Universidad de los Andes Facultad de Arquitectura y Diseño Departamento de Arquitectura Maestría en Arquitectura

ANALISIS DEL DESEMPEÑO TÉRMICO DE LA CUBIERTA EN REGIONES DE CLIMA CÁLIDO DEL TRÓPICO

Evaluación de los efectos por variaciones de la orientación, los materiales y la forma de la cubierta en la temperatura generada por la radiación solar en el interior de espacios con ventilación natural, construidos con entramado de madera, en regiones de clima cálido del trópico

Enrique Ramírez Botero Tesis presentada para la Maestría en Arquitectura Asesores: Arquitecto Mauricio Pinilla, profesor del departamento de Arquitectura Ingeniero Mecánico Orlando Porras, profesor del departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, 2012

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TABLA DE CONTENIDO

INDICE DE ILUSTRACIONES ................................................................................ 3

INDICE DE TABLAS ................................................................................................ 4

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 6

1. ORIGEN ............................................................................................................ 10

2. DEFINICIÓN DEL OBJETO DE ESTUDIO ........................................................ 11

3. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN .................................................................... 18

4. JUSTIFICACIONES .......................................................................................... 19

4.1 Motivaciones personales e institucionales ................................................... 19

4.2 ¿Por qué el trópico cálido? .......................................................................... 20

4.3 ¿Por qué una vivienda unifamiliar? .............................................................. 25

4.4 ¿Por qué una casa de madera? .................................................................. 27

4.5 ¿Por qué el confort térmico? ........................................................................ 31

4.6 ¿Por qué la cubierta?................................................................................... 33

4.7 ¿Por qué la simulación digital? .................................................................... 34

5. OBJETIVOS ...................................................................................................... 36

5.1 Objetivo general ........................................................................................... 36

5.2 Objetivos específicos ............................................................................... 36

6. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN ............................................................. 38

7. DEFINICION DE LOS PARÁMETROS DE SIMULACIÓN ................................. 40

7.1 La forma del modelo .................................................................................... 40

7.2 Las variaciones al modelo ........................................................................... 48

7.2.1 Orientación ............................................................................................ 49

7.2.2 Materiales .............................................................................................. 49

7.2.3 Forma .................................................................................................... 50

7.3 Los costos .................................................................................................... 54

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7.4 El clima ........................................................................................................ 55

7.5 Definición del rango de confort térmico........................................................ 57

8. MÉTODO DE SIMULACIÓN ............................................................................. 59

9. RESULTADOS ................................................................................................... 63

9.1 Las variaciones en la orientación ................................................................. 63

9.2 Las variaciones en los materiales ................................................................ 65

9.3 Las variaciones en la forma ......................................................................... 66

9.3.1 Los corredores ...................................................................................... 67

9.3.2 Los cielos rasos..................................................................................... 67

9.3.3 La pendiente ......................................................................................... 69

9.4 Mejor y peor versión .................................................................................... 72

9.5 El desarrollo progresivo ............................................................................... 74

9.6 Índice de desempeño................................................................................... 75

10. CONCLUSIONES ............................................................................................ 77

10.1 Orientación ................................................................................................ 77

10.2 Materiales .................................................................................................. 77

10.3 Forma ........................................................................................................ 78

10.4 Temas de investigación que surgen de este trabajo .................................. 78

Bibliografía ............................................................................................................ 81

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INDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Casa comunal o maloca indígena del Amazonas .............................. 6

Ilustración 2 Casa de hombres. Isla Malekula, Melanesia. .................................... 7

Ilustración 3 Interacción de fuerzas que modelan la vivienda. ............................ 11

Ilustración 4 Definición del objeto de estudio ...................................................... 12

Ilustración 5 Elementos del entorno que afectan el confort. ................................ 13

Ilustración 6 Interacción de las fuerzas que moldean la vivienda ........................ 14

Ilustración 7 Casa Marika Alderton, Glenn Murcutt ............................................. 17

Ilustración 8 Temperatura media anual................................................................ 22

Ilustración 9 Humedad relativa media anual ....................................................... 23

Ilustración 10 Concentración de la radiación solar ................................................ 24

Ilustración 11 Mapa mundial de las selvas húmedas tropicales y manglares ....... 25

Ilustración 12 Arquitectura popular de madera tradicional de Cartagena ............. 29

Ilustración 13 El „Segal Method‟ ........................................................................... 30

Ilustración 14 Sauna en Finlandia. Diseño Jaakko Keppo ................................... 31

Ilustración 15. Concentración de centros académicos .......................................... 36

Ilustración 16 La cabaña „primitiva‟ ..................................................................... 40

Ilustración 17. Cabaña del Caribe que inspiró a Semper ...................................... 41

Ilustración 18 Viviendas tradicionales del Caribe ................................................. 41

Ilustración 19 Viviendas típicas del Caribe. .......................................................... 42

Ilustración 20 El corredor exterior cubierto ........................................................... 43

Ilustración 21 Viviendas en San Marcos, Sucre y Barú, Bolívar ........................... 43

Ilustración 22 Caserío en el departamento del Magdalena. ................................. 44

Ilustración 23 Casa Marika Alderton, Glenn Murcutt. ........................................... 45

Ilustración 24 Oficinas y Establos diseñados por Gion Caminada ....................... 45

Ilustración 25 Planos del modelo base ................................................................. 47

Ilustración 26 Posible crecimiento y agrupación del modelo base ....................... 48

Ilustración 27 Variaciones en la orientación ......................................................... 49

Ilustración 28 Variaciones en la forma del modelo base....................................... 51

Ilustración 29 Variaciones en la forma del modelo base....................................... 52

Ilustración 30 Combinación de variables para el análisis. ................................... 53

Ilustración 31 Estándar de confort adaptatble ...................................................... 58

Ilustración 32 Las diferentes formas de la cubierta que se evaluaron. ................. 60

Ilustración 33 La Casa Mariposa, Samuel Mockbee. ........................................... 79

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INDICE DE TABLAS Tabla 1 Distribución de ganancias térmicas por radiación solar ........................ 33

Tabla 2 Datos generales del modelo base.......................................................... 48

Tabla 3 Propiedades de los materiales. .............................................................. 50

Tabla 4 Diferencias en el área de superficie de cubierta ................................... 52

Tabla 5 Desglose costos..................................................................................... 54

Tabla 6 Análisis de costos de las variaciones ..................................................... 55

Tabla 7 Temperatura media mensual - Barranquilla ........................................... 56

Tabla 8 Temperaturas durante el mes de mayo en Barranquilla. ........................ 57

Tabla 9 Temperaturas 27 – 29 de mayo ............................................................. 57

Tabla 10 Comparación métodos de cálculo del confort térmico. .......................... 58

Tabla 11 Comparación orientaciones - general .................................................... 63

Tabla 12 Comparación detalle orientaciones (CRR) ............................................. 64

Tabla 13 Comparación orientaciones CRR vs. CRR+CR ..................................... 64

Tabla 14 Comparación desempeño térmico de materiales ................................... 65

Tabla 15 Comparación del desempeño de los diferentes materiales ................... 66

Tabla 16 Incidencia de los corredores .................................................................. 67

Tabla 17 Efecto del cielo raso ............................................................................... 68

Tabla 18 Evaluación del efecto del ático .............................................................. 68

Tabla 19 Efecto aumento de la pendiente al 50% ................................................ 69

Tabla 20 Análisis de la versión con pendiente del 100% ...................................... 70

Tabla 21 Análisis versión 4AG .............................................................................. 71

Tabla 22 Resumen formas.................................................................................... 71

Tabla 23 Relación entre área de superficie de techo y volumen interno .............. 72

Tabla 25 Comparación extremos desempeño térmico. ........................................ 73

Tabla 26 Horas sobre confort térmico ................................................................... 74

Tabla 27 Desarrollo progresivo ............................................................................. 75

Tabla 24 Índice de desempeño ............................................................................. 76

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- ¿A cómo estamos hoy?

- 27 de octubre.

Escribió con una compostura aplicada, puesta la

mano con la pluma en la hoja de papel secante,

recta la columna vertebral para favorecer la

respiración, como le enseñaron en la escuela. El

calor se hizo insoportable en la sala cerrada.

Una gota de sudor cayó en la carta. El coronel la

recogió en el papel secante. Después trató de

raspar las palabras disueltas, pero hizo un

borrón. No se desesperó. Escribió una llamada y

anotó al margen: “derechos adquiridos”, Luego

leyó todo el párrafo.

“El coronel no tiene quien le escriba”, Gabriel García Márquez

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INTRODUCCIÓN

Una manera de entender la forma de la vivienda es como el resultado de la acción de fuerzas que la moldean. Estas fuerzas pueden definirse como determinantes, que varían entre contextos geográficos, culturas y momentos históricos. Se puede decir entonces que un espacio construido puede ser considerado como habitable si atiende de manera efectiva las variables que se definan como relevantes por un grupo social. A partir de esta lógica, las viviendas para las que se haya tenido en cuenta, en el proceso proyectual, un espectro de determinantes más completo y logren equilibrar las fuerzas que éstas generan, serán más adecuadas. En la medida en que la adaptabilidad y la tecnología han permitido a los humanos habitar un amplio rango de contextos geográficos, la temperatura del aire ha sido una variable importante que han tenido en cuenta quienes construyen espacios habitables. Esto ha generado respuestas arquitectónicas diversas que han demostrado, de manera empírica, que existe una relación entre el diseño de las construcciones y su desempeño térmico (Olgyay, 1968). Lo anterior ha significado también, como lo explica Olgyay, que en regiones apartadas del mundo, con climas similares, se han desarrollado soluciones constructivas convergentes (ilustraciones 1 y 2).

Ilustración 1. En la casa comunal o maloca indígena del Amazonas la cubierta es el elemento que constituye

el hogar conformando un gran volumen ventilado. Las aperturas de la parte superior funcionan como chimenea para la salida del aire caliente, y su orientación (oriente - occidente) hace que funcionen también como un reloj y calendario solar. Esta construcción, en apariencia sencilla, sintetiza tanto aspectos funcionales muy precisos, como asociaciones simbólicas de sus habitantes. La maloca es una pieza de un sistema de ocupación del territorio que permitió habitar el delicado y complejo ecosistema amazónico (von Hildebrand, 1983).

El desarrollo de técnicas de acondicionamiento térmico mecánicas ha permitido, con mucha frecuencia, hacer caso omiso de condiciones climáticas exigentes, generando la idea de que la arquitectura se libera de la determinante del clima. Sin embargo esta es una visión superficial que no tiene en cuenta los costos energéticos que implica acondicionar espacios que han sido diseñados sin tener en cuenta variables térmicas. Aun cuando se cuente con la posibilidad, o se

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determine la necesidad, de acondicionar mecánicamente los espacios habitables por las condiciones climáticas, es deseable obtener el mejor desempeño posible antes de instalar los equipos con el fin de reducir los esfuerzos energéticos para modificar su temperatura.

Ilustración 2. Casa de hombres. Isla Malekula, Melanesia. La solución de la cubierta es similar en su forma y método de ventilación a la de la maloca amazónica. (Guidoni, 1978)

Hay diversas estrategias que permiten la reducción de la temperatura de espacios con ventilación natural en clima cálido sin utilizar equipos mecánicos. Para algunos investigadores, cualquier tratamiento de un edificio que reduzca la carga de enfriamiento puede ser considerado como un método pasivo. Baruch Givoni establece una distinción interesante al señalar que los métodos pasivos de enfriamiento vendrían después de que se ha logrado un diseño óptimo para el contexto climático, el cual tendría en cuenta la reducción de las ganancias térmicas al interior de los espacios (Givoni, 2009). Esta perspectiva asume que la respuesta térmica adecuada de los edificios a las condiciones del clima no debería ser algo especial sino parte del ejercicio normal del oficio de proyectar. La precisión que propone Givoni es útil al establecer una fase inicial de optimización del diseño, desde el punto de vista del desempeño térmico, y otra asociada a elementos o accesorios adicionales que pueden mejorar este desempeño y que se justifican en la medida en que reducen el consumo de energía no renovable asociada al uso de equipos mecánicos de acondicionamiento. Una de las maneras como se manifiesta la desigualdad socio-económica en países como Colombia es en el déficit, cuantitativo y cualitativo, de vivienda. Es frecuente que las políticas públicas que se presentan con objetivos sociales incluyan planes de reducción de este déficit. Una de las soluciones más frecuentes que se proponen para solucionar este problema es mediante la construcción de

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vivienda de interés social. En este tipo de proyectos es común que se le dé un peso preponderante al componente económico desde el punto de vista de la oferta, es decir, del costo de producción (Torres, 2011). Lo anterior puede significar que no se contemple una perspectiva integral del problema de la vivienda que exige, como se mencionó, encontrar el equilibrio en un complejo juego de variables. Por otra parte, las limitaciones económicas conducen también, normalmente, a la reducción de la participación de los usuarios en el proceso de toma de decisiones (Sepúlveda Mellado, Mazzei Acuña, Sepúlveda Swatson, & Kramp Denegri, 1998). En este contexto, y sin una normativa que lo exija, la responsabilidad de tener en cuenta las determinantes de habitabilidad adecuadas recae en los gestores de los proyectos y sus diseñadores. De acuerdo con el arquitecto Jorge Ramírez, experto en bioclimática, en Colombia no existe ningún proyecto de vivienda de interés social que tenga en cuenta parámetros de confort térmico en su concepción (Ramírez, 2011). Por otra parte, la preocupación creciente por el consumo de energía no renovable requerido para acondicionar térmicamente los espacios ha llevado a que en algunas regiones del mundo se implementen normativas para que las construcciones tengan parámetros de diseño térmico que optimicen las condiciones de confort al tiempo que se reduzca el consumo de energía no renovable asociada al uso de equipos mecánicos de acondicionamiento térmico. Un ejemplo de este tipo de iniciativas es la directiva 2002/91/EC del Parlamento Europeo sobre el desempeño energético de los edificios (Parlamento Europeo, 2010). En Colombia es común ver aparatos de aire acondicionado en muchas viviendas de las regiones de clima cálido para mejorar sus condiciones térmicas, mientras que una parte significativa de la población que habita en ese contexto climático no cuenta con los recursos para comprar ese tipo de accesorios. Lo anterior resalta la importancia de trabajos como la “Propuesta de Reglamento Técnico de Eficiencia Energética para Viviendas de Interés Social” (Departamento de Artes, Universidad Nacional; PNUD, 2011) cuyo objetivo es un cambio en la perspectiva de la “aplicación de especificaciones mínimas para el diseño y la construcción” a la “obtención conjunta de condiciones de confort y de nivel de consumo energético” con el fin de garantizar las “condiciones de habitabilidad relacionadas con el confort, en contribución a la provisión de una vivienda digna”. Lo anterior indica que hay un campo de investigación en torno a la definición de cuáles son las condiciones de confort que se consideran aceptables para una vivienda en el trópico cálido, y las estrategias arquitectónicas que permitan lograr este objetivo dentro de parámetros de economía energética y financiera razonables. La presente tesis tiene por objetivo estudiar los efectos que tienen algunas variaciones en la orientación, los materiales y la forma de la cubierta en la temperatura interior de espacios habitables unifamiliares con ventilación natural, construidos con el sistema de entramado ligero de madera en la región del trópico con clima cálido. Retomando los planteamientos de Givoni, los elementos que se analizan hacen parte de soluciones constructivas convencionales asociadas al uso

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del sistema de entramado ligero con las que deberían buscarse soluciones óptimas antes de acudir a métodos o accesorios especiales de acondicionamiento pasivo. Se inicia el trabajo explicando el origen de esta investigación. A continuación se identifica el objeto de estudio y se plantea la pregunta de investigación para luego desarrollar la justificación de premisas y la definición de objetivos. Posteriormente se explican tanto el método de investigación como los parámetros establecidos para el análisis. Finalmente se presentan los resultados obtenidos. Para transmitir la experiencia de la temperatura en el clima que se estudia se han tomado extractos de textos literarios que evocan, para la imaginación, descripciones más vívidas que las puede expresar una gráfica. Por otra parte, los textos usados como referencia ilustran la manera en que se pueden articular las narrativas locales con experiencias universales.

