Eco-envolventes: Análisis del uso de fachadas ventiladas en clima cálido-húmedo

Sara Luciani-Mejia*; Rodrigo Velasco-Gomez**; Roland Hudson***

*. Arquitecta, Universidad Piloto de Colombia. Bogotá (Colombia) Maestría en Gestión Urbana, Universidad Piloto de Colombia. Bogotá (Colombia) Docente investigador, Universidad Piloto de Colombia. Publicaciones recientes: (2015), Simulaciones ambientales para la selección de materiales en diseño de alojamientos temporales en climas tropicales. Revista de Arquitectura, 16, 96-104. https://orcid.org/0000-0003-3243-6370. sara-luciani@unipiloto.edu.co. Universidad Piloto de Colombia. Bogotá (Colombia) Facultad de Arquitectura y Artes, Programa de Arquitectura Grupo de investigación HD+ i., Universidad Piloto de Colombia, Universidad Piloto de Colombia, Facultad de Arquitectura y Artes, Programa de Arquitectura Grupo de investigación HD+ i.,

<city>Bogotá</city>
, Colombia , **. Arquitecto, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, CO. M.Eng in Computational Design, Ostwestfalen-Lippe University of Applied Sciences, Detmold, Alemania. Universidad Piloto de Colombia, CO. University of Nottingham, UK 2000-2005. Publicaciones recientes. (2015) Notes on the design process of a responsive sun-shading system: A case study of designer and user explorations supported by computational tools. Aiedam. 29 (04), 483 - 502. DOI: https://doi.org/10.1017/S0890060415000463P. https://orcid.org/0000-0002-4108-3805. rodrigo-velasco@unipiloto.edu.co. Universidad Piloto de Colombia. Bogotá (Colombia) Facultad de Arquitectura y Artes, Programa de Arquitectura Grupo de investigación HD+ i. , Universidad Piloto de Colombia, Universidad Piloto de Colombia, Facultad de Arquitectura y Artes, Programa de Arquitectura Grupo de investigación HD+ i.,
<city>Bogotá</city>
, Colombia ,
***. BSc General Architecture Studies, University of Bath. MSc Software Engineering, University of Liverpool. Master of Architecture, University of Bath. PhD, University of Bath. Profesor de catedra, Universidad de Los Andes. Publicaciones recientes: (2017), Rodriguez, C., Niblock, C., Hudson R. 2017 Collaborative Learning in Architectural Education: Benefits of Combining Conventional Studio, Virtual Design Studio (VDS) and Live Projects. British Journal of Educational Technology. https://orcid.org/0000-0001-5605-0187. roland-hudson@unipiloto.edu.co. Universidad Piloto de Colombia. Bogotá (Colombia) Facultad de Arquitectura y Artes, Programa de Arquitectura Grupo de investigación HD+i. , Universidad Piloto de Colombia, Universidad Piloto de Colombia, Facultad de Arquitectura y Artes, Programa de Arquitectura Grupo de investigación HD+i.,
<city>Bogotá</city>
, Colombia



Resumen

Con el objetivo de aportar en la reducción de impactos en la construcción de edificaciones fueron diseñados varios sistemas de fachadas ventiladas y convencionales, involucrando fachadas opacas, elementos vegetales y cámaras de aire. Tales sistemas fueron evaluados con simulaciones ambientales y mediciones en prototipo en las diversas etapas de la investigación, permitiendo así la comparación de resultados y la identificación de comportamiento en términos de confort térmico. Los resultados de las simulaciones frente a mediciones vislumbraron dos cuestiones; las discrepancias y similitudes entre los datos de entrada y salida en los dos tipos de proceso mencionados; así como la utilidad de las fachadas ventiladas opacas en clima tropical húmedo como Girardot; lo que sugirió una última etapa de evaluación de estrategias de diseño pasivo en la búsqueda del confort térmico y la sostenibilidad en el proyecto arquitectónico.

Received: 2017 November 2; Revision Received: 2018 April 3; Accepted: 2018 May 17

rarq. 2018 Dec ; 20(2)
doi: 10.14718/RevArq.2018.20.2.1726

Keywords: Palabras clave: arquitectura bioclimática, clima, datos climáticos, diseño arquitectónico, modelo de simulación, temperatura.
Keywords: Keywords: Bioclimatic architecture, climate, climatic data, architectural design, simulation model, temperature.
Keywords: Palavras-chave: arquitetura bioclimática, clima, dados climáticos, desenho arquitetônico, modelo de simulação, temperatura.

