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EVALUACIÓN DEL MEJORAMIENTO DEL CONFORT TÉRMICO CON LA INCORPORACIÓN DE MATERIALES SOSTENIBLES EN VIVIENDAS EN AUTOCONSTRUCCION EN BOSA, BOGOTA, parte 1

En este artículo se evalúa cómo la incorporación de materiales sostenibles mejoró el confort térmico en un hábitat en proceso de autoconstrucción, en el barrio San José de Bosa, en Bogotá, Colombia.

 

El problema del confort se ha abordado como una condición fundamental del hábitat que responde a una necesidad de cobijo, de tener un espacio propio, sin importar la forma en que este espacio responda a las variables climáticas. Por otra parte, el uso de materiales sostenibles ha ido incorporando beneficios ambientales, en especial en las grandes ciudades, debido a los altos índices de contaminación actuales. En los barrios periféricos, como el aquí abordado, el cemento, el ladrillo y el acero son los materiales más usados en la construcción. Concretamente, se expone en lo que sigue un estudio de caso en el que se hicieron mediciones periódicas con el objetivo de determinar el balance térmico y el modo en que los materiales empleados respondían a las condiciones climáticas existentes. Con el fin de optimizar no solo el confort térmico sino la sostenibilidad del hábitat, se incorporaron materiales sostenibles, para luego realizarse nuevas mediciones, a partir de las cuales se determinó que los nuevos materiales mejoraron el confort térmico del hábitat, al comprobarse un aumento de 6ºC en la temperatura media interior.

Este artículo es el resultado de un proyecto de investigación académico cuyo objetivo principal es el análisis térmico de un hábitat informal en proceso de autoconstrucción ubicado en Bosa, un distrito popular situado al sur occidente de Bogotá. El estudio determinó que, con la incorporación de una solución constructiva sostenible, es posible optimizar el confort térmico en un hábitat autoconstruido. El análisis térmico en esta tipología de vivienda informal no ha sido estudiado en Colombia, sin embargo hay antecedentes en este tema en otras ciudades latinoamericanas, como la de Guayaquil (Ecuador) donde se han llevado a cabo estudios de casos que revelaron que los materiales empleados, especialmente en la cubierta, no generaban confort térmico (Macias, Soriano, Sanchez y Canchingre, 2015).

El análisis comparativo de diferentes trabajos e investigaciones pudo determinar que en los países desarrollados se dan algunos factores diferenciadores: existe una normativa muy clara que obliga a las empresas constructoras a cumplir con unos estándares mínimos de calidad, sobre todo en torno a los materiales empleados, además de tener parámetros de evaluación del confort térmico y acústico. En algunos países en vías de desarrollo latinoamericanos se ha evidenciado que el hábitat popular y autoconstruido no tiene en cuenta aspectos bioclimáticos ni referidos al confort térmico, y que los materiales empleados son reutilizados o temporales, debido a la informalidad del hábitat construido.

El proyecto evaluó el mejoramiento del confort térmico en un hábitat autoconstruido, con materiales tradicionales, cemento, ladrillo, materiales reutilizados, tejas de zinc, tejas de asbesto cemento y elementos de madera, entre otros. Se reemplazaron los materiales existentes por elementos constructivos obtenidos a partir del reciclaje de envases de Tetrapak y aislamiento de origen vegetal. La investigación pudo determinar que el elemento constructivo que más afectaba el confort térmico del hábitat era la cubierta, por esta razón esta se reemplazó incorporando materiales sostenibles que fortalecieran el aislamiento térmico del hábitat y, por ende, aumentaran el confort térmico del interior del hábitat objeto de estudio.

ESTADO DEL ARTE

El confort térmico se define en la Norma ISO 7730 como “esa condición de la mente en la que se expresa la satisfacción con el ambiente térmico” (Robledo-Fava et al., 2019). Si bien esta definición se encuentra aceptada ampliamente, es difícil su traducción a parámetros físicos cuantificables. Básicamente, y en términos generales, el hombre califica un ambiente como confortable cuando ningún tipo de incomodidad térmica está presente. La primera condición de confort es la neutralidad térmica, lo que significa que la persona no se siente demasiado calurosa, ni demasiado fría (Godoy Muñoz, 2012).

En los últimos 30 años este concepto ha tomado un carácter muy relevante en el diseño y construcción de viviendas, producto de los avances de la ingeniería, de los sistemas de aire acondicionado y la climatización. Las diversas implicaciones sociales y de consumo energético que ello conlleva obligan a analizar y reinterpretar los modos tradicionales de vida en regiones con climas tropicales, y a buscar soluciones relacionadas directamente la arquitectura bioclimática. Por ejemplo, los edificios ventilados naturalmente no solo dan sensación de confort a los ocupantes y consumen menos energía, sino también están vinculados con su cultura, con una manera particular de entender la relación interior-exterior e, incluso, la privacidad (Godoy Muñoz, 2012).

