Termodinámica del Patio Mediterráneo: Cuantificación y Aplicación al Diseño Eco-eficiente by Hombre de Piedra

TERMODINÁMICA DEL PATIO MEDITERRÁNEO: CUANTIFICACIÓN Y APLICACIÓN AL DISEÑO DE ARQUITECTURAS ECO-EFICIENTES

THERMODYNAMICS OF MEDITERRANEAN COURTYARDS : QUANTIFICATION AND APPLICATIONS IN ECO-EFFICIENT ARCHITECTURAL DESIGN

JUAN MANUEL ROJAS FERNÁNDEZ Arquitecto

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA Departamento de Construcciones Arquitectónicas I

Directores: Dra. CARMEN GALÁN MARÍN Prof. Titular Departamento de Construcciones Arquitectónicas I

Dr. ENRIQUE D. FERNÁNDEZ NIETO Prof. Titular Departamento de Matemática Aplicada I

TERMODINÁMICA DEL PATIO MEDITERRÁNEO: CUANTIFICACIÓN Y APLICACIÓN AL DISEÑO DE ARQUITECTURAS ECO-EFICIENTES THERMODYNAMICS OF MEDITERRANEAN COURTYARDS : QUANTIFICATION AND APPLICATIONS IN ECO-EFFICIENT ARCHITECTURAL DESIGN

JUAN MANUEL ROJAS FERNÁNDEZ Arquitecto

UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA Departamento de Construcciones Arquitectónicas I

Directores: Dra. CARMEN GALÁN MARÍN Prof. Titular Departamento de Construcciones Arquitectónicas I

Dr. ENRIQUE D. FERNÁNDEZ NIETO Prof. Titular Departamento de Matemática Aplicada I

Para Isabel y Laura. El apoyo, compresiรณn y sacrificio de mi familia han hecho posible este trabajo.

Agradecimientos Quiero agradecer a mis directores, los profesores Carmen Galán y Enrique Fernández su profunda implicación que les han llevado a revisar, desde sus diferentes perspectivas, cada palabra, número o imagen de esta investigación, colaborando activamente en su resultado final. Esta tesis se ha realizado gracias al respaldo científico y económico del Proyecto de Excelencia Investigadora de la Junta de Andalucía PATIO “Proyectar Arquitecturas de Transición desde una Investigación Objetiva” (P11-TEP-7985) y del Proyecto del Plan Nacional del Ministerio de Economía y Competitividad de España MORE-PATIO “Modelización de Orden Reducido Orientada al Diseño Ecoeficiente de los Patios” (MTM2015-64577-C2-1-R). También quiero agradecer a la Profesora Marialena Nikolopoulou su amable y activa supervisión durante mi estancia en el Center for Architecture and Sustainable Environment (CASE) de la Kent School of Architecture perteneciente a la Universidad de Kent (Reino Unido). Finalmente, agradezco la ayuda prestada para la realización de diferentes tareas a lo largo de esta investigación a Danna Tahany Olivarria, Francisco Caballero Muñoz, José Alejandro Gutiérrez Bautista, Antonio Ortiz Morilla, Nikki Raeburn, Tom Register y Rida Hamdan.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Ă?ndice

Índice Agradecimientos Resumen Summary

5 13 15

Prefacio Preface

17 21

Objetivos y metodología Objetives and Methodology

25 31

1. MARCO CULTURAL

1.1. 1.2.

Arte o técnica El patio como articulador de la arquitectura en climas cálidos. 1.2.1. Patio y ciudad 1.2.2. Patio y mito 1.2.3. Pervivencia y dispersión 1.2.4. El patio como fenómeno natural 1.3. Conclusiones

44 44 46 47 51 57

2. MARCO CIENTÍFICO Y TÉCNICO 2.1. Eco-eficiencia y sostenibilidad en arquitectura 2.2. El enfoque bioclimático en el entorno español 2.3. Los nuevos enfoques científicos y técnicos 2.4. Conclusiones

3. MARCO CLIMÁTICO 3.1. Clasificaciones climáticas 3.1.1. Clasificación de Köppen 3.1.2. Clasificación de Miller 3.1.3. La clasificación de Rivas Martínez 3.2. Zonificaciones climáticas en Andalucía y el Código Técnico de Edificación 3.2.1. Clima en Málaga. Zona climática A3. 3.2.2. Clima en Sevilla. Zona climática B4. 3.2.3. Clima en Córdoba. Zona climática B4 3.3. Comparación con climas más fríos 3.4. Conclusiones

Termodinámica del Patio Mediterráneo

65 72 83 93

100 101 106 109 117 124 124 126 129 132 7

4. ESTUDIO DIMENSIONAL DE PATIOS HISTÓRICOS 4.1. Prevalencia y factor tamaño de los patios y la estructura urbana 4.2. El factor profundidad 4.3. Relación entre clima y forma de patios históricos 4.4. Profundidad de patios en climas mediterráneos 4.4.1. Orígenes del patio en la Antigua Mesopotamia 4.4.2. Profundidad del patio en el Antiguo Egipto 4.4.3. Profundidad del patio en la Antigua Grecia 4.4.4. Profundidad del patio en la Antigua Roma 4.4.5. Profundidad del patio en la cultura islámica 4.4.6. Profundidad del patio en el Renacimiento 4.4.7. El patio en la arquitectura andaluza 4.4.8. Profundidad del patio moderno y contemporáneo 4.5. Profundidad de patios en climas fríos 4.5.1. Profundidad del patio medieval gótico 4.5.2. El patio doméstico en climas fríos. 4.5.3. Profundidad del patio en ciudades centroeuropeas. 4.6. Conclusiones

135 139 153 157 161 161 163 165 167 171 174 177 181 187 187 187 188 190

5. ESTUDIO DE LA TERMODINÁMICA DEL PATIO

195

5.1. 5.2. 5.3.

200 203

Flujos naturales de energía Balance energético en el espacio de los patios Principales fenómenos termoaeráulicos y la profundidad 5.3.1. Estratificación y profundidad. 5.3.2. Convección natural y profundidad 5.3.3. Patrones de Flujo y profundidad 5.3.4. Perfil de velocidades y profundidad 5.3.5. Patrones de Flujo según CFD y los experimentos en túnel de viento

207 208 209 210 213 215 Índice

5.4. 5.5.

Controversia sobre atrios y patios 219 Estudio de la temperatura adimensional 223 5.5.1. Estudio de la Temperatura adimensional en función de la profundidad P 224 5.5.2. Estudio de la temperatura adimensional según profundidad del patio como fuente térmica 229 5.5.3. Estudio de la temperatura adimensional según profundidad del patio como sumidero térmico 233 5.6. Fundamentos de las simulaciones termodinámicas de los patios 235 5.6.1. Ecuaciones Navier-Stokes para la descripción física de los fluidos 235 5.6.2. Efectos térmicos 236 5.6.3. Las simulaciones en la lógica de la investigación científica 240 5.7. Energy simulations tools for architecture 245 5.7.1. A review of existing calculation tools 246 5.7.2. Programs for generating geometries and meshing 256 5.7.3. The proposed method 261 5.7.4 The proposed procedure: an example of its application 265 5.7.5. Need for a interdisciplinary method 273 5.8. Simulación en patios de patrones de flujo mediante Freefem++ y su relación con diferentes arquitecturas históricas 275 5.8.1. Estudio de patios con profundidad P<1 Los patios para condiciones de invierno 277 5.8.2. Estudio de patios con profundidad P=1 Los patios para climas templados 281 5.8.3. Estudio de patios con profundidad P>1 Patios con alto grado de confinamiento 287 5.8.4. Estudio de patios profundos no confinados 291 5.9. Conclusiones 294

Termodinámica del Patio Mediterráneo

6. MONITORIZACIÓN Y ESTUDIO DE PATIOS REALES 6.1. Casos de estudio 6.1.1. Patio doméstico en Sevilla 6.1.2. Patio en una casa palacio de Córdoba 6.1.3. Patio de manzana en Málaga 6.2. Aparatos de medición. 6.3. Resultados de monitorización 6.3.1. Proceso de datos 6.3.2. Resultados procesados 6.4. Conclusiones

7. COMPUTER SIMULATION OF EXISTENTING COURTYARDS

7.1. 7.2. 7.3.

7.4.

297 301 303 305 307 313 319 327 331 343 347

Commercial software simulations. 349 Considerations on the nature of thermal behaviour 360 Original computer simulations using FreeFem++ 363 7.3.1. Description of the geometry for the calculation model 364 7.3.2. Simulation of pure stratification. The courtyard as a heat sink 369 7.3.3. Outside air temperatures monitored throughout the day 371 7.3.4. Calculation of the solar radiation incident on the walls 373 7.3.5. Simulation of stratification + convection. Heat sink in the day, heat source at night 377 7.3.6. Simulation of stratification + natural convection + forced extraction 379 7.3.7. Simulation of stratification + natural convection + forced extraction + flow patterns caused by winds. Example simulation, close to a real situation 381 Conclusions 387

Índice

8. CONTRIBUTION OF COURTYARD TO ADAPTIVE THERMAL CONFORT 8.1. An adaptive approach to thermal comfort 8.1.1 The European standard EN15251 8.1.2 The American ASHRAE Standard 55 8.2. Adaptive thermal confort in buildingns with courtyards 8.3. Adaptive thermal confort in courtyards 8.4. Conclusions

394 396 398 401 403 405

9. CONCLUSIONES Conclusions 9.1. Nuevas líneas de investigación. New lines of research 9.2. Indicios de calidad Publicaciones Congresos Proyectos de investigación Estancia internacional Divulgación Canales de divulgación

407 419 429 431 433 433 434 434 435 435 436

REFERENCIAS

439

Termodinámica del Patio Mediterráneo

391

Resumen

El presente trabajo estudia el uso de patios mediterráneos en la arquitectura como sistemas pasivos de ahorro energético mediante el entendimiento detallado de su comportamiento termodinámico. Para ello en primer lugar, se estudia su importancia histórica en la arquitectura, proponiendo para explicar su origen y pervivencia, un enfoque que subraya las cualidades físicas y las ventajas objetivas que reportan. Se describe el estado de conocimiento que tenemos sobre su misión y funcionamiento en arquitectura. Se establece la relación entre diferentes climas y diferentes diseños de patios históricos. Posteriormente se avanza en la descripción y comprensión de los fenómenos físicos que condicionan los comportamientos microclimáticos relacionándolos con sus características geométricas. Esto se realiza tanto a un nivel teórico con el estudio de varios diseños tipo, como a nivel experimental, con la monitorización y estudio de patios reales. Para conseguir un mejor conocimiento y uso de las características de los patios en el diseño de edificios, se desarrolla un método de cuantificación de su comportamiento termodinámico basado en la integración de simulaciones numéricas de código libre y programas de diseño arquitectónico. Finalmente, se estudia la característica percepción de ese microclima por parte del ser humano tanto en el interior de los edificios con patios como en los mismos espacios de los patios. Se mostrará de forma objetiva cómo los edificios con patios tienen más posibilidades de ofrecer confort sin aumento del consumo energético. De esta forma se ofrece una visión global que incluye herramientas conceptuales, cualitativas y cuantitativas que reivindican y facilitan el diseño de arquitecturas que incluyan patios para generar edificios energéticamente más eficientes. Esto es completamente necesario en el contexto del Cambio Climático.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Resumen

Summary

The following doctoral thesis studies the way in which Mediterranean courtyards are used in architecture as passive energy saving systems, through a detailed understanding of their thermodynamic behaviour. In order to achieve this, one must first of all study the historical architectural importance of the courtyard, setting out to explain its origin and continued existence, an approach which highlights the physical qualities and objective benefits. This thesis will explain the current knowledge about its purpose and function in architecture. In order to better understand these factors, a relationship is established between different climates and different designs of historic courtyards. Subsequently, progress is made in describing and understanding the physical phenomena which determine the microclimatic behaviour of the courtyards, by establishing its relationship with the geometric characteristics. This is carried out theoretically with the study of various design types, as well as experimentally by monitoring and studying the courtyards. By combining the use of open source numerical simulations and architectural design software, a method is developed for quantifying their thermodynamic behaviour which allows us to achieve a deeper understanding and better use of the characteristics of courtyards for their use in the design of buildings. Finally, we study peopleâ&#x20AC;&#x2122;s mostly universal perception of that microclimate, both inside buildings with courtyards as well as within courtyards themselves. The work will objectively demonstrate the way in which buildings with courtyards have a better chance of offering comfort without increasing energy consumption. We demonstrate that architectural designs which include courtyards (in buildings) are more energy-efficient, all this is presented in a global study that also includes conceptual, qualitative and quantitative tools to encourage the design of buildings with patio. This is completely necessary in the context of Climate Change.

TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

Prefacio

Prefacio El presente trabajo es una investigación desde la arquitectura que estudia la relación entre la energía y la forma de los patios, para ayudar a diseñar edificios energéticamente más eficientes en clima mediterráneo. Para entender correctamente la naturaleza compleja del problema es necesario tratar muy diferentes materias. Algunas de ellas son muy técnicas, relativas a la realidad física de la arquitectura. Otras muy humanas y relacionadas con la cultura o la psicología, pues es finalmente el hombre el centro de la actividad arquitectónica. Esto implica que el campo de estudio puede ser tan extenso que existe peligro de perderse en la amplitud de la tarea. Sin embargo para alcanzar los objetivos que se pretenden en este trabajo será necesario afrontar el reto. Porque gran parte del problema que el entendimiento del patio está teniendo se pueden relacionar con abordajes demasiado parciales o demasiado generales. Descender sólo al completo detalle de la realidad física sin atender a otros factores podría ser demasiado reduccionista en el sentido de que se consideraría el edificio un simple mecanismo y las decisiones de diseño arquitectónico un asunto de pura ingeniería. Hay que intentar integrar también la percepción humana del fenómeno porque puede modificar considerablemente sus consecuencias. Incluso en el ámbito más técnico, simplificaciones excesivas en busca desesperada de una cuantificación calculable, pierden de vista procesos termodinámicos reales pero complejos que son esenciales para la propia cuantificación. Sorprende comprobar como ingenierías especialistas en materia de energía en la edificación que no han identificado todavía los problemas planteados en la presente tesis. Nuestra responsabilidad como técnicos es asumir la importancia y consecuencias de fenómenos de los que se tienen evidencias experimentales aunque aún no se sepan cuantificar. De manera opuesta, hablar sólo de procesos humanos, culturales o muy teóricos y generales, sin atender a la realidad de algo tan concreto y físico como la energía y la forma, podría hacer perdernos en discursos postmodernos con supuesta perspectiva “holística”. El holismo puede ser un enfoque prometedor e incluso necesario. Pero tan ambicioso y de límites tan imprecisos que desafortunadamente detrás de él suele esconderse mucha pseudociencia (Popper 1957; Sokal & Bricmont 1998). Para comprobar esto basta realizar una sencilla búsqueda en internet que nos revele lo que hay realmente detrás de terminos tan Termodinámica del Patio Mediterráneo

prometedores cómo “medicina holística”. El presente trabajo reivindica la necesidad de una específica visión generalista para afrontar los retos que plantea la arquitectura, pero siempre sobre bases realistas y objetivas, es decir científicas (Rojas-Fernández & Domínguez-Hernández 2009). Por tanto, el acercamiento debe ser a la vez reduccionista y holista. Por un lado el problema del entendimiento profundo del comportamiento termodinámico de los patios nos remite a la dinámica de fluidos y a las simulaciones numéricas. Si fuera un conocimiento completamente establecido, lo usaríamos de manera trivial como herramienta sin profundizar mucho más. El problema es que actualmente es un campo de estudio muy vivo. La aplicación de nuevas herramientas a los estudios energéticos de los edificios puede mejorar el entendimiento de procesos energéticamente complejos como el que se dan en los patios. Las nuevas investigaciones en simulaciones numéricas dinámicas junto a la capacidad de computación cada vez más elevada que brindan los nuevos ordenadores, abren la posibilidad de afrontar problemas hasta ahora inalcanzables por su complejidad de cálculo. De esta manera podríamos evitar las simplificaciones que actualmente solemos usar y que nos está impidiendo apreciar correctamente el funcionamiento térmico del patio. Por ello, para comprobar si las herramientas que estamos usando son adecuadas, tenemos que descender con algo de detalle en estos asuntos. Esto ha sido posible gracias al apoyo de los dos proyectos de investigación en donde el autor ha estado trabajando y de los que la presente tesis es uno de sus frutos: el Proyecto de Excelencia Investigadora de la Junta de Andalucía PATIO “Proyectar Arquitecturas de Transición desde una Investigación Objetiva” (P11TEP-7985) y el Proyecto del Plan Nacional del Ministerio de Economía y Competitividad de España MORE-PATIO “Modelización de Orden Reducido Orientada al Diseño Ecoeficiente de los Patios” (MTM201564577-C2-1-R). Por otro lado, la percepción humana de esta realidad térmica es un factor capital a la hora de tomar decisiones de diseño. Se ha comprobado, por ejemplo, cómo factores culturales, sociológicos o psicológicos, además de los que se pueden medir con aparatos, intervienen en la percepción del confort (Nicol et al. 2012). ¿Cómo estudiar estas percepciones subjetivas de manera objetiva? La respuesta a esta pregunta pasa por un cambio de método. Si hasta ahora se había preguntado sólo a la naturaleza mediante el estudio de fenómenos físicos o fisiológicos, ahora habría que preguntar también a las propias personas. Mediante sólida metodologías que incluye la realización de numerosas encuestas, 18

Prefacio

ha aparecido un nuevo y sorprendente acercamiento denominado “confort térmico adaptativo”. Dos hechos brindan credibilidad a este enfoque. El primero es que dos grupos de prestigiosos investigadores completamente diferentes y sin relación, uno en EEUU y otro en Europa, han llegado a conclusiones equivalentes. Las gráficas que muestran las zonas de confort en edificios naturalmente ventilados son muy similares y revelan que por encima de las diferentes metodologías utilizadas, subyace la realidad objetiva de la percepción en el ser humano. El otro es que ambas investigaciones se han considerado lo suficientemente solventes como para integrarse tanto en la normativa de referencia americana (ASHRAE Standard 55) como en la europea (Standard EN 15251). El autor ha podido profundizar en la aplicación de este enfoque al estudio del confort en los patios durante una estancia de investigación realizada en el Center for Architecture and Sustainable Environment (CASE) de la Kent School of Architecture perteneciente a la Universidad de Kent (Reino Unido). Por tanto, al hablar de energía, confort y diseño arquitectónico, el trabajo se sitúa en el delicado campo interdisciplinar entre lo técnico y lo humanístico. Delicado porque las metodologías, las herramientas e incluso el lenguaje suelen ser muy diferentes en uno y en otro campo de investigación. La palabra, la imagen o el número suelen ser las herramientas donde cada uno se siente fuerte y no siempre es fácil reconciliarlas. La creciente especialización que redunda en un mayor desconocimiento e incluso suspicacia entre los distintos campos, no ayuda. Por consiguiente, se avanzará poco a poco desde marcos más generales, históricos y humanísticos hasta los más específicos y técnicos, sin perder de vista el objetivo final, pero atendiendo a las causas y las consecuencias que justifican el interés por el objeto de estudio. La heterogénea procedencia de las referencias en donde se entrelazan textos muy locales con internacionales, clásicos de humanidades con artículos científicos publicados hace unos meses y manuales técnicos de arquitectura con libros de divulgación que nos ayudan a hacer compresible investigaciones de distintas áreas de conocimiento, son otro ejemplo que evidencia la dificultad de la presente investigación. Si antes nos referimos al vértigo de la amplitud de la tarea, el peligro de explorar terrenos intermedios es el de situarse en tierra de nadie. En este trabajo no he pretendido distraer con cantidad de datos acumulados durante años, tanto de simulaciones como de monitorizaciones procedentes de los proyectos de investigación en los que participo, sino exponer y hacer inteligible los resultados más significativos buscando Termodinámica del Patio Mediterráneo

siempre el equilibrio entre el número que objetive el dato y la imagen o la palabra que lo haga comprensible. Por consiguiente, el resultado podría juzgarse “débil” cuando se observa sólo desde cada uno de estos extremos. Habrá que afrontar el reto pues, como dijimos al principio, este campo híbrido y de “escalas intermedias” (Fernández Galiano 1991) es el genuinamente arquitectónico. Nadie puede saber de todo. Pero hay problemas que obligan a intermediaciones entre disciplinas. Posiblemente esta es la debilidad y a la vez la fortaleza del presente trabajo. Finalmente cabe decir que aunque este trabajo quiere ser formalmente académico en el ámbito de la universidad, su origen y vocación no son nada académicos. Nacen de la inquietud de la práctica profesional a la que me remitiré sólo cuando sea pertinente para la investigación. Su punto de partida es el intento de contestar cuestiones sobre estrategias para mejorar el diseño y funcionamiento de la arquitectura que el autor produce y que eran imposibles de abordar sin la profundidad que ofrece una investigación académica. La mayoría de las estrategias de diseño analizadas en este trabajo han sido llevadas a la práctica, testadas y a veces monitorizadas. El impulso definitivo para la realización de este trabajo ha sido comprobar el paradójico contraste entre el excelente rendimiento real y la buena acogida por parte de los usuarios de estas estrategias y la extrema dificultad de justificarlas en el marco científico, normativo o de criterios de concursos públicos que precisamente persiguen la valoración objetiva de la eficiencia energética en los edificios. La arquitectura no es sólo materia formal o teórica sino que es también esencialmente experimental. Las ideas arquitectónicas tienen importantes consecuencias en el mundo real y deben materializarse para testarse adecuadamente. La arquitectura nos da el poder a los arquitectos de dar forma al medio físico dónde las personas pasan la mayor parte de su tiempo. Como colectivo, nos da el considerable poder de gestionar una parte importante de los recursos materiales, energéticos y espaciales de la humanidad. Pero, como ya advertía Franklin D. Roosevel (Roosevelt 1945) y recientemente ha popularizado Spiderman, “un gran poder conlleva una gran responsabilidad”. Esa responsabilidad nos obliga a ser humildes y a medir las consecuencias reales de nuestras ideas. El estudio objetivo que nos brinda el método científico es la mejor forma de hacerlo. Sólo de esta forma podremos servir realmente a la sociedad aportándole mejor entorno y gestionando más eficientemente sus recursos. 20

Prefacio

Preface The present work is an investigation of the architecture that studies the relation between the energy and the form of courtyards, to help design energy efficient buildings in Mediterranean climates. In order to properly understand the complex nature of the problem, it is necessary to address several different topics. Some of them are very technical, relating to the physical reality of architecture. Others are very human and relate to culture or psychology, thus revealing man as the central focus of architectural activity. This implies that the field of study can be so broad that there is danger of getting lost in the breadth of the task. However, in order to accomplish the objectives established in this thesis, one must face the challenge – because a large part of the problem with understanding courtyards can be the result of approaches being too partial or too general. Covering the full details of only the physical reality could be too reductionist in the sense that the building would be considered a simple mechanism, and the architectural design decisions considered a matter of pure engineering. We also must try to include the human perception of the phenomenon, because they can significantly alter its consequences. Even in the most technical sense, excessive simplifications in pursuit of a calculable quantification, they lose sight of the complex, physical and real thermodynamic processes essential for quantification itself. For me it is surprising to see that there are engineers who are specialists in energy in building, who have not yet identified the problems raised in this thesis. Sometimes it is more constructive to assume that it is unknown how to quantify a phenomenon, even though we can accept its importance. On the other hand, only speaking about human, cultural or very theoretical and general processes, without dealing with o as energy and form, could mean we lose ourselves in postmodern and pompous speeches with a supposed “holistic” perspective. Holism can be a promising and even necessary approach, but being so ambitious and having such imprecise limits mean that, unfortunately, there is much pseudoscience hiding behind it (Popper 1957; Sokal & Bricmont 1998). To check this, it’s enough to simply carry out a web search that shows us what is really behind such grandiose-sounding concepts like “holistic medicine”. This thesis defends the need for a specific general vision for facing the challenges presented by architecture, but always Termodinámica del Patio Mediterráneo

on a realistic and objective, or in other words scientific, basis (RojasFernández & Domínguez-Hernández 2009). Therefore, our approach must be both reductionist and holistic. On one hand, the difficulty in the profound understanding of the thermodynamic behaviour of courtyards refers to fluid dynamics and to numerical simulations. If it were fully established knowledge, we would use it trivially as a tool without delving much further into it. The problem is that it is currently a very active field of study. Applying new tools to the energy studies of buildings can improve the understanding of energetically complex processes like those occurring in courtyards. New research into numerical simulations, along with the increasingly higher computing capacity provided by new computers, opens up the possibility of facing problems which, up until now, were unachievable due to their computing complexity. In this way we are able to avoid simplifications which we tend to use currently and which is stopping us from duly assessing the thermal behaviour of courtyards. Therefore, to check that the tools we are using are suitable, we have to look at these issues in detail. This has been possible thanks to the support of the two research projects on which the author has worked and of which this thesis is one of the products: the Research Excellence Project of the Regional Government of Andalusia PATIO “Proyectar Arquitecturas de Transición desde una Investigación Objetiva” (P11-TEP-7985) and the Ministry of Economy and Competitiveness´ National Plan Project MORE-PATIO “Modelización de Orden Reducido Orientada al Diseño Ecoeficiente de los Patios” (MTM2015-64577-C2-1-R). On the other hand, the human perception of this thermodynamic reality is a major factor when making design decisions. For example, it has been scientifically proven how cultural, sociological or psychological factors, in addition to those which can be measured with apparatus, are involved in the perception of comfort. How can these subjective perceptions be studied objectively? The answer to this question seems obvious. If until now only nature has been investigated/ questioned through study of physical and physiological phenomena, we should now also investigate/question the people themselves. By using solid methods which include carrying out several surveys, a new and surprising approach has appeared, known as “adaptive thermal comfort”. Two events lend credibility to this perspective. The first being that two completely different and unrelated groups of well-regarded researchers, one the United States and the other Europe, have come to the same conclusion. Graphs showing comfort 22

Prefacio

zones in naturally ventilated buildings are very similar and show that, beyond the different methods used lies hidden the objective reality of human perception. The other is that both studies have been considered reliable enough to be included in both the American (ASHRAE Standard 55) and European (Standard EN 15251) reference standards. During a research visit to the Centre for Architecture and Sustainable Environment (CASE) at the Kent School of Architecture, belonging to the University of Kent (United Kingdom), the author, was able to take a closer look at the application of this approach to the study of courtyards. Therefore, when talking about energy, comfort and architectural design, the work is positioned in the delicate interdisciplinary field between the technical and the humanistic. It is a delicate topic because the methods, tools and even the language used often differ greatly from one field of research to another. Word and number are often the tools which make every discipline feel strong, and it is not always easy to bring them together. The growing specialization that leads to greater ignorance and even suspicion among different fields, does not help. The diverse origin of the references which intertwine local texts and international texts, humanities classics and scientific papers published a few months ago, and technical manuals and books which allow us to compress research on different areas of knowledge, are other examples that show how difficult this study is. If we refer to the vertigo of the extent of the task, the danger of exploring intermediate terrain is to be in no man’s land. I have not tried to cause distract you by filling this work with excessive amounts of data accumulated over the years, either simulations or monitoring from the research projects which I take part in, but to make the most significant results more understandable. I am always searching for the balance between the number that objectifies the data and the word and image that makes it understandable. As a consequence, the result could be seen as “weak” when you only look at it from either end. The challenge will have to be faced since, as previously mentioned, the hybrid field or “halfway stop” (Fernández Galiano 1991) is genuine architecture. Nobody can know everything. But there are problems which require mediation between different subjects. This is possibly both the weakness as well as the strength of this work. In the end, it should be said that, although this study intends to be formally academic in the sphere of the University, its origins and Termodinámica del Patio Mediterráneo

aims are not academic at all. They stem from the concern of the professional practice which I occasionally remit to as part of this research. The starting point being the attempt to answer questions regarding possible strategies for improving the design and operation of the architecture created by the author, and that were impossible to address without the depth provided by academic research. Most of the design strategies analysed in this study have been put into practice, tested and sometimes monitored. The ultimate motivation for carrying out this work was to experience the paradoxical contrast between the excellent real operation and the favourable reception on behalf of those who employ these strategies, and the extreme difficulty of justifying them in the regulatory framework or criteria from public tenders which specifically seek the objective valuation of energy efficiency in buildings. Architecture is not only a formal or theoretical matter; it is also, essentially, experimental. Ideas in architectural design have important consequences on the real world and should be materialised in order to be properly tested. Architecture gives architects the power to shape the physical environment where people spend most of their time. As a group, it gives us the considerable power to handle an important part of humanity’s material, energetic and spatial resources. However, as Franklin D. Roosevelt (Roosevelt 1945) once said, and recently made popular by Spiderman, “with great power comes great responsibility”. This responsibility compels us to be humble and to consider the true impact of our ideas. The objective study that provides us with the scientific method is the best way of doing so. Only in this way can we truly serve society by providing it with a better surrounding environment and managing its resources more efficiently.