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1. ORIGEN

La tesis que se desarrolla en este documento se origina en el trabajo con los grupos de investigación de Arquitectura Sostenible y Conversión de Energía de los departamentos de arquitectura e ingeniería mecánica respectivamente, de la Universidad de los Andes, en torno al estudio de los posibles beneficios ambientales del uso de sistemas de construcción con madera proveniente de cultivos sostenibles en el contexto colombiano. Una de las conclusiones del trabajo realizado hasta ahora, es que es pertinente evaluar el desempeño térmico de este tipo de construcciones en el contexto climático nacional, para prever las implicaciones en términos de habitabilidad que tendría la implementación de este tipo de técnicas constructivas a escala industrial. Las condiciones geográficas y climáticas del país parecen ser adecuadas para considerar una participación del uso de sistemas constructivos de madera en la industria de la construcción, como sucede en otras regiones del mundo. Esta hipótesis está asociada a la búsqueda de métodos constructivos que permitan contar con alternativas técnicas para atender un déficit significativo en el cubrimiento de necesidades básicas de vivienda (DANE, 2012), al tiempo que se hace necesario reducir los impactos ambientales que genera la industria de la construcción. La combinación de estas dos variables hace deseable la identificación de materiales en cuya producción el mayor porcentaje de la energía provenga de fuentes renovables, que actúen como depósitos de dióxido de carbono de la atmósfera y, que a la vez, integren la posibilidad de proteger ecosistemas en riesgo. En síntesis, el contexto general de este trabajo está asociado con la investigación en torno a la búsqueda de sistemas constructivos que reduzcan los impactos ambientales de la industria de la construcción, al tiempo que incorporen criterios de confort térmico dentro de los estándares de habitabilidad, y logren integrarse a tradiciones locales de las comunidades a las que se destinan los proyectos de vivienda de bajo costo. Como referente para establecer la importancia de la articulación de estas dos variables es necesario citar la “Propuesta de Reglamento Técnico de Eficiencia Energética para Viviendas de Interés Social” (Departamento de Artes, Universidad Nacional; PNUD, 2011) en el que la comodidad termo fisiológica sería un requisito para que una vivienda sea considerada aceptable. Finalmente, es importante señalar que parte de mi práctica profesional ha estado relacionada con el diseño y la construcción usando sistemas constructivos de madera. Esta experiencia se ha conectado con el ejercicio académico mediante la vinculación como profesor de cátedra en el Departamento de Arquitectura de la Universidad de los Andes en donde he impartido cursos de construcción con madera y he trabajado en la investigación mencionada como punto de partida de la presente tesis.

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2. DEFINICIÓN DEL OBJETO DE ESTUDIO

El trabajo que se presenta en este documento se basó en la premisa de que el confort térmico es una de las variables que hace parte del espectro de determinantes que se deben considerar al diseñar una vivienda. La tesis busca identificar el efecto que algunas variaciones básicas del diseño de la cubierta tienen en el desempeño térmico de espacios ventilados naturalmente, construidos con entramado de madera en una región cálida del trópico. Con el fin de entender la manera como este tema se articula con otras de las determinantes relevantes en el proceso proyectual, a continuación se presentará una posible estructura como se pueden organizar estas variables, y la forma en que éstas interactúan con el objeto de estudio.

Ilustración 3. Modelo esquemático de interacción de fuerzas que modelan la vivienda. La estructura

se genera al buscar que todas las determinantes interactúen. Se deriva de la lógica mediante la cual Vitruvio articuló los valores de la arquitectura clásica, la cual algunos han representado como un nudo borromeo que representa, de manera gráfica, el concepto de la unidad en la diversidad, y en la cual la relación entre dos elementos siempre depende de un tercero. (Kunze, 2012)

Desde una aproximación sistémica la vivienda puede ser entendida como un objeto moldeado por fuerzas que interactúan entre sí (Sepúlveda Mellado, Mazzei

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Acuña, Sepúlveda Swatson, & Kramp Denegri, 1998). Estas fuerzas equivalen a las determinantes que varían con la geografía, las culturas y los momentos históricos; componiendo un sistema dinámico en el que, por su naturaleza interdependiente, la modificación de uno de los factores cambia las relaciones entre las diferentes variables. La forma de la vivienda no es, entonces, la suma de partes que se desarrollan de manera autónoma para configurar un todo sino el resultado de la interacción entre las determinantes. Las diversas variables que constituyen las fuerzas que moldean la vivienda pueden agruparse por afinidades temáticas así: el contexto físico, la cultura, la economía, la técnica, la sostenibilidad y el uso (ilustración 3). Siguiendo esta lógica, las construcciones más adecuadas para una sociedad en un momento histórico determinado serían las que, por un lado incorporen las determinantes necesarias y, por el otro, logren un equilibrio entre éstas. De esta manera podemos hacer un mapa que represente gráficamente estas variables en diferentes niveles para localizar el problema del confort térmico en relación con el sistema general, siendo uno de los factores que definirán las condiciones de confort. Este, a su vez, afecta la habitabilidad, la cual hace parte de las determinantes que condicionan las posibilidades de uso, la utilidad, de la arquitectura (ilustración 4). El arquitecto Gion Caminada ahonda en las connotaciones de este concepto al decir que “la arquitectura debe responder a una necesidad” (Caminada, 2007). Es importante resaltar que la flexibilidad de muchos de los espacios construidos exige entender el concepto de uso de una manera amplia, en el sentido de hacer posible el desarrollo de la vida, más que relacionado con alguna actividad específica.

Ilustración 4 Definición del objeto de estudio

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Resumiendo, parte de los motivos por los que una construcción puede ser considerada una vivienda depende de que cumpla con unas condiciones básicas de habitabilidad que permitan su uso, dentro de las cuales está el brindar abrigo del entorno y así generar las condiciones apropiadas para las actividades humanas. El clima hace parte de los elementos del entorno que se debe tener en cuenta en este contexto, y una de las variables del clima que tiene efectos más importantes en la habitabilidad es la temperatura del aire (de Dear & Brager, 2002). Para esta determinante se ha encontrado que hay rangos ideales para la actividad humana que son los que se definen como confort térmico (Rohles Jr., 2007). Simplificando un problema más complejo, este confort térmico se puede comprender visualizando los límites de temperatura dentro de los cuales se puede desarrollar la vida humana. El congelamiento sería un extremo, y la deshidratación por calor el otro. Una forma de entender la búsqueda de condiciones de confort térmico implicaría entonces alejarse de esos dos límites y situarse cerca al medio (Olgyay, 1968), dónde los humanos requieren menos energía para adaptarse al ambiente. El cuerpo busca condiciones de confort de manera intuitiva, tratando de encontrar la temperatura que no exija el esfuerzo de sus sistemas circulatorio y de secreción, los cuales consumen parte de su energía vital. Es decir, las condiciones térmicas del espacio tienen un efecto real sobre el metabolismo humano. Este fenómeno lo expresa de manera sencilla el estoico coronel que protagoniza una de las novelas de García Márquez. “El coronel sufrió con la idea de haber sido injusto. –Eso es lo que quise decir- corrigió. Se secó la frente con la manga de la camisa-. Con este calor se oxidan las tuercas de la cabeza.” (García Márquez, El coronel no tiene quien le escriba, 1979)

Ilustración 5 Elementos del entorno que afectan el confort (Olgyay, 1968).

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Esta forma de entender el problema sitúa al hombre como el centro de gravedad en torno al cual se verifica la relevancia de las determinantes de la arquitectura (ilustración 5). En palabras de Olgyay “la vivienda es el principal instrumento para llenar los requisitos de confort, modificando el medio natural para acercarse a las condiciones óptimas para la vida” (Olgyay, 1968).

Una vez identificado el objeto de estudio en relación con el sistema de determinantes que moldean la vivienda, es importante entender la manera como interactúa con las demás fuerzas actuantes del sistema. De lo contrario se corre el riesgo de considerar las determinantes de manera aislada, respondiendo a una metodología estrictamente analítica, lo cual puede generar consecuencias no previstas en los proyectos que se ejecuten. Un ejemplo de este tipo de enfoque se manifiesta en los conflictos que pueden surgir en edificios que, al aplicar las normativas de eficiencia energética establecidos por la Unión Europea, generan espacios casi herméticos, muy bien aislados térmicamente del exterior, que por ese motivo deben ser ventilados con equipos mecánicos que a su vez consumen energías no renovables y emiten dióxido de carbono (Leal & Santos, 2012). Si bien mover el aire requiere de menos energía que cambiarle la temperatura, es importante tener en cuenta los estudios que sugieren que el implementar mecanismos operables por los usuarios que permitan la ventilación natural (ventanas), amplía la tolerancia térmica de los ocupantes de los edificios lo cual hace que se reduzca el uso de los equipos de acondicionamiento térmico (Rohles Jr., 2007) y (de Dear & Brager, 2002).

Ilustración 6 Interacción de las fuerzas que moldean la vivienda en todos los niveles del sistema

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Por lo anterior se debe identificar cómo se desarrolla la interacción entre las principales fuerzas que moldean la vivienda y el tema de estudio. De esta manera se podrá visualizar cómo el confort térmico está, por un lado, determinado por las variables dominantes del proyecto y, por el otro, afecta también el equilibrio de estas fuerzas (ilustración 6). En cuanto al entorno físico, se entiende que el clima, determinado por la geografía y el ordenamiento territorial (en la medida en que define dónde se localizan las poblaciones) es un factor de peso significativo. De acuerdo con Rohles Jr., la definición convencional del ambiente térmico involucra seis variables que son: la temperatura de bulbo seco, la humedad relativa, la temperatura radiante promedio, el movimiento del aire y, cuando hay personas involucradas, la actividad física y la vestimenta. Sin embargo, añade el profesor Rohles Jr., en esta lista faltaría incluir el factor del tiempo (duración de exposición), la hora del día y el momento del año, entre otros. (Rohles Jr., 2007) Desde el punto de vista de la cultura, se deben tener en cuenta las tradiciones y costumbres en la definición y construcción del entorno físico como respuesta, en parte, a las condiciones del contexto climático. De esta manera, los tipos de vivienda asociados a una manera de construir, usando unos determinados materiales, está intrínsecamente relaciona con la cultura (Fonseca & Saldarriaga, 1992). Así mismo, es importante resaltar que en parte la percepción de confort está determinada por aspectos psicológicos (Rohles Jr., 2007) que también son afectados por factores culturales.

Así mismo, la economía juega un papel importante en la medida en que, por un lado, determina la infraestructura de la industria de la construcción y producción de materiales. Desde esta óptica se deberá tener clara la distinción entre los recursos renovables y los no renovables. Por el otro lado, desde el punto de vista económico se definen también los límites de los recursos de los que se dispone para lograr las condiciones óptimas posibles, teniendo en cuenta la necesidad de inversión en otros aspectos de la vivienda para lograr el equilibrio de fuerzas buscado. Los principios de sostenibilidad son también relevantes en este escenario. En la medida en que la obtención de condiciones térmicas idóneas puede estar asociada al consumo de energía no renovable, la mejora del desempeño de la construcción en este aspecto no debería hacerse sin tener en cuenta los costos energéticos que puedan implicados. Esto induce a buscar el mejoramiento máximo posible de las condiciones térmicas logrando soluciones óptimas de diseño o con métodos pasivos. Por otro lado, es posible que las viviendas que ofrezcan mejores condiciones de habitabilidad, tengan una vida útil más larga pues cuando satisfacen las expectativas y necesidades de sus habitantes estos podrían estar más dispuestos realizar los esfuerzos necesarios para su mantenimiento. Finalmente, la técnica permite la materialización de estas fuerzas y está asociada de manera intrínseca a los métodos de construcción, y a la posibilidad de realizar

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aportes para su mejoramiento a partir de su estudio. Así, la técnica se pone al servicio de ese objetivo mayor que es lograr la vivienda adecuada para el entorno y la cultura. Desde el punto de vista de Marcuse, descrito por Jürgen Habermas (Habermas, 1986), se trata de proponer alternativas al concepto de desarrollo en el que la ciencia y la técnica son instrumentos de dominación de la naturaleza y, por extensión, del hombre; por una “actitud alternativa frente a la naturaleza… En lugar de tratar a la naturaleza como objeto de una disposición posible, se la podría considerar como el interlocutor en una posible interacción”. No sobra aclarar que el clima y la geografía hacen parte de la naturaleza. En el ámbito de este trabajo la técnica está asociada, por un lado, a los sistemas constructivos y a la posibilidad de realizar variaciones en su forma. Por otro lado determina también el método de simulación utilizado para hacer las evaluaciones. Es decir, la técnica hace parte del objeto de estudio, así como del método que se implementa para su evaluación. La mirada analítica comprende entonces el aislar un problema, tratar de entenderlo mejor y, al retornar a la mirada sistémica, aplicar conclusiones en el contexto más amplio del sistema de fuerzas que interactúan para moldear la vivienda. El dibujo de trabajo del arquitecto Glenn Murcutt que se presenta en la ilustración 7 ilustra la manera en que las variables interactúan en este proceso, y las fuerzas van moldeando el diseño. En él se puede observar cómo el arquitecto está incorporando variables diversas en el proceso de dar forma a la vivienda, entendiendo la manera en que estas determinantes afectan las soluciones constructivas. Desde el punto de vista del problema que se estudia en este documento, el dibujo incorpora las coordenadas del proyecto, la posición del sol en diferentes momentos del año, la dirección de los vientos predominantes. La forma del volumen en sección, con la profundidad de la fachadas, la permeabilidad al viento y algunos elementos como el accesorio para la salida del aire en la cubierta son una respuesta a las condiciones climáticas del contexto. Así mismo, se incorporan accesorios como el calentador de agua solar que aprovechan la energía renovable proveniente del sol. La fotografía ilustra el resultado final.

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Ilustración 7. Casa Marika Alderton (región tropical Australia), diseñada por Glenn Murcutt. El dibujo

superior corresponde a la fase de concepción del diseño. Las fotos ilustran el resultado final. (Fromonot, 1995)

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3. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN

Una vez establecido el tema de estudio y sus relaciones con la práctica proyectual de la vivienda se procede a precisar la pregunta específica que busca resolver la investigación. El trabajo busca evaluar la incidencia que tienen las variaciones del diseño de la cubierta propuestas en el desempeño térmico de los espacios ventilados de manera natural, construidos con entramado ligero de madera en la región del trópico cálido. En este sentido es importante poder determinar si las variables que se analizan tienen un efecto en el desempeño térmico que justifique incorporar su análisis detallado en el ejercicio proyectual o, si su efecto no es significativo, se asumiría que este no este factor no es relevante para tener en cuenta en el diseño de la cubierta y el problema del confort térmico se resolvería de otra manera.

