Vegetación exterior como elemento de obstrucción solar en fachadas: relación entre la vegetación urbana y la transmisividad solar de una fachada vidriada

“Vegetación exterior como elemento de obstrucción solar en fachadas” Relación entre la vegetación urbana y la transmisividad solar de una fachada vidriada Autor: Arq. Diego Galleguillos Molina Director: Phd. Carlos Alonso Montolio Tesina final de máster: Estudios avanzados en Arquitectura, Especialidad en Arquitectura, Energía y Medio Ambiente. Universidad Politécnica de Catalunya. Septiembre 2024. 2 3 5 01.- Resumen................................................................................................ 02.- Introducción............................................................................................ 02.01.- Justificación del tema 02.02.- Objetivos 02.03.- Hipótesis 02.04.- Metodología General 03.- Estado del Arte......................................................................................... 03.01.- Radiación Solar 04.02.- Vegetación como reducción en la transmisividad de la radiación solar 04.03.- Frondosidad y transmisividad de los arboles 04Antecedentes.............................................................................................. 04.01.- Caso de estudio, Biblioteca de la ETSAB 03.02.- Horas de captación solar sin vegetación 05.02.- Identificación de la vegetación adyacente 05.03.- Registro fotográfico de obstrucción solar de la fachada sur. 05.- Metodología............................................................................................... 05.01.- Mediciones con Piranómetro y DataLogger 05.02.- Registro de datos en punto con mayor obstrucción solar de los arboles. 05.03.- Registro de datos en punto con mayor exposición solar. 06.- Desarrollo (Análisis y discusión)............................................................... 07.- Conclusiones.......................................................................................... .. 08.- Anexos..................................................................................................... 09.- Bibliografía................................................................................................ 10.- Indice de figuras, tablas y gráficos......................................................... 37 Indice 07 08 10 17 32 37 40 42 50 51 6 01.- Resumen 7 01.- Resumen Esta investigación explora el impacto de la vegetación en el espacio público como elemento de obstrucción solar en fachadas vidriadas, con un enfoque en su capacidad para reducir la transmisividad de la radiación solar durante el verano. Se seleccionó como caso de estudio la Biblioteca Oriol Bohigas de la ETSAB, debido a su fachada vidriada orientada al sur y su variada relación con los árboles circundantes, lo que permite analizar tanto áreas parcialmente obstruidas por la vegetación como otras más expuestas a la radiación solar. A través de una simulación en Heliodon 2 y un registro fotográfico in situ, se identificaron los puntos de la fachada con mayor y menor captación solar debido a la sombra proporcionada por los árboles. En cada uno de estos puntos estratégicos, se instaló en la cara interior de la fachada vidriada un piranómetro durante una semana, para medir la radiación solar transmitida al interior del edificio. Los datos, registrados a intervalos de un minuto mediante un DataLogger, permitieron evaluar con precisión la capacidad de la vegetación para obstruir la radiación solar directa. Los resultados muestran que la vegetación es efectiva en reducir la radiación solar en la fachada vidriada, especialmente durante las horas de mayor insolación. En las áreas parcialmente sombreadas, la radiación captada se redujo significativamente en comparación con las áreas expuestas, lo que confirma la importancia de la vegetación en la reducción de transmisividad al interior de los edificios durante el verano. Este efecto se debe a la capacidad de los árboles para obstruir la radiación solar directa y proyectar sombra sobre la fachada, disminuyendo así la temperatura superficial y la radiación que penetra en el interior del edificio. La investigación destaca la relevancia de considerar la vegetación en el diseño y planificación urbana, no solo por sus beneficios estéticos y ambientales, sino también por su capacidad de mejorar el confort térmico en los edificios. Además, el estudio aporta una solución práctica y cuantificable para el uso de vegetación como barrera solar en fachadas vidriadas, proporcionando una herramienta valiosa para arquitectos y urbanistas interesados en desarrollar estrategias de diseño más sostenibles y eficientes en términos energéticos. La integración de estos hallazgos en prácticas de diseño urbano puede contribuir a la creación de ciudades más habitables y sostenibles, mejorando la calidad de vida de sus habitantes y ayudando a mitigar los efectos del cambio climático. Palabras clave: Radiación Solar, Vegetación, Obstrucción solar, Transmisividad, Fachada Vidriada 8 02.- Introducción 02.01.- Justificación del tema Debido a la urbanización en constante crecimiento y el esperado aumento de temperaturas a causa del cambio climático, hay cada vez mas ciudadanos propensos al estrés por el calor en las ciudades. Y una de las formas mas eficientes de regular las condiciones climáticas locales es aumentando la presencia de vegetación (Akbari et al. 2001; Oke 1989;Robitu et al. 2006; Shashua-Bar and Hoffman 2000). Si bien el efecto refrescante de la vegetación se da gracias a la evapotranspiración, la sombra proyectada de arboles y arbustos cumple con una importante función al obstruir la transmisión de la radiación directa de onda corta y por tanto disminuye la temperatura superficial y la radiante de las superficies a su sombra. (AliToudert and Mayer 2005; Mayer et al. 2009; Oke 1989; Shashua-Baret al. 2011). En verano, las fachadas vidriadas orientadas al sol presentan un desafío significativo al exacerbar el efecto invernadero interno durante la temporada estival, cuando el objetivo es reducir y no aumentar la temperatura interior de los edificios. El efecto invernadero se produce cuando la radiación solar de onda corta atraviesa el vidrio; una parte de esta radiación es absorbida por los materiales dentro del edificio, y la energía absorbida se re-emite como radiación de onda larga, que el vidrio no deja escapar al exterior. Como resultado, el calor queda atrapado, elevando las temperaturas internas. Esta acumulación de calor no deseada es especialmente problemática en un entorno, donde los veranos son intensos y la necesidad de climatización se traduce en un mayor consumo de energía. Por eso es crucial investigar el uso de la vegetación exterior como una herramienta de mitigación. Las plantas pueden actuar como barreras naturales que obstruyen la radiación solar antes de que alcance las superficies vidriadas, disminuyendo así las ganancias por captación solar y mejorando el confort interior. GSPublisherVersion 0.51.100.100 GSPublisherVersion 0.51.100.100 Imagen 01: Esquema ejemplo de reducción de la radiación solar trasmitida al interior de edificio de fachada vidriada mediante el uso de vegetación 9 02.02.