Imagen extraída de la simulación numérica del comportamiento termodinámico del patio del hotel Montemálaga, mediante Dinámica de Fluido Computacional que como parte de su "Máster en Innovación en Arquitectura: Tecnología y Diseño" Juan Manuel Rojas está desarrollando junto a Carmen Galán y Enrique D. Fernández (ETSASevilla) asesorados por Servando Álvarez y su equipo (ETSIISevilla).
ESTUDIO PARAMÉTRICO DE LA TERMODINÁMICA DEL PATIO MEDITERRÁNEO.
0. RESUMEN
Los patios son algo tan cotidiano y de funcionamiento en apariencia tan evidentes que, como hechos físicos objetivos, no han suscitado en los arquitectos muchos estudios profundos. Sin embargo su importancia ha sido en el pasado y puede ser en el futuro muy grande en el contexto de la creciente preocupación por la limitación de los recursos energéticos.
El presente trabajo estudia cuantitativamente la utilidad de los patios mediterráneos como sistemas pasivos de ahorro energético. Para ello, en primer lugar, se repasa históricamente el arquetipo proponiendo para explicar su perviencia un nuevo enfoque que subraya, a diferencia de lo que se ha venido haciendo, las cualidades físicas del patio y las ventajas objetivas que reportan anteponiéndolas a sus características simbólicas o de significación .
Posteriormente se desarrollará, por ser el parámetro clave de su utilidad termodinámica, un método que nos permita determinar la temperatura del aire en un determinado diseño de patio a partir de su arquitectura y microclima (situación geográfica). La exactitud del dato calculado deberá ser suficiente para que pueda resultar útil en el cálculo de las necesidades de climatización del edificio.
Computational Fluid Dynamics.
Dicho método se basará en un modelo numérico de cálculo de elementos finitos que utilizará la dinámica de fluido computacional (CFD, Computational Fluid Dynamics) para su desarrollo. Es decir, el modelo matemático describirá el comportamiento energético del fluido "aire" utilizándose el cálculo computerizado para resolver iterativamente las ecuaciones lineales que describen los sucesivos estados, poniendo especial atención a los datos de temperatura del aire en las regiones del modelo que se corresponden espacialmente con los patios.
Como motor de cálculo de los elementos finitos se utilizará el programa de libre distribución y código abierto FreeFem ++ 2D, escrito en el lenguaje de bajo nivel C++, cuyo funcionamiento transparente nos ayudará a evitar el efecto "caja oscura" de los programas comerciales y nos permitirá, gracias al equipo verdaderamente interdisciplinar de matemáticos, ingenieros y arquitectos que colaboran en la investigación, profundizar en el núcleo del proceso matemático, del computacional y del real. De esta forma, el resultado de la investigación y el conocimiento generado será probablemente más fiable.
Hotel Motemálaga como banco de pruebas del CFD.
Para perfilar el diseño de la heramienta CFD, se realizará el modelo numérico de un edifico real concreto comparando las temperaturas virtuales del patio obtenidas del mismo con las reales monitorizadas en el edificio construido. Esto es posible porque tenemos total conocimiento y suficiente caudal de datos de este edificio (hotel Montemálaga) por haber sido proyectado, ejecutado y monitorizado por nosotros.
Se comprobará en el modelo que, tal y como ocurre en la realidad, las temperaturas del aire en los patios profundos mediterráneos son sensiblemente más templadas que las del exterior.
La utilidad general del modelo se verá condicionada por la limitación que implica basarse en un sólo caso. Pero esto es coherente con los límites razonables de una investigación como la presente. La completa potencialidad del modelo vendrá cuando, en posteriores y más amplias investigaciones, este pueda ser validado en otros muchos edificios reales. Una regla del método científico advierte que el experimento que permite afinar un modelo no puede ser además usado para la contrastación del mismo. También se aumentará su potencialidad cuando su usabilidad mejore gracias a la implementación de un adecuado y sencillo diseño de entorno gráfico que permita su uso profesional en arquitectura sin la necesidad de conocimientos avanzados de las matemáticas o de la programación implícitas en la herramienta.
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1. ANTECEDENTES.
“Debemos defender una arquitectura de clima, una arquitectura mediterránea hecha para un sol intenso, una atmósfera diáfana y un paisaje amable. (…) Y en cada caso, clara solución a un programa, a un problema planteado”.
José Luis Sert. (1)
Hablar de patio en nuestro marco cultural es hablar de la propia arquitectura. El patio ha sido visto y estudiado como concreción del espacio existencial del hombre (2), como modo de habitar (3), como sistema de composición o de proyectar (4), como núcleo germinal de la casa mediterránea (5) y en definitiva como generador de significación (5).