Objetivos y Metodología

Objetivos y metodología Los objetivos del presente trabajo abarcan diversos aspectos que buscan avanzar en el conocimiento del patio como estrategia bioclimática para su utilización en el diseño de edificios en el contexto del clima mediterráneo. Estos objetivos se pueden dividir en generales y específicos de la siguiente forma: Objetivos generales: • Ofrecer un marco realista de la importancia del patio para la arquitectura en el ámbito mediterráneo. Se trata de estudiar el patio como espacio omnipresente y clave para el entendimiento de la cultura arquitectónica mediterránea a lo largo de la historia, subrayando sus características físicas y especialmente microclimáticas para justificar esta relevancia. • Determinar los problemas de entendimiento que tiene la estrategia bioclimática del patio en los estudios científicos sobre sostenibilidad y eficiencia energética en arquitectura. Esto dificulta severamente la justificación de su utilización en nuevos diseños contemporáneos como estrategia bioclimática para clima mediterráneo. El objetivo es señalar el problema que supone que tanto los programas más extendidos de balance energético así como los que determinan la calificación obligatoria de la eficiencia energética de los edificios, no consideren la existencia de un microclima real diferente del exterior dentro de los patios que pueda contribuir al ahorro de energía en los edificios. Lo anterior supone una presión que promueve el diseño de edificios compactos con bajos factores de formas (entendida como la razón entre envolvente y volumen interior contenido). Esto conduce a la desaparición de los patios en los nuevos proyectos que forzosamente deben demostrar cuantitativamente, usando estas herramientas de calificación energética, ser eficientes para adaptarse a la nueva demanda social en el marco del Cambio Climático. • Poner en relación la tipología de los patios históricos y el clima en donde son levantados. Se trata de constatar cómo en los edificios tradicionales, determinadas características geométricas de los patios, están relacionadas con el clima en donde se construyen. Especialmente se estudia la influencia del “Aspect Ratio” (relación Termodinámica del Patio Mediterráneo

entre la altura y la anchura del patio) denominado Profundidad (P=h/a) en la presente tesis. Se pone de relieve que en climas cálidos los patios suelen ser menores en superficie y tener mayor profundidad P que en climas fríos. Se establece como posible causa una adaptación formal de los mismos a cada clima para mejorar el rendimiento bioclimático del edificio. Por tanto, se pone en evidencia que la arquitectura y geometría de los patios deben modular algunas características del microclima interior y que determinadas formas suponen distintas consecuencias energéticas para el edificio en función del contexto climático. En definitiva, analizando la arquitectura existente, se pone de relieve que las características del diseño arquitectónico del patio, son las responsables de las peculiaridades de su microclima interior y que afectan al balance energético total del edificio. • Determinar el funcionamiento termodinámico del patio, identificando y analizando la interacción de los fenómenos físicos que confluyen en este espacio comparándolo con lo observando en patios reales. Para conseguir un uso más consciente de la estrategia bioclimática de los patios, es necesario un mejor conocimiento cuantitativo de los detalles de su comportamiento termodinámico. Las simulaciones numéricas, tanto de patios simplificados teóricos como modelos que representan a los reales, comparados con datos experimentales, permiten avanzar significativamente en este conocimiento. Por tanto, se constata y se cuantifica sobre bases científicas lo determinado en el punto anterior relativo a que el diseño arquitectónico de un patio condiciona su microclima y su misión como espacio de transición entre el ambiente exterior e interior es una de las claves del comportamiento energético del edificio en climas mediterráneos.

Objetivos y Metodología

Objetivos específicos: • Demostrar experimentalmente la existencia de microclimas en los patios. Para ello se mostrarán y analizarán los resultados de campañas de monitorización realizadas en diferentes patios de distintas ciudades de Andalucía para constatar las diferencias de temperatura que existen con el exterior. Se estudiará la evolución de estas diferencias a lo largo de las horas y de los días para entender mejor los mecanismos físicos que provocan este microclima. • Desarrollar un marco suficiente de cuantificación del comportamiento termodinámico de los patios que nos permita justificar su uso así como la toma de decisiones con respecto a las variables generales de diseño en los edificios. Este marco incluye el desarrollo de herramientas de simulación energética mediante el lenguaje de código abierto Freefem++ y su integración con los programas gráficos específicos más usados para diseño arquitectónico. De esta forma, se posibilitará seguir utilizando las herramientas propias de los arquitectos para el diseño de edificios, trasladando fácilmente la información espacial al programa que permite las simulaciones energéticas de los patios. Éste programa nos permitirá cuantificar su comportamiento termodinámico. El objetivo es facilitar a los arquitectos el diseño de los edificios con patio de manera termodinámicamente más consciente al cuantificar sus cualidades. • Determinar cómo afectan los nuevos conocimientos y estándares sobre confort térmico adaptativo en la estrategia bioclimática del patio. Para ello se estudirá el confort adaptativo en el interior de edificios con patio y en el interior del patio mismo. Se demostrará que durante días típicos del verano, en edificios naturalmente ventilados con patios, la temperatura en el interior de estos edificios está dentro del rango de confort adaptativo y que incluso en las zonas sombreadas de sus patios, las temperaturas también están dentro del rango de confort adaptativo.

Metodología: Para lograr estos objetivos, se desarrollará la siguiente metodología en la que se combina el análisis crítico de investigaciones existentes, estudios de tipologías arquitectónicas de los patios según el clima, Termodinámica del Patio Mediterráneo

análisis de datos experimentales de monitorizaciones y generación de programa de simulación basado en CFD (Computational Fluid Dynamics) para la cuantificación del comportamiento energético de los patios. • Análisis de la relevancia cultural del patio a través del estudio de trabajos que han tratado el tema desde una perspectiva arquitectónica o social. Se intentará determinar las causas del origen y pervivencia de este espacio a través de la historia y la geografía en diversas partes del mundo para poder tener la perspectiva necesaria para entender su existencia en el clima mediterráneo. • Análisis de trabajos científicos sobre sostenibilidad y eficiencia energética en los edificios estudiando especialmente en ellos, la mención o el tratamiento, si existe, de la estrategia bioclimáticas del patio. Se estudiarán tanto trabajos internacionales como los referidos específicamente al entorno climático mediterráneo poniéndolos en relación. De igual modo se investigará la evolución desde las investigaciones pioneras de los años 60 hasta las aportaciones científicas aparecidas hace unos meses sobre patios que se apoyan en CFD. • Estudio de la variedad de climas a través del análisis de los distintos criterios de clasificación climática. Entender la existencia y grado de diferencia en el ambiente exterior es necesario para comprender una posible diferente adaptación climática de los edificios a estas diversas condiciones. Se analizará la evolución de los criterios desde las primeras clasificaciones, que entienden los climas como grandes bolsas de territorio en condiciones considerablemente homogéneas, hasta las últimas que consideran en una misma zona geográfica circunstancias (altitud, vientos, etc…) que modifican substancialmente las características de su clima lo que implica la existencia de multitud de microclimas con condiciones bien diferenciadas. En este sentido, se estudiarán específicamente las clasificaciones que profundizan en el estudio de las variedades de los distintos tipos de climas mediterráneos. • Estudio de la relación entre características geométricas de los patios históricos y sus diferentes entornos climáticos especialmente su tamaño y su Profundidad (P=h/a). Se estudiarán desde culturas antiguas hasta las contemporáneas y desde entornos mediterráneos hasta otros más septentrionales. Aunque la presente tesis doctoral 28

Objetivos y Metodología

se centra en arquitecturas en clima mediterráneos, es necesario para entender adecuadamente sus características de adaptación climática, la comparación con otros entornos climáticos. • Análisis de los distintos fenómenos físicos que explican el comportamiento termodinámico de los patios. Para ello se estudiarán desde su balance energético hasta los fenómenos de flotabilidad del aire y patrones de corrientes de aire (patrones de flujo) en los patios determinando la influencia de la forma del patio sobre ellos. Se analizarán acercamientos analíticos como el de la temperatura adimensional como primera aproximación al problema. Para abarcar con más precisión la complejidad de los procesos termodinámicos que confluyen, se pasará a estudiar la aproximación al problema que nos ofrece la dinámica de fluido computacional (CFD) comenzando por el análisis de las bases matemáticas de las simulaciones numéricas utilizadas. En el Capítulo 5 de la presente tesis, se justificará la idoneidad del uso de simulaciones basadas en el calculador de elementos finitos de código abierto Freefem++ para abarcar el problema y se desarrolla un método sencillo para trasladar las geometrías generadas con programas de diseño arquitectónico al entorno de esta herramienta. Se desarrollarán simulaciones sobre geometrías de patios simplificados de distinta Profundidad para entender la influencia de las distintas formas tipo de patios. Se relacionará el comportamiento de estos patios tipo de distintas geometrías con el de patios históricos en distintos climas. • Toma de datos experimentales sobre patios reales para medir el comportamiento de sus microclimas. Se estudian patios de tres ciudades andaluzas con tres variedades distintas de clima mediterráneo (Córdoba, Sevilla y Málaga), monitorizándolos durante diferentes meses. El patio de Málaga se corresponde con el edificio de viviendas y Hotel Ilunion diseñado por el autor de la presente tesis, poniendo en práctica las estrategias bioclimáticas del patio mediterráneo en clave contemporánea. Para entender adecuadamente sus cualidades termodinámicas y potencialidades para la mejora del confort adaptativo y la eficiencia energética en los edificios, se resolverán dificultades experimentales específicas de estos estudios que podría desvirtuar la comprensión del microclima en los patios. Se analiza comparativamente la evolución de las temperaturas exteriores del edificio, las interiores en el patio, las interiores dentro del edifico y a las de las afueras de la ciudad poniendo estos datos en relación con el conocimiento del comportamiento termodinámico del patio. Esto Termodinámica del Patio Mediterráneo

nos permite valorar la dimensión de la potencialidad del patio como sistema de regulación térmica y climatización en los edificios. • Simulaciones sobre patios reales usando tanto programas comerciales como códigos basados en Freefem++ desarrollados para la presente investigación comparando resultados. Se simularán en modelos de patio reales los distintos fenómenos físicos por separado y se irán añadiendo a la simulación para entender bien el efecto de cada uno de ellos. Se analizarán y compararan los resultados de las simulaciones con el comportamiento monitorizado en los patios reales. • Finalmente se analizará la contribución que el patio supone a la mejora del confort en el contexto del confort térmico adaptativo. A partir de datos monitorizados en patios reales en edificios naturalmente ventilados (sin usar climatización), se calculará el confort adaptativo en el interior de los edificios y en el propio patio usando tanto el estándar de referencia europeo (Standard EN 15251) como el estándar de referencia americano (ASHRAE Standard 55). Se analizan los resultados y se estudia lo que suponen los patios, no sólo para la mejora del confort, sino también para el ahorro energético de los edificios naturalmente ventilados.

Objetivos y Metodología

Objetives and Methodology The objectives of this work cover different aspects which seek to make progress in regards to the knowledge of the courtyard as a bioclimatic strategy for its use in the design of buildings in Mediterranean climates. These objectives can be divided into two categories, as follows General objectives: • To offer a realistic framework on the importance of the courtyard in architecture in the Mediterranean. To study the courtyard as an omnipresent and essential space for understanding the architectural culture in the Mediterranean throughout history, highlighting the physical and especially the microclimatic characteristics in order to prove this relevance. • To identify the difficulty in understanding of the bioclimatic strategy of the courtyard in scientific studies on sustainability and energy efficiency in architecture. This severely complicates the justification of its use in new contemporary designs as a bioclimatic strategy for the Mediterranean climate. The objective is to point out the problem that implies that the most widespread energy balance programmes, as well as those which identify the required grade of energy efficiency in buildings, do not consider the existence of an actual microclimate within the courtyards. This microclimate could contribute to energy saving in buildings. This implies a strain caused by the design of compact buildings with low shape factors (that relates the envelope of the building and its interior volume) and means less courtyards in new projects. These courtyards have to demonstrate quantitatively, using these energy rating software, how to adapt efficiently to the new social demand within the framework of Climate Change. • To relate the typology of historic courtyards and the climate in which they are erected. To establish how in traditional buildings, certain geometric characteristics of the courtyards are related to the climate in which they are constructed. In particular, the influence of the “Aspect Ratio” is studied (relation between the height and width of the courtyard), referred to as Depth (P=h/a) in the current thesis. It highlights that in warm climates the courtyards are often lower in surface area and have a greater depth P than in colder climates. Termodinámica del Patio Mediterráneo

These are adapted formally to each climate to improve the bioclimatic performance of the building; this is established as a possible cause. Thus, it shows that the architecture and geometry of courtyards should modulate some characteristics of the interior microclimate and that certain shapes mean different energetic consequences for the building in a climatic context. Ultimately, analysing existing architecture highlights that the architectural design characteristics of the courtyard are the reason for the peculiarities of its interior microclimate and that they affect the total energetic balance of the building. • To establish the thermodynamic behaviour of the courtyard, identifying and analysing the interaction of the physical phenomena which come together in this space, comparing it with the thermodynamic behaviour observed in actual courtyards. To achieve a more conscious use of the bioclimatic strategy of courtyards, it is necessary to have a better quantitative understanding of the details of the thermodynamic behaviour. Numerical simulations, both of simplified theoretical courtyards as well as models which represent actual courtyards, compared with experimental data, allows us to make significant progress in this understanding. Thus, the information determined in the previous point, has been demonstrated using scientific methods. This means that the architectural design modulates its microclimate and is a key of the energetic performance of the buildings in Mediterranean climates.

Specific objectives: • To prove experimentally the existence of microclimates in courtyards. To do this, the results of monitoring campaigns carried out in different courtyards across different cities in Andalusia are displayed and analysed, in order to establish the differences in temperature with the interior. The development of these differences over hours and days is studied in order to better understand the physical mechanisms caused by this microclimate. • To develop an adequate framework for quantifying the thermodynamic behaviour of courtyards that allows us to explain its use as well as decision making with regards to general design variables in the buildings. This framework includes the development 32

Objetivos y Metodología

of energetic simulation tools through the Freefem++ open-source language and its integration with the specific graphical programmes used most often in architectural design. This makes it possible to continue using the architect’s own tools for the design of buildings, easily carrying spatial data to the programme that allows energetic simulations of courtyards. This programme allows us to quantify its thermodynamic behaviour. The aim is to make it easier for the architects to design buildings with courtyards in a more thermodynamically conscious way when quantifying their qualities. • To identify the effect of new knowledge and new standards on adaptive thermal comfort on the bioclimatic strategy of the courtyard. To do this, the adaptive comfort within the interior of buildings with courtyards is studied, and in the interior of the courtyard itself. It will be demonstrated that throughout typical summer days, in naturally ventilated buildings with courtyards, the temperature in the interior of these buildings is within the range of adaptive comfort, and even in shaded parts of the courtyards, the temperatures are still within this range.