- Objetivos: General: Cuantificar el impacto de la vegetación exterior como elemento de obstrucción solar en fachadas vidriadas. Específicos: - Desarrollar un metodología que permita cuantificar la reducción de radiación solar detrás de las fachadas gracias a la vegetación adyacente. - Conocer el nivel de radiación solar trasmitida al interior de la Biblioteca de la ETSAB durante la época de verano, utilizando el piranómetro como herramienta de medición. - Cuantificar la influencia de la obstrucción solar proporcionada por la vegetación en la disminución de las ganancias por captación solar en el interior de un edificio. - Dotar herramientas de diseño a arquitectos y urbanistas. 02.03Hipótesis La presencia de vegetación en áreas cercanas a la fachada de los edificios, puede contribuir a la reducción de la transmisión solar al interior de los edificios, lo que podría resultar en una disminución de la demanda energética de estos. 02.04.- Metodología General Se selecciono como caso de estudio la Biblioteca de la ETSAB, debido a su fachada vidriada orientada al sur, que cuenta con áreas sombreadas por árboles y otras expuestas directamente a la radiación solar. Se realizó un registro fotográfico del recorrido solar a lo largo de un día de verano, cercano al solsticio de verano, en la fachada para identificar y seleccionar puntos estratégicos de medición: uno detrás la sombra del árbol y otro en una zona expuesta a la radiación solar. En cada uno de estos puntos, utilizamos un piranómetro colocado en posicion vertical en la cara interior del vidrio para medir la radiación solar transmitida durante una semana. Los datos se registraron con un DataLogger a intervalos de un minuto. Esto nos permitió analizar la transmisividad de la vegetación a través del follaje a lo largo del recorrido solar diario. 16 En el diseño de la vegetación urbana, es fundamental considerar aspectos clave de cada especie, como la altura y el ancho de la copa, la capacidad individual de obstrucción solar, la disposición y la distancia entre las plantas. Estos factores influyen directamente en la efectividad de la vegetación como obstrucción solar. En resumen, la relación entre frondosidad y transmisividad destaca cómo la vegetación puede ser utilizada estratégicamente para mejorar el confort térmico en espacios urbanos, ofreciendo beneficios significativos tanto en la reducción de la temperatura superficial como en la creación de entornos más habitables y sostenibles. En el caso del estudio presente, no se analiza el efecto de la vegetación como obstrucción solar sobre un entorno urbano exterior, si no que se estudia sobre sus efectos en el interior de los edificios durante temporadas de altas temperaturas. Es por eso que se decide medir la radiación transmitida a través de un vidrio en posición vertical al interior de un recinto y no la radiación captada en un plano horizontal al exterior. Pero el estudio de Santiago en el plano horizontal nos permite tener un punto en comparación de la capacidad de obstrucción del Almez con el estudio realizado como obstrucción en plano vertical. Imagen 08: Comparación geométrica y tiempo de sombra de arboles analizados en “Permeabilidad a la radiación del arbolado”, pag 71, Santiago Bravo GSPublisherVersion 0.51.100.100 10,50 10,50 8,00 6,00 8,0012,50 Platanus x acerifolia Tipuana tipu Celtis australis 03:30h de sombra 06:20h de sombra 05:40 de sombra Especie presente en caso de estudio 17 04.- Antecedentes Este estudio se diferencia de investigaciones previas que han explorado principalmente la obstrucción solar en planos horizontales al enfocarse en la obstrucción en relación con planos verticales. El objetivo principal es cuantificar cómo la vegetación exterior contribuye a reducir las cargas térmicas de un recinto provocadas por la radiación solar. Para investigar el impacto de la vegetación exterior como elemento de obstrucción solar en fachadas vidriadas, se seleccionó como caso de estudio la Biblioteca Oriol Bohigas de la ETSAB de la Universidad Politécnica de Cataluña. Esta elección se basa en que la biblioteca presenta una fachada vidriada alargada con orientación sur y diversas relaciones con los arboles adyacentes al exterior. Esto nos permite comparar situaciones con diferentes grados de obstrucción solar proporcionada por la vegetación, desde áreas con una alta densidad vegetal hasta áreas con menor presencia de vegetación. Esta investigación incluye el análisis del nivel de radiación solar trasmitida al interior de la Biblioteca de la ETSAB, utilizando un piranómetro en posición vertical como herramienta de medición. Además, se cuantificara la influencia de la obstrucción solar proporcionada por la vegetación en la disminución de las ganancias por captación solar en el interior de un la biblioteca. Este enfoque integral nos permitirá entender mejor cómo la vegetación exterior puede ser utilizada estratégicamente para mejorar el confort térmico durante temporadas de alta temperatura en edificaciones con fachadas vidriadas en entornos urbanos. GSPublisherVersion 0.51.100.100 Imagen 09: Esquema comparativo de estudios anteriores y actual sobre la transmisividad de los arboles Estudio anteriores de transmisividad a planos horizontales ( S.Bravo, J.M. Ochoa, J. Konarska) Estudio actual de transmisividad a planos verticales 18 Imagen 10: Imagen aérea extraída de Google Earth Imagen 11: Sección mostrando altura de contexto en orientación transversal y longitudinal a la biblioteca de la ETSAB GSPublisherVersion 0.51.100.100 GSPublisherVersion 0.51.100.100 Biblioteca ETSAB Biblioteca ETSAB Av. Diagonal C. de Pablo Gargalloo Av. del Dr. Marañón C. d’Adolf Florensa 0 10 50 100 Sección transversal Sección longitudinal 19 ÀREA DE TREBALL INTERN ORDINADORS ORDINADORS AUTOPRÉSTEC INFORMACIÓ / PRÉSTEC e-SECRETARIA ACCÉS NOVETATS SERVEIS CAP BIBLIOTECA ASCENSOR m1 m2 m3 m4 m5 m6 m7 m8 m9 m10 m11 m12 m13 m14 m15m16 dvd altell altell 03.01.