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4. JUSTIFICACIONES Habiendo establecido el objeto de estudio y la pregunta de investigación, se procede ahora a justificar algunas de las premisas del análisis que se realizó. Estas incluyen el por qué se eligió trabajar la región del trópico cálido, la razón por la cual se analizó un modelo de vivienda unifamiliar y por qué se prevé que ésta sea de madera. Por otra parte, se explicará con mayor detalle la relevancia de enfocarse en el problema del confort térmico y por qué, para la región en la que se realiza el análisis la cubierta juega un papel preponderante en el desempeño térmico. Finalmente, se explicará la razón por la que se tomó la decisión de realizar el análisis usando herramientas de simulación digital. Para comenzar se presentarán las razones personales e institucionales que motivaron este trabajo. Es importante indicar que para presentar las justificaciones enunciadas se citan estudios relacionados con el tema. Estos no se han tratado en un capítulo aparte pues su función dentro de este texto corresponde a reforzar los argumentos. Es decir, invocar estos trabajos académicos sirve para demostrar la importancia de algunos de los puntos que se quieren justificar. El estado del arte como documento independiente fue presentado en una etapa anterior, en preparación del desarrollo final de esta tesis.

4.1 Motivaciones personales e institucionales

Como ya se ha dicho, mi ejercicio profesional ha estado relacionado con la investigación en sistemas constructivos de madera, lo cual me ha llevado a concluir que hay un potencial de aplicación de este tipo de técnicas en el contexto colombiano. Mi tesis para obtener el título de arquitecto en la Universidad de los Andes, presentada en 1994, planteaba como propuesta el desarrollo de un sistema constructivo en madera para la región del trópico húmedo a partir del análisis de las condiciones geográficas y culturales de la frontera entre el piedemonte andino y la región amazónica en el departamento del Putumayo. De alguna manera se puede decir que este trabajo de tesis de maestría, 18 años después, significa una continuación de esa investigación, enriquecida por la experiencia profesional y académica de los años transcurridos. El inicio de mi carrera profesional fue con una empresa que se dedica desde hace más de 30 años a la investigación, el diseño, la producción y la construcción con madera. Al contar con una planta de producción propia pude participar de manera directa en los procesos de desarrollo de prototipos y de su implementación en obras; así como en las actividades complementarias a la arquitectura como revisión de materias primas, control de costos, empaque y transporte. Posteriormente, con un estudio independiente de arquitectura, parte de mi ejercicio profesional lo he dedicado al trabajo con sistemas constructivos de madera. Esa experiencia me permitió vincularme al Departamento de Arquitectura de la Universidad de los Andes como profesor de un curso de construcción con madera que ahora hace parte de la Unidad de Arquitectura Sostenible.

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El interés común con profesores del departamento de arquitectura y de ingeniería mecánica por investigar los impactos ambientales de la industria de la construcción, y por buscar alternativas que cumplan con principios de sostenibilidad apropiados para esta región, nos llevó a trabajar en un proyecto de investigación en torno a la evaluación de los posibles beneficios ambientales que representaría el uso de la madera como material de construcción en Colombia. Este trabajo, que ha integrado a los grupos de investigación de Arquitectura Sostenible y de Conversión de Energía, ha desarrollado avances en la investigación que indican los beneficios en términos de consumo de energías limpias y de captura de dióxido de carbono que representa el uso de este material bajo condiciones de producción sostenibles. Los resultados de esa etapa inicial de la investigación se presentaron en el primer Congreso Ibero-Latino Americano de Madera en la Construcción en la Universidad de Coímbra (CIMAD-11), Portugal, en el año 2011 (Escobar, Porras, Pinillla, & Ramírez, 2011).

4.2 ¿Por qué el trópico cálido?

- Los pájaros – exclamó

- Los pájaros – confirmó el alcalde -. Es extraño que no se haya dado

cuenta si hace tres días que estamos con este problema de los pájaros

rompiendo ventanas para morirse dentro de las casas.

Cuando abandonó la alcaldía, la señora Rebeca se sentía avergonzada. Y un

poco resentida con Argénida que arrastraba hasta su casa todos los rumores

del pueblo y que sin embargo no le había hablado de los pájaros. Desplegó la

sombrilla, deslumbrada por el brillo de un agosto inminente, y mientras

caminaba por la calle abrasante y desierta tuvo la impresión de que las

alcobas de todas las casas exhalaban un fuerte y penetrante tufo de pájaros

muertos.

Esto era en los últimos días de julio, y nunca en la vida había hecho tanto

calor. Pero sus habitantes no se dieron cuenta de eso, impresionados por la

mortandad de los pájaros.

“Un día después del Sábado”, Gabriel García Márquez, 1975.

El libro Víctor Olgyay “Clima y Arquitectura en Colombia”, (Olgyay, 1968) fue publicado por la Universidad del Valle en 1968. Es el resultado de las visitas que Olgyay, profesor de la Universidad de Princeton en esa época, realizó a Colombia entre los años 1967 y 1968 invitado en el contexto de una propuesta del entonces decano de la Facultad de Arquitectura de la Universidad del Valle que buscaba combinar la formación de los estudiantes en los talleres de arquitectura con el trabajo de los grupos de investigación, en torno al entendimiento de los problemas ambientales. La iniciativa buscaba además “desarrollar, gracias a la investigación, un record permanente sobre los efectos del clima colombiano en la arquitectura” (Olgyay, Prefacio, p.V).

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El libro presenta una descripción de la relación entre la arquitectura y el clima que sirve para contextualizar el problema del desempeño térmico de las construcciones. Es importante el énfasis que hace el autor sobre la posibilidad de mejorar las condiciones térmicas de las construcciones mediante el diseño arquitectónico basado en el conocimiento de los factores climáticos. La segunda parte del libro se denomina “Consideraciones para Colombia”. Comienza en el capítulo 11 con una descripción de los climas del país, los cuales define como muy variados, relacionándolos con las alturas sobre el nivel del mar. Para describir la temperatura del país se presenta una división en cuatro zonas climáticas, asociadas con rangos de alturas en metros sobre el nivel del mar: 0 – 1000, 1000 – 2000, 2000 – 3000 y más de 3000. Para cada altura se define una temperatura promedio y un porcentaje de área de la superficie terrestre del país. En esta división resalta la zona entre los 0 y los 1000 metros, denominada la zona cálida, con una temperatura promedio superior a los 23 °C, que abarca el 83% del territorio. El Atlas Climático de Colombia, publicado por el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios ambientales), confirma la predominancia de los climas cálidos en el país, así como de regiones con porcentajes de humedad relativa altos (ilustraciones 8 y 9). El punto central del libro de Olgyay es una invitación a enriquecer la arquitectura a partir del conocimiento de las condiciones climáticas locales, determinadas en parte por la geografía. Es decir, es un llamado a trabajar desde nuestro contexto para lograr soluciones universales, en lugar de tratar de implementar formas pensadas para otras latitudes. Esta premisa implica profundizar en el conocimiento del entorno local para la cual es de ayuda el trabajo del botánico francés Francis Hallé (Hallé, 1999). Algunas de las características climáticas especiales que señala Hallé para las regiones del trópico incluyen: la variación reducida de horas de luz diarias durante el año (el fotoperiodo); el ser el lugar donde se reciben los rayos solares de forma vertical (al menos una vez al año); la concentración de la energía solar en una superficie reducida (entre 379 y 447 calorías/cm2/día) (ilustración 9); el valor bajo de las amplitudes térmicas anuales (en promedio por debajo de 10°C), generalmente similar o menor que las variaciones térmicas diarias.

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Ilustración 8. Regiones con Temperatura media anual (°C) mayor a 24°C. Promedio multianual.

(IDEAM)

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Ilustración 9. Regiones con humedad relativa media anual (%) por encima del 80%. Promedios multianuales. (IDEAM)

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Ilustración 10. Concentración de la radiación solar en una menor superficie por el ángulo de

incidencia durante el año en los trópicos. Por otra parte, el espesor de atmósfera es menor por ser un ángulo más cercano al perpendicular.

Finalmente, es importante tener en cuenta la relevancia de la región tropical en el contexto ambiental global. Esta franja del planeta alberga los ecosistemas más diversos y complejos (ilustración 11), y la mayor cantidad de especies de flora fauna del planeta (Hallé, 1999). Este no es un problema ajeno a la arquitectura no solo por los impactos que genera la industria de la construcción al incluir la producción de materiales, sino por la necesidad de generar modelos de ocupación del territorio adecuados para este contexto geográfico. Esto último, en un país con grandes extensiones del territorio despobladas, representa oportunidades (Calderón Rivera, 2012) o riesgos (Orduz, 2012) en la medida en que se descubren potenciales económicos. La pregunta es entonces ¿cómo se habita el trópico? Tal vez el primer paso para iniciar esta tarea es, como lo sugieren Claudia Leal y Eduardo Restrepo, liberarse de preconcepciones que han asociado las regiones del trópico cálido con “un territorio abrumadoramente rico, pero inhóspito” que pueden tener sus orígenes en leyendas como la del Dorado. De acuerdo con los autores, esta interpretación respalda el discurso que promueve el modelo de una economía extractiva en el que el interés por apropiarse de los recursos de la región (oro, caucho, banano, petróleo, carbón y otros minerales, maderas, etc.) se complementa con el rechazo a vivir en ella por condiciones adversas para la vida entre las cuales está el exceso calor. El resultado de esta lógica es que la riqueza extraída de un lugar se acumula y se disfruta en otras partes. (Leal & Restrepo, 2003). Es posible que una arquitectura que genere condiciones de confort térmico adecuado, dentro de parámetros razonables de economía (energética y financiera) ayude a superar esa forma de definir el trópico cálido.

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Ilustración 11. Mapa mundial de las selvas húmedas tropicales y manglares en 1986. Las selvas se

ilustran punteadas y los manglares en negro. De acuerdo con Hallé, entre otros, las superficies arboladas se vienen reduciendo considerablemente desde la fecha en que se realizó este mapa. (Hallé, 1999)

4.3 ¿Por qué una vivienda unifamiliar?

El trabajo de investigación del cual se origina esta investigación se desarrolló a partir del análisis de una vivienda unifamiliar en el contexto del trópico cálido. Una pregunta que surge al profundizar en este tema es la pertinencia de la vivienda unifamiliar dentro del contexto del ordenamiento territorial actual en este país. Uno de los problemas a resolver en la planeación de las ciudades hoy en día tiene que ver con la disponibilidad de suelo urbano y la dinámica demográfica de las ciudades. Desde ese punto de vista, la definición de la densidad adecuada para los núcleos urbanos se torna fundamental pues la disponibilidad de suelo urbano es limitada y la población de las principales ciudades está creciendo por diversos factores. Esto ha llevado a conocedores del tema de la planeación urbana a coincidir en que se debe desarrollar ciudades densas y compactas, como está plasmado en algunos de los Planes de Ordenamiento Territorial (Secretaría de Planeación. Alcaldía Mayor de Bogota D.C., 2012). Desde ese punto de vista, parecería que un modelo de vivienda en altura sería más adecuado para poder usar el suelo con mayor intensidad y liberar áreas adecuadas para los equipamientos, infraestructura y espacio público necesarios. Sin embargo, dentro de una visión amplia del ordenamiento territorial, la investigación de modelos de ocupación del entorno rural presenta oportunidades por explorar tanto dentro de políticas de equidad social, como para atenuar algunos de los problemas que se manifiestan en las grandes ciudades, dónde se concentra actualmente la mayor parte de los esfuerzos para atender el déficit, al tiempo que los indicadores de calidad de vida disminuyen (Torres, 2011). A esto se

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suma la limitación de disponibilidad de suelo urbanizable que aumenta su costo en las grandes ciudades. De acuerdo con Torres, los avances en la tecnología que puedan generar reducción en el valor de la construcción no son un factor decisivo en el costo de la vivienda de interés social por peso de la tierra y de la financiación en su costo final. La incorporación de estos factores en las políticas de ordenamiento territorial puede llevar a proponer modelos de ocupación del territorio que permitan atender las premisas de descentralización que se han propuesto como un objetivo político de la constitución nacional (De la Calle, 2011). Esta estrategia podría incluir el impulso de redes de poblaciones rurales mejor conectadas y relacionadas directamente con proyectos agrícolas y forestales (Schumacher, 1974) (Weisel, 2012). En este contexto la vivienda unifamiliar es válida en términos del modelo de planeación y se podría integrar a las tradiciones culturales locales de las regiones, con tipologías adecuadas a los modos de habitar regionales. A lo anterior se suma el fenómeno de contar con grandes extensiones del país despobladas y asociadas a proyectos de economía extractiva que poco le aportan a las regiones. Frente a la falta de suelo en las grandes ciudades se contrapone entonces la disponibilidad de territorios despoblados y con potencialidades que actualmente son aprovechadas por intereses particulares (Leal & Restrepo, 2003). Entender este fenómeno y desarrollar propuestas para este contexto no solo parece ser apremiante sino que representa la oportunidad de pensar en modelos de ocupación del territorio, integrando las determinantes adecuadas, dentro de una visión amplia del ordenamiento del territorio. Este es un campo de investigación en el que es posible que haya espacio para la innovación desde las condiciones climáticas y socio culturales locales. Por el contrario, no atender esta situación significa dejar en manos de los intereses de economías extractivas y de la colonización espontánea gran parte del territorio, con efectos perjudiciales tanto para el medio ambiente como para las comunidades raigales por las dinámicas económicas y culturales que generan (Leal & Restrepo, 2003).

Para entonces, la compañía bananera había acabado de exprimirnos, y se

había ido de Macondo con los desperdicios de los desperdicios que nos había

traído. Y con ellos se había ido la hojarasca, los últimos rastros de lo que fuel

el próspero Macondo de 1915. Aquí quedaba una aldea arruinada, con cuatro

almacenes pobres y oscuros; ocupada por gente cesante y rencorosa, a quien

atormentaban el recuerdo de un pasado próspero y la amargura de un

presente agobiado y estático, Nada había entonces en el provenir salvo un

amenazante domingo electoral.

“La Hojarasca”, Gabriel García Márquez, 1974.

Finalmente, es importante resaltar que una parte de la población del país habita en comunidades en las que la vivienda unifamiliar sigue siendo parte de las tradiciones culturales, en torno a la cual gira gran parte de la vida social. Trabajos de investigación como el que desarrolló Elvia Marina Mena analizando un proyecto multifamiliar de apartamentos de interés prioritario (VIP) en la ciudad de Medellín,

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diseñado para el reasentamiento de grupos de población que migraron del Chocó y del Urabá antioqueño, ilustran la importancia de incorporar componentes culturales al establecer criterios de habitabilidad, y el riesgo de desarraigo que se presenta al realizar proyectos que no integren estos factores. (Mena Romaña, 2011) y (Sepúlveda Mellado, Mazzei Acuña, Sepúlveda Swatson, & Kramp Denegri, 1998).

4.4 ¿Por qué una casa de madera?