Methodology: In order to achieve these objectives, the following methodology will be developed. It will combine critical analysis of existing research, studies on architectural typologies of courtyards depending on climate, analysis of experimental data of monitoring and generation of a simulation programme based on CFD (Computational Fluid Dynamics) for quantifying the energetic behaviour of courtyards. • Analysis of the cultural relevance of courtyards through the study of work which has approached the topic from an architectural or social perspective. We will try to determine the reason behind the origin and survival of this space across history and geography in different parts of the world. This will give us the perspective needed for understanding its existence in the Mediterranean climate. • Analysis of scientific work on sustainability and energy efficiency in buildings, paying particular attention to any reference to the bioclimatic strategy of the courtyard. Both international work and work referring specifically to the Mediterranean climate, are studied Termodinámica del Patio Mediterráneo

and related to one another. In the same way, development from the pioneering research of the 60s up until scientific contributions published a few months ago on courtyards supported by CFD was studied. • A study on the variety of climates through the analysis of different climate classification criteria. Understanding the existence and degree of difference in the external environment is necessary for understanding a possible different climatic adaptation of buildings to these conditions. The evolution of the criteria will be analysed from the first classifications, that think of climates as large bags of territory in considerably homogeneous conditions, up until the most recent classifications that take into account circumstances (height, wind, etc.) in a single geographical area which modify substantially the characteristics of its climate. This implies the existence of several microclimates with well-differentiated conditions. In this sense, research is done specifically on classifications which study the varieties of different types of Mediterranean climates. • A study of the relationship between the geometric characteristics of historical courtyards and their different climatic environments, especially their size and Depth (P=h/a). The studies range from ancient cultures to contemporary cultures and from Mediterranean surroundings to those more northern. Although this Phd focuses on architecture in Mediterranean climates, comparison with other climatic environments is necessary for understanding sufficiently their climate adaptation features. • Analysis of the different physical phenomena which explain the thermodynamic behaviour of courtyards. For this, a range of studies are carried out from its energetic balance to the air buoyancy phenomena and air current patterns (flow patterns) in courtyards. These studies determine the effect of the shape of the courtyard over the physical phenomena. Analytical approaches are analysed, such as that of the dimensionless temperature used as a first approach to the problem. To cover with more precision the complexity of the thermodynamic processes that converge in this problem, we must study the approach offered to us by the Computational Fluid Dynamic (CFD). The first step being the analysis of the mathematical bases of the numerical simulations used. Chapter 5 of this thesis explains the suitability of the use of simulations based on the calculation of finite elements of open-source Freefem++ for approaching the problem. A simple 34

Objetivos y Metodología

method is then developed for moving the geometries generated using architectural design software to the Freefem++ program. Simulations are developed on the geometry of simplified courtyards with different depths in order to understand the influence of this different forms. The behaviour of these courtyards with different geometries is related to that of historic courtyards in different climates. • Collection of experimental data on actual courtyards for measuring their microclimatic behaviour. Courtyards in three cities are studied (Cordoba, Seville and Malaga), monitoring them over several different months. In order to understand sufficiently their thermodynamic qualities and potentialities for improving the adaptive comfort and energy efficiency in buildings, experimental difficulties specific to these studies which could distort the understanding of the microclimate in courtyards are resolved. We analyse comparatively the evolution of the external temperatures of the building, the interior temperatures of the courtyard, the interiors temperature of the building and those from the outskirts of the city, relating this data to the understanding of the thermodynamic behaviour of the courtyard. This allows us to value the dimension of the potentiality of the courtyard as a thermal regulation and air-conditioning system in buildings. • Simulations on actual courtyards using both commercial programmes as well as codes based on Freefem++ developed for this research, and comparing results. Simulations of the different physical phenomena are done on models of actual courtyards separately and they are gradually added to the simulation to fully understand the effect of each of them. The results of the simulations are analysed and compared with the monitored behaviour in the actual courtyards. • Lastly, the contribution of the courtyard to the improvement of the comfort in terms of adaptive thermal comfort is analysed. Based on monitored data in actual courtyards in naturally ventilated buildings (without using air-conditioning), the adaptive comfort on the interior of the buildings and in the courtyard itself is calculated using the European reference standard (Standard EN 15251) as well as the American reference standard (ASHRAE Standard 55). The results are analysed and the courtyard are studied, not only for the improvement of comfort, but also for energy saving in naturally ventilated buildings.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

1. DE MARCO ESTUDIO DIMENSIONAL PATIOS CULTURAL HISTÃ&#x201C;RICOS

Figura 1.0 Portada de capítulo. Patio de las Doncellas. Alcázar de Sevilla. Siglo XIV. (Imagen: Libertaddigital.com)

Capítulo 1. Marco Cultural

“El patio no es sólo un elemento totalmente principal en la historia de la arquitectura, desde la antigüedad hasta la edad moderna, como todos sabemos; es también la base de un verdadero sistema de composición, el soporte de un modo de proyectar tan universal como variado. Y tan importante que puede decirse que para muchos de los usos y para numerosas culturas humanas no ha habido otro en realidad, de modo que el sistema de patios o claustral, como me ha parecido útil llamarlo también, se ha identificado en algunas etapas y civilizaciones con la arquitectura misma” (Capitel 2005) De esta forma clara explica Antón Capitel la relevancia del patio en culturas cómo la mediterránea. En el presente trabajo hablamos siempre de patios mediterráneos como espacios abiertos al cielo rodeados por todos sus lados de edificación que son el centro de la organización espacial y social del edificio. No estudiaremos los patios residuales, de servicio o traseros, existentes en muchas arquitecturas de países más septentrionales como es el caso de los “backyard” de las “terrace houses” inglesas. El patio andaluz es un claro ejemplo de espacio de transición característico del clima Mediterráneo. Desde un punto de vista termodinámico, veremos que son espacios de transición entre el clima exterior y el interior, siendo a través de ellos por donde el aire exterior interactúa con el interior del edificio. Su importancia en las culturas de regiones cálidas está suficientemente acreditada como estudiaremos. La paradoja es que el mismo espacio ha sido tanto objeto de hagiografías quizás exageradas realizadas por intelectuales locales (ver pág. 174), como de la más completa incomprensión y olvido por parte de científicos internacionales (ver pág. 66). Ninguna de estas actitudes ayuda a comprender ni sus virtudes ni las causas de su existencia. Entender el contexto donde estos espacios son comunes en arquitectura, nos permitirá una apreciación más objetiva de la realidad de esta solución y arrojará luz sobre las causas de su origen y pervivencia.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

1.1. Arte o técnica Como decía Capitel, hablar de patio en nuestro marco cultural es hablar de la propia arquitectura (fig. 1.1 y 1.2). El patio ha sido visto y estudiado como concreción del espacio existencial del hombre (Norberg-Shultz 1980), como modo de habitar (Capitel 2005), como felicidad y lujo (Romero Murube 1955), como recuerdos que resumen una infancia (Machado 1912), como sistema de composición o de proyecto (Capitel 2005), como núcleo germinal de la casa mediterránea (Díaz Recasens 1992) y en definitiva como generador de significación (Pérez de Lama 1996).

Figura 1.1. Atrio romano con impluvium. Vivienda en Pompeya, ( 79 d.C.)

Figura 1.2 Patio Vivienda de la “Casa-Patio” en Cambridge, Estados Unidos (1958). Arquitecto: José Luis Sert

Estos textos nos revelan la capital importancia que el patio tiene para la vida y la arquitectura en nuestra geografía. Más adelante haremos referencia a ellos en un recorrido histórico que no pretende ser exhaustivo sino introductorio para nuestra materia. Sin embargo, en estos trabajos 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 son algunas de sus evidentes características climático-funcionales. Pero incluso en los textos de arquitectura 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 temas energéticos son complejos y se entienden como materia a estudiar por los especialistas. Pero ni siquiera en el ámbito de los actuales manuales técnicos de sostenibilidad o bioclimatismo se ofrece, como veremos en el Capítulo 4, una explicación cuantitativamente convincente de su funcionamiento energético. Hay otro factor que podría sumarse a lo anterior y hace la situación especialmente grave. Como detallaremos, la mayor parte de la literatura científica sobre eficiencia energética hasta ahora proviene de países avanzados que se encuentran principalmente en climas más septentrionales. En ellos el mayor problema es combatir el frío. Así pues, las estrategias bioclimáticas mejor estudiadas son las que consiguen conservar el calor y procurar el sobrecalentamiento. Por tanto, las estrategias bioclimáticas que persiguen la refrigeración han sido hasta ahora menos estudiadas por ser propias de países cálidos de menor producción científica. Capítulo 1. Marco Cultural

Es significativo a este respecto que la nueva clase media en muchos de los países cálidos en desarrollo consideren como algo “antiguo” y “exótico” a los patios. En una visita a la Ecole d’Architecture de Casablanca el autor ha podido recabar esta opinión de primera mano (Rojas-Fernández & Domínguez-Hernández 2014). Este error sólo es explicable si se considera que, como dijimos, la información científica que llega a estos países proviene en su mayor parte de países más septentrionales. Por consiguiente, se puede observar cómo en países cómo los mediterráneos se desatienden estrategias tradicionales y se abrazan otras importadas que pueden ser ineficaces o incluso contraproducentes en sus climas cálidos. Tal y como veremos, este es el caso de la tendencia a sustituir los patios por atrios acristalados por ejemplo. Desde una perspectiva integradora que entiende la arquitectura siempre al servicio de las necesidades del hombre, no se reconocen diferencias, o jerarquías entre estructura, instalaciones y arquitectura. Se reconoce como actual la sinonimia clásica 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. Por tanto, la forma de este espacio, su proyecto, aparte de resolver otros muchos asuntos, nos permitirá manipular su funcionamiento energético de manera pasiva para mejorar las cualidades habitables, saludables y sostenibles de los edificios.

Figura 1.3 Patio de la casa de Aalto en Muuratsalo, (1953) El aparente “impluvium” es en realidad un hogar para encender fuegos. Arquitecto: Alvar Aalto

La modernidad aportó unos tipos y unas tecnologías que parecían dejar obsoletas las cualidades 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 sino más bien en motivos compositivos, artísticos o subjetivos (Díaz Recasens 1992). Pero tal y como predijo Aalto (Mikkola 1993), el tiempo ha demostrado la ingenuidad con que se confió en tecnologías supuestamente infalibles “capaces de liberar al hombre del dominio de la naturaleza” (fig. 1.3). Se tiene suficiente conocimiento ahora de la extrema fragilidad en lo tocante a confort, bienestar y salubridad de los sistemas de control climático en los edificios parar ser más precavidos. La tecnología es la forma natural del hombre de relacionarse con el medio. Hay que apreciarla por ello como un arte humano y por supuesto utilizarla pero entendiendo su falibilidad. Pues la tecnología es hija de la ciencia y el principio básico de esta, su auténtico motor, es saber que nunca se está completamente a salvo del error. La cada vez más frecuente aparición de Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.4a Terminal de Cruceros del Puerto de Sevilla realizada con contenedores marítimos (arriba). La arquitectura de contenedores marítimos reciclados sugiere la generación de espacios como “cajas” herméticas, muy aisladas y separadas del exterior. Sin embargo, en este edificio adaptado al clima mediterráneo (Rojas-Fernández 2013; RojasFernández 2015), se resuelve la manera de “abrir las cajas” (abajo) para generar espacios más amplios en planta y sección y ponerlos en contacto con el ambiente exterior. (Juan Manuel Rojas Fernández y Buró 4, arquitectos)

Capítulo 1. Marco Cultural

“edificios enfermos”, tiene que ver con una idealización peligrosa de las tecnologías sofisticadas (Moffatt 1983). Por tanto, es necesario usarlas racionalmente, es decir, conociendo sus límites que están en nuestro desconocimiento de los detalles de sistemas tan complejos como el clima y la interacción humanas con el mismo. Permitir que las personas se pongan en contacto directo con el medio natural, que abran y cierren puertas y ventanas al exterior, que existan espacios específicos donde se fomente el contacto con el medio natural, que se permita y fomente el movimiento en espacios con moderados cambios de temperaturas, en definitiva que interactúen de manera activa con su entorno arquitectónico y natural, “suena” en determinadas ambientes técnicos, a justo lo opuesto que se suele presentar como recomendaciones de eficiencia energética. Veremos al hablar de percepción humana y confort adaptativo cómo estas estrategias generales pueden estar realmente detrás del bienestar y el ahorro energético. Esto da mayor resiliencia a los edificios pues cuanto más dependientes son de la tecnología, se tornan más vulnerables. Mostraremos que es más probable que resolvamos los problemas de salubridad, confort térmico y sostenibilidad propiciando la entrada directa de aire exterior que impidiéndolo (Short 2017). Esto es especialmente cierto en nuestro clima, Por ello, una de las estrategias (aparentemente simple pero muy eficaz) sería asegurar que las envolventes permitan respirar de forma natural al edificio mediante sistemas de aperturas practicables (fig. 1.4a -1.4b). En climas templados se justifica con dificultad la necesidad de envolventes completamente herméticas en todo el edificio. Con ellos no se lucha bien contra el riesgo de sobrecalentamiento de los edificios más probable en climas cálidos. En este sentido, es lógica la utilización consciente de patios que permitan un aporte natural de aire exterior a espacios profundos de la edificación. Además y a diferencia de las aperturas en fachada, esta admisión de aire se realiza a una temperatura más templada que la exterior como veremos. Estos patios integrados en los sistemas del edificio, ofrecen la seguridad de una estrategia más robusta al ser más sencilla. Como consecuencia 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.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.4b Fachada (arriba) donde se combina tecnologías sofisticadas, como la integración de paneles fotovoltaicos, con pasivas como la generación de sombras o la inclusión de grandes ventanas especialmente diseñadas para conseguir ventilación profunda en espacios de una sola fachada como el de las habitaciones de hotel (abajo). De esta forma se aprovecha mejor el privilegiado clima de Málaga. Hotel Ilunion Málaga. (Juan Manuel Rojas Fernández y Juan Ramón Montoya, arquitectos).