Introducción

La investigación denominada Eco-envolventes, desarrollada por la Universidad Piloto de Colombia, en las sedes de Bogotá y Girardot, tuvo como fin aportar información para contribuir a la reducción impactos en la construcción de edificaciones y mejorar el confort térmico; lo que llevó a considerar diversas estrategias para la proyección de construcciones sostenibles tales como las fachadas ventiladas.

Estas son definidas por Barbosa y Ip (2014, p. 1021) como una fachada tradicional con una cámara de aire y una piel externa adicional, usualmente en vidrio, con circulación de aire controlada entre capas. Ante esto Ciampi, Leccese y Tuoni, (2003, p. 491); Afonso y Oliveira, (2000, p. 79); Balocco (2002, p. 469) y Marinosci, Strachan, Semprini y Morini (2011, p. 287), demuestran que una fachada ventilada diseñada de forma adecuada puede ayudar a reducir las cargas de calor producidas por la radicación solar.

Asimismo, Theodosioua, Tsikaloudakia y Bikasa (2017, p. 397); Ghaffarianhoseini, Ghaffarianhoseini, Berardi, Tookey, Hin Wa Li y Kariminia (2016, p. 1053); Høseggen, Wachenfeldt y Hanssen (2008, p. 821) y Poirazis (2004, p. 61), mencionan que las fachadas ventiladas presentan ventajas sobre las fachadas simples en varios aspectos como, eficiencia térmica en la medida en que funciona como aislamiento térmico reduciendo la demanda de sistemas activos (HVAC); reducción de niveles de ruido al interior de las edificaciones por transmisión entre los espacios y desde el exterior, permitiendo la ventilación natural en sitios donde normalmente no es posible por los altos niveles de ruido; además de protección frente a la radiación solar, polución y condiciones adversas del clima; reducción de los efectos de presión del viento; resistencia al fuego y eficiencia estructural.

Por otra parte, Haase, Silva y Amato (2009, p.361); Høseggen, et al (2008, p. 821) y Poirazis (2004, p. 66), señalan como desventajas la reducción del espacio útil de la construcción, el costo considerablemente alto con respecto a las fachadas tradicionales (en promedio un 60 a 80 %), los costos adicionales de operación y mantenimiento, el incremento en el peso de la estructura que repercute en el incremento de costos, y el riesgo de sobrecalentamiento al interior del espacio en clima cálido, a causa de un diseño inapropiado.

Ante las desventajas del uso de fachadas ventiladas transparentes en clima cálido, Peci López, Jensen, Heiselberg y Ruiz de Adana (2012, p. 265) proponen como alternativa el uso de fachadas ventiladas opacas en la cuales las dos superficies son opacas, condición que permite la absorción de la radiación solar por la superficie externa reduciendo el riesgo de sobrecalentamiento; además de considerar un menor costo debido a la posibilidad de ser construidas en materiales convencionales y la reducción de aproximadamente el 58% de cargas térmicas con respecto a las fachadas tradicionales según estudios realizados por Fantucci, Marinosci, Serra y Carbonaro (2017, p. 619).

No obstante, en cuanto al estudio de fachadas ventiladas opacas Marinosci, Semprini y Morini (2014, p. 280); Marinosci, Strachan, Semprini y Morini (2011, p. 854); Aparicio, Vivancos, Ferrer y Royo (2014, p. 564), mencionan que este tipo de fachadas ha recibido menos atención que otras configuraciones con vidrio y Giancola, Sanjuan, Blanco y Heras (2012, p. 363) sugieren que existen todavía menos estudios sobre el desempeño energético de las mismas; asimismo Barbosa y Ip (2014, p. 1020) afirman que es requerida mayor investigación para la comprensión de los procesos relacionados con las fachadas ventiladas y las implicaciones de su uso en diversas condiciones climáticas; razón por la cual esta investigación se centra en el uso de fachadas ventiladas opacas en clima tropical húmedo con el diseño de algunos sistemas de fachadas ventiladas opacas presentadas en Rubiano (2015, p. 113) donde tales sistemas han sido evaluados con simulaciones ambientales y calibradas a través de un prototipo en las diversas etapas de la investigación, permitiendo así la comparación de datos y la identificación de comportamiento en términos de confort térmico.

