Fase III – Comparación entre índices
4. metodología de estudio del microclima urbano
URBANO
Es conocido que el espacio urbano tiene un efecto modificador sobre el clima y la posibilidad de poder modelar su comportamiento y testear los escenarios futuros es fundamental para mejorar la sostenibilidad de las ciudades. Como se ha indicado anteriormente, el clima urbano se genera a partir de fenómenos muy complejos donde entran en juego muchos factores. La unicidad de cada caso de aplicación, hace que sea imposible definir unas estrategias universalmente aplicables, obligando cada vez al proyectista a enfrentarse al problema con un amplio margen de incertidumbre en los resultados finales.
Entender los procesos que se generan en el espacio construido y cómo las ciudades funcionan, es entonces esencial para poder proponer un diseño acorde con las condiciones concretas del lugar de aplicación.
En este capítulo se va a presentar una visión general de los sistemas empleados para la realización de modelos para la simulación del comportamiento térmico del entorno urbano obtenido de la revisión del estado del arte. Se hará referencia a los enfoque teóricos de los principios de la física y de la termodinámica que sirven de base para la realización de los modelos matemáticos de simulación. Finalmente se realiza una descripción de la herramienta que ha sido empleada en el trabajo de tesis tanto para la caracterización de los casos de estudio, como para la realización de los escenarios de proyecto.
Para entender los mecanismos que regulan el espacio urbano podemos apoyarnos en los principios de la termodinámica y en concreto en el concepto de la Entropía (S) y entendiendo la ciudad como un sistema abierto que está continuamente intercambiando flujos de energía y materia con el exterior. La entropía se produce dentro de la ciudad a través de los procesos irreversibles, como por ejemplo quemar combustible para mover los coches o calentar los
I r i n a T u m i n i 109 | P á g i n a edificios. En analogía con los humanos que queman energía para mantener su estado inicial de calor y trabajo a través de los procesos metabólicos, se define con metabolismo urbano los procesos que consuman energía dentro de la ciudad. Este metabolismo es altamente ineficiente y es objetivo del diseño sostenible hacer que se disminuya la entropía generada dentro del sistema.
Siempre en analogía con los sistemas naturales, la ciudad es un organismo muy complejo donde los varios elementos, que podemos llamar subsistemas (Wegener M.1994), interaccionan de forma no lineal
. Para poder proponer un nuevo modelo de desarrollo basado en maximizar la eficiencia de los edificios, las modalidades de desplazamiento, la localización de la población y los sistemas contributivos, es necesario entender y modelar los flujos de energía y materia que se producen internamente y con el exterior. (Robinson 2011)
En este capítulo se presenta la descripción de los modelos de simulación del comportamiento microclimático del espacio urbano, limitando la exploración a los principales sistemas para calcular la influencia de las diferentes componentes urbanas.
Aproximación al estudio del efecto de la isla de calor urbana
El comportamiento térmico del espacio urbano depende del balance energético, que para un volumen determinado de aire, el volumen de control, puede expresarse como (Nunez M y Oke TR, 1977):Q*+QF=QH + QE + ΔQS +ΔQA
Donde
Q* es la radiación neta
QF representa la energía de origen antropogenica, estimada a través del volumen
de control
QH es el flujo sensible y QE es el flujo latente
ΔQA es el calor por advección a través de la cara lateral del volumen de control.
ΔQS representa la energía de almacenamiento dentro del volumen de control
También el balance energético para cada cara del volumen de control puede expresarse como
I r i n a T u m i n i 110 | P á g i n a Q*=QH + QE + QG
Donde QG es el flujo de calor por conducción. El balance energético varía en
función de estos parámetros, eso significa que el efecto de isla de calor varía en tiempo e intensidad en las diferentes ciudades y en la misma ciudad asume características diferentes según la zona. (Parham A. Mirzaei 2010, Santamouris 2001, Oke 1978).