En el contexto histórico actual, es necesario implementar técnicas de construcción que permitan atender los objetivos de la sociedad dentro de parámetros sostenibles en términos ambientales y culturales. Esto implica, en parte, la investigación del uso de energías renovables y de materiales y procesos que capturen dióxido de carbono de la atmósfera para, como mínimo reducir los impactos negativos que genera la industria de la construcción, y, en el mejor de los casos desarrollar tecnologías que generen impactos positivos en la protección de ecosistemas primarios. Esta preocupación ha llevado a que el uso de la madera está siendo promovido en diversas regiones del mundo por los beneficios ambientales que se pueden lograr si el material se produce dentro de parámetros cuidadosos de prácticas forestales y soporte de comunidades rurales (Forestry Comission - Great Britain, 2012). Está comprobado que la siembra de árboles es un mecanismo efectivo para capturar dióxido de carbono de la atmósfera y que es durante el período de crecimiento cuando este fenómeno es realmente efectivo (Wegener & Bernhard, 2004) y (Kolb, 2008). Este es un mecanismo natural que ayuda a mantener el balance de los gases de la atmósfera dentro de rangos que permiten la vida en el planeta. Es importante señalar que producir el volumen necesario de madera para abastecer el uso industrial de este material para la construcción depende de que se implanten cultivos sobre grandes extensiones de territorio. Y es en este contexto en el que se presentan los mayores riesgos de que los beneficios que potencialmente podría generar esta actividad se vean opacados por perjuicios ecológicos (Bäckstrand & Lövbrand, 2006) o sociales (Osorio Avendaño, 2011). El problema general se enmarca dentro de lo que Carolyn Merchant definió como “la tensión entre las fuerzas de producción económica y las condiciones ecológicas locales” (Gómez Lomelí, 2009). Esta preocupación no significa que sea imposible producir madera de forma sostenible. Por un lado, existen organismos internacionales como el FSC que están desarrollando protocolos para la certificación de la madera que no genera perjuicios ambientales. Por otro lado este problema podría entenderse también como una veta de investigación, o un problema por resolver, más que como una barrera infranqueable. En cuanto al tema de los monocultivos (o desiertos verdes como también son llamados) hay investigaciones que ilustran los beneficios no solo ambientales sino también en productividad de la mezcla de especies

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(Richards, 2007). Un ejemplo de este tipo de aproximación se adelanta en la Orinoquía colombiana por parte de la Fundación Gaviotas con la investigación del cultivo de Pino Caribe y de la Palma Africana con métodos que han propiciado condiciones favorables a la biodiversidad, en lugar de coartarla como muchas veces sucede con este tipo de actividad (Cortés Pérez, Dueñas Gómez, & Cardozo, 2005). En cuanto al problema social y de tenencia de tierras, en diversas regiones del mundo existen proyectos económicos de empresas rurales comunitarias que demuestran que el modelo de grandes extensiones de tierra en manos de un solo propietario de gran capital no es el único camino para la producción forestal rentable, y hay estudios que señalan que la propiedad privada del suelo no es la única manera de que éste sea aprovechado de manera eficiente (Smith, 2012). Desde el punto de vista técnico, y de la capacidad de lograr con este material un porcentaje de la construcción de vivienda que se necesita, vale la pena tener en cuenta que los Estados Unidos, Canadá y los países escandinavos producen entre el 75% y el 95% de sus viviendas con estructura de madera (Ministerior de Agricultura. Gobierno de Chile). Según el Ministerio de Agricultura de Chile este país, que miramos como punto de referencia por su cercanía cultural, produce el 15% de sus viviendas en madera lo que equivale a una producción anual de 22.500 unidades (Ministerior de Agricultura. Gobierno de Chile). El objetivo planteado por especialistas de ese ministerio, es incrementar la cifra del 15% al 50% buscando así promover el consumo de madera producida en el país, y generar depósitos de dióxido de carbono de unas 500.000 toneladas anuales en esas estructuras. En Colombia, a pesar de no contar con una industria forestal o de la construcción con madera desarrolladas, hay condiciones que permiten considerar que es posible consolidar este tipo de industria dentro de parámetros competitivos y ambientalmente adecuados. Estas incluyen por una parte la disponibilidad de tierras no aptas para la agricultura y sin bosques primarios, adecuadas para los cultivos forestales. De acuerdo con CONIF, el país cuenta con 4.5 millones de hectáreas con aptitud forestal comercial sin restricciones y cerca de 11.5 millones de hectáreas con restricciones menores (Aldana Vargas, 2004). Para poner en contexto estas cifras, Chile tiene alrededor 2.5 millones de hectáreas cultivadas y una producción que abastece la demanda local de la industria y exporta productos con estándares de calidad internacionales (CORMA - Corporación Chilena de la Madera, 2007). Por otra parte, y las condiciones climáticas tropicales, de radiación solar, de régimen de lluvias y la riqueza genética de la región son factores que sustentan la hipótesis del potencial forestal del país. Así mismo es importante tener en cuenta la determinante cultural, que implica reconocer los tipos de vivienda tradicionales de los habitantes de las diferentes regiones del país con el fin hacer construcciones que se integren al tejido social existente, sin caer en caricaturizaciones o en posiciones nativistas que

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embalsamen la cultura tradicional de manera que pierda su dinámica de constante revisión y evolución (Said, 1994). En este sentido, el país cuenta con una rica tradición de vivienda en madera (ilustración 12) que no se ha conectado con la industria de construcción puesto que ésta se ha enfocado en el uso de otro tipo de materiales.

Ilustración 12 Arquitectura popular de madera, tradicional de Cartagena, Colombia. (foto: Alberto

Saldarriaga)

A lo anterior hay que añadir que, además de los posibles beneficios ambientales asociados al uso de la madera, hay investigadores que recomiendan estrategias de diseño para responder de manera adecuada al clima del trópico cálido húmedo según las cuales sería razonable usar este material en la construcción de vivienda. El profesor Rafael Serra de la Universidad Politécnica de Cataluña señala que “en las regiones cálidas y húmedas (…) la arquitectura no precisa de inercia térmica, aunque debe protegerse de la radiación solar y procurar la máxima ventilación con el objetivo de eliminar en lo posible la humedad” (Guimaräes Mercon, 2008). Por su parte Olgyay explica que en las regiones con clima cálido húmedo “la carga calorífica sobre las cubiertas liberan las paredes de su uso característico como protectoras del calor y tornándose en barreras contra la luz y en elementos separadores entre el exterior y el interior son ligeras como para no almacenar el calor.” (Olgyay, 1968). Teniendo en cuenta las determinantes mencionadas, se deduce que la investigación en sistemas constructivos y materiales es una de las tareas importantes de los profesionales asociados a la industria de la construcción. Desde esta perspectiva, los sistemas constructivos livianos de madera, que han sido una alternativa viable en otros contextos, deberían ser estudiados como una

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opción para lograr atender parte del déficit de vivienda actual y de paso enriquecer el ecosistema de la técnica local. La sencillez de estos sistemas, desde el punto de vista técnico, hace fácil su incorporación a la industria de la construcción local, manteniendo parámetros de sismo-resistencia adecuados, al no necesitarse calificación especial de la mano de obra. Esto permitiría, así mismo, la gestión de proyectos con la participación de comunidades mediante mecanismos de autoconstrucción. El trabajo que realizó el arquitecto suizo Walter Segal en el Reino Unido alrededor de la década de 1970, con el sistema constructivo en madera que diseñó (el “Segal Method”), es un ejemplo exitoso de este tipo de proyectos de vivienda de bajo costo que incorporan la autoconstrucción en su ejecución (Commission for Architecture and the Built Environment, 2011). Su legado ha sido continuado por un grupo de arquitectos activos actualmente en ese país entre los que se destaca la firma Architype, con base en Londres, que han hecho aportes a la propuesta técnica planteada por Segal, manteniendo la participación de comunidades en la ejecución de los proyectos de vivienda con orientación social (ilustración 13).

Ilustración 13 A la izquierda, algunas de las casas de madera construidas por autoconstrucción con

el „Segal Method‟ a finales de la década de 1970 en el barrio de Lewisham, Londres. (Foto: Chris Moxey). A la derecha, parte del proyecto de vivienda „Diggers‟ en Brighton, Reino Unido, también realizado por autoconstrucción, con la asesoría de la firma Architype, usando también el „Segal method‟ (Stungo, 1998).

Lo anterior no significa que la arquitectura que se realiza con el entramado de madera sea de menor importancia desde el punto de vista profesional, como lo demuestran proyectos realizados usando este tipo de sistemas por parte de arquitectos reconocidos internacionalmente (ilustración 14). Algunos que se pueden mencionar son: Frank Lloyd Wright en algunas de sus casas „Usonianas‟; Rudolph Schindler con el sistema de marco estructural „Schindler Frame‟ que usó en algunos de sus proyectos; Konrad Wachsmann con su investigación y desarrollos tecnológicos de las casas industrializadas de madera en Alemania y su trabajo posterior en los Estados Unidos con Walter Gropious con la empresa

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General Panel System; Marcel Breuer con las casas realizadas en los Estados Unidos, algunas diseñadas con Walter Gropious, que integraban la técnica del sistema constructivo de „balloon frame‟ con sus principios modernistas desarrollados en la Bauhaus; Walter Segal con el „Segal Method‟; y Samuel Mockbee con el Rural Studio en algunos de sus proyectos de vivienda para la población pobre del estado de Alabama, entre muchos. En Colombia, vale la pena destacar el trabajo del arquitecto Hector Jaime Cuesta quien con la empresa Taller de Ensamble ha investigado de manera sistemática, desde la práctica, diversos sistemas constructivos con madera. Los trabajos de estos arquitectos, por sus investigaciones desde el punto de vista técnico, han enriquecido la tradición del sistema constructivo de entramado de madera innovando a partir de la comprensión de los procesos constructivos.

Ilustración 14 Sauna en Finlandia. Diseño Jaakko Keppo y estudiantes de la Universidad Técnica de

Helsinki. Este pequeño volumen de madera fue una oportunidad de investigar y proponer innovaciones en la técnica constructiva de los sistemas de entramado de madera. (Schittich, 2005)

4.5 ¿Por qué el confort térmico?

Eran casi las dos. A esa hora, agobiado por el sopor, el pueblo hacía la

siesta. Los almacenes, las oficinas públicas, la escuela municipal, se

cerraban desde las once y no volvían a abrirse hasta un poco antes de las

cuatro, cuando pasaba el tren de regreso. Sólo permanecían abiertos el

hotel frente a la estación, su cantina y su salón de billar, y la oficina del

telégrafo a un lado de la plaza. Las casas, en su mayoría construidas sobre

el modelo de la compañía bananera, tenían las puertas cerradas por dentro

y las persianas bajas. En algunas hacía tanto calor que sus habitantes

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almorzaban en el patio. Otros recostaban un asiento a la sombra de los

almendros y hacían la siesta sentados en plena calle.

“La siesta del martes”, Gabriel García Márquez, 1975.

Como se mencionó, el déficit de vivienda es una de las manifestaciones de la inequidad social. La manera como se responda a este fenómeno puede ayudar a reducir el índice de inequidad, perpetuar las condiciones actuales o inclusive hacer más profunda la inequidad. Esto significa que tener la capacidad técnica para construir las casas dentro de los parámetros de costos que se hayan definido no garantiza resolver el problema. Por este motivo es importante revisar el planteamiento inicial de la mirada sistémica del diseño que incorpora diversas variables que interactúan para que el resultado sea una vivienda válida desde el punto de vista cultural y de la habitabilidad. Desafortunadamente algunos de los esfuerzos que actualmente se invierten para atender este problema parecen estar generando núcleos de pobreza por deficiencias urbanas y de condiciones de habitabilidad (Mena Romaña, 2011). Hay que preguntarse entonces qué es lo que se quiere lograr con las construcciones que se realizan y de esta manera se podrán establecer con claridad las determinantes a tener en cuenta. Por este motivo es importante el trabajo que se está haciendo para desarrollar un reglamento técnico de eficiencia energética para viviendas de interés social. (Departamento de Artes, Universidad Nacional; PNUD, 2011). Como se mencionó, este proyecto propone una aproximación distinta a la tradicional que establece unas especificaciones y áreas mínimas, que terminan convirtiéndose en los máximos del mercado, por una normativa que busca la obtención de condiciones de confort y consumo energético adecuados. El problema del confort no se entiende acá como un lujo sino como una condición fundamental de la vivienda, un derecho, e incluye diversas variables, una de la cuales es la del confort térmico. Si la forma de calcular los rangos de temperatura de confort térmico ha sido motivo de debate entre especialistas, sobre los efectos de no tenerlo parece haber mayor acuerdo. Si se tiene en cuenta que las condiciones térmicas del espacio afectan el metabolismo humano, se entiende que las temperaturas fuera de confort demandarán al cuerpo el consumo de energía que no podrá dedicar a actividades creativas o productivas. Es decir, si bien el componente financiero del problema es fundamental, la metodología sistémica prevé que se incorporen otras determinantes igualmente importantes, las cuales no podrían ser incumplidas para que una vivienda cumpla su función social. En este sentido la garantía de condiciones de confort, sumado a otras determinantes como las urbanísticas, dentro de las exigencias para la vivienda de interés social puede ser una de las herramientas para lograr el objetivo de equidad.

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4.6 ¿Por qué la cubierta?

Tanto algunos de los autores consultados, como un ejercicio preliminar de validación usando el software Energy Plus que se ilustra en la Tabla 1, indican que para lograr una mejora en el desempeño térmico para las condiciones climáticas de la región que se propone analizar, el elemento constructivo que tiene la mayor incidencia es la cubierta por cuanto es la que recibe la mayoría de la radiación solar (Kabre, 2009). Lo que se explica es que si se tiene un espacio ventilado de manera adecuada, las ganancias térmicas que generan sobrecalentamiento vendrán por la radiación solar, y en estas latitudes la radiación, en los momentos más calientes del día, se recibe con un ángulo casi perpendicular, lo que hace que sea la cubierta la superficie más expuesta. Por este motivo la hipótesis es que la inversión con resultados más efectivos para lograr un mejor desempeño térmico, en el contexto descrito, será en la cubierta.

Tabla 1. La distribución de ganancias térmicas por radiación solar (J) en la cara exterior de las

superficies de un volumen (planta 4.0 m (NS) x 6.0 m (EO), altura 2.40 m) con las coordenadas de Barranquilla demuestra la importancia de la superficie de cubierta. Por otra parte, la diferencia entre el norte y el sur evidencia la mayor radiación solar recibida en la fachada sur por cuanto la localización de Barranquilla está ligeramente al norte del Ecuador (10.79° de latitud norte).