1.2. El patio como articulador de la arquitectura en climas cálidos

Figura 1.5 Media Luna Fértil también denominada Creciente Fértil. Una de las primeras regiones dónde se inició la civilización: la ciudad, la escritura y la casa con patio.

El patio no es algo exclusivo de la cultura mediterránea. Ni se relaciona sólo con una época determinada. Está presente a lo largo de toda la historia en las arquitecturas de China, India, Mesopotamia, Antiguo Egipto, del mundo greco-latino, del mundo Islámico, Europa occidental o América Precolombina. Abunda en lugares que comparten climas templados o cálidos. Pero también es cierto que hay ejemplos de patios en arquitecturas escandinavas o de EEUU. Estas últimas son a veces reinterpretaciones contemporáneas del tema realizadas con éxito por arquitectos europeos como ejemplifica la casa Patio de Sert en Cambridge, EEUU (Díaz Recasens 1992) (fig.1.2) En el contexto de la cultura arquitectónica general cabe hacerse la siguiente pregunta ¿qué explica el origen y la extraordinaria pervivencia del patio?. Para contestar, nos centraremos en una familia de patios que comparten unas ciertas características físicas, descritas a lo largo del trabajo, y que se relacionan con la cuenca mediterránea pero que también están presentes en otras geografías con similar clima.

Figura 1.6 Calles de Ur excavadas por Charles Leonard Woolley entre 1929 y 1934. (Millard 1983).

1.2.1. Patio y ciudad Rastrear los orígenes de estos patios nos lleva lejos de las orillas del mediterráneo aunque no lejos de su clima. La primera casa patio documentada y emparentada con las de nuestro estudio por ser central en la edificación, aparece con las primeras ciudades hacia el 2000 a.C. en Ur, Mesopotamia (Millard 1983) . Probablemente la existencia de los primeros patios sea anterior pues está conectada con el hecho urbano desde sus orígenes, lo que puede dar una clave de su aparición. La revolución neolítica que derivó posteriormente en la aparición de las ciudades tiene lugar en el amplio territorio que va desde Mesopotamia pasando por Siria, sur de Turquía, Líbano, Israel hasta llegar a Egipto.

Capítulo 1. Marco Cultural

Es la llamada Media Luna Fértil (fig. 1.5) que toca la parte oriental del Mediterráneo. El fenómeno urbano se consolida en primer lugar en el valle formado por el Tigris y el Éufrates dando origen a la civilización sumeria. Se supone que Ur a orillas de Éufrates dominó Sumer entre el 2200 al 2000 a.C (Asimov 1968). Las crecidas estacionales que fertilizaban a la par que devastaban el territorio, la necesidad de organizarse para la construcción y mantenimiento de una compleja red de canales y diques, la organización social que esto requiere, la división del trabajo y el comercio a que lleva los excedentes de producción provocados por el éxito de la estrategia anterior o la jerarquización social consecuencia de todo lo anterior, son algunas de las claves bien estudiadas que explican el nacimiento de esta civilización urbana. Se puede decir que la ciudad nace como pacto social para afrontar los retos y aprovechar las oportunidades que el medio natural ofrecía (Benevolo 1978). Pero este pacto, germen del orden urbano y en él, del primer balbuceo del espacio público, es un acuerdo de mínimos como parece demostrar la precariedad del espacio urbano más abundante y básico: la calle.

Figura 1.7 Trama urbana de Ur (2000 a.C.). (Benevolo 1978).

Las excavaciones que entre 1929 y 1934 realizara el arqueólogo Charles Leonard Woolley (Millard 1983) permitieron descubrir en Ur la existencia de un barrio residencial completo y reconstruir teóricamente cuáles podrían ser las principales características de su arquitectura (fig. 1.6). Es sorprendente lo familiar que nos resulta, a pesar de situarse 4000 años en el pasado, la sinuosa trama de estrechas e irregulares calles y manzanas de gran tamaño (fig. 1.7). De hecho muchas calles son en fondo de saco y para hacer habitable las enormes manzanas generadas se observa la necesidad de la creación de multitud de espacios interiores abiertos. Las viviendas encontradas (fig. 1.8), expresan su condición de casa patio con toda pureza al no presentar casi ningún hueco en fachadas. Respiraban exclusivamente por el patio estando todas las piezas ventiladas e iluminadas desde éste. Será un modelo repetido con matices en Grecia, Roma y en general durante todas las épocas en la cuenca mediterránea (Robertson 1943). Por tanto el patio puede ser entendido según estos estudios como una adaptación a la relación con un exterior caracterizado por la precariedad del espacio urbano. Evitar abrirse a la calle suponía también un acto defensivo desde el punto de vista social. La calle, precisamente por sus características físicas y sociales, era un ambiente no controlado. Un ejemplo de esto es que el aire de la calle no solía tener una calidad mínima y normalmente era fétido.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.8 Casa Patio de Ur (2000 a.C.) Excavada por Charles Leonard Woolle. (Benevolo 1978).

Por tanto, el patio nacería como necesidad. Pero también se pueden rastrear aparte de las higiénico-sociales, razones de adaptación climática que explican esta morfología urbana. Con estas calles estrechas y patios profundos se evita que la radiación solar, tan dura en estos climas, incidiera directamente en las fachadas evitando el sobrecalentamiento (Neila González 2004). Por tanto, el patio puede ser considerado como el complemento espacial privado que busca el equilibrio entre la protección y la apertura al medio ambiente. El patio permitía un cierto control tanto de la calidad como de la temperatura del aire introducido. La vegetación, el agua y el posible uso de toldos como elementos complementarios en los patios, complementaban las características geométricas de éstos en su función microclimática. La necesidad pasa a ser virtud en las culturas que consiguen distinguirse por su personalidad y añadir significado y sofisticación a lo que en principio sólo fue una estrategia funcional.

1.2.2. Patio y mito Los estudios humanísticos sobre el tema, suelen profundizar en una dimensión mítica-simbólica del patio para explicar su origen y pervivencia. El filósofo, historiador y estudioso de las mitologías y religiones Mircea Elíade, afirmaba que “en el patio se aprecia la permanencia de simbolismos del hombre antiguo, tales como la relación entre hombre y cosmos, simbolismos del centro y de la regeneración o repetición de la cosmogonía, y de lo sagrado y profano” (Eliades 1998). Según señala A. Rossi, “además de sus funciones de iluminación, ventilación y climáticas, los patios que encontramos tanto en arquitectura doméstica, como en la civil y religiosa, tienen una importante función simbólica” (Rossi 1966). Explícitamente en uno de los textos consultados (Pérez de Lama 1996) pero generalizable a otros, se intenta verificar la hipótesis de Rossi de que el “patio es el significado del edificio”. Figura 1.9 Patio de Los Leones de la AlHambra de Granada (s. XIV). El patio como recreación del Paraíso. Imgen: Hannah & Adrian Stone.

La mayoría de las referencias consultadas sobre los patios abundan en estas ideas. El patio como recreación del cosmos, con el “axis mundi” los cuatro elementos, tierra, agua, aire, fuego, y la esfera celeste en Roma; como jardín y evocación del paraíso en la tradición islámica Capítulo 1. Marco Cultural

(fig. 1.9); la versión medieval de lo anterior que representan los claustros monacales; el patio como crisol social o “plaza pública” de la microciudad que eran los palacios renacentistas, etc. Refiriéndose también al origen y pervivencia actual de los patios, G. Díaz Recasans afirma: “quizá, al igual que el hogar [en la casa septentrional], haya sido [el patio] el núcleo germinal de la casa meridional; desde él se vivía, se respiraba, se recibía la luz y el agua, se unificaba la vida con un sistema de creencias”. Y también subraya que destacados arquitectos modernos acudieron a la idea del patio porque en él se reconoce lo “eterno”, lo “imperecedero” (Díaz Recasens 1992), pues en su origen se encuentra los fundamentos sustanciales y permanentes del “asentarse” en el lugar. En resumen, aunque en estos textos de arquitectura existe, como se dijo al principio de este capítulo, un reconocimiento sumario de las cualidades físicas y funcionales del patio, son las cuestiones simbólicas de significado, míticas y esencialistas las que en última instancia se subrayan para explicar la pervivencia del arquetipo.

1.2.3. Pervivencia y dispersión Se plantea la duda de si esta semiología que se aplica a las arquitecturas de los palacios, de las casas señoriales, de los monasterios o las casas de autor actuales es también aplicable al resto de la edificación popular mediterránea donde la pervivencia del patio es igual de evidente. Ésta constituye un verdadero fondo de la ciudad y es el paisaje cotidiano de la mayoría de sus ciudadanos (fig. 1.10). Quizá esta arquitectura, más sensible a las inmediatas necesidades reales del hombre que a su intención de expresión cultural, descubra otras claves menos mediatizadas por el lenguaje. Pueden defenderse las interpretaciones simbólicas en algún caso particular y para un determinado contexto sociocultural. Pero en la presente tesis se propone, otro enfoque general sobre el mismo tema pues podría enriquecer el entendimiento del patio. Quizá la pervivencia del arquetipo del patio en este fondo construido de ciudad conformado por la vivienda popular, durante tanto tiempo (4000 años) y en tan distintos lugares, no se pueda explicar principalmente Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.10 Centro de Marrakesh, Marruecos. Clima mediterráneo seco.

Figura 1.11 Patio de casa tradicional típica de la dinastía Han (siglo II a.C.) en Pekín, (China). Imagen: Rebecca Boxall

Capítulo 1. Marco Cultural

argumentando razones de significación, atávicas o míticas. Éstas son ciertas en determinadas circunstancias histórico-sociales. Pero puede que no sean tan determinantes y homogéneas en todas las capas de la sociedad, ni tan universales en tantas y distintas geografías, ni tan eternas como se suele esgrimir para explicar el éxito del arquetipo. Como afirma Antón Capitel en su libro “La arquitectura del Patio”,

“las reglas y principios del sistema [patio], ligadas a una lógica formal y espacial que podría definirse como inexorable, traspasaron así épocas y lugares; en unas ocasiones existieron tradiciones y herencias culturales que las unieron pero en otras las cosas se repitieron de forma muy semejantes simplemente por una misma lógica arquitectónica” (Capitel 2005). En este trabajo A. Capitel sostiene, que por encima de mitos y significaciones, existe una racionalidad espacial del patio que justifica su existencia. Podríamos añadir que, como sostiene en la presente tesis, tan importante como la espacial, aunque quizá menos evidente, es la racionalidad termodinámica. Capitel sostiene que parece forzado para justificar la persistencia histórica del patio que se establezca como argumento único, exactas equivalencias o continuidades culturales mediterráneas entre la sociedades del Antiguo Egipto, de Roma, del mundo islámico, o de la Sevilla del s. XVIII. Estas continuidades culturales pueden existir. Con algo de esfuerzo podemos estirar esta cadena, por ejemplo, a Sumeria, como remoto origen de la idea y a la arquitectura del sur de Marruecos como lejana heredera. Pero ya no estamos hablando de forma tan clara de cultura mediterránea. Y en todo caso, qué decir de determinados patios en Japón o China (fig. 1.11), cuyas proporciones recuerdan a veces a otros más cercanos (Yang et al. 2013; Kubota et al. 2017). Se puede argumentar para explicar esto desde la óptica historicista que siempre ha habido una mínima continuidad cultural con el extremo oriente. ¿Pero qué ocurre entonces con los patios de las culturas americanas prehispánicas como la azteca de México (fig. 1.12)? ¿También tuvieron contacto con las culturas mediterráneas antes de Colón? El arqueólogo David M. Carballo afirma:

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.12 Patios en el Templo Mayor en Ciudad de México (año 1500 d.C). La meseta central de México donde se encuentra su capital, disfruta de un clima templado lluvioso y no tropical a pesar de su latitud. Esto se explica por la gran altitud a que se encuentra, 2500 m sobre el nivel del mar. Maqueta del Museo Nacional de Antropología de México. Ciudad de México.

“Las casas mesoamericanas [precolombinas] típicas se encuentran alrededor de un espacio central y otro espacio abierto, dentro del cual se realiza una gran cantidad de actividades doméstica. (Carballo 2016). Sus patios, de proporciones y disposición en el edificio parecidas a las del mediterráneo, constituían el eje funcional de las viviendas y en general de casi todas las edificaciones. Pero además eran su eje ritual, donde la comunidad que habitaba la casa se reunía en actos religiosos, como lo demuestra la frecuente ubicación de altares en los centros de estos patios (Carballo & Fortenberry 2015). Es importante señalar que, al igual que la mediterránea, estas civilizaciones mesomexicanas eran también marcadamente urbanas (fig. 1.13).

tury, based on Millon (1973).

La reivindicación de la identidad cultural nos ha dado un marco intelectual que nos ha permitido poner en valor estrategias vernáculas eficaces que la modernidad pretendía dejar obsoletas. Se reclamaba el valor de la inteligencia “local” frente a la estandarización “internacional”. Pero también es cierto que la excesiva insistencia de la pasada posmodernidad en el concepto de “identidad” puede convertirse en unas gafas que distorsionan perspectivas más amplias. El presente trabajo centra su estudio en el concepto “patio mediterráneo” cuyo término se incluye como subtítulo. Se entiende que existen unas características que lo diferencia de otros. Pero también es cierto que estas características se comparten con otros muchos patios de distintas geografías no mediterráneas que, como hemos visto, no tienen conexiones culturales. Es revelador que con muchas de estas geografías se compartan ciertas características climáticas.

Figura 1.13 Teotihuacan (Ciudad de México), principios del siglo VI. Según Carballo (Carballo & Fortenberry 2015)

most ambitious es to be the Teoy Millon (Millon ied intensive site became a model rbanism within city is known ogy and the ico50 f mural painting g system existed ctographic, used

Este argumento es una aplicación al espacio del patio de una visión más general que sostiene que las condiciones climáticas son uno de los principales factores que explican las formas arquitectónicas. Esta civic and administrativeidea functions were themselves fue bienand estudiada por Victor Olygyay (Olgyay & Olgyay 1963) composed of neighborhoods frequently más interacting y ofreceof la perspectiva natural (en sentido de relacionada con el medio) y convincente para explicar apartment compounds, often termed barrios (Cabreralas características principales de muchas de las diferentes tipologías arquitectónicas desarrolladas por Castro and Gómez Chávez 2008; Manzanilla 2012). el hombre a lo largo de la historia en diversos climas.