Así, la primera etapa de la investigación partió de una caracterización y diagnóstico ambiental del área de estudio (Girardot, CO); seguida de la identificación del estado del arte en términos funcionales y de diseño para envolventes arquitectónicas de bajo impacto ambiental; teniendo en consideración tecnologías y estructuras para envolventes. Esto, permitió el desarrollo de unos primeros modelos de envolventes doble capa con especies vegetales bajo una exploración de diseño paramétrico con herramientas digitales como Grasshopper y simulaciones de confort como Ecotect® y Design Builder® publicado en Velasco y Robles (2011, p. 542). El uso de especies vegetales es considerado debido a que según Stec, Paassen y Maziarz (2005, p. 419) las plantas tienen la capacidad de disipar la radiación solar y la transferencia de calor es más baja que la transferencia producida por las persianas, además de tener beneficios adicionales como mejorar el aislamiento térmico y la reducción del ruido por la absorción y reflexión del sonido.

La segunda etapa, evolucionó hacia la verificación in situ de la compatibilidad de especies vegetales autóctonas publicado en Bolaños y Moscoso (2011, p.16), sistemas y modalidades de mediciones térmicas, el desarrollo de la estructura de soporte y componentes del sistema; además de verificar la influencia de los diferentes factores como flujo de aire, masa, coeficiente de transmisión térmica y presencia de agua en el confort térmico, y así definir estrategias en favor de la reducción del impacto ambiental de los componentes del sistema en el ciclo de vida.

La tercera etapa adelantó la construcción del prototipo en Girardot para la medición de temperaturas con un sistema de fachada que comprende muros, puertas y ventanas en PVC, Rubiano (2015, p. 113) y Varini (2013), registrando comportamientos en superficies internas. Los resultados de las mediciones realizadas entre octubre y diciembre de 2012, fueron comparados con las simulaciones ambientales, realizadas en el software Design Builder®, a fin de evaluar las discrepancias entre simulaciones y experimentación, ya que como menciona Jentsch, Bahaj y James (2008, p. 2148) los archivos de datos climáticos para simulación podrían no considerar los impactos potenciales del cambio climático, ni los riesgos de sobrecalentamiento local. Por tanto, una etapa posterior a la aquí presentada, prevé el desarrollo de una herramienta de visualización de datos climáticos que facilite la comprensión de las particularidades del clima tropical húmedo, a fin de ayudar en la toma de decisiones y en el diseño de edificaciones que aumenten el confort térmico.

El desempeño térmico resultado de la etapa anterior sugirió la necesidad de una estrategia para la disminución de temperaturas al interior de la edificación, razón por la cual se diseñaron tres tipos de fachada, la primera ventilada opaca, la segunda con el uso de parasoles, y la tercera utilizando estrategias de masa térmica. Sobre estos diseños se realizaron simulaciones ambientales, asumiendo condiciones base el prototipo construido, permitiendo así reconocer el desempeño de las fachadas ventiladas en comparación con otras estrategias en clima cálido húmedo, particularmente para bajas latitudes y humedad media como Girardot.

De esta manera, este artículo tiene como fin presentar los resultados de la última etapa de la investigación, considerando la comparación entre simulaciones ambientales frente a las mediciones en sitio; y el desempeño de tres sistemas de fachada opacas para la disminución de temperatura al interior de la edificación en clima tropical húmedo.

Metodología

El trabajo aquí presentado contempló tres fases de desarrollo, la primera implicó la realización de simulaciones digitales de sistemas de fachada para definir la viabilidad de materiales y estrategias generales para confort en Girardot, la segunda involucró la construcción de un edificio en sitio para realizar mediciones del comportamiento real de la estructura a fin de calibrar modelos digitales de simulación, y finalmente la tercera fase implicó la realización de simulaciones finales para tres tipos diversos de fachada con el ánimo de generar información aplicable en el contexto de la construcción local.

Simulaciones y estudios previos

De acuerdo con lo expuesto en Velasco y Robles (2011, p. 541), un análisis previo para climas como el de Girardot demuestra que el uso de estrategias pasivas puede llegar a subir los porcentajes de confort percibido desde un 5% a un 65% en promedio anual. En ese sentido, además de la ventilación natural, es de suma importancia evitar las ganancias de calor utilizando elementos de control solar, y en las zonas con temperaturas nocturnas menores, es útil el uso de masa térmica en fachadas, así como ventilación nocturna.

Teniendo en cuenta lo anterior y con el ánimo de evaluar diversos tipos de fachadas ventiladas para este clima, se realizaron 66 simulaciones digitales organizadas dentro de 5 grupos generales, a saber: Modelos con muro sencillo multicapa sin cámara de aire, muro sencillo multicapa con cámara de aire, muro doble con protección solar en los costados de mayor exposición oriente-occidente y zenit, con cámara de aire, muro sencillo multicapa ventilada y muro doble con protección solar en los costados de mayor exposición oriente-occidente y zenit con ventilación (Figura 1).


[Figure ID: f1] Figura 1.

