfoque metodológico inicial.

La metodología de investigación ha sido diseñada teniendo en consideración el objetivo de partida que es proponer estrategias de diseño bioclimático para la mejora de los espacios construidos hacia una mejora del confort térmico de las personas. De la revisión del estado del arte en el tema, se encuentra que el problema del confort de las personas en los espacios ciudadanos exteriores es objeto de investigación desde los años ’70 del siglo anterior. (Houghton y Yaglou 1923, Olgyay 1970, Givoni 1976, Oke 1978) El problema de las condiciones térmicas de las zonas urbanas puede ser tratado con diferentes enfoques, dependiendo de los objetivos y el aspecto concreto que se quiere investigar. De hecho son muchas las cuestiones relacionadas con el microclima urbano, desde el consumo energético, la contaminación del aire hasta temas más subjetivos como la experiencia de los ciudadanos en un espacio.

El enfoque metodológico experimental es seguramente uno de los más empleados, y es gracias a las observaciones de los fenómenos reales que se han



podido formular la gran mayoría de las teorías comúnmente empleadas hoy en día. También en las investigaciones que se basan en las formulaciones teóricas, se acude a las observaciones del comportamiento real para validar los modelos desarrollados. (Eliasson et al. 2007, Gulyás et al. 2006, Nikolopoulou et al. 2001, Oke 1988, Ali-Toudert, Mayer 2006, Robinson et al. 2007, Oliveira Panão et al. 2009)

Sin embargo los sistemas empíricos, basados en un trabajo de campo tienen muchas limitaciones. Como se ha indicado más detalladamente en el capítulo 4, los trabajo basado en las mediciones un situ son caros, requieren muchos equipos, técnicos especializados, gran inversión de tiempo, y la formulación de teorías es muy difícil debido a la cantidad de factores que influyen en el microclima además de la limitada aplicabilidad de las conclusiones a otros lugares. (Mirzaei, Haghighat 2010) En esta investigación se añade un elemento más de dificultad que es la voluntad de concentrarse en el espacio construido y en los trabajos de rehabilitación del espacio urbano. De la revisión bibliográfica realizada, el tema de la rehabilitación energética de porciones de ciudad está muy poco explorado, concentrándose normalmente en la nueva construcción para los espacios urbanos y limitando el proceso de la rehabilitación energética a los edificios. Nace la necesidad de, a partir de los trabajos precedentes, proponer una metodología de investigación capaz de alcanzar los objetivos prefijados.

Se decide emplear un enfoque analítico de investigación aplicada, basada en el estudio de casos reales y en el análisis de diferentes escenarios hipotéticos para la comprobación de los efectos producidos por la modificación de los elementos de diseño urbano. En los últimos años las investigaciones se están orientando hacía este tipo de enfoque por dos razones principales:

a) Son el sistema más adecuado para resaltar las interconexiones entre elementos de la estructura urbana, el microclima y el confort de las personas, facilitando la formulación de pautas de diseño.

b) Son poco onerosos en tiempo y dinero si se comparan con los estudios de campo que necesitan de un extenso proceso de medición de datos y la comparación de muchos casos de estudio. (Ali-Toudert and Mayer 2007)

Una vez seleccionadas las áreas que se han tomado como casos de estudio, se decide proceder en la investigación según las siguientes fases:

Fase I – Realización del modelo para la simulación de las condiciones microclimáticas de las áreas de estudio. Una vez que han sido seleccionadas las



herramientas más adecuadas para alcanzar los objetivos de la tesis, se ha procedido a la definición del modelo para la realización de la simulación del estado actual del área. En esta primera fase las simulaciones se realizan con fines cognitivos para testar el funcionamiento y las posibilidades del software.

Fase II – Realización de la campaña de mediciones in situ y validación del modelo de cálculo, para recopilar datos reales que puedan dar una visión global del comportamiento del área. El objetivo es poder validar el modelo matemático con las observaciones reales. Las medidas puntuales realizadas no permiten obtener los datos para la comparación con los resultados de la simulación. Se ha optado entonces por analizar los datos medidos por la estación meteorológica del Sistema Integral de Calidad del aire de Madrid (SIM) situada en el edificio de la Junta Municipal de Moratalaz, a una distancia inferior a un km de los tres casos de estudio. La Validación de la herramienta de cálculo se realiza a través de la revisión de la literatura relacionada y con la comparación con los datos recopilado por las estaciones meteorológicas. Se realizan por eso simulaciones en las dos condiciones de invierno y verano para, por un lado, testar el funcionamiento del software, y por otro, analizar los casos de estudio.

Fase III - Análisis de los casos de estudio en relación a las condiciones microclimáticas y al confort térmico, que ha servido para conocer el comportamiento térmico en las dos diferentes temporadas y encontrar las criticidad de cada área en relación al confort. Este último punto es de particular importancia porque ha servido para orientar la propuesta de estudio de los escenarios hipotéticos.

Fase IV – Realización de los escenarios hipotéticos y estudio comparativo. Se diseñan los diferentes escenarios de proyecto teniendo en cuenta las características de los casos de estudio, las posibilidades del software de simulación y su aplicabilidad a los casos reales. Se realizan entonces una serie de simulaciones de varios escenarios cambiando un parámetro a la vez. La decisión de testar escenarios similares donde solo se modifica un elemento a la vez se justifica por la necesidad de tener un control sobre los efectos producidos por cada uno de los elementos. La evaluación se realiza por comparación con el estado inicial. De esta manera se puede evaluar la aplicación de la medida en sí, superando el problema de la incertidumbre en la validez de los valores absolutos. La evaluación de las medidas se realiza a través del índice de confort que define la mejora del bienestar térmico en los espacios exteriores.



Fase V – Definición de las estrategias de diseño y realización del nomograma47 de resumen. Finalmente los resultados obtenidos son organizados en un nomograma en el que aparece la evaluación de varias medidas aplicadas a las diferentes porciones urbanas y que puede servir como soporte válido para el diseño de los proyectos de rehabilitación urbana.

Campaña de mediciones en situ Las investigaciones sobre el efecto de Isla de Calor Urbana que tienen un enfoque en la observación de los valores obtenidos de las campañas de mediciones, se basan en la comparación entre los valores registrados en un entorno urbano frente a los del espacio rural. Esto supone el uso de técnicas de análisis estadísticos de las diferencias comprobadas en una campaña de medición realizada simultáneamente en el espacio rural y urbano con equipos fijos o móviles. Estos sistemas son muy útiles para realizar los mapas térmicos en los que se dibuja la distribución y la intensidad de la ICU. (Mirzaei and Haghighat 2010, Acero 2012)

En este apartado se va a describir la campaña de medición realizada sólo con fines ilustrativos, ya que finalmente los datos recopilados no han sido utilizados. El objetivo inicial de la realización de la campaña era la validación del modelo, cosa que no ha sido posible porque la muestra no ha resultado suficientemente representativa. Se formulan unas observaciones y criticas con el propósito de que puedan servir de referencia para investigaciones futuras, así como algunas sugerencias y recomendaciones.

La elección de los tipos de equipos, su colocación y el tiempo de medición depende de los objetivo del estudio. En la presente investigación el objetivo de la campaña de mediciones en situ es la validación de las herramientas de simulación y de cálculo que se adoptarán en la evaluación de los escenarios. De la bibliografía consultada resulta muy difícil obtener una parametrización de la influencia de los diferentes elementos del espacio construido a través de las observaciones estadísticas, ya que en el entorno urbano entran en juego muchos factores de contexto que pueden cambiar enormemente los resultados y que son difíciles de estimar. Lo demuestran los resultados presentados por Cárdenas (2011) donde, aunque se demuestre la existencia de un patrón bioclimático

47 Nomograma. Representación grafica bidimensional que permite realizar con rapidez cálculos numéricos aproximados. (RAE) En este trabajo de tesis se realiza una tabla donde se relacionan las diferentes medidas a una mejora obtenida en la sensación térmica en los espacios exteriores.



relacionado con la morfología urbana, no ha sido posible cuantificar la influencia de cada parámetro en el entorno urbano. (Cardenas Jiron 2010)

Se realiza una revisión bibliográfica para orientar la metodología de toma de datos del trabajo de campo. En un estudio realizado en Salónica por Chatzidimitriou y otros (2004) se efectúan 3 días de mediciones en los meses de mayo y junio con una medición puntual cada 4 horas (Chatzidimitriou and Yannas 2004). En el trabajo de investigación realizado en Tel-Aviv por Limor Shashua-Bara (2010) para comprobar la validez del modelo CTTC realizan mediciones in situ de la temperatura de bulbo húmedo, en las horas 6:00; 9:00; 15:00; 18:00 y 24:00 con equipos instalados a una altura aproximada de 1,80 metros del suelo. Destacar que, de los datos recogidos de más de 100 estaciones posicionadas para el estudio de 11 lugares, las temperaturas registradas a las 15:00 han sido las más críticas. (Shashua-Bar, Tsiros and Hoffman 2010). Cárdenas (2010) para la caracterización bioclimática de los tejidos urbanos se basa en un estudio de campo realizando mediciones a las 8:00h, 12:00h, 16:00, 20:00h.(Cardenas Jiron 2010)

Se decide realizar las mediciones in situ de 9:00 a 21:00 con toma de datos en intervalos de 3 horas, recogiendo los datos con equipo móvil en puntos característicos de las tres áreas de estudio alcanzando las diferentes estaciones en un lapso de tiempo de menos de 30 minutos. En las figuras 6.1 a), b) y c) se indican los puntos en los que se ha realizado la toma de datos.



Fontarrón Horcajo

Pavones

Figura 6.1. Delimitación de las áreas de simulación de los casos estudio e indicación de los puntos de medición del trabajo de campo. Fuente: mapas Consejería de Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. Comunidad de Madrid y elaboración propia.

Para la realización de las mediciones in situ se dispone de un equipo portable de tipo DATA LOGGER testo 177 con sondas para la medición de temperatura del aire, humedad relativa y temperatura de contacto. Con este aparato es posible realizar una medición instantánea y/o programarlo para que realice la tomas de datos y almacene los valores en memoria para su posterior estudio con el ordenador. El aparato está provisto de pantalla LED para la lectura inmediata de los datos. Los valores de temperaturas se indican en grados Centígrados y en grados Farenheit, el rango de medición va de los -40ºC a +70ºC y una precisión externa de ±0,4 ºC. Para la campaña de mediciones se ha decidido programar el DATA LOGGER para una toma de datos cada 5 minutos y anotar manualmente los valores en las diferentes estaciones.

Los valores han sido recogidos durante 3 días en las diferentes estaciones:



• 21 de diciembre 2010: cielo nublado, temperatura media estable, alta humedad y con pocas precipitaciones.

• 30 de mayo 2011: cielo nublado, temperaturas medias entre los 13 y los 20 ºC, precipitación tormentosa de 12:00 a 14:00 horas.

• 23 de septiembre 2011: cielo sin nubes o poco nublado, temperatura estable sin precipitaciones

Se han realizado mediciones en 4 puntos de las 3 áreas, realizando 5 tomas de datos de temperatura y humedad cada día, por un total de 120 mediciones. Se han analizado también los datos de temperatura del aire, humedad relativa, velocidad del viento y radiación solar registrados por las estaciones de medición del SIM en la estación de la Junta de Moratalaz en los meses de diciembre 2010, mayo, agosto y septiembre 2011 y los datos de temperatura del aire, dirección del viento, velocidad del viento y radiación solar registrados por la estación de Retiro de la Agencia Estatal de Meteorología en los meses de diciembre 2010 y agosto 2011, por lo que el total de los datos procesados ascienden a 20.544 que han sido elaborados con Microsoft Excel 2010. En las tablas que se muestran a continuación se indican los valores medidos.

21 diciembre 2010

Pavones Fontarrón Horcajo

Hora Est Ta ºC H % Ta ºC H % Ta ºC H %

9:00 Ap 7,20 79,9%

5,80 87,5% 6,40 86,5% Ca 6,10 86,8%

12:00 Ap 8,70 75,7%

7,90 78,8% 7,50 80,9% Ca 8,90 73,0%

15:00 Ap 9,00 63,8%

9,60 61,0% 9,00 64,3% Ca 9,30 61,0%

18:00 Ap 11,90 54,3%

8,40 73,4% 8,10 70,8% Ca 9,20 66,3%

21:00 Ap 12,00 71,4%

7,10 77,4% 7,10 75,5% Ca 8,50 51,4%



30 de Mayo 2011



9:00 Ap 19,30 28,3%

20,00 77,1% 18,10 28,3% Ca 20,00 28,3%

12:00 Ap 26,60 43,9%

22,60 57,4% 22,20 55,8% Ca 22,40 58,2%

15:00 Ap 20,60 64,1%

20,40 71,0% 19,80 67,6% Ca 22,30 62,8%

18:00 Ap 24,10 32,4%

22,60 36,0% 22,70 38,0% Ca 24,80 34,4%

21:00 Ap 20,40 54,1%

20,50 54,6% 20,90 54,5% Ca 20,50 55,7%

23 de Septiembre 2011



9:00 Ap 19,50 42,0%

18,80 53,5% 19,10 52,8% Ca 20,80 47,6%

12:00 Ap 22,00 52,5%

23,80 53,6% 22,50 54,1% Ca 24,30 47,9%

15:00 Ap 30,40 30,4%

27,00 35,0% 26,90 36,4% Ca 29,40 29,2%

18:00 Ap 27,70 27,6%

28,50 26,6% 27,50 28,0% Ca 27,20 26,9%

21:00 Ap 24,60 35,2%

24,50 35,4% 24,70 36,3% Ca 24,90 35,2%

Tabla 6.1. Valores medidos in situ. Para la localización de los puntos de medición consultar las figuras 6.1 a), b) y c)

Los valores registrados son muy discontinuos con lo que no ha sido posible encontrar un patrón que se repite. Se comparan los valores de la campaña de medición con los registrados por la estación meteorológica del SIM colocada en el edificio de la Junta de Moratalaz. Como se puede ver en los gráficos de la figura 6.2 hay una diferencia significativa entre ellos. En general los valores medidos a pie de calle son superiores a los de la estación de Moratalaz. Las diferencias más importantes se registran en las mediciones realizadas el día 30 de mayo 2011.



Figura 6.2. Representación gráfica de los valores medidos in situ en la campaña de medición y la comparación con los valores registrado por la estación del SIM. Valores de temperatura y humedad relativa. Fuente: Sistema Integral de la calidad del aire del Ayuntamiento de Madrid. Elaboración propia.

También los valores medidos entre ellos presentan muchas diferencias con lo que resulta difícil realizar una normalización de los valores. La discrepancia entre los valores medidos a pié de calle y los obtenidos por la estación del SIM48 puede depender del diferente posicionamiento: la estación está en el edificio de la Junta Municipal, en un lugar muy abierto y expuesto a una distancia de más de 20 metros de la carretera, mientras que las mediciones a pié de calle son realizadas a cotas más bajas (1,20 metros) y se ven influidas más por el calor antropogénico producido por ejemplo por los coches. Dicho esto, las diferencias significativas

48 SIM. Sistema Integral de la calidad del aire del Ayuntamiento de Madrid. (http://www.mambiente.munimadrid.es/opencms/opencms/calaire/SistIntegral/portadilla.html)



registradas entre las estaciones hacen suponer que el problema se deba atribuir a los equipos y a una no correcta realización de la campaña de medición.

Los valores así obtenidos no pueden normalizarse para ser usados en la validación del programa de simulación con lo que la campaña de mediciones in situ ha tenido éxito fallido.

La validación de los modelos analíticos con datos reales tiene una limitación intrínseca que consiste en que un modelo usa para la simulación un “clima tipo” realizado a partir de valores estadísticos medios para el lugar estudiado, mientras que los valores medidos son los reales de un año y que por eso no siempre son representativos de una condición “media”.

Sin embargo muchos estudios comparan los valores simulados con los valores medidos en búsqueda de algunas similitudes que puedan confirmar la validez del modelo empleado. Samaali (2007) en su investigación analiza el intercambio radiactivo de onda corta y larga a la altura de los techos del modelo ABL (Atmospheric Boundary Layers) empleado por el software ENVImet, comparando los valores simulados con los valores medidos. En este caso se han registrado valores de radiación incidente global y radiación difusa de onda corta cada 15 minutos en las 24 horas en un periodo de tiempo que va del mes de julio al mes de septiembre de 2005. Se realiza también la medición neta con piradiometro, albedo, la radiación fotosintética activa, la radiación reflejada y trasmitida de las hojas y el espectro de reflexión del suelo. Los valores de temperatura, velocidad del viento y humedad se han medidos por encima y debajo del nivel de los techos, los valores a 2500m49 necesarios como datos iniciales del programa, han sido obtenidos de una radiosonda instalada en la estación meteorológica más cercana. El flujo de calor latente interno del nivel de techo se ha estimado a través de los balances de energía residual y del método de ratio de Bowed. (Samaali et al. 2007)

Shashua y Hoffman (2003), para validar la metodología de cálculo del Cluster Thermal Time Costant (CTTC) usan un enfoque empírico, comparando los valores calculados con los datos obtenidos de las mediciones realizadas en condiciones de verano en 11 casos de estudio en Tel-Aviv. Para este trabajo se analizan los datos de temperatura de bulbo seco y húmedo con equipos instalados a una

49 En la simulación con ENVImet, el software pide algunos valores de input para definir las condiciones de partida del contexto a nivel de meso escala. Estos valores (Temperatura Atmosférica a 2500m de altitud, humedad relativa a 2m de altitud, contenido de vapor de agua a 2500m de altitud, velocidad y dirección del viento a 10m de altitud) se mantienen constante durante la simulación. Para mayor detalle consultar la explicación en el capítulo 4. (www.envimet.com)



altura fija de alrededor de 1,80m en aproximadamente 100 puntos de observación que permiten la recopilación de 714 medidas cada hora. (Shashua-Bar and Hoffman 2003)

Erell (2006), para realizar los comentarios y las correcciones al modelo CTTC usa los valores medidos en Adelaida durante una semana. El monitoreo se realizó en 3 áreas de la ciudad, posicionando en las calles objeto de estudio 5 aparatos para medir en diferentes puntos del cañón temperatura de bulbo seco, humedad relativa, velocidad y dirección del viento y temperatura del suelo. (Erell and Williamson 2006)

Las investigaciones precedentes demuestran que para una correcta validación de las metodologías es necesario realizar una campaña de mediciones muy escrupulosa, realizada con una cierta continuidad y disponiendo de muchos equipos. La solución mejor en estos casos es poder instalar unos aparatos fijos de forma que se obtengan unos valores para las 24 horas y realizarla durante un tiempo mínimo suficiente para obtener unos valores medios.

Para investigaciones futuras se aconseja antes de empezar una campaña de mediciones in situ, comprobar si el tipo de equipos disponibles y el tiempo durante el que se tiene acceso a éstos es suficiente para obtener datos fiables. En segundo lugar elegir unos casos accesibles y donde se puedan dejar instalados los medidores de forma permanente sin problemas de seguridad.

Realización del modelo 3D con ENVImet Como se ha indicado en el capítulo anterior, se ha decidido utilizar las dos herramientas de simulación del espacio urbano ENVImet 3.1 y ECOTECT 2010 para la evaluación de los tres casos de estudio. A raíz de la búsqueda bibliográfica se ha optado por estas dos opciones porque son las que permiten la obtención de unos output compatibles con los objetivos del trabajo.

Una vez establecidos los parámetros meteorológicos iniciales y las condiciones de simulación se puede pasar a la realización del modelo 3D con la función del ENVIEddi. El programa permite modelar un área rectangular, definiendo una malla en planta y en alzado que puede ser cuadrada, rectangular o telescópica para las coordenadas z. Para los 3 casos se ha optado por definir un área de estudio rectangular con una extensión de entre 2 y 4,5 hectáreas, y se ha ajustado la planimetría real a una malla cuadrada de 3x3 metros en planta y 3 metros en altura.



El programa permite definir los edificios en planta y en altura, asignando las características definidas por defecto ya que en esta versión no es posible modificar las características de los edificios, como por ejemplo ajustar la temperatura interior a los valores de proyecto establecidos por el RITE50 según la época del año (19ºC en invierno, 25ºC en verano), ni modificar los albedos o la transmisión térmica de las superficies de acabado, ajustándola a los materiales reales empleados.

Las simulaciones se han realizado en días característicos de las condiciones de verano (15 de Agosto) y de invierno (21 de Diciembre), simulando las 24 horas con resultados cada 180 minutos. Los resultados se pueden visualizar con el programa Leonardo, gracias al cual podemos obtener unos mapas temáticos de los diferentes parámetros calculados: Temperatura del aire, viento, humedad, radiación, etc.

Del análisis de los algoritmos resolutivos y condiciones de contexto (boundary condictions) aplicadas, se encuentran muchas limitaciones que dificultan la realización de un estudio del comportamiento del entorno urbano en detalle. En particular las limitaciones más importantes están en la definición de los edificios que en la versión 3.1 y 3.5 se consideran como bloques paralelepípedos, de planta y altura decidida por el usuario, pero con características fijas.

En estas condiciones no es posible considerar el impacto que tienen los materiales del edificio en el espacio ni el efecto del edificio en la climatización del edificio. Es decir que no es posible simular el efecto que se produciría en el espacio si en lugar de tener un edificio de ladrillo se tuviera uno de cristal o si la temperatura interior del edificio afecta el ambiente externo.

Dicho problema parece haber sido superado en la nueva versión del programa ENVImet4 que actualmente está disponible en versión beta. En esta versión es posible hacer modelos más complejos, por ejemplo modelar edificios sobre pilotis o voladizos, definir el material de las cubiertas, del edificio en general o fachada por fachada trabajando con la malla 3D sobre la que se basa el modelo. El database de la vegetación ha sido completado con elementos 3D (Arboles) con dimensiones reales y con un LAD variable que intenta simular las condiciones reales en la copa.

Una vez comprobadas las nuevas funcionalidades y que los modelos obtenidos permitían obtener resultados más cercanos a los valores reales, se ha intentado

50 RITE: Reglamento de Istalaciones Térmica de los Edificios. Real Decreto 1826/2009 del 27 de noviembre.



utilizar la nueva versión para el trabajo de tesis, pero eso no ha sido posible por la inestabilidad del software y la gran cantidad de tiempo que necesita la herramienta para completar una simulación.

Se ha procedido entonces a realizar el trabajo con la versión 3.1 actualmente disponible en la página web, teniendo en cuenta las limitaciones del software anteriormente señaladas. Entre las muchas pruebas realizadas para testar el funcionamiento del software, se ha comprobado que se producen unas anomalías en las simulaciones en función del tiempo de simulación programado, como se pormenorizará más adelante.

Modelo geométrico 3D

A continuación se dará un detalle sobre el procedimiento de la realización de los modelos de cálculo. Es preciso recordar que el proceso de modelado ha sido el mismo para los tres casos de estudio con lo que se limitará la descripción al modelo del barrio de Pavones con fines explicativos.

En primer lugar ha sido necesario definir la malla horizontal y vertical del modelo ajustando las características del área de estudio a las posibilidades de la herramienta. La malla horizontal está definida por las coordenadas dx y dy definiendo una malla cuadrada o rectangular con un tamaño mínimo de 1x1 metros. La malla vertical se define por la coordenada dz que puede ser equidistante o telescópica. Esta segunda opción se puede usar cuando se quiere simular edificios muy altos sin tener que aumentar enormemente el número de celdas y, como consecuencia, hacer más lenta la simulación. El sistema permite simular modelos con mallas de tamaño de 100x100x30, 180x180x30 o 250x250x30. Naturalmente la primera es la que requiere menor tiempo de simulación.

En el diseño de la geometría del área se ha utilizado una malla cubica de 3x3x3m, definiendo un volumen de simulación de 77x45x30 de extensión.

El modelo 3D se componen de los elementos de los edificios, la vegetación y los suelos.

• Edificios: la herramienta permite realizar el modelo 3D de los edificios como paralelepípedos de dimensiones proporcionales a la malla volumétrica dx, dy y dz. No se pueden diseñar voladizos o edificios pasantes sobre pilotis, ni definir características de los edificios; temperatura, emisividad, albedo de las fachadas o del techo son valores



establecidos por defecto y no modificables por el usuario. En el diseño del área de Pavones no ha sido posible representar los edificios sobre pilotis, con lo que se ha tenido que simplificar la geometría de estos en paralelepípedos con patios internos de altura 15m (5plantasx3m).

• Vegetación: en la vegetación se incluyen los arboles altos, los arbustos y el césped. La base de datos por defecto proporciona diferentes tipos de vegetación que se distingue por altura y densidad de hoja. Las características de evapotranspiración y fluido dinámicas se asignan en relación a la altura, al LAD (Leaf Area Density) y al RAD (Root Area Density). Para el correcto posicionamiento de los árboles se ha realizado un levantamiento in situ, distinguiendo las especies por tamaño, especies de hoja caduca o coníferas.

• Suelos: la versión 3.1 de ENVImet no permite simular variaciones orográficas del suelo, con lo que el programa diseña una malla llana a la que se pueden asignar los diferentes materiales contenidos en la base de datos. En el área de Pavones se han asignado los materiales contenidos en la base de datos del software que mejor se ajustaban a las condiciones reales:

o Aceras : Pavement (1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.083 0.00 1.63 Cement Concrete)

o Asfalto: Asfalt (1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.214 0.00 1.16 Asphalt (with Gravel))

o Área de juego de los niños: Sandy ( 0 0.395 0.135 0.0068 -0.121 176.0 1.463 4.05 0.00 Sand)

o Tierra y recorridos peatonales en arena: Loam (0 0.451 0.240 0.155 -0.478 7.0 1.212 5.39 0.00 Loam)

En la figura 6.3 se muestra una elaboración del modelo realizado a partir de la visualización en planta del modelo ejecutado con la aplicación Eddi del ENVImet 3.1



Figura 6.3 Modelo del área de estudio Pavones. Elaboración propia con ENVImet y Photoshop

Datos meteorológicos de partida

Para ajustar la simulación a las condiciones reales del lugar de emplazamiento de los casos de estudio, el programa permite la introducción de algunos parámetros iniciales y que se mantendrán constantes durante todo el proceso de cálculo. Dichos valores son valores medios que se han obtenido de la estación meteorológica de la AEMET (Agencia Estatal de Meteorología Española) de la estación de Madrid-Retiro. De las estaciones presentes en Madrid se ha optado por la del Retiro porque es la más cercana al caso de estudio y por ser una estación situada en el centro de la ciudad, a diferencia de las otras (Barajas y Ciudad Universitaria) que son estaciones localizadas en zonas poco edificadas.

