Reflectancia de las envolventes verticales y su influencia sobre disponibilidad de luz natural en el cañón urbano de la ciudad de Concepción

Abstract

La superficie de la ciudad se compone de un mosaico de diferentes materialidades, a los que denominamos la envolvente urbana, cada uno de ellos muestran distintos comportamientos en función de sus propiedades ópticas, lo que impacta directamente en la manera que percibimos el paisaje urbano. Cada material que compone la envolvente urbana tiene diferente capacidad de reflejar la radiación solar recibida (reflectancia) lo cual altera la fracción de radiación solar absorbida oreflejada por la ciudad. Las ciudades muestran una serie de escenarios estrechamente relacionados con la composición de sus superficies y las relaciones entre sus estructuras. El efecto de la sombra emitida por un edificio de gran altura es un caso sencillo de esta situación. La incidencia de la sombra en otros edificios o espacios urbanos puede ser positiva o negativa, de acuerdo con las exigencias bioclimáticas del lugar y la estación (Nasrollahi & Shokri, 2016). El vínculo entre densidad urbana y la disponibilidad de luz natural en los espacios habitables, ya sean exteriores como interiores, están en un complejo equilibrio entre factores propios del territorio y patrones espaciales, el uso de los espacios urbanos, de los edificios y las propiedades ópticas de la envolvente urbana. A nivel del territorio esta estrechamente relacionado con factores climáticos, tipo de cielo, radiación solar y su topografía. Mientras que a nivel urbano la disponibilidad de luz natural dependen directamente del diseño de los elementos que componen el paisaje urbano (edificios, vías, plazas, etc.) su geometría, orientación, y las propiedades reflectivas de los materiales que lo componen. Los parámetros principales que afectan a la disponibilidad de la luz natural de los edificios en áreas urbanas son: 1.La distancia entre edificios. Mientras menor sea la distancia entre edificios colindantes, menores serán los niveles deiluminación. 2.La altura de los edificios colindantes. La geometría del cañón urbano provoca niveles de iluminación más bajos conformelas alturas edilicias aumentan, debido a conos de sombras proyectados por los edificios. 3.La orientación y reflectancia de los edificios colindantes. La geometría del cañón urbano, orientación, el material quecubre la piel de los edificios y calle, pueden ser muy importantes para los niveles interiores de iluminación. 4.Sistemas de protección solar y arborización. La utilización de sistemas de protección solar puede reducir el factor devisibilidad del cielo y evitar la luz del sol durante un cierto tiempo. Por esta razón se entiende que la geometría del cañón urbano, su relación entre la altura de los edificios y la distancia entre ellos, junto a las propiedades reflectivas de los materiales de fachadas influirán directamente en la disponibilidad de luz natural. Se escoge estudiar la reflectancia de las envolventes verticales, entendidos como las superficies de los muros exteriores o los materiales en fachadas, para acotar y simplificar la investigación y debido a que, dentro de la envolvente urbana, son los elementos que mayormente influenciarán en la disponibilidad de luz natural urbana, por su condición de verticalidad y poseer una mayor superficie que otros elementos de la envolvente urbana en situaciones de alta densidad, siendo capaz de transmitir la luz natural en forma indirecta más eficientemente en relación a la altura del cañón urbano. Es un hecho que, a la hora de iluminar una tarea visual, el ser humano prefiere la luz natural a la luz artificial o luz eléctrica (IDAE, 2005). La luz procedente del sol tiene un perfecto rendimiento de los colores y aporta elementos muy proactivos en el comportamiento de las personas (IDAE, 2005). La cantidad y la calidad de la luz que recibe el ojo humano tiene una influencia directa en la manera en que se ven las cosas por lo que es evidente el impacto que tiene la luz natural y su importancia al desarrollar ambientes adecuados para el hombre. Así como el empleo del tabique, el acero, la piedra y el concreto, la luz no debe emplearse como simple elemento decorativo sino como parte estructural de la arquitectura (Arias, Ávila, 2007). La iluminación natural es conocida como un elemento importante en la arquitectura, así como una estrategia útil en la optimización de la energía de los edificios. La luz del día crea un sentido de felicidad y vitalidad que podría afectar positivamente a las personas (Nasrollahi & Shokri, 2016). La integración de la