Estrategias de mitigación de la isla de calor sustentabilidad ambiental y eficiencia energética de perfiles urbanos de baja densidad en zonas áridas

Abstract

En las ciudades y zonas de influencia se producen deterioros medioambientales notorios; ya que la forma de expansión de las áreas urbanas impacta, entre otros factores, sobre las condiciones microclimáticas del sitio de inserción. Siendo el fenómeno de “isla de calor urbana” (ICU) uno de los efectos que genera la expansión de las áreas urbanas. La ICU aumenta los valores de temperatura del aire de las ciudades en comparación a las áreas rurales, este factor provoca un aumento del consumo de energía y disminuye el grado de habitabilidad exterior, factores que se agudizan en ciudades con climas áridos. El objetivo de la presente tesis fue el de evaluar y categorizar de acuerdo a su sustentabilidad energética y ambiental, distintos esquemas de urbanización y diseño de entornos residenciales de baja densidad que integran de modo eficiente estrategias de mitigación de la ICU para ciudades de zonas áridas. El trabajo se desarrolló en el Área Metropolitana de Mendoza (AMM), Argentina; ciudad con clima de tipo árido (clasificación BSk - Köppen). El modelo urbano del AMM no es el característico de otras ciudades de zonas áridas que presentan un “modelo compacto” (edificios altos y calles estrechas, el uso de forestación es inexistente o escaso); sino que ha seguido un “modelo abierto” con construcciones de baja densidad, calles anchas (16 a 30m) enmarcadas por un entramado de árboles. El desarrollo de la investigación se condujo a través de seis ejes temáticos vinculados entre sí. Para el diagnóstico se seleccionaron diez casos de estudio: nueve canales viales forestados que tienen una forma de perfil de tipo abierta y un canal sin forestación, con una forma de perfil compacto (ancho de calle 5.5m); insertos en barrios residenciales de baja densidad con diversas formas de trama (rectangular, multiazimutal, Cul-de-Sac y reticular). El primer eje, comportamiento térmico exterior, identificó mediante tres campañas de monitoreo de verano que los canales abiertos-forestados tienen mejores desempeños desde el punto de vista térmico (menores temperaturas de aire), siendo las mayores diferencias de temperatura de 10.2°C en la máxima, 1.7°C en la mínima y 2.5°C en la promedio. El segundo eje, confort térmico exterior, contrastó el grado de habitabilidad térmica de los canales viales monitoreados resultando que durante el periodo diurno el modelo de ciudad abierta-forestada es hasta un 50% más confortable que el modelo compacto-no forestado. El tercer eje presentó los dos modelos estadísticos predictivos de temperatura máxima y mínima generados (R2 0.82 y R 2 0.85, respectivamente); al testear estas herramientas mediante 6 escenarios urbanos, se avaló que la combinación adecuada entre morfología y forestación aumenta el grado de habitabilidad exterior, mientras que la forestación y la disminución del factor de visión de cielo, disminuyen los procesos de enfriamiento nocturno. El cuarto eje, simulaciones dinámicas, presentó en 4 etapas los resultados del comportamiento de 480 escenarios urbanos generados que varían según: forma de trama (rectangular, multiazimutal y Cul-de-Sac), ancho de calle (16, 20 y 30m), altura de edificación (3, 3/6 y 6m) y orientación (N-S, NO-SE, E-O y NE-SO). La primer etapa (casos base) demostró las potencialidades de mejora térmica que genera una adecuada forma de conjunto urbano (forma de perfil + trama). La segunda, tercer y cuarta etapa de este eje, presentaron los resultados de incorporar y combinar dos estrategias de mitigación de la ICU recomendadas y aptas para incorporar en el AMM. Entre los resultados más importantes se destaca que la incorporación de forestación en los “casos base” tiene potencial para disminuir hasta 3.1°C la T° máxima, 2.5°C la T° mínima y 2.7°C la T° promedio; que los valores de albedos optimizados demostraron su eficacia en la disminución de las temperaturas máximas de los canales más expuestos (anchos de calle de 30m y altura de 6m) con forma de trama rectangular; siendo las mejoras con el “caso base” de 3.9°C en la T° máxima, 1.1°C en la T° mínima y 2.3°C en la T° promedio; y por último que al combinar ambas estrategias “escenarios optimizados”, las temperaturas disminuyeron en contraste a los “casos base” en hasta 5.7°C en la T° máxima, 2.9°C en la T° mínima y 4.2°C en la T° promedio. Siendo el diseño urbano óptimo para mejorar las condiciones microclimáticas de los entornos residenciales de baja densidad en el AMM, la combinación de trama rectangular, perfil de 6m de altura, ancho de calle de 16m y orientación N-S (37.5ºC T° máxima,25.0ºC T° mínima y 30.5ºC T° promedio). El quinto eje de la tesis, forma urbana y estimación del consumo de energía, permitió cuantificar la demanda de energía auxiliar necesaria para climatizar una vivienda en verano, asociada a los distintos escenarios urbanos propuestos. Los resultados demuestran que la optimización del diseño urbano podrían disminuir el consumo de energía residencial entre 21 a 33% respecto de la situación considerada como “case base” El último eje, recomendaciones y estrategias de mejora térmica, sintetizó e integró los resultados obtenidos a lo largo de la tesis mediante una serie de lineamientos con el fin de generar recomendaciones para que los barrios residenciales de baja densidad incorporen en sus etapas de diseño y planificación criterios que permitan disminuir el impacto que genera la forma urbana sobre el calentamiento urbano, el aumento del consumo de energía y la consecuente mejora de la calidad medioambiental en las ciudades de contextos áridos.