Además de los aspectos bioclimáticos, es importante mencionar las teorías de Fanger, basadas en experimentos realizados a 1296 jóvenes en cámaras térmicas, en los que se usó modelos estáticos de transferencia de calor. En estos estudios, se analizó la ropa y la actividad de los participantes, mientras eran expuestos a diferentes ambientes térmicos. Los participantes debían indicar cómo se sentían en relación al calor y el frío, usando los siete puntos de la escala de sensación térmica de ASHRAE, de (-3) hasta (+3), que considera solo los valores enteros y donde los valores negativos representan la sensación de frío; los positivos, la de calor; y el valor 0, la sensación térmica neutral. Otra parte del estudio consistió en que los participantes controlaran las condiciones térmicas ambientales, ajustando estas hasta que se sintieran en confort. El modelo de Fanger combina las teorías de balance térmico con la fisiología y la termorregulación para determinar un rango de temperaturas de confort, en las cuales los ocupantes del edificio se sienten bien. De acuerdo con estas teorías, el cuerpo humano emplea procesos fisiológicos como sudoración, temblor y vasodilatación, con el objetivo de mantener el balance térmico entre el calor producido por el metabolismo y la pérdida de calor a través del cuerpo. Mantener este balance de calor es la primera condición para conseguir una sensación térmica neutral. Sin embargo, Fanger observó que el sistema termorregulador del hombre es tan eficiente que es capaz de crear equilibrio térmico dentro de amplios límites de variables ambientales, incluso aunque no exista confort (Godoy Muñoz, 2012).

Para ser capaz de predecir las condiciones en las que tiene lugar la neutralidad térmica, Fanger investigó los procesos fisiológicos del cuerpo que se suceden cerca de la neutralidad. Finalmente, determinó que los únicos procesos fisiológicos que influyen en el balance térmico en este contexto son: la temperatura media de la piel y la tasa de sudoración, procesos que están en función del nivel de actividad. Con posteriores investigaciones, Fanger obtuvo una relación lineal, justamente, entre nivel de actividad y tasa de sudoración. Otra investigación, donde participantes con una ropa estándar tomaban parte de una serie de pruebas dentro de una cámara térmica mientras realizaban cuatro niveles de actividad diferentes, sirvió para evidenciar una relación lineal entre nivel de actividad y temperatura de la piel. Tras sustituir estos dos valores por sus respectivas regresiones lineales en la ecuación de balance térmico, Fanger obtuvo su ecuación de confort, la cual predice las condiciones necesarias para que el ocupante sienta neutralidad térmica (Macias et al., 2015).

El análisis del confort térmico constituye un tema recurrente en los estudios de caso y los análisis de consumo de energía asociados a la sostenibilidad de una construcción. En los últimos cinco años se advirtió que los países en vías de desarrollo están empezando a incorporar conceptos de sostenibilidad asociaos a la resolución de problemas típicos de la región, como los sismos y el uso de materiales reciclados (Sekhar y Nayak, 2018). Un ejemplo de esta nueva tendencia es el desarrollo de un suelo construido sobre neumáticos reciclados que absorben los movimientos producidos por un terremoto, destinado a la construcción de hábitats en Ecuador.

Tradicionalmente, estos estudios se centraban en medir los espacios interior y exterior con el fin de determinar las características físicas de los materiales, consumos de energía relacionados con la normativa del país en el que se hiciera la investigación. Hoy, existe una creciente preocupación en Europa occidental de que un mayor aislamiento y estanqueidad de los edificios residenciales aumenta el riesgo de sobrecalentamiento. En tal sentido, Jones, Goodhew y de Wilde (2016) efectuaron el monitoreo de la temperatura de dos casas idénticas en el suroeste del Reino Unido que fueron construidas con bajos estándares de energía (Código para hogares sostenibles Nivel 5). Los datos de temperatura se examinaron utilizando los criterios establecidos de sobrecalentamiento estático (Guía CIBSE A) y un estándar de confort térmico adaptativo (BSEN15251). Se encontró que las casas pueden considerarse incómodamente cálidas durante el verano y corren el riesgo de sobrecalentarse. El estudio sugirió que el comportamiento de los ocupantes juega un papel importante en la reducción o aumento de las temperaturas internas.

Así también, se ha asociado el confort térmico al consumo de recursos naturales el cual afecta el medio ambiente de la región respectiva. Eso ocurrió en el estado de Jammu y Cachemira en la India, que experimentó una grave crisis energética debido a la baja disponibilidad de energía per cápita. Tal situación obligó a la población a un extensivo consumo de madera, que condujo a la deforestación del entorno, por lo que fue obligatorio avanzar hacia una estrategia energética sostenible completa. Un estudio (Ahmed, Qayoum y Mir, 2019) pudo determinar que un eficiente y sostenible aislamiento térmico de los edificios era una gran oportunidad para generar e incentivar el ahorro de energía. Este se centró en el uso de nuevos materiales aislantes que incorporan componentes reciclados y sostenibles. El uso constante de materiales aislantes en los edificios, no solo redujo el consumo de energía, sino que además redujo la emisión de gases de efecto invernadero y proporcionó un mejor confort térmico interior. De esta forma, se empleó aislantes naturales como lana de oveja, lana de cabra y crin de caballo, que se procesan y caracterizan mejor en términos de absorción de humedad, conductividad térmica, análisis termo-gravimétrico (TGA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC).