Los valores requeridos por el software son:

• Viento W

o Velocidad del viento medido a 10 m de altura (m/s)

o Dirección del viento (deg, 0=Norte, 180º=Sur)

o Rugosidad en el lugar de medición (de 0,001 a 0,1)

• Temperatura T

o Temperatura atmosférica inicial medida a 2500m (K)



• Humedad q

o Humedad específica medida a 2500m (g/kg)

o Humedad relativa a 2m

Los datos proporcionados por la AEMET de temperatura del aire y humedad relativa han sido tomados por las estaciones de tierra, posicionadas a una altura de 2 metros. Para su uso en el programa se deben trasportar los valores medidos a la altura de 2500 metros.

La temperatura atmosférica se obtiene aplicando un coeficiente de reducción de la temperatura constante igual a 0,5 ºC cada 100m, ya que en la troposfera, hasta una altura de 10-12 km, se produce una disminución constante al alejarnos de la superficie terrestre. (Macías M. 2012)

Por ejemplo, para el caso del día del 21 de diciembre de 2010 se obtiene

281,2-(0,5*2500/100)=268,7K

Para la humedad se dispone del dato de humedad relativa medio medido a la altura de 2 m y se debe obtener el valor de humedad específica a 2500m. Para obtener el valor de humedad específica q se parte de su definición de la masa del vapor de agua Mv (g) por unidad de masa de aire húmedo M(kg)

𝑞 = 𝑀𝑣𝑀�

De la cual se puede obtener que 𝑞 = 0,622 𝑒 𝑃�

Donde e es la presión del vapor de agua contenido en el atmosfera, y P la presión del aire. De tal manera que la humedad específica se puede considerar igual a la razón de mezcla w, pues P>>e. Teniendo en cuenta que la humedad relativa es el cociente entre la razón de mezcla w y la razón de mezcla a saturación ws

ℎ = 𝑤 𝑤𝑠� · 100% = 𝑒 𝑒𝑠� · 100%

Conociendo la humedad relativa, podemos obtener la presión de vapor de saturación del aire a una temperatura de las tablas del punto de rocío. Aplicando al caso de estudio obtenemos que:

h=e/es x 100% e=69 x 8,1 /100= 5,58

q= 0,622 x 5,58/0,76 atm = 4,57 g/kg

(Macías M 2012, Cuadrat y Pita 1997)



Los valores de partida así calculados se usarán para las simulación de los tres casos de estudio y de los escenarios hipotéticos.

Simulación del modelo

Como primer acercamiento al programa de simulación y para comprobar su aplicabilidad, se ha realizado una primera simulación de un caso de estudio durante un día entero (las 24 horas) con resultados cada 180 min con el objetivo de comparar los resultados con los valores medidos por la estación meteorológica del SIM situada a una distancia inferior a 1 km del área objeto de estudio. Este estudio inicial realizado a lo largo del día ha sido también necesario para identificar las horas del día más críticas, en que no se alcanzan las condiciones de confort (ver capitulo 3).

La comparación con los datos de la estación de SIM se realiza con el fin de comprobar las similitudes o diferencias entre el comportamiento medio de las temperaturas, humedad relativa y velocidad del viento real y el simulado por el programa. A continuación se destacan algunas observaciones sobre los resultados del modelo de simulación que han sido consideradas para el desarrollo de la tesis: análisis de los resultados, formulación de las conclusiones finales así como las propuestas para futuros desarrollos.

En la tabla 6.2 se indican los valores obtenidos de la simulación para el área de Pavones con fines ilustrativos, en el siguiente capítulo se presentan los resultados de los otros dos casos con un comentario sobre ellos. En esta tabla se muestran los valores calculados para el día 15 de agosto (condiciones de verano) y 21 de diciembre (condiciones de invierno), medidos en el centro del aparcamiento, de temperatura del aire Ta, temperatura media radiante Tmrt en ºC, velocidad del viento W en m/s, humedad relativa RH en % y el valor de confort en UTCI calculado en grados equivalentes a la que hace referencia la escala de valoración mostrada en el capítulo 3.



15 de Agosto 21 de diciembre

hora Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI

0 21,18 15,27 86 1,4 20,4 -2,47 265 100 1,22 -5,7

3 20,48 13,95 86 1,15 19,6 -3 264 100 1,21 -6,2

6 19,78 13,27 86 1,13 19,1 -3,37 264 100 1,2 -7

9 21,39 60,62 80 0,88 33,6 2,02 269,7 80 1,14 -4,8

12 29,35 67,7 62 0,96 40,1 1 276 89 1,18 1,3

15 30,85 70,27 60 1,13 41,7 1,78 275,7 96 1,2 1,8

18 28,1 63,36 68 1,25 38,2 -0,27 267 100 1,1 -2,6

21 23,6 17,38 77 1,2 22,9 -1,54 265,7 100 1,22 -4,4

Tabla 6.2: valores obtenidos de la simulación con ENVImet para el área de Pavones, los valores en las celdas coloreadas indican las condiciones más desfavorables en relación al UTCI. Elaboración propia.

La revisión de los valores climáticos obtenidos de la simulación muestra que el programa tiene algunas limitaciones en la simulación de las condiciones madrileñas. Si comparamos los valores de la simulación con los valores medidos por la estación de Moratalaz en el día concreto o con los valores medios mensuales (tabla 6.3), vemos que la principal incongruencia se registra en los porcentajes de humedad relativa que son muy por encima de los valores reales. Se ha intentado ajustar los datos de la simulación cambiando los valores iniciales que usa el software como referencia usando los datos registrados por la estación meteorológica de Retiro (AEMET) pero, como podemos ver de los gráficos en figura 6.4, la comparación con los valores reales de la media mensual diaria muestra:

Verano

• La temperatura tiene la misma entidad, aunque los valores mínimos son más suaves.

• La temperatura mínima de la simulación se registra a las 6:00, dos horas antes que en la realidad.

• La temperatura máxima en la realidad se registra a las 19 horas mientras que ENVImet la simula a las 15 horas.



• La humedad obtenida del programa de simulación es muy superior a los valores medios registrados en el mes de Agosto.

• En la realidad los vientos no son tan constantes como muestra la simulación.

Invierno

• La temperatura es más baja.

• La tendencia de temperatura de la simulación no se parece a la realidad, sobre todo el pico de temperatura máxima a las 9 horas de a mañana.

• La humedad relativa del programa de simulación es significativamente más alto que en la realidad.

Estas diferencias se asocian a un problema en la definición del “clima tipo” de Madrid del software ENVImet. Desafortunadamente la herramienta no permite revisar el clima que se está utilizando para comprobar los datos de partida y, si fuera necesario, modificarlos para adaptarlo a las condiciones reales. Estas limitaciones de la herramienta de simulación serán consideradas en el desarrollo del trabajo con lo que se recuerda que los valores obtenidos no deben tomarse como valores absolutos, sino limitarlos a la comparación de escenarios.

Agosto 2011 Diciembre 2010

hora Ta ºC RH % W m/s Ta ºC RH % W m/s

0 21,18 86 1,4 -2,47 100 1,22

3 20,48 86 1,15 -3 100 1,21

6 19,78 86 1,13 -3,37 100 1,2

9 21,39 80 0,88 2,02 80 1,14

12 29,35 62 0,96 1 89 1,18

15 30,85 60 1,13 1,78 96 1,2

18 28,1 68 1,25 -0,27 100 1,1

21 23,6 77 1,2 -1,54 100 1,22

Tabla 6.3: Valores medios mensuales registrados en la estación de Moratalaz. Fuente: Sistema Integral de calidad del aire Madrid.



Leyenda: Simulados Reales

Figura 6.5 Comparación entre los valores obtenidos de la simulación y los valores medios mensuales para la condiciones de invierno y de verano. Fuente de datos: Sistema de Calidad del Aire de Madrid y elaboración propia.

Validación del modelo de cálculo

A falta de una correspondencia entre los valores simulados y los reales no podemos aceptar la aplicabilidad del modelo de cálculo. Sin embargo dadas las similitudes de la evolución diaria de la temperatura en las condiciones de verano, tomando este parámetro como principal indicador, se procede a realizar una revisión de la literatura de las investigaciones efectuadas con la herramienta ENVI-met para comprobar sus limitaciones y aplicabilidad. El objetivo es encontrar una base científica que soporte la decisión de emplear la herramienta, aunque sea limitando la evaluación a las condiciones de verano y para un estudio comparativo, o en caso contrario, que justifiquen descartarla y optar por otro sistema.

18

20

22

24

26

28

30

32

0 3 6 9 12 15 18 21

Temperatura15 Agosto



Fazia Ali-Toudert (2005) en su investigación sobre la relación entre el confort en los espacios exteriores y la morfología de los cañones, da como justificación para el uso de la herramienta ENVI-met el hecho de que es la primera herramienta 3D capaz de reproducir los principales procesos atmosféricos que afectan el microclima urbano, incluso la simulación del flujo de aire, la turbulencia, el flujo radioactivo, la temperatura y la humedad, fundamentado en una sólida teoría, basada en los principios de la dinámica de fluidos y la termodinámica. El sistema realiza una simulación dinámica diaria de los espacios urbanos complejos, teniendo en cuenta las características superficiales, la geometría de los edificios, la presencia de la vegetación, requiriendo una cantidad de parámetros de input relativamente baja. La investigación citada se concentra en el confort de las personas con lo que se hace especial hincapié en la determinación de la Tmrt como parámetro fundamental para la correcta valoración de la sensación térmica. El programa ENVI-met realiza en cálculo teniendo en cuenta la radiación de onda larga y corta originado por los suelos, edificios y el cielo libre. Para la radiación solar directa, la herramienta considera la porción del cielo visible, definida por el SVF, haciendo así una aproximación de que el 50% de la radiación procede del hemisferio superior (cielo y edificios) y el restante 50% de la parte inferior (suelos), condición que se puede asumir aceptable para las observaciones a nivel de la calle. En sus conclusiones los autores echan en falta una comprobación de los valores obtenidos de la simulación con las observaciones reales, sobre todo en lo relativo al parámetro de la Tmrt donde se podría mejorar mucho su estimación. (Ali-Toudert F. and Meyer H.2005, Arnfield, AJ. 2003, (Berkovic, Yezioro and Bitan 2012).

Samaali (2007) realiza un estudio para comprobar el funcionamiento de la herramienta ENVI-met versión 3, comparándolo con el modelo internacionalmente reconocido SAIL Scattering by Arbitrary Inclined Leaves (Verhoef 1984). En las conclusiones se indica que en el modelo se producen unos errores en el cálculo del balance radioactivo de la vegetación: en la no atenuación de la radiación difusa y la no conservación del balance de la capa límite. La aplicación a un modelo urbano donde la cantidad de vegetación es muy limitada respecto a un espacio rural, hace que dicho error se pueda considerar insignificante respecto a las magnitudes manejadas, donde la absorción producida por edificios y suelos es mucho más relevante.

En el trabajo Samaali descarta la opción de introducir las ecuaciones de SAIL en el modelo de cálculo porque eso haría el uso de la herramienta mucho más difícil. Se opta por la parametrización del software a través de dos coeficientes empíricos k1 y k2 calculados para diferentes combinaciones de vegetación y de suelos. El



primer factor representa la trasmisión entre la vegetación y el segundo la absorción de la capa de vegetación, dando como resultado k1=0,41 y k2=0,3. Sin embargo, el autor hace hincapié en la falta de un mayor estudio, considerando una mayor combinación de suelos y vegetación y una validación con valores reales.

En las conclusiones se subraya que el software ENVI-met alcanza de forma satisfactoria el compromiso entre facilidad de uso y precisión de cálculo, pudiendo considerarse aceptables los errores observados en relación a las magnitudes manejadas. (Samaali et al. 2007)

De la investigación realizada sobre el modelo de dispersión de partículas empleado por el programa, Wania (2012) compara los resultados obtenidos de las simulaciones con ENVI-met con las investigaciones numéricas basadas en las observaciones de los modelos a escala en túneles de viento. Se demuestra que hay una concordancia en el comportamiento general del cañón entre ambos enfoques. (Wania et al. 2012, Gromke and Ruck 2007). Irina Nikolova et all. (2012) valida el modelo de cálculo de dinámica de fluidos CDF (Computational Fluid Dynamics) empleado por la herramienta con la contaminación de partícula ultrafina (UFP – Ultra Fine Pollution) del aire de la ciudad, con los valores obtenidos de una campaña de medición in situ. La investigación muestra que el modelo de dispersión de partículas en el cañón usado por ENVI-met se aproxima al comportamiento real, tanto en valores cuantitativos y cualitativos, con un coeficiente de correlación cuadrático medio R entre 0,44 y 0,93. (Nikolova et al. 2011)

Todas estas limitaciones se han considerado a la hora de realizar el trabajo de investigación. A pesar de lo dicho anteriormente, tanto por la experiencia personal como por lo que se ha podido constatar en las referencias consultadas, el software de simulación puede considerarse una óptima alternativa en el panorama actual de herramientas disponibles sobre todo en los trabajos de comparación de escenarios por su facilidad de uso, el alto número de variables de output que se pueden obtener y la posibilidad de mostrar los resultados de una forma gráfica, intuitiva y de fácil impacto visual.

Realización del modelo con ECOTECT Paralelamente se ha realizado un modelo 3D con el software ECOTECT Analisys 2010 con el objetivo de poder caracterizar y evaluar el espacio limitando el estudio a la componente radioactiva.



ECOTECT es un software de última generación que une un programa de diseño a uno de análisis prestacional que incluye funciones de simulación energética, luminotécnica, térmica, acústica, de análisis solar y de impacto ambiental. La herramienta tiene dos fines: apoyar en la fase de proyecto, permitiendo la evaluación desde las primeras fases de diseño y evaluar las prestaciones finales del diseño ejecutivo. (Marsh 2010)

El software está pensado para permitir desde las primeras fases elegir dimensiones y orientación con el objetivo de obtener mayor eficiencia energética, en el uso de la luz natural y acústica gracias a la introducción de informaciones detalladas del clima y del lugar. Con ECOTECT es posible generar complejas animaciones de sombras, estudiar las reflexiones, la cantidad de radiación solar recibida, el factor de luz diurna y evaluar la carga térmica. Las verdaderas habilidades del programa están en la posibilidad de generar y comparar diferentes escenarios para poder orientar el proyecto hacía la solución más eficiente. (Marsh 2010, Autodesk Learning 2009)

Como se ha indicado anteriormente, el estudio ha sido limitado al estudio de sombra y de la radiación solar, con lo que no se ha dado importancia a la definición de las zonas térmicas, a los materiales o a la definición de los horarios de funcionamiento de los edificios. La geometría 3D de los volúmenes de los edificios y de los arboles ha sido realizada con el software Sketchup 8pro y ha sido importada en ECOTECT 2010 manteniendo la orientación original.

A continuación se muestran algunas gráficas obtenidas del software sobre los datos climáticos de Madrid empleados para las simulaciones.



Radiación solar para el mes de Agosto en Madrid

Diagrama stereográfico del recorrido del sol para la ciudad de Madrid

N15°

30°

45°

60°

75°

90°

105°

120°

135°

150°

165°180°

195°

210°

225°

240°

255°

270°

285°

300°

315°

330°

345°

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

910

11121314151617

1st Jan

1st Feb

1st Mar

1st Apr

1st May

1st Jun1st Jul

1st Aug

1st Sep

1st Oct

1st Nov

1st Dec

Stereographic DiagramLocation: MADRID, SPAIN Sun Position: 102.2°, 42.3°HSA: -77.8°, VSA: 76.9°© W eather T ool

Time: 10:00Date: 1st AugustDotted lines: July-December.



Diagrama de confort psicométrico anual para una persona que desarrolla una actividad ligera (paseo)

Valores climáticos medios horarios

DBT(°C) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

AH

5

10

15

20

25

30

Comfort

Psychrometric ChartLocation: MADRID, SPAINFrequency: 1st January to 31st DecemberWeekday Times: 00:00-24:00 HrsWeekend Times: 00:00-24:00 HrsBarometric Pressure: 101.36 kPa© W eather T ool

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-10 0.0k

0 0.2k

10 0.4k

20 0.6k

30 0.8k

40 1.0k

°C W/m²DAILY CONDITIONS - 13th August (225)

LEGEND

TemperatureRel.Humidity

Direct SolarDiffuse Solar

Wind Speed Cloud Cover

Comfort: Thermal Neutrality

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec-10 0.0k

0 0.2k

10 0.4k

20 0.6k

30 0.8k

40 1.0k

°C W/m²MONTHLY DIURNAL AVERAGES - MADRID, SPAIN



Radiación solar directa

Conclusiones Parciales En este capítulo se describe el procedimiento empleado para la realización del trabajo de investigación aplicada donde se ha empleado, por un lado, un enfoque experimental con la realización de una campaña de mediciones, y, por otro, un enfoque analítico a través del uso de software de cálculo para la simulación del comportamiento térmico del espacio construido.

La campaña de mediciones, que tenía como objetivo principal la adquisición de datos reales para validar el sistema de cálculo ha tenido éxito fallido, con lo que se opta por realizar una revisión de la literatura sobre los modelos de cálculo y usar los valores reales registrados por la estación meteorológica de Moratalaz como datos de comparación.

La comparación entre los resultados de la simulación realizada en uno de los casos de estudio (Pavones) y las medias mensuales registradas por la estación meteorológica de Moratalaz, muestran algunas disconformidades significativas sobre todo en relación a los valores de humedad relativa tanto en verano que en invierno. Para comprobar el funcionamiento del programa se debería poder acceder a la base de datos del clima empleado por defecto por la herramienta, pero eso no es posible por el usuario en esta versión del software.

Weekly SummaryDire ct So la r Ra d ia tio n (W/m²)Location: MADRID, SPAIN (40.0°, -3.0°)© W eather T ool

W/m²

<0100200300

400500600700

800900+

Wk

Hr

48

1216

2024

2832

3640

44

48

52

48

12

16

20

24

0

200

400

600

800

1000



A través de los valores obtenidos en la simulación, se analiza la condición de confort térmico en las tres áreas, calculando la temperatura equivalente de UTCI en dos días, uno de invierno (21 de diciembre) y uno de verano (15 de agosto). Gracias a este estudio se puede comprobar que las horas donde se registran peores condiciones de confort térmico es entre las 12 y las 15 de la tarde del 15 de Agosto, con lo que se limitará el estudio bioclimático del espacio exterior hacia la mejora de las condiciones de verano.

La revisión de la literatura muestra que la herramienta aplica los fundamentos de dinámica de fluidos y termodinámica en un espacio 3D teniendo en cuenta muchos parámetros y con unos resultados satisfactorios. Los errores resultantes son aceptables considerando la magnitud de los valores manejados.

Los errores más significativos se muestran en las condiciones de invierno, a diferencia de las veraniegas donde temperatura simulada y medida muestran la misma evolución diaria. Los resultados muestran además que la herramienta es capaz de simular el comportamiento del espacio urbano dando una respuesta sensible a la modificación de algunos parámetros como la geometría, la vegetación o los materiales de acabado. A excepción de una revisión del clima tipo, el modelo no muestra errores garrafales en la interpretación del microclima y es suficientemente sensible a los cambios introducidos, de modo que se puede emplear para la realización de la evaluación paramétrica comparativa de los escenarios.

Como medida cautelativa, se ha decidido limitar el uso de los resultados de la simulación solo a la evaluación de las horas más calientes en verano, siendo el estrés por calor el más perjudicial en Madrid, y como dato de comparación entre escenarios. No se evaluarán los resultados absolutos.

También se realiza un modelo 3D con la herramienta informática ECOTECT2010 con la que se estudiará la parte de la radiación solar, estudio de sombras y SVF. También se indican los valores de las bases de datos asociadas al clima de Madrid empleadas por el software.


212 | P á g i n a I r i n a T u m i n i

7. ESTUDIO PARAMETRICO En este capítulo se presentan los resultados obtenidos del trabajo de simulación con las diferentes herramientas. En primer lugar se realiza una descripción de los resultados obtenidos de las 3 áreas evaluadas Pavones, Fontarrón y Horcajo. El análisis de estado actual es fundamental para entender los procesos que se producen en el espacio urbano, realizar una diagnosis de las condiciones microclimática y definir la base de comparación para evaluar las estrategias de proyecto.

A continuación se presenta una descripción de los escenarios de proyecto, el proceso de realización y los resultados obtenidos. Finalmente se muestra el trabajo de evaluación del comportamiento microclimático y de la sensación de confort térmico, realizado a raíz de las resoluciones de los procesos de simulación. La evaluación de las estrategias se realiza a través de la comparación con el estado inicial a partir de una escala de valoración basada en la mejora de la condición de bienestar psicofísicos.

El trabajo se presenta con una serie de fichas (Anexo I y Anexo II) donde se describen los diferentes espacios y la respuesta obtenida de la aplicación de las estrategias de proyecto. Finalmente se realiza una tabla de resumen con una evaluación de las medidas estudiadas para mitigar el impacto del microclima urbano.

Resaltar que el trabajo de esta investigación se centra en el confort térmico de los usuarios de los espacios exteriores, con lo que las medidas han sido estudiadas para mejorar la condición más critica que es la de verano y el parámetro de evaluación es el índice de confort UTCI (ver capítulo 3). Es importante subrayar este aspecto porque si el objetivo hubiera sido solo la eficiencia energética, se habrían tenido en cuenta otros factores como el comportamiento nocturno para el free-cooling o las condiciones de invierno. El efecto de isla de calor crea condiciones muy desfavorables en verano, sobre todo en los climas con veranos



calurosos aumentando el consumo energético de refrigeración debido a: mayor número de horas de funcionamiento de los equipos y el aumento del salto térmico entre la temperatura del aire y la temperatura de confort en las horas pico. En el espacio exterior, además de crear condiciones de disconfort térmico y empeorar la “experiencia” del ciudadano en un espacio, el efecto de isla de calor provoca un aumento de la contaminación foto-quimica, muy perjudicial para la salud de las personas. (Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 2001; Polidori, 2006; Santamouris et al., 2001; UK Government, 2011)

Comportamiento microclimatico de los casos de estudio A continuación se va a detallar los resultados obtenidos en los procesos de simulación con ENVI-met 3.1 y con ECOTEC 2010. Los tres casos han sido simulados en la condición de invierno en el día 21 de diciembre y de verano en el día 15 de Agosto. Los valores climáticos de partida introducidos en la aplicación Configuration Editor de ENVI-met han sido obtenidos a través de la elaboración de los datos proporcionados por la Agencia Estatal de Meteorología registrados en la estación de Retiro de Madrid y elaborado según la metodología indicada en el capítulo anterior.

Una vez terminada la simulación los archivos de output se visualizan a través del software LEONARDO que dan una representación de los diferentes parámetros en un mapa plano o 3D. En negro se indican los edificios, el mapa de colores representa la temperatura, los vectores indican dirección y velocidad del viento mientras que las curvas muestran los valores de humedad relativa en porcentaje. Todos los mapas xy son relativos a un plano horizontal seccionado a la cota 1,2m para tener una representación de la sensación percibida por el usuario.

Pavones En los mapas de temperaturas presentados en figura 7.1 se puede apreciar claramente la influencia ejercida por el uso del suelo. Tomando como primer parámetro característico la temperatura, vemos que su evolución diaria experimentada en el área se corresponde con los valores medios de la estación meteorológica. La condición de verano muestra una condición bastante homogénea en toda el área en las horas más frías (6:00 h), situación que se modifica a partir de media mañana llegando a la condición más critica a las 15:00 horas. Se produce una acumulación de calor más significativa en el aparcamiento y en el cañón entre los dos edificios largos, a los que les corresponde una superficie de acabado principalmente de asfalto y una total ausencia de verde o de elementos de protección solar.



Planta 6:00 horas Planta 15:00 horas Figura 7.1: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Pavones para las condiciones de verano. Se muestra el comportamiento del área, las dos condiciones de temperaturas máximas y temperaturas mínimas en su visualización en planta a la altura de 1,20 m del suelo. Elaboración propia con el software LEONARDO.

Sin embargo las dos zonas tienen un comportamiento muy diferente en cuanto la zona del aparcamiento baja su temperatura en las últimas horas de la tarde mientras que la zona del cañón es afectada por la presencia de los edificios que por un lado obstaculizan el paso del viento y como consecuencia, la acción de disipación del calor acumulado, y por el otro emiten ellos mismos el calor acumulado en el día mostrando un mapa de temperaturas más altas en correspondencia de la cara expuesta a Sur-Oeste. Los mapas de sección muestran que en el aparcamiento se produce una disipación del calor en pocos metros de altura, en el cañón la presencia de los edificios dificulta dicha disipación manteniendo atrapado el calor acumulado que empieza a bajar a partir de la cota de 6 metros.

Sección 15:00 horas Figura 7.2: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Pavones para las condiciones de verano. Se muestra el comportamiento del área en correspondencia de la condición de temperaturas máximas en su visualización en sección vertical. Elaboración propia con el software LEONARDO. La zona del parque posicionada en el lado oeste es la que mantiene una temperatura más fría en las horas más calurosas y templadas durante la noche lo que confirma el efecto mitigador y de reducción de la velocidad del viento de la vegetación. También el boulevard arbolado tiene un efecto importante en el



microclima suavizando las condiciones extremas, aunque en menor medida que en la zona del parque.

En las condiciones de invierno se comprueba que la distribución de las temperaturas en el área es más homogénea: el gradiente máximo se mantienen inferior a los 3 grados. La zona de acumulación sigue siendo el aparcamiento y el cañón entre los edificios a los que se suma parte de la zona de los boulevares en la fachada oeste del edificio. En invierno la zona del aparcamiento registra temperaturas inferiores a las de cañón mostrando que la inexistencia de obstáculo permite al viento producir el efecto de disipación de calor.