El análisis que hace Olgyay (Olgyay, 1968) para las condiciones climáticas del trópico lo lleva a concluir que los impactos de los elementos ambientales (lluvia y radiación) son verticales y, en consecuencia, el techo se convierte en el elemento más apropiado para defenderse utilizando el principio de sombrilla. Esto ha sido comprendido de manera empírica por sociedades tradicionales en diferentes regiones del trópico cálido, que en sus construcciones expresan la importancia de la cubierta convirtiéndola en el elemento predominante de sus construcciones (como se ilustró en la introducción), con soluciones formales similares en ocasiones. La confirmación de la importancia de la cubierta en el desempeño térmico de las

Ganancias anuales de calor por radiación solar en las superficies (J)

NORTE 7.13%

OESTE 15.47%

ESTE 15.46%

SUR 10.41%

TECHO 51.54%

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construcciones ventiladas de manera natural en las regiones del trópico, ha llevado a algunos investigadores académicos a profundizar en este tema. Por ejemplo, Hamdan y Yamin (Hamdan & Yamin, 2011) realizaron pruebas de diferentes especificaciones de acabados en cubierta para viviendas en Jordania con el fin de identificar las que logren menores ganancias energéticas en los espacios interiores. Por su parte el grupo de investigadores del cual hace parte Chang (Chang, Chiang, Che-Ming, & Lai, 2007) señala que la localización geográfica de Taiwán, cercana al trópico de Cáncer, hace que la mayoría de los techos de los edificios que se construyen allá estén expuestos a los rayos del sol de manera directa. Estiman que la carga de enfriamiento que exige el calor que recibe el techo es 2.78 veces mayor que la pared orientada al sur. Kant y Mullick (Kant, 2001) establecen que la función principal de los edificios es ofrecer protección de los caprichos del clima, y que el techo protege del calor intenso que se recibe de arriba. Para lograr esto se debe reducir la amplitud y generar un retraso de las fluctuaciones térmicas que transmite. Encuentran que en condiciones similares un espacio en un piso intermedio será más fresco que uno con la cubierta expuesta a la radiación solar, y proponen un método de enfriamiento de esas cubiertas por evaporación. Por su parte Mariana Guimaraes realizó una tesis para el Master en Arquitectura, Energía y Medio ambiente, en la Universidad Politécnica de Cataluña, en la que compara la temperatura interior de los espacios ubicados en la región tropical del Brasil usando diferentes materiales en un modelo de cubierta ventilada.

4.7 ¿Por qué la simulación digital?

La simulación como concepto hace parte integral del ejercicio de proyectar en la arquitectura. Los planos, maquetas, presupuestos y programaciones de obra pueden ser considerados como simulaciones sobre las que se pueden realizar modificaciones y verificaciones previas al inicio de los trabajos de construcción. Recientemente, algunas herramientas asociadas al uso del computador han permitido modelar elementos de la arquitectura permitiendo agilizar el trabajo de búsqueda de condiciones óptimas de los espacios. Esto no significa que los resultados que brindan estos programas no se puedan obtener de otra manera, y es importante, a la hora de apoyarse en estas herramientas, tener presente la importancia del criterio del arquitecto con la mirada global del proyecto, ya que se corre el riesgo de que el software termine definiendo los diseños. Haciendo esta claridad, es indudable que desde el punto de vista práctico algunas de estos programas son herramientas poderosas. Por limitaciones de presupuesto y de tiempo se prefirió realizar las evaluaciones de desempeño térmico mediante una simulación digital. Hay trabajos académicos que han demostrado que algunos programas de simulación logran la precisión

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suficiente para realizar los análisis térmicos necesarios para desarrollar el objetivo de esta tesis. De todas maneras es pertinente tener en cuenta que metodológicamente es deseable realizar una prueba experimental que sirva de parámetro para los resultados que se presentan. El uso de un programa de simulación permite a un arquitecto, con conocimientos de los principios generales de los problemas de la transmisión de calor, pero sin una formación adecuada para profundizar en modelado detallado de la física del fenómeno, obtener resultados delegando en los creadores del programa el detalle de la formulación de ecuaciones. Esto significa que el diseñador se puede parar sobre el trabajo de quienes crearon las herramientas con el fin de avanzar en su investigación sin tener que volverse experto en el problema de la transmisión de calor. Los análisis que se presentan en este trabajo se realizaron utilizando un programa de simulación energética que permite entre otras variables obtener las temperaturas previstas de los espacios en un año típico. Este método se consideró adecuado por las limitaciones de tiempo y recursos con que se contaban para el desarrollo de este trabajo. Así mismo, permite realizar variaciones en los diseños y validar sus consecuencias de manera rápida y económica. El programa de simulación que se utilizó, Energy Plus, ha sido desarrollado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y de acuerdo con el Estándar 90.1 de la ASHRAE, es uno de los que han sido aprobados para realizar simulaciones que permitan verificar el cumplimiento de los parámetros de eficiencia energética exigidos (ASHRAE, 2004). También está incluido en la propuesta de Reglamento Técnico de Eficiencia Energética para Viviendas de interés Social, que está siendo desarrollado por la Universidad Nacional en conjunto con el PNUD (Departamento de Artes, Universidad Nacional; PNUD, 2011), como uno de los que cumple con el mayor número de requisitos necesarios para los análisis que requiere este reglamento. Por otra parte, el proyecto de grado de un estudiante del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes (Cristancho, 2010) demostró que este programa puede lograr resultados muy precisos. El trabajo de grado se realizó comparando las temperaturas tomadas en una construcción real, con los resultados de la simulación de esa misma construcción. Es importante señalar también la consulta realizada de la tesis de grado del ingeniero mecánico de la Universidad de los andes Juan Colmenares (Colmenares, 2011) que sirvió como punto de partida para aprender a usar el programa Energy Plus.

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5. OBJETIVOS

5.1 Objetivo general

Apoyar el desarrollo de una arquitectura en madera que responda de manera adecuada a las condiciones del trópico para generar modelos de ocupación del territorio dentro de parámetros de sostenibilidad, convirtiendo la respuesta a las determinantes que se generan en esta región en potenciales de innovación. Este objetivo se alcanzará en la medida en que se reduzcan al mínimo los esfuerzos energéticos y económicos necesarios para lograr condiciones óptimas de habitabilidad. Por ser una región que ha estado relativamente aislada de los centros académicos tradicionales (Hallé, 1999), parece haber un campo de investigación fértil que permitiría la innovación a partir del conocimiento de las condiciones particulares de estas latitudes (ilustración 15).

Ilustración 15. Un ejemplo de la concentración de centros académicos de generación de

conocimiento fuera de la región tropical se puede visualizar en la distribución mundial de número de especies de plantas (en negro) y número de jardines botánicos (en blanco). (Hallé, 1999)

5.2 Objetivos específicos

Por una parte se busca evaluar los efectos que tienen, en la temperatura interior de espacios construidos con entramado de madera en el trópico cálido, las variaciones en ciertos elementos básicos de la cubierta. Los elementos que se analizarán son: la orientación, los materiales de cubierta, la pendiente, el tamaño de los aleros y el uso de cielos rasos. La idea es preguntarse qué mejoras se pueden lograr con estas modificaciones para que, en caso de que no se logre

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unas condiciones óptimas, el esfuerzo adicional represente una inversión y consumo energético menores. Es decir, como se mencionó en la introducción, se trata de evaluar qué tanto se puede reducir la temperatura interior a partir del trabajo con elementos básicos de la arquitectura, en este caso asociados a la cubierta, dentro de lo que Givoni considera que es un componente integral del ejercicio de proyectar, anterior a la implementación de métodos de enfriamiento pasivo.

Así mismo, este trabajo tiene como objetivo profundizar en el conocimiento de las técnicas de construcción con sistemas de entramado ligero en madera para las determinantes que se generan en el contexto del trópico. Este es el campo de conocimiento desde el que se desarrolla este trabajo. En la búsqueda de sistemas constructivos con una menor huella energética y ambiental para esta región, se ha identificado el potencial de implementación de técnicas de construcción con madera. Para lograr una participación de este material en la industria de la construcción regional que permita que los costos de su uso sean competitivos es importante generar un cuerpo de conocimiento técnico que permita realizar obras con estándares de calidad adecuados.

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6. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN La elaboración de esta tesis se dividió en dos etapas que correspondieron a períodos académicos semestrales. La primera etapa se dedicó principalmente a la definición del tema y la segunda al desarrollo del análisis. El primer paso fue definir un tema general de estudio para refinarlo en el proceso. La escogencia del tema se hizo en conjunto con los asesores, quienes a su vez lideran el equipo de trabajo que integra los grupos de investigación mencionados. Se buscó que esta tesis apoyara el proyecto de investigación que se está desarrollando. El punto de partida planteado fue estudiar el efecto de la envolvente en el desempeño térmico de los espacios ventilados naturalmente construidos con el sistema de entramado ligero de madera para conectar este problema con el de la huella energética de la construcción con madera. Una vez se definió el tema general para la tesis, se procedió a realizar una revisión bibliográfica que sirvió para establecer límites más precisos al objeto de estudio y concentrar la investigación únicamente en la cubierta por los motivos ya enunciados. A partir de este ejercicio se realizó un documento que reflejara el estado del arte en torno al estudio del efecto de la cubierta en el desempeño térmico de espacios en la región tropical. Con el fin de definir parámetros de desempeño adecuados, el estado del arte incluyó un capítulo dedicado al problema de definición del confort térmico en espacios con ventilación natural. Al final de la primera etapa se presentó un documento que sintetizaba el trabajo realizado, en el cual se enunciaba el tema de estudio, y se planteaban un título y un índice tentativos del documento final. La segunda etapa del trabajo incluyó diferentes actividades. La primera decisión fue establecer si se realizaría una verificación experimental que respaldara las simulaciones digitales, como se había planteado inicialmente. Finalmente, por los motivos ya expuestos, se decidió trabajar solo con la simulación. Por otra parte, otra decisión importante fue extender el análisis más allá de los materiales de acabado de cubierta (la idea inicial) para incluir otras variables, como la orientación y la forma, y así hacer un ejercicio más cercano a la práctica arquitectónica. Luego se realizó la definición los parámetros constantes y los variables con los que se trabajaría la simulación, y la recolección de la información pertinente. Los parámetros constantes incluían elaborar un esquema arquitectónico base, seleccionar una ubicación geográfica para obtener los datos climáticos, y definir un rango de confort térmico. Los parámetros variables se enfocaron en la cubierta e incluyeron los materiales, la orientación, la forma y la composición (con y sin cielo raso). La información que se debía recolectar incluía los datos climáticos para construir

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un año típico meteorológico que pudiera ser exportado en el formato adecuado para el programa de simulación y las características de los diferentes materiales que se usarían. En estos dos aspectos hay limitaciones en cuanto a la información disponible en el país, lo cual dificulta la elaboración eficiente de este tipo de ejercicio, obligando a realizar una etapa previa que en otros países, con una infraestructura de información más organizada no se requiere. Esto afecta sustancialmente los tiempos de trabajo, y las posibilidades de verificar las hipótesis que sustentan la elaboración de los proyectos. Con los datos climáticos se elaboraron gráficas a partir de las cuales se escogieron momentos críticos del año típico con el fin de poder analizar una ventana de tiempo más estrecha que permitiera ver mayor detalle en los resultados. Por otra parte, se seleccionó el software que se utilizaría y se aprendieron los rudimentos necesarios para las simulaciones que se proponían. Para elaborar la geometría de los volúmenes y hacer las variaciones de la forma de la cubierta de manera más sencilla se encontró un programa de dibujo que permite exportar archivos en el formato adecuado para la simulación. Finalmente se realizaron las simulaciones. Este ejercicio incluyó un proceso de retroalimentación pues la revisión de los resultados sugería nuevas variaciones. Con los resultados se elaboraron gráficos que sirvieron como punto de partida para el análisis.

40

7. DEFINICION DE LOS PARÁMETROS DE SIMULACIÓN

7.1 La forma del modelo El diseño que se analiza se basa en dos premisas básicas. La primera es que sea un volumen sencillo con un único espacio interior que permita comparar con facilidad las diferencias térmicas que generan las variaciones que se propone hacer. Esta premisa induce a revisar las volumetrías arquetípicas de la arquitectura (ilustración 16).

Ilustración 16. A la izquierda, Uno de los dibujos realizados por Chambers para ilustrar el origen de la arquitectura. A la derecha, cabaña primitiva según Milizia, para ilustrar el origen de los órdenes. (Gili, 1995)

Por otra parte, se consideró pertinente que, a pesar del interés de trabajar con una volumetría elemental, el diseño tuviera conexión con un tipo de vivienda real, con arraigo cultural en una región con las condiciones climáticas del análisis que se realizó. De lo contrario, se correría el riesgo de analizar un volumen tan abstracto que resultaría difícil extraer enseñanzas aplicables a la arquitectura. Para lograr esto se revisaron ejemplos de viviendas tradicionales del Caribe, con volumetrías sencillas, cercanas a los modelos arquetípicos que se buscaba analizar (ilustraciones 18 y 19), en las que es frecuente el uso del sistema de entramado ligero de madera. Esta es una arquitectura hibrida, rica en influencias tanto europeas como africanas y americanas (Fonseca & Saldarriaga, 1992). De estas viviendas se extrajeron algunas características tipológicas que sirvieron como punto de partida para diseñar el modelo que se analizó. En este contexto vale la pena recordar el trabajo teórico del arquitecto Gottfried Semper quien, cuando conoció una réplica de una cabaña del Caribe en la Gran Exposición de Londres de 1851 (ilustración 17) encontró ilustrados de manera clara, por su sencillez, los elementos que formularía en sus “Cuatro Principios de la Arquitectura”, y con los que se añadiría un componente antropológico a la tríada clásica de Vitruvio (Frampton, 1990).

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Ilustración 17. Cabaña del Caribe que inspiró a Semper exhibida en la Gran Exposición de Londres de 1851. ( Keith N. Morgan; Boston University, 2008)

Aldo Rossi, al analizar la concepción de la arquitectura como ciencia que permitiría la elaboración de un principio general de esta disciplina, describe el texto del geógrafo francés Demangeon sobre la casa rural en Francia y señala que este autor “ve en la casa el elemento persistente que se modifica a través de mucho tiempo y cuya evolución es más larga y compleja que la de la economía rural a la que no siempre y fácilmente corresponde; así otea las cuestiones de las constantes tipológicas en la habitación preocupándose por buscar los tipos elementales de ésta”. (Rossi, 1995)

Ilustración 18 Viviendas tradicionales: izquierda Juan de Acosta, Bolívar (Foto: Antonio Castañeda), y

derecha San Bernardo del Viento, Córdoba (Foto: Lorenzo Fonseca)

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Ilustración 19 Viviendas típicas del Caribe. Arriba a la izquierda Cartagena (Fonseca & Saldarriaga, 1992) y a la derecha Haiti (Slesin & Cliff, 1985). Abajo ejemplos de viviendas en la Isla de San Andrés. (Fonseca & Saldarriaga, 1992). Todos estos ejemplos corresponden a casa construidas con

el sistema de entramado de madera.

Las características tipológicas identificadas incluyen el uso extensivo de corredores cubiertos como área habitable ventilada y a la sombra en los que se desarrolla parte de la vida de la casa (ilustración 20), como sucede en el hogar del coronel de la novela de García Márquez mencionada. “Sentada entre las begonias del corredor junto a una caja de ropa inservible, hizo otra vez el eterno

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milagro de sacar prendas nuevas de la nada.” (García Márquez, El coronel no tiene quien le escriba, 1979).