- Caso de estudio, Biblioteca de la ETSAB Para contextualizar nuestra investigación sobre la captación solar en fachadas, se analizará la Biblioteca Oriol Bohigas de la ETSAB, construida en 2009 por el arquitecto Jaume Sanmartí i Verdaguer. La biblioteca tiene una superficie de 2.150 m² distribuidos en tres plantas (-1, 0 y 1) y una capacidad máxima de 200 personas. Su horario de uso es de lunes a viernes, de 08:30 a 20:00. La fachada que se analizará está levemente inclinada hacia el suroeste, específicamente a 19º, y se encuentra señalizada en la Planta 0 (Imagen 12). Esta fachada está compuesta por 10 paneles de vidrio transparente, dobles y fijos, con un espesor total de 28 mm. Cada panel de vidrio tiene un espesor de 4 mm, separados por una cámara de aire de 10 mm. Los paneles tienen una altura de 3,2 metros y están protegidos por un alero de 50 cm. Para analizar la captación solar en la fachada, es fundamental considerar tanto las obstrucciones construidas como las vegetales. Las obstrucciones construidas incluyen los edificios circundantes y elementos arquitectónicos propios de la biblioteca, como el alero y los paramentos verticales entre los módulos de vidrio. Por otro lado, las obstrucciones vegetales están representadas por los árboles adyacentes. Este análisis separando tipo de sombreado en la fachada, permitirá evaluar la influencia de las obstrucciones construidas y vegetales en la captación solar de la fachada. Mediante este enfoque, se obtendrán datos precisos sobre cómo cada tipo de obstrucción afecta la incidencia de la radiación solar, proporcionando información valiosa para el diseño de estrategias de mitigación térmica en edificios urbanos. Imagen 12: Planta de la biblioteca de la ETSAB Imagen 13: Alzado Sur de la biblioteca de la ETSAB GSPublisherVersion 0.51.100.100 4,85 3,35 1,50 0,15 3,20 1,50 26,06 14,05 12,02 4,92 20,84 0,31 3,93 4,15 4,15 4,15 4,45 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS E-05 20 Imagen 15: Fotografía lateral de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, 15:00 h Imagen 16: Fotografía posterior de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, 15:00 h Imagen 14: Fotografía frontal de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, 15:00 h 21 03.02.- Horas de captación solar sin vegetación En este estudio se busca determinar las horas durante el solsticio de verano en las que la fachada sur de la Biblioteca Oriol Bohigas de la ETSAB recibe radiación solar directa. Para ello, se modeló la biblioteca y su contexto cercano (sin incluir la vegetación) utilizando el programa Heliodón 2. El resultado de la simulación mostró que en Barcelona durante el solsticio de verano, el amanecer es a las 04:30 y el atardecer a las 19:30 horas solares y que debido a los edificios alrededor, la fachada sur de la Biblioteca solo capta radiación solar desde las 06:15 hasta las 12:45 horas solares. Para poder analizar, se ajusto este horario solar al horario oficial (+2 horas), obteniendo que el periodo de captación es entre las 08:15 y las 14:45. Con esta información, se puede definir el horario durante el solsticio de verano en el cual se estará presente para observar y registrar mediante fotografías la transmisividad de la radiación a través de la vegetación adyacente a la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB. Es importante destacar que para la simulación, en el software el receptor se colocó a la altura del terreno natural, obteniendo así el punto más desfavorable en términos de obstrucción vertical y centrado a lo largo de la parte vidriada de la fachada sur. Esto garantiza que se capte la máxima radiación solar posible, proporcionando un escenario realista y desafiante para el análisis. Imagen 17: Estereográfico Fachada Sur de la Biblioteca de la ETSAB, Barcelona 41ºN Imagen 18: Imagen en planta de modelo en Heliodón 2, Barcelona 41ºN, con la ubicación del receptor señalizada en rojo 22 Imagen 19: Fotografía Celtis Australis (Almez), presente al sur de la Biblioteca. 05.02.- Identificación de la vegetación adyacente Luego de haber analizado las obstrucciones solares solidas del contexto, se procedio a analizar los arboles adyacentes a la fachada sur de la Biblioteca. Los cuales fueron identificados con la aplicación PlantNet y esta señala que solo hay Almez. El Almez, con nombre científico Celtis Australis, es un árbol caduco, nativo de la cuenca del mediterráneo y Europa central. Puede llegar a medir 20m de altura, de tronco recto y corteza lisa grisácea, con una copa redonda y ancha, en el caso especifico de las presentes en esta área; aproximadamente comienza a una altura de 2m, con un diámetro de 4,5m. Con hojas alternas de 5 - 15 cm de largo, de forma ovo-lanceoladas y con su borde aserradas, con un color verde oscuro Acercando al estudio de la vegetación a nuestra investigación en especifico, y por un tema geométrico, solo nos quedaremos con los arboles que estén a una distancia máxima de 6 m de la fachada sur. Esto es debido a que solo en este caso, los arboles lograran ser una obstrucción solar durante los días cercanos al solsticio de verano. Los arboles que se encuentran dentro de este rango de distancia, son todos Almez, el cual tiene 26% de transmisividad en el plano horizontal, según el TFM de Santiago Bravo. 05.03.- Registro fotográfico de obstrucción sola de la fachada sur. Después de haber reconocido el contexto con las obstrucciones construidas y la vegetación adyacente, se siguió con registro in situ del soleamiento directo en la fachada. El cual consistio en colocar una cámara fotográfica con un trípode al frente de la fachada sur de la Biblioteca, para sacar fotos cada 15 minutos, desde las 08:00 - 15:00. El periodo de tiempo de registro fue escogido a partir del estudio previamente hecho por Heliodon 2, pero debido al horario de apertura y el tiempo para preparar el campo, el registro comenzó a las 09:00 El registro in situ tiene el fin de reconocer el sector mas soleado y el mas sombreado durante un día despejado de Verano. Para así poder escoger donde se colocara el piranómetro en los siguientes pasos. Ya que la fachada es vidriada y es difícil reconocer a simple vista si esta soleada o no, procedimos a colocar una hoja A4 blanca en cada paño de vidrio, en el centro inferior. 