Planta 6:00 horas Planta 15:00 horas Figura 7.3: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Pavones para las condiciones de invierno. Se muestra el comportamiento del área en correspondencia de la dos condición de temperaturas máximas en su visualización en planta a la altura de 1,20m desde el suelo. Elaboración propia con el software LEONARDO. El fenómeno se aclara en sección donde se puede apreciar que el calor de acumulación en el aparcamiento se disipa en los primeros 3 metros a diferencia del cañón donde se necesita llegar a los 15 metros para que se produzca el mismo efecto.

Sección 15:00 horas Figura 7.4: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Pavones para las condiciones de invierno. Se muestra el comportamiento del área las dos condiciones de temperaturas máximas y temperaturas mínimas en su visualización en sección. Elaboración propia con el software LEONARDO. En paralelo a lo que se produce en verano, en invierno las temperaturas más bajas corresponden a las 6:00 de la madrugada y las máximas a las 15:00 de la tarde.



El paso siguiente ha sido evaluar las condiciones de confort con el cálculo del UTCI, usando los valores de temperatura del aire Ta, velocidad del viento W, humedad relativa H y temperatura media radiante Tmrt calculados por el programa de simulación. En las tablas 7.1 se indican los valores estimados en dos puntos situados en el centro del aparcamiento y en el centro del cañón, a una altura de 1,2m del suelo. Un trabajo similar ha sido realizado para la elección del parámetro de confort (ver capitulo 3). En este trabajo se ha comparado el valor de confort con otros dos índices: el nivel de sudoración y la carta bioclimática de Olgiay, llegando a concluir que el momento del año en que se producen las condiciones más perjudiciales para el bienestar térmico en los espacios exteriores es en las horas centrales del día en verano. Como podemos ver los valores más críticos de estrés térmico (UTCI, ºCeq) se produce a las 15:00 horas del día 15 de Agosto. Los valores aquí indicados han sido obtenidos de la simulación con ENVI-met, el valor de UTCI se ha calculado a través de la aplicación UTCI_a002.exe y han sido elaborados con el soporte de las hojas de cálculo Microsoft Excel.

Valores simulados para las condiciones de verano hora Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCIºC Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI ºC

Aparcamiento Cañón 0 21,18 15,27 86 1,4 20,4 21,48 15,06 96 1,49 21,1 3 20,48 13,95 86 1,15 19,6 20,21 13,9 97 1,44 19,7 6 19,78 13,27 86 1,13 19,1 19,23 13,07 98 1,42 18,5 9 21,39 60,62 80 0,88 33,6 21,51 20,8 97 1,31 23,2

12 29,35 67,7 62 0,96 40,1 29,65 67,08 75 1,3 41 15 30,85 70,27 60 1,13 41,7 31,26 62,73 72,87 1,47 41,6 18 28,1 63,36 68 1,25 38,2 28 27 85 1,57 30,7 21 23,6 17,38 77 1,2 22,9 23,65 17,08 93 1,55 23,8



Valores simulados para las condiciones de invierno hora Ta ºC Tmrt ºC RH

% W m/s UTCI ºC Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI ºC

Aparcamiento Cañón 0 -2,47 -8 100 1,22 -5,7 -2 -5 100 1,5 -5,7

3 -3 -9 100 1,21 -6,2 -2 -6 100 1,5 -6,1

6 -3,37 -9 100 1,2 -7 -3 -5 100 1,5 -6,9

9 2,02 -3,23 80 1,14 -4,8 3,24 -5,64 87 1,5 0,1

12 1 3 89 1,18 1,3 3 1,5 94 1,49 2,4

15 1,78 2,7 96 1,2 1,8 3,62 19,86 97 1,49 10,1

18 -0,27 -5,97 100 1,1 -2,6 1,11 -5,81 100 1,5 -2,4

21 -1,54 -7,26 100 1,22 -4,4 -0,25 -5,85 100 1,5 -4

Tabla 7.1: Valores obtenidos de la simulación del caso de estudio de Pavones calculados en condición de invierno y de verano medidos en dos puntos, en el centro de la zona de aparcamiento y en el centro del cañón entre los dos edificios en línea. Elaboración propia. Como se ha indicado anteriormente, los valores obtenidos por la simulación en cuanto a humedad relativa no son representativos del clima de Madrid. Para los otros parámetros climáticos y en concreto para la condición de verano, la simulación no se diferencia mucho del comportamiento real observado en los datos registrados por la estación meteorológica de Moratalaz. En las tablas se indican todos los valores resultantes de la simulación, aunque se remarca que en la presente investigación no han sido utilizados en valores absolutos, si bien como elemento de comparación entre escenarios similares.

Fontarrón En el área de estudio de Fontarrón los resultados obtenidos confirman que el uso del suelo y la disposición de los edificios influyen significativamente en el comportamiento microclimatico del espacio construido. Lo primero a destacar es que el microclima es más homogéneo que en los otros casos: el gradiente de temperatura en el área es alrededor de 2,5 ºC a las 6 de la madrugada y 5 ºC a las 15:00 horas en verano, en invierno es inferior al 1ºC a las 6:00 y de 2ºC a las 15:00 mostrando que se producen condiciones más homogéneas en las horas más frías y en invierno.



Planta 6:00 horas Planta 15:00 horas Figura 7.4: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Fontarrón para las condiciones de verano. Se muestra el comportamiento del área las dos condiciones de temperaturas máximas y temperaturas mínimas diaria en su visualización en planta a la altura de 1,20 m del suelo. Elaboración propia con el software LEONARDO. En las condiciones de verano se corrobora que los aparcamientos de asfalto y sin protección solar son los puntos de acumulación de calor en las horas centrales del día y de temperatura más baja y vientos más fuertes durante la noche. La mayor acumulación de calor se produce en correspondencia con las fachadas sur y oeste, mostrando temperaturas más altas tanto en planta como en altura. Los edificios en bloque abiertos están dispuestos como una serie de patios-plazas públicos donde se organizan los equipamientos y las zonas verdes para el descanso y los juegos de los niños. Estos espacios tienen una gran calidad constituyendo una especie de oasis microclimáticos donde los picos de temperatura, de forma más relevante las máximas, se ven suavizados. Las isolinéas muestran una clara correspondencia entre la humedad relativa y la temperatura del aire siendo la primera más alta en correspondencia de las temperaturas más bajas.



Sección 15:00 horas Figura 7.5: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Fontarrón para las condiciones de verano. Se muestra el comportamiento del área en correspondencia de la condición de temperaturas máximas en su visualización en sección vertical. Elaboración propia con el software LEONARDO. En la simulación realizada en condiciones de invierno se comprueba que la plaza con árboles sigue siendo el punto más frío del área y donde la velocidad del viento es más baja. También en este caso, el aparcamiento constituye un punto de acumulación de calor durante el día y de disipación del calor durante la noche cuando las temperaturas bajan de forma sensible. Destacar que en la plaza arbolada, aunque las temperaturas sean más bajas que en resto del área, se obtienen condiciones de confort de no termal stress a las 12:00 horas eso debido a la alta temperatura media radiante y a la baja velocidad del viento.

Planta 6:00 horas Planta 15:00 horas



Sección 15:00 horas Figura 7.6: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Fontarrón para las condiciones de invierno. Se muestra el comportamiento del área en correspondencia de la condición de temperaturas máximas en su visualización en sección vertical. Elaboración propia con el software LEONARDO.

Valores simulados para las condiciones de verano hora Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI

Plaza arbolada Aparcamiento 0 23,52 15 66 0,54 22 22,9 15,03 70 1,47 20,7

3 22,29 14,12 70 1,3 20,5 22,99 14,22 66 1,45 20,3

6 21,91 22,62 66 0,5 22,9 21,91 13,52 70 1,4 19,5

9 23,15 64,99 59 0,7 34,9 23,04 20,6 64 1,2 22,4

12 26,42 72,77 61 0,6 39,2 28,5 67 59 1,3 38,7

15 27,6 75,1 61 0,6 40,06 29,87 69,51 57 1,46 40,3

18 26,8 52,42 62 0,65 34,5 27,71 51,59 63 1,55 34,3

21 24,51 17,51 64 0,5 23,4 24,11 16,9 67 1,5 22,2

Valores simulados para las condiciones de invierno hora Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI

Plaza arbolada Aparcamiento 0 -3,31 -8,2 100 0,7 -3,3 -2,83 -10 100 1,56 -7,7

3 -3,59 -8,76 100 0,7 -3,6 -3,41 -10,54 100 1,57 -8,4

6 -4,01 -9,3 100 0,74 -4,1 -3,81 -11 100 1,57 -8,9

9 0,99 -0,33 80 0,79 0,6 1,5 -5,1 79 1,49 -2,5

12 0,66 51,88 90,9 0,74 20,8 1,13 15,3 90 1,52 4,9

15 0,32 2,4 99 0,73 2 1,19 0,85 95 1,54 -0,4

18 -1,3 -6,12 100 0,74 -1,9 -0,88 -7,93 100 1,55 -5

21 -1,3 -7,35 100 0,73 -2,2 -0,88 -9,2 100 1,56 -5,8

Tabla 7.2: Valores obtenidos de la simulación del caso de estudio de Fontarrón calculados en condición de invierno y de verano medidos en dos puntos, en el centro de la plaza peatonal y en el centro del aparcamiento Noroeste. Elaboración propia.

Horcajo De las tres áreas la del barrio de Horcajo es la que muestra condiciones microclimaticas más desfavorable. La calzada de la calle de la Fuente de Carrantona se configura como un de acumulador de calor linear, donde los edificios producen un efecto barrera a su disipación. Tanto en planta como en la sección vertical, se muestra un aumento de la temperatura en correspondencia



de la carretera, con su máximo en el centro de la calzada y las fachadas Sureste más calientes que las opuestas.

Comparando las dos simulaciones, se puede ver que a las 6:00 de las mañana (temperaturas mínimas diarias) el centro de la calzada es el punto más frío y la zona del cañón el más caliente. La condición se invierte completamente a las 15:00 horas (temperaturas máximas diarias). El factor principal que condiciona este resultado es la radiación solar incidente, que es máxima en la calzada donde no hay vegetación ni sistemas de protección. En cuanto a los vientos no se comprueban modificaciones significativas a lo largo del día.

Planta 6:00 horas Planta 15:00 horas Figura 7.7: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Horcajo para las condiciones de verano. Se muestra el comportamiento del área las dos condiciones de temperaturas máximas y temperaturas mínimas en su visualización en planta a la altura de 1,20 m del suelo. Elaboración propia con el software LEONARDO.

A diferencia de los casos anteriores, el calor acumulado no puede disiparse en altura así que las altas temperatura se mantiene por toda la altura de los edificios. De hecho debemos subir hasta la cota de 16 metros para obtener una reducción de la temperatura en 2ºC, cosa que en los casos anteriores se producía en los primeros 2 metros. La disposición de los árboles en las zonas laterales de la carretera no ha sido suficiente para crear un espacio más mite en correspondencia de las aceras. Por otro lado, los cañones entre los edificios sufren los efectos del calor acumulado en la calzada y de la poca ventilación que no permite su disipación en altura.



Sección 15:00 horas Figura 7.8: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Horcajo para las condiciones de verano. Se muestra el comportamiento del área en correspondencia de la condición de temperaturas máximas en su visualización en sección vertical. Elaboración propia con el software LEONARDO.

En invierno las diferencias entre la calzada y el espacio entre los edificios siguen siendo muy marcadas. A pesar del efecto de enfriamiento en las horas nocturnas, que dependen principalmente de la alta velocidad del viento, la temperatura en la calzada se mantiene más alta a lo largo de todo el día. La zona de los cañones entre los edificios en el lado oeste es más fría y con velocidad del viento más alta. El aire, a la salida de cañón, choca con el flujo que baja a lo largo de la calzada creando un remolino, cosa que afecta el movimiento de aire en los bloques más a Este donde el viento es casi inexistente y produciendo un efecto de estancamiento de la temperatura.

Planta 6:00 horas Planta 15:00 horas Figura 7.9: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Horcajo para las condiciones de invierno. Se muestra el comportamiento del área las dos condiciones de temperaturas máximas y temperaturas mínimas en su visualización en planta a la altura de 1,20 m del suelo. Elaboración propia con el software LEONARDO.



Este fenómeno se puede apreciar claramente en altura: los mapas de output del programa muestran que la temperatura es constante por toda la altura de los edificios, los vientos con muy poca velocidad forman unos remolinos y vuelen a tener su entidad y a producir una bajada de la temperatura solo por encima de la cota de los tejados. También en la calzada se produce un estancamiento del calor en altura. A diferencia de los resultados en los aparcamientos de los casos anteriores, donde la ausencia de obstáculos permite la disipación del calor en cotas bajas, en este caso la reducción de la temperatura empieza solo por encima de la cota de las azoteas.

Sección 6:00 horas Sección 15:00 horas Figura 7.10: Resultado de las simulaciones del caso de estudio de Horcajo para las condiciones de invierno y de verano. Se muestra el comportamiento del área las dos condiciones de temperaturas máximas y temperaturas mínimas en su visualización en sección vertical. Elaboración propia con el software LEONARDO.

Las simulaciones muestran que la morfología urbana de este caso de estudio de edificios de manzana cerrada, afecta de forma mucho más significativa el microclima urbano que los casos anteriores. Tanto en verano como en invierno, los gradientes de temperaturas en planta y en alzado son superiores a los de los casos anteriores con condiciones muy distintas entre una zona y la otra, también para el viento y la humedad relativa. Asimismo las condiciones de confort son las más desfavorables, presentando peores condiciones en verano de 12:00 a 15:00 horas.

Resaltar que no ha sido posible simular las aportaciones de calor de origen antrópico (climatización y coches), pero es fácil imaginar que su mayor efecto se produciría en las calzadas incrementando la temperatura del aire.



Valores simulados para las condiciones de verano hora Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI

Calzada Cañón 0 24,4 17 97 2,02 24,5 24,56 17,73 96 0,3 26,2

3 22,79 15,76 98 1,99 22,3 22,89 16,42 97 0,41 23,8

6 21,5 14,7 98 1,95 20,6 21,6 15,4 97 0,5 22,4

9 28,73 24,26 97 1,64 33 27,6 65,5 90 0,5 40,6

12 34,3 70,2 84 1,68 49,4 29,5 61,2 73 0,4 39,8

15 35,4 75,1 61 0,6 40,06 30,4 72,4 74 0,2 42,9

18 32,22 52,42 62 0,65 34,5 29,8 26,77 81 0,2 32,9

21 27 17,51 64 0,5 23,4 27 19,6 94 0 29,5

Valores simulados para las condiciones de invierno hora Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI Ta ºC Tmrt ºC RH % W m/s UTCI

Calzada Cañón 0 1,32 -6,39 100 1,9 -4,2 -1,08 -4,3 100 0,1 -0,8

3 0,9 -6,8 100 2 -5 -1,5 -4,7 100 0,1 -1,3

6 0,6 -7,1 100 2,04 -5,4 -2 -5,04 100 0,1 -1,8

9 5,18 4,87 84 1,86 2,9 2,72 -0,21 87 0,13 3,1

12 4,6 1,6 99 1,9 3,4 1,93 4,35 96 0,11 4,5

15 3,95 9,6 100 1,95 5,8 1,09 0,4 100 0,09 2,5

18 2,31 -5,27 100 1,96 -3,3 0,01 -3,16 100 0,09 0,4

21 1,7 -5,92 100 1,98 -1 -0,6 -3,8 100 0,09 -0,3

Tabla 7.3: Valores obtenidos de la simulación del caso de estudio de Horcajo calculados en condición de invierno y de verano medidos en dos puntos, en el centro de la plaza peatonal y en el centro del aparcamiento Noroeste. Elaboración propia.

Comparación entre los tres casos de estudio

De las simulaciones realizadas en los tres casos se observa como elementos comunes que:

• el entorno urbano genera zonas microclimáticas con características más destacadas en las condiciones de verano. La explicación más probable es que el software da mucha importancia a los efectos generados por la radiación solar en verano y muy poca en invierno. De la bibliografía consultada se indica que el efecto de la isla de calor en Madrid es más pronunciado en invierno (López Gómez, A. 1991). La teledetección de la isla de calor es un estudio del espacio urbano al nivel de la mesoscala, en lo que entran muchos factores como entre otros, los aportes antropogénicos y el efecto de inversión térmica, que no vienen considerados en la microescala. Sin embargo, para mejorar la aplicabilidad del sistema de cálculo a las condiciones madrileñas, se



aconseja profundizar en el estudio del clima tipo empleado para la simulación.

• las superficies duras con suelo oscuro (asfalto), como las calzadas de las calles y los aparcamientos, son las en que se produce una acumulación de calor y con mayor intensidad durante los meses veraniegos. El resultado demuestra que el sistema es sensible al tipo de suelo empleado y que puede ser usado eficazmente cómo herramienta de apoyo para la selección de los materiales con las características más adecuadas (albedo, calor específico, emisividad y coeficiente de evaporación).

• En las zonas abiertas como los aparcamientos, la disipación del calor se produce a cotas inferiores a los 2,50 m, mientras que en los cañones entre edificios la capacidad de disipación del calor depende de muchos factores: relación H/L, velocidad del viento, orientación y exposición.

• Las zonas con presencia de vegetación, y en especial con árboles altos y de hojas caducas, son las que presentan temperaturas más frías, humedad más alta y vientos débiles. El efecto mitigador de la vegetación es más relevante en verano. También este resultado parece coherente con el comportamiento real del espacio urbano ya que en invierno los árboles, principalmente de hoja caduca, producen un efecto de sombra y de evapotranspiración muy inferior que en verano.

Las diferencias más significativas entre los tres casos de estudio son:

• Horcajo es el caso que muestra las temperaturas más altas y zonas microclimáticas más dishomogéneas, Fontarrón el que menos. Las simulaciones revelan que la tipología urbana de edificios en manzana cerrada crea un microclima muy desfavorable, con zonas con importante disconfort térmico y donde los arboles colocados a lo largo de las carreteras no producen el efecto de mitigación esperado. Una organización del espacio de tipo racionalista, con edificios en bloques abiertos en una crujía, poca impermeabilización de los suelos y mucha presencia de vegetación en el espacio libre entre parcela produce condiciones climáticas mejores, con amplias zonas de bajas temperatura en verano.

• En los cañones entre edificios con muchos árboles no se observa acumulación de calor. A diferencia de lo que se comprueba en los



resultados de las simulaciones de verano en Horcajo y en Pavones, el espacio libre entre edificios en Fontarrón resultan como un oasis de frío.

• Del análisis de las secciones se comprueba que en Pavones y Fontarrón el espacio urbano tiene una influencia sobre el microclima reconocible hasta una cota alrededor de 2H51 en Horcajo sube hasta 4H. Las secciones muestran que en los dos casos con tipología en bloque abierto, aunque con diferencias entre los casos y entre invierno y verano, la disipación del calor de acumulación se produce principalmente a cotas inferiores de los tejados de los edificios. En el tercer caso, una tipología de manzana cerrada, además de producirse una mayor acumulación de calor en correspondencia de las calzadas de las avenidas, la temperatura empieza su descenso solo sobrepasado la cota de los tejados.

De las simulaciones realizadas no se puede observar una relación directa entre el comportamiento climático y los indicadores analizados para la caracterización de los casos de estudio. En la revisión del estado del arte se ha visto que existen muchas investigaciones que intentan relacionar características generales del entorno urbano (tamaño, población, densidad del edificado, etc.) con fenómenos climáticos como la formación del efecto isla de calor.(T. Oke, 1987; Santamouris et al., 2001) Sin embargo no podemos trasladar estos conceptos, que tienen su validez a nivel mesoescalar, a la microescala atendiendo sólo a la componente cuantitativa. El comportamiento del espacio urbano a nivel de microescala, no se ve influido solo por la cantidad de vegetación, de volumen edificado, etc. sino que tambien por su organización espacial. Por ejemplo Horcajo muestra condiciones climáticas muy diferentes de los otros dos casos, aunque los indicadores cuantitativos no presenten valores muy desiguales entre los tres casos.

Resaltar el diferente comportamiento de los casos de estudio en relación a los fenómenos microclimáticos en altura, por lo relativo a la acumulación del calor en los cañones y la altura de la cota hasta la que se puede apreciar el efecto de isla de calor. Para el primer fenómeno de la distribución de calor en altura, se puede observar que las grandes avenidas para el tráfico rodado constituyen un importante punto de acumulación del calor que se disipa con mucha dificultad. En el caso de la calle de la Fuente de Carrantona de Horcajo, el calor acumulado crea un aumento de la temperatura de aproximadamente 4 ºC en verano y 2,5 ºC en invierno hasta la cota de los tejados de los edificios. En relación con el segundo aspecto mencionado, las simulaciones muestran que la altura de la cota del

51 H. Altura de los edificios que limita la porción de aire del volumen ideal de estudio del microclima en el espacio urbano.



UCL52 cambia sensiblemente en relación a la tipología edificatoria, siendo para los edificios de bloques de manzana cerrada es el doble de la de bloques abiertos. Eso tiene importantes repercusiones a nivel de microescala en el consumo energético de los edificios y en el confort de los espacios libres y a nivel mesoscalar en la contaminación del aire, concentración de partículas y foto-oxidación.

El estudio de las propuestas de modificación del espacio exterior se basa en comprobar los efectos producidos en las condiciones más desfavorables y proponer medidas de mejora. Como podemos ver de los valores tabulados (Tablas 7.1, 7.2 y 7.3) se producen condiciones de falta de confort tanto en verano como en invierno:

• En verano las condiciones de disconfort por stress por calor se producen de 9:00 a las 21:00 horas, lo que corresponde a las horas en las que los ciudadanos disfrutan más del espacio público. En las restantes horas las condiciones en el espacio exterior son de confort térmico, lo que indica que hay una variación muy brusca de un estado de no termal stress a strong heat stress en un intervalo de tiempo muy reducido.

• En invierno la sensación térmica es principalmente de moderate cold stress en las horas nocturas y sligth cold stress durante el día, alcanzado la condición de confort en el caso de Fontarrón a mediodía.

Considerado las horas de mayor ocupación del espacio exterior, que va de 9:00 de la mañana a 9:00 de la noche, las simulaciones nos indican que las condiciones más desfavorable para el disfrute del espacio público son las condiciones de verano y en concreto las 15:00 horas. Además, teniendo en cuenta que en relación a los riesgos para la salud y a la mortalidad el estrés térmico por calor es más perjudicial que en condiciones de frío (Candas, 2005; Höppe, 2002), se ha decidido limitar el estudio del confort a la condición más desfavorable de stress por calor que se produce el 15 de Agosto a las 15 horas.

Estudio de la radiación solar con ECOTECT2010 En este apartado se presentan los resultados obtenidos con la modelización del espacio de los tres casos de estudio con el software ECOTECT. Como se ha indicado anteriormente, gracias a este programa se han podido obtener

52 UCL. Urban Cannopy Layers. Porción de aire que va del suelo hasta la altura de los tejados de los edificios o altura de los árboles. Ver capítulo 2. (Voogt, 2007)



informaciones en relación al SVF y a la cantidad de radiación solar recibida por el área.

Para la realización del modelo 3D se han empleado software de diseño 2D y 3D como Autocad y Sketchup, donde se ha definido la morfología de los edificios y se han posicionado los árboles. El modelo ha sido así importando en la herramienta ECOTECT2010, donde se le ha asignado una orientación correspondiente a la real y el clima de Madrid para realizar el análisis.

Pavones El estudio de las sombra muestra que las zonas que reciben más radiación solar son las del aparcamiento y del cañón entre los dos edificios. La zona de juego de los niños está sombreada por el bloque de edificios de XI planta y por los árboles, así como el boulevard.

Figura 7.11: Pavones, modelo 3D con ECOTECT. Elaboración propia. Del análisis del SVF se puede ver como el aparcamiento recibe radiación solar directa en verano (15 de agosto) durante la mayor parte del día, mientras que en el cañón se limita al intervalo de tiempo que va de las 12:00 a las 18:00 horas.



Figura 7.12: Pavones, diagrama stereografico del SVF desde el centro del aparcamiento y del cañón. Elaboración propia. De la simulación de la radiación solar directa se puede observar que el aparcamiento es claramente la zona que recibe más radiación de toda el área, mientras que los árboles del boulevard proporcionan una protección solar importante en correspondencia con la fachada Sureste del bloque de viviendas central.

Figura 7.13: Pavones, análisis de la radiación solar incidente calculada el día 15 de agosto a las 15:00 horas. Elaboración propia.

Fontarrón El modelo 3D muestra la geometría sencilla de los edificios en bloques de V plantas dispuesto con una composición a L de modo de dejar espacios verdes libres entre los edificios. La gran cantidad de árboles altos, principalmente de hoja caduca, proporciona mucha sombra a estos espacios.



Figura 7.14: Fotarrón, modelo 3D con ECOTECT. Elaboración propia. En este caso también se compara el SVF calculado en el centro de la plaza peatonal y en el centro del cañón de orientación NO-SE. En ambas condiciones la disposición de los edificios y sobre todo la presencia de los arboles, reducen mucho la exposición al cielo. En concreto se puede observar que en los cañones las horas de exposición en verano se limitan al intervalo de 12:00 a 15:00 horas, mientras que en los meses de diciembre y enero el área es en sombra durante todo el día.

Figura 7.15: Fontarrón, diagrama stereografico del SVF desde el centro de la plaza peatonal y del cañón NO-SE. Elaboración propia. La simulación con ECOTECT muestra que la radiación solar directa en el área es muy diferente según la zona: en la zona de aparcamiento, donde no existe protección solar, la radiación es muy alta. En el espacio del cañón los árboles y los mismos edificios proporcionan protección solar, con lo que la radiación directa es baja, sobre todo en correspondencia con las fachadas de los edificios. En la plaza peatonal el efecto de sombra es más significativo en correspondencia con la



fachada Suroeste de los edificios donde los árboles son más altos y más desarrollados; en cambio en el centro la vegetación presente no proporciona mucha protección.

Figura 7.16: Fontarrón, análisis de la radiación solar incidente calculada el día 15 de agosto a las 15:00 horas. Elaboración propia.

Horcajo En este tercer caso de estudio se ha representado la geometría de los edificios y la colocación actual de los árboles que están posicionados a lo largo de las calles principales. En este caso se puede apreciar que en correspondencia con las fachadas de los edificios y en las aceras se produce bastante sombra, a diferencia de las calzadas que están totalmente expuestas.