Its central artery was a wide (ca. 40 m) and long (over Puede as que, sosteniendo, lo más importante para 5 km) thoroughfare known thecomo Streetestamos of the Dead, explicar realmente el origen y pervivencia del patio no sean tanto which runs from the northern Moon Pyramid to pass los condicionamientos culturales míticos o de significación, como the Sun Pyramid and other major civic, ceremonial, Capítulo 1. Marco Cultural and palatial structures of the urban epicenter. Teotihuacan was a cosmopolitan city that saw substantial migration from other parts of Mesoamerica

la evidente, humilde y demostrada utilidad de este espacio en un determinado clima y sociedad urbana. Esta utilidad es un concepto más objetivo para entender la pervivencia histórica del patio pues no depende tanto de marcos culturales siempre cambiantes, y es defendible en cualquier contexto temporal, geográfico y social con similitudes climáticas.

1.2.4. El patio como fenómeno natural Para terminar de apoyar esta idea, además de los argumentos que sobre la diseminación geográfica global del patio según el clima, referiré otra serie de datos que tienen que ver con la historia, la economía y la ecología. Pensar en la arquitectura del pasado, nos remite casi inevitablemente a las construcciones perdurables de los reyes, nobles y sus dioses. Son los “paradigmas” legibles estudiados por la historia del arte que nos dan a una visión del pasado plena de significados así como de imágenes tan brillantes y espectaculares como románticas. Pensemos por un momento en las que se nos vienen a la cabeza al hablar de la Arquitectura de la Antigua Roma. La influencia subconsciente de las películas de Hollywood en nuestra imaginería visual, no es ajena a esto. Sin embargo arqueólogos e historiadores de la economía nos informan de que la realidad cotidiana en estas sociedades era más dura. En el libro “El imperio Romano: Economía, Sociedad y Cultura” (Peter Garnsey & Saller 1990) se incluye un capítulo titulado de forma muy explícita: “Una economía subdesarrollada”. En él, refiriéndose a una generalidad histórica del mundo romano podemos leer que:

“La economía romana estaba subdesarrollada, lo que en esencia significa que las masas vivían en el nivel de subsistencia o cerca de él” (Peter Garnsey & Saller 1990). Figura 1.14 Patio de viviendas enterradas en Matmata, Túnez. (Neila González 2004)

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.15 Patio de viviendas enterradas en Matmana, Túnez. En un clima cálido, se aprovecha la inercia del terreno y la cualidad de los patios para intercambiar aire de forma atemperada. Los patios como respuesta a la necesidad.

Figura 1.16 Patio de viviendas enterradas en Tungkwan, China. En distintas geografías con diferentes culturas, las mismas necesidades ante parecidos climas y condiciones del terreno producen similares respuestas formales de los patios. Imagen de “Arquitectura sin Arquitectos”, (Rudofsky 1964).

Capítulo 1. Marco Cultural

Y esto es extensible a todas las culturas de todas las épocas y regiones del mundo hasta prácticamente la revolución industrial (Bhalla 2007). La gran masa social no podía permitirse algo mucho más allá de lo exclusivamente necesario. Sus sobrias viviendas, desnudas de todo lo superfluo (fig. 1.14), que tanto gustan a cierta sensibilidad moderna (Rudofsky 1964), así lo indican. Una de las explicaciones principales es su limitada capacidad para aprovechar y por tanto disponer de recursos (limitación industrial y tecnológica) que hacía que estuvieran en precario equilibrio con ellos. El aprovechamiento de las oportunidades que el medio ofrece se hace imprescindible y las soluciones pueden ser parecidas en distintas regiones del mundo cuando las condiciones físicas de programa, clima y medio son similares (fig. 1.15, 1.16). Por tanto, está claro que si sus acciones no respondían a una gestión medianamente racional de estos escasos recursos espaciales, materiales, energéticos y económicos, si sus repetidos ritos y mitos que supuestamente les obligaban a edificar de una determinada forma, no eran racionales en el uso de estos recursos, no conseguirían este mínimo equilibrio. Sencillamente ellos, su cultura y su civilización desaparecerían por insostenibles y probablemente no estaríamos hablando aquí ahora de la pervivencia de sus elementos. Sobrevivir y hacerlo de la mejor manera es propio del hombre, de la civilización en que vive, así como de cualquier organismo vivo. Por ello es obvio que la cultura y la edificación tradicional han tenido que ser siempre sostenibles. Y por ello al menos las acciones reiteradas en materias tan consumidoras de recursos como la edificación, han tenido que tener una base racional (individual o colectiva, consciente o inconsciente) que utilice dichos recursos en medida de su escasa disponibilidad. Por tanto, aunque en nuestro contexto desarrollado parezca muy difícil de visualizar, la humanidad ha vivido siempre en precario equilibrio con el medio. Es posible que el periodo en el que se tenía la sensación de estar liberados del contexto medioambiental, haya sido un breve paréntesis en la historia que ahora finaliza al entenderse lo insostenible de sus consecuencias. Por tanto, el argumento del obligado equilibrio con los recursos de las sociedades tradicionales así como el de su implantación global, hace posible pensar que quizá el proceso que da origen y pervivencia al patio fue distinto al mítico-simbólico. Atendiendo a una interpretación no esencialista de la Historia, el hombre puede que no sea una máquina mítica condenada a repetir siempre y de forma irracional un rito. Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.17 Detalle del centro de Marrakesh, Marruecos. La cultura propone formas. El clima obliga a seleccionar las más adecuadas para satisfacer las necesidades físicas. Cultura y Necesidad gobiernan la evolución de la forma arquitectónica. Esto recuerda a la evolución de los organismos vivos (abajo). Imagen de “Arquitectura sin Arquitectos”, (Rudofsky 1964).

Figura 1.18 Micrografía de los estomas en la superficie de una hoja. El azar de los errores genéticos provee de una variabilidad de formas. El medio selecciona de entre estas las más adecuadas para satisfacer las necesidades de supervivencia del organismo. Azar y Necesidad gobiernan la evolución de la forma orgánica. Los estomas son orificios que permiten a la planta el intercambio de gases en las mejores condiciones con el exterior. Como hacen los patios en los climas templados y cálidos.

Capítulo 1. Marco Cultural

Puede que, como propone el filósofo Karl Popper, a veces la sociedad también actúe de acuerdo con una “lógica situacional” (Popper 1994) que no quiere decir exactamente racional, optando en cada momento por aquello que, en su ámbito de posibilidades, le permita solventar los problemas del día a día, evitando si le es posible el daño o la desaparición para sí y los suyos. Y siendo capaz, en todo caso, para explicar el simbolismo de determinadas características o hechos sociales, de dar valor a aquello que realmente le es útil mediante su mitificación ritual. Con ello se consigue que su beneficioso uso se repita de forma reiterada y casi automática a lo largo de generaciones y en diferentes lugares con contextos físico climáticos similares (fig. 1.17, 1.18). Desde un punto de vista evolutivo o biológico, el patio puede ser entendido como “meme” debido a su extraordinaria pervivencia a lo largo del tiempo en diferentes regiones. El concepto de meme es ahora popular gracias a internet y las redes sociales. Pero nació de la mano de Richard Dawkins en su libro de 1976 “El Gen Egoísta” para explicar la cualidad principal que define al gen como portador de información (Dawkins 1976). Es la clave para entender el mecanismo de transmisión de la herencia y su evolución en el tiempo. Paralelamente, en un contexto cultural, también permite entender los mecanismos de transmisión y supervivencia de una idea (buena o mala, cierta o falsa) de generación en generación. El éxito en la transmisión de información (portada por el gen o el meme) es debido a su propia capacidad en difundirse y de replicarse. Es cierto que una forma de conseguir esto es proporcionando una ventaja evolutiva al individuo que lo porta. Esto le permite mejor supervivencia y reproducción tanto de él cómo del gen. Pero no siempre es así. Dawkins explica cómo, a veces, los memes no benefician a su portador, sólo buscan su propia transmisión “de manera egoísta”. Todo hemos experimentado la sensación de futilidad al colaborar en la transmisión de memes por internet sin entender que beneficio nos aporta. Pero el meme tiene esa cualidad extraña de transmitirse a pesar de nosotros. Somos simples medios gracias a los que los memes se extienden. ¿Es esta la causa que explica el éxito de los patios en su transmisión y pervivencia? ¿Es un simple meme cultural que se transmite como un virus sin aportar beneficios? Para responder a esto, tenemos que tener en cuenta que no se extiende tan fácilmente o de la misma forma por todos los climas (cómo veremos en el Capítulo 5). La tesis principal defendida a lo largo del presente trabajo es que, si el patio Termodinámica del Patio Mediterráneo

es un meme cultural, su cualidad principal es proporcionar una cierta ventaja evolutiva a la cultura que lo porta que se relaciona con una mejor adaptación climática de la edificación. Por tanto no es un meme cultural sin sentido con capacidad hipnótica de auto replicarse por distintas culturas como mucho de los memes de internet. Es, en todo caso, un meme con éxito en replicarse porque que es beneficioso para la sociedad que lo usa y que al prosperar y diseminarse, extiende su uso. Igual que muchas adaptaciones biológicas que dan ventajas evolutivas a las especies. Es cierto, por tanto, que la formalización final del patio puede responder en parte y según los casos a imperativos culturales. Pero estos responden a su vez a la necesidad más que a códigos sociales. El patio, por tanto, ha tenido tanto éxito perviviendo hasta hoy entre nosotros por ser probablemente una estrategia tradicional de racionalización de recursos espaciales (Capitel 2005; Díaz Recasens 1992). Pero también, como se defiende en este trabajo, por ser un estrategia de racionalización de recursos energéticos. Aunque fuera, insisto, de forma inconsciente para la mayoría de los ciudadanos a través de una “tradición racional” disfrazada de mito o a través de un meme cultural. De igual manera algunas tradiciones y ritos que movilizan grandes recursos de la sociedad y que han pervivido desde tiempos remotos, deben tener una base racional. Pensemos en las fiestas de primavera y en las de invierno, ambas de raíces agrícolas. Se trata, desde el punto de vista evolutivo, de rituales que conllevan acciones o estrategias (señalando por ejemplo tiempos agrícolas claves como la siembra o la recolección para evitar su olvido) que más allá de memes auto-replicantes, suponen ventajas físicas, psicológicas o sociales que aseguran la supervivencia de las sociedades antiguas. La tradición de la arquitectura del patio reúne, de hecho, estas tres ventajas: las físicas (termodinámicas), las psicológicas (contacto con la naturaleza, confort adaptativo) y sociales (espacio de encuentro y relación).

Capítulo 1. Marco Cultural

1.3. Conclusiones Decía Tetsuro Watsuji que “No existe el clima aparte de la historia ni historia aparte de clima” (Watsuji 1961). Pero venimos de unos momentos históricos en los que en el estudio de todo lo humano primaba lo social y lo cultural sobre lo climático y físico. Lo primero se entendía erróneamente más humano que lo segundo. Ante esto es bueno recordar que el “hombre es también su ambiente” (Watsuji 1961). Quizá sea enriquecedor contemplar el problema de la existencia y pervivencia de los patios desde esta otra perspectiva más naturalista sabiendo que, en el fondo, es algo esquemático e inexacto anteponer clima a cultura o viceversa. El patio puede tener lecturas culturales, simbólicas y míticas. Hemos visto que en las pasadas décadas, ha sido corriente la perspectiva sociológica postmoderna, que gustaba “leer” el “significado profundo” y permitía identificar la genuina “identidad” de todo lo existente. Paradójicamente y a pesar de titánicos esfuerzos, la búsqueda de significados tiende a lo subjetivo. Lo subjetivo, representa un callejón sin salida que genera opinión no conocimiento. Y la aplicación del conocimiento al mundo es lo que nos permite resolver problemas reales y objetivos, es decir, compartidos (Popper 1994). El entendimiento del patio como medio racionalizador de recursos espaciales-energéticos en climas cálidos o templados como el mediterráneo por encima de su consideración como hecho con significación cultural, se puede justificar en los argumentos expuestos en el capítulo y puede ser una explicación de su origen y pervivencia. El cambio de prelación propuesto nos ayuda a entender este espacio arquitectónico en el pasado con el fin de poder utilizarlo mejor en el futuro. La sociedad actual exige la justificación objetiva de las decisiones y la racionalización de los recursos. Sólo recurriendo al utilitarismo, a la necesidad, a lo físico y objetivo (superando, por tanto, los prejuicios postmodernos a estos conceptos), podemos justificar la introducción de estos bellos espacios en los proyectos de edificios contemporáneos.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 1.19 “Tertulia en el Patio” Pintura al óleo. Eugenio Álvarez Dumont (1864-1927). El patio como lcentro organizativo y social de la casa en los climas mediterráneos.

Capítulo 1. Marco Cultural

Porque no se trata de un capricho cultural sino de una necesidad física racional; al patio hay que apreciarlo en lo que vale objetivamente además de por lo que signifique. Invirtiendo los elementos de frase de A. Rossi que citamos al hablar de patio y mito (pag. 46), podríamos decir que “además de su función simbólica, los patios tienen unas vitales funciones espaciales, de iluminación, de ventilación y climáticas”. El patio muestra la necesidad del hombre de climas mediterráneos en cualquier geografía, de relacionarse con el ambiente exterior y la naturaleza, aprovechando el recurso de este clima, mediante un fascinante y ambiguo espacio de transición, que no es enteramente exterior ni interior y que no es ni completamente natural ni artificial. Dicho elemento, por ser el eje organizativo y por ser con diferencia la pieza mejor conformada y acondicionada de toda la casa en climas cálidos (forma regular, mayor tamaño, luz, ventilación), se constituye en espacio principal de estancia y reunión (público-privado) y, como consecuencia, en el elemento psicológico de referencia de la misma (fig. 1.19). Por tanto el patio es el elemento articulador de la arquitectura y del comportamiento energético de los edificios en el mediterráneo.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

2. MARCO CIENTÍFICO TÉCNICO ESTUDIO DIMENSIONAL DE PATIOSYHISTÓRICOS

Figura 2.0 Portada de capítulo. Patio Hotel Ilunion Málaga (Juan M. Rojas, Juan R. Montoya Arquitectos), (fotografía: Jesús Granada).

