LA TAPIA COMO APLICACIÓN BIOCONSTRUCTIVA: MONITORIZACIÓN Y SIMULACIÓN DE UN EDIFICIO OCUPADO EN

CLIMA MEDITERRÁNEO Y EXPERIMENTACIÓN CON ADITIVOS NATURALES USANDO (ENERGY PLUS?)

PROYECTO DE TESIS DOCTORAL

Autor: Míguel Ángel Mellado Mascaraque

Director: Francisco Javier Castilla Pascual

UCLM – Junio2016

_2

índice__________________________

pg 2_________ Presentación

4_________ Estado de la Cuestión

10_________Objetivos

10_________Ámbito de Estudio

11_________ Plan de Trabajo

13_________Necesidades y Medios

14_________Bibliografía

1 BRAUNGART, M. AND W. MCDONOUGH Cradle to Cradle. Re-making the way we

make things. Edition EEUU: North Point Press, 2002. 2 Sir Ebenezer Howard (1850-1928), fundador del movimiento urbanístico de la

Ciudad Jardín.

Presentación___________________

“Rather than being designed around a natural and cultural landscape,

most modern urban areas simply grow, as has often been said, like a

cancer, spreading more and more of themselves, eradicating the living

environment in the process, blanketing the natural landscape with layers

of asphalt and concrete” 1

Braungart y McDonough ilustran así su idea de las grandes urbes en la

actualidad. Da igual donde vayas, pues es muy probable que te encuentres

con el panorama descrito en estas líneas: ciudades que cada vez colaboran

menos en su entorno, que se aíslan como antiguas aldeas medievales tras

muros de ladrillo y hormigón llamados PAUs. La pesadilla de Howard2. El

sector de la construcción es responsable del 40% de las emisiones mundiales

de CO23. Esto es: en la producción de materiales como el aluminio, el acero,

el hormigón y diversos plásticos. También la polución está ocasionada por

el necesario transporte para el traslado de estos materiales. En los últimos

años hemos empezado a medir estos valores y a incluirlos en el concepto

de “Energía embebida, gris o incorporada”, y así medir la huella ecológica

de todos los materiales. Ésta parece ser excesivamente alta para la gran

mayoría… hasta que ponemos nuestra atención en la tierra.

3 Informe Energy Efficiency in Buildings en 2009 del Consejo Empresarial Mundial

para el Desarrollo Sostenible. En Francia, por ejemplo, el 23,5% de los gases

invernaderos son debidos a la construcción según un informe del Ministerio de

Ecología, Desarrollo y Energía en 2013.

_3

La tierra es la Tierra. La llamamos así porque brota de nuestro planeta.

Más que abundante es omnipresente. Tanto que la encontramos en cualquier

lugar del mundo. Tan natural que es uno de los cuatro elementos de la

naturaleza. Sin la tierra podríamos decir que la arquitectura no existiría4.

Su uso se pierde en la historia del tiempo, durante milenios.

La tierra es económica, es ecológica, aguanta incólume el paso del tiempo.

Así los ejemplos que se conservan mundialmente en pie avalan su calidad

como elemento en la construcción. Desde la arquitectura popular, que puede

verse allá donde vayas, hasta la arquitectura defensiva, como las

maravillosas murallas de la Alhambra. Cuando nos centramos en Castilla-La

Mancha, la mayoría de las construcciones son de tierra. Aunque en los

últimos años estamos intentando reconciliarnos con el material y diversos

expertos trabajan en su rehabilitación y su difusión, el público lo considera

arquitectura para pobres, ignorando sus demostradas buenas propiedades

sostenibles y su indudable amistad con el Paisaje.

La tierra no tiene tan buenas propiedades de aislamiento térmico como se

ha dicho legendariamente (Maldonado et al., 2001). De hecho, es un material

muy efectivo cuando analizamos su capacidad de absorción y expulsión

térmica (Ip y Miller, 2009), y su idoneidad para mantener las temperaturas

relativamente estables debido a su efecto como masa térmica. Aun así, este

método pasivo queda eclipsado por la demanda energética necesaria para

4 . De acuerdo con la ONU, se estima que un 30% de la población mundial todavía

vive en casas construidas con tierra cruda. (Parra-Saldivar et al. 2006). 5 Los adobes pueden llegar a tener un coeficiente de transmisión térmica hasta

tres veces menor, debido a su combinación con fibras vegetales.

alcanzar el confort térmico en la gran mayoría de las provincias españolas

(Maldonado et al., 2001; Cavero et al. 2012; Jové, 2013), haciendo

imprescindible el uso de instalaciones mecánicas que, a su vez, contaminan.