Se destaca también que la orientación de calles y edificios no está estudiada para asegurar la protección solar de las fachadas Sur y Oeste por los árboles. Eso indica que la vegetación ha sido colocada más con fines de decoro que por sus beneficios en la mitigación de la temperatura y protección solar en verano.



Figura 7.17: Horcajo, modelo 3D con ECOTECT. Elaboración propia. El cálculo del SVF se ha realizado en la zona de la plaza peatonal y en el cañón de orientación NO-SE. En el diagrama podemos ver que la zona en verano está expuesta al sol durante toda la mañana hasta mediado de la tarde, mientras que en invierno solamente en la mañana. La exposición al cielo en el cañón es muy inferior a los otros casos: en verano se limita al intervalo entre las 10:00 y las 16:00 horas y en invierno es prácticamente nula.

Figura 7.18: Horcajo, diagrama stereografico del SVF desde el centro de la plaza peatonal y del cañón NO-SE. Elaboración propia. El estudio de la radiación solar directa confirma que esta es mayor en centro de la calzada de la calle de Fuente de Carantona y más baja en las calles laterales, sobre todo en correspondencia con las fachadas de los edificios.



Figura 7.19: Horcajo, análisis de la radiación solar incidente calculada el día 15 de agosto a las 15:00 horas. Elaboración propia.

Realización de los escenarios de proyecto La metodología de investigación establecida para la definición de las líneas guía para el diseño bioclimático de los espacios urbanos, pasa por el análisis crítico de los escenarios de proyecto realizados con el soporte de las herramientas de simulación térmica ya usadas. En las propuestas de modificación se han tenido en cuenta los siguientes elementos:

• El comportamiento microclimático sobre todo en relación a las condiciones de confort.

• Las características de las áreas según los indicadores analizados y los rangos de aceptabilidad definidos por Rueda en los planes especiales de Sevilla y Victoria.

• Las carencias formales y microclimáticas que justifican la necesidad de una rehabilitación del barrio.

• Las posibilidades de modelización y de sensibilidad en los resultados de los softwares empleados.

En relación a las necesidad de proponer estrategias que atiendan a mejorar las condiciones de degrado formal de estos barrios, se han considerados los probable escenarios que se producirían si por ejemplo se llevaran a cabo algunos de las propuestas de reforma avanzadas en trabajos anteriores realizados siempre en el distrito de Moratalaz por Higueras, Pozueta y Lamíquiz (2010) en relación a los nuevos usos del espacio público, y en particular:



1. La supresión de plazas de aparcamiento en la superficie. 2. La cesión de parte del espacio público a un “uso asociado a la edificación

de planta baja” que pueden ser privados o comunitarios. 3. La limitación del uso de pavimentos impermeables en el sistema de

itinerarios peatonales y para los vehículos de emergencia. (instituto Juan Herrera UPM, 2010)

Se ha procedido entonces a la realización de una serie de simulaciones de diferentes escenarios pensados para una reforma urbana del espacio libre donde no se modifica la morfología de los edificios. Los diferentes modelos han sido realizados cambiando un parámetro a la vez, de forma de poder hacer un estudio de la influencia de cada variable en los valores climáticos y finalmente del confort de los usuarios. Las simulaciones se han limitado a estudiar la condición de verano, porque es en la que se ha comprobado que se producen condiciones de disconfort más importantes. .

Se han estudiado diferentes soluciones cuyos resultados se muestran en las tablas de análisis donde se describen las estrategias aplicadas a los aparcamientos, el espacio libre entre edificios que llamamos cañón y a las plazas peatonales. Las fichas y una descripción detallada y comentada de los resultados de cada estudio se presentan en el capítulo 8 de las conclusiones y están recogidas por entero en el Anexo II.

El primer escenario común a los tres casos consiste en la reducción de las áreas verdes, dejando sólo los arboles más altos y el aumento de las superficies dura e impermeable. Se ha propuesto este escenario pensando en la opción del menor coste de mantenimiento, cosa que podría ocurrir por ejemplo si se llevara a cabo una privatización de los espacios públicos con una cesión a las comunidades sin fijar ninguna condición de uso y mantenimiento.

Una de las principales causa de degrado formal de los barrios periféricos estructurados según los principios del urbanismo internacional, es que la gran cantidad de espacio dedicado al verde necesita de mucho mantenimiento. La falta de cuidado de parte de la administración pública ha provocado el degrado de estos espacios, que han ido perdiendo de identidad y de seguridad. La hipótesis de ceder el espacio público a los privados, si por un lado podría ser una solución para su gestión y su identidad, por el otro podría suponer un cambio radical en su uso. Un espacio ajardinado de uso público podría fácilmente ser transformado en una losa de hormigón, con un coste de mantenimiento muchos más bajo, pero con muy poca calidad ambiental y microclimática.



Se estudia también el escenario contrario, donde se aumentaría la vegetación existente que pasaría a ocupar un 30% de la superficie libre, evaluando los efectos según el tipo de vegetación: arbustos de 1,5 metros de altura y árboles de 20 metros de altura y una alta densidad de hojas. Se comprueba también el efecto que produciría la introducción de espejos de agua, aunque en este caso la obtención de unos resultados comparables está condicionada por las limitaciones del software de cálculo. En la guía se destaca que el agua viene considerada como “aguas profundas” porque el programa no es capaz de evaluar la transmisión de calor que se produce entre la superficie de suelo y la capa de agua inmediatamente encima (Bruse, 2004). Tampoco es posible simular el efecto de enfriamiento evaporativo producido por una fuente de agua, lo que limita las posibilidades del modelo y que se entiende como una desventaja del software.

Se realiza una revisión de la herramienta para explorar las capacidades del software y encontrar la posibilidad de poder personalizar la simulación introduciendo nuevos materiales en las bases de datos de defecto. Como se ha indicado con antelación la versión 3.1 no permite modificar los edificios, con lo que por ejemplo no es posible simular los efectos que se producirían en el entorno microclimatico por el cambio de los materiales de acabados de las envolventes de los edificios. Sin embargo es posible modificar la base de datos relativa a los materiales empleados para los suelos introduciendo por ejemplo valores relativos a productos concretos.

Los materiales de acabado se definen a través de dos bases de datos: la primera SOIL.DAT donde aparecen las características de los materiales y PROFIL.DAT donde se definen las diferentes capas que constituyen el suelo. Las dos bases de datos están conectadas entre sí.

En el primer archivo se encuentran unos materiales por defecto (líneas) y sus características hidráulicas y térmicas en las columnas. Los valores que proporciona el software por defecto son:

00: ID V ns nfc nwilt matpot hydr CP b Hcn Name......(40z).... 00: ss b xxxxxx xxxxxx xxxxxx xxxxxx x[10-6] [10+6] xxxxxx xxxxxx ssssssssssssssssssss 01: 00 0 0.451 0.240 0.155 -0.478 7.0 1.212 5.39 0.00 Default Soil (Loam) 02: sd 0 0.395 0.135 0.0068 -0.121 176.0 1.463 4.05 0.00 Sand 03: ls 0 0.410 0.150 0.075 -0.090 156.3 1.404 4.38 0.00 Loamy Sand 04: sl 0 0.435 0.195 0.114 -0.218 34.1 1.320 4.90 0.00 Sandy Loam 05: sl 0 0.485 0.255 0.179 -0.786 7.2 1.271 5.30 0.00 Silt Loam 06: le 0 0.451 0.240 0.155 -0.478 7.0 1.212 5.39 0.00 Loam 07: ts 0 0.420 0.255 0.175 -0.299 6.3 1.175 7.12 0.00 Sandy Clay Loam 08: tl 0 0.477 0.322 0.218 -0.356 1.7 1.317 7.75 0.00 Silty Clay Loam 09: lt 0 0.476 0.325 0.250 -0.630 2.5 1.225 8.52 0.00 Clay Loam 10: st 0 0.426 0.310 0.219 -0.153 2.2 1.175 10.40 0.00 Sandy Clay 11: ts 0 0.492 0.370 0.283 -0.490 1.0 1.150 10.40 0.00 Silty Clay



12: to 0 0.482 0.367 0.286 -0.405 1.3 1.089 11.40 0.00 Clay 13: tf 0 0.863 0.500 0.395 -0.356 8.0 0.836 7.75 0.00 Peat 14: zb 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.083 0.00 1.63 Cement Concrete 15: mb 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 1.750 0.00 2.33 Mineral Concrete 16: ak 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.214 0.00 1.16 Asphalt (with Gravel) 17: ab 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.251 0.00 0.90 Asphalt (with Basalt) 18: gr 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.345 0.00 4.61 Granite 19: ba 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.386 0.00 1.73 Basalt 20: ww 2 0.00 0.000 0.000 0.000 0.0 0.000 0.000 0.00 Water

Las primer dos líneas son interpretada por la herramientas, las siguientes representan los diferentes materiales.

Los parámetros empleados para realizar el modelo de los materiales son:

ID: nombre identificativo de dos dígitos del material que sirve de conexión con el PROFILES.DAT V: Tipo de suelo 0: suelo normal, 1: suelo impermeable, 2: agua profunda ns: Contenido de agua del suelo a saturación [m3/m3] nfc: Contenido volumétrico de agua de la capacidad de campo [m3/m3]53 nwilt: Contenido volumétrico de agua en el punto de marchitez (para los modelos de la vegetación) [m3/m3]54 matpot: Potencial matricial a saturación [m] hydr: Conductividad hidráulica a saturación [(m/s) · 10-6] CP: Capacidad térmica volumétrica [(J/m3K) · 106]

53 La capacidad de campo es una constante hidrológica del terreno. Se define el contenido de agua del terreno, en termino de humedad en porcentaje, en condiciones optímales por lo relativo al ratio entre aire, agua y tierra. Dichas condiciones se verifican cuando los volúmenes de los microporos están enteramente ocupados por agua mientras que los macroporos están enteramente ocupado por el aire. (Israelson, O.W. and West, F.L.,1922; Richards, L.A. and Weaver, L.R. (1944) 54 El punto de marchitez permanente es el punto de humedad mínima del terreno en el cual la planta no puede extraer agua y no puede recuperarse de la perdida hídrica aunque la humedad ambiental sea satura. (Veihmeyer, F.J. and Hendrickson, A.H.,1928 )



b: Constante de Clapp & Hornberger55 HCN: Conductividad térmica del material [W/m K] Name: Nombre identificativo

El segundo archivo PROFILE.DAT identifica el acabado de los suelos según sus capas. Las capas están compuestas por los materiales definidos en el archivo SOIL.DAT. Por defecto el software viene con la siguiente base de datos:

00: ID -.015 .025 .035 .045 .055 0.07 0.09 0.15 0.25 0.35 0.45 0.75 1.25 1.75 _z0__ _a__ _em_Name 01: 0 le le le le le le le le le le le le le le 0.015 0.00 0.98 Unsealed 02: s ab ab ab ab ab ab ab ab ab le le le le le 0.010 0.20 0.90 Asphalt 03: p zb zb zb zb sd le le le le le le le le le 0.010 0.40 0.90 Pavement 04: l le le le le le le le le le le le le le le 0.015 0.00 0.98 Loamy Soil 05: sd sd sd sd sd sd le le le le le le le le le 0.050 0.30 0.90 Sandy Soil 06: w ww ww ww ww ww ww ww ww ww ww ww ww ww ww 0.010 0.00 0.96 Deep Water

Las columnas de .015 a 1.75 indican los materiales en las diferentes capas z0: indica el valor de rugosidad superficial del material de acabado a: es el albedo a onda corta del material de acabado superficial em: es la emisividad a onda larga del material de acabado superficial.

Finalmente el valor Name es el nombre que sirve para identificar el material. (Bruse, 2004)

Parece interesante poder evaluar el comportamiento que tendría el espacio urbano si se emplearan algunos de los materiales de acabado superficial más

55 Roger B. Clapp y George M. Horneberger (1978) definen unos valores estadísticos para los parámetros de la mezcla del suelo agrupados según su textura. Soil Texture Soil Mean

Clay Fraction

b ψs cm ψs(log) cm

ψf cm θs cm3/ cm3

Ks cm/min

S cm/

Sand 13 0.03 4.05 12.1 3.50 4.66 0.395 1.056 1.52 Loamy sand 30 0.06 4.38 9 1.78 2.38 0.410 0.936 1.04 Sandy loam 204 0.09 4.90 21.8 7.18 9.52 0.435 0.208 1.03 Silt loam 384 0.14 5.30 78.6 56.6 75.3 0.485 0.0432 1.26 Loam 125 0.19 5.39 47.8 14.6 20 0.451 0.0417 0.693 Sandy clay loam

80 0.28 7.12 29.9 8.63 11.7 0.420 0.0378 0.488

Silty clay loam

147 0.34 7.75 35.6 14.6 19.7 0.477 0.0102 0.310

Clay loam 262 0.34 8.52 63 36.1 48.1 0.476 0.0147 0.537 Sandy clay 19 0.43 10.4 15.3 6.16 8.18 0.426 0.0130 0.223 Silty clay 441 0.49 10.4 49 17.4 23 0.492 0.0062 0.242 Clay 140 0.63 11.4 40.5 18.6 24.3 0.482 0.0077 0.268 Donde con ψs se indica la succión a saturación, θs es el contenido de agua volumetrico a saturación y b es un coeficiente estimado desde la succión. (B.Clapp R, M.Hornberger G, 1978).



novedosos y que se proponen en el mercado como una alternativa a los productos tradicionales para reducir el impacto producido por la urbanización.

De hecho se están realizando muchas investigaciones que van en la dirección de actuar sobre los materiales de acabado de las calles, aparcamientos, plazas y en general todas aquellas superficies duras e impermeables que representan los elementos principal de la superficie ciudadana. La temperatura superficial de estos materiales tiene una influencia importante en el microclima urbano debido a la transmisión radioactiva de calor, al condicionamiento en los movimientos convectivos y a la transmisión del calor a las capas de substrato que lo acumulan remitiéndolo en las horas más frías.

Los suelos fríos son materiales novedosos que tienen la capacidad de acumular meno calor y tener una temperatura superficial inferior que los materiales tradicionales. Normalmente es posible obtener dicho resultados actuando en estas tres direcciones:

a) Aumentar la reflectancia superficial, reduciendo la cantidad de radiación absorbida por el suelo

b) Aumentar la permeabilidad y permitiendo una reducción de la temperatura por efecto de la evapotranspiración

c) Realizar materiales compositos para la reducción del ruido con propiedades bajo emisiva durante la noche.

Ver el capítulo 2. (Santamouris, Synnefa, & Karlessi, 2011; Santamouris et al., 2012; Synnefa, Santamouris, & Akbari, 2007; Synnefa et al., 2011)

Entre las tantas opciones recordamos por ejemplo los pavimentos en bloque cerámicos o de hormigón, que permiten una cierta permeabilidad y que se identifican como “pavimentos ecológicos”, que han encontrado una extensa aplicación en las áreas peatonales y los aparcamientos. Existen muchas investigaciones sobre el desarrollo de materiales de acabado de calles y carreteras para sustituir el asfalto tradicional por otros más porosos, catalíticos que permiten la fijación de partículas contaminantes o que gracias a la introducción de pigmentos, presentan colores diferentes, ende comportamiento radioactivo diferente. (Santamouris et al., 2012; Synnefa et al., 2011; Wan, Hien, Ping, & Aloysius, 2009)

Para simular el comportamiento de un sistema de pavimentos permeables de tipo “adoquines ecológicos” se realiza un material considerando como constituido por



el 50% de ladrillo y 50% de suelo natural, así que los valores de rugosidad, albedo y emisividad están tomados como media entre los valores de los dos.

Para las superficies de calles y calzadas se decide simular un asfalto desarrollado para mitigar el efecto de isla de calor urbana con una baja conductividad, alta emisividad y capaz de reflejar más del 81% de la radiación infrarroja. Este material PerfectCool ha sido desarrollado en Japón por la empresa NIPPO Corporation. (2009)

PerfectCool es un material frío basado en el principio del aumento de la reflexión de los rayos solares, la reducción del calor absorbido y en consecuencia una reducción de la temperatura superficial. La capa de material de acabado consiste en una pigmentación negra de alta reflectancia al infrarrojo y partículas cerámicas huecas para reducir la conducción del calor entre la pintura.

Los valores característicos del material y que se introducen en el software para simular su comportamiento son las siguientes:

Control sample: CP40 Conductividad: 0,624 Emisividad: 0,828 Albedo: 0,46 (Wan, Hien, Ping, & Aloysius, 2009)

Finalmente se introducen en la base de datos estos dos nuevos materiales con las características indicadas a continuación:

En SOIL.DAT

ID V ns nfc nwilt matpot hyr CP b Hcn Name zz 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.000 0.00 1.00 Brick le 0 0.451 0.240 0.155 -0.478 7.0 1.212 5.39 0.00 Loam eb 0 0.225 0.120 0. 077 -0.239 3.5 1.606 5.39 0.5 EcoBrick pc 1 0.00 0.000 0.000 0.00 0.0 2.214 0.00 0.62 PerfectCool

En PROFILS.DAT V3 -.005 .015 .025 .035 .050 0.07 0.09 0.15 0.25 0.35 0.45 0.75 1.25 1.75 _z0__ _a__ _em__N.N__Name ca pc pc pc pc pc pc pc pc pc le le le le le 0.010 0.46 0.82 00.0 PCoolAsphalt Road ae eb eb eb sd le le le le le le le le le le 0.012 0.25 0.94 00.0 Eco Brick (yellow stones)

De una prima aplicación del PerfectCool a las superficies asfaltadas en el modelo de Pavones y Horcajo no ha dado resultados con diferencias apreciables del estado actual. Como se muestra en detalle en las fichas de comparación, se



puede ver que el cálculo muestra una variación de la temperatura, el parámetro que según la literatura se debería ver mayormente influido, inferior al 1ºC. Esto, además de poner en duda la efectividad de la medida, indica que el cambio introducido no produce variaciones tales como para poder ser reconocida por el software. Por consecuencia, para los modelos de Fontarrón se decide testar otro material con características diferentes

a b Figura 7.20. Comparación entre los resultados obtenidos en la zona de aparcamiento de Pavones del estado actual (a) y del escenario usando el material PerfectCool (b). Elaboración personal con el software LEONARDO. Se decide entonces simular un escenario donde la calzada y los aparcamientos tradicionales son sustituidos por un asfalto tratado con pigmentación blanca. Este tipo de solución ha sido estudiada por Synnefa (2011) que en su trabajo de investigación ha comprobado el comportamiento de diferentes materiales “fríos” (cool asphalt) obtenidos actuando sobre la reflectancia del material. El material ha sido realizado empleando de un asfalto tradicional en el cual se ha añadido pigmentación blanca, roja, verde, amarilla y beige y para cada una de las cincos soluciones ha sido realizado una muestra para el estudio de sus prestaciones térmicas. El material muestra que durante el día la temperatura superficial es mayor que la del aire y que esta condición se invierte por la noche, demostrando la alta emisividad, propiedad que permite liberar rápidamente el calor acumulado durante el día en las horas nocturnas.

De las cinco soluciones estudiadas, el asfalto con pigmentación blanca es el que muestra mejores prestaciones térmicas reduciendo la temperatura superficial del 20% respecto a un asfalto tradicional, con lo que se opta por simular un material con las mismas características: emisividad 0,9 (la misma de un asfalto medio) y albedo de 0,55 (55% de reflectancia)(Santamouris, Synnefa, & Karlessi, 2011; Synnefa et al., 2011)

A continuación se detallan los valores introducidos en la base de datos del ENVImet.



En PROFILS.DAT

wa ab ab ab ab ab ab ab ab ab le le le le le 0.010 0.55 0.90 00.0 White Asphalt

Como se ha indicado, el trabajo de investigación se ha limitado a estudiar los sistemas para mejorar el confort en la condición más desfavorable que corresponde a la de verano. Es conocido que una de las principales medidas para contrarrestar el calor es la protección solar, de hecho las calles de muchas ciudades se protegen en verano con sencillos sistemas de sombrilla y parasoles para crear sombra. El programa de simulación ENVI-met 3.1 no permite modelar elementos de sombras u otros elementos que puedan asemejarse a una sombrilla, techo, parasoles etc. con lo que no ha sido posible realizar esta comprobación con el programa. Se entiende que esta es una importante limitación de la herramienta de cálculo que condiciona de forma significativa la empleabilidad del software en estudios de rehabilitación urbana.

Resultados de los escenarios de proyecto

Presentación de los resultados

Una vez realizadas las simulaciones ha surgido el problema de la elaboración de los resultados obtenidos para la formulación de unas pautas de diseño bioclimático del entorno urbano. Se ha decidido descomponer las áreas de estudio por elementos singulares y estudiar su comportamiento. Los elementos son tres: el aparcamiento, el cañón entre edificios y la plaza peatonal.

Las tres áreas de estudio han sido divididas en elementos singulares y para cada escenario de proyecto ha sido realizada una comparación con el estado actual por un total de cuarenta y tres comparaciones. Para cada una se indican los valores de los parámetros climáticos característicos: Temperatura del aire Ta en ºC, Velocidad del viento W en m/s, Humedad relativa H en % y la Radiación solar directa expresada en W/m2 y valores relativos a la sensación de confort como son la Temperatura media radiante Tmrt indicada en ºC y el UTCI expresado en ºC y asociado a un patrón de colores que corresponde a la escala de evaluación que se detalla en el capítulo 3. Cada simulación ha sido acompañada de una explicitación sintética de la comparación entre el estado actual y el escenario de proyecto concreto. El desarrollo completo de las fichas de los escenarios se puede consultaren el Anexo II.



Comparación entre los escenarios

Salvando las diferencias entre los resultados obtenidos en las áreas específicas de las diferentes simulaciones, se describen las conclusiones generales que pueden extraerse de la observación de los resultados.

En cuanto a la elección de los materiales se propone una primera solución en la que aumentan las superficies impermeables a expensas de las superficies naturales y la reducción de la vegetación. En general se observa que no se produce una disminución de la temperatura de alrededor de 1ºC, un disminución de la humedad relativa mientras que el viento se modifica de forma diferente según los casos. Lo más destacado en este caso es la reducción de la altura de disipación del calor. En todos los casos se produce una reducción de la temperatura en altura, por efecto de la ventilación, mayor a cotas más altas, y la reducción de la humedad, debido a la reducción de las superficies permeables y en consecuencia, de la evaporación. No se comprueba una mejora en las condiciones de confort en los espacios abiertos como los aparcamientos y las plazas, a diferencia de los cañones donde el confort mejora.

a b Figura 7.21. Comparación entre los resultados obtenidos en la zona de cañón de Pavones del estado actual (a) y del escenario de reducción de la vegetación (b). Elaboración personal con el software LEONARDO. Se introducen en el database del software las características de algunos materiales definidos cool materials con el objetivo de comprobar el resultado que produciría su aplicación al entorno urbano. Como se demuestra en las investigaciones experimentales realizadas sobre estos materiales (Santamouris 2011, Synefa), el sistema muestra una reducción de la temperatura, en valores mayores para la aplicación del asfalto blanco. La disminución de las temperaturas se produce tanto en planta como en altura y se puede apreciar que se produce una homogeneización en su distribución, reduciendo el gradiente en el área de estudio. A pesar de todo el valor del UTCI aumenta, cosa que indica un empeoramiento del confort de las personas. Este resultado es consecuencia del aumento del valor de Tmrt restituido por el software de simulación. Se ha intentado investigar con más detalle el resultado obtenido, pero ni con las indicaciones proporcionadas por la guía del software ni con la literatura



consultada ha sido posible obtener el procedimiento de cálculo. La comprobación del valor estimado para la Tmrt queda abierta a futura comprobaciones del sistema de cálculo.

Se realiza una simulación usando la opción de agua con el fin de comprobar el funcionamiento del software, ya que la realización de tanques de agua profunda no es una solución aplicable al espacio libre urbano. El sistema de cálculo da como resultado una disminución de la temperatura de 4ºC, de la Tmrt y una mejora del confort.

Para evaluar el efecto de la vegetación se ha trabajado en diferentes escenarios: i) reducción de la vegetación existente, dejando solo los arboles más altos; ii) aumento de la vegetación poniendo suelo de césped en las zonas peatonales y de estacionamiento, uso de arbustos y iii) uso de albores altos. La reducción de la vegetación provoca que las condiciones de confort se quedan constates o empeoran. En dos casos se obtiene una mejora del confort. El resultado es atribuible a la reducción de la Tmrt y de la humedad relativa, pero como se ha indicado anteriormente este parámetro debe ser objeto de ulteriores estudios.

Resultado opuesto se obtiene del aumento de la cantidad de vegetación y espacios verdes: la general disminución de la temperatura, el aumento de la humedad relativa y la disminución del valor de UTCI. Según la zona y la solución adoptada se pueden observar resultados diferentes. El uso de suelo de césped permite reducir la temperatura y aumentar la humedad, pero su efecto en el confort no es muy relevante. La introducción de los arbustos de 1,5 metros de altura no muestra cambios muy importantes del estado inicial, a diferencia del uso de árboles altos que mejoran el microclima. Los output de cálculo muestran que el aumento de la cantidad de árboles hasta alcanzar el 30% de la superficie provoca una reducción de la temperatura, aumento de la humedad relativa, disminución de los vientos a la que se debe añadir la reducción de la radiación solar directa, que es un factor determinante en la reducción del stress por calor.

a b c



Figura 7.22. Comparación entre los resultados obtenidos en la zona del aparcamiento en Fontarrón del estado actual (a), del escenario de uso de vegetación de tipo arbustos (b), del escenario de uso de vegetación de tipo árboles altos (c). Elaboración personal con el software LEONARDO. Finalmente se ha producido una tabla de resumen en la que se da una valoración de las medidas evaluadas en relación al valor de UTCI, según la escala especificada.