Entre otro de los trabajos revisados destaca el de Fernández, Domínguez, Alonso y Martín (2019), sobre confort térmico y calidad del aire interior (IAQ) en edificios residenciales con diferentes grados de hermeticidad, en dos climas en España. El proyecto comparó el comportamiento de las áreas ocupadas de día y las de noche. El IAQ de los edificios estudiados, erigidos antes de que las regulaciones de eficiencia energética estuvieran vigentes (1939-1979) y carentes de ventilación mecánica, se comparó con su estanqueidad. La razón de ese enfoque fue que, en tales circunstancias, el cambio de aire depende de una ventilación natural no controlada (= abrir ventanas), en consecuencia, de la temperatura exterior. La humedad relativa también se tuvo en cuenta, dada la condensación que puede inducirse cuando la ventilación es insuficiente. Finalmente, se pudo determinar que, en invierno, en ambos climas, los niveles de CO² fueron superiores a 1200 ppm, con promedios del orden de 1900 ppm en Madrid y 1400 ppm en Sevilla, y más altos durante la noche que durante el día. Los cambios de aire cada hora, mediados por la infiltración, parecían ser insuficientes para mantener la casa en condiciones saludables, además de presentarse un alto riesgo por condensación superficial en las viviendas más herméticas. Es decir, y a pesar de tener ventilación forzada, los edificios necesitaban de una ventilación natural.

Por último, cabe mencionar la investigación de Chowdhury y Neogi (2019), cuyo propósito fue analizar el rendimiento térmico de paredes y techos, de uso común en el sector de la construcción residencial en la India. Esto se llevó a cabo mediante la determinación del coeficiente global de transferencia de calor o el valor U, utilizando la instalación de prueba de caja caliente protegida. El procedimiento de prueba general estuvo de acuerdo con BS EN ISO 8990: 1996. Posteriormente, se estudió el efecto de la variación de la temperatura diferencial del aire sobre el coeficiente global de transferencia de calor del techo de concreto de cemento reforzado y tres tipos de tipologías usados en la construcción de paredes de ladrillo hechos en arcilla cocida. A partir del análisis de regresión, se pudo evaluar fácilmente el valor U de las paredes y el techo para cualquier temperatura diferencial, según lo experimentado por los edificios en varias zonas climáticas en la India. Asimismo, fue posible determinar que los edificios proporcionaban confort térmico a través de la interacción entre el ambiente externo y los elementos constructivos que lo conforman, paredes, techos y acristalamientos. Un buen reconocimiento y análisis previo del rendimiento térmico de los materiales empleados en paredes, techos y acristalamientos puede, en definitiva, ayudar a estimar las cargas de calefacción o refrigeración en los sistemas de ventilación y aire acondicionado propuestos.

METODOLOGÍA

El presente proyecto expone un estudio de caso, en el cual se emplearon dos métodos: el primero, definido por el protocolo dado por la norma ISO 7730, corresponde al análisis de aspectos climatológicos del entorno, habitual en este tipo de estudios (temperatura, humedad, velocidad del viento, entre otros); y el segundo, a una caracterización de los materiales existentes que tiene como objetivo evaluar su inercia térmica a través de herramientas estáticas de análisis de confort térmico (figura de Mahoney y diagrama de Givoni).

La norma ISO 7730 Método Fanger establece que no solo el balance térmico es necesario en un espacio para tener confort térmico; además de tener una temperatura adecuada, se debe tener en cuenta:

Las características del vestuario: aislamiento y área total del mismo.

Las características del tipo de trabajo: carga térmica metabólica y velocidad del aire.

Las características del ambiente: temperatura seca, temperatura radiante media, presión parcial del vapor de agua en el aire y velocidad del aire.

Tomando como punto de partida el modelo, se establecieron las siguientes características:

a) Características del vestuario.

En este caso, se determinó un aislamiento medio vestuario completo, 1.0 clo. (clothig). Unidad térmica equivalente una resistencia térmica de 0,18 m² hr °C/Kcal (Castillo y Huelsz, 2017)-

Aquí, los usuarios del hábitat analizado llevaban ropa para protegerse del frío de la zona.

b) Características del trabajo.

Considerando la carga térmica metabólica y la velocidad del aire (Figura 3), se usó la figura establecida por la norma UNE ISO 7726:2002 que determina este valor a partir de las características del vestuario, la temperatura media y la velocidad del aire (Figura 4).

c) Características del ambiente.

En esta fase de la investigación se recopiló toda la información del entorno del hábitat analizado, la cual luego se comparó con los datos obtenidos en el interior del hábitat. Para ello se emplearon dos equipos que midieron directamente el índice térmico WBGT (Wet Bulb Globe Temperature), además de la temperatura, humedad y temperatura del globo negro. El instrumento empleado fue el modelo HT30 Extech: un medidor de la velocidad del aire y la humedad (Figura 1 y 2).

 

 

 

 

 

 

Figura 1 Temperatura del aire

 

 

 

 

 

 

Figura 2 Humedad Relativa

 

 

 

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