Conseguir que los edificios de tierra cumplan con las exigencias de la

normativa no es tarea fácil, y, además del color y de la orientación también

podemos usar aditivos para así reducir su coeficiente de transmisión

térmica5. De esta manera evitaríamos el uso de aislamientos artificiales que

provocan una gran proporción de las emisiones de CO2 y son necesarias

grandes cantidades de energía para su producción.6

Fig. 1 Comportamiento higrotérmico de un muro (Fuente: Allinson & Hall, 2010)

6 Pg. 14 de este documento: tabla que muestra la energía embebida, las emisiones

de CO2 y la densidad media de los materiales más importantes.

_4

Y son diversos los estudios que recientemente han demostrado que la tierra,

así como otros materiales naturales, tiene un gran potencial higrotérmico,

concepto en el que también se tiene en cuenta la capacidad para regular la

humedad en un interior. No solo eso, pues la absorción y adsorción7 de

moléculas de agua inducen cierto calor latente que puede tener un impacto

en el comportamiento térmico del material (McGregor et al., 2016).

Por eso, se hace evidente la realización de una demostración más exhaustiva

de las propiedades higrotérmicas de la tierra (Woloszyn et al., 2015)8. A

través de herramientas informáticas de simulación energética como Energy

Plus, Power Domus o Wufi Plus podemos averiguar estos valores. Los

ensayos en el laboratorio del Edificio Politécnico de Ciudad Real y la

monitorización de un ejemplo construido y en uso en Castilla-La Mancha nos

permitirán contrastar parámetros con la simulación y proponer mejoras

usando aditivos naturales.

7 En inglés se habla de “sorption” para englobar el proceso simultáneo de

absorción y adsorción.

Estado de la Cuestión________

En la siguiente tabla expongo una buena parte de las investigaciones que

se han realizado durante el siglo XXI y se asemejan al tema en cuestión,

presentadas por orden cronológico. Así, se muestran los estudios que han

realizado ensayos, monitorizaciones y/o simulaciones, sin reparar en el

material de construcción principal. Entre todos los datos expuestos sobre

los estudios, nos centramos en:

- Los que se realizan sobre edificios ocupados y de tierra

- Los que hacen uso de aditivos

- El clima en el que se situaban los ejemplos

- La herramienta informática utilizada

De esta forma, puedo concluir que no existe ninguna monitorización sobre

edificios ocupados de tierra en el clima de Castilla-La Mancha. Así mismo,

ninguna de las investigaciones contempla la posibilidad de incluir datos de

laboratorio del estudio con aditivos en una simulación informática.

Tras la tabla, creo necesario incluir otras publicaciones. Éstas hablan de

Energía Embebida, aditivos y otras materias que ayudan a la comprensión

del material y a su profundización. También incluyo una selección de grupos

de investigación, asociaciones, organizaciones, nacionales e internacionales,

que se dedican a la construcción con tierra y a su exploración y difusión.

8 “It appears clearly that additional researches are needed to analyze and quantify precisely the hygrothermal behavior of rammed earth walls, and their

impact on indoor conditions”. Cita que aparece en el abstract del artículo.

_5

TÍTULO + AUTOR/A/ES AÑO –

UNIVERSIDAD

TIPO

CONSTRUC.

TIPO

ESTUDIO

TIPOS

ENSAYO

DURACIÓN CLIMA SOFTWARE O

MÉTODO

FUENTE

Rendimiento y coste energético en la construcción de

cerramientos de fábrica de adobe y tierra comprimida.

L. Maldonado, F.J. Castilla, F. Vela Cossío

2001 – UPM BTC y adobe Ensayos Construc. 1:1

muros en

lab.

Continental /

Mediterráneo

(Segovia)

Informes de la

Construcción

Vol 53, nº473

pg 27-37

Energy efficiency and thermal comfort analysis using the

Powerdomus hygrothermal simulation tool.

N. Mendes, R. Oliveira, G. H. dos Santos

2005 – Univ

Católica de

Paraná (Brasil)

ladrillo Simulación Subtropical

(Curitiba,

Brasil)

Power Domus 2.0 9th International

IBPSA

Conference

Thermal behavior of adobe constructions.

M.L Parra Saldivar, W. Batty

2006 –

Cranfield Univ

(UK)

Adobe Simulación Simulac.

Edificio

ocupado

Días

sueltos

Tres

diferentes

de México

TAS (Thermal

Analysis

System)

Building and

Environment

Vol 41, nº12,

pgs 1892-1904

Comparison of the summer thermal performance of three

test buildings.