Esquema de las configuraciones de modelos de simulaciones según grupos.


  —Fuente: Elaboración propia, 2017.

Para las simulaciones se modeló un edificio de 3x3x3 m, cubierto exclusivamente en las caras superior, oriental y occidental mediante las configuraciones descritas a en la Tabla 1.

Tabla 1.

Configuraciones de los modelos de simulación con muro sencillo multicapa sin cámara de aire.


TFN1Fuente: Elaboración propia, 2013.


Tabla 2.

Configuraciones de los modelos de simulación con muro sencillo multicapa con cámara de aire


TFN2Fuente: Elaboración propia, 2013.


Tabla 3.

Configuraciones de los modelos de simulación con muro doble con protección solar en los costados de mayor exposición oriente-occidente y zenit, con cámara de aire.


TFN3Fuente: elaboración propia, 2013.


Tabla 4.

Configuraciones de los modelos de simulación con muro sencillo multicapa ventilada.


TFN4Fuente: Elaboración del autor, 2013.


Tabla 5.

Configuraciones de los modelos de simulación con muro doble con protección solar en los costados de mayor exposición oriente-occidente y zenit, con ventilación.


TFN5Fuente: elaboración propia, 2013.


Medición de prototipo en sitio para calibración de simulaciones

Para las mediciones en sitio se construyó una edificación de 3.10 X 3.10 X 3.10 m, ubicada en Girardot, Cundinamarca, con latitud 4°18'4.19"N y longitud 74°48'40.32"O, en la sede de la Universidad Piloto de Colombia, Seccional Magdalena. La construcción está situada a nivel de segundo piso y girada aproximadamente 30º con relación a la malla vial de la ciudad a fin que las fachadas laterales estén dispuestas en sentido oriente y occidente, expuestas a la radiación solar directa, lo que permite probar el desempeño de los materiales en condiciones extremas.

El prototipo está conformado por superficies en PVC de 2mm con una cámara de aire de 6 cm entre las superficies, con una ventana dispuesta en la fachada norte y una puerta en la fachada sur, y cubierta inclinada en drywall, no ventilada; además de unos parales metálicos sobre las fachadas oriente y occidente para la instalación de los diversos diseños de revestimiento.

Es allí donde se sitúan los cuatro termopares para la medición de las superficies interiores y exteriores para identificar las diferencias de temperatura entre las mismas, además de un termopar en el centro del espacio para calcular la temperatura interior del aire. Tales condiciones del prototipo son recreadas en el modelo para las simulaciones ambientales. (Ver figura 2)


[Figure ID: f2] Figura 2.

Modelo básico y ubicación de termopares en el prototipo.


  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Para esta etapa del proyecto las mediciones y simulaciones se realizaron en el período entre octubre y diciembre de 2012, con recolección de datos a través de un data logger (registrador de datos) y un anemómetro, identificando el comportamiento de las 24 horas de un día, una vez por semana, a fin de poder contrastar los datos.

Parámetros de diseño de tres casos propuestos

Finalmente, con un modelo digital calibrado y la experiencia de las mediciones y simulaciones realizadas, se propuso el diseño de tres sistemas de fachada diferenciados, para ser analizados mediante simulaciones ambientales. Estos sistemas fueron Modelo 1: Fachada doble capa (no ventilada) con masa térmica externa, Modelo 2: Fachada en PVC sin masa térmica (ventilada), y Modelo 3: Fachada doble capa (no ventilada) con masa térmica interna (Ver figura 3)


[Figure ID: f3] Figura 3.

Modelos con los dos diseños de revestimiento sobre modelo básico de PVC.


  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Para ello, se establecen tres fechas de análisis contemplando las condiciones extremas a las cuales deberían responder los dos diseños, por lo cual, las simulaciones se realizan el día de mayor temperatura identificado como el 5 de agosto; el día con la temperatura más baja, el 16 de noviembre y; el día de temperatura promedio registrado como el 28 de julio; tales simulaciones son elaboradas con intervalos horarios con el fin de establecer la incidencia de los elementos diseñado en términos de temperaturas en el transcurso de un día. Los archivos de datos climáticos son extraídos de la base de datos de Meteonorm (Meteonorm, 2018).

En relación con la configuración del modelo de análisis, se establece como herramienta el software Design Builder® en funcionamiento con EnergyPlus®, un software de código abierto desarrollado por el Departamento de Energía de Estados Unidos (U.S Departament of Energy / DOE) (U.S. Department of Energy, 2018). EnergyPlus es un motor de cálculo para simulaciones térmicas en edificaciones que permite modelar sistemas de ventilación natural usando un mecanismo de flujo de aire aproximado según Mateus, Pinto y Carrilho da Graça (2014, p. 515).

