INTRODUCCIÓN
La necesidad del desarrollo sustentable como solución sin alternativa para la supervivencia del planeta fue reconocida desde hace más de 3 décadas. Sin embargo, aún hoy la mayoría de las publicaciones y los enfoques que prevalecen provienen de los países desarrollados, cuya historia, problemas y preocupaciones fundamentales difieren de los que predominan en los países de cuya capacidad de carga se apropiaron, como resultado de lo cual, ostentan hoy un menor grado de desarrollo. Partiendo de esa base, se ha hecho necesario esclarecer las diferencias y particularidades de la sustentabilidad entre las regiones desarrolladas y en desarrollo, tomando a Cuba como principal caso de estudio y referencia.
La reducción del consumo de energía en las edificaciones constituye un principio esencial para la sustentabilidad del medio construido, en aras de disminuir el uso de combustibles fósiles, la emisión de gases de efecto invernadero y los costos de explotación de los edificios, a la vez que se mejora la calidad de vida de las personas. Para ello, las acciones que se deben acometer, en orden de importancia comienzan por las soluciones arquitectónicas y urbanas que contribuyan, por medios pasivos, a minimizar la demanda energética.
Este tema adquiere una importancia mucho mayor ante la amenaza del cambio climático y el calentamiento global, no solo en regiones de clima cálido, sino, incluso, en los países fríos. Sin embargo, a este tema no se le ha otorgado en Cuba la debida importancia y atención, a pesar de que existe una larga tradición de investigación científica en este campo. Se sigue minimizando la importancia del diseño arquitectónico, se opta por el empleo de proyectos repetitivos que no se adecuan al contexto, o se copian modelos arquitectónicos foráneos como símbolo del “desarrollo”.
Por tanto, ante la perspectiva de que este tema pueda resultar hoy de mayor interés, se ha decidido recopilar parte del trabajo científico desarrollado desde la universidad durante los últimos 20 años, y sus principales aportes en este campo, a partir de la vinculación de sus 3 funciones sustantivas (investigación-formación-extensión).
El problema científico que conecta las investigaciones cuyos resultados se presentan parte de una visión de la sustentabilidad en los países en desarrollo y puede resumirse en la pregunta: ¿cómo el diseño arquitectónico puede contribuir a mejorar el ambiente térmico interior y reducir el consumo energético en las condiciones del clima de Cuba? Partiendo de reconocer las particularidades de la sustentabilidad en los países en desarrollo, las investigaciones desarrolladas han ido encaminadas a demostrar que es posible reducir la temperatura en los espacios interiores y el consumo energético por climatización artificial en los edificios mediante un diseño arquitectónico específico, adecuado al clima, al contexto urbano y a la orientación.
MÉTODOS
El trabajo se ha estructurado en 3 unidades temáticas, que no responden a un ordenamiento cronológico, sino lógico, de manera que cada una de ellas incluye resultados de investigaciones realizadas durante todo el período, a partir de la consecución y sistematización del objetivo general y la hipótesis a demostrar como respuesta al problema planteado. Por tanto, las 3 partes en las que ha sido estructurado el trabajo que se presenta responden a objetivos específicos y no a etapas temporales.
La primera sección, relativa a la sustentabilidad urbana y arquitectónica, constituye un cuerpo teórico elaborado durante varias décadas, que sirve de base al enfoque metodológico del trabajo. En esta parte predominan los métodos de la investigación teórica, y las valoraciones cualitativas a partir de la observación de la realidad e información recogida en trabajos de campo, que también apoyan la elaboración de propuestas encaminadas a mejorar la sustentabilidad del medio ambiente construido en Cuba.
La siguiente sección se dedica a explorar las variables y parámetros que caracterizan el microclima urbano y su influencia en el ambiente térmico en espacios interiores y exteriores. Aquí también se aplican los métodos de la investigación teórica y procedimientos de evaluación cualitativa, pero, además, se emplean técnicas de monitoreo y simulación automatizada en aras de recomendar soluciones de diseño y evaluar su impacto.
La tercera y última parte se refiere a la influencia del diseño arquitectónico en el ambiente interior y el consumo de energía, haciendo uso, también, de los métodos teóricos, la evaluación cualitativa, la simulación automatizada y el monitoreo, así como otros propositivos y de diseño, aplicados en diversos casos de estudio.