23 GSPublisherVersion 0.52.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS E-05 A B C D E F G H I J Al tomar cada 15 min, obtuvimos un total de 28 imágenes. Luego se contó cuantas veces cada A4 es alcanzado por el sol en estas 28 imágenes, logrando evidenciar que la hoja en el vidrio E es el que mas capta radiación y el J es el que menos (a causa de la obstrucción vegetal) (ver imagen 20). Imagen 20: Esquema y gráfico de periodos de captación de radiación solar, obstrucción vegetal y de edificios, en cada paño de vidrio de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB. Para ver con mayor resolución ver anexos pag.43 24 08:00 08:15 08:30 08:45 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 08:15 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 08:30 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 08:45 No se pudieron capturar imágenes de estas horas debido al horario de la ETSAB, pero los alzados están validados con la simulación y fotografías de las horas siguientes Imagen 21: Alzado de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 08:00h Imagen 22: Alzado de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 08:15h Imagen 24: Alzado de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 08:45h Imagen 23: Alzado de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 08:30h GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 07:45 25 09:00 09:15 09:30 09:45 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 09:15 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 09:30 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 09:00 GSPublisherVersion 0.50.100.100 ETSAB BIBLIOTECA UPC ORIOL BOHIGAS 09:45 Imagen 25: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 09:00h Imagen 26: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 09:15h Imagen 28: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 09:45h Imagen 27: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la Biblioteca de la ETSAB, a las 09:30h 32 05.- Metodología A partir del previo análisis de las obstrucciones solares de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB y la selección de los puntos a analizar, se procedió a la metodología, la cual consistió en una campaña de medición de un mes; la primera semana de prueba, para poder comprobar el uso correcto del piranómetro, segunda semana y tercera semana para medir en los puntos desde las ubicaciones aleccionadas y la cuarta semana como margen de error en el caso de alguna eventualidad climática y/o de uso. Los datos recopilados por el DataLogger serán acompañados con los datos climáticos exteriores, para poder validar que la variación en la radiación solar registrada se debe a las obstrucciones construidas y vegetales consideradas y no por eventualidades climáticas. Para finalmente poder analizar y comparar los datos expresados en gráficos, para poder visualizar la transmisividad de la vegetación a lo largo de un día. 05.01.- Mediciones con Piranómetro y DataLogger Para esta investigación se utilizó el sensor LP02, diseñado para medir la radiación solar de onda corta recibida por una superficie plana de 180º. Esta cantidad, expresada en W/m², se conoce como radiación solar «hemisférica». La orientación del sensor puede ser horizontal, inclinada o invertida (para medir la radiación reflejada), dependiendo de la aplicación específica. El LP02 ofrece una precisión de 0.1%. Para este estudio el sensor se utilizo en orientacion vertical midiendo la radiacion solar directa, difusa y reflejada en un plano vertical detrás de un vidrio en el interior del edificio. El DataLogger utilizado es el modelo LI19, que se emplea para visualizar y registrar los datos de radiación medida. Una vez GSPublisherVersion 0.51.100.100 AA' AA' BB' BB' E J Imagen 53: Planta de la biblioteca con puntos donde se ubicó el piranómetro Imagen 54: Foto referencial del modelo de piranómetro LP02 y datalogger LI19 33 05.- Metodología programado con la sensibilidad del LP02, la pantalla del DataLogger muestra el valor real de la radiación solar en W/m². La programación se realiza a través de una interfaz de PC. La batería del LI19 permite aproximadamente 25 días de operación (600 horas) y puede almacenar un máximo de 3.518 datos. El piranómetro se colocó en los puntos E y J, alternando su posición semanalmente, para registrar los efectos de la vegetación durante días con distintos porcentajes de nubosidad y temperatura. Debido a la capacidad limitada del DataLogger para recopilar datos, se decidió registrar datos cada minuto y descargarlos cada 2 días y 4 horas, debido al limite de tiempo de medición con una toma de datos tan seguida. Esta frecuencia de medición permite visualizar cómo la radiación solar atraviesa el follaje entre las hojas, minimizando la cantidad de datos perdidos durante el proceso de descarga y re programación. Ademas se obtienen datos de medición medios, Imagen 55: Fotografía de la instalación del sensor en la biblioteca, sobre una estructura de madera para poder colocar en vertical. máximos y mínimos para cada intervalo de 1 minuto, siendo la media el valor integrado de medición cada 2 segundos. Durante la recopilación de datos, se consultaron regularmente las condiciones meteorológicas, como la temperatura y la radiación solar en el plano horizontal, a través de Meteocat, específicamente desde la estación meteorológica de Zona Universitaria, la más cercana a la ETSAB. Para asegurar la estabilidad y orientación vertical del piranómetro, se construyó una pequeña estructura en forma de “L” de madera de 15x30 cm, con un orificio a 20 cm de altura para fijar el sensor. Esto permitió que el piranómetro se mantuviera a +35 cm sobre el terreno natural. 05.02.- Registro de datos en punto J, con mayor obstrucción solar de los arboles. El primer punto de registro fue el J, el cual esta detrás del paño de vidrio de extrema derecha, correspondiente a la ubicación con mayor obstrucción vegetal de radiación solar. Este punto se encuentra a 4,3 metros del almez más grande presente, que alcanza una altura de 7 metros y se encuentra a 6,03 metros del centro del follaje. En esta ubicación, el piranómetro se instaló el lunes 17 de junio a las 08:30. Dado que el DataLogger puede almacenar datos durante un máximo de 2 días y 4 horas, los datos se recopilaron el miércoles 19 de junio a las 12:00, momento en el cual se volvió a configurar el dispositivo. La recopilación continuó hasta el viernes 21 de junio a las 16:00, permitiendo la obtención de datos hasta el domingo 23 de junio a las 20:00. Los datos posteriores, los nocturnos se asumieron como 0 W/m², siguiendo la tendencia de los días anteriores. 