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PRINCIPIOS DE DISEO BIOCLIMTICO: CLIMA

DESCRIPCIN

El clima se define como conjunto de las condiciones atmosfricas que caracterizan a una regin o zona geogrfica. El conocimiento de las condiciones climticas de una zona es muy importante ya que stas, que dependen de la localizacin en la superficie terrestre, condicionan el comportamiento de las edificaciones y las condiciones de confort en su interior.

PROPIEDADES Y CARACTERISTICAS

ELEMENTOS DEL CLIMA

El clima depende de la combinacin de diferentes elementos, factores y condicionantes, que estn en continuo cambio, afectando la variacin de cada uno de ellos al resto. Los cuatro parmetros climticos crticos para la determinacin de estrategias de acondicionamiento en la edificacin son: radiacin, temperatura, viento y humedad. Estos parmetros junto con los factores propios del medio son determinantes para realizar un asentamiento adaptado al medio.

La evaluacin de las caractersticas climticas del lugar es el primer paso para la realizacin de un diseo urbano o edificatorio bioclimtico:

a) Soleamiento y radiacin solar.

La radiacin solar es un factor de gran importancia para el consumo energtico de los edificios. El soleamiento produce un aumento de la temperatura de las superficies sobre las que incide. La radiacin que incide sobre cualquier superficie del edificio es parcialmente reflejada de nuevo hacia el exterior, parcialmente absorbida y transformada en energa trmica y parcialmente transmitida hacia el interior por huecos y ventanas. La energa absorbida y transmitida contribuye al balance energtico del edificio.

La radiacin solar incidente sobre muros y huecos acristalados de los edificios depende de los siguientes factores:

Energa total incidente: puede obtenerse de una serie de datos de otros estudios de la zona o puede ser medida directamente.

Datos geomtricos: orientacin e inclinacin. Presencia de obstculos entre el Sol y la superficie de estudio. La

accesibilidad solar de una zona est condicionada, en el entorno urbano, por: caractersticas topogrficas, vegetacin y edificios circundantes.

Para el clculo de las horas exactas de sombreamiento de la radiacin solar directa sobre los edificios se usan los diagramas solares que consisten en ilustraciones en dos dimensiones del movimiento solar en el cielo, representado por una lnea.

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Existen dos diagramas de uso comn: diagrama cilndrico y el estereogrfico. Ambos muestras los valores de altitud solar (ngulo de elevacin respecto a la horizontal) y azimut solares (ngulo positivo o negativo de desviacin respecto al Sur), cada uno proyectado de forma diferente.

b) Datos trmicos: temperatura y humedad

La temperatura es un factor fundamental en el diseo bioclimtico, ya que la diferencia de temperaturas entre la edificacin y su entorno origina las transferencias de calor y las consiguientes demandas energticas para climatizacin influyendo sobre el confort. La humedad de saturacin es funcin directa de la temperatura, de forma que a mayor temperatura de una masa de aire, esta humedad de saturacin es mayor.

Para establecer la aproximacin de las temperaturas y humedades exteriores a condiciones de confort para el ser humano se analizarn los datos trmicos, por ejemplo, a travs de la utilizacin de alguno de los climogramas bioclimticos existentes (Olgyay, Givoni). En funcin de la combinacin entre temperaturas y humedades, se establecern las estrategias prioritarias a ser desarrolladas (calefaccin, refrigeracin, ventilacin, etc) adecuadas, tanto para invierno como verano, para el diseo de viviendas y edificios.

c) Viento

El factor primario productor del viento es la existencia de masas de aire a diferente temperatura y presin por efecto de la radiacin solar. Las dos variables principales que lo definen son direccin y velocidad.

El viento es un factor muy importante a tener en cuenta en el diseo de edificaciones. Por un lado, la velocidad y sentido del viento influyen en las variaciones de temperatura (modificacin del gradiente trmico), y por otro, el viento modifica el porcentaje de humedad ambiental a travs de su movimiento y de los procesos evaporativos.

El rgimen de vientos determina diferentes estrategias en el diseo y construccin de edificios, con lo que es necesario el anlisis de vientos dominantes para valorar los obstculos, el tipo de superficie por la que discurren y las modificaciones que pueden producirse en el entorno urbano en funcin de la densidad edificatoria.

FACTORES DEL CLIMA

Las condiciones que determinan el clima general de una regin estn asociadas, adems de a las variables climticas, a una serie de factores propios del medio:

Latitud, determina la incidencia de los rayos solares sobre la tierra en un punto. La incidencia de los rayos solares determina tambin la temperatura de la zona.

o Latitudes bajas: los rayos solares inciden de una forma muy uniforme y muy perpendicular en cualquier poca del ao.

o Latitudes medias: tiene claramente diferenciadas las pocas de verano, con das ms largos y altas temperaturas provocadas por la inclinacin de los rayos solares.