UTCI (°C) Categoría de estrés

above +46 Calor extremo

+38 to +46 Calor muy fuerte

+32 to +38 Calor fuerte

+26 to +32 Calor moderado

+9 to +26 No estrés

+9 to 0 Ligeramente frío

0 to -13 Frío moderado

-13 to -27 Frío fuerte

-27 to -40 Frío muy fuerte

below -40 Frío extremo Tabla 7.4. Escala de evaluación del UTCI según la categoría de stress térmico. Fuente: Glossary of Terms for Thermal Physiology (2003). Journal of Thermal Biology 28, 75-106 (http://www.utci.org)

DUTCI -6 -4 -2 -101 2 4 6

Tabla 7.5. Escala de evaluación comparativa para evaluar los escenarios de proyecto en relación a la condición de confort en el estado actual. Elaboración propia. Gracias a esta tabla de resumen el proyectista tiene a disposición un nomograma donde puede seleccionar, según el elemento y la tipología constructiva, la solución más adecuada para mejorar el bienestar del espacio urbano. Ha sido así propuesto una nueva metodología de trabajo para el diseño del proyecto de rehabilitación de los espacios abiertos, fundamentado en el cálculo analítico de las condiciones microclimáticas, en la sensación de confort y bienestar de los usuarios y respetuoso de los principios de diseño bioclimático hacía una mayor sostenibilidad de nuestras ciudades.

Si se ampliara el trabajo a la exploración de todas las tipologías urbanas más difusas en nuestras ciudades, y se simulara diferentes escenarios de proyecto, se podría ampliar el nomograma hasta obtener una casuística suficientemente amplia da constituir un soporte efectivo para orientar las decisiones sobre el




diseño de los espacios urbanos. Se puede así proponer un nuevo enfoque metodológico aplicable a los trabajos de reforma urbana en los climas templados áridos, que corresponde en España al 40% del territorio, basado en una evaluación objetiva de la mejora del confort térmico aportada por las diferentes medidas a través de un cálculo analítico, de forma comprensible y sencilla también para usuarios no expertos.

Conclusiones del capitulo La simulación de los tres casos de estudio da resultados de output donde se puede apreciar diferencias de comportamiento térmico compatible con los enfoques teóricos sobre la relación entre microclima y morfología urbana. Del análisis de los resultados y la revisión de la bibliografía, podemos considerar aceptables el modelo de cálculo, aunque se deberán tener en cuenta sus limitaciones a la hora de formular las conclusiones finales.

Del análisis de los tres casos de estudio se puede extraer unas conclusiones sobre el comportamiento urbano que vienen resumidos a continuación.

Comportamiento común a las tres áreas:

• Las superficies impermeables y de color oscuro son las que presentan temperatura más alta, a diferencia de las zonas de parque y los espacios verdes que son las con temperaturas más bajas.

• La disipación del calor se produce con más facilidad en las zonas abiertas a diferencia de los cañones que presentan temperaturas más altas en altura

Comportamientos diferenciales entre los casos de estudio

• La morfología de edificios de manzana cerrada muestra temperaturas más altas, tanto en invierno como en verano, presentando condiciones de disconfort muy altas en verano.

• En los dos casos de tipología de edificio en bloques abiertos, los lugares con presencia de vegetación (la plaza con árboles, el boulevard, los jardines entre los edificios, etc.) constituyen una especie de oasis microclimática, elemento a considerar para suavizar los picos de temperatura máxima en la condición de verano.



• En la distribución de las temperaturas en altura en la tipología de edificio de manzana cerrada, no se produce disipación de calor en las cotas bajas y es necesario superar la cota de los tejados para que empiece su disminución.

Se realizan entonces varios escenarios de proyecto, considerando diferentes soluciones compatibles con un proyecto de reforma urbana. La selección de los escenarios de proyecto se puede organizar en la modificación de los materiales de acabado y la intervención sobre el verde urbano. Se realizan diferentes simulaciones presentando los resultados en unas fichas de análisis comparativo donde el parámetro de comparación es la mejora del confort térmico.

Se puede demostrar así que la aplicación de la misma medida a espacios diferentes no provoca el mismo resultado en el comportamiento térmico, ya que este responde a las características morfológicas específicas del lugar de aplicación. Los resultados así obtenidos están normalizado y representado en un nomograma de resumen, intuitivo y fácil de utilizar también para un usuario no experto, atendiendo así a uno de los principales objetivos de esta tesis.

Parte III - Conclusiones



8. CONCLUSIONS

Conceptual framework Cities create a strong impact on the area producing important changes on the surrounding environment: reduction of natural spaces replaced by houses and roads, impermeable surfaces, air and water pollution, changes of biodiversity are just some consequences of urbanization. Among the many negative effects it is important to mention the change of climatic conditions of which the most prominent features are: temperature increases, changes in the intensity of the winds, and alteration in humidity and rainfall distribution. (Gómez, 1993; T. R. Oke, 1980; Olgyay, 1969; Santamouris et al., 2001)

The urbanization and the anthropogenic activities developed inside urban areas create a so-called urban microclimate that can be described as the difference of conditions observed between the cities and surrounding rural areas. As a consequence of this climate change, the need of heating and cooling of the building, are not the same in both environment. On the other hand, the problem could be studied from the point of view of thermal comfort in the open spaces.

The rapidly increasing concentration of people in urban areas along with the focus in improve quality of life and revitalizing city centres, has led to the interest in the quality of open urban spaces. It is well known that weather is an important factor for the use and perception of outdoor urban space; designing cities with climate in mind may result in health, social, economic, and environmental benefits. Thus, by integrating social and environmental objectives, it will be possible improve the quality of life and revitalize cities, strengthening social interaction between citizens, by improving the experience of people in open space. (Nikolopoulou 2002; Nikolopoulou and Steemers 2003; Givoni 1992; Knez et al. 2009).

The continuous increase in urbanization, combined with the degradation of the urban climate and the recent upsurge of environmental problems, as well as the concern for the reduction of energy consumption, define the major priorities in the



reconsideration of the architectural and planning importance of the urban environment. As defined by Stanners and Bourdeau (1995): Sustainable cities are cities that provide a livable and healthy environment for their inhabitants and meet their needs without impairing the capacity of the local, regional and global environmental systems to satisfy the needs of future generations.(Santamouris et al., 2001)

Proof of Thesis hypothesis As mentioned before, urban space creates unique climatic conditions called the urban microclimate. The first research hypothesis is that it is possible associate the urban morphology to microclimatic behaviour, or in other words, to define a microclimatic patterns characteristic for each urban typology.

The second hypothesis is based on the observation that the environmental conditions influence the use of urban outdoors spaces. If it is possible to quantify the thermal comfort through the study of climatic parameters, the modification of the urban microclimate will affects the thermal comfort of people.

The confirmation of the two assumptions leads to the definition of the third hypothesis: it is possible to mitigate the impact of the microclimate through the modification of the constructed urban space, and consequently, improve citizens thermal comfort conditions.

The aim of this PhD study is to elaborate strategies for environmental design of urban spaces for the warm-dry climate, available to the rehabilitation of existing neighbourhoods, based on the study of climate and morpho-typological components of the space, the requirement of comfort, the savings energy and sustainable approaches.

The specific objectives to achieve this aims are:

1. Define a system of indicators to characterize and describe the physical and environmental aspects of study areas. These indicators should be able to describe the current situation and guide refurbishment project.

2. Define indicators for the analysis of microclimatic aspects of outdoor spaces, able to establish a relationship with environment conditions and comfort sensation, in order to find a minimum quality target.

3. Establish a calculation methodology able to evaluate the microclimatic quality and comfort of public space in an objective way and suitable for the application on other cases and other locations.



4. Elaborate the guidelines for the refurbishment of built spaces of the XXI century city, from the perspective of microclimatic and environmental improvement of urban areas for warm-temperate climates.

5. Evaluate specific software for the simulation of climatic phenomena which occur in outdoor urban space, highlighting its advantages and limitations.

Research Methodology The experimental methodological approach is probably one of the most used. However the works based on field measurements are expensive, require a lot of equipment, specialized technicians, large time expenditure, theoretical formulation is very difficult because of the many factors involved in the microclimate and in many case the findings are not applicability elsewhere. (Mirzaei & Haghighat, 2010) This research added the difficulty of trying a new subject: the energy rehabilitation of XXI century city.

Other applied research method is the numerical approach. In the recent years many works are moving towards this approach for two main reasons:

a) The numerical model is particularly suitable in highlighting the connection between the physical urban structure, the microclimate and comfort, making the translation of the result into practical design guideline easier;

b) Compared with extensive field measurement, it is faster and low-cost. Also it allows the comparison between numerous case studies.

The later has been used in this investigation. The work is based on real case studies and analysis of different scenarios for testing the effects on microclimate and comfort sensation due to the modification of urban design elements.

The work phases are listed briefly below:

0.Selection and analysis of the case studies;

I.Model for simulation performing;

II.Realization of field measurements and calculation model validation

III.Selection of morphotypological indicators and analysis of the cases study in relation to microclimatic conditions and thermal comfort;

IV.Simulation of refurbishment scenarios and comparative study;

V.Definition of the design guide and summary abacus.



Selection and analysis of the cases study

To study the effects of microclimate on urban spaces, the thermal behaviour study of three real case located in the city of Madrid, have been used. The city of Madrid is located in the central zone of the Iberian Peninsula at an altitude 667m above sea level, making it the highest capital in Europe. The city is characterized by a temperate climate with hot-dry summers according to the Köppen classification for the Iberian Peninsula.

The three case studies were identified within the district Moratalaz. Moratalaz is a residential neighbourhood located in the suburban area of Madrid, built in the year 1970 thanks to the public housing programs implemented after the Civil War. In those actions of public housing, a novel composition of superblock lot, with wide pedestrian spaces, green areas and blocks with different heights and configuration, has been employed. The 1970 expansion areas are characterized by a very innovative urban organization for the time, based on a rational structure: residential buildings on pilotis, open blocks, large landscaped areas between buildings and the creation of tree-lined boulevards.

Two study areas have been selected:

• Pavones characterized by 5 floor buildings on pilotis of linear growing plants and tall buildings over 11 floors; NE-SW oriented at an angle 27° azimuth south. The free space is occupied by car parks, gardens and tree-lined boulevard.

• Fontarrón characterized by 5 floor tall buildings in open blocks, positioned on the courtyard distribution within which there are green spaces, areas with sand and isolated trees. The orientation is NE-SW with an inclination of 48° south.

See Annex III.



a b

Figure 8.1: Mapping of cases study a) Pavones b) Fontarrón Madrid. Author elaborate.

A third case study, located in an urbanized area in recent times, has been selected. The Horcajo area has an urban organization totally different from the earlier: the buildings typology is of courtyard block, crossed by the Fuente Carrantona road with strong density of traffic, streets between blocks of two-way with low density of traffic and with parking in lines.

c

Figure 8.1c: Mapping of cases study c) Horcajo, Madrid. Author elaborate. To describe the neighbourhoods, some of the indicators developed by Salvador Rueda for the Special Plan for Environmental Sustainability Indicators of urban development in Seville and for Victoria Mobility Plan, have been taken as



reference. (Rueda, 2006). The following table presents the values obtained in the three case studies:

Indicator Pavones Fontarrón Horcajo Ref.

Building Density56 (dw/h) 66,67 142,58 102,65 60

Absolute Compactness57 (m3/m2) 3,94 3,33 4,87 5-7,5

Permeability index58 (% of m2/m2) 27% 23% 6% 30%

% of roads59 57% 37% 59% 25%

Trees number per built sm60 0,09 0,15 0,07 1t/20sm Table 8.1. Assessment indicators for the three case studies. Author elaborate. Excluding the first indicators of urban density, the remaining four have values below those recommended by Rueda, which show us a poor environmental quality of these urban areas. The analysis of indicators, one by one, shows that the rationalist urban typology, with block buildings and lots of green space, may also allow high densities, although the compactness is very low. So we can say that the pressure of built on the territory is the very high.

In the case of closed blocks building of Horcajo high density and high compactness was observed, however it is very lacking in biodiversity, quantity of green areas and soil permeability.

All three areas have a high percentage of roads highlighting the dominance of car above other transport systems.

The value that is far below the recommendations is that relative to the number of trees. It is unconvincing, if not impossible; achieve these values because they should multiply by 10 the number of trees. In reason of that, doubts on the applicability of these ranges to urban areas have been raised, because such a

56 It indicates the number of dwelling per hectare. The objective of this indicator is control the density of construction in order to avoid the proliferation of the diffuse city, but also problems of congestion due to very high density. 57 It is expressed as building volume per square meters of urban area. The value indicates the pressure of buildings on the city grid. It expresses the idea of proximity: the ability to join lot of functions in a limited area. 58 The objective of this indicator is to reduce soil sealing, and promote the natural cycle of water. The filtration capacity is defined according to a coefficient for soil type, as can be seen in the table on page 157. The value is defined as IP: ∑(area x coefficient)/total area. 59 The indicator is expressed as: ∑road for motorized(sm)/total road(sm). It indicates the pressure of motorized mobility on other systems (bicycle and pedestrian). 60 The objective of this indicator is provides the amount of trees in the urban area appropriate to the urban grid characteristic. This value should to change in relation with the urban typology. The indicator for the urban grid of suburban areas is calculated as: nº of trees/ area sm.



large number of trees would entail very low built density, a very low compactness and high maintenance costs for irrigation and green spaces management.

The analysis of the indicators has allowed characterization of the three cases study and defines the critical issues. The indicator system therefore has the dual function of describing the area and guides the design strategies in the project of urban regeneration.

This research includes a design methodology based on the comparison of project scenarios. The calculation of the microclimate is achieved using the methods of analytical calculation based on fluid dynamics concepts and radioactive budget in urban spaces.

Use of numerical method

From initial conditions determined by the current state of the study areas, there has been a numerical model that, through the use of IT tools has allowed the simulation of thermal behaviour and fluid-dynamic space. Different hypothetical scenarios are being performed changed each time one parameter to the initial model.

The microclimate can be analysed on term of energy budgets in order to understand how the flows of energy can be modified through open space design. (Robinson, 2011) The energy balance of earth surface and ambient air in the urban environment by the energy gain and losses, can be written as Energy gains=Energy losses + Energy storage. (Santamouris 2001).

There exist different approaches to modelling the climate of cities; the selection of numerical models involved the time and length scale. The length scale for example can vary from few metres to a few kilometres and timescale from a few seconds to seasonal variations lasting months. It is practically impossible to solve all the scale in a single model with the present computational power available. Despite, the use of computer allows to solve de differential equations numerically with appropriate boundary conditions, pressure and temperature profile on a predefined numerical grid. (Robinson, 2011)

The simulation process is carried out with different calculation software: ENVImet 3.1. used for the determination of weather parameters, ECOTECT Analysis 2010 to calculate the Sky View Factors and solar radiation, Microsoft Excel to data elaboration and other as Autocad, Sketchup and Photoshop for the realization of 3D models and the representations.



The software ENVI-met has been developed by Michael Bruse (2009) (Institute of Geography, Department of Geoinformatics, Environmental Modelling Group, University of Mainz) to simulate the interaction between surface-plant-air in an urban environment, based primarily on models of fluid dynamics and thermodynamics. The tool has been developed to allow the analysis of effect of small scale changes in urban design (pattern, vegetation, building morphology, etc.) on microclimate under mesoscale conditions defined at beginning (city climax, meteorological data, etc.). The basic concept of analysis system is given by non-hydrostatic incompressible Navier–Stokes equations. The turbulence closure is based on the standard E–ε model (Launder and Spalding, 1974) that calculates the turbulent kinematic energy (E) and its dissipation rate (ε). All of these prognostic equations are extended into the vegetation take into account mainly the LAD (Leaf Area Density) and the gradient of the involved variables (wind speed, humidity or temperature) (Bruse, 2004).

The main advantages in the application of this system are:

1. Simplicity of use and low demand of time in the use of software, 2. A good representation of the transfers between vegetation and soil surface

with a multilayer configuration, 3. The possibility of using a small horizontal and vertical grid with a precision

up to 1 meter, 4. Existence of a low number of input parameters for the whole system

vegetation-soil-atmosphere.

At the same time a 3D model has been performed by software ECOTECT Analysis 2010 in order to analyse and characterize the case studies. The analysis with ECOTECT has been limited to the radioactive component. ECOTECT is a next generation software that links design program to a performance analysis and features for simulation energy, lighting, thermal, acoustic, analysis of solar and environmental impact. The tool has two purposes: to assist in the design phase, allowing the evaluation from the early stages of design and evaluate the final performance of the executive design.(Marsh, 2010)

Description of simulation model

Below a detail of the procedure to build the calculation models will be given.

The software allows the user to define:

• The mesoscale conditions by the indications of geographic location and meteorological settings;



• The geometry of model environment such as building, plant or soil detail;

• Simulation start date and time, time of simulation and time interval to write the model state.

The model domain is organised as a rectangular area which extends in x-, y- and z- direction. The dimension and resolution of grid should be defined by user in accordance of the objective of simulation. The vertical grid could be equidistant or telescopic. In this research work the real morphology of case studies, with extension between 2 and 4.5 hectares, has been overlapped on a square grid of size dx=3m, dy=3m, dz=3m thus creating an equivalent model for the simulation.

The program allows the user to define buildings in plan and elevation, assigning the following features:

• Inside Temperature [K] 293 (20ºC)

• Heat Transmission Walls [W/m²K] 1.94

• Heat Transmission Roofs [W/m²K] 0.6

• Albedo Walls 0.2

• Albedo Roofs 0.3

The simulations were performed on characteristic of the conditions of summer and winter, simulating the results 24 hours every 180 minutes. In order to set the start climate data, the value recorded on 21 December 2010 (winter conditions) and on the 15th of August 2011 (summer conditions) from Madrid-Retiro meteorological station of the Spanish National Agency of Meteorology (AEmet) has been used.

For the evaluation of the case studies a first simulation during 24 hours, with time steps of 180 min, was carried out in order to compare the results with the values measured in situ. This initial study was also necessary to identify the most critical moment in the day in respect to comfort conditions, which correspond at summer condition of in the middle of the day (h 15:00). The most critical condition has been used for the evaluation and comparison of numerous hypothetical project scenarios. This choice was dictated primarily from the need to quickly get a similar result to guide the proposed project.



Simulation Results

Case study Simulation

The description of the results obtained by the simulation is presented below. As regards calculation with ENVImet, the results are displayed through the use of LEONARDO software that allows obtaining maps in which the values of temperature, wind speed and direction and isolines of relative humidity has been indicated.

For a better interpretation of results, the three areas are described by means of schedules that contain (figure 8.2)

Step 1. Simulation with Autodesk Ecotect Analysis 2010

The 1.a shows the Orthophoto map of area and localization of case study. The image 1.b is the view of 3D model using for the simulation of the component of solar radiation and SVF61. In this model are defined the morphology of buildings, square and street and the position of trees. Materials properties are not introduced in this model. In the 1.c the Stereographic view of Sky View Factors is presented. The fish-eye photo shows the sky exposition and the year's sun path, so it is possible to know the exposition of the area at different times of year. The blue point identifies the sun position at 15th August at 3:00 p.m. In the box comments about the result of the calculation have been reported.

The analysis of solar direct radiation has been showed in the 1.d picture. The simulation has been carried out in summer conditions and shows the amount of solar direct radiation incident in the case study area, taking into account the distribution and morphology of the buildings and the presence of trees.

Step 2. Realization of 3D model with ENVImet 3.1.

The 2.a image shows the Orthophoto map of case study area. The model plan view is presented in the 2.b image. The model is organized in a square grid 3x3m; in 3D space is defined the arrangement and morphology of buildings, the location and type of vegetation and the finishing materials of the soil.

Step 3. Presentation of result of ENVImet simulation

2.c is the plan view of climate simulation, the section plane is located at 1.2 m above the ground: this height is representative for the study of the feeling of

61 SVF. Sky View Factor



occupants comfort. The temperature is shown in the colour map; the vectors represent the wind direction and intensity, while the contour lines indicate the value of the relative humidity. The 2.e image shows the simulation result in vertical section view. In 2.d table the maximum and minimum values recorded in the area have showed. The comparison between the maximum and minimum values gives us the gradient of the area and therefore, a vision of microclimatic variability. A different behaviour between winter and summer can be observed, the results shows a more homogeneous condition in winter compared to summer. At the same time, it is possible to compare the different case studies and see which ones have a more homogeneous behaviour and those in which the microclimatic conditions are very different. A general observation of the climate simulation result of each case study is described in the table box.

Step 4. It shows the analysis of simulation result, throughout a detailed view of different parts of case study.

The detailed view of a singular zone of the case study is shown in the image 3.a, plan view, and 3.b vertical section view. In the 3.c box there is a brief description of case study singular zone. The 3.d table shows the climatic data calculated in the measurement point. The measurement point is identified by (x;y) coordinates, related to the model's grid, and graphically in the plan view. The observation relating to the climatic behaviour of zone is detailed in the box 3.e.

Figure 8.2. Schedules layout of case study analysis. Irina Tumini personal communication.

The analysis of 3 cases study has been carried out for summer (step 3. and step 4.) and winter conditions (step 5. and step 6.). See Annex I for more details.



Va l i d a t i on o f t he s i m u la t i on m od e l The review of climatic values obtained shows that the program has some limitations in simulating the conditions in Madrid. In the comparison between the values of the simulation and the monthly mean values measured by the stations, the main incongruence is recorded in the relative humidity percentages that are higher than the real values. The comparison between simulating values and data collected by the meteorological station of Retiro (AEMET) can be seen in the graphs in Figure 8.3:

Summer:

• The temperature is the same entity, although the minimum values are smoother.

• Minimum temperature of the simulation is recorded at 6 two hours earlier than in reality.

• The maximum temperature recorded in the measurement is at 7 p.m. hours while the output of ENVImet is at 3 p.m. hours.

• The relative humidity obtained from the simulation program is much higher than average values recorded in the month of August.

Winter:

• The simulation temperature is lower than the measurement data. • The temperature trend of the simulation does not look like reality,

especially the high temperature peak at 9 a.m. • The relative humidity of the simulation program is significantly higher than

in reality.

The temperature profile clearly shows that, while in winter there is no correspondence between the simulated value and the real condition, in the summer the two values have the same trend. These differences are associated with a problem in the definition of winter condition of Madrid "default climax" used for ENVImet. Unfortunately the tool does not allow review or change the climate conditions.

Regarding the validity of the simulation tool is possible to conclude that the results obtained can be considered applicable for the implementation of research because:

• it is limited to the observations summer condition in correspondence with the maximum temperature;

• the values obtained should not be taken as absolute values, although the comparison of scenarios.



Legend: Simulation Measured

Figure 8.3 Comparison between the values obtained from the simulation and the monthly average values for the condition of winter and summer. Data Source: Air Quality System of Madrid and the author.

D i s cus s i on o f C a ses S t ud y A na l ys i s In the simulations performed in the three cases, common elements can be observed:

• The urban environment creates microclimatic areas with outstanding features in the summer conditions. The most probable explanation is that the software places great emphasis on the effects generated by solar radiation in summer and very little in winter. In the literature indicates that the effect of heat island in Madrid is more pronounced in winter (Lopez Gomez, Antonio). Remote sensing of urban heat island is a study of urban space to the mesoscale level, as many factors enter among other anthropogenic inputs and the effect of atmospheric inversion, which are not considered at the microscale level. However, to improve the applicability of the method of calculation to the Madrid climax, further study of the default climate simulation is recommend.

• Dark colour impermeable surfaces (asphalt), such as roads and parking, are those in which the accumulation of heat are produced, and more intensely during the summer months. The result shows that the system is sensitive to soil type and can be used to support the selection of materials.



A B C Figure 8.4 View of zone with dark asphalt soil in Pavones (A), Forntarrón (B) and Horcajo (C). The results highlight that in areas with dark soil the temperature is higher. Elaborated with ENVImet 3.1. For more details see Annex I.

• In open areas such as parking, heat dissipation occurs at low heights, while in the canyons between buildings the heat dissipation capability depends on many factors: H/L ratio, wind speed, orientation and exposure.

Figure 8.5 View of vertical section of Pavone case study. Elaborated with ENVImet 3.1. For more details see Annex 1.

• The green areas, especially with tall trees, are those with lower temperatures, higher humidity and mild winds. The mitigating effect of vegetation is more relevant in summer. This result also seems coherent with the real behaviour of urban space because in winter the trees, which are mainly deciduous, produce an effect of shading and evapotranspiration lower than in summer.

A B C Figure 8.6 View of green areas of Pavones (A), Forntarrón (B) and Horcajo (C). Elaborated with ENVImet 3.1. For more details see Annex I. The most significant differences between the three case studies are:

• Horcajo shows higher temperatures and most nonhomogeneous conditions between microclimatic zones, Fontarrón the least. The



simulations show that the urban morphotypology of courtyard buildings creates unfavourable microclimate, with areas with significant thermal discomfort and where the trees along the roads do not produce the expected climatic mitigation effect. A rationalist urban typology, with buildings blocks, large use of permeable soil and use of vegetation on the free space between buildings, as Fontarrón, shows better climatic conditions, with wide cool zone in summer.

• In the canyons between buildings with many trees there is not heat storage. Unlike what is observed in summer simulation results of Horcajo and Pavones, in the case study of Fontarrón the free space between buildings are like an oasis of cooling.

A B C

Figure 8.7 View of example of canyon in the 3 case study in summer conditions of Pavones (A), Forntarrón (B) and Horcajo (C). Elaboration with ENVImet 3.1. For more details see Annex I.

• The analysis of the sections shows that in Pavones and Fontarrón the urban space has a recognizable influence on the microclimate around to a height of 2H, Horcajo up to 4H. The sections show that in both cases with open block type, with differences between cases and between winter and summer conditions, the heat dissipation happened mainly under the top of buildings roof. The third case, a type of courtyard buildings, it show, as well as a greater accumulation of heat in correspondence of the avenues, that the temperature descent occurs just surpassed the top of roof.

A B C Figure 8.8 Vertical section of the canyon in the 3 cases study in summer conditions of Pavones (A), Forntarrón (B) and Horcajo (C). Elaborated with ENVImet 3.1. For more details see Annex I.



In the simulations a direct relationship between climate behaviour and the indicators of the case studies cannot be observed. That is because the behaviour of urban space is not influenced only by the amount of vegetation or building volume, but also by its spatial organization. For example Horcajo shows conditions very different from the other two cases, but the indicators values are quite similar.