Según Blanco, Buruaga, Rojí, Cuadrado y Pelaz (2016, p. 327), Andelkovic, Mujan y Dakic (2016, p. 30) y Andarini (2014, p. 218), Design Builder® considera de manera precisa la incidencia de la radiación solar sobre los materiales, tanto como la radiación solar difusa y directa; además permite de forma precisa, detallada y relativamente rápida, modelar geometrías en tres dimensiones de edificaciones para la evaluación de desempeño energético, confort térmico, ganancias o pérdidas de temperatura, producción de CO2 de sistemas activos, y análisis de fluido dinámica computacional, razón por la cual se escoge como herramienta de simulación en la investigación.

Teniendo en cuenta que, como menciona Mateus et al (2014, p. 515), las decisiones tomadas en el modelado de las zonas térmicas puede tener impactos en los resultados, se diseñó el modelo como un edificio que contiene tres bloques, el primero de edificio que recoge los datos del modelo completo, el segundo denominado “casa” que resume los datos de la zona interior del prototipo, que permite verificar la temperatura del espacio revestido por los diseños a analizar y; el tercero denominado “sistema” que recoge los datos de análisis de la zona intermedia entre los diseños de fachada ventilada propuesta y el interior de la construcción.

La elaboración de las tres zonas establecidas permite recoger los resultados de temperatura asumiendo como parámetro de análisis la temperatura operativa que se presenta como promedio entre la temperatura del aire interior y la temperatura radiante; además de la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa; asimismo, registrar resultados de superficie interior y exterior en relación con la temperatura de bulbo seco.

La descripción de las tres zonas coincide con el prototipo realizado, y es presentada en términos del edificio con actividad definida como desocupado, con muros externos en PVC de 2mm con cámara de aire de 6cm no ventilada y de nuevo recubrimiento de PVC de 2mm, cubierta de drywall 12cm no ventilada y suelo de concreto de 12cm; ventanas con marco en madera de roble pintado en la fachada norte y una puerta en madera y vidrio en la fachada sur; para la zona denominada casa las mismas condiciones; mientras que para la zona denominada sistema se considera la actividad para una zona estándar desocupada, con muros externos de PVC, en el que el muro oriental adyacente a la fachada ventilada diseñada, el suelo, las dos superficies laterales y la superficie superior se encuentra perforada por un vano. La cavidad de la fachada ventilada corresponde a 10 cm en concordancia con lo establecido por Poirazis (2004, p. 25) y Barbosa y Ip (2014, p. 1020), en el que el espesor de la cavidad varía de acuerdo con el diseño de la fachada y los requerimientos de mantenimiento y limpieza que requiera. En relación con la definición de los tres sistemas de fachada opaca diseñadas en el modelo, se dispuso el sistema como bloques de componente. (Ver tabla 6).

Tabla 6.

Especificaciones de configuraciones de materiales para fachadas de los modelos de simulación.


TFN6Fuente: elaboración propia, 2017.


Resultados

Simulaciones y estudios previos

Los resultados de las 66 simulaciones realizadas demuestran que el Grupo 3 (Modelos 28-45), modelos con cámara de aire, tienen el mejor comportamiento general, conservando temperaturas internas cercanas a las mínimas del día tal como se describe en Varini (2011, p. 5 y 2013, p. 27). (Gráfica 1)


[Figure ID: f4] Gráfica 1.

Resultados de simulaciones realizadas comparando temperaturas máximas y mínimas exteriores e interiores.


  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Medición de prototipo en sitio para calibración de simulaciones

Como resultado de las simulaciones para reconocer el desempeño del material PVC frente a materiales convencionales como la mampostería, es registrado que el PVC permite reducir hasta 3ºC de temperatura, el 21 de julio que es un día de temperatura extrema, frente a la mampostería que reduce 2,2 ºC centígrados de temperatura interior; es decir el modelo compuesto por PVC presentó mejor desempeño.

Respecto a las simulaciones del modelo en PVC frente a las mediciones del prototipo construido en Girardot, aunque estas develan tendencias similares en el comportamiento del material en el registro horario, como es presentado en el análisis del 25 de octubre (Gráfica 2); existen diferencias de temperatura al interior del espacio hasta de 6 ºC en casos como el 8 y 30 de noviembre y 8 de diciembre.


[Figure ID: f5] Gráfica 2.