Estos imprescindibles estudios nos han aportado un conocimiento que revelan la capital importancia que el patio tiene para la arquitectura y la vida en nuestra geografía. Sin embargo en todos ellos se hace sólo una breve referencia sumaria a las características físicas objetivas que este elemento tiene como estrategia de adaptación climática. El aporte controlado, matizado de luz y ventilación que permite a la casa mediterránea mantener un rango aceptable de confort en su interior. Se asume que es una de las evidentes características funcionales que explican su origen. Pero no existe una explicación profunda de éstas que permita entender bien su comportamiento energético. Quizá porque hasta ahora, no se ha considerado éste un asunto central en la arquitectura. Los trasiegos energéticos eran estudiados por los especialistas en instalaciones.
El presente trabajo, sin ánimo reduccionista sino de complementar y profundizar en su mejor conocimiento, estudia en los patios estas características físicas objetivas entorno a la energía, contando entre sus principales fuentes con ingenieros especialistas en energía en la edificación. En este deseo de profundizar, pero consciente de las debidas limitaciones que el trabajo impone, se llega a abordar con la ayuda de un experto en matemáticas (5), los algoritmos que hay detrás de sus más potentes herramientas de cálculo para estar seguro de su funcionamiento y potencialidades a la hora de responder a nuevas preguntas. Sin embargo no se pretende realizar un estudio centrado en el mundo de las instalaciones (6).
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2. ARTE COMO TÉCNICA.
Desde una perspectiva integradora que se puede interpretar como contemporánea pero también nos remite a Vitrubio (7), que entiende la arquitectura siempre al servicio de las necesidades del hombre, no existen diferencias, límites o jerarquías entre lo que entendemos convencionalmente como instalaciones y arquitectura. Se reconoce como actual la sinonimia entre arte y técnica recogida en los diccionarios como arcaica. Una ventana es, entre otras muchas cosas, una instalación de ventilación e iluminación. Por cualquier espacio circula energía que nos permite entenderlo como instalación. Si somos conscientes de esto, la forma de este espacio, su proyecto, aparte de resolver otros muchos asuntos, nos permitirá manipular su funcionamiento energético para mejorar las cualidades habitables, saludables y sostenibles de los edificios.
La modernidad aportó unos tipos y unas tecnologías que parecían dejar obsoletos las cualidades funcionales y climáticas de los patios. En los proyectos modernos, el patio pasó a ser algo marginal que aparentemente no se podía justificar ya tanto en la necesidad o racionalidad sino más bien en motivos subjetivos, artísticos, míticos, de lenguaje o significación. Pero el tiempo ha demostrado la arrogancia con que se confió en tecnologías supuestamente infalibles. Se tiene suficiente conocimiento ahora de la extrema fragilidad en lo tocante a confort, bienestar y salubridad de los sistemas exclusivamente artificiales de control climático en los edificios. Las tecnologías son tan falibles como la razón o la ciencia del hombre que las crearon. Y el principio básico de la ciencia es saber que nunca se está completamente a salvo del error. La cada vez más frecuente aparición de “edificios enfermos”, no es ajena a esto. Es bueno, por tanto, tener siempre un plan “B”. Los patios, complementando a otros sistemas del edificio, aportan la seguridad de una estrategia más robusta al ser más natural. Y veremos que siguen siendo una alternativa vigente como medida pasiva contrastada para proporcionar bienestar y ahorro energético. Especialmente ahora que se persigue mejorar de forma económica la eficiencia de los edificios. Nos permite, entre otras muchas cosas, un aporte de aire a una temperatura más templada que la exterior.
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3. LA CONVENIENCIA DE CUANTIFICAR.
A pesar de las inercias de la modernidad antes mencionadas, en nuestro entorno, arquitectos de todas las épocas hemos utilizado por simple “sentido común” estas estrategias con cierta eficacia inspirados en la experiencia construida de varios miles de años de tradición mediterránea. Estudios científicos actuales realizados por equipos solventes de investigación (7) que han llevado a cabo campañas de mediciones exhaustivas de temperatura en patios tradicionales, demuestran la realidad de este funcionamiento confirmando en principio como objetivas y ciertas estas estrategias.
Pero existen motivos por lo que es necesario ampliar el estado actual de conocimiento sobre la materia, lo que justificaría el presente trabajo como un pequeño primer paso.
El uso consciente de las cualidades de estos espacios, invita a una integración más sofisticada en el proyecto. Pueden no ser sólo parte del sistema de composición, ni sólo elementos que ocasionalmente permitan ventilación natural mediante la apertura manual de puertas y ventanas. Son capaces de constituirse en piedra angular del funcionamiento termodinámico del edificio mejorando considerablemente la eficiencia energética de éste al entenderse de forma activa además de pasiva. Esto se consigue al integrarlos como parte del sistema de climatización. El edificio puede mecánicamente tomar aire exterior a través del patio a una temperatura en verano menor que la de la cubierta con el consiguiente ahorro energético que supone vencer un menor salto térmico. Profesionalmente he tenido la oportunidad de poner en prácticas estas ideas en edificios ya construidos con resultados contrastados muy satisfactorios (8).