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o Latitudes altas: en invierno hay das y meses en que no amanece y en verano das en los que no llega a anochecer, lo que no representa gran cantidad de radiacin solar ya que los rayos solares inciden con un ngulo muy bajo.

Altitud: la variacin de altitud produce variaciones en las temperaturas, generalmente disminuye 1C por cada 180 metros. Los puntos elevados presentan mayor exposicin al viento y existen diferencias en la radiacin incidente; al ser menor la capa de aire atmosfrico, aumenta el porcentaje de radiacin directa. Esto da lugar al clima de montaa, que es un clima fro independientemente de la zona de la Tierra en la que se encuentre.

Presencia de barreras montaosas: alteran la circulacin de los vientos pudiendo provocar incluso microclimas distintos segn la orientacin y situacin en unas u otras laderas de la montaa.

Distribucin de tierra y agua (factor de continentalidad): la radiacin solar al incidir sobre las masas de tierra o de mar las calienta acumulndose en ellas. Sin embargo, no lo hace de la misma forma. En la tierra calienta intensamente las capas superficiales pero no ms all de unos 20 m de profundidad. En el agua la radiacin solar calienta las capas ms superficiales, y al ser un fluido, se produce un movimiento en su masa equilibrndose constantemente su temperatura.

El resultado climtico es que las localidades situadas en zonas continentales tienen climas ms extremos, ms calientes durante el da y el verano, y ms fros durante la noche y el invierno, mientras que las localidades situadas cerca del mar o grandes masas de agua tienen un clima ms suave y humedades ms elevadas que las del interior.

Naturaleza de la superficie de la Tierra: su color, composicin y estructura influye en su calentamiento. En superficies de tierra expuesta o edificadas, el calentamiento y enfriamiento ser intenso, la absorcin de agua de lluvia ser lenta y las escorrentas superficiales alterarn su constitucin. En zonas cubiertas con vegetacin, debido a su capacidad para mantener estable su temperatura, las variaciones de temperatura da y noche sern mucho menores, se producir una absorcin correcta del agua de lluvia para su acumulacin en acuferos y masas de agua, habiendo as un equilibrio hdrico permanente.

Variables meteorolgicas: estn muy condicionadas por los factores geofsicos locales del entorno. La precipitacin incide en la forma y extensin de las cubiertas, su grado de inclinacin y materiales. Adicionalmente puede proveer suministro de agua no potable para su reutilizacin, especialmente para riego y limpieza. La nubosidad afecta a la radiacin que incide sobre las viviendas y a los sistemas solares de produccin de energa.

ESCALAS DEL CLIMA

Se establecen tres niveles en el estudio y definicin del clima:

1) Macroclima: producido como resultado de los gradientes continentales y los cambios lentos en temperaturas y humedades debido a stos. Los factores que lo determinan son: latitud, altitud y grado de continentalidad.

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2) Mesoclima: se producen modificaciones debido a las caractersticas regionales que influyen las oscilaciones trmicas.

3) Microclima: variaciones climticas generadas por las caractersticas del entorno cercano. Las condiciones ambientales, a parte del clima general de la zona o regin, pueden variar en funcin de diversos factores creando zonas con comportamientos totalmente diferentes incluso a escasos kilmetros.

Los principales factores que inducen estas diferencias son la altitud, las masas de agua y vegetacin, la topografa y la actividad humana. Por ejemplo, las ciudades presentan microclimas especiales debido, por un lado, a su influencia sobre el viento y, por otro, al fenmeno conocido como isla de calor, que aumenta la temperatura en la ciudad entre 1 y 2 C debido a factores como el consumo energtico, reduccin del viento y la presencia de materiales de alta densidad (asfaltos y hormigones).

Existen diferentes y variados sistemas de clasificacin climtica basadas en criterios diferentes (Ej. Flohn, Budyko, Thornthwaite, Kppen). Sin embargo, para el anlisis energtico de la edificacin, se suele emplear una clasificacin ms sencilla, propuesta por varios autores, que establece cuatro grandes grupos climticos: climas fros, climas templados, climas clidos secos y climas clidos hmedos (Granados, 2006) (Tabla 1).

CLIMAS FROS CLIMAS TEMPLADOS CLIMAS CLIDOS SECOS

CLIMAS CLIDOS HMEDOS

Parmetros climticos

Latitudes altas con menor radiacin

aprovechable.

Latitudes medias, con ndices de radiacin aprovechables altos durante el invierno. Rgimen de lluvias

variable (clima mediterrneo escasas;

clima continental frecuentes)

Radiacin alta. Regiones ridas con fuertes oscilaciones trmicas entre el da

y la noche.