Figura 4.1. Esquema del volumen de control y del flujo energético en el ambiente urbano, Elaboración propia a partir de los esquemas presentado por Santamouris M at. all 2001
La estimación del flujo energético depende de la integración de muchos mecanismos en las diferentes escalas que son de difícil estimación debido a la incertidumbre en la exacta definición de todas las componentes urbana y la falta de conocimiento de modelos teóricos multiescalares. Dependiendo de la escala de longitud y temporal se puede emplear una estrategia u otra de cálculo. Las escalas pueden variar mucho: la escala de dimensión puede ir desde los metros para la microescala a longitudes de km si tratamos fenómenos a nivel de mesoescala, así como en el tiempo podemos hacer observaciones según las estaciones del año o variaciones de pocos minutos. No existe todavía una metodología universal que sea de aplicación a todas las escalas con lo que para cada caso se debe elegir la más oportuna. (Parham A. Mirzaei 2010, Robinson D. 2011)
I r i n a T u m i n i 111 | P á g i n a
Enfoque experimental
Muchas investigaciones sobre el efecto de isla de calor se basan en las observaciones del comportamiento del espacio urbano en comparación con el entorno rural. A través de la realización de campañas de medidas en situ se intenta estudiar fenómenos como la diferencia de temperatura, la modificación de los vientos, el balance hídrico o realizar mapas térmicos de las ciudades (Acero JA 2012).
Mediciones in situ
Se han realizado así modelos estadísticos que han intentado relacionar el efecto de isla de calor con parámetros específicos. Así Oke (1988) ha relacionado la intensidad de la isla de calor con el tamaño de la ciudad según la relación:
𝑑𝑇 = 𝑃0,25
�(4𝑈)
Donde 𝑑𝑇 es la intensidad de la isla de calor expresado en grados K, 𝑃es la
población y 𝑈 es la velocidad del viento en m/s medido en una zona no urbana a una altura de 10m. Jauregui (1986) ha suplementado el trabajo de Oke con datos procedentes de ciudades de Suramérica e India, lo que permite relacionar la formación de la isla de calor urbana con la morfología del espacio construido. Bornstein (1986) cita otro modelo estadístico, que relaciona la isla de calor nocturna en Uppsala, Suecia, con varios parámetros meteorológicos: presencia de nubes (N), velocidad del viento (U), temperatura (T) y humedad específica (H) según la siguiente ecuación:
𝑑𝑇= 2,8−0,1𝑁 −0,38𝑈 −0,02𝑇+ 0,03𝐻
Para Montreal, Summers (1964) relaciona la intensidad de isla de calor ∆𝑡con la
velocidad del viento 𝑢:
∆𝑡=�2𝑟 𝜃𝑇𝜃𝑧 𝑄𝑢� 𝜌𝑐� 𝑝𝑢
Indicando con r la distancia del punto de medición del viento con el centro de la
ciudad, 𝜃𝑇𝜃𝑧 el potencial de incremento de la temperatura con el aumentar de la
altura z, Qu es el calor excedente por unidad de ciudad, 𝜌 es la densidad del aire
I r i n a T u m i n i 112 | P á g i n a También Oke (1981) formula una relación entre la intensidad máxima de la isla de calor urbana con la morfología de los cañones urbanos caracterizados por el ratio entre altura (H) y distancia (W) entre los edificios:
𝑑𝑇= 7,54 + 3,97 ln (𝐻�𝑊)
Esta fórmula puede ser reinterpretada también en termino del factor de vista del cielo Sky View Factor (SVF) Ysky
𝑑𝑇= 115,27 = 13,88 𝑌𝑠𝑘𝑦 (Santamauris M. el all. 2001)
El uso de los métodos experimentales de las mediciones de campo tiene muchas limitaciones. En primer lugar por la dificultad de realizar una campaña de mediciones: los altos costes, la posibilidad de posicionar estaciones fijas en diferentes puntos de la ciudad, la necesidad de realizar las mediciones por un largo periodo de tiempo son algunos de los problemas que se presentan. Debido al elevado número de factores que influyen en el microclima urbano, el estudio paramétrico de uno o algunos factores es algo muy complicado de realizar. En segundo lugar, la singularidad del clima y de la conformación del lugar de emplazamiento del área de estudio hace que los resultados obtenidos sean difícilmente extensibles a otras ciudades. Por todos estos, muchas investigaciones limitan el uso de las mediciones en situ a la validación de los modelos matemáticos realizados para la simulación del espacio urbano. (Parham A. Mirzaei 2010)
Teledetección térmica