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

Vitruvio , en su tratado “Los Diez Libros de Arquitectura” (Vitruvio Polion 25BC), aconsejaba situar la edificación en relación a los vientos dominantes, cuidar el lugar dónde se levantaban evitando por ejemplo zonas insalubres como las pantanosas y, en definitiva, poner la arquitectura en relación con el entorno para conseguir su mejor funcionamiento. La perspectiva que actualmente denominaríamos bioclimática o sostenible, se encontraba dentro de la “utílitas” que junto a la “firmitas” y “venustas” (firmeza y belleza) constituían la triada de virtudes vitruvianas necesarias para todo buen edificio. Esta tradición ha permanecido siempre dentro del buen “oficio” de la arquitectura. En este sentido, en “Los Diez Libros de Arquitectura” Vitruvio estudia específicamente la forma y función de los patios a los que dedica todo el Capítulo tercero del Libro Sexto, denominado “De los patios de las Casas”. En él refiere distintos tipos de patios (toscano, corintio, tetrástilo, displuviado y abovedado) poniendo de relieve y describiendo con detalle las proporciones entre sus dimensiones (fig. 2.1). Pero para encontrar estudios científicos o técnicos de arquitectura en relación a la sostenibilidad y la energía tenemos que situarnos ya en el siglo XX. Y si hablamos de trabajos específicos sobre los patios nos encontramos que, como vimos en el capítulo anterior, existe una tradición de estudios sobre aspectos artísticos, semánticos y tipológicos de los patios iniciada a finales del pasado siglo. Pero trabajos que profundicen en sus características termodinámicas son más recientes y escasos. La mayoría de los mismos no son trabajos que tratan el tema con exclusividad sino que se habla de los patios en el marco de estudios generales sobre arquitectura sostenible, medioambiental o bioclimática (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997). Los trabajos que relacionan específicamente condiciones de diseño del patio con su comportamiento microclimático han empezado a aparecer en los últimos años unidos a la mayor capacidad de computación de estos fenómenos, constituyendo un nuevo y muy activo campo de investigación (Martinelli & Matzarakis 2016; Taleghani, Tenpierik, et al. 2014). Haremos ahora un breve repaso crítico de los trabajos sobre sostenibilidad y bioclimatismo en la literatura científica internacional y regional para intentar comprender la dificultad que el patio tiene para ser adoptado como estrategia viable en la mejora de la eficiencia energética de los edificios. Finalmente se analizarán las nuevas vías de estudios para los temas medioambientales a través de las simulaciones Termodinámica del Patio Mediterráneo

numéricas con ordenador. La potencia de cálculo creciente de los nuevos ordenadores hace ahora posible el uso práctico de las técnicas matemáticas de simulación numérica. Esto nos abre las puertas para resolver problemas complejos inabordables hasta ahora como los que centran el presente trabajo. Figura 2.1 Vitruvio Polion, M., 25BC. Los X libros de arquitectura. Facsímil de la traducción castellana de Lázaro de Velasco de 1554, Capítulo tercero. (Vitruvio Polion 25BC).

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

2.1. Eco-eficiencia y sostenibilidad en arquitectura

Comenzaremos subrayando que los primeros y más numerosos textos sobre la sostenibilidad en arquitectura fueron realizados en EEUU, Reino Unido y Europa Central donde no existía una tradición arquitectónica de patios tal y como se entienden en los países mediterráneos. Entre estos pioneros destaca la labor de figuras como Victor Olgyay con su obra “Arquitectura y Clima” (Olgyay & Olgyay 1963) (fig.2.1), Baruch Givoni con “Man, Climate and Architecture” (Givoni 1969) (fig. 2.2) o Edward Mazria con “The Passive Solar Energy Book” (Mazria 1979). Cabe mencionar que a pesar de la falta de familiaridad directa con las arquitecturas de los patios, en trabajos como los de Olygay o Givoni se estudia sucintamente esta solución como estrategia bioclimática tradicional referida siempre a arquitectura popular de países en desarrollo. En Europa destaca la labor pionera desde los años 70 del reconocido arquitecto y profesor alemán Thomas Herzog, redactor de la “Carta Europea para la Energía Solar en la Arquitectura y el Urbanismo” (Herzog 1996). Aunque en esta carta no se habla de patios, sí se menciona la necesidad de estudiar la “herencia arquitectónica” del lugar. Herzog se enmarca en la tradición medioambiental en Centroeuropa representada también por a Gerhard Hausladen de la Technische Universität München (Hausladen et al. 2005). Este profundiza en la relación entre medidas pasivas y activas, entre tecnología y formas para ofrecer criterios realistas de eficiencia energética. En los trabajos de “Climate Desing” (Hausladen et al. 2005) y “Climate Skin” (Hausladen et al. 2008), se estudian en profundidad muchas estrategias bioclimáticas y en especial el funcionamiento de los atrios acristalados, aunque no el de los patios. Lo mismo ocurre en el popular trabajo que el arquitecto americano W. McDonough y el químico alemán M. Braungart escribieron en 2003 : “Cradle to Cradle” (McDonough & Braungart 2002). Este trabajo tuvo gran difusión entre aquellos preocupados por introducir una producción industrial y arquitectónica con responsabilidad medioambiental (fig. 2.3). Se trata de un compendio de sus estudios y Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 2.1 Olgyay, V. & Olgyay, A., 1963. Design with climate: bioclimatic approach to architectural regionalism, Olgyay & Olgyay 1963)

Figura 2.2 Givoni, B., 1969. Man, climate and architecture, (Givoni 1969).

Figura 2.3 McDonough, W. & Braungart, M., 2002. Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things, North Point Press. (McDonough & Braungart 2002).

Figura 2.4. “Guía Básica de la Sostenibilidad” (Edwards 2009). Los atrios como estrategia energética en cualquier clima.

Figura 2.5 Patio convertido en atrio del Museo Británico de Londres, rehabilitado por Norman Foster en 1999. Imagen: Web Foster+Partners

experiencias profesionales como asesores sobre eficiencia energética, ciclos de vida y producción sostenible. Entre otros muchos temas, se destaca la importancia de la climatización de los edificios para conseguir que sean energéticamente eficientes y sostenibles. Por ejemplo, se expone de manera convincente las virtudes de la ventilación natural y la necesidad de que los edificios tengan ventanas practicables, consejo bastante disruptivo en su momento. También en este trabajo se expone como idea ejemplarizante el concepto desarrollado por el ingeniero Tom Kiser (McDonough & Braungart 2002) por el que todo el edificio se considera como conducto de climatización. Sin embargo, en este popular e interesante trabajo tampoco se mencionan los patios ni cuando se estudian estrategias para climas cálidos. Quizá por el marco climático donde estos estudios nacen, existe una falta de entendimiento del patio como estrategia termodinámica. No es frecuente referencias ni estudios técnicos sobre este espacio en estos trabajos. Los patios en estas latitudes, suelen ser asimilados o confundidos con atrios, de aparente similitud formal pero de comportamiento termodinámico completamente distinto (ver apartado 5.4 Controversia sobre atrios y patios). Un caso similar nos lo encontramos en otro trabajo de referencia en el ámbito europeo, la “Guía Básica de la Sostenibilidad” de Brian Edwards. Y lo mismo se puede decir de su nueva versión revisada y ampliada de 2009 (Edwards 2009). Entre las estrategias pasivas enfocadas a la consecución de ventilaciones naturales, se habla de torres captadoras de vientos, chimeneas solares y sobre todo y repetidamente de atrios. Las numerosas secciones ejemplarizantes de edificios con estrategias de ventilación pasiva, representan espacios que recorren toda la altura de la construcción pero siempre cerrados de alguna forma compleja por su parte superior (fig. 2.4). Es decir atrios, nunca patios. De todas formas, hay que subrayar que el atrio puede ser una buena estrategia para determinados usos y climas como sostienen los trabajos mencionados. Arquitectos como Norman Foster los ha utilizado bien integrados en la arquitectura de sus proyectos, llevando el tipo a altas cotas de desarrollo técnico y formal (fig. 2.5). Pero no es una solución aplicable a cualquier clima. La cuestión es que la mayor concienciación medioambiental en Centroeuropa, especialmente en Alemania, ha puesto el foco de estudio sobre la arquitectura sostenible comprensiblemente centrada en sus climas septentrionales. Esto ha llevado a la publicación de numerosos trabajos teóricos y manuales prácticos de diseño Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

cuyo ejemplo es el estándar Passive House (International Passive House Association 2014). Estas recomendaciones promueven el levantamiento de construcciones que cuenten con gran aislamiento térmico, un riguroso control de infiltraciones y bajo coeficiente de forma (relación entre envolvente y volumen interior del edificio). El tema fue comentado entre los objetivos y se hablará de él más adelante en el apartado 2.3 por ser muy revelador de los problemas de entendimiento que tiene la estrategia del patio. Cabe ahora resaltar que en este estándar, la sostenibilidad está muy relacionada con la capacidad de aislarse, de independizarte del exterior. Es la tradición del edificio como cofre o burbuja (fig. 2.6) completamente separada del medio para conseguir el confort (Banham & Dallegret 1965). Esta concepción entiende el ambiente exterior como el problema a evitar. Pero a diferencia de las utopías de mediados del siglo XX (fig. 2.7, 2.8), que soñaban con grandes burbujas transparentes y habitables (Buckmister Fuller & Marks 1966), para conseguir esta independencia del exterior, ahora se promete un nulo o escaso uso de la energía gracias al estudio del aislamiento y el soleamiento. A pesar de que no se opone explícitamente, el estándar Passive House implícitamente integra con mucha dificultad la necesidad de las ventilaciones naturales que podrían mitigar el sobrecalentamiento en climas más templados. Siempre atenta a recuperar el calor que se cede con el aire de las ventilaciones (con recomendaciones sobre la necesidad del uso de sofisticados sistemas con recuperación de calor) y a evitar las temidas infiltraciones, el estándar desestima las ventajas de una interacción más directa con el exterior, por ejemplo mediante la integración de sencillas aperturas de las ventanas practicables. Por otro lado, las formas compactas que se promueven desaconsejan en todo caso el diseño de patios por el aumento de relación de fachada/ volumen interior que esto provoca. La adopción internacional directa o indirecta de estas recomendaciones a través de programas comerciales de evaluación del comportamiento energético de edificios o normativas de obligado cumplimiento como la española del Código Técnico de la Edificación (Gobierno de España 2006a), hacen que este problema tenga una extraordinaria importancia. Desde hace unos años, empieza a haber suficientes evidencias científicas que debilitan las bases teóricas de estas recomendaciones especialmente en climas cálidos (McLeod et al. 2013). Para empezar estos estándares, programas y normativas no consideran la existencia de un microclima en los patios diferente del exterior como quedará demostrado más adelante en este trabajo. Es obvio que no tener en Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 2.6 Reyner Banham y Francois Dallegret, ‘’The Environment Bubble’’, iIlustración de ‘’A Home Is Not a House’’, Art in America, no. 53. 1965

Figura 2.7 Pabellón Americano en la Exposición Universal de Montral 1967. Arquitecto Buckmister Fuller. Imagen: Gettyimages.

Figura 2.8 Utopía de Cúpula sobre Manhatan 1960. Arquitectos Buckminster Fuller y Shoji Sadao, Hoy día podríamos considerarlo una distopía energética.

Figura 2.9 Libro “Adaptive Thermal Confort” (Nicol et al. 2012)

People

Culture and preferences are partly determined by climate

Energy use is influenced by climatic, social, economic and cultural context and the quality of the building

Climate

People control buildings to suit themselves in climatic context

Buildings

Figura 2.10 design for comfort in a free-running, low-energy building requires FIGURE 6.1 To successfully an understanding of thenaturalmente three-way interaction between climate, Diseñar edificios ventilados quepeople and buildings funcionen implica considerar la relación entre Source: Nicol from Roaf et al., 2011. clima, personas y edificios. Libro “Adaptive Thermal Confort” (Nicol et al. 2012)

om CIS: unikent, University of Kent, 03/08/2016, Uncontrolled Copy.

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68 Principles

building design. The reality of the energy-constrained twenty-first century (Roaf et al., 2009) will be that it is necessary to have highly energy-efficient heating and cooling and the adaptive approach 35 systems working in high-quality passive buildingsField tostudies maintain comfort during extreme weather events. Higher energy use during extreme seasons may be compensated for by expanding the seasons in which buildings are free running, being conditioned using the freely available natural energy flows of the sun, earth and air around buildings, and by running buildings on integrated renewable energy systems when possible. When this is insufficient to maintain comfort then Thermal Energy Storage (TES) systems come into play to reduce the peaks in energy demand that are driving power plant construction across the world. The impacts resulting from the poor-quality thermal design of many US buildings are even higher. The worst problem they pose is that of the ‘peak’ demand that buildings place on a utility’s generating capacity. The large industrial customers (over 1MW) know how to manage their plants to control peak loads. Unfortunately, residential and commercial customers do not have this same level of understanding. Most large US utilities show a peak demand profile in which buildings can be 80–90 per cent of that peak demand. problems are different drivingtime newlagspower construction, FIGURE 3.8 Peak Indoor demand temperatures display very behind plant outdoor temperatures and Figura 2.11 on the extent to which they are coupled or de-coupled to the sky (fast time buildings are thedepending major factor in creating this problem. If the US could flatten out their lag) or the earth (slow time lag) in a Haveli in Jaisalmer, India – south is to the right En cada espacio de un edificio ventilado tradicional, of thiswould section. not have to build a new power plant for the next 50 years peak demand they las temperaturas presentan retrasos con (Bryan,Source: 2011), the dependence, borderingdiferentes on addiction (Cândido et al., 2010), on air Jane and Matthews. respecto la del exterior hacein que espacio conditioning in somea countries makes theque buildings them,cada and their occupants, very unchanging conditions are superior by showing that indoor comfort can change in time tenga una temperatura diferente. Fuente: Jane vulnerable to failure. It is the poor quality of the buildings that creates the real risk, not according to the outdoor conditions. On the basis of the adaptive principle there is no Matthews. Delinlibro Confort” the machines or the them“Adaptive thattooften takeThermal thethat blame and seenas aswell theasculprits. reason why this people cannot be extended environments change inare space in (Nicol et al. 2012) Newsham (1992) in to thethe UKUS, and but Heidari (2010) in Iran developed demonstrated that buildNor is time. the problem confined is true of many countries around ing occupants do move within a space to improve their comfort. In reality a building is the world. composed of many different microclimates and what might be true for a room facing in In this howfloor the may adaptive approach to comfort maythehelp design onechapter directionwe onexplore the ground not apply to a similar room on top us floor. In betunderstanding how buildings actually perform in terms of providing comfort, the site 68 ter buildings. This document is Copyright Taylor and Francis under licence to IHS and must not be used or distributed contrary to the terms of your user licence

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context is also very important. More research is needed on these questions. 3.8 The challenge of climate change