iluminación natural y la iluminación artificial es muy recomendable para reducir el consumo energético de los edificios. La cantidad de luz natural que entra en un edificio desde las aberturas está relacionada con la creación de la iluminación espacial, produciendo un aumento de comodidad visual. Es sumamente importante abordar la luz natural tanto fuera como dentro de los edificios, así como reconocer su impacto en el ahorro de energía eléctrica. Además, la luz natural es una estrategia de desarrollo sostenible para aumentar el confort visual, la optimización energética y el desarrollo de los edificios verdes (Nasrollahi & Shokri, 2016). Considerando el potencial de la luz natural (no contamina, coste cero e inagotable), ésta debe ser aprovechada tanto como sea posible debido a sus características ventajosas sobre la salud, el estado de ánimo y la productividad de las personas. La importancia de utilizar la luz natural dentro de los espacios habitables no radica sólo en el ahorro de energía, sino también en el hecho de que la mayoría de las personas muestran preferencia por la luz natural tanto en sus hogares como en edificios no residenciales (Mesa et al., 2011). La luz natural proporciona una calidad ambiental más atractiva y crea un lugar de trabajo adecuado para llevar a cabo tareas visuales cómodamente durante el día (Mesa et al., 2011). Pero a pesar de que la luz natural proviene principalmente del sol, también es cierto que no solo debe considerarse éste como única variable al momento de una evaluación lumínica, ya que las propiedades ópticas de los materiales juegan un rol primordial en la distribución de la luz en el espacio. Así como las lámparas de distinto tipo constituyen las fuentes de luz en la iluminación artificial, el sol y el cielo son las fuentes de las que se dispone para la iluminación natural. La luz natural llega al interior de un recinto directa o indirectamente, dispersada por la atmosfera y reflejada por las superficies del ambiente natural o artificial. De la misma manera que una luminaria filtra y distribuye la luz emitida por la lámpara eléctrica que ésta contiene, la luminaria de la luz natural es la envolvente edilicia que admite la luz del sol en el interior de un espacio por transmisión, dispersión o reflexión de la misma. Esto incluye la bóveda celeste, así como el ambiente externo natural o construido por el hombre. Por lo tanto, el tipo de cielo, las superficies de la tierra, plantas y otros edificios son parte de la “luminaria natural” (Pattini, 2002). La luz natural puede ser directa, indirecta o difusa (Fig. 1). Se llama luz solar directa a la porción de la luz natural que incide en un lugar especifico proveniente directamente del sol y esta se caracteriza por su continuo cambio de dirección y su probabilidad de ocurrencia. La luz solar indirecta es la que llega a un espacio determinado por reflexión generalmente en muros, pisos o cielorrasos. Por ultimo, la luz natural difusa es aquella que tiene aproximadamente la misma intensidad en diferentes direcciones, como la luz proveniente de la bóveda celeste sin considerar el sol (Pattini, 2002). El concepto de reflectancia, se refiere a una fracción de la radiación solar incidente reflejada en forma indirecta de una superficie o cuerpo, en sentido amplio (Gaffin et al., 2012). La reflexión de la luz se suele suponer como el porcentaje de energía de iluminación reflejada de una superficie (Nasrollahi & Shokri, 2016). La reflectancia de los materiales que componen a los edificios y su entorno en las zonas urbanas pueden tener una gran influencia en la distribución de la luz diurna ya que las propiedades de las paredes, las superficies y los cañones urbanos pueden o no contribuir a la cantidad de luz presente en el espacio. La planificación urbana tradicional ha buscado controlar las proporciones de las calles, ya que la geometría básica de las alturas del edificio y las distancias entre edificios regulan el acceso a la luz y al calor solar. Las leyes de zonificación y los reglamentos de construcción generalmente establecen relaciones de altura y distancia que limitan el ensombrecimiento que los edificios pueden causar para los espacios públicos y otros edificios. Una abstracción geométrica similar del espacio urbano es el cañón urbano, el cual se ha utilizado en la climatología urbana, para describir la forma en que los espacios urbanos crean condiciones ambientales especiales. Es un arquetipo espacial que nos permite integrar el conocimiento de diferentes campos de investigación. En términos geométricos, el cañón urbano se describe como la relación entre la