Ilustración 20 El corredor exterior cubierto tradicional de las viviendas del Caribe. Este es un espacio

de gran importancia en las casas de esta región, donde se desarrolla parte de la vida doméstica. A la izquierda una casa de madera en Jamaica (Slesin & Cliff, 1985). A la derecha otra vivienda de

madera en la que funciona una tienda hacia la calle. San Marcos, Sucre. (foto: Mauricio Pinilla)

Ilustración 21 Izquierda, vivienda en San Marcos, Sucre, en la que se enfrentan la puerta que da a la

calle con la que comunica con el patio trasero. (Foto: Mauricio Pinilla). Derecha, La misma disposición en Barú, Bolívar, en una casa con corredor construida en sistema de entramado de madera. (Foto: José Fernando Machado)

Las cubiertas están construidas a dos o cuatro aguas. Las puertas y ventanas están con frecuencia enfrentadas a lado y lado de los espacios y muchas veces hay elementos de ventilación en las partes altas de los espacios. Es común el uso de una puerta central que genera fachadas simétricas con ventanas a los lados, y permite utilizar de manera flexible los espacios interiores, ya sean abiertos o con divisiones. Las puertas enfrentadas generan una conexión entre el corredor que

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da al espacio público y el que mira hacia el jardín posterior (ilustraciones 12, 18, 19 y 21). Por otra parte no es extraño el uso de sistemas constructivos de madera que se levantan del terreno sobre pilotes. Así mismo, es frecuente la ubicación de la cocina, de los baños y zonas de lavado fuera de la casa en estructuras independientes, conformando el patio trasero con jardín y en ocasiones huerta (ilustración 22).

Ilustración 22 Caserío en el departamento del Magdalena. (Foto: Aldo Brando)

Es importante señalar que, más que copiar las formas de las casas tradicionales, se trata de identificar elementos tipológicos e incorporarlos dentro de una aproximación constructiva que tenga en cuenta el mejor nivel técnico posible que garantice una durabilidad adecuada de las viviendas. Es decir, no se trata de asumir posiciones chovinistas que sugieran un purismo cultural del que nos previene Edward Said (Said, 1994), sino más bien de enriquecer el ejercicio profesional a partir del análisis de elementos que se han depurado durante generaciones en la arquitectura tradicional, por un lado y, por el otro, encontrar lazos de conexión, de continuidad como diría Caminada, con las poblaciones para las cuales están destinadas los proyectos. Este punto se puede ilustrar, por ejemplo, en la casa Marika Alderton de Glenn Murcutt, que se presentó en la introducción, la cual está destinada a una familia perteneciente a una de las culturas tradicionales de la región tropical de Australia (ilustraciones 7 y 22). En

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este proyecto hay una síntesis entre la conexión con las tradiciones culturales de los usuarios de la vivienda e investigaciones arquitectónicas más universales. El trabajo del arquitecto Gion Caminada, en el entorno de los Alpes suizos, es otro buen ejemplo de este tipo de aproximación a la práctica proyectual (ilustración 24).

Ilustración 23 Casa Marika Alderton, Glenn Murcutt. La incorporación de valores tradicionales no es

obstaculo para realizar propuestas arqutiectónicas innovadores e inclusive puede enriquecerlas.

Ilustración 24 Oficinas y Establos diseñados por Gion Caminada en el municipio de Vrin, Suiza.

(Foto: Helmut Schulitz)

A partir de los elementos identificados se proyectó un volumen (ilustraciones 25 y 26, y tabla 2), levantado sobre pilotes, que conforma un espacio interior de 4 x 6

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metros en planta, por 2.48 de altura en el arranque de la cubierta, con corredores de dos metros sobre las fachadas largas. El sistema constructivo, que se basa en un módulo de 80 centímetros, se compone de entrepisos de estructura de madera y muros con columnas de madera. El cerramiento tanto de pisos como de muros es en madera de 20 mm de espesor. La cubierta a dos aguas tiene una estructura para un acabado liviano y permite la instalación de cielos rasos que conforman un ático y ventilaciones en las partes bajas y altas para permitir el flujo del aire. El espacio se perfora en el centro de los lados largos con dos puertas que quedan enfrentadas. A lado y lado de estas puertas se disponen ventanas simétricas. La cubierta se hace intencionalmente con una pendiente baja (27%) con el fin de poder evaluar los efectos de un aumento en la misma. Por otra parte, el volumen permitiría la instalación tanto de un cielo raso con la forma de la cubierta, como de un ático que genera un mayor volumen de aire entre la cubierta y el espacio interior de la vivienda. En las fachadas cortas, sobre las que el alero sube con la pendiente de la cubierta no hay ventanas pero se instalan, para permitir la salida del aire caliente, unos ojos de buey en la parte alta de la culata lateral. La estructura principal y acabados de muros son de madera reforestada de coníferas de dos centímetros de espesor. Los cielos rasos, en madera similar al resto de la casa, tienen un espesor de 1 centímetro. Para la cubierta se trabajaron cuatro materiales diferentes que se presentan en el punto siguiente. Es importante recalcar que el modelo de estudio que se presenta no es una propuesta de vivienda social, lo cual supera los alcances de esta tesis, sino, como ya se mencionó, un diseño que integra factores culturales de la vivienda tradicional y que permite, por su sencillez, estudiar con mayor detalle las repercusiones de algunas variaciones de la cubierta en el desempeño térmico del espacio interior, con el fin de obtener conclusiones aplicables luego a casos específicos.

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Ilustración 25. Planos del modelo base

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Ilustración 26 Posible crecimiento y agrupación del modelo base

Tabla 2. Datos generales del modelo base. Las fachadas cortas tienen un área mayor que las largas

por el tímpano o culata lateral que cierra el volumen de la cubierta. El área de las fachadas corresponde, en cada caso, a una.

7.2 Las variaciones al modelo

Se realizaron variaciones de tres aspectos de la cubierta: orientación, material y forma; que se ilustran a continuación. De esta manera, se trabajó algunos de los elementos que, desde la perspectiva de Givoni, pueden ser definidos como componentes básicos del ejercicio de diseño convencional. Como se mencionó, se buscaba encontrar qué tanto se pueden mejorar las condiciones térmicas del espacio con estos elementos.

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7.2.1 Orientación La orientación es uno de los elementos básicos en la toma de decisiones cuando se proyectan tanto desarrollos urbanísticos como proyectos arquitectónicos. “José Arcadio Buendía, que era el hombre más emprendedor que se vería jamás en la aldea, había dispuesto de tal modo la posición de las casas, que desde todas podía llegarse al río y abastecerse de agua con igual esfuerzo, y trazó las calles con tan buen sentido que ninguna casa recibía más sol que otra a la hora del sol” (García Márquez, Cien años de soledad, 1982). Para verificar la incidencia de este factor en la temperatura interior se hicieron simulaciones con el volumen orientado con los ejes Norte – Sur y Oriente Occidente (ilustración 25).

Ilustración 27

7.2.2 Materiales Para la cubierta se usaron 4 diferentes materiales con el fin de comparar sus diferencias. Tres ellos corresponden a materiales disponibles comercialmente y adecuados para sistemas constructivos livianos. Estos son el zinc, el fibrocemento y el polipropileno. El cuarto material, la madera, no es usado comúnmente en nuestro contexto. Sin embargo se consideró interesante evaluar su desempeño ya que la hipótesis sobre la que se trabaja es la de considerar la posibilidad del uso a escala industrial de este material en Colombia. Finalmente, se hizo un ensayo con teja de barro sobre la teja de fibrocemento, que es un acabado de cubierta relativamente común en nuestro contexto, pensado como una posible mejora que se pudiera realizar de manera progresiva en la vivienda. Los materiales utilizados con sus características básicas necesarias para el análisis térmico se describen en la tabla 3.

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Tabla 3. Las propiedades de la madera y el metal están predeterminados por Energy Plus, las de fibrocemento y polipropileno se obtuvieron de (Cengel & Ghajar, 2011), y las de la teja de arcilla de (Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja y ICCL). El costo de la madera se ha

ajustado sobre la hipótesis del establecimiento de una industria de la construcción con madera en el país que debería reducir los costos de producción y también, posiblemente, los costos tributarios como el IVA que no se cobra en otros materiales de construcción (Cuesta, 2012). Abajo, el código de colores

que se usará para identificar los materiales en las gráficas.

7.2.3 Forma En términos de las variaciones de forma se tuvieron en cuenta los elementos básicos de la arquitectura asociados con la cubierta como punto de partida para modificar la temperatura interna de la vivienda. La idea es jugar con variaciones en aleros, cielos rasos y pendiente, y ver sus efectos. La idea, recordando el planteamiento de Givoni, es que cualquier mecanismo especial de acondicionamiento ya sea pasivo o mecánico debe venir luego de lograr un diseño óptimo con los elementos primarios. Las variaciones se plantean de una manera que permitan, en muchos casos, la progresividad, entendiendo que una composición ideal pueda ser lograda en el tiempo mediante la adición de componentes. Esta es una práctica frecuente en las viviendas de bajo costo con fines sociales que se construyen en el país. En las ilustraciones 28 y 29 se presentan las variaciones en la forma con las nomenclaturas que se usarán para referirse a ellas en adelante. Las variaciones en la pendiente generan cambios en el área de las superficies de los techos y en el volumen interno que es importante tener en cuenta (tabla 4).

51

Ilustración 28 Variaciones en la forma del modelo base

52

Ilustración 29 Variaciones en la forma del modelo base

Tabla 4. Diferencias en el área de superficie de cubierta (no incluye corredores ni aleros) y volumen interno

que se generan con las variaciones en la forma del modelo base. La columna de la relación área de techo / volumen está multiplicada por cien.

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Ilustración 30 Cuadro que ilustra la manera en que se combinaron las tres variables que se analizan

para generar los ejemplos evaluados.

En total se hicieron 50 variaciones. La ilustración 30 muestra la manera como se combinaron los tres elementos variables para lograr los distintos ejemplos que se evaluaron. Se trabajó con una nomenclatura para identificar las variaciones en la que primero se identifica la forma, luego el material y finalmente la orientación.

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El proceso incluyó etapas de retroalimentación en la medida en que se obtenían resultados y se despertaban inquietudes que se consideraba pertinente analizar. En algunas de las variaciones no se hicieron las simulaciones combinándolas con todos los parámetros pues se consideró que no era necesario.

7.3 Los costos

Con el fin de generar un análisis que tuviera en cuenta la relación entre los costos y el desempeño térmico, se hicieron unas valoraciones generales de cada forma con los diferentes materiales. El análisis de costos se basa principalmente en el valor de los materiales de acabado de cubierta. La primera fase consistió en desglosar las diferentes variables y asignarles factores cuando, por complejidad constructiva o estructura adicional requerida por mayor peso, exigían una inversión adicional (tabla 5). Estos valores se usaron para asignar un costo de cubierta para cada variación (tabla 6).

Tabla 5 Desglose costos

55

Tabla 6 Análisis de costos de las variaciones

7.4 El clima

Para la simulación se trabajó con los datos climáticos del aeropuerto de Barranquilla, ubicado a 10°53‟ de latitud norte y 74°46‟ de latitud oeste, a una altitud de 29 metros sobre el nivel del mar. Los datos se usan por la calidad de la información obtenida, la cual es representativa de las condiciones climáticas que se quiere estudiar. En el planteamiento no hay una relación con el contexto urbano de esta ciudad. Los datos se obtuvieron de un programa de conversión de datos climáticos que se llama TRNSYS. Los datos que usa este programa son generados con el programa Meteonorm. La información climática obtenida sintetiza un año típico meteorológico hora a hora. Con ella cual se pudo caracterizar el clima de esta ciudad así:

- Temperatura media: 27.34 °C - Temperatura media mínima: 21.41 °C - Temperatura media máxima: 33.43 °C - Humedad relativa media: 78.74 % - Velocidad del viento media: 3.74 m/s - Radiación solar: 432.15 W/m2

En síntesis se puede decir que el clima es caliente y húmedo. En la clasificación climática de Holdridge que aparece en el Atlas Climático de Colombia, publicado por el IDEAM esta ciudad está dentro de la clasificación de clima cálido seco. Esta clasificación al parecer se basa en el régimen de lluvias más que en el índice de humedad relativa pues la media de 78.74 es alta.

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Al analizar los métodos de evaluación de confort térmico, se encuentra que la temperatura del aire es una de las variables que más pesa en su definición. Por ello el análisis se ha realizado midiendo únicamente esta variable.

Tabla 7 Temperatura media mensual - Barranquilla

La amplitud térmica mensual (tabla 7), de menos de 2°C, es bastante reducida y significativamente menor que amplitud térmica diaria que es de alrededor de 12°C. Esto corresponde con el planteamiento de Halle que señala que en general las amplitudes térmicas mensuales son menores que las diarias para la región del trópico. Se observa que los meses más calientes son mayo, julio y agosto, siendo mayo, con una temperatura media de 28.07 °C, el mes más caliente. El comportamiento diario del mes de mayo (tabla 8) indica que en la última semana del mes se produce un sobrecalentamiento significativo que el día 28 supera los 34°C. Aun cuando el 5 de mayo es el día más caliente del mes, se tomaron como referencia para el análisis de detalle los días 27 al 29 (tabla 9) pues hacen parte de una secuencia consistente de días de sobre calentamiento. Esto permite acercar o alejar del análisis a uno o varios días para poder visualizar el comportamiento térmico de las diferentes variaciones.

25,50

26,00

26,50

27,00

27,50

28,00

28,50

T media (°C) mensual - Barranquilla

57

Tabla 8. Temperaturas durante el mes de mayo en Barranquilla, hora – hora, año típico meteorológico.

Tabla 9. Temperaturas 27 – 29 de mayo

7.5 Definición del rango de confort térmico En la definición del confort térmico, la distinción entre espacios con acondicionamiento mecánico del aire y los que tienen ventilación natural es importante. Para los primeros, los parámetros son bastante rígidos. Para los segundos se han desarrollado sistemas variables para determinar la temperatura de confort. Por otra parte, como se mencionó, es importante recalcar que la

20,00

22,00

24,00

26,00

28,00

30,00

32,00

34,00

36,00

0 12 24 36 48 60 72

T (°

C)

Horas

Temperaturas (°C)/ 27 - 29 de mayo / año típico

Temp °C

T min CONFORT 23.8

T max CONFORT 28.8

58

mayoría de estos métodos se enfocan en la temperatura del ambiente para medir las condiciones de confort. En la bibliografía consultada se encontraron varias aproximaciones para calcular el rango de temperatura de confort (tabla 10). Aunque los resultados son diferentes, la premisa sobre la que se basan es similar. El fundamento de estos sistemas es que en los espacios con ventilación natural la percepción de confort depende en parte de las condiciones climáticas y en consecuencia se toma la temperatura media del lugar como punto de partida para calcular la franja de confort. Hay diversas aproximaciones que se han desarrollado para calcular este rango de confort. El método escogido es el planteado por de Dear y Brager que fue incorporado en la revisión de la norma ASHRAE 55 para espacios con ventilación natural (ilustración 31 y tabla 10).

Ilustración 31 Estándar de confort adaptativo (ACS) propuesto para el ASHRAE Standard 55, aplicable para edificios con ventilación natural. (de Dear & Brager, 2002)

Tabla 10 Comparación métodos de cálculo del confort térmico. En gris se resalta el escogido.