34 Imagen 57: Gráfico de datos registrados durante una semana en el punto J. Para ver con mayor resolución ver anexos pag.44 Durante la recopilación de datos en el DataLogger, también se obtuvieron datos climáticos semanales de Meteocat, incluyendo temperatura exterior y radiación en el plano horizontal. Esto permitió graficar la nubosidad durante el período y descartar variaciones en la radiación captada debidas a efectos climáticos en lugar de la obstrucción por las hojas del almez. Por ejemplo, el viernes 21 de junio, alrededor de las 08:00, el piranómetro registró menos radiación que en los días anteriores. Al comparar estos datos con los de la estación climática, se observó que también hubo una disminución en la radiación captada a esa hora, indicando que la baja de W/m² se debió a una mayor nubosidad. En general, se observó un valle en la radiación medida a partir de las 10:00, lo cual coincide con el horario de obstrucción vegetal registrado en las fotografías. Esto valida el período de obstrucción y la transmisividad de la radiación solar durante ese tiempo. GSPublisherVersion 0.51.100.100 6,40 2,00 4,50 4,00 2,00 5,00 5,00 2,10 4,30 6,03 J 2,00 4,50 4,00 4,70 6,18 E Imagen 56: Sección con cotas de distanciamiento entre la ubicación del piranómetro en el punto J y la vegetación 35 05.03.- Registro de datos en punto E, con menor obstrucción solar de los arboles. GSPublisherVersion 0.51.100.100 6,40 2,00 4,50 4,00 2,00 5,00 5,00 2,10 4,30 6,03 J 2,00 4,50 4,00 4,70 6,18 E El segundo punto medido fue el E, situado detrás de uno de los paños de vidrio centrales de la fachada, representando la ubicación con menor obstrucción vegetal de radiación solar. Este punto se encuentra a 4,7 metros de un almez, que alcanza una altura de 6 metros y está a 6,18 metros del centro del follaje. En esta ubicación, el piranómetro no se pudo instalar el lunes debido a la festividad de San Juan, ya que la ETSAB estuvo cerrada. Por lo tanto, el registro comenzó el martes 24 de junio a las 08:30. Siguiendo el mismo procedimiento que en el caso anterior, se organizó un horario para descargar los datos. La primera recopilación se realizó el jueves 27 de junio a las 12:00, momento en el cual se volvió a configurar el dispositivo. La siguiente descarga se efectuó el viernes Imagen 58: Sección con cotas de distanciamiento entre la ubicación del piranómetro en el punto E y la vegetación Imagen 59: Gráfico de datos registrados durante una semana en el punto E. Para ver con mayor resolución ver anexos pag.45 36 28 de junio a las 08:30 y nuevamente a las 20:00, para intentar captar la mayor cantidad de datos del domingo 30 y así estar preparados para obtener una semana completa el lunes 1 de julio. Durante la recopilación de datos en el DataLogger, se obtuvieron también datos climáticos semanales de Meteocat, incluyendo temperatura exterior y radiación en el plano horizontal. Esto permitió graficar la nubosidad durante el período y descartar variaciones en la radiación captada debido a efectos climáticos en lugar de la obstrucción por las hojas del almez. Por ejemplo, se observó que el martes y el miércoles fueron los días con menor nubosidad, y la diferencia entre la radiación medida por el centro meteorológico y el piranómetro se debió al cambio de orientación de la superficie (de horizontal a vertical sur-oeste) y a la posible obstrucción de la ventana (doble vidrio). A diferencia del resto de los días, donde se notó una mayor variación en ambos registros, atribuida a una mayor cantidad de nubes. En general, se observó una correlación entre los horarios, la curva y las eventualidades en la radiación captada por la estación y el piranómetro, validando así los datos obtenidos. En los gráficos construidos para las ubicaciones E y J, se concluyó que los días comparables son aquellos despejados, para analizar solo la transmisividad de la vegetación sin la variable de nubes y su intermitencia. Así, la discusión se centrará en la comparación entre el martes 18 de junio, en el punto con mayor obstrucción vegetal, y el miércoles 26 de junio, en el punto con menor obstrucción vegetal. Imagen 60: Gráfico de días seleccionados para el punto J y E. Para mayor resolución ver anexo pag. 46 37 Se seleccionaron dos días con condiciones despejadas similares en la curva de radiación captada en el plano horizontal por el centro meteorológico de la Zona Universitaria: el martes 18 de junio y el miércoles 26 de junio. Esta elección se debió a la estabilidad de las condiciones meteorológicas, permitiendo un análisis comparativo más preciso. La primera observación de los gráficos muestra que el piranómetro capta radiación durante un rango horario mayor que el indicado por la simulación en Heliodon 2. Esto puede deberse a pequeñas diferencias de altura en los edificios del contexto modelados en el software y a que el piranómetro capta no solo la radiación solar directa, sino también la reflejada y todas las de onda corta. En el gráfico correspondiente al punto J, que presenta la mayor obstrucción vegetal, se observa que el piranómetro comienza a captar datos desde las 07:00 hasta aproximadamente las 19:30. Sin embargo, el valle que se aprecia aproximadamente entre las 10:15 y las 14:45 es de interés, ya que indica el período durante el cual el almez proporciona sombra significativa. Esto se confirma al comparar con el gráfico del punto E. El gráfico del punto E, situado en la parte de la fachada más expuesta a la radiación solar, muestra una tendencia de aumento y disminución de W/m² sincronizada con la radiación registrada en el plano horizontal. Vale la pena aclarar que la captura de datos por el piranómetro tiene una mayor intermitencia debido a que los registros se toman cada minuto, en contraste con los datos del Meteocat, que se registran cada 30 minutos. 06.