Take emphasis in the different thermal behaviour of the case studies in height, on the accumulation of heat in the canyons and on heat island effect influence up the height of Urban Boundary Layer (UBL). About the first phenomenon the major avenues are an important point of heat storage, dissipated with difficulty. In the case of the Fountain Street Carrantona Horcajo, the heat storage cause a temperature rise of about 4 °C in summer and 2.5 °C in winter up to the height of the roofs of buildings. This phenomenon involves not only on comfort in free space, but the energy consumption of buildings too. Relating the second aspect mentioned the simulations show that the height of the dimension of influence of the heat island in the typology of courtyard buildings is twice than the open block buildings. This has important implications: i) at microscalar level on energy consumption and on comfort of open spaces and ii) at mesoscalar level causing air pollution, particle concentration and photo-oxidation62.

Before carry out the scenarios study, the comfort conditions in the three case studies were analysed throughout the entire day, in the summer and winter conditions, with the aim to determine the most unfavourable conditions. The study of project scenarios will be based on the effects produced in the most unfavourable conditions in order to propose countermeasures for discomfort.

To evaluate the thermal comfort the Universal Thermal Climate Index (UTCI) (Jendritzky et all. 2008) has been used. The UTCI is developed from the research activities compiled by action COST 730, with the objective to develop one internationally recognized model, based on physiological model that can describe the condition of thermal comfort in outdoor spaces and can be available for different types of applications, such as urban planning, climate therapy, warning systems, information for tourists, etc..

From studies on different levels of comfort, UTCI have shown the best to achieve the research objectives defined at the beginning: analyse microclimatic aspects of outdoor spaces, mainly related to user and establish minimum quality ranges. The index allows the calculation of the comfort conditions using climate values

62 Photo-oxidation. Secondary air pollutants, such as nitrogen dioxide (NO2) and ozone (O3), formed as result of reaction between air pollutant as nitrogen oxidant (NOx) and voltaic organic compounds (VOCs) and other naturally occurring constituents present air.



obtained from in situ measurements or analytical calculation. The UTCI63 following the concept of Equivalent Temperature (ET), which involving the reference environment with 50% of relative humidity (but vapour pressure capped at 20 hPa), still air and radiant temperature equalling air temperature (Bröde 2011). The physiological response has been calculated for a person, considering the clothing insulation, after 30 and 120 min of exposition who is assumed walking at 4 km/h on level ground (Fiala D. 2011, Psikuta A. 2011). The UTCI is defined as the equivalent temperature for a given combination of air temperature, wind speed, humidity and radiation, as the air temperature of the reference environment, which produce the same response index value. Another very important factor that influences the selection of the index is the research methodology based on comparison of different project scenarios. The use of numeric indicator makes the evaluation more objective. The value of UTCI provides a numeric index measures of the thermal sensation and a rating scale as benchmark. The UTCI is categorised in term of thermal stress ranking. The assessment scale is shown in the table 8.2

UTCI (°C) range Stress Category

above +46 extreme heat stress

+38 to +46 very strong heat stress

+32 to +38 strong heat stress

+26 to +32 moderate heat stress

+9 to +26 no thermal stress

+9 to 0 slight cold stress

0 to -13 moderate cold stress

-13 to -27 strong cold stress

-27 to -40 very strong cold stress

below -40 extreme cold stress Table 8.2 UTCI Assessment Scale: UTCI categorized in terms of thermal stress. Reference: Glossary of Terms for Thermal Physiology (2003). Journal of Thermal Biology 28, 75-106 (http://www.utci.org) The following shows the results observed in the three cases in three different observation points in a simulation in 24 hours. The results are shown by steps of 3 hours.

63 The UTCI is defined as the air temperature (Ta) of the reference condition causing the same model response as the actual condition. The deviation of UTCI from air temperature depends on the actual values of mean radiant temperature (Tmrt), wind speed (w) and humidity (H). It may be written in mathematical terms as:

(Bröde P. el all. 2011)




Pavones: parking area

Simulation: August 15th Simulation: December 21th

h Ta ºC Tmrt K RH % W m/s UTCI ºC Ta ºC Tmrt K RH % W m/s UTCI ºC

0 21,18 288,27 86 1,4 20,4 -2,47 265 100 1,22 -5,7

3 20,48 286,95 86 1,15 19,6 -3 264 100 1,21 -6,2

6 19,78 286,27 86 1,13 19,1 -3,37 264 100 1,2 -7

9 21,39 333,62 80 0,88 33,6 2,02 269,7 80 1,14 -4,8

12 29,35 340,7 62 0,96 40,1 1 276 89 1,18 1,3

15 30,85 343,27 59, 1,13 41,7 1,78 275,7 96 1,2 1,8

18 28,1 336,36 68 1,25 38,2 -0,27 267,0

3 100 1,1 -2,6

21 23,6 290,38 77 1,2 22,9 -1,54 265,7 100 1,22 -4,4



Fontarrón: Parking area Simulation: August 15th Simulation: December 21th

h Ta ºC Tmrt K RH % W m/s UTCI ºC Ta ºC Tmrt K RH % W m/s

UTCI ºC

0 23,52 288 66 0,54 22 -3,31 264,8 100 0,7 -3,3

3 22,29 287,12 70 1,3 20,5 -3,59 264,24 100 0,7 -3,6

6 21,91 295,62 66 0,5 22,9 -4,01 263,7 100 0,74 -4,1

9 23,15 337,99 59 0,7 34,9 0,99 272,67 80 0,79 0,6

12 26,42 345,77 61 0,6 39,2 0,66 324,88 90,9 0,74 20,8

15 27,6 348,1 61 0,6 40,0 0,32 275,4 99 0,73 2

18 26,8 325,42 62 0,65 34,5 -1,3 266,88 100 0,74 -1,9

21 24,51 290,51 64 0,5 23,4 -1,3 265,65 100 0,73 -2,2

Horcajo: Road

Simulation: August 15th Simulation: December 21th

h Ta ºC Tmrt K RH % W m/s UTCI ºC Ta ºC Tmrt K RH % W m/s UTCI ºC

0 24,4 290 97 2,02 24,5 1,32 266,61 100 1,9 -4,2

3 22,79 288,76 98 1,99 22,3 0,9 266,2 100 2 -5

6 21,5 287,7 98 1,95 20,6 0,6 265,9 100 2,04 -5,4

9 28,73 297,26 97 1,64 33 5,18 277,87 84 1,86 2,9

12 34,3 343,2 84 1,68 49,4 4,6 274,6 99 1,9 3,4

15 35,4 335,65 84 1,8 50,3 3,95 282,6 100 1,95 5,8

18 32,22 299,65 93 1,9 27,9 2,31 267,73 100 1,96 -3,3

21 27 292 96 2,02 28,5 1,7 267,08 100 1,98 -1

Table 8.3 Climate data and evaluation of UTCI thermal comfort index for the 3 cases study calculated in summer and winter conditions. Elaboration carried out by author using ENVImet and UTCIa002.exe. As it possible to see from the tabulated values discomfort conditions occur in summer than in winter:



• In summer discomfort conditions for heat stress occur from 9 a.m. to 9 p.m., corresponding to the part of the day that citizens use public space. In the remaining hours the thermal comfort status has achieved, showing that there is a very sudden change of a condition from no thermal stress to strong heat stress in a very short time lapse.

• In winter the wind chill is mostly moderate cold stress in the nighttime hours and slight cold stress during the day, reached the status of comfort in Fontarrón at 12 a.m.

Considered to the major occupation hours of outdoor space, that goes from 9 am to 9 pm, the simulations indicate that the most unfavourable conditions for the enjoyment of public space are the conditions of summer and in particular at 3 p.m.. Furthermore, taking into account the mortality related with the outdoor thermal condition, suggest that the excess mortality due to heat occurs without any lag time, while cold related mortality have a lag of some days (Hoppe 2002; Jendritzky, de Dear, and Havenith 2011) the study of comfort has been limited to the most unfavourable condition of heat stress occurring on August 15 at 3 p.m.

Results of scenarios simulation

The research methodology established for defining the guidelines for environmental design of urban spaces, is based on critical analysis of climatic behaviour of project scenarios. The climate parameters are be obtained with the support of thermal simulation tools already used. In the design of scenario proposals the following elements have been taken into account:

• The capability and sensitivity of simulation tool to models the urban space. • The characteristics of the cases study according to the analysis of

indicators. • The microclimatic behaviour especially in relation to comfort conditions. • The formal and structural degradation that justify the need for

rehabilitation of the neighbourhood.

Also, various scenarios resulting from the application of some of the project proposals put forward by the previous work have been foreshadowed (Higueras, Pozueta and Lamíquiz, 2010). A series of simulations of different scenarios, designed to reform urban space without change the morphology of the buildings, have been conducted. Different models have been made by changing one parameter at a time in order to study the influence of each variable, with regard the climate values and, finally, the comfort of users. The simulations have been limited to study the condition of summer because is the worst comfort conditions.



The strategies can be divided into two different approaches: a) modification of urban green spaces b) modification of the surface materials.

With regard to the green spaces, different scenarios are performed with different amount of green areas and with the use of different species. For materials, solutions that allow greater permeability of the soils and the use of cool pavements are tested, through the introduction of new solutions in the soil database. Finally, the results of each simulation have been compared with the one of current state.

The studied of different solutions are shown in the analysis schedules. Each case study was analysed for part of area, showing the result obtained from the application of the different strategies on three urban spaces:

• The parking area, because the land space reserved to parking at ground level represents a significant proportion of public space.

• The canyons between buildings, usually it is considered as the remaining space in the urban design, despite this the phenomena that occur in this volume of air have a decisive effect on the urban microclimate and energy consumption of buildings.

• The pedestrian squares, because it is the space of citizen coexistence, where it is more important to ensure comfort conditions in order to promote social relationship.

The information of scenarios comparison is organized in the schedules that show at the first the current status and next the results of different project scenarios.

The current status schedule (the layout view is presented in the figure 8.9) shows a detailed description of specific portion of case study. There contain also: in 4.a the localization of the area under study by view of satellite image and the result of climatic simulation in top plan view (4.b) and vertical section view (4.c). The physic and climate currently status is described in a 2 box (4.d): in the first with climate data and comfort status and in the second with the general explanation of area. The general observation of climate behaviour obtained by simulation result has been detailed in the 4.e text box.



Figure 8.9 Current status Schedules layout. Elaborated with ENVImet 3.1 and Microsoft Excel. For more details see Annex 2. At the top of schedule there is the description of hypothetical project scenario. Then there are the maps of simulation result: plan (5.a) and section (5.b) view where the temperature, wind speed and relative humidity isolines are indicated.

The Thermal data table shows the atmosphere temperature (Ta, ºC), relative humidity (H, %), Wind speed (W, m/s), mean radiant temperature (Tmrt, ºC), direct radiation (R dir, W/m) and UTCI index (ºC equivalent) calculated in the same point

(indicated in the Current State map with ). In the Observation table the short explanation of simulation result, especially from the comparison with Current State has exposed. See Annex II.

Figure 8.10 Scenario Schedules layout. Elaborated with ENVImet 3.1 and Microsoft Excel. For more details see Annex II.

D i s cus s i on o f S cena r i os S i m u la t i on R es u l t The design solutions proposed are based on two points: a) the amount of vegetation, and b) the modification of surface materials. Considering the differences between the results obtained from each case study simulation, the general conclusions drawn from the observation of results is described below.

Then the analysis of design scenarios, based on the comparative study of thermal comfort conditions of the current state with the project scenario, is described. The evaluation is realized using the comfort index UTCI and the scale of thermal stress characteristic values. The assessment of strategies is the result of difference



between UTCI current state and UTCI scenario, expressed graphically with the following scheme:

DUTCI -6 -4 -2 -101 2 4 6

Regarding the choice of materials, the first solution proposed count with the increase of impermeable surfaces at the expense of natural surfaces and the reduction of the vegetation. In general, is observed: i) the decrease in temperature of about 1 °C, ii) a relative humidity decreased due to reduction of permeable surfaces, and consequently the evaporation, iii) the wind change differently depending of case. Highlight that most important result is the reduction of the height of heat dissipation. In all cases occurs a reduction of temperature in vertical section, probably due to the ventilation. The comfort conditions do not show an improvement in open spaces, such as car parks and squares, unlike the canyons where the thermal sensation improves.



Scenario: Reduction of existing vegetation, soil impermeable

Current State UTCI

Scenario UTCI Comparison

Rectangular Parking with buildings blocks on 3 sides. 40 40,7

Rectangular parking with buildings blocks on 2 sides.

40,3 39,3


40,5 39,3

Canyon, building block typology, N-S oriented, H/W=0,43

42 41,8

Canyon, building block typology, W-E oriented, H/W=1

37,7 38,2


37,5 29,5

Canyon, building typology closed block, W-E oriented, H/W=0,6

33,9 30,9

Rectangular square with trees, an EW orientation, building on 3 sides

40,1 39

Rectangular square with trees, an NS orientation, building on 4 sides

37,3 39,3

Rectangular Square, orientation NW-SE, building closed block in 2 side

43,8 44,4

Table 8.4. Comparative assessment of thermal comfort felling obtained by the green space reduction applying in different cases study. Elaborated with ENVImet 3.1, UTCI_a002.exe and Microsoft Excel. New materials, called cool materials, have been introduced in the software database in order to check the result produced for its application in the urban environment. The materials used are eco-block pavement for pedestrian areas and parking, white asphalt (Synnefa et al. 2011) and high reflective asphalt Perfect cool(Wan et al. 2009) for the roads. As shown in experimental research on these materials (Santamouris et al. 2012; Synnefa et al. 2011; Santamouris, Synnefa, and Karlessi 2011), the system shows a reduction of temperature, higher values have obtained for the application of white asphalt. The decrease in temperature occurs in both horizontal and vertical section: the homogenization of microclimate conditions by reducing the gradient in the study area can be appreciated. Despite all, the value of UTCI increases, which indicates a worsening of citizen comfort. This is the result of the increased value of Tmrt obtained by ENVImet simulation process. More thoroughly investigations of the result have been attempted. The instructions provided in the software guide and the literature has been consulted, but has not been possible to obtain the extensive calculation



procedure. The confirmation of the value of Tmrt estimated is open to future developments.

Scenario: Replacement of surface finish material with Perfect Cool and ecological block

Current State Scenario Comparison Rectangular Parking with buildings blocks on 3 sides. 40 42,5


37,7 33

Rectangular Square, building closed block in 2 side

43,8 43,2

Scenario: Replacement of surface finish material with white asphalt and ecological block Current State Scenario Comparison


40,3 40,9


40,5 41,6


37,7 36,7


37,5 36,8

Rectangular square with trees, building on 3 sides

40,1 36,3

Rectangular square with trees,building on 4 sides

37,3 37,2

Table 8.5. Comparative assessment of thermal comfort felling obtained by replacement of existing soil with cool materials reduction applying in different cases study. Elaborated with ENVImet 3.1, UTCI_a002.exe and Microsoft Excel. A simulation by using the water material has been performed with the purpose of checking the operation of software, because the use of deep water tank is not a solution applicable to the regeneration of urban space. The output results are a decrease in temperature and the Tmrt, and the improvement of comfort.

To evaluate the effect of vegetation use in the urban spaces, different scenarios have been performed:

• a reduction of existing vegetation, leaving only the tallest trees,

• increase of vegetation through the use of grass in the ground of pedestrian areas and parking,

• use of shrubs or tall trees.



The reduction of vegetation produces constants or worsening comfort conditions. Only in two cases the result is an improvement of comfort due to the reduction of the Tmrt and relative humidity. As indicated above, this result should be subject of further studies.

Opposite result is obtained by increasing the amount of vegetation and green areas, such as general decrease of temperature, relative humidity increase and reduction of the UTCI value. Depending on the area and the solution, different results can be detected. The use of grass reduces the temperature and increase relative humidity, but its effect on comfort is not very relevant. The introduction of shrubs, 1.5 meters tall, does not show significant changes from the initial state. The use of tall trees shows an amelioration of urban microclimate. The output of calculation shows that increasing the amount of trees to 30% of the surface, causes a reduction of temperature, winds speed and relative humidity increased. Above all, the reduction of direct sunlight helps reduce heat stress.

Scenario: Introduction of shrub 1,5 m height for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces. Current State Scenario Comparison Rectangular Parking with buildings blocks on 3 sides. 40 41,9


40,3 39,2


40,5 37,4


42 39,5


37,7 36,7


37,5 36,8


33,9 33,7

Scenario: Introduction of trees 20m tall, LAD1 0.3 for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces.

UTCI (ºC): Current State Scenario Comparison Rectangular Parking with buildings blocks on 3 sides. 40 37,2


40,3 35,8


40,5 29,8


42 32,8




37,7 36,4


37,5 36,7


33,9 30,5

Rectangular square with trees, building on 3 sides

40,1 28,1

Rectangular square with trees,building on 4 sides

37,3 35,9

Rectangular Square, building closed block in 2 side

43,8 37,4

Table 8.6. Comparative assessment of thermal comfort felling obtained by the increase of green area in different cases study. Elaborated with ENVImet 3.1, UTCI_a002.exe and Microsoft Excel. The comparative study of scenarios project has allowed the realization of a summary table where the evaluation parameter is the comfort index UTCI. The purpose of this summary table is to provide a support tool, easy to be used for the designer in the urban spaces refurbishment projects towards greater environmental quality. The designer can choose among the options evaluated the one which allows for the greatest benefit relating to user comfort.

UTCI (ºC)

+ 2

+ 4

+ 6

-1>D< +1

-2 -4 -6

Parking square building on 3 site building on 2 site building on 1 site

Reduction of existing vegetation, soil impermeable

land covered with grass

use of shrub vegetation type for 30% of surface

use of tall trees with high density for 30% of surface

use of water tanks

Use of cool materials: Perfectcool and eco block

Use of cool materials: white asphalt and eco block



Canyon Open block N-S H/L<1

Open block N-S H/L>1

Open block E-W H/L=1

Closed block E-W H/L<1


land covered with grass

use of shrub vegetation type for 30% of surface


use of water tanks


Square Orientation E-W building in 3 site

Orientation N-S building in 4 site

Orientation E-W building in 1 site




The results are quite different each other, because the comfort depend climatic parameters interaction: temperature, wind, humidity and mean radiant temperature. The countermeasure produce a different result on comfort for each urban zone: for example reduction of vegetation produces worsening than initial condition to the exclusion of canyon with H/W<1 and in closed block buildings, or the use of shrub in same case produce an ameliorations, in other no change and in the parking with building in 3 side causes the worsening of comfort. Despite this the general behaviour can be found in relation with the use of green areas. In all cases the use of tall trees produces an improvement of thermal sensation, so we can conclude that the use of green areas in urban space is a countermeasure efficient and applicable to all of urban typology.

Conclusion Respect to initial goal of the doctoral thesis to define guidelines for the regeneration of public space waiting for the improvement of user, an analytical approach has been used. The comparative analysis of different design scenarios, allowed the evaluation of several constructive solutions applied to urban context of the XXI century city. The result offers a new methodological approach to the



bioclimatic design of urban space, introducing a character of greater objectivity in the definition of project strategies.

The demonstration of the initial hypotheses has guided the development of the research. The study of micro-level urban space, using analytical calculation approach, shows that the thermal behaviour of outdoor space, and therefore the feeling of well-being of users, can be modified throughout the refurbishment project. Thus, changing two elements: vegetation and finishing materials, without changing the morphology and arrangement of buildings, different microclimatic conditions can be obtained.

Indicators for the space and climatic analysis The first specific objective which would define a system of indicators to characterize urban space, six numerical indicators has been selected from the literature review, with particular reference to Rueda sustainability indicators (Rueda, 2006). The limited number of indicators, associated with a target of acceptability, has allowed the fast characterization and diagnosis of the study areas. However, during the course of the work, the need of an additional indicator on the urban structure has emerged. In addition to the H/W ratio, a qualitative indicator about type of urban morphology should be added.

The definition of microclimatic characterization parameters has been a key element, without which the urban spaces analysis and evaluation of scenarios would not be realized. From the beginning, it was decided to seek an index able to represent the state of well-being by the environmental conditions.

Through a review of the literature regarding the topic and the work of assessment of a case study in Madrid with different parameters, the UTCI index has been selected as the indicator for this research. The index responds to different requirements:

• it is a numerical value; • it links the environmental conditions with physiological response of the

human body; • it considers the adaptive component, • it is suitable for the application to case of Madrid, • it defines a temperature equivalent and comfort standard allowing a wide

range of evaluation.

The use of the index is appropriate in the study of the microclimate in Madrid. UTCI is a versatile and easy to obtain that can be usefully employed for future studies on thermal comfort in open spaces. Moreover, the definition of a



numerical evaluation scale allows the comparative analysis of similar scenarios, which is not possible for example with graphics systems such as bioclimatic map (Olgyay 1978, Givoni 1992, ASHRAE).

Evaluation of simulation tool The analytical calculation has been realized through the use of simulation software. The first observation that can be found from the study is regarding on limitations in the use of calculation software. Among the tools consulted, it was found that ENVImet 3.1 reaches the compromise between difficulty in carrying out the model, kind of output and runtime. However, during use, many bugs and limitations have been revealed as indicated below:

1. No correspondence between the results and the typical climate values of Madrid. The simulation results are not close to the mean values: maximum and minimum temperature or daily seasonal distribution, the wind speed and radiation. Although, the value most outstanding feature is the relative humidity; reaches double and even three times the monthly average values recorded in Madrid. The change of the starting values with the measured data by the Meteorological Station has not been enough to solve this problem.

2. Besides the selection of the climate system has other design limitations that compromise the simulation model:

• Lack of flexibility in the definition of buildings in morphology, surface materials and internal temperature

• Inability to simulate sunshades systems or/and the effect of evaporative cooling systems such as microclimate or fountains,

• Inability to account for anthropogenic inputs such as traffic or heating.

• Little sensitivity to small changes in urban space such as the replacement of paving.

• Uncertainty of the accuracy of software calculation, especially in relation to the radioactive component and the calculation of Tmrt.

The mistakes on the simulation calculus performed by the tool detected during the research work limits its applicability. However, the methodology can be considered valid for a) its application to summer, b) a comparative analysis of different scenarios.



The methodology of the numerical simulation of 3D model and comparison of project scenarios can be considered a valid support in the decision-making phase for the following reasons:

1) less expenditure of time compared to other systems;

2) less economic investment, because the software is open source and does not require powerful hardware;

3) easy to use, the presence of highly specialized personnel is not required.

As indicated above, the study should be limited to the comparative analysis between scenarios rather than absolute values. However the numerical analysis highlights some salient observations that may be of practical application at real projects.

Urban Morphology At the first, the simulations show that the urban morphology of courtyard buildings have a more unfavourable microclimatic behaviour that open building block typology, especially in summer conditions: higher values of temperature, both in horizontal and vertical projection and higher differential between zones. The typology of building block allows more capability and flexibility on intervention in the outdoor space, and consequently increases the capacity to incorporate measures to improve environmental quality.

As result from the study, it is possible to conclude that the urban rationalist morphology with buildings blocks and wide public green spaces, which is also the most commonly used in the suburban areas of Madrid built until the early 1980s, can be successfully regenerated. The large amount of space between buildings allows wide freedom of design, thanks to which, it is possible to implement several strategies to improve the thermal comfort conditions. In general, it can be observed that by making a few changes, such as the pavement replacement and the redesign of path, it is possible to improve the readability and quality of open space with little investment.

Recommendations for land use in the refurbished works The research work carried out was limited to the study of two types of urban morphology: i) building blocks and ii) courtyard buildings, and the variation of two parameters: a) vegetation and b) finishing materials. The series of exploration is not sufficiently expanded as much as to define the guidelines for the different situations that can occur in an urban refurbishment. Even so, it is possible to



make some general considerations which could be used as guideline by designers.

The replacement of the surfaces with high reflectance materials is a solution that must be applied with due reservations. In fact, if on one side the increase of the albedo of the material allows obtaining lower temperature on surface and air, on the other causes the increase of the reflected radiation. From the point of view of summer energy consumption, the environmental temperature reduction is definitely a good achievement. As regards the sensation of thermal comfort of the user, this solution is not equally positive. From the calculations made, the application of the cool materials does not show an improvement of the feeling of comfort, or even it can be counterproductive.

The results regarding the change of soil are not trustworthy, but there is no doubt that the increase of green spaces, especially with the introduction of tall trees, improved microclimatic conditions thus the comfort of people.

The results of the simulations show that the increase in the amount of vegetation in the open space has a positive impact on microclimatic conditions. Among the various options is always better to opt for the use of tall trees with high leaf density, rather than the grass or shrubs.

The scenario that proposes the reduction of parking spaces at ground level, the replacement of paved areas with high reflectance materials or permeable surfaces combined with a significant increase in the presence of green areas (more than 30% of the surface) is the solution that best meets the needs of thermal comfort. Emphasize also the beneficial effect of the presence of vegetation in the urban space in terms of air and environment quality.

Although not listed among the starting objectives, a conclusion that can be obtained from this work is that the outdoor space features, such as the amount and type of vegetation and materials used, influences microclimatic conditions, the energy buildings consumption and the comfort of people. The maintenance of environmental quality and energy conservation in our cities should be among the objective of government, which they should reflect them in their actions. In the suburbs, the free space, sometimes superabundant, has created degraded and low quality areas. But the proposed of privatization tout-court can further damage environmental quality, in addition to depriving citizens of their space. To avoid this problems, the assignment of free space to the private agents should be complemented by legislation aimed to preserving and/or improve the thermal and environmental quality. For example, the transfer could be provided for free on



condition of maintain or increase the amount of green, prohibit the cutting down of tall trees, employ cool materials to replacing existing soil, etc.

Design Guide line Relatively the main goal of the doctoral thesis to propose strategies for environmental design of urban spaces refurbishment, the work done a first approximation for the realization of a tool that could be supportive in the early stages of decisions making phase, to guide the project toward the improvement of the thermal conditions and comfort.

Nowadays, the existent tools and guides present important limitations: at the first they have been thought for new construction projects, so that their application in refurbishment is very limited. Regarding countermeasures for the outdoor space, in some cases do not make a clear reference to the climatic characteristics of the place, nor to features morpho-typological of built space.

Finally some certification systems and design guides, put on the same level the use of green areas and the employment of low emissivity materials such as cool-materials, without taking into account the totally different effects produced for a measure or other, especially regarding user comfort.