Resultados de simulaciones y mediciones en el prototipo el 25 de octubre de 2012


  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Así, la confrontación de mediciones y simulaciones presentadas permitió identificar que aunque la construcción con PVC disminuye temperaturas al interior y permite una diferencia de temperatura entre la superficie interior y exterior que componen la edificación, el desempeño total no alcanza aún los valores de confort al interior del espacio; por tanto es necesario hacer estudios sobre el diseño de revestimiento de fachada que complemente este sistema o contribuya a mejorar el desempeño térmico.

Simulaciones finales para los tres casos propuestos

Dado lo anterior se realizaron simulaciones ambientales sobre el modelo en PVC presentado, para verificar el comportamiento de los dos diseños de revestimientos mencionados en las tres fechas seleccionadas (28 de julio, 5 de agosto y 16 de noviembre) diferenciando la temperatura exterior de bulbo seco y la temperatura operativa y la divergencia entre los dos datos para dilucidar cuantos grados centígrados puede reducir o aumentar el sistema de fachada.

Modelo 1

En el análisis del diseño 1 en concreto se encontró que en la zona de edificio se registra una pérdida de calor hasta de 2,8ºC entre 1:00 y 2:00am el 28 de julio y 16 de noviembre y, de 1,2ºC el 5 de agosto y, ganancia de calor hasta de 11,9ºC entre 2:00 y 3:00pm consideradas las horas de mayor temperatura. En relación con la zona denominada casa, la pérdida de calor se reduce casi a la mitad el 16 de noviembre hasta 1,5 ºC a la 1:00am, el 28 de julio se reduce a 0,9ºC y en agosto no hay reducción solo ganancia de calor hasta de 5,4ºC entre 3:00 y 4:00pm consideradas las horas de mayor temperatura. (Gráfica 3)


[Figure ID: f6] Gráfica 3.
Datos de simulación del modelo 1 en concreto, zona denominada casa.

  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Modelo 2

En el modelo 2 con el material de concreto se encontró que, en la zona de edificio se registra una pérdida de calor hasta de 2,8ºC entre 1:00 y 2:00am el 28 de julio y 16 de noviembre y, de 1,2ºC el 5 de agosto y, ganancia de calor hasta de 11,9ºC entre 2:00 y 3:00pm consideradas las horas de mayor temperatura. En relación con la zona denominada casa, la pérdida de calor se reduce casi a la mitad el 16 de noviembre hasta 1,4ºC a la 1:00am, el 28 de julio se reduce a 0,9ºC y en agosto no hay reducción solo ganancia de calor hasta de 5,4ºC entre 3:00 y 4:00pm. (Gráfica 4)


[Figure ID: f7] Gráfica 4.
Datos de simulación modelo 2 en concreto zona denominada casa.

  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Modelo 3

Con el análisis de las simulaciones es posible deducir que la incidencia de los dos sistemas anteriores sobre la temperatura interior de la zona denominada casa es muy baja, lo que puede atribuirse al espesor de los sistemas de fachada; por otra parte, aunque con una ligera diferencia se deriva mejor desempeño en el modelo 2 demostrando iguales pérdidas de calor pero menor ganancia de temperatura; no obstante, la temperatura interior sigue siendo muy alta por lo que se hace necesario implementar además algunas estrategias pasivas mencionadas en Velasco, Hudson y Luciani (2017, p. 999) como protección solar, masa térmica, ventilación nocturna, puestas a prueba con simulaciones sobre el modelo base en PVC.

Las nuevas estrategias comprenden para la cubierta, una capa de aislamiento de 5cm en poliestireno expandido sobre la configuración inicial, además de un elemento de sombreado a 50cm de la cubierta, creando una cámara de aire y protegiendo de la radiación solar directa; con relación a la envolvente, se añadieron persianas como control solar reduciendo la absorción de calor por radiación directa, donde las persianas están dispuestas a 20 cm de la superficie externa del volumen configurando una superficie ventilada; asimismo se implementó la operación de aperturas para la ventilación natural nocturna sobre las ventanas, dispuestas en la parte superior de las superficies, a fin de permitir la ventilación cruzada; y se aumentó la masa térmica ampliando el espesor del muro a 50cm en concreto. (Gráfica 5)


[Figure ID: f8] Gráfica 5.
Datos de simulación modelo 3 con estrategias en la zona denominada casa.

  —Fuente: elaboración propia, 2017.

La simulación del modelo con las estrategias de protección solar, aumento de masa térmica y ventilación nocturna, presenta una reducción de la temperatura interior de 8.6ºC frente al modelo base sin fachada ventilada y de 3.5ºC con respecto a la temperatura exterior, evidenciando mayor efectividad que los modelos anteriores en la que la reducción de temperatura frente al modelo base es de aproximadamente 3.0ºC y presenta disminución de temperaturas con respecto a la temperatura de bulbo seco. (Gráfica 6)


[Figure ID: f9] Gráfica 6.
Datos de simulación de los modelos analizados.