Regiones tropicales y costeras. Dbiles

oscilaciones trmicas entre el da y la noche.

Alta humedad ambiental. Variaciones de

temperaturas a lo largo del ao escasas.

Invierno

Fros y largos con nevadas abundantes.

Temperaturas menores a 0C

durante periodos largos

Moderadamente fros. Temperaturas menores

a 0C de forma espordica. Nevadas

puntuales

Suaves con temperaturas de 12 a

22C. Ausencia de precipitaciones o muy

reducidas.

Primavera - Otoo

Lluvias frecuentes

Periodos de confort. Lluvias frecuentes

Verano Temperaturas confortables

Altas temperaturas. Puede ser clido y

hmedo o clido y seco segn su

continentalidad y proximidad a masas de

agua

Extremadamente calurosos, con

humedades muy bajas y vientos refrescantes

muy escasos

Extremadamente calurosos con humedades muy altas.

Tabla 1. Tipos de climas para el anlisis energtico de la edificacin (Fuente: Elaboracin propia a partir de Granados, 2006)

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DISEO, CONSTRUCCIN Y/O APLICACIN

La edificacin y el clima estn estrechamente interrelacionados: el clima condiciona la seleccin del emplazamiento, forma del edificio, tipo de arquitectura, sistemas constructivos y tratamiento de espacios exteriores y superficies, mientras que los edificios pueden crear condiciones de microclima. As que uno de los aspectos previos a considerar en cualquier diseo arquitectnico debe ser el clima del lugar donde se va a situar el edificio.

Las construcciones tradicionales de cada zona suelen presentar las caractersticas ptimas de adaptacin al clima, si bien actualmente deben tenerse en cuenta tambin los avances tecnolgicos que supongan una mejora en dichas caractersticas en relacin a los actuales requerimientos de habitabilidad. En la mayora de los casos no es posible elegir una localizacin ptima para los edificios, con lo cual es necesario conocer las ventajas y desventajas de los factores climticos en la localizacin del edificio.

Las caractersticas de los grandes grupos climticos expuestos anteriormente, han configurado unas formas arquitectnicas autctonas propias de cada situacin geogrfica:

1. Climas de latitudes bajas: Arquitectura de los climas clidos y secos

Estos climas son extremadamente secos, con escasa vegetacin y gran aridez. La irradiancia es muy elevada ya que la radiacin solar incide de modo muy perpendicular durante la mayor parte del ao, y por lo tanto, las temperaturas que se alcanzan son muy elevadas. Existen grandes contrastes de temperatura entre el da y la noche, lo que impide la disipacin de calor por conveccin durante el da y provoca un gran enfriamiento durante la noche. Las prdidas de calor por evaporacin son muy altas debido a las humedades muy bajas del ambiente de estas zonas.

La arquitectura tradicional en estas zonas se basa en cuatro estrategias bsicas: proteccin de la radiacin solar para evitar el calentamiento de los edificios; incorporacin de alta inercia trmica, enfriamiento evaporativo y enfriamiento radiante. Algunas de las tcnicas y soluciones arquitectnicas ms empleadas en estos climas son:

Arquitectura masiva con mucha inercia. Se minimiza la superficie de la envolvente del edificio para reducir las transferencias de calor con el exterior. Tambin se busca una alta inercia para atenuar los posibles picos de temperatura en las horas centrales del da, con materiales como piedra o adobe.

Construccin enterrada o semienterrada aprovechando la inercia del terreno (mayor inercia y menor dependencia cclica del clima).

Edificacin compacta protegida de los vientos diurnos con acabados claros para reflejar la luz y la radiacin solar.

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Huecos pequeos para evitar que penetre la radiacin y el viento. Las puertas y ventanas deben abrirse por la noche para refrescar la propia masa del edificio.

Patios hmedos interiores, propios de la arquitectura rabe, para acumular el aire fresco nocturno. Fuentes y vegetacin para provocar enfriamiento evaporativo.

2. Climas de latitudes bajas: Arquitectura de los climas clidos y hmedos

Radiacin solar, temperaturas y humedad muy elevadas, aumentando la sensacin trmica de calor, con escasas oscilaciones de temperaturas entre el da y la noche. Las prdidas del edificio son prcticamente nulas a lo largo de todo el da. No existe la posibilidad de aprovechar el enfriamiento evaporativo debido a la elevada humedad relativa.

En estos climas se debe propiciar la construccin de edificios que mejoren los intercambios entre el edificio y el entorno, por ello la arquitectura tradicional se basa en dos estrategias: la proteccin de la radiacin solar para evitar el sobrecalentamiento interior, y la ventilacin para evitar la sobrehumectacin interior. Algunas de las tcnicas y soluciones arquitectnicas ms empleadas en estos climas son:

Arquitectura ligera, sin inercia. La inercia trmica no es esencial, ya que la temperatura ambiente se mantiene casi constante durante todo el da.