K. Heathcote

2007 – UTS

(Sidney,

Australia)

1. ladrillo

2. adobe

3. sol. ligera

Ensayos +

monitoriz.

Construc. 1:1

4,5m2

9Enero07

13dic-

22ene..

Templado

(Sidney,

Australia)

Admittance

method //

DS19121

Thermocron

Autor: Dr. Kevan

Heathcote

Energy use and thermal comfort in a rammed earth

office building.

P. Taylor, R.J. Fuller, M.B. Luther

2008 – CSU

Australia

Tapial Monitoriz. Edificio

ocupado

Ver: 28d

Inv: 38d

en 2001

Templado

(Thurgoona

Australia)

TRNSYS

//

Betatherm y

Campbell

Energy and

Buildings

Vol 40, nº5

Pgs 793-800

Building leakage, infiltration, and energy performance

analyses for Finnish detached houses.

J. Jokisalo, J. Kurnitski, M. Korpi, T. Kalamees, J. Vinha

2009 – HTU

(Finlandia)

Casa aislada

en parcela,

madera

Monitoriz. +

Simulación

Simulac.

Edificio

ocupado

3 semanas Continental

Frío

(Finlandia)

IDA-ICE Building and

Environment

Vol 44, nº2,

pgs 377-387

Thermal behaviour of an earth-sheltered autonomous

building: The Brighton Earthship.

K. Ip, A. Miller

2009 – UdB

(Brighton)

Earthship Monitoriz. Earthship

Brighton

(ocupado)

1 año

(2005)

Atlántico

(Brighton,

Reino Unido)

Renewable

Energy

Vol 34, nº9

Pgs 2037-2043

Hygrothermique du bâtiment: expérimentation sur une

maison à ossature bois en conditions climatiques

naturelles et modélisation numérique.

A. Piot

2009 – INSA

Lión

Estructura de

madera

Monitoriz. +

Simulación

Casa

prefabricada

desocup.

6-17

noviembre

2008

Atlántico

(Lión,

Francia)

HAM-TOOLS Tesis Doctoral

On coupling 1D non-isothermal heat + transfer in porous

materials with a multizone building energy sim. Model

M. Steeman, A. Janssens, H.J. Steeman, M. Van

Belleghen

2010 – Univ.

Gante (Bélgica)

Techo con

yeso

Simulación Atlántico

(Uccle,

Bélgica)

TRNSYS-HAM Building and

Environment

Vol 45, nº4,

pgs 865-877

The thermal performance of earth buildings.

K. Heathcote

2010 – UTS

(Sidney,

Australia)

1. adobe

2. ladrillo

Ensayos +

monitoriz.

Construc. 1:1

4,5m2

Enero,

Marzo,

Mayo

Templado

(Sidney,

Australia)

Admittance

method //

DS19121

Thermocron

Informes de la

Construcción

Vol 63, nº523

pg 117-126

_6

Hygrothermal analysis of stabilised rammed earth test

building in the UK.

D. Allinson, M. Hall

2010 – Univ.

Loughborough

y Nottingham

(Reino Unido)

Tapial

(Stabilised

Rammed Earth)

Monitoriz. +

simulación

Lab + edificio

desocupado

10 meses

monitor.

Atlántico

(Leicestershi

re, Reino

Unido)

WUFI Plus

//

TinyTag Sensors

Hilton B480

Energy and

Buildings

Vol. 42, nº6

Pgs 845-852

Comportamento térmico de construçoes em alvenaria de

adobe: ensaios experimentais sobre 3 células escala 1:4

T. Meneses, R. Vicente, A. Costa, A. Figueiredo, H

Vartum, N. Soares

2010 – UA

(Aveiro,

Portugal)

1. BTCs lab

2. BTCs

cortados

3.BTCs +

corcho

Monitoriz. Lab (metidas

en cajas

adiabáticas)

1 mes

(mayo)

Atlántico

suave

(Aveiro,

Portugal)

//

Data logger ICP

PT100 sensores

VII Congreso de

Tierra en Cuenca

de Campos

(Valladolid)

Comportamiento termodinámico de muros de BTC en

función del clima.

D. Cavero, F. Jové

2012 – UVA

(Valladolid)

1. BTC 40cm

2. Cannabric

3. sol. Ligera

4. convenc.

Monitoriz. Construc.

Muros 1:1 en

lab.

Continental /

Mediterráneo

(España)

Energy Plus IX Congreso de

Tierra en Cuenca

de Campos

(Valladolid)

Análisis del comportamiento térmico de los muros de BTC

aplicado a programas de vivienda social y sostenible.

F. Jové

2013 – UVA

(Valladolid)

1. BTC 40cm

2. Cannabric

3. sol. Ligera

4. convenc.