  —Fuente: elaboración propia, 2017.

Discusión

Con respecto a las diferencias encontradas entre las mediciones en sitio y las simulaciones, autores como Marinosci, Semprini y Morini (2014, p. 280) consideran que en general hay un dificultad por predecir el comportamiento de este tipo de sistemas, debido a la fuerte influencia de algunos parámetros como las cambiantes condiciones externas, tales como radiación solar y velocidad del viento; la configuración de patrones de flujos de aire y el comportamiento de la radiación de las superficies externas e internas.

Así mismo, Kim y Park (2011, p. 3636) sugieren que gran parte de las discrepancias entre simulaciones y mediciones pueden ser influenciadas por tres situaciones; la primera es la incertidumbre sobre los parámetros de entrada para las simulaciones y la mediciones; la segunda es las suposiciones o simplificaciones de la realidad durante el proceso de modelado; y por último las limitaciones de la herramienta, que en el caso de Design Builder® en funcionamiento con EnergyPlus®, las dificultades podrían presentarse en las opciones de simplificación del modelo, en las decisiones sobre el modelado de la totalidad del edificio o en la incertidumbre sobre los datos de entrada de los flujos de viento alrededor del edificio, esta última también mencionada por Kim y Park (2011, p. 3644) y Vernay, Raphael y Smith (2014, p. 412).

Otro aspecto a considerar sobre las diferencias entre simulaciones y mediciones es la fiabilidad de los archivos de datos climáticos con el que se realizan las simulaciones, según Pyrgou, Castaldo, Pisello, Cotana y Santamouris (2017, p. 224), los archivos comúnmente usados no consideran el impacto del fenómeno de microclima en contexto urbano ni lo eventos aleatorios de clima extremo, que pueden alterar significativamente el comportamiento térmico y energético de las edificaciones; acarreando consecuencias no solo en las decisiones de los diseñadores e investigadores procurando predecir el desempeño térmico y energético, sino también para las industrias y proyectos que buscan pronosticar la eficiencia de fuentes renovables de energía por medio de herramientas de simulación.

En el caso de Girardot, el archivo de datos climáticos extraído de la base de datos de Meteronorm, está basado en información recogida por la estación meteorológica de Santiago, ubicada en el aeropuerto de Flandes a una distancia de 6.14 km del sitio de construcción del prototipo que se encuentra en el área urbana, lo que explicaría por qué es más alta la temperatura en las mediciones en sitio que en las simulaciones; no obstante las diferencias, hay que reconocer que las tendencias son similares y es posible comprender las dinámicas de funcionamiento de la edificación aun cuando los resultados numéricos no son idénticos.

Por otra parte, sobre los resultados de los diseños de fachadas ventiladas con respecto al modelo base en PVC la discusión se centra en la relación costo desempeño, considerando que, aunque el sistema de fachada ventilada puede disminuir la temperatura interior en la edificación, la construcción de la misma aumentaría el valor de la inversión en construcción de la edificación; lo que cuestiona si, puede tal disminución de temperatura ser suficiente para no usar sistemas mecánicos de ventilación, y de ser así, si es razonable el costo económico. En caso de no reducir suficiente la temperatura al interior aumentaría el costo no solo de construcción sino además de consumo energético y disminución del área útil de la edificación incrementando las desventajas de este sistema.

Así mismo en cuanto al ahorro de consumo energético, Gratia y De Herde (2004, p. 1150) afirman que, este puede ser reducido por el hecho que la doble fachada puede disminuir el paso de luz al interior del espacio, lo que conlleva a mantener encendido el sistema de iluminación por periodos prolongados incrementando el costo total de consumo.

Por último, la simulación del modelo con las estrategias demuestra que hay mayor efectividad en aumentar la inercia térmica, y en ventilación nocturna; Gratia y De Herde (2007, p. 447) señalan que la ventilación natural nocturna reduce en general las cargas de refrigeración, y resalta la importancia de la relación entre inercia térmica y la disminución de la temperatura durante la noche; sumado a esto, Gagliano, Patania, Nocera y Signorello (2014, p. 369) afirman que el cierre de ventilación en horas día es más efectivo pero es contrario a las preferencias de los habitantes sobre la apertura de las ventanas en el día.