59

8. MÉTODO DE SIMULACIÓN Una vez definido el diseño de la vivienda, el proceso de simulación se divide en tres etapas. La primera comprende el dibujo de la geometría del modelo, la segunda el proceso específico de simulación y la tercera la obtención de los resultados. Es importante señalar que el software de simulación usado permite generar la geometría mediante el uso de coordenadas. Sin embargo, este proceso hace más difícil el proceso de retroalimentación que se genera en el momento en que se hacen los dibujos. Por este motivo se encontró un mecanismo para hacer los dibujos y exportarlos en el formato adecuado para realizar la simulación. Los dos programas usados en el proceso de simulación son de fuente abierta y de uso gratuito. Para realizar los dibujos, se encontró que existe un programa (tipo “plug-in”) llamado Open Studio que se instala en el Sketchup de Google (también gratuito). Este software, junto con el Energy Plus (el programa que se usó para la simulación) está siendo desarrollado por el NREL (National Renewable Energy Laboratory), que hace parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Con el Open Studio se puede entonces construir la geometría tridimensional de los volúmenes que se van a analizar. Los dibujos son muy sencillos y no se requieren detalles. Las superficies no tienen espesor pues estos se definirán en el editor de Energy Plus al establecer las capas de la construcción. En este proceso de creación del volumen se definen las diferentes zonas térmicas y la orientación. Es importante dibujar siempre los volúmenes dentro de zonas térmicas creadas por el Open Studio. Se pueden establecer las condiciones de frontera de las superficies (exterior, suelo u otra superficie), y es posible asignarle nombre a las diferentes superficies para identificarlas con facilidad en el proceso de edición posterior. El programa clasificará como piso, techo, cielo raso o muro las diferentes superficies. Es posible asignar sistemas constructivos o materiales con una base de datos que trae, pero se encontró que como no existe una relación entre estos sistemas constructivos y las técnicas constructivas locales, es más fácil definir estos elementos en el editor de Energy Plus. Las perforaciones son sub-superficies dentro de las superficies de muros. Estas se pueden identificar también con nombre y es posible clasificarlas. Es importante definir las perforaciones como puertas siempre (no como ventanas) pues de lo contrario el Energy Plus no las reconocerá. Los aleros y elementos salientes de la cubierta se definen como superficies de sombra, y no como parte de la misma construcción de la cubierta. No es necesario dibujar los pilotes pues la forma de establecer que la casa está levantada del terreno es definiendo la condición de frontera de la superficie de piso. Tampoco se requiere dibujar los pisos exteriores. Los dibujos realizados se ven como aparecen en la ilustración 32. Estos dibujos no se guardan como archivos de Sketchup sino con extensión .osm que corresponde al Open Studio.

60

Ilustración 32 Las diferentes formas de la cubierta que se evaluaron, dibujados con el programa

Open Studio 0.8.1 (trabaja desde Sketchup), listos para ser exportados al formato .idf para trabajar en Energy Plus. Arriba a la izquierda AC, a la derecha CRR + PN, en el medio a la izquierda AT y a la derecha 4AG + CR, abajo CRR + PN 100. Los colores representan la asignación de tipos de superficies y no tienen ninguna relación con materiales.

Una vez se tiene listo el dibujo, se debe exportar al formato .idf que es el que se puede abrir con el editor de Energy Plus. Este es un programa muy poderoso que permite hacer mediciones de muchas variables asociadas con el consumo de energía, modelando las maneras en que los edificios son habitados, mediante el establecimiento de programaciones de uso. Para este trabajo se tomó como premisa que el espacio tendría una ventilación constante, lo cual significa que las aberturas están siempre abiertas, y no se tuvieron en cuenta cargas de calor por habitantes o equipos. Esto con el fin de aislar la variable del efecto de las variaciones de la cubierta en la temperatura interior de la vivienda. Los parámetros que se manejaron para hacer las simulaciones fueron los siguientes:

61

La localización, para la cual se establece latitud, longitud, altitud y zona horaria. Los datos de clima se deben insertar en formato epw para que sean reconocidos por el programa. Es importante señalar que el programa trae los datos climáticos norteamericanos por zonas que a su vez están asociados a sistemas constructivos y materiales. Esto facilita el trabajo si se trabaja allá. En nuestro caso se debe construir toda la infraestructura de información para cada caso. Una vez se ha localizado el proyecto, se deben borrar las programaciones de uso que el archivo trae predeterminadas desde el Open Studio. Posteriormente se establecen los materiales que se van a usar con sus propiedades. Aquí todavía no se asocian a ninguna superficie. Hay diferentes categorías de materiales. Los generales (para paredes, pisos y techos), los translúcidos y las cámaras de aire fueron los que se trabajaron en este caso. Con los materiales incorporados, se procede a establecer elementos constructivos. Esto significa establecer el nombre de un elemento y asignar los materiales que lo componen, en orden de afuera hacia adentro. Cuando se han definido los elementos constructivos estos se asignan a las superficies. En esta sección se puede revisar que las condiciones de frontera de las superficies estén bien definidas, se clasifican las superficies por categoría (si ya se hizo en Open Studio la información aparecerá). Se trabajan en cuadros separados las superficies principales de las de ventanería y las de sombra. Para las de sombra solo se debe dar la instrucción de que el programa calcule el número de vértices de cada una. Una vez se han definido las características constructivas del modelo, se procede a definir las condiciones de ventilación para cada apertura. Es importante revisar que los parámetros que no se van a utilizar en la simulación tengan los valores en blanco. Esto implica un proceso de limpieza del archivo pues, como se mencionó, el dibujo exportado de Open Studio trae parámetros predeterminados asociados con los sistemas constructivos, climas y programaciones de uso norteamericanas. Para asignar los resultados que se quieren obtener se debe correr la simulación una vez. Si hay algún error el programa genera un archivo de texto en el que se describe para corregirlo. Una vez se ha corrido la simulación se pueden establecer las variables de resultados que se quiere. En este caso se definió la temperatura exterior de bulbo seco, la temperatura interior de los espacios hora a hora y en algunos casos las ganancias térmicas por radiación solar en la cara exterior de las superficies. Cuando esto está definido se vuelve a correr la simulación y el programa genera un archivo con valores separados por comas que puede ser importado a un programa de hojas de cálculo para realizar allí el análisis. Los resultados aparecen en columnas hora a hora durante un año típico.

El proceso de simulación se fue retroalimentando a medida que se veían los

resultados. Fue así como se tomó la decisión de reducir el tamaño de las ventanas

para resaltar el efecto de la cubierta, pues al tener una ventilación muy grande la

62

temperatura interior tendía igualarse con la exterior. Por otra parte, a medida que

se veían resultados se incorporaban variaciones para verificar si se podían

obtener mejores resultados, como por ejemplo con el aumento de la pendiente de

la cubierta.

63

9. RESULTADOS Una vez obtenidos los resultados de las simulaciones se procedió a organizarlos con el fin de poder hacer comparaciones que ilustraran los efectos de las diferentes variaciones propuestas sobre la temperatura interior del espacio. Es importante señalar que las temperaturas bajas no representan problemas de habitabilidad en esta región. Por este motivo, los análisis generales de comparación se hicieron tomando la temperatura media de las horas de sobre calentamiento (8:00 – 20:00 horas) del mes de mayo. Para ilustrar los detalles de sobrecalentamiento en unos casos se tomaron los tres días consecutivos más calientes de ese mes (27, 28 y 29), y en los casos en que las diferencias son menores y se pierden las diferencias en la escala de tres días, se tomaron las horas diurnas del 28 de mayo. De esta manera se busca ilustrar con mayor detalle los efectos de las variaciones ya que sobre las temperaturas medias, las diferencias de temperatura parecen ser menores, sin embargo, al analizar las horas de sobrecalentamiento en detalle, se puede observar una diferencia que en ocasiones es significativa.

9.1 Las variaciones en la orientación

Para evaluar el efecto de los cambios en la orientación se evaluaron 8 de las 10 variaciones de forma, todas con acabado de cubierta en zinc. Los resultados (tabla 11) evidencian el impacto importante que representa la escogencia de una orientación adecuada para este clima.

Tabla 11 Comparación orientaciones - general

64

Como se mencionó, el cálculo de las temperaturas medias ayuda a visualizar

tendencias generales, pero reduce los efectos de sobrecalentamiento. Si se

observa el comportamiento de las dos orientaciones para la vivienda con

corredores sin cielo raso (CRR), entre el 27 y el 29 de mayo, se observa que la

diferencia puede alcanzar hasta tres °C (tabla 12).

Tabla 12 Comparación detalle orientaciones (CRR)

Tabla 13 Comparación orientaciones CRR vs. CRR+CR

65

Para tener una idea clara de lo que esto representa, al comparar esta versión, en

sus dos orientaciones, con la misma forma y acabado de cubierta (MT) agregando

el cielo raso, se observa que la versión sin cielo raso (CRR) con los corredores

orientados en el sentido ESTE-OESTE (EO), es mejor que la versión con cielo

raso CRR+CR) con los corredores orientados en el sentido NORTE-SUR (NS)

(tabla 13). El costo de CRR + CR, para este acabado de cubierta, es casi el doble

que el de CRR (TABLA 6).

9.2 Las variaciones en los materiales

Tabla 14 Comparación desempeño térmico de materiales

La comparación del desempeño de los materiales (tabla 14) muestra que las

variaciones entre el metal, el fibrocemento y el polipropileno, a pesar de las

diferencias en sus características, son menores. Esto puede ser debido al

reducido espesor de los tres. En todo caso se evidencia una leve mejora en los

resultados del polipropileno. La madera y la teja de barro se diferencian de manera

consistente con un margen más grande de los otros tres materiales.

Al observar el detalle las diferencias en el caso de de la casa con corredores y sin

cielo raso (CRR) se observa cómo los acabados de cubierta de teja de barro sobre

fibrocemento y el de madera generan una temperatura de alrededor de 1°C por

debajo de las otras tres especificaciones durante las horas de recalentamiento de

la casa. (tabla 15).

66

Tabla 15 Comparación del desempeño de los diferentes materiales en la variación CRR (todas EO) el 28 de

mayo.

Para el caso de la teja de barro sobre fibrocemento (FB+TB), la simulación inicial dio resultados muy similares a la de fibrocemento sola (FB). Esto se puede explicar al observar que las propiedades de estos materiales (tabla 3) no son significativamente diferentes y lo que se estaría haciendo en principio sería añadir un poco de espesor al acabado inicial. Sin embargo, al analizar, tanto la geometría de la teja de barro, la cual es cónica para permitir el encaje de unas con otras, y la forma de instalación que se realiza mediante traslapos entre las tejas, se concluyó que se generan bolsillos de aire entre las tejas de barro y las de fibrocemento, los cuales al incorporarse al modelo de simulación generaron una mejora significativa en el desempeño de esta versión. Es decir, de acuerdo con esta explicación, la mejora en el desempeño térmico de la cubierta al añadir la teja de barro se daría por el aire intersticial entre los materiales más que por las propiedades del barro.

Finalmente, se puede concluir también que hay una correlación, en los casos analizados, entre costo y el desempeño térmico de los materiales de acabado.

9.3 Las variaciones en la forma

En cuanto a la forma, las variaciones ilustran los efectos de las variaciones que se

generan con los aleros más grandes para cubrir los corredores, el uso de cielos

rasos, el cambio de pendiente y el cambio de 2 a 4 aguas. En verde están las

versiones que no tienen cielo raso.

67

9.3.1 Los corredores El efecto de los corredores sobre la temperatura del espacio interior se da por la reducción de la radiación solar sobre las fachadas que quedan tapadas (en este caso EO). La gráfica de los resultados (tabla 16) ilustra que este efecto es relativamente menor durante las horas de recalentamiento. Este resultado podría ser una confirmación de la hipótesis de que son las superficies de cubierta del espacio interior las que tienen la mayor incidencia sobre la temperatura. Sin embargo, si se tiene en cuenta la incidencia en el área útil de la vivienda, en relación con los costos (tabla 3), se evidencian los beneficios que representan los corredores.

Tabla 16 Incidencia de los corredores

9.3.2 Los cielos rasos

En cuanto a los cielos rasos, se evidencia un efecto importante de mitigación de las temperaturas altas en las horas de sobrecalentamiento. Se evaluaron en detalle tres versiones sin y con cielo raso (AC, CRR, CRR + PN). Los resultados evidencian una disminución de la temperatura, consistente para los tres casos, de alrededor de 1.5 °C (tabla 17).

26,00

28,00

30,00

32,00

34,00

36,00

38,00

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

T in

t °C

HORAS - MAYO 28

Incidencia de los corredores(MT / EO)

T ext

AC

CRR

T c max

68

Tabla 17 Efecto del cielo raso

Por otra parte, si se cambia la forma del cielo raso despegándolo de la cubierta se conforma un ático con un volumen de aire más grande. Esta alternativa (AT) corresponde al diseño presentado como volumen base (ilustración 22). Al compararlo con la versión de corredor con cielo raso (CRR+CR), se observa una mejora en el desempeño térmico, que alcanza de 0.5 °C en el momento más caliente del día (tabla 18).

Tabla 18 Evaluación del efecto del ático

28,00

29,00

30,00

31,00

32,00

33,00

34,00

35,00

36,00

37,00

38,00

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

T in

t °C

HORAS (MAYO 28)

Evaluación del efecto del cielo raso (todas MT / EO)

T ext

T c max

AC

AC + CR

CRR

CRR + CR

CRR + PN

CRR + PN +CR

28,00

29,00

30,00

31,00

32,00

33,00

34,00

35,00

36,00

37,00

38,00

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

T in

t C

°

HORAS - MAYO 28

Evaluación efecto del ático (todas MT / EO)

T ext

CRR + CR

AT

T c max

69

9.3.3 La pendiente Una vez se tuvieron la simulaciones con la pendiente del diseño inicial se hicieron

pruebas aumentando la pendiente en la versión de corredores (CRR). La

pendiente inicial del 27%, se aumentó en una primera versión a 50% (ilustración

25). Esta versión genera un volumen interior mayor, con una buena relación con el

área de superficie de cubierta expuesta a la radicación (tabla 4). Por otra parte

también genera una mayor área de las superficies de muro lo cual implica

mayores costos (tabla 3). El resultado con esta variación mejoró las temperaturas

en las horas de sobrecalentamiento, incluso en relación con la versión del ático

(AT), probablemente por el aumento de volumen interno (tabla 19). Con ésta

versión CRR+PN+CR se logra una disminución de cerca de 1 °C en relación con

la variación CRR+CR.

Tabla 19 Efecto aumento de la pendiente al 50%

Al obtener estos resultados positivos se hizo una nueva versión aumentando aún

más la pendiente de la cubierta al 100% (CRR+PN100+cr) para verificar si se

lograba mejorar aún más el desempeño térmico. Como la altura del arranque de la

cubierta en el corredor no se puede bajar pues se convertiría en un obstáculo,

para esta versión se hizo un cambio de pendiente y para los aleros del corredor se

mantuvo en el 27% inicial (ilustración 26). Esto significó que el área de la

superficie de cubierta del volumen interno se incrementó de manera significativa

como es ve en la tabla 4, pero el volumen interno se disminuyó en relación con la

versión de la pendiente del 50%. De esta manera se pudo evaluar la diferencia de

la incidencia entre la pendiente y el volumen interno.