En cada una de las secciones que estructuran el trabajo puede observarse la evolución de los métodos y técnicas de investigación empleados, especialmente, en el uso de software y equipos de medición para el monitoreo en modelos de laboratorio y a escala natural. Particular importancia reviste el resultado de una de las últimas investigaciones realizadas, que ha permitido calibrar y validar las simulaciones dinámicas en relación con el monitoreo.
RESULTADOS
Sustentabilidad urbana y arquitectónica
El cuerpo teórico y metodológico que sirve de base a las valoraciones y enfoques de la sustentabilidad urbana y arquitectónica en las investigaciones que se presentan fue elaborado a partir de la formulación del concepto a escala internacional,1 y aplicado en la evaluación y diagnóstico de la sustentabilidad del medio ambiente construido en América Latina y Cuba, así como al desarrollo de propuestas y recomendaciones encaminadas a mejorarla en casos de estudio investigados.2-6
Esta primera sección de los resultados dedicada a la sustentabilidad arquitectónica y urbana pretende demostrar el carácter integral y el enfoque holístico requerido, precisando el rol que en ello desempeña el aprovechamiento de recursos y fuentes renovables de energía, lo cual se inicia con un diseño arquitectónico específico, adecuado al clima, el contexto y la orientación.
Microclima urbano
Los estudios de microclima urbano constituyen un tema relativamente reciente en el ámbito internacional,7 cuando el reconocimiento del fracaso del modelo urbano moderno condujo a la revalorización de la ciudad tradicional, y con ello, a la necesidad de investigar qué ocurría en esos entornos urbanos, diferentes del modelo abierto sobre cuya base se realizaban todas las investigaciones climático-ambientales hasta los años 70. Cuba fue pionera en la región con respecto al abordaje de esta temática,8,9 pero la disponibilidad de equipos de medición y software limitó la continuación de esas investigaciones al ritmo requerido.
En los primeros años del siglo xx se realizó una evaluación de modelos urbanos y tipologías arquitectónicas residenciales.10 Los resultados que aquí se presentan pueden organizarse en 2 grandes grupos, correspondientes a 2 ciudades objeto de estudio: La Habana y Camagüey.
Las investigaciones desarrolladas en la ciudad de La Habana fueron encaminadas a evaluar la influencia simultánea de la morfología urbana en los usos pasivos y activos del sol y el viento. A partir de este enfoque, y teniendo en cuenta los resultados de investigaciones precedentes nacionales e internacionales, se elaboró un procedimiento de evaluación de las morfologías urbanas en La Habana11 y se ofrecieron recomendaciones de diseño para mejorar, por medios pasivos, el ambiente térmico, tanto interior como exterior, en diferentes zonas de la ciudad.
Los resultados de la evaluación cualitativa fueron posteriormente verificados mediante monitoreo con sensores “data logger” de temperatura y humedad relativa marca HOBO, en 3 morfologías urbanas seleccionadas como caso de estudio (compacta, semicompacta y abierta) (2016) y simulación automatizada con el software EnviMET (2017 y 2018), comúnmente usado a escala internacional para evaluar el microclima en exteriores.12 También se elaboraron recomendaciones para mejorar el ambiente térmico en espacios urbanos y se propusieron soluciones de diseño para su transformación en casos de estudio con diversas morfologías, usos y escalas en la ciudad de La Habana, verificando, mediante simulación automatizada, el impacto de las transformaciones propuestas, que pueden generar una reducción de hasta 4 grados centígrados en la temperatura exterior13 (figura 1).
Las investigaciones desarrolladas durante los últimos años en la ciudad de Camagüey son continuidad de la labor realizada durante más de 2 décadas y se encaminaron a caracterizar y clasificar los contextos urbanos, desde el punto de vista de la sombra arrojada, en aras de evaluar, mediante simulación automatizada con el software Energy Plus, la influencia del contexto y la orientación en el diseño de los elementos de protección solar y el consumo de energía en los edificios.