Monitoriz. Construc.

Muros 1:1 en

lab.

Continental /

Mediterráneo

(España)

Energy Plus Libro: Habitat

social digno,

sostenible…

pgs169-178

Simulating combined heat and moisture transfer (HAMT)

with Energy Plus: An uncertainty study and comparison

with experimental data.

C. Spitz, M. Woloszyn, C. Buhé, M. Labat

2013 – UdS

(Savoya)

Estructura de

madera

Monitoriz. +

simulación

Lab + edificio

desocupado

21 días (1-

22 feb

2012)

Atlántico /

Mediterráneo

(Grenoble,

Francia)

Energy Plus

// Campbell

data loggers +

RHT sensors

13th Internat.

IBPSA

Conference

Thermal comfort of global model earthship in various

European climates.

M. Freney, V. Soebarto, T. Williamson

2013 – Univ.

Adelaide

(Australia)

Earthship Monitoriz. +

simulación

Earthship

Taos

(ocupado)

1 año

(2012)

Diversos

climas

Energy Plus

+ ecuaciones

13th Internat.

IBPSA

Conference

Simulation of coupled hear, air and moisture transfers in

an experimental house exposed to natural climate.

M. Labat, M. Woloszyn, G. Garnier, A. Piot, J-J. Roux

2013 – CETHIL

Y CSTB

(Francia)

Estructura de

madera

Monitoriz. +

simulación

Edificio vacío

20m2

15 días Atlántico /

Mediterráneo

(Grenoble,

Francia)

HAM-Tools 13th Internat.

IBPSA

Conference

Tapial de Corcho Natural.

F. Massó Ros

2014 – UdG

(Gerona)

Tapial / BTC +

corcho

Ensayos Probetas Ecohabitar nº41

primavera 2014

A procedure to Measure the in-situ hygrothermal

behavior of earth walls.

P-A. Chabriac, J-C. Morel, A. Fabbri, J-P. Laurent

2015 – varias

univs Francia +

Reino Unido

Tapial Monitoriz. Construc.

Muro en lab.

130 días TDR Principle

(Time Domain

Reflectometry)

Materials

Vol. 7, nº4

Pgs 3002-3020

Hygrothermal behavior of hemp concrete; Experimental

evidences and modelling.

A. Fabbri, H.K. Wong, F. Sallet, J-C. Morel

2015 – UdL

(Lyon)

Cannabric

(Tradical PF70)

Monitoriz. Construc.

Muro en lab.

A 10 días

B 20 días

VII International

Conference on

Computational

Methods…

Effect of wall construction materials over indoor air

quality in humid and hot climate.

M.K. Nematchoua, R. Tchinda, J.A. Orosa, W.A. Andreasi

2015 -

Camerún,

España, Brasil

Parpen wall

(piedra) +

adobe

Monitoriz. 15 edificios

oficinas

1 año

(2012)

Tropical

Húmedo

(Camerún)

Termoanemómetr

o (C.A 1226) y

más

Journal of

Building Eng.

Vol 3 (2015),

Pgs 16-23

_7

Tabla 1. Investigaciones relacionadas: monitorización y simulación de edificios

(Fuente: Elaboración propia)

Thermal performance summary of four rammed earth

walls in Canadian climates.

C. MacGougall, K.J. Dick, T.J. Krahn, T.Wong

2015 - Canadá 1.paja+tapia

2.paja+BTC

3.tapia + aisl.

Monitoriz. Edificios

ocupados

5 meses

(ene-may

2012)

Continental

ártico

(Ontario,

Canadá)

Termopares y

otros

First Internat.

Conference on

rammed earth

construction

(Australia)

Investigation of energy performance of a rammed earth

built commercial office building in three different climate

zones of Australia.

M.M. Hasan, K. Dutta

2015 -

Australia

10 distintos,

incluyendo

tapial

Simulación Subtropical

Tropical

Templado

(Australia)

Energy Plus

First Internat.

Conference on

rammed earth

construction

(Australia)

General methodology applied to monitoring a building to

assess its energy performance.

R. Felices, C. Viñas, J-C. Losada

2015 – ETSEM

UPM

Tapial Monitoriz. Centro

Educación

Medioam.

Pozuelo

Continental /

Mediterráneo

(Madrid)

//

Data logger

OPUS208

III Internat.

Congress on

Construction &

Building

Research(UPM

Madrid)

Energy Simulation of Bioclimatic strategies in vernacular

arch.: solar rad. and thermal mass…

B. Montalbán

2015 – UNEx.

14-16dic2015

Madera y

piedra

Simulación

(intercamb.