Edificios elevados del terreno, protegidos de la radiacin solar, con una disposicin que evita la humectacin adicional, con grandes huecos y con cerramientos muy permeables.

3. Climas de latitudes medias: Arquitectura de los climas templados

La altura solar mxima resulta muy variables a lo largo del ao, bastante elevada en verano y pequea en invierno, dando lugar a dos estaciones trmicas muy diferenciadas: verano (clido a muy caluroso) e invierno (fresco a muy fro). El rgimen de lluvias es tambin variable. Debido a estas variaciones climticas entre distintas pocas del ao, hay que considerar caractersticas arquitectnicas variables a lo largo del ao.

La arquitectura tradicional en estas zonas se basa en cinco estrategias bsicas: flexibilidad ante la radiacin solar (captacin/proteccin); flexibilidad en el diseo de los cerramientos (masa trmica/aislamiento trmico, para estabilizar las temperaturas en verano y proteger las prdidas de calor en invierno); enfriamiento evaporativo; enfriamiento radiante; y ventilacin. Existen una gran variedad de tcnicas arquitectnicas para este clima debido a la gran variabilidad climtica a lo largo del ao y entre distintos puntos geogrficos:

Edificacin compacta, semienterrada, con buen aislamiento trmico que se adapta a las exigencias climticas estacionales mediante dispositivos mviles (contraventanas, toldos, persianas, etc.), y fijos (voladizos, espacios tampn, etc.)

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Precisa ventilacin y radiacin, pero en ciertas pocas se protegen de ella. 4. Climas de latitudes altas: Arquitectura de los climas fros

La radiacin solar recibida es muy escasa, con lo cual las estrategias de captacin solar son intiles, y las temperaturas que se alcanzan en estas zonas son muy bajas durante todo el ao, incluso durante verano. La humedad, en general alta, provoca un incremento de la sensacin de fro. Debido a estas bajas temperaturas, las prdidas por conveccin en estos climas son elevadas, por lo que debe reducirse al mximo el intercambio entre los ambientes interiores y exteriores.

La arquitectura tradicional en estos climas se basa en tres estrategias bsicas: aislamiento trmico y conservacin de la energa, empleo de materiales de acabado interior de calentamiento lento y ventilacin para eliminar el exceso de humedad. Algunas de las tcnicas y soluciones arquitectnicas ms empleadas en estos climas son:

Edificios semienterrados y con formas compactas que estn bien aislados trmicamente.

Aberturas amplias protegidas del viento y las infiltraciones, con persianas aisladas o dobles vidrios, para permitir el aprovechamiento de la radiacin solar.

5. Climas de montaa: Arquitectura de los climas fros

Las temperaturas son bajas pero la radiacin solar es elevada, por lo que en estos climas es posible emplear estrategias de captacin solar combinadas con el aislamiento trmico adecuado.

La arquitectura de estas zonas se basa en tres estrategias bsicas como son: aislamiento trmico y conservacin de la energa, inercia trmica y captacin solar. Al igual que en climas ridos, la minimizacin del factor de forma es clave para evitar prdidas, con la particularidad que en este caso los tejados deben tener una cierta inclinacin, suficiente para evacuar las cargas provocadas por la nieve. Las ganancias solares deben ser aprovechadas de forma correcta, en fachadas con suficiente acceso al Sol, minimizando en lo posible las aberturas en fachadas sin suficiente soleamiento.

EJEMPLOS DE APLICACIN

En Neila (2004) se pueden encontrar diversos ejemplos de construcciones y viviendas tradicionales, con descripciones constructivas y las estrategias bioclimticas empleadas, segn los distintos tipos de clima.

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REFERENCIAS TCNICAS

Granados, H. (2006) Principios y estrategias del diseo bioclimtico en la arquitectura y el urbanismo. Eficiencia energtica. Consejo Superior de los Colegios de Arquitectos de Espaa. 157 pp.

Neila, F.J. y C. Bedoya (2001) Tcnicas arquitectnicas y constructivas de acondicionamiento ambiental. Editorial Munilla-Lera, Madrid. 429 pp.

Neila, F.J. (2004) Arquitectura bioclimtica en un entorno sostenible. Editorial Munilla-Lera, Madrid. 443 pp.

Turgano, J.A., M.C. Velasco y A. Martnez (editores) (2009) Arquitectura bioclimticas y urbanismo sostenibles. Servicio de Publicaciones, Universidad de Zaragoza. 357 pp.

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