28,00

29,00

30,00

31,00

32,00

33,00

34,00

35,00

36,00

37,00

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

T in

t (°

C)

horas

T ext

T c max

AC + CR

CRR + CR

CRR + PN + CR

AT

70

Tabla 20 Análisis de la versión con pendiente del 100%

Las temperaturas de esta versión (tabla 20) son muy similares a la del alero corto

AC, que en este caso no se incluyeron en la tabla por claridad gráfica. La

conclusión que se puede extraer es que el volumen interno tiene una incidencia

significativa mientras que el cambio de ángulo entre 50% y 100% no. Esto

confirma lo que indica Olgyay que en el sentido de que para las pendientes

menores a 60° no habría cambios importantes en la temperatura interior.

Finalmente se hizo un ensayo cambiando la disposición de dos aguas por una a

cuatro aguas para observar si al bajar la altura de las culatas laterales se obtienen

beneficios. Este modelo genera un sistema mixto de cielo raso y ático. En la

ilustración 29 se puede observar la división entre éstas como una línea sobre la

superficie roja de cubierta. Los resultados obtenidos (tabla 21) con esta versión

(4AG) son casi idénticos a los de la alternativa de corredores con cielo raso

(CRR+CR), que en la gráfica no se incluyen por claridad, y menos buenos que la

del ático (AT) y la que tiene pendiente del 50% (CRR+PN+CR). La versión 4AG es

la de menor volumen y la relación entre área de superficie de cubierta expuesta a

la radiación y volumen interno es menor que la de ático (AT).

28,00

29,00

30,00

31,00

32,00

33,00

34,00

35,00

36,00

37,00

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

T in

t (°

C)

horas

T ext

T c max

CRR + CR

CRR + PN + CR

AT

CRR + PN 100 + CR

71

Tabla 21 Análisis versión 4AG

En resumen (tabla 22), comparando las formas se obtiene que la versión que logra

una temperatura media diurna más baja durante el mes de mayo es la de

corredores con pendiente del 50% y cielo raso (CRR + PN + CR), seguida por la

de ático (AT). En tercer lugar están la versión de 4 aguas (4 AG + CR) y la de

corredores con cielo raso (pendiente 27%) (CRR + CR). Las peores son el alero

corto sin cielo raso y la de pendiente del 100% sin cielo raso.

Tabla 22 Resumen formas

28,00

29,00

30,00

31,00

32,00

33,00

34,00

35,00

36,00

37,00

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00

T in

t (°

C)

Horas

T ext

T c max

CRR + PN + CR

AT

CRR + PN 100 + CR

4 AG + CR

72

Finalmente se realizó una gráfica que ilustra la relación entre volúmenes internos y

área de superficie de cubierta de los mismos volúmenes para tratar de encontrar

relaciones. Para las tres primeras versiones de esta gráfica (tabla 22) hay una

correlación entre el valor que resulta de dividir el área de superficie de techo por

el volumen interno, y la temperatura media interior (tabla 23). Es decir, en la

medida en el resultado de dividir el área sobre el volumen es menor, la

temperatura interna es menor. Ese número se reduce cuando el numerador (área

es menor, o el denominador (volumen) es mayor. Con las versiones AT y 4AG no

se mantiene la correlación pues, por ejemplo AT tiene un valor mayor que

CRR+CR y que CRR+PN100+CR pero una temperatura interna menor. Esto

puede ser debido a el mayor volumen de aire que hay entre el cielo raso y el

acabado de cubierta. En conclusión, se puede decir que para conformaciones

similares de acabado de cubierta y cielo raso, la relación entre área y volumen

será un indicador del desempeño térmico.

Tabla 23 Relación entre área de superficie de techo sobre volumen interno y volumen interno

9.4 Mejor y peor versión Para concluir, se presenta la gráfica con el comportamiento de la peor (AC / ZN / NS) y la mejor versión (CRR + PN + CR / MD EO) en términos de desempeño térmico. La diferencia en las horas de más calor alcanza casi los 6 °C. En este sentido la síntesis demuestra que la suma de las tres variables combinadas, orientación material y forma, logran los mejores resultados (tabla 25).

73

Tabla 24 Comparación extremos desempeño térmico.

En términos de horas de confort (tabla 26) se tomaron las horas de sobrecalentamiento que son las que generan la mayor incomodidad en el contexto climático analizado. La diferencia entre las dos versiones es de 567 horas, lo cual equivale a 23.6 días de 24 horas. Sin embargo, como las horas de sobrecalentamiento corresponden al período diurno, aproximadamente entre las 8 de la mañana y las 8 de la noche, se podría decir que la diferencia en horas equivale a 47 días de 12 horas, o mes y medio.

Estas dos gráficas (tablas 25 y 26) ilustran que el ejercicio de mejora del desempeño térmico genera beneficios en dos sentidos. Por un lado las temperaturas máximas son menores, lo cual reduce la sensación de incomodidad, y por el otro, reduce las horas por fuera del rango de confort. Cabe anotar que ninguna de las versiones estudiadas logra entrar dentro del rango de confort o por lo menos generar temperaturas interiores menores que la temperatura de bulbo seco exterior durante las horas de calor. Esto significa que si se fuera a aplicar una norma que exigiera cumplir con el rango de confort habría que buscar otras alternativas, ya sea con medios pasivos o con equipos mecánicos.

20,00 22,00 24,00 26,00 28,00 30,00 32,00 34,00 36,00 38,00 40,00 42,00

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72

T in

t °C

HORAS (27 - 29 MAYO)

Comparación - peor y mejor versión

T ext

T c min

T c max

AC / ZN / NS

CRR + PN + CR / MD / EO

74

Tabla 25 Horas sobre confort térmico

9.5 El desarrollo progresivo Si se piensa en una adecuación progresiva de la vivienda se podría iniciar con una vivienda básica tipo (AC/FB/EO) a la que se le añaden corredores para ampliar el área (CRR/FB/EO), luego se le instala un cielo raso al interior (CRR+CR/FB/EO) y finalmente la teja de barro (CRR+PN/FB+TB/EO). De esta manera se logra una reducción de casi y 2 °C en las horas de más calor (ilustración 31 y tabla 27).

2.600 2.648 2.696 2.744 2.792 2.840 2.888 2.936 2.984 3.032 3.080 3.128 3.176 3.224 3.272 3.320 3.368 3.416 3.464

T ext AC / ZN / NS CRR + PN + CR / FB + TB / EO

Ho

ras

sob

re c

on

fort

(lín

eas

cad

a d

os

día

s)

Variaciones

Comparación horas sobre confort mejor y peor caso

28,00

29,00

30,00

31,00

32,00

33,00

34,00

35,00

36,00

37,00

38,00

T in

t (°

C)

Horas - Mayo 28

T ext

T c max

AC / FB

CRR / FB

CRR + CR / FB

CRR + CR / FB + TB

75

Tabla 26 Desarrollo progresivo de crecimiento y mejora de desempeño térmico

9.6 Índice de desempeño

El análisis del desempeño térmico es interesante en sí mismo y permite, mediante el estudio de variaciones lograr resultados efectivos en la reducción de la temperatura interior. Sin embargo, teniendo en cuenta el planteamiento inicial de la interacción de determinantes que moldean la vivienda, se buscó generar un índice de desempeño que integrara otras variables. El índice comprende en el numerador el área habitable (A) pues en principio es deseable para una vivienda de bajo costos tener la mayor área posible. En el ordenador se multiplica el costo (C) con la diferencia entre la temperatura media

interior y la exterior ( , las cuales mejorarían el valor del índice en la medida en que sean menores. Lo anterior aplica para el delta de temperatura puesto que no hay ninguna variación cuyo espacio interior sea más fresco que la temperatura exterior durante las horas de calor, por lo cual la mejor es la que tiene la menor diferencia con la temperatura exterior. Cada una de estas variables se divide por el valor de la misma variable de un caso de referencia (en este caso AC.MT).

Los resultados (tabla 24) muestran en cada variación de forma una correlación

entre el costo del material y el índice de desempeño en el que a mayor costo el

índice será menor. Esto indica confirma que la mejora en el desempeño térmico

asociada a los materiales no parece justificarse en términos de la relación costo

beneficio.

En cambio al analizar las variaciones de forma, la mejora en el desempeño

térmico logra romper la correlación con la variable de costo por lo cual en algunos

casos el índice de desempeño es mejor a pesar del mayor costo (CRR vs.

CRR+PN y CRR vs. CRR+PN+CR), sin convertirse en un espejo de los

comportamientos de temperatura. La variación con el mejor índice,

CRR+PN+CR/MT, es la forma más costosa y más fresca en términos relativos

para cada material (tabla 6). A esta le sigue CRR+PN, que es menos fresca pero

más económica que AT. La versión básica CRR tiene un índice muy bueno con la

76

cubierta metálica pero con los otros materiales su desempeño es menos bueno en

comparación con las otras variaciones.

Tabla 27 Índice de desempeño

77

10. CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos confirman que variaciones relativamente sencillas en el diseño de la cubierta tienen una incidencia significativa en el desempeño térmico de las construcciones con ventilación natural construidas con entramado de madera en las regiones cálidas del trópico. A pesar de esto, ninguna de las variaciones se acerca al rango de confort que se planteó como referencia, y lo mejor que se logró fue estar muy cerca del comportamiento de la temperatura del aire exterior. Esto significa que para cumplir con los parámetros de confort en las condiciones establecidas habría que implementar técnicas de enfriamiento pasivo o el uso de equipos mecánicos. Por otra parte, se observa que los mejores resultados se obtienen al articular las diferentes posibilidades de variaciones. En términos de los tres tipos de variaciones realizados se pueden proponer las siguientes conclusiones puntuales.

10.1 Orientación

Se confirmó la importancia de lograr una orientación adecuada de los volúmenes. Teniendo en cuenta que es una variable que en principio no afecta los costos, y las diferencias de temperatura pueden llegar a los 3°C en las horas más calientes (tablas 12 y 13), esta parece ser una de las estrategias de mayor peso en términos de la relación costo beneficio. Se recomienda proteger las fachadas con mayor superficie con aleros y orientarlas hacia los lados norte y sur.

10.2 Materiales

De acuerdo con los resultados los materiales evaluados que se consiguen comercialmente para cubiertas livianas en el país, aun cuando tienen diferentes propiedades térmicas no logran diferencias significativas en la temperatura de los espacios (tabla 15). Es posible que lo anterior se deba al bajo espesor de estos materiales. Solo se logró mejorar el desempeño con el acabado de tejas de barro sobre fibrocemento y madera, siendo estas dos soluciones significativamente más costosas que las demás. Si se tiene en cuenta que se ha demostrado la importancia de la cubierta en las condiciones de confort térmico en la región del trópico cálido, este es un campo que merece una investigación mayor para lograr mejores resultados. En este sentido es interesante el trabajo de Mariana Guimaraes en “Análisis térmico de la cubierta ventilada” en la ciudad de Vitória, en la región tropical del Brasil, en la que incorpora materiales tradicionales de fibra vegetal con resultados

78

mejores que los de los materiales de producción industrializada (Guimaräes Mercon, 2008). Estos materiales, además de ser materias primas renovables, no son ajenos a las tradiciones culturales de algunas de regiones de nuestro país (ilustraciones 18 y 22). Dentro de un ordenamiento territorial que incorpore planteamientos descritos en el punto 4.2 de este trabajo sería posible producir los materiales cerca de las viviendas para su reemplazo periódico. Esto implicaría una lógica de renovación cíclica del acabado de cubierta en vez de una de un material permanente. Por otra parte, hay también un campo de investigación interesante con materiales menos usados en el campo de la construcción actualmente que incluyen las membranas de alta reflectividad, que al parecer pueden mejorar el desempeño térmico sin afectar la estructura portante.

10.3 Forma

En cuanto a los corredores, se evidenció que su incidencia en la temperatura

interior de los espacios es relativamente pequeña, posiblemente porque durante

las horas de mayor calor la radiación del sol llega casi perpendicularmente en la

región cercana al ecuador. Este resultado confirma la hipótesis de la importancia

de la cubierta para el contexto geográfico y climático analizado. Sin embargo, se

resalta la importancia de los corredores puesto que generan una ampliación del

área útil con espacios ventilados, a la sombra y de bajo costo.

Los cielos rasos, cuando generan una cámara de aire ventilada mejoran

significativamente la temperatura interior. Si el volumen de la cámara de aire del

cielo raso se aumenta mediante el diseño de espacios tipo ático, se logra una

reducción adicional de la temperatura interior durante las horas calientes, pero

ésta no parece justificarse en términos de la relación costo beneficio (tabla 24).

Finalmente, el volumen interior, el cual puede crecer al modificar el ángulo de la

cubierta, tiene un efecto importante en la temperatura del espacio. Teniendo en

cuenta la baja incidencia en los costos de esta modificación (tabla 6), junto con la

orientación esta es la estrategia más eficaz en términos de la relación costo

beneficio.

10.4 Temas de investigación que surgen de este trabajo

Como se mencionó, el presente trabajo tiene como punto de partida la propuesta

de profundizar en el conocimiento de las condiciones geográficas, climáticas y

culturales de la región del trópico con el fin de generar proyectos que respondan a

este contexto y que deriven su forma de estas fuerzas que moldean la

79

arquitectura. Este camino puede abrir vetas de investigación que generen

innovaciones en modelos de ocupación del territorio, en técnicas constructivas y

en soluciones espaciales (ilustración 33).

Por otra parte, este trabajo también hace parte del desarrollo de metodologías de

diseño que permitan establecer criterios de habitabilidad adecuados, y proponer

estrategias de diseño para lograrlas dentro de parámetros de sostenibilidad. En

este campo todavía hay bastante por profundizar en el contexto de nuestra región.

Valdría la pena, por ejemplo, incorporar una variable de huella energética y de

carbono en el índice propuesto y revisar si se presentan variaciones significativas

en los resultados. Este trabajo requeriría realizar la valoración del consumo de

energías no renovables y emisiones de dióxido de carbono para los diferentes

materiales ensayados.

Ilustración 33 La Casa Mariposa, localizada en el estado de Alabama, EEUU. Diseñada y construida

por Samuel Mockbee y estudiantes de la Universidad de Alabama dentro del programa de trabajo con las comunidades pobres propuesto por el Rural Studio. La casa, de entramado ligero, integra variables climáticas, culturales y económicas en su diseño. En su construcción se utilizan materiales reciclados y la cubierta permite recoger agua lluvia para ser utilizada por los propietarios de la casa. El espacio principal no tiene cerramientos en las paredes para tener la máxima ventilación. (Oppenheimer, 2002).

80

Esta lógica de interacción de variables es una manera de enriquecer la práctica

arquitectónica, al exigir que las soluciones propuestas respondan de manera

equilibrada a un grupo diverso de determinantes y, de esta manera, generen

proyectos más adecuados al contexto para que el que están previstos.

Por otra parte, es muy importante poder verificar los resultados que aquí se

presentan mediante la elaboración de un modelo experimental en el que se tomen

mediciones reales de temperatura en un espacio con condiciones similares a las

establecidas en este trabajo.

Finalmente es importante señalar que en el desarrollo de la investigación para

este trabajo se encontraron vacíos en cuanto a la sistematización climática

nacional, así como en la caracterización de los materiales y sistemas constructivos

producidos. Sin esta información, no se cuenta con el fundamento necesario para

realizar los ejercicios de evaluación del desempeño energético de los proyectos.

81

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