- Desarrollo (Análisis y Discusión) Imagen 61: Gráfico de comparación de datos registrados en el punto J y E, respecto a horas de soleamiento y sombra. Para comparar la radiación obstruida por el almez, se restaron a los datos de radiación registrados en el punto E (el más expuesto), los datos registrados en el punto J (con mayor obstrucción vegetal). El gráfico resultante muestra en verde la radiación obstruida por el árbol, es decir el flujo no transmitido. Se observa que el porcentaje de radiación obstruida aumenta a medida que el sol se alinea con el centro del follaje del almez y disminuye cuando el sol se aleja de esta alineación (imagen 63). Esto se debe a la morfología del árbol, que tiene una mayor frondosidad concentrada hacia el centro. Si llevamos los datos registrados por el piranómetro en cada ubicación a una radiación media, contando solo los datos de 07:00 a 19:30, que es el rango horario que capta radiación, obtenemos que en el punto E hay una media de 35 W/m² y en el J una media de 69 W/m². 38 Imagen 62: Gráfico de comparación de datos registrados en el punto J y E, cada uno en un día en específico comparables entre si. Para ver con mayor resolución ver anexos pag.47-48 39 Imagen 63: Gráfico de radiación obstruida por la vegetación. Sustracción de radiación captada en el punto E menos la captada en el punto J. Para ver con mayor resolución ver anexos pag. 49 A partir de las radiaciones medias, podemos obtener que el porcentaje de obstrucción de la vegetación es igual a un 50,7%. Es decir, que un almez en Barcelona de 7 metros de alto a una distancia de 6,3 metros de una fachada vidriada con orientación sur, tiene una transmisividad de 49,3% sobre dicha fachada, en relación a una totalmente expuesta. El análisis de los datos recopilados durante los días seleccionados proporciona una visión clara del impacto de la vegetación en la reducción de la radiación solar en una fachada vidriada. El almez, con su frondosidad y posición estratégica, demuestra ser un elemento eficaz para mitigar la radiación solar directa, disminuyendo significativamente (del orden del 50%) lo transmitido la interior de la biblioteca. La metodología empleada en este estudio, que combina mediciones in situ con simulaciones en software, proporciona un marco robusto para futuras investigaciones sobre la interacción entre vegetación y obstrucción de radiación solar. 40 07.- Conclusiones Los hallazgos obtenidos en este estudio aportan un punto de vista mas al diseño urbano y la planificación arquitectónica, subrayando la importancia de incorporar vegetación en entornos construidos para reducir la captación solar de verano en el interior de los edificios y consecuentemente la repercusión que eso pueda tener sobre la demanda energética de los edificios y el confort térmico de sus usuarios. La capacidad de la vegetación para obstruir la radiación solar directa y reducir lo transmitido al interior del edificio solar puede contribuir significativamente a la sostenibilidad de los edificios y al bienestar de sus ocupantes. El enfoque adoptado en este estudio, centrado en la obstrucción de radiación solar en planos verticales en lugar de horizontales, amplía el conocimiento existente sobre el papel de la vegetación en la mitigación del calor urbano. Este aspecto es relevante en el contexto de ciudades densamente pobladas, donde las fachadas vidriadas son comunes y la necesidad de estrategias efectivas para el control térmico es crítica. La investigación demostró que el almez, un árbol común en Barcelona, en el verano puede reducir la radiación solar recibida por una fachada vidriada en aproximadamente un 50%. Este porcentaje de obstrucción es significativo y demuestra el potencial de los árboles para actuar como obstrucciones naturales contra la radiación solar, disminuyendo la transmisividad al interior del edificio durante los periodos de alta insolación. Este efecto de sombreado contribuye a mantener temperaturas interiores más bajas, reduciendo la necesidad de sistemas de climatización artificial y, por ende, el consumo de energía. Los resultados obtenidos no solo destacan la efectividad de la vegetación como barrera solar, sino que también abren la puerta a nuevas investigaciones sobre diferentes especies vegetales y su capacidad para reducir la radiación solar. La comparación en este estudio, entre los días despejados, muestra que la vegetación no solo modifica la cantidad de radiación directa recibida, sino que también tiene un efecto dinámico en función de la posición del sol y la densidad del follaje. Esta variabilidad destaca la importancia de considerar tanto la especie de árbol como su ubicación y orientación al planificar espacios urbanos. Las características morfológicas del almez, con su frondosidad concentrada en el centro, permiten una obstrucción eficiente durante las horas de máxima insolación, lo cual es un factor crucial en el diseño de zonas urbanas verdes. La metodología empleada en este estudio, que combina mediciones in situ con simulaciones en software, proporciona un marco para futuras investigaciones sobre la interacción entre vegetación y radiación solar. Los instrumentos utilizados, la recopilación y análisis de datos aseguran la fiabilidad de los resultados obtenidos, permitiendo su aplicación en contextos similares. Esta investigación establece un precedente para estudios futuros que deberían cuantificar la obstrucción producida por esta vegetación caduca en épocas de invierno, para comprobar que esta estrategia es energéticamente eficiente a lo largo de todo el años, siendo los beneficios del verano mas importante que los perjuicios en invierno En resumen, la integración de vegetación en el diseño arquitectónico y urbano es una estrategia efectiva y necesaria para enfrentar los desafíos climáticos y mejorar la calidad de vida en las ciudades. Este estudio proporciona evidencia concreta de cómo un enfoque integrado que considera la vegetación puede contribuir significativamente a la sostenibilidad 41 y habitabilidad de los entornos urbanos. La planificación cuidadosa y la implementación de espacios verdes pueden transformar nuestras ciudades en lugares más resilientes y adaptables a las condiciones cambiantes del clima, asegurando un futuro más sostenible para las generaciones venideras. Por ultimo, es importante mencionar que este estudio se ha centrado en el efecto que la vegetación urbana puede tener sobre los planos verticales de los edificios, que normalmente es solo una parte del total de la fachada (limitándose a las plantas mas bajas de los edificios), y