Aunque el trabajo se inició para la ciudad de Camagüey, los modelos paramétricos de contexto empleados en la investigación y la herramienta elaborada para evaluar su influencia son válidos para cualquier contexto urbano en Cuba, ya que se trabajó con una latitud intermedia y se elaboró una herramienta universal que permite al diseñador introducir los datos para cada región del país.14
Arquitectura, ambiente interior y consumo de energía
Esta sección, dedicada a la escala arquitectónica, incluye el grueso de los resultados de investigación directamente vinculados con el ambiente térmico interior y el consumo de energía por climatización. La década del 90 cerró con el proyecto de vivienda bioclimática y progresiva en el centro histórico de Matanzas (1999).15 A partir de los conductos especializados de iluminación y ventilación natural propuestos en ese proyecto, se desarrolló una investigación encaminada a precisar sus requerimientos de diseño, que incluyó la experimentación en modelos a escala de laboratorio (2001)16 y a escala natural (2003). Los conductos ocupan menos espacio que los “patinejos” y evitan la afectación a la privacidad acústica y visual que estos generan, por tanto, permiten un mejor aprovechamiento del suelo urbano con mayor calidad del ambiente interior.17 El dispositivo de salida de los conductos de ventilación fue patentado en 2008; no obstante, las instrucciones para producir artesanalmente los conductos de ventilación fueron divulgadas en revistas populares,18 lo cual permitió ejecución por esfuerzo propio de la población para mejorar el ambiente interior en diversos casos.
También a inicios del presente siglo se desarrolló una investigación encaminada a evaluar la influencia del diseño arquitectónico en el consumo energético por climatización de los hoteles de sol y playa en Cuba, a partir de simulaciones automatizadas realizadas con el software DEROB-LTH.19 La investigación demostró que es posible reducir el consumo energético diario por habitación con protección solar según la orientación y otras soluciones de diseño. Las recomendaciones propuestas se aplicaron al proyecto de una cabaña construida en el Hotel El Comendador, en Cayo Coco, cuyo impacto en la reducción del consumo de energía también fue simulado.20
Las investigaciones desarrolladas en este campo desde inicios de los años 80 permitieron la conformación de un marco teórico,21,22 y un procedimiento de evaluación y diseño,23 aplicado en la elaboración de numerosos proyectos demostrativos.24 El procedimiento elaborado sirvió de base a la evaluación bioclimática de la arquitectura cubana y su evolución, identificando los rasgos esenciales que se mantienen a lo largo de la historia y las contradicciones que limitan su continuidad.25 El ambiente térmico y visual interior también fue evaluado mediante simulación y monitoreo.26
En respuesta a una solicitud del Ministerio de la Construcción, se propuso en 2008 el diseño de un sistema de elementos ligeros de protección solar para ser añadidos a edificios climatizados, evaluando el impacto de su empleo en el edificio de la inmobiliaria “Almendares”, mediante simulación automatizada del ambiente térmico y luminoso con el software Ecotec, versión 5.5 de 2005. El resultado indica que la inversión en los elementos de protección solar, elaborados con aluminio, se recupera en menos de 2 años, considerando la reducción que generan en el consumo de energía27 (figura 2).
Como parte del diagnóstico de la Universidad de las Ciencias Informáticas y la elaboración de propuestas para mejorar su sustentabilidad (2013), se evaluó, primero de forma cualitativa y después mediante monitoreo y simulación automatizada, el ambiente térmico y visual interior de los 3 edificios con mayor consumo energético (3, 5 y 6)28 (figura 3). Los valores medidos permiten comprobar la influencia de la orientación y la exposición al sol en la temperatura interior, y, por tanto, en el bienestar de los usuarios y en el consumo energético cuando se usa climatización artificial. Sobre esta base, se propusieron soluciones de diseño para mejorar la protección solar de los cierres exteriores, de acuerdo con su orientación, fundamentalmente, mediante el uso de elementos vegetales, en aras de reducir al mínimo los costos de inversión. Según los resultados simulados, con la protección solar añadida es posible reducir la temperatura radiante en más de 1 °C al mediodía y hasta 2 °C al final de la tarde.