La teledetección usa sistemas muy sofisticados, generalmente a través de observaciones aéreas, que permiten la medición de las propiedades térmicas y radioactivas de las superficies de la ciudad. Entre los parámetros que se pueden medir está la temperatura, el albedo, la humedad, la emisividad y la irradiación de las superficies. Además del coste elevado que suponen estos tipos de observaciones, se deben tener en cuenta los errores que se producen en la captura y retrasmisión de los datos por el satélite, el ruido cósmico y que nubes y contaminación pueden imposibilitar una correcta visualización del área. Otra limitación deriva del hecho que se está realizando una visualización superficial cenital en dos dimensiones, las condiciones que realmente se producen en los cañones de la ciudad normalmente son muy diferentes de la temperatura que se observa en los techos. La transformación de los datos obtenidos de una teledetección a los valores de temperatura del aire lleva un proceso de cálculo muy elaborado. (Yagüe et al. 1991), Sobrino, J. A. el all. 2009, Parham A. Mirzaei 2010)
I r i n a T u m i n i 113 | P á g i n a Estos tipos de observaciones son muy útiles para la realización de mapas
térmicos UC-AnMap (Urban Climate Analysis Map) que dan una información
bidimensional de la distribución de las temperaturas en una ciudad. Para la realización de estos mapas se mezclan datos obtenidos de observaciones aéreas (satélite o vuelos aéreos) y mediciones in situ por ejemplo con estaciones fijas, móviles, recorridos en coche, etc. elaborados con diferentes modelos analíticos basados en el balance energético de la ciudad (Acero JA 2012;Gómez 1993). En el estudio de la isla de calor urbana de Alcalá de Henares, Bello Fuentes (1995) emplea los datos medidos en los transectos térmicos usando los valores medios de las diferentes experiencias, como los valores medidos en diferentes condiciones atmosféricas. En este trabajo se ha relacionado la variación de temperatura con la ocupación de suelo obtenida de las fotos aéreas realizadas por la Comunidad de Madrid en 1991.
En los estudios realizados en la teledetección de Madrid se han analizado los datos registrados de los observatorios meteorológicos de la red municipal de contaminación del aire posicionados en Plaza de España, Plaza de Castilla y de Manuel Becerra, los del Instituto Nacional de Meteorología del Parque del Retiro, Ciudad Universitaria y el Aeropuerto de Barajas así como los aeródromo de Getafe y Cuatro Vientos. Además se realizaron unos recorridos en automóvil con un centenar de puntos de observación momentánea, gracias a los cuales ha sido posible trazar un mapa de isotermas y perfiles térmicos. (López Gómez, A 1993)
Gracias al programa DESIREX2008 (Dual-use European Security IR Experiment
2008), ha sido realizada una nueva teledetección de la isla de calor en Madrid
pudiendo emplear equipos muy avanzados. En la campaña de mediciones se
obtuvieron datos de sensor aerotransportado multiespectral AHS (Airbone
Hyperspectral Scaner) siguiendo dos líneas de vuelo Norte-Sur, Este-Oeste. Se adquirieron imágenes desde el satélite de la zona de estudio a partir de los sensores ASTER/TERRA, TM/Landsat, AATSR/ENVISAT, MODIS/TERRA y AQUA, AVHRR/NOAA Y SEVIRI/MSG2 gracias al sistema de percepción de imágenes instalado en el Laboratorio de Procesamiento de Imágenes de la UVEG, así como imágenes del ESA y el Instituto Nacional de Geografía. (Sobrino et al. 2009)
Se realizaron un total de 10 vuelos en avión a las 11h, 21h y 4h entre el 25 de junio y el 4 de julio, las estaciones meteorológicas aportaron los datos medidos en los días de vuelo para la caracterización de las condiciones meteorológicas y de los aerosoles en altura, además se realizó una campaña de medición a nivel de suelo en automóvil: radiométrica para calibrar/validar los datos y de los parámetros climáticos para caracterizar la isla de calor urbana. Los mapas de
I r i n a T u m i n i 114 | P á g i n a temperatura se generaron del tratamiento de los datos con dos algoritmos distintos Split-Window (Sobrino y Raissouni 2000) y el algoritmo TES. (Sobrino, J. A. el all. 2009)
Todo eso confirma que dichos estudios son muy caros, difíciles de realizar y que necesita de personal muy calificado tanto en la elaboración como en la interpretación de los resultados.