Calor +

solar)

Montaña

(El Valle,

Cáceres)

Energy Plus

III Internat.

Congress on

Construction…

(UPM Madrid)

Experimental design, monitoring and analysis of the

thermal behavior of ETCS in retrofitting...

S. Varela, C. Viñas, A. Rodríguez

2015 – UPM

Sistema ETICS

restauración

Monitoriz.

(comp.

Térmico)

Edificio en

San Cristóbal

(Madrid)

Un mes

(marzo)

Continental /

Mediterráneo

(Madrid)

III Internat.

Congress on

Construction…

(UPM Madrid)

Tierra y arquitectura sostenible en el Alto Atlas de

Marruecos

J.M. López Osorio

2016 – UMA

(Málaga)

Hormigón y

tierra

(comparación)

Monitoriz. Viviendas

habitadas y

no habitadas

3 meses

(abril-junio)

Montaña

(Alto Atlas,

Marruecos)

II Seminario

Internac.

SOSTierra (UPM)

_8

Otras publicaciones relacionadas

- “Embodied energy assessment of rammed earth construction in Pozuelo de

Alarcón” – F.J. Castilla, A. Baño

Este artículo aparece en el libro “Rammed Earth Conservation” y fue parte

del Congreso organizado por RESTAPIA en Valencia en 20129. Además de

explicar la construcción de los muros de tapia en el Aula de Educación

Ambiental de Pozuelo, se realiza un análisis de la Energía Embebida de

estos muros, cuyo valor es 2755MJ/m3, tres veces menor que la del

hormigón. También nos da algunos datos sobre estudios anteriores que

tratan este mismo tema:

“Former studies show that the embodied energy of earth buildings is

between 30% (Trealor 2001) and 50% (Pachecho & Jalali 2012) less than

conventional brick cavity wall and/or reinforced concrete structures”.

- “Stabilized Rammed Earth Incorporating PCM: Optimization and Improvement

of thermal properties and Life Cycle Assessment” – S. Serrano, C.

Barreneche, L. Rincón, D. Boer, L.F. Cabeza

Artículo en la revista Energy Procedia, publicado en 2012 y que fue parte

de un congreso celebrado en San Francisco (EEUU)10. La mayoría de los

autores pertenecen al Grupo de Investigación GREA de la Universidad de

9 MILETO, C., VEGAS, F., CRISTINI, V. Rammed Earth Conservation, 1st

International Conference on Rammed Earth Conservation. 2012. Pg481-486. 10 1st International Conference on Solar Heating and Cooling for Buildings and

Industry (Shc 2012). 11 CIANCIO, D., BECKETT, C. Rammed Earth Construction: Cutting-edge research on

traditional and modern rammed earth. First International Conference on Rammed

Lleida. Se añaden materiales de cambio de fase (PCM) a tres tipos de tapia

estabilizadas de forma distinta, sobre los cuales se realizan tests a

compresión y térmicos. Tras esto, se realiza un LCA (Life Cycle

Assessment) sobre las tres mezclas, evaluando el impacto medioambiental

durante el proceso de producción de todos los componentes: “The selection

of the stabilizer can increase the embodied energy of rammed earth due

to the extraction and production processes”

- “Improved thermal capacity of rammed earth by the inclusion of natural

fibers” – G. Barbeta y F.X.Massó.

Artículo que aparece en el libro “Rammed Earth Construction” y fue parte

del Congreso organizado en Australia Occidental en 201511. Se realiza una

investigación acerca de la mejora de la capacidad térmica de las tapias a

través de aditivos naturales añadidos a la mezcla de tierra.

Se efectúan tests de contracción lineal, rotura a compresión y numerosos

tests térmicos. Estos se hacen sobre los siguientes aditivos: virutas de

corcho, arlita y otras arcillas expansivas como la perlita y la vermiculita,

cáscaras de almendra, huesos de aceituna y fibras marrones. Una idea para

la presente tesis es coger aditivos presentes en el lugar de estudio, de

manera que evitemos el transporte y nos sirvamos de lo local.

Earth Construction. Perth and Margaret River (Australia Occidental), 2015, p. 35-

40.

_9

- “A review on the buffering capacity of Earth Building Materials” –

F. McGregor, A. Heath, D. Maskell, A. Fabbri, J-C. Morel

Publicado en enero de 2016 en la revista Construction Materials. Se centra

en la capacidad de absorción y expulsión de agua de la tierra, propiedad

que, a su vez, induce calor latente, y que puede significar un gran impacto

en el comportamiento térmico del material. E incluso mejorarlo.