El desarrollo de las simulaciones y mediciones de desempeño de las fachadas ventiladas en clima cálido húmedo, permitió identificar que como afirman Gaillard, Giroux-Julien, Ménézo y Pabiou (2014, p. 241), es indispensable monitorear los sistemas en prototipos a escala real como una herramienta para verificar y mejorar el comportamiento de los diseños de fachadas; así como el desarrollo de simulaciones térmicas como un medio de evaluar el desempeño energético; por lo que autores como Andarini (2014, p. 225) recomienda el uso de las simulaciones durante la fase inicial de diseño, debido a que en esta etapa hay más oportunidades de mejorar y realizar un diseño más cercano a la realidad. Esta herramienta permite también, modelar diversos escenarios en función de obtener no solo óptimos diseños sino de optimizar la operación y desempeño del mismo previendo la respuesta de la edificación ante condiciones adversas.

Asimismo, este estudio permitió comprender la importancia de la creación de nuevos archivos climáticos, que como mencionan Pyrgou et al (2017, p. 236) estos deben construirse a través de la recolección de estaciones climatológicas locales instaladas en áreas urbanas a fin que considere fenómenos como los microclimas, o el efecto isla de calor, y las particularidades del clima en contexto urbano reduciendo así el margen de error en las predicciones de comportamientos térmicos y energéticos, reforzando las decisiones de diseño en la búsqueda de resultados cercanos a la realidad.

En el contexto colombiano es necesaria la creación de archivos climáticos actualizados con las mediciones de los últimos años considerando las variaciones del clima propias del contexto urbano, pero en especial la creación de archivos de acceso abierto debido a que en la actualidad el único archivo de datos climáticos disponible abiertamente es el de la ciudad Bogotá, lo que dificulta la precisión de las simulaciones teniendo en cuenta la diversidad geográfica del país y la particularidad de los climas locales.

Conclusiones

En términos generales, y de acuerdo con los resultados de las mediciones y simulaciones realizadas, es posible generar las siguientes conclusiones:

  • Las fachadas de muro sencillo (sin cámara de aire) presentan desventajas en su desempeño comparadas con las que tienen cámara de aire, como se evidencia en las simulaciones iniciales, siendo mayores las diferencias de temperaturas máximas y mínimas de los modelos contenidos en el grupo 1.
  • Las fachadas dobles y ventiladas requieren protección solar adicional en las superficies que reciben mayor radiación solar, en este caso oriental, occidental y cubierta; de otra manera su desempeño es bajo, como demuestra la diferencia entre los grupos 3 y 5 frente a los demás.
  • El porcentaje de apertura exterior de las fachadas ventiladas debe ser controlado evitando superar el 5% del área total para impedir ganancias térmicas en horas de mayor temperatura externa, como lo demuestran las variaciones en grupos 4 y 5
  • El grado de ventilación de la cavidad de aire no representa diferencias fundamentales en el desempeño de la misma, sin embargo, la ventilación restringida a horario nocturno presenta ventajas, como se evidencia en los resultados del grupo 5.
  • La inercia térmica es un factor principal en el funcionamiento de las fachadas dobles como se demuestra en los resultados iniciales de todos los grupos, y su posicionamiento al interior de la configuración hace una diferencia importante, como se demuestra comparando los resultados finales de los modelos 1, 2 y 3.

De esa manera, se evidenció que, si bien el uso de fachadas ventiladas puede resultar una estrategia viable para llegar a condiciones de confort en climas cálidos húmedos, esto sucede solamente cuando los diseños específicos integran el uso de estrategias pasivas, principalmente inercia térmica, protección solar y ventilación nocturna. Se encontró, sin embargo, que el uso de estas estrategias puede ser igualmente eficiente por sí solo, requiriendo una menor inversión. Al mismo tiempo, las fachadas ventiladas pueden ser más complejas de controlar y modelar por las constantes variables del clima, tal como lo menciona Gagliano et al (2014, p. 362) sobre la ventilación natural. Por lo que, como sugiere Gratia y De Herde (2007, p. 447) es necesario el estudio de diversas configuraciones de fachadas ventiladas a fin de entender la complejidad y el comportamiento de los flujos de vientos que estos involucran en cada caso específico, ya que estas configuraciones ofrecen ventajas adicionales, notablemente en términos de aislamiento acústico.


Como citar:.

fn1 Luciani-Mejía, S., Velasco-Gómez, R., & Hudson, R. (2018). Ecoenvolventes: análisis del uso de fachadas ventiladas en clima cálido-húmedo. Revista de Arquitectura (Bogotá), 20(2), 62-77. Doi: http://dx.doi.org/10.14718/RevArq.2018.20.2.1726

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