Environmental certification systems, such as LEED (credit SS 7.1) gives the same assessment to the various strategies such as the use of shading systems o high reflection pavements, without taking into account that the processes put in place by the various strategies are totally different. Even the Italian system certification ITACA assigns indifferently weight to the use of vegetation or surfaces with reflectance equal to or greater than 20%, without considering for example the combined effect of shading and evapotranspiration provided by the vegetation.

One of the results obtained, not fixed in the thesis initial objectives, is the definition of evaluation system of heat island countermeasures more objective, based on a quantitative calculation and that discriminates between the different context conditions.

The realization of an abacus based on parametric study of the project scenarios, gives an indication of the sustainability of different sizes, friendly and easy also for non-experts. The research is a first approach for the realization of a tool that could be supportive in urban refurbished works, to guide the early stages of decision making towards thermal performance and comfort improvement. To realize a complete table that could be a real support, the evaluation of a larger number of case studies and project scenarios should be carried out. Due to remaining doubts about the trustworthy of the software and the singularity of each urban space, the



table must be use just as a rough guide. The final evaluation should always be made case by case.

The conflict between the need to consider as many parameters as possible and to reduce the variables, in order to simplify the calculation, has not yet been resolved. However, the availability of computer systems has allowed much progress in the energy simulation, and the ability to perform increasingly elaborate models. Nowadays, there are a lot of tools capable to support and guide the design process, but is the designer who must choose between them the most appropriate case by case and phase by phase. The point between the accuracy of model and the difficulty of preparation should be decided according to specific needs. In this work we have tried to propose tools that do not require highly professional skilled or expensive equipment, while systems that could be used by professionals or the public administration with a reasonable expenditure of time.

It should be mentioned that research methodology through the analysis of case studies is not intended to formulate universal laws respects the observed data, is rather an exploration of phenomena and of the possibilities offered by modern tools that can be used to apply new research hypothesis and to guide design decisions and policy in urban areas.

The practical application of this research is in the process of decision making phase. After the site characterization, definition of the critical points and targets, the planner must choose between applicable measures those that will improve the quality of space. As researches into the thermal behaviour of urban spaces multiply and have more knowledge in the processes that regulate the microclimate, strategic directions and policy interventions to regulate the space safeguarding the thermal comfort of their users may be made. Thus, as already exists for buildings, specific regulations for bioclimatic regeneration urban areas may be made in order to improve the sustainability of cities and quality of citizen’s life.

Recommendations for further work Despite the determination of microclimatic conditions of the urban space are the subject of study since several decades, the research is usually focused on the definition of guidelines for the design of new urban developments. In some cases it is possible to find references to the analysis of the traditional city, at most, coming to the definition of the diagnosis, but without reaching the investigation of possible solutions for the public space.



Even with regard the issue of urban refurbished, it is possible to find an extended referential documentation about the refurbishment of historic buildings, of the architectural modern heritage and of city centre segment, but for the regeneration of suburban areas the literature is very poor.

The theme of the thesis that dealing the climatic amelioration of the XXI century city, although it is a topic of great interest, especially in relation to the needs to promote urban sustainability, is introduces into a research background absolutely lacking in this aspect.

The current crisis energetic and economical, forces us to rethink the model of the city, which has to be more sustainable, efficient, preservative of natural resources, in which the territory is the main source of life. The change towards this new model cannot be achieved regardless of the regeneration of the deprived, inefficient and with low quality neighbourhoods. The opening of a new line of research in this field is needed to fill the referential gap and be supportive to researchers, but also to designers, administrators and stakeholders.

Certainly another line of research should be dedicated to the improvement of the calculation model. Focused in this direction, the proposals for future development are:

1. Allow the review and modification of default climate used by the software. That could also to allow the introduction of values obtained from local measurement weather stations and urban climate maps.

2. In the new version ENVImet 4 some of limitations in the 3D models have been solved allowing the realization of more elaborate models.

3. Make available the complete calculation equations used for the tool to users. If this information was accessible, expert users can check the operation of software and have a feedback with developers.

The methodology should be applied to many other cases study, with different climatic conditions and city morphology, test it and improve the reliability of the results and its applicability.

The methodology can be applied to other urban typology and climax conditions. This could create a varied casuistry enough to extend the abacus of strategies, including the main urban typologies used in Spain. The practical use of this knowledge is able to provide, from the initial stages of project, strategies guidelines to improve the thermal environment of urban public space.

T i t u l o | E l m i c r o c l i m a u r b a n o e n l o s e s p a c i o s u r b a n o s . E s t u d i o d e c a s o s e n M a d r i d .


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Anexo I

Annex II

Anexo II

Analysis of microclimate variations on the project scenarios

Case Study: PavonesPresent State

Thermal data

T a 31,3

H% 72

W 1,47

Tmrt 62,7

R dir 962

UTCI 39,7

Case Study: Pavones

Scenario

Thermal data ObservationT a 29,79

H% 59

W 0,91

Tmrt 69,41

R dir 959,2

UTCI 40,7

Element: Rectangular Parking with buildings blocks on 3 sides.

• There is decreased in temperature throughout the area, more important in the boulevard• There is a slight increase in wind speed• The relative humidity is reduced significantly• The vertical heat dissipation is incremented• The stress of heat is i d

Reduction of existing vegetation, soil impermeable: conservation of tall trees, removing the bush and replacing permeable surface (grass and sand) with concrete pavement.

Parking AreaElement: Rectangular Parking with buildings blocks on 3 sides.

Area model description: -Buildings V and XI floor block, -Parking at ground level, soil in asphalt-Sidewalk and footpath in concrete-Boulevard with deciduous trees 20m tall, shrubs and l

Simulation conditions: 15 Agust h15, Initial Temp at 2500m: 300K, Spec Hum: 8,89 g/kg, Wind at 10m: 2,24 m/s

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature, velocity of winds, mean radiant temperature hight and lower relative humidity.‐Significant accumulation of heat in the parkingSection‐In height the result shows a temperature reduction in the first 3 metersComfortThe state of comfort is: Very strong heat stress

Wind Speed

TemperatureWind Speed UTCI

Irina Tumini Schedule 1

Anexo II

Case Study: Pavones

Scenario


H% 75

W 0,76

Tmrt 60,2

R dir 954UTCI 37,3

Case Study: Pavones

Scenario

Thermal data ObservationT a 30,34H% 63

W 0,88Tmrt 70,8R dir 952,6UTCI 41,9

Case Study: Pavones

Scenario


W 0,94Tmrt 54,75R dir 576,3UTCI 37,2

Introduction of green area in the areas with high temperature: type trees 20m tall, LAD1 0.3 for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces.

• The mitigating effect of vegetation is important• The distribution of vegetation influences the temperature and humidity, both in plan and in section: the mitigation of climate conditions is observed• The wind and solar radiation is reduced• There are the amelioration of comfort conditions


Introduction of green area in the areas with high temperature: type shrub 1,5 m height for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces.

• In temperature and humidity the mitigating effect of vegetation can be seen, in both plant and vertical section view• Temperature mitigation is more important in the north side than opposite side• The winds and solar radiation decreasing• The comfort sense improves



• Significant temperature decrease in the parking area, both horizontally and vertically. Take emphasis on the reduction of temperature gradient. • slightly increases of relative humidity• Decreases of wind speed • Amelioration of comfort condition

In the pedestrian areas replacement of impermeable surfaces with grass. Roadways in asphalt.

1 LAD: Leaf Area Density describe the vertical distribution of the leaves of tree

TemperatureWind Speed



UTCI

UTCI

UTCI


Anexo II

Case Study: Pavones

Scenario


H% 74

W 1,04

Tmrt 55,65

R dir 952

UTCI 36,7

Case Study: Pavones

Scenario


H% 63

W 1,10

Tmrt 78,08

R dir 952

UTCI 42,50


In the rectangular parking area is positioned a water tank in the canyon area smaller water tanks are positioned. The existing vegetation is maintaining.

• Substantial reduction of temperature in particular in the area where the heat storage occurred• Wind and humidity remain nearly unchanged• Greatly improvement of the feeling of comfort


Replacement of surface finish material with cool materials. On the sidewalks and footpaths are positioned ecological block, in the parking and road the traditional asphalt is replaced with high reflectance and low emissivity Perfect Cool

• Decrease in temperature: small in the car parking, but significant in pedestrian areas• Reduction of relative humidity and wind• In the vertical development were not observed variation• Worsening of heat stress




Anexo II

Case Study: FontarrónPresent State

Thermal data

T a 29,87

H% 57,7

W 1,46

Tmrt 69,51

R dir 954,3

UTCI 40,3

Case Study: Fontarrón

Scenario


H% 56

W 1,2

Tmrt 68,62

R dir 960

UTCI 39,3

Area model description: -Buildings block V floor tall-Parking at ground level, soil in asphalt, -Sidewalk in concrete pavement,-There are just 1 tree: deciduous 15m tall, shading or solar protection are not installed.

Parking Area

Element: Rectangular parking with buildings blocks on 2 sides.




• The climatic data do not shown important change, as well as thermal comfort that are subject to a very small amelioration• Reduction of heat storage in the vertical development

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature, velocity of winds, mean radiant temperature hight and lower relative humidity.‐Significant accumulation of heat in the parking, mainly in the south side.Section‐In the first 3 m of height, the very important heat dissipation is observed.Comfort

Wind Speed



Anexo II


Scenario

Thermal data ObservationT a 28,52H% 58,3

W 1,18Tmrt 68,45R dir 960,8UTCI 39,2


Scenario


W 1,28Tmrt 59,34R dir 962UTCI 35,8


Scenario


W 1,26Tmrt 78R dir 960,8UTCI 40,9

• Strong reduction of temperature about 4ºC• The relative humidity increment, while the speed wind are slight lower• The Tmrt decrease• The thermal comfort improving with a reduction of more of 4 ºC UTCI equivalent.


Replacement of surface finish material with cool materials. On the sidewalks and footpaths are positioned ecological block, in the parking and road the traditional asphalt is replaced with white pinted asphalt.

• Very small changed are be showed in the scenario: reduction of temperature and wind speed and increment of humidity• Reduction of extension of heat storage area in both horizontal and vertical projections, causing a general reduction of temperature• Amelioration of sense of thermal comfort of 1 ºC eq




Introduction of green area in the areas with high temperature: type trees 20m tall, LAD 0.3 for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces.

• The temperature reduction is about 2ºC, take emphasis in the temperature gradient: on plant is almost inexistent and on vertical development is lower than 2 ºC• The wind speed decrease• The Tmrt and thermal stress increase





Anexo II


Thermal data

T a 29,6

H% 66

W 1,59

Tmrt 69,39

R dir 954,3

UTCI 40,5


Scenario


H% 56

W 1,2

Tmrt 68,62

R dir 960

UTCI 39,3

Area model description: -Buildings block V floor tall-Parking at ground level, soil in asphalt, -Sidewalk in concrete pavement,-There are not any vegetation, shading or solar protection .



Parking AreaElement: Rectangular parking with buildings blocks on 1 sides.


• The climatic data do not shown important change, as well as thermal comfort that are subject to a very small amelioration• Reduction of heat storage in the vertical development

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature, velocity of winds, mean radiant temperature and relative humidity high.‐Significant accumulation of heat in the parking, mainly in the East building façade.Section‐The heat dissipation is produced in the first 6m of heigth.Comfort

Wind Speed

Temperature

Wind Speed

UTCI


Anexo II


Scenario


H% 68

W 1,15

Tmrt 59,35

R dir 909,8

UTCI 37,4


Scenario


H% 77

W 1,38

Tmrt 32,33

R dir 962,5

UTCI 29,8


Scenario


H% 69

W 1,43

Tmrt 78,47

R dir 960

UTCI 41,6

• The atmospheric temperature and wind speed decrease as well as the temperature gradient in both horizontal and vertical projection• The humidity and Tmrt increase• The thermal comfort worsering

• 3ºC of temperature reduction• The relative humidity increase• Slight reduction of wind speed• Reduction of Tmrt• Regarding comfort sensation, there are a reduction of more of 10 ºC equivalent: the UTCI change to moderate heat stress


Replacement of surface finish material with cool materials. On the sidewalks and footpaths are positioned ecological block, in the parking and road the traditional asphalt is replaced with white pinted asphalt.

• At head height the temperature is reduced of 1.5 ºC and in elevation, the storage heat are dissipating in a few meters• The wind speed is lower• The comfort sensation enhances and changes to strong heat stress


Introduction of green area in the areas with high temperature: type trees 20m tall, LAD 0.3 for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces.



Temperature

Wind Speed

UTCI

Temperature

Wind Speed

UTCI

Temperature

Wind Speed

UTCI


Anexo II

Case Study: PavonesPresent State

Thermal data

T a 31,3

H% 72

W 1,46

Tmrt 62,7

R dir 736

UTCI 41,6

Case Study: Pavones

Scenario


H% 68

W 1,49

Tmrt 69,07

R dir 959

UTCI 41.8

Element: Canyon, building block typology, N-S oriented 27º azimuth, Height/Width ratio H/W=0,43

Canyon between buildings



Area model description: -Buildings V floor block in both sides, -Parking at ground level, soil in asphalt-Sidewalk and footpath in concrete-Deciduous trees 20 m tall in the middle of canyon, shrubs along the sidewalk

Reduction of existing vegetation, soil impermeable: conservation of tall trees, removing the shrub and replacing permeable surface (grass and sand) with concrete pavement.

• There is a slight decrease in temperature on the north side• Humidity and winds do not vary significantly• The temperature vertical distribution is changed• The feeling of comfort worsens

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Hight values for temperature, velocity of winds, mean radiant temperature and humidity.‐Significant accumulation of heat in the canyonSection

‐The heat vertical dissipation is low, changes in temperature were not produced in the first 6 m highComfortThe state of comfort is: Very strong heat stress

Wind Speed


UTCI


Anexo II

Case Study: Pavones

Scenario


H% 85

W 0,98

Tmrt 54,28

R dir 738,4UTCI 39,1

Case Study: Pavones

Scenario


W 1,03Tmrt 54R dir 697UTCI 39.5

Case Study: Pavones

Scenario


W 1,15Tmrt 31,06R dir 79,1UTCI 32,8


In the pedestrian areas replacement of impermeable surfaces with grass. Roadways in asphalt.

• Sensitive temperature decrease particularly in the side NE• Significant increase in relative humidity• The wind speed decreases as you move into the canyon• There is high heat dissipation




Introduction of green area in the areas with high temperature: type trees 20m tall, LAD1 0.3 for 30% of surface. Reduction of 30% of parking spaces.

• Not very significant temperature variation • Change of relative humidity distribution that show the localization of green spaces• The comfort get little amelioration

• The temperature and solar radiation decrease due to the effect of vegetation• The Tmrt is reduced too• The vertical heat dissipated occurs in a few meters• The feeling of comfort is much improved and change in strong heat stress

1 LAD: Leaf Area Density describe the vertical distribution of the leaves of tree




UTCI

UTCI

UTCI


Anexo II

Case Study: Pavones

Scenario


H% 78

W 1,45

Tmrt 50,47

R dir 736,9

UTCI 37,8

Case Study: Pavones

Scenario


H% 75

W 1,45

Tmrt 69,00

R dir 737

UTCI 42,30

• Slight decrease in temperature• Humidity influenced by the disposition of the water tank• A reduction of Tmrt has occurred • The sense of comfort is improved



• Small decrease in temperature• Wind and humidity without significant variation• Increases of Tmrt• The heat stress increased


In the middle of canyon is positioned a water tank. The existing vegetation is maintaining.




Anexo II


Thermal data

T a 27,7

H% 58

W 0,27

Tmrt 62,34

R dir 889

UTCI 37,7


Scenario


H% 56

W 0,43

Tmrt 67,91

R dir 766,6

UTCI 38,2

Element: Canyon, building block typology, W-E oriented 43º azimuth, Height/Width ratio H/W=1


Area model description: -Buildings block V floor tall-Pedestrian green area between buildings: sidewalk in concrete, loam in soil and deciduous tree 15m tall.

• The temperature and wind speed not change• The relative humidity decreased• The heat stress increase and change in very strong heat stress


Canyon between buildingsElement: Canyon, building block typology, W-E oriented 43º azimuth, Height/Width ratio H/W=1

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature and relative humidity low, winds almost inexistent and mean radiant temperature show average value. ‐There is not heat accumulation in the canyon.Section‐The temperature remains constant up to the height of the top of the buildings.Comfort

Wind Speed

Temperature

Wind Speed

UTCI


Anexo II


Scenario


H% 59

W 0,42

Tmrt 61,94

R dir 895

UTCI 36,7


Scenario


H% 61

W 0,42

Tmrt 61,76

R dir 896

UTCI 36,4


Scenario


H% 60

W 0,42

Tmrt 61,93

R dir 895

UTCI 36,7


Replacement of surface finish material with cool materials. On the sidewalks and footpaths are positioned ecological block.

• The climax parameters do not show a remarkable changes• The thermal comfort sensation make a slight improvement, lower than 1ºC eq.

• The temperature reduction is about 1 ºC• The other climax parameters not have significant variation. • The comfort sensation show a reduction of thermal stress of 1ºC


Introduction of green area in the areas with high temperature: type trees 20m tall, LAD 0.3 for 30% of surface. Grass in the soil.

• The climax parameters do not show an important variation• The comfort make a slight amelioration


Introduction of green area in the areas with high temperature: type shrub 1,5 m height for 30% of surface.

Temperature

Wind Speed

UTCI

Temperature

Wind Speed

UTCI

Temperature

Wind Speed

UTCI


Anexo II


Thermal data

T a 27,68

H% 65

W 0,77

Tmrt 61,52

R dir 954

UTCI 37,5


Scenario


H% 59

W 0,92

Tmrt 33,67

R dir 62

UTCI 29,5



• Reduction of relative humidity• Not change in the temperature• Slight increase of wind speed• Reduction of heat stress

Canyon between buildingsElement: Canyon, building block typology, N-S oriented 43º azimuth, Height/Width ratio H/W=1,1


Area model description: -Buildings block V floor tall-Pedestrian green area between buildings: sidewalk in concrete, loam in soil and deciduous tree 15m tall.

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature and wind speed low, relative humidity hight and mean radiant temperature show average value. ‐There is not heat accumulation in the canyon.Section‐The temperature remains constant up to the height of the top of the buildings.Comfort

Wind Speed

Temperature

Wind Speed

UTCI


Anexo II


Scenario


H% 62

W 0,84

Tmrt 61,7

R dir 960

UTCI 36,8


Scenario


H% 67

W 0,86

Tmrt 61,58

R dir 962

UTCI 36,7


Scenario


H% 63

W 0,83

Tmrt 61,71

R dir 960

UTCI 36,8



• The temperature decrease quite more of 1ºC, but the other climax parameters do not show a relevant variation• In the vertical section changes of temperature, wind or humidity are observed• The comfort sensation shows a slight improvement

• The temperature is 1ºC lower, but different behaviour in the vertical section are not shown• The other climax parameters do not show important changes• The thermal stress is reduced of lower than 1ºC equivalent


• The climax parameters not have significant variation, with exclusion of relative humidity. • The comfort sensation makes a small amelioration.




Temperature

Wind Speed

Temperature

Wind Speed

Temperature

Wind Speed


Anexo II

Case Study: HorcajoPresent State

Thermal data

T a 30,4

H% 75

W 0,3

Tmrt 31,54

R dir 0

UTCI 33,9

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 72

W 0,15

Tmrt 27,19

R dir 0

UTCI 30,9

Canyon between buildingsElement: Canyon, building typology closed block, W-E oriented 33º azimuth, Height/Width ratio H/W=0,6


Area model description: -Buildings closed block typology, Vl floor tall-Area between buildings: sidewalk in concrete, road in asphalt- Trees positioned along the road, deciduous tree 10m tall, and shrub closed to buildings

• Temperature reduction of 1ºC, as well as wind speed and relative humidity• In the vertical section there are not change in the gradient or distribution of temperature• Reduction of Tmrt and consequently, improvement of thermal comfort

Element: Canyon, building typology closed block, W-E oriented 33º azimuth, Height/Width ratio H/W=0,6

Reduction of existing vegetation, soil impermeable: conservation of tall trees, removing the shurb and replacing permeable surface (grass and sand) with concrete pavement.

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature and relative humidity hight, wind almost absent and the mean radiant temperature shows a low value due to the location of measurement point in shaded zone. ‐There is not heat accumulation in the canyon.Section‐The temperature remains constant up to the height of the top of the buildings.ComfortThe state of comfort is: strong heat stress.

Wind Speed

UTCI

Temperature

Wind Speed


Anexo II

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 73

W 0,18

Tmrt 26,18

R dir 0

UTCI 30

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 75

W 0,28

Tmrt 31,42

R dir 0

UTCI 33,7

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 68

W 1,11

Tmrt 29,6

R dir 0

UTCI 30,5




• No significant changes are checked in the climatic values or in the comfort of people


In the internal road replacement of asphalt-paved with permeable materials such as sand. In the sidewalk substitution of concrete soil with red brick.

• Temperature reduction of more of 2ºC, as well as wind speed and relative humidity• In the vertical section there are not temperature gradient• Reduction of Tmrt and consequently, improvement of thermal comfort


• The air temperature shows a reduction of almost 2ºC• The humidity decrease of 7% and the wind speed show an increase of almost 1 m/s• The south façade is slightly hotter than the opposite• The comfort index reduces of more than 3ºC equivalent

Temperature

Wind Speed

Temperature

Wind Speed

Temperature

Wind Speed


Anexo II

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 71

W 0,3

Tmrt 304

R dir 0

UTCI 33



• No significant changes are checked in the climatic values or in the comfort of people

Temperature

Wind Speed


Anexo II


Thermal data

T a 27,61

H% 61

W 0,65

Tmrt 75,08

R dir 954

UTCI 40,06


Scenario


H% 54

W 0,79

Tmrt 71,28

R dir 960

UTCI 39

Element: Rectangular square with trees, an EW orientation 43º azimuth, building on 3 sides

Pedestrian Square


Area model description: -Buildings block V floor tall-Footpaths in concrete -In the middle of square there are 4 flowerbeds with grass and small trees with low leaf density - Horse chestnut trees 15m tall, are located in the edge of the square.



• The climate parameters do not shown significant changes at ground levels. The temperature reductions up to 3 meters can be seen.• The comfort conditions improve due to the reduction of Tmrt

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐Temperature and wind speed low, relative humidity shows an average value while the mean radiant temperature has high value.‐There is not heat accumulation in the square.Section‐The temperature remains constant up to the height of the top of the buildings.Comfort

Wind Speed

UTCI

Temperature

Wind Speed


Anexo II


Scenario


H% 62

W 0,73

Tmrt 30,82

R dir 178

UTCI 28,1


Scenario


H% 60

W 0,73

Tmrt 61,16

R dir 960

UTCI 36,3



• There is a reduction of temperature and Tmrt due to general reduction of temperature in the area. There is not temperature gradient in both horizontal and vertical distribution• The wind speed increase of 0,08 m/sec and the humidity just 1%• The comfort sensation improve of two UTCI degree: change to moderate heat stress



• Reduction of temperature lower than 1ºC, in the vertical section there is a temperature gradient and the heat dissipation is more in the north façade• The other climax and comfort values remain constant

Temperature Wind Speed

Temperature

Wind Speed


Anexo II


Thermal data

T a 27,21

H% 64

W 0,12

Tmrt 61,67

R dir 954

UTCI 37,3


Scenario


H% 57

W 0,08

Tmrt 71

R dir 960

UTCI 39,3

Pedestrian SquareElement: Rectangular square with trees, an NS orientation 43º azimuth, building on 4 sides


Area model description: -Buildings block V floor tall-Footpaths in concrete -In the middle of square there is a pedestrian area with sand and small trees (10m tall) with low leaf density


• At ground level the climax values do not show a significant change, with exception of humidity that register a reduction• Up to 6 meters there are a greater heat dissipation• The Tmrt increase so the heat stress increase too

Element: Rectangular square with trees, an NS orientation 43º azimuth, building on 4 sides

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐The wind is also inexistent; the relative humidity shows a high value.‐There is a strong temperature gradient between the SW side and the opposite, due to the storage of heat in the parking.Section‐The temperature is higher in correspondence of SW façade of buildings to up 9m of elevation. Comfort

Wind Speed

UTCI Scale

Temperature

Wind Speed


Anexo II


Scenario


H% 65

W 0,08

Tmrt 59

R dir 962

UTCI 35,9


Scenario


H% 72

W 0,08

Tmrt 60,63

R dir 960

UTCI 37,2



• There is a reduction of temperature and Tmrt due to general reduction of temperature in the area. There is not temperature gradient in both horizontal and vertical distribution• The wind speed and the humidity do not shown any change• The comfort sensation improve, but just of 2ºC equivalent



• Changes in climax values and comfort are not observed with exclusión of humidity that increase of 8%• Take emphasis in the distribution of temperature: in plant the area show a homogenous temperature, there are not heat storage in the south façade

Temperature

Wind Speed

Temperature

Wind Speed


Anexo II

Case Study: HorcajoPresent State

Thermal data

T a 31,73

H% 83,72

W 0,9

Tmrt 62,89

R dir 871

UTCI 43,8

Case Study: Horcajo

Scenario

Thermal data ObservationT a 31

H% 80

W 1

Tmrt 72

R dir 886

UTCI 44,4

Element: Rectangular Square, orientation NW-SE 33ºazimuth, building closed block in 2 side

Pedestrian SquareElement: Rectangular Square, orientation NW-SE 33ºazimuth, building closed block in 2 side


Area model description: -Buildings closed block typology, Vl floor tall-Area between buildings: sidewalk in red block, road in asphalt- Flowerbeds in the center of square with grass soil and deciduous trees, 10m tall.

Reduction of existing vegetation, soil impermeable: conservation of tall trees, removing the shrub and replacing permeable surface (grass and sand) with red block pavement.

• The climate parameter do not show a change, but in the elevation the major temperature gradient is observed• The direct radiation and Tmrt increase, consequently the stress for heat worsering• Up to 6 meters there are a greater heat dissipation• The Tmrt increase so the heat stress increase too

LegendTemperature

Climate behaviour description:Plan‐The temperature, wind speed and relative humidity observed are high.‐There are a strong variation of temperature between the road and the square. Section‐The temperature shows the low heat storages in the center ‐The temperature is reduced with the height up to the top of buildings with a small gradient.‐The wind is almost very low in correspondence of façadeComfortthere is a very bad condition of comfort, which can be risky for health.