En este artículo recordamos algunas ideas como la siguiente. En 1996,

Mahdavi y Kumar critican el acondicionamiento mecánico de los espacios

interiores, pues presentaban en general un rendimiento pésimo. “Los

métodos pasivos están olvidados”. Actualmente, la situación ha mejorado,

pero no lo suficiente. Finalmente, una de las conclusiones dice: “Earth

plasters have a moisture uptake after 8h that ranges from 30 to

70g/m2, and their performance could potentially be improved with the

addition of organic and mineral aggregates such as hemp (cáñamo),

pumice (piedra pómez), or perlite (perlita).” Con estas palabras vuelvo a

hacer énfasis en la investigación con aditivos naturales es importante para

la mejora higrotérmica de la tierra.

Grupos de investigación, asociaciones, organizaciones, etc.

- Medioambiente y Eficiencia Energética en Edificación. Grupo de

Investigación de la Universidad de Castilla-La Mancha cuyo responsable es

el Dr. Fco. Javier Castilla Pascual.

- Materiales y Construcción Sostenible. Grupo de Investigación de la

Universidad de Girona, al cual pertenece el Dr. Gabriel Barbeta.

- GrupoTierra. Grupo de Investigación de la Universidad de Valladolid, cuyo

director es el Dr. Félix Jové Sandoval.

- GREA Innovación concurrente. Grupo de investigación alojado en el Edificio

CREA de la Universidad de Lleida.

- Centro de Investigación de Arquitectura Tradicional (CIAT). Perteneciente

a la UPM y al Ayuntamiento de Boceguillas, en Madrid.

- SOSTierra. Proyecto de Investigación dedicado a la rehabilitación de

arquitectura tradicional de tierra perteneciente a la Universidad Politécnica

de Valencia, cuyos responsables son la Dra. C. Mileto y el Dr. F. Vegas.

- CRAterre, Universidad de Grenoble. Fundado en 1979. Única universidad en

el mundo que ofrece un Posgrado en Arquitectura de Tierra.

- BRE CICM (Centre for Innovative Construction Materials). Universidad de

Bath en el Reino Unido.

- TerraIncognita. Proyecto de Investigación financiado por la Unión Europea

en colaboración con universidades.

- VerSus. Proyecto de Investigación financiado por la Unión Europea en

colaboración con universidades.

- Rammed Earth Consulting. Empresa británica dirigida por R. Keable que se

dedica a la construcción contemporánea de arquitectura de tierra.

- LehmTonErde. MargaArcillaTierra. Empresa austríaca dirigida por M. Rauch

que se dedica a la construcción contemporánea de arquitectura de tierra.

- International Building Performance Simulation Association. Asociación

cuya meta es la mejora del entorno construido a través de la simulación

informática. España tiene su filial.

_10

Objetivos______________________ Ámbito de Estudio______________

Esta investigación tiene tres objetivos principales.

Por un lado, la evaluación de las propiedades higrotérmicas de las

construcciones de tapia a través de la monitorización y el posterior

contraste de los datos obtenidos con una simulación informática. Es muy

posible, como se demuestra en otros estudios, que la demanda energética

para alcanzar el confort térmico sea alta, no cumpliendo normativas vigentes.

La obtención de datos a través de los ensayos de laboratorio con aditivos

y la realización de simulaciones posteriores usando esos mismos datos nos

aportará información para mejorar el material y/o el sistema de construcción.

Por otro lado, realizar un estudio que se centre en la mejor manera para

usar estos aditivos, fijándonos en el posicionamiento, ya sea añadiéndolos a

la mezcla o realizando capeados sólidos.

Finalmente, se demostrarán los bajos costes energéticos, o, en otras

palabras, la poca Energía Embebida de la tierra y del nuevo material y/o

sistema que se pudiera generar a raíz de esta investigación, teniendo lo

local siempre presente. Así, se tendrá en cuenta el ámbito de estudio elegido

a la hora de obtener resultados sobre aditivos específicos de la zona, y se

incorporarán al estudio sobre la huella ecológica del material.

Con todo esto, pretendo aportar mi granito de arena para que volvamos a

tener en cuenta este material como otro cualquiera en la actualidad, e

incluso se tome como un ejemplo bioclimático para los demás materiales.

La bioconstrucción, sostenibilidad y entorno van de la mano. No es

sorprendente que desde el primer momento de empezar a estudiar

arquitectura se tenga en cuenta el lugar como factor primordial, como

generador de condicionantes para proyectar. Las infraestructuras que hemos

creado desde la Revolución Industrial nos han dado numerosas ventajas, pero

también nos confunden al discernir lo que es un capricho de lo que no lo

es. En el ámbito de los materiales, ¿es necesario utilizar caoba brasileña o

mármol de Carrara? ¿Cómo de caro, medioambientalmente hablando, nos sale

una operación de este tipo? Casi todo lo que necesitamos lo podemos

encontrar de manera local, y este es un punto fuerte de la tierra.