Realización de modelos a escala
Para el estudio de los mecanismos de los flujos en la microescala urbana se pueden emplear las observaciones realizadas a modelos en escala puestos en simuladores como puede ser el túnel del viento. Estas técnicas permiten estudiar los flujos de aire que normalmente son muy difíciles de prever, aunque en estos casos también se deben considerar las limitaciones a la aplicación de este método.
En primer lugar el coste y la dificultad de realización: se debe disponer de los equipos adecuados (túnel del viento) y realizar una maqueta a escala, cosa que claramente lleva una importante inversión de tiempo y dinero y es una práctica que se puede realizar solo por porciones muy limitadas del entorno urbano. En segundo lugar en el modelo no se pueden reproducir elementos urbanos como la rugosidad de los materiales, ni la absorción térmica o el intercambio radioactivo, así que no vienen considerados todos los fenómenos relacionados con el balance energético,aun que influyan significativamente en el flujo de aire..
Sin embargo los modelos a escala pueden ser un soporte muy efectivo para la validación de estudios de campo o modelos matemático. (Parham A. Mirzaei 2010, Robinson D. 2011(Giridharan et al. 2007) .
Modelos matemáticos
En los últimos años se han desarrollado muchos modelos para la simulación del espacio urbano, basados en los fundamentos de la termodinámica y de la física de los fluidos o apoyándose en las observaciones experimentales, con diferentes detalle de aproximación. Gracias al uso de los sistemas de cálculo computarizados ha sido posible desarrollar modelos cada vez más detallados, capaces tener en cuenta un número mayor de variables. Sin embargo, como se ha señalado anteriormente, el tipo de modelo de simulación depende del tamaño y de la escala temporal de estudio. Es importante destacar que las escalas son interdependientes. Por ejemplo los fenómenos de turbulencia cinética que se producen a gran escala, pasan a la pequeña escala donde se produce la
I r i n a T u m i n i 115 | P á g i n a disipación en forma de calor. Así también los fenómenos de se producen en la pequeña escala influyen en la matriz general a nivel mesoescalar. La diferencia substancial que existe entre las dos es el tamaño del dominio, la resolución de la malla y la selección de las variables.(Robinson 2011)
Bitter y Hanna (2003) hacen una distinción de las diferentes escalas del contexto urbano, que usaremos de referencia para la explicación de las metodologías de
calculo: Cañón29 <100m, microescala o escala de barrio hasta 1-2 km,
mesoescala o escala de ciudad 10-20 km y escala regional cuando tratamos áreas de extensión de 100-200 km. (Robinson 2011)
Escala de ciudad o Mesoescala
A nivel de ciudad o Mesoescala se estudia los fenómenos que se producen en el UBL, con el objetivo principal de caracterizar el comportamiento de la ciudad respecto su entorno rural. Para su estudio se emplean mallas con celdas que pueden tener dimensiones de algunos centenares de metros hasta algunos kilómetros y el UCL se considera más bien como un factor de rugosidad aerodinámica.