Wind Speed

UTCI Scale



Anexo II

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 86

W 0,92

Tmrt 46

R dir 464

UTCI 37,4

Case Study: Horcajo

Scenario


H% 82

W 0,87

Tmrt 63,17

R dir 884

UTCI 43,2


• Important changes in climax values and comfort are not observed.


• The reduction of 2ºC of air temperature and more than 16 ºC of Tmrt can be observed• The humidity increase and the direct radiation decrease due to introduction of improvement of trees• The thermal stress decrease of more 5ºC equivalent






Annex III

Apéndice

T i t u l o | E l m i c r o c l i m a e n l o s e s p a c i o s u r b a n o s . E s t u d i o s d e c a s o s e n M a d r i d .

I r i n a T u m i n i 1 | A p é n d i c e

Desarrollo de ecuaciones usadas por la herramienta ENVI-met

Como indicado anteriormente el sistema cuenta con dos sistemas separados uno para la superficie terrestre y otro para el cálculo de la atmosfera. El modelo atmosférico es muy complejo ya que se fundamenta en la resolución de las ecuaciones de Reynolds Navier-Stokes con una especifica clausura de la turbulencia basada en el modelo E-v (Lauder y Spalding, 1974)1 que calcula la energía cinemática turbulenta (E) y el rango de disipación (v). El modelo contempla el efecto de la vegetación y del suelo a través de la introducción de unos términos fuete para calor, humedad y momento. Este término de conexión tiene en cuenta del LAD y del gradiente de las variables involucradas (velocidad del viento, humedad y temperatura). Las condiciones de contexto del confine lateral están proporcionadas por el modelo ABL 1D, un modelo que se ejecuta en paralelo con el modelo principal.

E l f l u j o d e a i re El sistema de calculo está basado en la teoría de fluido dinámica y termodinámica de Navier Stokes usando la aproximación de Bussinesq

𝜕𝑢𝜕𝑡

+ 𝑢𝑖𝜕𝑢𝜕𝑥𝑖

= −𝜕𝑝′

𝜕𝑥+ 𝐾𝑚 �

𝜕2𝑢𝜕𝑥𝑖2

� + 𝑓�𝑣 − 𝑣𝑔� − 𝑆𝑢

𝜕𝑣𝜕𝑡

+ 𝑢𝑖𝜕𝑣𝜕𝑥𝑖

= −𝜕𝑝′

𝜕𝑦+ 𝐾𝑚 �

𝜕2𝑣𝜕𝑥𝑖2

� + 𝑓�𝑢 − 𝑢𝑔� − 𝑆𝑣

𝜕𝑤𝜕𝑡

+ 𝑢𝑖𝜕𝑤𝜕𝑥𝑖

= −𝜕𝑝′

𝜕𝑧+ 𝐾𝑚 �

𝜕2𝑤𝜕𝑥𝑖2

� + 𝑔𝜃(𝑧)𝜃𝑟𝑒𝑓(𝑧)

− 𝑆𝑤

𝜕𝑢𝜕𝑥

+𝜕𝑣𝜕𝑦

+𝜕𝑤𝜕𝑧

= 0

Donde f=104 sec-1 es el parámetro de Coriolis, p’ es la presión de la perturbación, θ é la temperatura potencial al nivel z y los parámetros Su, Sv y Sw representan las pérdidas de velocidad del viento causada por las fuerzas de arrastre debida a la presencia de la vegetación, que puede ser expresado como (Liu 1996)

𝑆𝑢(𝑖) =𝜕𝑝′𝜕𝑥𝑖

= 𝑐𝑑,𝑓𝐿𝐴𝐷(𝑧)𝑊 𝑢𝑖

Donde la velocidad media del viento a la cota z es igual a 𝑊 = √𝑢2 + 𝑣2 + 𝑤2 y con cd,f se indica el coeficiente de arrastre de las pantas fijado igual a 0,2. En las condiciones de contexto se asume el no deslizamiento en las superficies

1 La teoría de Lauder y Spalding se basa en la representación del modelo de turbulencia a través de dos cantidades: la energía cinética turbulenta E y la disipación v, calculada a partir de la resolución simultanea de las ecuaciones de trasporto que gobiernan el comportamiento del flujo principal. La amplia aplicabilidad del modelo es demostrada del echo de que constituye una referencia para los sistemas numéricos computacionales para nueve tipos diferentes de flujo turbulento. ( B.E. Launder, D.B. Spalding. The numerical computation of turbulent flows)



(u=v=w=0) y el perfil de flujo es calculado en un modelo unidimensional extendido por encima de los 2500m de altura.

Tem p era t u ra y hum ed a d Para determinar la difusión dentro del atmosfera de la temperatura θ y de la humedad específica q se hace el uso combinado de las ecuaciones de advección y difusión:

𝜕𝜃𝜕𝑡

+ 𝑢𝑖𝜕𝜃𝜕𝑥𝑖

= 𝐾ℎ �𝜕2𝜃𝜕𝑥𝑖2

� + 𝑄ℎ

𝜕𝑞𝜕𝑡

+ 𝑢𝑖𝜕𝑞𝜕𝑥𝑖

= 𝐾𝑞 �𝜕2𝑞𝜕𝑥𝑖2

� + 𝑄𝑞

Los parámetros Qh y Qq son empleados para representar el intercambio de calor y vapor entre atmosfera y plantas. Las condiciones de contexto son: la temperatura calculada para los suelos, muros y techos están empleadas en todos los límites físicos, el flujo interno está calculado según un perfil unidimensional y para el flujo externo al contexto se considera un gradiente igual a cero.

P roces os d e t u r bu le nc i a e i n t e r ca m bi o La turbulencia se produce cuando el flujo encuentra un obstáculo (edificios o plantas) y, en condiciones de presencia de viento, la magnitud de la turbulencia local es escasa y disipada por el flujo principal. Dependiendo de la estructura del flujo eso puede conducir a un aumento del intercambio turbulento desde la fuente original. Para simular este flujo la herramienta se basa en las ecuaciones desarrollada por Mellor y Yamada (1975) que añaden dos ecuaciones: una para la turbulencia local E y otra para el rango de disipación v como indicado a continuación:

𝜕𝐸𝜕𝑡

+ 𝑢𝜕𝐸𝜕𝑥

+ 𝑣𝜕𝐸𝜕𝑧

=𝜕𝜕𝑥

�𝐾𝐸𝜕𝐸𝜕𝑥� +

𝜕𝜕𝑦

�𝐾𝐸𝜕𝐸𝜕𝑦�

+ 𝐾𝑚 �2 �𝜕𝑢𝜕𝑥�2

+ �𝜕𝑢𝜕𝑦

+𝜕𝑣𝜕𝑥�2

+ �𝜕𝑢𝜕𝑧

+𝜕𝑤𝜕𝑥�2

+ 2 �𝜕𝑣𝜕𝑦�2

+ �𝜕𝑣𝜕𝑧

+𝜕𝑤𝜕𝑦�2

+ 2 �𝜕𝑤𝜕𝑧�2

� −𝑔𝜃𝐾ℎ

𝜕𝜃𝜕𝑧

+ 𝑄𝐸(𝑥,𝑦, 𝑧) − 𝜖

La segunda ecuación es similar y describe el rango de disipación TKE:



𝜕𝜖𝜕𝑡

+ 𝑢𝜕𝜖𝜕𝑥

+ 𝑣𝜕𝜖𝜕𝑦

+ 𝑤𝜕𝜖𝜕𝑧

=𝜕𝜕𝑥

�𝐾𝑒𝜕𝜖𝜕𝑥� +

𝜕𝜕𝑦

�𝐾𝑒𝜕𝜖𝜕𝑦� +

𝜕𝜕𝑧�𝐾𝑒

𝜕𝜖𝜕𝑧�

+ 𝑐1𝜖𝐸𝐾𝑚 �2 �

𝜕𝑢𝜕𝑥�2

+ �𝜕𝑢𝜕𝑦

+𝜕𝑣𝜕𝑥�2

+ �𝜕𝑢𝜕𝑧

+𝜕𝑤𝜕𝑥�2

+ 2 �𝜕𝑣𝜕𝑦�2

+ �𝜕𝑣𝜕𝑧

+𝜕𝑤𝜕𝑦�2

+ 2 �𝜕𝑤𝜕𝑧�2

� − 𝑐3𝑒𝜖𝐸𝑔𝜃𝐾ℎ

𝜕𝜃𝜕𝑧

− 𝑐2𝑒𝜖2

𝐸+ 𝑄𝑒(𝑥,𝑦, 𝑧)

Para calibrar la ecuación v se usan los valores estándar c1=1,44, c2=1,92 y c3= 1,44 definidos por Launder ya Spalding (1974).

De acuerdo con las indicaciones de Liu et all (1996) y Wilson (1998) se introducen dos términos correspondientes a la turbulencia producida por la vegetación así como la energía turbulenta de aceleración procedente de las hojas:

𝑄𝐸 = 𝑐𝑑,𝑓𝐿𝐴𝐷 · 𝑊3 − 4𝑐𝑑,𝑓𝐿𝐴𝐷 · |𝑊| · 𝐸

𝑄∈ = 1,5𝑐𝑑,𝑓𝐿𝐴𝐷 · 𝑊3 − 6𝑐𝑑,𝑓𝐿𝐴𝐷 · |𝑊| ·∈

El coeficiente intercambio turbulento de campo se calcula asumiendo una turbulencia local isótropa según la relación:

𝐾𝑚 = 𝐾ℎ = 𝐾𝑞 = 𝑐𝜇𝐸2

∈; 𝐾𝐸 =

𝐾𝑚𝜎𝐸

; 𝐾∈ =𝐾𝑚𝜎∈

Con cμ=0,09, σE=1 y σv=1,3. El sistema E-v-Km se calcula a intervalos fijos hasta alcanzar un estado de estabilidad de la solución.

Las condiciones de contexto son que la cota z=0 y en contacto con las paredes de los edificios E y v están calculados como una función de velocidad local de fricción calculada desde el flujo de la componente tangencial a las superficies:

𝐸(𝑧 = 0); 𝐸𝑊 =(𝑢 ∗2)𝑡𝑎𝑛

�𝑐𝜇; ∈ (𝑧 = 0); 𝜖𝑤 =

(𝑢 ∗3)𝑡𝑎𝑛

𝑘 · 𝑧0

También, el perfil de flujo interno en el limite superior se obtiene del modelo unidimensional y considerando un gradiente nulo para el perfil de flujo externo.

La t ra ns fe re nc i a ra d i oa c t i va Para entender el proceso de transferencia radioactiva se considera el sistema de transferencia en la atmosfera y en la capa de aire hasta las cubiertas.

En la atmosfera la radiación de onda corta se calcula usando la radiación directa y difusa con un enfoque semi-empírico que involucra la posición geográfica, la



hora del día y la composición atmosférica, en particular la turbidez y la difusión molecular. Eso permite estimar la componente de radiación de onda corta en la capa que va de los pocos metros de cota a los 2500m. Este procedimiento incluye la humedad relativa a la cota de 2 m para considerar el efecto de atenuación debido al vapor de agua.

La transferencia radioactiva de onda larga es representada por el cálculo de radiación atmosférica basado en Oke (1987) Este enfoque consiste en la estimación de la emisividad y tiene en cuenta la temperatura del aire, humedad y otros parámetros empíricos.

En la capa entre las cubiertas y el suelo la simulación del intercambio radioactivo se usa un modelo sencillo y se incluyen muchas hipótesis que pueden ser aceptables para la simulación de un entorno urbano, donde la principal influencia sobre la radiación es debida a los muros y suelos, sin embargo no son validas para su aplicación a espacios rurales. Las hipótesis son:

1) la capa de vegetación y la superficie de suelo son lambertianas. 2) La radiación ascendente y descendente tiene una dispersión isotrópica. 3) La dispersión de la radiación directa no se considera para el cálculo de la

componente difusa. 4) La radiación difusa de onda corta no es atenuada por la vegetación. 5) La radiación de onda corta ascendiente desde el suelo y de la vegetación

baja, no se tiene en cuenta en el cálculo del balance radioactivo de la onda corta.

6) La vegetación se considera individualmente in término de onda larga, pero se asume que existe una única capa de temperatura media sobre la cual calcular la emisión ascendente y descendente.

La radiación de onda larga y onda corta entrante están calculadas según la aproximación a dos-corrientes (Taesler y Anderson, 1984; Gross, 1991). La variación de radiación interna debido a la vegetación y a la sombra producida por los edificios se describe usando unos coeficientes de reducción σ que van del valor 1 para el flujo sin obstrucciones y 0 para as absorción total.

En cada punto el flujo de radiación puede calcularse como

𝑅𝑠,𝑤 = 𝜎𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑟𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑟0 + 𝜎𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑓𝜎𝑠𝑣𝑓𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑓

0 + (1 − 𝜎𝑠𝑣𝑓)𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑟0 𝑎�

Donde 𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑟0 y 𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑓

0 é la radiación de onda corta directa y difusa en la capa superior del modelo, el último termine considera la reflexión de la radiación de onda corta desde el ambiente con 𝑎� albedo medio de los muros.

Para la radiación de onda larga, se supone que el efecto de sombra producido por la vegetación hace que parte de la radiación venga absorbida y remplazada por la radiación emitida por ella misma. Eso dependerá de la cantidad y de la distribución de las plantas.



El flujo horizontal de onda larga procedente de las paredes de los edificios viene ponderado por el SVF que viene añadido al cálculo de la radiación vertical entrante. Usando el concepto de reducción del flujo podemos calcular el flujo ascendente como:

𝑅𝑙𝑤↓ = 𝜎𝑙𝑤↓ 𝑅𝑙𝑤↓,0 + �1 − 𝜎𝑙𝑤↓ �𝜖𝑓𝜎𝐵𝑇𝑓+4�� + (1 − 𝜎𝑠𝑣𝑓)𝑅𝑙𝑤↔

𝑅𝑙𝑤↑ = 𝜎𝑙𝑤↑ 𝜖𝑠𝜎𝐵𝑇04�� + (1 − 𝜎𝑙𝑤↑ )𝜖𝑠𝜎𝐵𝑇𝑓−4��

Donde 𝑇𝑓+4 y 𝑇𝑓−4 representan la temperatura supra yacente y subyacente la capa de vegetación, T0 es la temperatura superficial y 𝑅𝑙𝑤↔ el flujo de onda larga procedente de las paredes laterales. La emisividad de las hojas es indicada por 𝜖𝑓 y 𝜖𝑠 es la emisividad de las superficies, con 𝜎𝐵 se indica la constante de Stefan-Boltzman.

E l m od e lo d e l s ue lo La herramienta permite simular diferentes tipos de suelo presentes en el espacio urbano asignando los materiales de acabado a las celdas de la malla que compone el modelo. Los materiales están asociados a unas características termodinámicas y propiedades hidráulicas que vienen empleadas para determinar la distribución de la temperatura T y la humedad del suelo η según las siguientes ecuaciones:

𝜕𝑇𝜕𝑡

= 𝐾𝑠𝜕2𝑇𝜕𝑧2

𝜕𝜂𝜕𝑡

= 𝐷𝜂𝜕2𝜂𝜕𝑧2

+𝜕𝐾𝜂𝜕𝑧

− 𝑆𝜂(𝑧)

Donde ks es la difusividad del suelo que es función de la humedad η y puede ser calculada con Tjernstrom (1989), η es el contenido volumétrico de agua y ηs es el contenido a saturación. La conductividad hidráulica es indicada por el factor Kη y la difusividad hidráulica por Dη. Todos los coeficientes han sido calculados usando las formulas desarrolladas por Clapp y Hornberger (1978).

Las condiciones de contexto asumida en el cálculo del suelo son que la temperatura superficial proporciona el valor para la capa límite para el sistema termodinámico.

E l m od e lo d e l a ve ge t a c i ón La vegetación es tratada como una columna unidimensional de altura zp con una densidad de área de hoja de la copa normalizada al perfil LAD. El mismo sistema se emplea para normalizar el perfil del suelo introduciendo el RAD a la altura bajorasante –zr. Este esquema es universal y es utilizado tanto para las pequeñas plantas como el césped como para los arboles altos.



La interacción entre las hojas de las plantas y el aire del ambiente puede expresarse como flujo de calor directo Jf,h el flujo de evaporación Jf, evap y el flujo de transpiración Jf,trans:

𝐽𝑓,ℎ = 1,1𝑟𝑎−1(𝑇𝑓 − 𝑇𝑎)

𝐽𝑓,𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑟𝑎−1∆𝑞𝛿𝑐𝑓𝑤 + 𝑟𝑎−1(1 − 𝛿𝑐)∆𝑞

𝐽𝑓,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 𝛿𝑐�(𝑟𝑎 + 𝑟𝑠)(1 − 𝑓𝑤)∆𝑞

Siendo Ta y qa la temperatura y humedad especifica del aire, Dq la diferencia de humedad igual a q*(Ta)-qa , Tf la temperatura de las hojas la y q* la humedad a saturación en la superficies de las hojas. La ra representa la resistencia aerodinámica que según Barden (1982) es función de la geometría de las hojas

𝑟𝑎 = 𝐴�𝐷 𝑊�

Donde W es la velocidad del viento en las superficies de las hojas y el parámetro A

es igual a 87( √𝑠 𝑚� ) para las coníferas y césped y de 200 ( √𝑠 𝑚� ) para los

arboles de hojas caduca. El diámetro típico de las hojas D es considerado entre un mínimo de 0,02 m para las coníferas y un máximo de 0,5m para las plantas tropicales (Schilling, 1990). Si ∆𝑞 ≥ 0 se considera dc=1, si no se considera dc=0.

El rango de humedad fw es calculado según Deardorff (1978) como

𝑓𝑤 = �𝑊𝑑𝑒𝑤 𝑊𝑑𝑒𝑤,𝑚𝑎𝑥⁄ �2/3

Donde Wdew es la cantidad actual de rocío en la superficie de las hojas y Wdew, max es la cantidad máxima posible asumida igual a 0,2 kg/m2. La cantidad de rocío contenida en la columna correspondiente a la planta viene recalculada para cada intervalo, si la cantidad excede al valor máximo esta cantidad viene transportada a la siguiente celda o añadida al balance de agua del suelo.

La resistencia estomática rs necesaria para calcular la evapotranspiración de la planta. El software ENVI-met permite dos métodos para su determinación: el primero se basa en el enfoque de Deardorff (1978)

𝑟𝑠 = 𝑟𝑠,𝑚𝑖𝑛 �𝑅𝑠𝑤,𝑚𝑎𝑥

0,03𝑅𝑠𝑤,𝑚𝑎𝑥 + 𝑅𝑠𝑤+ 𝑓𝑔𝑟𝑜𝑤 + �

𝜂𝑤𝑖𝑙𝑡𝜂

�2�

Sin embargo este tipo de enfoque ha demostrado muchas limitaciones y la no correspondencia del modelo al comportamiento real, con lo que se ha introducido un nuevo sistema para el cálculo de la resistencia estomática desarrollado por Jacobs (1994) definido A-gs basado en las relaciones observadas entre el ratio fotosintético An y la conductividad estomática gs de las plantas.



La hipótesis en la que se basa la teoría incluye la concentración de CO2 dentro de las hojas Ci y en la superficie Cs según la relación:

𝑔𝑠 = 1,6𝐴𝑛

𝐶𝑠 − 𝐶𝑖

Donde la resistencia estomática se define como el inverso de la conductancia

𝑟𝑠 =1𝑔𝑠

Depende del tipo de planta y está dentro de un rango de 200 para el césped

hasta 400 √𝑠 𝑚� para las hojas de los arboles caducos2.

Los términos aplicados al cálculo de la temperatura y de la humedad se obtienen entonces a partir del valor LAD a la cota (z) y de los flujos calculados según las relaciones:

𝑄ℎ(𝑧) = 𝐿𝐴𝐷(𝑧)𝐽𝑓,ℎ

𝑄𝑞(𝑧) = 𝐿𝐴𝐷(𝑧)�𝐽𝑓,𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜 + 𝐽𝑓,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠�

Dentro del modelo del suelo, la cantidad de agua perdida debida a la transpiración a través de las raíces puede calcularse como

𝑚𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 𝜌� 𝐿𝐴𝐷(𝑧)𝐽𝑓,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠

𝑧𝑝

0(𝑧)𝑑𝑧

Siendo zp la altura de la planta. La cantidad de agua evaporada por el suelo en la capas bajorasantes –z es igual a

2 Modelar la resistencia estomática es uno de los parámetros más importantes para simular los flujos de la capa de vegetación a la atmosfera. Para dar una correcta representación de la realidad, el modelo debería ser capaz de modificarse en relación a las condiciones ambientales, incluyendo efectos en el corto plazo (radiación solar) y a largo plazo (concentración de CO2). El modelo presentado por Deardoff (1978) se basa en la búsqueda de un valor representativo de la transpiración de las hojas, teniendo en cuenta que las hojas más joven traspiran más de las hojas más antiguas. El valor depende de la cantidad de radiación máxima de onda corta absorbida por las hojas Rsw,max, el factor f que es un factor estacional y del contenido de agua del suelo en el punto de marchitez a saturación wwilt y en las raíces ws. J. W., D. (1978) Efficient Prediction of Ground Surface Temperature and Moisture,With Inclusion of a Layer of Vegetation. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 83. Como se puede ver el modelo calcula la respuesta media de la copa del árbol considerándola como una “grande hoja” expuesta a una condición microclimática uniforme, con un modelo no realístico, sobre todo por la heterogeneidad de las condiciones climáticas que se encuentran el espacio urbano. Por esa razón el software ENVI-met en las nuevas versiones, ha remplazado el modelo por el A-gs que permite una simulación más acertada de la actividad fisiológica de la planta. Bruse, M. 2004. ENVI-met implementation of the Jacobs A − gs Model to calculate the stomata conductance (Working paper).



𝑆𝜂(−𝑧) =𝑚𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠

𝜌𝑤�𝑅𝐴𝐷(−𝑧)𝐷𝜂(−𝑧)� × �� 𝑅𝐴𝐷(−𝑧)𝐷𝜂(−𝑧)𝑑𝑧

0

−𝑧𝑟�−1

Donde se indica con el factor RAD (root area density) la densidad de las raíces a la profundidad zr.

S u e los y m uros A nivel de los suelos y de las caras de los edificios el flujo del momento, el calor y el vapor se calculan empleando la ley de Monin y Obhukov

𝐽𝑚0 = 𝑢 ∗2

𝐽ℎ0 = 𝑢 ∗ 𝜃 ∗

𝐽𝑞0 = 𝑢 ∗ 𝑞 ∗

La velocidad de fricción o velocidad del momento u*, el calor θ* y el vapor q* están calculados con respecto la estratificación térmica. La temperatura T0 a nivel del suelo se calcula a través del balance energético:

𝑅𝑠𝑤,𝑛𝑒𝑡 + 𝑅𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡 = 𝑐𝑝𝜌𝐽ℎ0 + 𝜌𝐿𝐽𝑞0 + 𝐺

Siendo la cantidad de radiación de onda larga y onda corta absorbida, calculada teniendo en cuenta la temperatura superficial del suelo y de los muros. Para la onda corta se consideran también el ángulo β de la inclinación de los rayos y el valor del albedo as según la ecuación:

𝑅𝑠𝑤,𝑛𝑒𝑡 = (𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑟(0)𝑐𝑜𝑠𝛽 + 𝑅𝑠𝑤,𝑑𝑖𝑓(0))(1 − 𝑎𝑠)

Para la determinación de la cantidad de radiación de onda larga se debe tener en cuenta la influencia de la vegetación, el flujo de onda larga procedente de las paredes de los edificios y la radiación reflejada, por eso que el concepto de radiación de onda larga es diferente de la formulación del balance energético. En el cálculo se debe introducir el factor de cielo σsvf calculado a la cota del suelo z=0

𝑅𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡(𝑇0) = 𝜎𝑠𝑣𝑓𝑅𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡𝑢𝑠 (𝑇0) + �1 − 𝜎𝑠𝑣𝑓�𝑅𝑙𝑤,𝑛𝑒𝑡

𝑠

En el cálculo del balance energético de las paredes, el efecto de la sombra producida por la vegetación no viene considerada, y la radiación solar, al ser los muros verticales, se considera procedente por el 50% del cielo y el remanente 50% de la reflexión del suelo. La cantidad de flujo de onda larga ambiental se supone procedente por los 2/3 de la radiación de los otros muros y por el 1/3 del suelo reflejado por los muros.

Para calcular el flujo latente, la humedad de los suelos q0, ha sido calculada paralelamente a la superficie. Usa el enfoque β dado por Deardorff (1978) la humedad superficial a la cota z=-1 es igual a:

𝑞0 = 𝛽𝑞 ∗ (𝑇0) + (1 − 𝛽)𝑞(𝑧 = 1)



𝛽 = min (1,𝜂(𝑧 = −1)

𝜂𝑓𝑐)

Donde con η se indica la capacidad de campo.

As p ec t os num ér i cos Todas las ecuaciones están aproximadas usando el método de las diferencias finitas. Para resolver las ecuaciones combinadas de advección y difusión se aplica el método Alternating Directions Implicit (ADI) combinado con el esquema de la advección ascendente. En las ecuaciones de Navier-Stoke la presión dinámica se calcula separadamente usando la ecuación de Poisson:

∇2𝑝′ =𝜌∆𝑡∇𝑢𝑎𝑢𝑥

Usando el método del Simultaneous Over Relaxation (SOR) con 𝑢𝑎𝑢𝑥 flujo auxiliar calculado sin corrección de la presión y Dt representa el intervalo de cálculo por defecto igual a 10 s.

Para obtener una estabilidad numérica en el intercambio turbulento, se usan intervalos de tiempo más cortos para el sistema E-v. El uso del esquema de advección ascendente proporciona una filtración implícita de la onda numérica de alta frecuencia dentro del sistema de turbulencia no deseado. (Bruse M. 1999, Bruse M. 2004, Samaali M. 2006)

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Titulo| El microclima urbano en los espacios abiertos. Estudio de