The most notorious environmental deteriorations occur in cities and in areas of influence; since the expansion of urban areas impacts, among other factors, on the microclimatic conditions of the city site. The phenomenon of urban heat island (UHI) is one of the major effects of the expansion of urban areas. The UHI increases the air temperature values of the cities compared to the peri-urban areas, this factor causes an increase in energy consumption and decreases the degree of outdoor habitability, factors that become acute in cities with arid climates. The thesis objective was to evaluate and classify according to energy and environmental sustainability, different urbanization schemes and designs of low density residential environments that integrate efficiently UHI mitigation strategies for cities of the arid zones. The work was developed in the Metropolitan Area of Mendoza (MMA), Argentina; city with arid climate (BSk - Köppen clasification). The urban model of the MMA is not typical of other cities in arid zones that have a “compact model” (tall buildings and narrow streets, the use of forestation is non-existent or scarce); it has an “open model” with low density constructions, wide streets (16 to 30m) framed by streets trees. The development of the research is carried out through six thematic axes linked to each other. We used as studies cases 9 forested urban canyons that have an open profile profile and 1 canyon without forestation, with a compact profile shape (5.5m wide street); inserts in low-density residential neighborhoods with diferents urban grids forms (rectangular, multiazimutal, cul-de-sac and reticular). The first axis, outdoor thermal behavior, identified through three summer campaigns that the open-forested canyons have lowest air temperatures, the differences reached 10.2°C in the maximum, 1.7°C in the minimum and 2.5°C in average. The second axis, outdoor thermal comfort, contrasted the degree of thermal habitability of the monitored urban canyons resulting in that during the daytime the open-forested model was up to 50% more comfortable than the compact-non-forested model. The third axis presents the two predictive statistical models generated for maximum and minimum air temperature (R2 0.82 and R2 0.85, respectively); when testing these tools through 6 urban scenarios, the combination between morphology and forestation increases the degree of outdoor habitability, while forestation and the decrease of the sky vision factor, decrease the cooling processes at night. The fourth axis, dynamic simulations, were made in 4 stages by generated 480 urban scenarios that varying according to: urban grid form (rectangular, multiazimutal and Cul-de-Sac), street width (16, 20 and 30m), building height (3, 3/6 and 6m) and orientation (N-S, NO-SE, E-O and NE-SO). The first stage demonstrated the improvement possibilities that a suitable neighborhood form provides (profile form + urban grid). The second, third and fourth stage of this axis presented the results of incorporate and combine two recommended and suitable UHI mitigation strategies to incorporate into the MMA. The results show that by incorporated forestation into the “base cases” the temperatures decreases by 3.1°C T° maximum , 2.5°C T° minimum and 2.7°C T° average; that the optimazed albedos values the demonstrated their effectiveness in the reduction of maximum air temperatures in the rectangular grid most exposed canyons (30m widht and 6m height); being the diference with the “base case” of 3.9°C in the T° maximum, 1.1°C in the T° minimum and 2.3°C in the T° average; and lastly that two strategies were combined by creating the “optimized scenarios”, the temperatures in this scenarios decreased in contrast to the “base cases” up to 5.7°C in the T° maximum, 2.9°C in the T° minimum and 4.2°C in the T° average. Being the best urban scheme that improves the microclimatic conditions of low density residential environments in the MMA, the combination of rectangular grid, 6m profile height, 16m street width and N-S orientation (37.5°C T° maximum , 25.0°C T° minimum and 30.5°C T° average). The fifth axis of the thesis, urban form and estimation of the energy consumption, quantified the demand of auxiliary energy needed for aconditionated the houses in the summer period, being the variation between 21 to 33% by compared the “base cases” consumptions with the “optimized scenarios”. The last axis, recommendations and strategies of thermal improvement, synthesized and integrated the results obtained throughout the thesis by presenting guidelines and recommendations for design low-density residential neighborhoods, by incorporating the vision to reduce the impact of the urban warming and energy consumption and improving the environmental quality in arid cities.