La exactitud de los resultados depende mucho de la fiabilidad de las informaciones contenidas en las bases de datos de uso de suelo y de los
materiales de acabado (Lans-Use Land-Cover). Normalmente no se tienen
informaciones de la conformación urbana a nivel de microescala, con lo que se aplican valores medios en cuanto a viento, albedo y emisividad. Los modelos de mesoescala emplean las informaciones relativas a las condiciones del contexto como velocidad del viento y temperatura superficial que se obtienen de observaciones reales.(Robinson 2011, Mirzaei, Haghighat 2010)
Escala de barrio o microescala
A diferencia de lo que se ha explicado en la escala de ciudad, cuando estudiamosla escala de barrio entramos en el detalle de los fenómenos que se producen en el espacio entre las superficies (fachadas y suelos) analizando la geometría concreta del espacio objeto de observación. En esta escala no entran en juego los procesos que se producen en el UBL ni los fenómenos atmosféricos como por ejemplo el efecto de la fuerza de Coriolis.
Aportar datos del contexto es mucho más complicado que en los modelos mesoscalares, ya que se deberían realizar muchas mediciones en relación al
29 Cañón: se entiende el volumen de aire delimitado lateralmente por las fachadas
opuestas de los edificios, verticalmente por el suelo y un plano ideal constituido por la altura de los edificios y de longitud L que depende de la conformación urbana (longitud de las manzanas). Ver figura 4.3.
I r i n a T u m i n i 116 | P á g i n a elevado número de superficies que entran en juego. Estos tipos de modelos tienen una extensión de algunos centenares de metros con lo que su aplicación a una ciudad entera sería un enorme dispendio de tiempo y de recursos. (Mirzaei, Haghighat 2010, Robinson 2011)
El cálculo del clima urbano
A continuación se van a explicar los conceptos que están en la base de los mecanismos térmicos del espacio urbano, sobre lo que se fundamentan los modelos de cálculo informáticos, haciendo especial referencia al estudio de la escala de barrio o microescala. Los modelos empleados se basan en los principios de la dinámica de fluidos y de termodinámica y se pueden resumir en
dos fenómenos principales: la transmisión de onda30 y el movimiento de flujos31.
(Robinson 2011, Santamouris et al. 2001b, Ellis Aronin 1927, Steemers, Steane 2004)
En la simulación matemática se intentan estudiar todos los fenómenos que se producen en el entorno urbano considerando como fuente principal de energía la solar. La cantidad de radiación absorbida, reflejada o emitida depende de la cantidad de radiación que entra en el espacio urbano y después de las
características32 de los materiales de las superficies incidentes. Estos dos
factores son muy importantes en la determinación de la cantidad de calor emitida a la atmosfera y, en consecuencia, de la temperatura del aire.
También la temperatura superficial es un elemento muy significativo, no solo por la cantidad de calor emitido a la atmosfera por radiación, sino también porque influyen el movimiento del aire en contacto con las superficies.
La simulación del comportamiento de la vegetación es algo bastante complejo de determinar, puesto que se deben considerar diferentes fenómenos a la vez: cantidad de radiación absorbida y reflejada por las hojas, porción de la copa que
30 Transmisión de onda. En el entorno urbano la principal fuente de energía es el sol y se
considera el intercambio radioactivo principalmente de dos bandas: la onda corta, con una longitud inferior a los 3μm, y la onda larga superior a los 3μm. (Robinson 2011, Fernando 1980)
31 Movimiento de flujos. Principalmente se considera el movimiento de los flujos de aire
atmosféricos. Los cálculos se fundamentan en los principios de la física de fluidos en diferentes condiciones ambientales. (Robinson 2011)
32 Caracteristicas de los materiales. En la determinación del intercambio radioactivo en el
entorno urbano las características ópticas de los materiales, sobre todo capacidad térmica, albedo y reflectividad al infrarrojo, son de gran importancia. (Gray and Finister 1999)
I r i n a T u m i n i 117 | P á g i n a recibe radiación y porción en sombra, evapotranspiración y movimiento del aire a través de las hojas.
Para estos mecanismos muchos expertos han elaborado diferentes teorías que intentan acercarse al comportamiento real del espacio urbano a la microescala. Se va a presentar una visión general sobre los principales sistemas, haciendo especial hincapié en los métodos que han tenido un desarrollo con herramientas computarizadas.
El intercambio radioactivo
El sol es prácticamente la única energía que influye en el clima de la tierra. La radiación emitida por el sol es una cantidad constante, que se modifica en su