Para una correcta definición de todas las partes de esta tesis, es necesario

definir el lugar donde se llevará a cabo la monitorización. Es de vital

importancia tener en cuenta el clima para las simulaciones que se realizarán

a continuación, así como para la elección del posible aditivo con el que

podríamos lograr una mejoría en las propiedades de la tierra.

Como ya he mencionado en la presentación, Castilla-La Mancha presenta un

gran número de ejemplos de arquitectura con tapial. Campo de Criptana,

pueblo de Ciudad Real famoso por sus molinos quijotescos, es el pueblo

elegido para la realización de este trabajo. Debo reconocer el fuerte apego

personal hacia este pueblo, siendo muchos de mis antepasados de allí y

teniendo el apoyo del Ayuntamiento. Sin embargo, no debemos olvidar que el

Laboratorio de Materiales, donde realizaré los ensayos, está en Ciudad Real.

_11

Plan de Trabajo______________

A continuación, explicaré el desarrollo de la investigación en cuestión. La

dificultad en la obtención de Contratos Predoctorales o Becas para su

financiación provoca un planteamiento a media jornada, por lo que el Plan de

Trabajo será de cinco años, como expone la vigente normativa. Si en un

futuro el proyecto fuera financiado de alguna manera, este desarrollo se

adaptaría a tres años.

Primer año – Recopilación de datos; lectura de artículos de investigación y

otros recursos necesarios; búsqueda de edificios ocupados que podrían ser

sujetos de monitorización. Toma de contacto con el lugar.

Segundo año – Monitorización y Simulación Informática

Las monitorizaciones que he expuesto anteriormente tienen duraciones muy

distintas. Por eso, la duración en esta investigación no está determinada

por el momento, pero siempre será más fiable cuanto mayor sea el periodo

de tiempo abarcado. Será el usuario del edificio el que predetermine este

factor. La recolección de aparatos e instrumental está contemplada durante

los primeros meses de este año.

Una vez instalado todo el equipo para la monitorización, solo será necesario

realizar visitas puntuales al lugar de estudio para comprobar que todo está

en orden. Esto me permite realizar otra parte de la investigación de forma

simultánea: el diseño virtual de un edificio que tenga las mismas

características que el monitorizado y se asemeje lo más posible al original.

Una vez hecho esto, tendré que esperar a la finalización de la monitorización

para poder hacer la simulación y comprobar que es correcta y que no

presenta diferencias importantes como para obtener resultados irreales.

Fig. 2 Colocación de los sensores en el muro de tapia (Fuente: Meneses et al., 2010)

Es necesario explicar que, previa a la simulación, tendré que formarme en

el uso del programa elegido. Energy Plus, que a su vez contiene una

herramienta de diseño llamada DesignBuilder, es el programa que más se ha

utilizado en los últimos años para llevar a cabo investigaciones parecidas.

Sin embargo, no descarto la posibilidad de utilizar otros programas como

WUFI Plus o HAM-Tools.

La comparación con edificios de materiales distintos a la tierra es

interesante. A pesar de esto, es muy complicado encontrar dos edificios que

_12

presentan materiales de construcción distintos pero cuyas características

formales y condiciones climáticas sean exactamente iguales. Se podrían

realizar pequeñas construcciones y compararlas, pero no estarían ocupadas

y los resultados no serían los mismos. Por eso, me ciño a un edificio habitado

de tierra y profundizo en sus propiedades sin necesidad de comparar.

Tercer año – Experimentación con aditivos y Estancias

Teniendo los resultados de la simulación y habiéndolos contrastado con la

monitorización, llegará el momento de los ensayos de laboratorio. La

construcción de muros a escala 1:1 será conveniente para poder estudiar los

aditivos naturales planteados. Éstos los encontraremos en Campo de

Criptana y sus alrededores, ciñéndonos a la premisa “siempre local”.

Lo interesante no serán los aditivos en sí, ni cual funciona mejor o peor,

pues ya existen investigaciones que van por este camino (Barbeta et al.