Pero está claro que hablar de instalación supone hablar de cálculo cuantitativo de demandas para proponer unas determinadas potencias que las solventen. Sin embargo las ventajas que con certeza podemos esgrimir hasta ahora como característica del patio son sólo cualitativas no cuantitativas. Desde luego podemos afirmar de forma racional y objetiva, basándonos en la experiencia y los estudios que la refrendan antes mencionados, que se producirán ahorros energéticos. Lo difícil, con el estado actual de conocimientos, es cuantificarlos. Esto supone un problema a la hora de determinar las potencias instaladas y a la hora de obtener las tan deseadas calificaciones energéticas objetivas. Y conlleva una pérdida de posibilidades a la ahora de explotar las indudables ventajas de la estrategia, debido a la falta de una razonable cuantificación económica de su comportamiento previa a la ejecución de los proyectos.
Por otro lado las exigencias de los nuevos programas y modos de vida hacen caducos los estrictos límites de los “tipos” históricos anulando, en cierta medida, la seguridad que la tradición nos aporta. Las obligadas nuevas formas que surgen en los nuevos edificios no pueden tener la misma certidumbre de funcionamiento que nos daba las probadas recetas geométricas del pasado.
En definitiva, para que este ejercicio de “diseño energéticamente consciente” de patios sea realmente operativo, profundo, eficaz y contrastable es necesaria una cuantificación consustancial al concepto de energía. Necesitamos una parametrización del comportamiento termodinámico de los patios que nos de a la vez libertad y control. Libertad para poder diseñar nuevas formas de patios adaptadas a los nuevos edificios y sus necesidades. Y control para ser conscientes de su comportamiento energético de manera que seamos capaces de modificar su geometría para conseguir, si lo consideramos pertinente, mayor eficiencia. Hasta el punto de que, en algún caso, pueda esto constituir uno de los argumentos centrales del proyecto.
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4. LA TÉCNICA DE LA FORMA.
Partiendo de una versión puesta al día, tecnificada y paramétrica de la ancestral estrategia del patio mediterráneo, podríamos generar una arquitectura que también entendiera la forma como técnica termodinámica, proyectando edificios más sostenibles y económicos.
Hablar de forma, en este contexto, no tiene nada que ver con el “formalismo” de enfoques más tradicionales. La forma es la mejor manera que tiene la arquitectura de solucionar problemas objetivos…y de crearlos. La forma arquitectónica implica la gestión del espacio, la masa y la energía que son recursos limitados, por lo que debe responder también a criterios objetivos, si entendemos que la arquitectura está al servicio del hombre, ayudándolo a resolver sus problemas reales.
Para que esto tan profundo sea posible, sería necesario primero algo mucho más humilde. Que durante la fase de diseño pudiéramos calcular un parámetro en apariencia sencillo pero que está, como veremos, fuera del alcance actual de los programas y expertos en energía e instalaciones: las temperaturas que antes de su construcción se producirán en un determinado diseño de patio y en una localización geográfica concreta durante el transcurso de las horas, días y meses del año. Este es el dato objetivo al que intentaremos acercarnos al desarrollar el estudio.
Extraído del Trabajo Fin de Master de Juan Manuel Rojas Fernández. MIATD Máster en Innovación en Arquitectura Tecnología y Diseño. Tutores: Carmen Galán Marín. Dra. Arquitecta. Departamento de Construcciones Arquitectónicas I. ETS Arquitectura. Un. Sevilla y Enrique D. Fernández Nieto. Dr. En Matemáticas. Departamento de Matemática Aplicada I. ETS Arquitectura. Un. Sevilla. Asesoramiento: Servando Álvarez Dr. en Ingeniería Industrial, Catedrático de la escuela ETS Ingenieros Industriales de Sevilla. Departamenteo de Ingeniería Energética.
Continuará...
Actualización 22-04-2013:
Se pueden ver los resultados de este trabajo aquí:
http://www.mdpi.com/1996-1073/5/7/2381
http://www.agenciasinc.es/Noticias/Los-patios-mediterraneos-ensenan-ecoeficiencia-a-los-arquitectos
http://www.youtube.com/watch?v=_8uaBjOezj8
Mesa redonda: Representante de AST ingeniería, José Luis Vallejo, Iñaki Abalos, Thomas Herzog, Juan Manuel Rojas y Raúl Huitron. Foto Stepien y Barno