que futuros estudios podrían también estudiar el efecto que tiene una protección vegetal vertical continua a lo largo de toda la fachada. Imagen 64: Esquema de estudio anterior, actual y futuro posible sobre la transmisividad de la vegetación. Estudio actual de transmisividad detrás planos verticales vidriados en planta baja GSPublisherVersion 0.50.100.100 Estudio anteriores de transmisividad a planos horizontales Estudio futuro de transmisividad detrás de planos verticales vidriados en plantas altas 48 49 50 - Bravo, S. (2023). Permeabilidad a la radiación solar del arbolado, Tesina - Sayigh, A., Trombadore, A,. (2022). The Importance of Greenery in Sustainable Buildings, 101-124. - Balter, J., Ganem, C., & Discoli, C. (2016). On high-rise residential buildings in an oasiscity: Thermal and energy assessment of different envelope materiality above and below tree canopy. Energy and Buildings, 113, 61–73. - Bellomo, A. (2003). Pareti verdi. Roma: Sistemi Editoriali. - Cantón, M. A., Cortegoso, J. L., & De Rosa, C. (1994). Solar permeability of urban trees in cities of western Argentina. Energy and Buildings, 219–230. - Correa, E. N., Ruiz, M. A., & Cantón, M. A. (2010). Morfología forestal y confort térmico en “ciudades oasis” de zonas áridas. Ambiente Construído, 119–137. - Hoyano, A. (1988). Climatological uses of plants for solar control and the effects on the thermal environment of a building. Energy and Buildings, 11, 181–199. - Konarska, J., Lindberg, F., Larsson, A., Thorsson, S., & Holmer, B. (2014). 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Rojas Cortorreal, (2016) “Cuantificación de la mejora de las condiciones ambientales producida por el árbolado urbano : caso de estudio Barcelona, España y Santo Domingo, República Dominicana,” 09.- Bibliografía 51 09.- Bibliografía 10.- Indice de figuras, tablas y gráficos - Imagen 01: Esquema ejemplo de reducción con vegetación de la radiación solar directa incidente en la temperatura interior de un edificio de fachada vidriada................ - Imagen 02: Esquema ejemplo de reducción con vegetación de la radiación solar directa incidente en la temperatura interior de un edificio de fachada vidriada................ - Imagen 03: Esquema balance de radiación solar, basado en esquema del libro “Arquitectura y energía natural”, Rafael Serra y Helena Coch, pag 173.......................... - Imagen 04: Gráfico de flujo incidente y longitud de onda, señalizando ubicación de “onda corta” y “onda larga”................................................................................................ - Imagen 05: Esquema radiación solar en la ciudad......................................................... - Imagen 06: Esquema variación en la iluminación bajo arboles, basado en esquema en “Ciudad, vegetación e impacto climático, el confort en los espacios urbanos”, Ochoa de la Torre, pag 2.6 .......................................................................................................... - Imagen 07: Comparación geométrica y tiempo de sombra de arboles analizados en “Permeabilidad a la radiación del arbolado”, Santiago Bravo, pag 71............................. - Imagen 08: Tabla transmisividad de especies arbóreas, extraído de “Permeabilidad a la radiación del arbolado”, Santiago Bravo, pag 70....................................................... - Imagen 09: Esquema comparativo de estudios anteriores y actual sobre la transmisividad de los arboles............................................................................................ - Imagen 10: Imagen aérea extraída de Google Earth .................................................... - Imagen 11: Sección mostrando altura de contexto en orientación transversal y longitudinal a la biblioteca de la ETSAB........................................................................... - Imagen 12: Planta de la biblioteca de la ETSAB............................................................ - Imagen 13: Alzado Sur de la biblioteca de la ETSAB..................................................... - Imagen 14: Fotografía de fachada sur de la BETSAB.................................................... - Imagen 15: Fotografía lateral de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB.............. - Imagen 16: Fotografía posterior de la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB.......... - Imagen 17: Estereográfico Fachada Sur de la biblioteca de la ETSAB, Barcelona 41º N....................................................................................................................................... - Imagen 18: Imagen en planta de modelo en Heliodón 2, Barcelona 41ºN..................... 08 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 19 19 20 20 20 21 21 52 - Imagen 19: Fotografía Celtis Australis (Almez), presenta al sur de la biblioteca de la ETSAB.............................................................................................................................. - Imagen 20: Esquema y gráfico de periodos de captación solar, obstrucción vegetal y de edificios, en cada paño de vidrio en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB...... - Imagen 21: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 08:00h........................................................................................................ - Imagen 22: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 08:15h........................................................................................................ - Imagen 23: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 08:30h........................................................................................................ - Imagen 24: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 08:45h........................................................................................................ - Imagen 25: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 09:00h........................................................................................................ - Imagen 26: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 09:15h........................................................................................................ - Imagen 27: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 09:30h........................................................................................................ - Imagen 