altura de los edificios (H) y el distanciamiento entre edificios adyacentes (W) (Fig. 2). El enfoque regional de la iluminación natural implica la manera en que el espacio urbano toma forma, responde y aprovecha los recursos regionales como la presencia del sol, su duración y trayectoria, las condiciones del cielo y otros elementos climáticos. El espacio construido influye positivamente (componente reflejado) y de manera negativa (obstruyendo la bóveda del cielo) la disponibilidad del recurso luminoso (Mesa et al., 2011). La reflectancia de los materiales en las fachadas urbanas influye en la cantidad de luz diurna que entra en los edificios (Fig. 2) y por tanto el uso de luz artificial (Nasrollahi & Shokri, 2016) El consumo de energía en bloques urbanos es estudiado por Strømann-Andersen, muestra que la geometría de los cañones urbanos (relación H/W) tiene un impacto del 30% en la reducción del consumo de energía en edificios de oficinas. Este impacto es del 10% en las unidades residenciales. En edificios de oficinas, la cantidad de uso de energía varía de 2% a 30% mientras que esta cantidad está entre 2-19% en edificios residenciales. Este entendimiento fundamental revela que la cantidad y diversidad de consumo de energía en varios tipos de edificios es mayor que los edificios residenciales (Nasrollahi & Shokri, 2016). Si bien el impacto de la geometría urbana y la superficie de los materiales en el microclima urbano está bien establecido, los estudios han tendido a centrarse en problemas de sobrecalentamiento en climas cálidos, el efecto de la isla de calor y comodidad urbana (Strømann-andersen & Sattrup, 2011). La distribución del movimiento y la temperatura del aire en los cañones urbanos y su potencial de ahorro de energía relacionado con la ventilación ha sido objeto de varios estudios, pero su impacto en relación a la iluminación no se a estudiado en profundidad (Strømann-andersen & Sattrup, 2011). Numerosos estudios acerca de la envolvente urbana afirman que la incorporación de materiales fríos (con alta reflectancia) en las envolventes edilicias resulta una técnica pasiva eficiente para disminuir la demanda de energía para refrigerar en períodos estivales. Mejorando el microclima de las zonas urbanas mediante la reducción de temperaturas superficiales y la del aire ambiente (N Alchapar & Correa, 2015; Noelia Alchapar, Correa, & Cantón, 2012). Pero estos se centran exclusivamente en el beneficio térmico que esta estrategia aporta dejando de lado la influencia de estos materiales en la distribución de la luz diurna y el efecto en la calidad de la iluminación natural. Los materiales fríos o selectivos fríos son materiales que se caracterizan por poseer una alta reflectancia solar y una alta emitancia infrarroja (Fig. 3). Son materiales que absorben una muy baja porción de la radiación solar incidente, por lo que el calor liberado es menor, disminuyendo las temperaturas superficiales de la envolvente urbana y ayudando a mitigar los efectos de la isla de calor en ciudades de climas cálidos. Pero los materiales fríos, al poseer una alta reflectancia, también producirán una influencia sobre disponibilidad de luz natural, aumentando los niveles de iluminancia exterior aprovechable por edificios en situaciones de alta densidad. En general, la luz natural y el confort visual en los últimos años se investigan a fondo mediante simulaciones y otros métodos, aunque se hace menos investigación sobre elementos arquitectónicos y reflejo de materiales fuera de los edificios. Durante los últimos años, se han realizando numerosos estudios de investigación sobre la iluminación natural y sus efectos específicos sobre el medio ambiente urbano (Nasrollahi & Shokri, 2016). Esto demuestra un creciente interés por el tema de la iluminación natural pero éste se centra particularmente en aspectos de arquitectura y energía dejando de lado otros matices de sustentabilidad como lo son la disponibilidad de luz natural en zonas urbanas y el efecto de la envolvente urbana sobre ésta. En las últimas décadas se ha incrementado la concienciación pública sobre el agotamiento del medio ambiente y la energía (InterAcademy-Council, 2007), fomentando la investigación para desarrollar nuevos dispositivos ambientales, especialmente aquellos que usan luz solar, energía solar, suelo y energía geotérmica. Sabiendo que los métodos pasivos son más duraderos, sostenibles y menos arriesgados, existe una tendencia a preferir las tecnologías impulsadas por ellos, debido a esto la investigación es apoyada y desarrollada principalmente en esa dirección (Freewan, Gharaibeh, & Jamhawi, 2014).