A partir de 2015 se incursionó en la evaluación del comportamiento térmico de diversos techos verdes, y su conveniencia en las condiciones de Cuba. El análisis costo-beneficio realizado según modelos teóricos de 3 posibles tipos (extensivos, en contenedores y en doble cubierta), incluyó resultados de mediciones de temperatura en espacios interiores de casos reales, con respecto a exteriores de referencia. El techo verde en doble cubierta resultó ser el más recomendable para Cuba, manteniendo una temperatura interior siempre inferior a la cubierta expuesta, con diferencias que llegaron a valores superiores a los 6 °C. Además, requieren un bajo costo de ejecución y mantenimiento mínimo.29,30
Como continuación de las investigaciones que se venían desarrollando en relación con el control solar aplicadas a la ciudad de Camagüey,31 la atención se concentró en la envolvente arquitectónica,32 y los resultados parciales fueron aplicados en la evaluación y propuestas de diseño para mejorar el desempeño energético del edificio del Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos.33
Los resultados de esta investigación han ido encaminados a demostrar la importancia de considerar el contexto urbano y la orientación en el diseño de la protección solar de la ventana en aras de reducir el consumo de energía en el espacio interior (figura 4). También se ofrecen herramientas de ayuda al proyectista para el diseño de la protección solar en función de cada orientación y contexto, más amigables que la norma actual y aplicables a todo el país. Con ello quedó demostrada la necesidad de modificación de la Norma Cubana de Eficiencia Energética, aún vigente.
Uno de los últimos temas de investigación abordados se refiere a los edificios de energía cero o casi cero y su factibilidad en las condiciones de Cuba.34 Los resultados de estas discusiones teóricas también se aplicaron en la formación de arquitectos.35 De la investigación teórica realizada se concluyó que el tema está muy ligado a las políticas locales, de manera que Cuba tendrá que establecer sus propias regulaciones al respecto.
Sobre esta base, se incursionó en la renovación energética de edificios de inicios del siglo xx, demostrando el efecto de la isla de calor urbana; la importancia de la calibración de los datos de entrada en el software Energy Plus a partir de los resultados del monitoreo; las particularidades de las edificaciones históricas en contextos urbanos de clima cálido y húmedo, y las posibilidades reales de la renovación energética sin afectar los valores patrimoniales36 (figura 5).
DISCUSIÓN
Sustentabilidad urbana y arquitectónica
El aporte fundamental de la base teórico-metodológica y conceptual elaborada para abordar la sustentabilidad del medio construido, con respecto a la literatura predominante sobre el tema a escala internacional, consiste en su enfoque desde el punto de vista de los países en desarrollo, donde las necesidades básicas no están cubiertas, y, además, por lo general, se asume el modelo occidental como paradigma de desarrollo. Este enfoque “tercermundista”, aplicado a la evaluación de la sustentabilidad en América Latina, unido a las buenas prácticas diagnosticadas en la experiencia cubana, resultaron de gran interés para el mundo desarrollado.37-41
La investigación ha permitido identificar las particularidades de la sustentabilidad en los países en desarrollo y formular, sobre esa base, un enfoque teórico y metodológico válido para el diagnóstico y la propuesta de soluciones en la región de América Latina, tomando el caso cubano como referente. El enfoque propuesto ha sido aplicado como herramienta de evaluación y análisis, y para la elaboración de propuestas de solución,42,43 así como en una evaluación general de la sustentabilidad en América Latina.44
Microclima urbano
Otro aporte de la investigación lo constituye la clasificación propuesta de variables y parámetros para evaluar la influencia de la morfología urbana en los usos pasivos y activos del sol y el viento, que habitualmente se estudian por separado, así como los indicadores resultantes de la evaluación cualitativa preliminar de modelos urbanos en La Habana, integrando estos requerimientos complejos y contradictorios. Adicionalmente, se demuestra el impacto positivo en el ambiente térmico exterior de las transformaciones propuestas en diferentes espacios públicos de la ciudad.
La clasificación y caracterización del contexto urbano desde el punto de vista de las sombras arrojadas, la demostración de la importancia de que, tanto este como la orientación sea considerado en el diseño de la protección solar de los edificios, por su impacto en la demanda energética, y la herramienta elaborada para su aplicación en cualquier ciudad de Cuba, constituyen otro importante aporte de gran utilidad práctica, que ha puesto en evidencia la necesidad de actualizar la NC-2020.