28: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 09:45h........................................................................................................ - Imagen 29: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 10:00h........................................................................................................ - Imagen 30: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 10:15h........................................................................................................ - Imagen 31: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 10:30h........................................................................................................ - Imagen 32: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 10:45h........................................................................................................ - Imagen 33: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 11:00h........................................................................................................ - Imagen 34: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 11:15h........................................................................................................ - Imagen 35: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 11:30h........................................................................................................ 22 23 24 24 24 24 25 25 25 25 26 26 26 26 27 27 27 53 - Imagen 36: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 11:45h........................................................................................................ - Imagen 37: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 12:00h........................................................................................................ - Imagen 38: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 12:15h........................................................................................................ - Imagen 39: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 12:30h........................................................................................................ - Imagen 40: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 12:45h........................................................................................................ - Imagen 41: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 13:00h........................................................................................................ - Imagen 42: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 13:15h........................................................................................................ - Imagen 43: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 13:30h ....................................................................................................... - Imagen 44: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 13:45h........................................................................................................ - Imagen 45: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 14:00h........................................................................................................ - Imagen 46: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 14:15h........................................................................................................ - Imagen 47: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 14:30h........................................................................................................ - Imagen 48: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 14:45h........................................................................................................ - Imagen 49: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 15:00h........................................................................................................ - Imagen 50: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 15:15h........................................................................................................ - Imagen 51: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 15:30h........................................................................................................ - Imagen 52: Alzado y fotografía de la sombra en la fachada sur de la biblioteca de la ETSAB, a las 15:45h........................................................................................................ 27 28 28 28 28 29 29 29 29 30 30 30 30 31 31 31 31 54 - Imagen 53: Planta de la biblioteca con puntos donde se ubicó el piranómetro............. - Imagen 54: Foto referencial del modelo de piranómetro LP02 y datalogger LI19......... - Imagen 55: Fotografía de la instalación del sensor en la biblioteca, sobre una estructura de madera para poder colocar en vertical....................................................... - Imagen 56: Sección con cotas de distanciamiento entre la ubicación del piranómetro en el punto J y la vegetación............................................................................................ - Imagen 57: Gráfico de datos registrados durante una semana en el punto J............... - Imagen 58: Sección con cotas de distanciamiento entre la ubicación del piranómetro en el punto E y la vegetación........................................................................................... - Imagen 59: Gráfico de datos registrados durante una semana en el punto E.............. - Imagen 60: Gráfico de días seleccionados para el punto J y E.................................... - Imagen 61: Gráfico de comparación de datos registrados en el punto J y E, respecto a horas de soleamiento y sombra.................................................................................... - Imagen 62: Gráfico de comparación de datos registrados en el punto J y E, cada uno en un día en específico comparables entre si. ........................................................ - Imagen 63: Gráfico de radiación obstruida por la vegetación. Sustracción de radiación captada en el punto E menos la captada en el punto J................................... - Imagen 64: Esquema de estudio anterior, actual y futuro posible sobre la transmisividad de la vegetación....................................................................................... 32 32 33 34 34 35 35 36 37 38 39 41