2015). Lo interesante será el posicionamiento. Por eso probaremos un máximo

de tres aditivos, de las siguientes maneras: mezclado con la tierra o en

masa, que implicaría realizar tests de resistencia; proyectado al muro por

el interior y por el exterior, o solo por uno de los lados; y realizando un

capeado sólido, independiente al muro. Es posible que se consideren otros

posicionamientos durante el transcurso de la investigación. El grosor de

estas capas también será determinante. Los datos obtenidos a través de

probetas y cajas térmicas serán introducidos en la simulación realizada

anteriormente con el fin de proponer mejoras, ya sea al material o a un

sistema de construcción como el tapial.

Cuarto año – Energía Embebida

Uno de los objetivos primordiales de esta tesis es demostrar las buenas

propiedades que tiene la tierra y dar un paso más para volver a situar la

tierra como uno de los materiales de construcción principales, al lado de

otros como el hormigón, el acero, el plástico, etc. Una vez estudiadas las

propiedades higrotérmicas se dará paso a la Energía Embebida.

El estudio de la Energía Embebida, que supone el coste energético de todas

las etapas de vida de los materiales, es una demostración más de que la

tierra juega con mucha ventaja respecto a los demás materiales. Algunas de

estas ventajas son:

- no es necesario transportarla pues se encuentra allá donde construyas

- es ultra-abundante

- no hay que cocerla ni usar otros medios energéticos para su uso

- se puede reutilizar infinitas veces.

Creo necesario profundizar en este tema, ya que escojo un lugar, exploro

las características de una construcción, y experimento con aditivos

pertenecientes a este municipio. Todo está relacionado con “lo local”, y por

eso es importante definir el coste energético estimado de la construcción

del edificio monitorizado originalmente y de las mejoras propuestas con

aditivos. Además, es interesante hacer una estimación de la energía que

supondría utilizar otros materiales para construir ese mismo edificio,

señalando la situación de las fábricas de otros materiales y la Energía

Embebida que supondría utilizarlos para esa misma construcción.

_13

Material Energía

MJ/kg

Carbón

kg CO2/kg

Densidad

kg /m3

Conglomerado 0.083 0.0048 2240

Hormigón (1:1.5:3 ej. Losas in-situ, estruct.) 1.11 0.159 2400

Ladrillos (comunes) 3.0 0.24 1700

Bloque Hormigón (densidad media 10 N/mm2)) 0.67 0.073 1450

Tapial (sin cemento añadido) 0.45 0.023 1460

Mármol 2.00 0.116 2500

Acero (general – contenido reciclado medio) 20.10 1.37 7800

Acero Inox. 56.70 6.15 7850

Madera (general) 10.00 0.72 480 - 720

Aislamiento fibra vidrio (lana de vidrio) 28.00 1.35 12

Aislamiento poliuretano (rígido) 101.50 3.48 30

Baja de paja 0.91 100

Aluminio (general & incl 33% reciclado) 155 8.24 2700

Vidrio 15.00 0.85 2500

PVC (general) 77.20 28.1 1380

Tabla 2: Energía embebida, emisiones de carbono y densidad media de varios materiales (Fuente: SERT, Univ. De Bath, 2011)12

Quinto año – Redacción de tesis

Al ser un proyecto a media jornada, puede que algunos de los apartados

citados anteriormente puedan expandirse en el tiempo. Por eso cuento con

un año para la redacción de la tesis como tiempo más que suficiente para

reunir todo lo investigado.

12 Inventory of Carbon & Energy (ICE) v2.0, Sustainable Energy Research Team

(SERT), Universidad de Bath, 2011. Responsables: Profesores G. Hammond y C. Jones.

Necesidades y Medios_________

1. Edificio ocupado de tierra, probablemente de tapial al ser el sistema

que más encontramos en Campo de Criptana – Medio: Apoyo por

parte del Ayuntamiento que facilita la confianza hacia el usuario.

2. Aparatos de monitorización: termopares y data loggers – Medio:

proporcionados por la UCLM.

3. Software para la simulación informática: licencia, proporcionada por

la UCLM y formación. El COAM ofrece cursos de Energy Plus/Design

Builder dos o tres veces al año.

4. Tierra proveniente del lugar y su consecuente transporte al lugar

donde se realizarán los ensayos – Medio: Coche propio.

5. Ensayos de laboratorio – Medio: Laboratorio de Materiales en el

Edificio Politécnico de la UCLM en Ciudad Real.

6. Asistencias a Jornadas, Seminarios, Congresos…

7. Estancias en uno o varios de los centros que investigan sobre

arquitectura de tierra, aditivos y energía embebida:

a. CRAterre, en la Universidad de Grenoble en Francia.

b. BRE CICM, en la Universidad de Bath en Reino Unido.

c. Universidad de Girona, en el Grupo de Investigación

“Materiales y Construcción Sostenible”.

d. Universidad de Lleida, en el GREA.

_14

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