Arquitectura, ambiente interior y consumo de energía
La investigación también ha permitido caracterizar, desde el punto de vista bioclimático y energético, la evolución de la arquitectura cubana y proponer un procedimiento para la evaluación cualitativa de las soluciones de diseño en clima cálido-húmedo. Además de los resultados teóricos, se han desarrollado soluciones prácticas, cuyo impacto energético y viabilidad económica han quedado demostrados.
Los resultados de la investigación han tributado a la elaboración y perfeccionamiento de las normas vigentes, la capacitación de los profesionales del sector, tanto en Cuba como en el extranjero, la evaluación y aprobación de proyectos, y la demostración de los beneficios y factibilidad de la aplicación de estos enfoques y soluciones.
Particular novedad constituye el proceso de calibración y validación recientemente realizado a partir de la comparación de los resultados de la simulación y el monitoreo, cuestión que no había sido posible hasta hoy en Cuba. Por primera vez se aborda en el país la renovación energética de edificios que ya tienen valores históricos, con aproximadamente un siglo de existencia, que por su volumetría y contexto presentan una máxima exposición solar de la envolvente caracterizada con una elevada inercia térmica. Esto también constituye una novedad a escala internacional para climas cálidos y húmedos como el de Cuba, donde la arquitectura que se estudia, por lo general es ligera y no masiva.
La combinación de esa arquitectura histórica, con elevada masa térmica en un contexto urbano y un clima cálido-húmedo, le confiere novedad a este resultado de investigación, que ha permitido, también, por primera vez en Cuba, combinar el monitoreo con sensores digitales tipo “data loggers” marca HOBO y la simulación con EnergyPlus y su interfase Open Estudio, para calibrar y validar los resultados.
Esta investigación reciente constituye un primer paso en el largo camino de la renovación energética de edificios existentes, que se impone ante una población que no crece. Para ello será necesario hacer una clasificación previa de las tipologías arquitectónicas desde el punto de vista energético, teniendo en cuenta la solución volumétrico-espacial y la época de construcción.
Conclusiones
Para avanzar hacia la sustentabilidad en los países en desarrollo es necesario satisfacer las necesidades básicas; que las soluciones sustentables constituyan alternativas asumidas a partir de decisiones conscientes, y que los modelos foráneos dejen de ser el paradigma a seguir a partir de una revaloración de lo local.
La sociedad cubana ha demostrado ser altamente resiliente y constituye un referente para el mundo en desarrollo, no obstante, para avanzar hacia la sustentabilidad del medio construido se requiere de una estructura y visión más holística y menos sectorial, mayor descentralización y participación, y brindar más atención a la influencia del diseño arquitectónico y urbano en el ambiente térmico interior y el consumo de energía.
Los requerimientos para el aprovechamiento pasivo y activo del sol y el viento resultan contradictorios en los contextos urbanos. No obstante, la transformación de los espacios exteriores urbanos puede reportar impactos muy positivos en el ambiente térmico exterior, con mínima inversión.
La norma cubana para la eficiencia energética de las edificaciones debe incorporar la consideración del entorno urbano y la orientación. Se ofrece una herramienta para auxiliar al proyectista en el diseño de la protección solar de los edificios en cualquier ciudad de Cuba.
Las soluciones arquitectónicas sustentables y de bajo consumo de energía deben ser específicas y nacer de lugar, es decir, subordinarse al contexto y la orientación para aprovechar al máximo los recursos y energías naturales disponibles, obteniendo máxima calidad ambiental con mínima inversión. Es necesario otorgar al proyecto arquitectónico la importancia que requiere y evitar el uso de soluciones repetitivas.
Resulta imprescindible promover la renovación energética de las edificaciones existentes en aras de hacerlas más eficientes y sustentables. Para ello se impone una clasificación energética de los inmuebles y la elaboración de regulaciones específicas.
Queda ampliamente demostrado el impacto negativo de las ventanas de vidrio expuestas al sol y que la proyección de sombra es la estrategia de diseño más eficiente en las condiciones del clima cálido-húmedo de Cuba. Por tanto, es necesario implementar la producción y comercialización de dispositivos de protección solar y potenciar el verde urbano.