The changing climate poses designers with the challenge of keeping temperatures within safe ranges. We need to be able to respond adequately to climate change but with soaring energy prices this needs to be done without excessive energy use. An important factor in

cuenta esto anula la posibilidad de cálculo de muchas de las ventajas del patio. Por otra parte, los nuevos estándares de confort adaptativo adoptados tanto en EEUU (De Dear & Brager 2002) cómo en Europa (Nicol & Humphreys 2002), vuelven a poner en evidencia que para conseguir confort es necesario tener en cuenta la necesidad humana de permanente contacto con el exterior (fig. 2.9, 2.10). De hecho en estos estándares se recoge que cuando se facilita nuestra capacidad adaptativa, la temperatura de confort depende siempre de la existente en el exterior. Los edificios más eficientes son los más confortables, pues en ellos la mayor parte del tiempo no es necesario encender la climatización al funcionar de manera pasiva o “free-running”. Este tipo de funcionamiento en los edificios nos pone en contacto de forma controlada con el ambiente exterior, generando espacios a diferentes temperaturas (fig. 2.11) que activan nuestra capacidad adaptativa y ensanchan nuestro rango de confort en función de la temperatura exterior (Nicol et al. 2012). El enfoque es completamente opuesto al original del Passive House pues ahora el exterior no es visto como problema sino como solución. Por tanto, formas y espacios de transición interior-exterior que favorezcan de manera amortiguada el contacto con el exterior, que aumenten la superficie de las fachadas en distintas orientaciones y disminuya la distancia desde cualquier punto interior a ellas promoviendo ventilaciones cruzadas, favorecen a la vez el confort y el ahorro energético. El patio es una buena estrategia para conseguir todos estos objetivos creando además un espacio bello, útil y significativo. Los resultados del estudio sobre el confort adaptativo en relación a los patios (detallados en el Capítulo 8) muestran cómo gracias a esta nuevo enfoque y a las condiciones microclimáticas de los patios, edificios naturalmente ventilados consiguen interiores en condiciones de confort incluso en verano. Y también cómo en los propios espacios sombreados dentro de los patios, las temperaturas en verano suelen estár dentro de los rangos de confort marcados tanto por la normativa European Standard EN 15251 como por la americana ASHRAE Standard 55. Es importante mencionar que aunque actualmente se está intentando adaptar el estándar Passive House a todos los climas de la Tierra, su origen para climas fríos probablemente marca en exceso su carácter. Recientes estudios subrayan la menor efectividad e incluso los riesgos de sobrecalentamiento que supone su adopción en climas más templados (McLeod et al. 2013; Liu & Coley 2015) (Adekunle & Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

Nikolopoulou 2016). Esto es especialmente grave en el contexto del Calentamiento Global. Como último ejemplo de lo comentado cabe mencionar el manual “Un Vitruvio ecológico. Principios y práctica del proyecto arquitectónico sostenible” (Energy Research Group of University College Dublin 2014). Es un texto que al ser publicado en España bajo el auspicio del Consejo Superior de los Colegios de Arquitectos de España, parecería también estar destinado a nuestro entorno climático y que debería plantear estrategias específicas para éste. Pero en su redacción, llevada a cabo por parte de un consorcio europeo liderado por un organismo irlandés, no hay más que unas pocas menciones al patio. La mayoría de estas lo enmarcan dentro de las estrategias que propician la ventilación. En otra se afirma lo que sigue sobre los patios en relación a los atrios acristalados (fig. 2.12):

“El atrio tiene la capacidad de transformar, tanto en lo funcional como climáticamente, lo que podría considerarse una calle anónima o un patio sin vida, en un espacio protegido y útil, un gran atractivo para cualquier

Figura 2.12 Ilustración de un edificio ecológico para cualquier clima europeo. Bajo coeficiente de forma y atrio como quitaesencia del bioclimatismo. Del libro “Un Vitruvio ecológico. Principios y práctica del proyecto arquitectónico sostenible” (Energy Research Group of University College Dublin 2014)

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Termodinámica del Patio Mediterráneo

urbanización. Por este motivo, cubrir los espacios entre edificios con vidrio se ha convertido en algo habitual, aunque en muchos casos su potencial de reducir la demanda de calefacción, refrigeración e iluminación sigue sin estar explotada. Un atrio bien proyectado incrementará el confort interior y compensará la inversión llevada a cabo” (Energy Research Group of University College Dublin 2014) Este párrafo puede indicar la actitud con respecto a los patios como “espacios sin vida” de parte de la comunidad científica internacional. Por ello hay dificultad en considerar este texto como manual de referencia también en nuestro entorno climático. No es seguro que Vitruvio estuviera de acuerdo con lo expuesto sobre los patios en “Un Vitruvio Ecológico”. Como dijimos al principio, el autor latino consideraba de tal importancia la existencia de los patios, que les dedica un capítulo completo de su obra “Los Diez Libros de Arquitectura” (Vitruvio Polion p25BC). De hecho, los patios mediterráneos como los andaluces, distan mucho de ser espacios sin vida (fig 2.13).

Figura 2.13 A parte de los tópicos, es importante entender que los patios andaluces, como este de Málaga, son usualmente centros de reunión y actividad social. Suele haber mucha vida en ellos, porque su microclima lo permite. Imagen: Area de Turismo Ayuntamiento de Málaga.

Desde otra cultura muy diferente pero abordado un tema relacionado con el problema planteado, es oportuno finalmente hacer mención a la obra de reciente aparición “ The Recovery of Natural Environments in Architecture: Air, Comfort and Climate” (Short 2017). Realizada por el profesor de la Universidad de Cambridge Alan Short, es la culminación a más de 30 años de investigación y ejercicio profesional como autor de premiados edificios ecoeficientes junto a sus colegas en Arquitectura, Ingeniería, Matemática Aplicada y Ciencias de la Tierra de la Universidad de Cambridge. En él se aborda un tema muy relacionado con la problemática de los patios que estamos tratando. La ineficacia y el riesgo de las estrategias de climatización actuales basadas en crear edificios estancos totalmente aislados del exterior. En esta obra se muestra, a través de sus investigaciones y especialmente, a través de su obra construida, que estrategias rescatadas del siglo XIX y principios del XX basadas en la ventilación natural, consiguen climatizar los edificios actuales de manera más eficiente, económica y ecológica que los sistemas propuestos por las ingenierías convencionales. Señala intereses económicos de la industria y de los profesionales que la prescriben, que dificultan el diseño de estas estrategias de ventilación natural que sólo precisan de un proyecto arquitectónico consciente de la necesidad. En este sentido afirma: Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

“The air conditioning industry has persuaded us that you can’t do this naturally anymore and that it would defy progress to do so. Huge amounts of a building’s space and construction cost are today given over to air-conditioning instead. (…) But I have designed and built a series of buildings over the past three decades which have tried to reinvent some of these ideas and then measure what happens. (…) To go forward into our new low energy, low carbon future, we would be well advised to look back at design before our high-energy high-carbon present appeared ” (Short 2017).

Figura 2.14 Publicidad de la época inmediatamente posterior al término de la Segunda Guerra Mundial anunciando aire acondicionado de la marca Carrier. Obsérvese que la ventana abierta y el ventilador son sinónimos de “rendición incondicional” a las condiciones exteriores y sinónimos de falta de rendimiento en el trabajo, diligencia y patriotismo. Del libro “ The Recovery of Natural Environments in Architecture: Air, Comfort and Climate” (Short 2017)

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Termodinámica del Patio Mediterráneo

2.2. El enfoque bioclimático en el entorno español

Figura 2.15 Libro “Ropa, Sudor y Aquitecturas” (Ramón 1980). Portada diseñada por Alberto Corazón

Centrándonos en nuestro entorno geográfico y en nuestro clima, especialmente desde la década de los 70 del siglo XX y quizá relacionado con la crisis del petróleo, ha habido arquitectos preocupados por la relación entre arquitectura y medioambiente. Como ejemplo de esto, cabe detenernos en el trabajo pionero del arquitecto F. Ramón “Ropa Sudor y Arquitecturas” (fig. 2.15) que ya en 1980 expuso una concepción de la arquitectura adelantada para su tiempo (Ramón 1980). En el libro no se habla de bioclimatismo o sostenibilidad porque esos términos no se habían inventado todavía. Pero eso no significa que estas ideas, relacionadas con cierta racionalidad o economía en nuestra relación con el medio, no estuvieran en la mente de algunos arquitectos. En todo caso se habla de “arquitectura ecotérmica”. F. Ramón sostiene que el bienestar de las personas y la energía mínima necesaria para conseguirlo, deben ser ejes que inspiren nuestro trabajo como arquitectos por encima de “significaciones y lenguajes”. “Hay que hacer arquitectura para la gente viva que padece frío y calor, más que para sus almas o espíritus, es decir para después de muertas”. El conocimiento técnico y la ciencia, eran el camino. En este sentido sostiene (fig. 2.16):

“No vamos a inventar nada; nuestra única pretensión puede que sea dar algún respaldo científico, en el terreno ecotérmico, a la sabiduría vernácula, frente a toda esa caterva de sabidurías, espúreas y pseudocientíficas en nombre de las cuales nuestras viejas ciudades están siendo “renovadas “ (Ramón 1980). Este es el singular tono del libro, que fue el primer texto sobre el tema que el autor de la presente tesis pudo leer a mediados de los años noventa. Sus consecuencias, llegan hasta hoy. F. Ramón subraya que al escribir sobre estos temas uno siempre tiene la sensación de hablar de cosas obvias que todo el mundo conoce. Pero quizá por cotidianas, no se profundiza suficientemente en ellas. Con respecto a los patios, hay menciones clarificadoras como las que siguen (fig. 2.17): Figura 2.16 La ciudad clásica como ejemplo de relación con el entorno. Libro “Ropa, Sudor y Aquitecturas” (Ramón 1980)

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

“Una de las características fundamentales del recinto urbano [patio], desde el punto de vista ecotérmico, será, por definición, la relativa exclusión del viento” (Ramón 1980). Esta es una idea clave en el funcionamiento de los patios como veremos aunque más que “exclusión” se trata de una “interacción”. Efectivamente para geometrías profundas significa cierto aislamiento del viento. Pero para geometrías intermedias, hay cierto equilibrio entre el aislamiento y la también conveniente renovación. Continúa F. Ramón sobre el tema de esta forma:

“Una proporción relativamente baja de superficies expuestas al calentamiento o enfriamiento por radiación, en un recinto urbano particularmente angosto amortigua sensiblemente el ciclo térmico diario (fig. 5.9 a). Regularmente, en este caso, durante el día, se producirá en él una inversión térmica [temperatura del patio inferior a la exterior] que sólo una microbrisa exógena conseguirá, a veces, desestabilizar; o, en verano, con las ventanas abiertas, la ventilación a través de la edificación circundante. La inversión térmica se manifiesta, a escala de la ciudad, en la isla fría. El recinto se enfría, por la noche, por convección en forma de microbrisa endógena. A los efectos de la microbrisa se suman, en verano, con las ventanas abiertas, los de la ventilación a través de la edificación circundante. El recalentamiento por el uso o el calor experimentado el día anterior unido a la inercia térmica de la masa edificada circundante, pueden llegar a desplazar hacia temperaturas más altas todo el ciclo” (fig. 5.9.b). Este significativo gráfico de curvas de temperaturas en patios, se parece en su evolución a los monitorizados como consecuencia de la investigación llevada a cabo en la presente tesis. Aunque no lo dice explícitamente, el gráfico que presenta F. Ramón debe estar hecho para Madrid y durante la primavera por la forma en la que se cruzan las curvas haciendo que durante la noche el aire en el patio esté bastante más cálido que el del exterior como suele ocurrir en esas épocas del año (fig. 2.18). Es muy revelador también lo siguiente: Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 2.17 Patios de Sevilla vistos desde la Giralda. Del libro “Ropa, Sudor y Aquitecturas” (Ramón 1980)

Figura 2.18 Ciclo térmico diario en un patio. Te: temperatura en el espacio urbano exterior, por encima de los tejados. Tie: temperatura en un patio angosto no soleado. Tie, sol: temperatura en un patio ancho soleado. Rayado: inversión térmica diurna en un patio no soleado. Obsérvense la referencia a la anchura y al soleamiento en los patios. Del libro “Ropa, Sudor y Aquitecturas” (Ramón 1980)

“El sol, en invierno, va bajo y en verano, alto; refiriéndose al hemisferio Norte. Este comportamiento, tan oportuno, en lo referente al soleamiento a través de paramentos verticales, resulta totalmente inoportuno en lo referente al soleamiento de un patio: máximo en verano y mínimo en invierno. Este hecho clasifica por sí solo los patios en “estivales”, particularmente angostos, e “invernales”, particularmente anchos”. (Ramón 1980). Figura 2.19 Los patios anchos los relaciona a plazas urbanas. Del libro “Ropa, Sudor y Aquitecturas” (Ramón 1980)

Esto último se corresponde bien con lo que veremos sobre el funcionamiento de los patios anchos de los climas fríos frente al de los patios estrechos más comunes en los climas cálidos (fig.2.19). Después de describir el funcionamiento del patio y torre de los vientos de una casa de Bagdad, que F. Ramón denomina “arquitectura sin sol”, escribe:

“Seguramente que la manifestación “moderna” más insigne de una arquitectura sin sol como la descrita tiene que ser el «patio de luces» español. El aquí reproducido, en Madrid, en un día de verano, a las seis de la tarde, estaba vaciando eficazmente de aire fresco, a través de las ventanas a él abiertas, todas las viviendas circundantes, haciendo llegar a la calle, a través de un local comercial en planta baja, un aire a una temperatura 4ºC más baja que la de fuera” (fig. 2.20) Figura 2.20 Vista de un patio de luces de viviendas modernas de Madrid. Del libro “Ropa, Sudor y Aquitecturas” (Ramón 1980). Caso extremo de patio profundo sin las cualidades habitables de los patios típicos mediterráneos pero termodinámicamente muy efectivos.

En Andalucía en verano, hemos monitorizado para la presente tesis, diferencias de temperaturas entre el patio y el exterior superiores a 8ºC (en Córdoba y Málaga) entre las temperaturas del patio y las exteriores. En este texto de F. Ramón no hay más referencias a patios. Pero se trata, en definitiva, de un trabajo genérico sobre el bienestar sostenible que nos debe proporcionar la arquitectura bioclimática. Supone un precedente destacable para las investigaciones sobre arquitectura y sostenibilidad en España. Desde una vertiente más teórica pero igualmente necesaria, Luis Fernandez Galiano en su tesis “El fuego y la memoria: sobre arquitectura y energía” (Fernández Galiano 1991) describe el marco conceptual de las arquitecturas con vocación medioambiental. Así, diferencia

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

entre la aproximación mecanicista o tecnológica que denomina “arquitectura del primer principio o heliotécnicas” y las “arquitecturas del segundo principio o bioclimatismo”. Las primeras, llevan aún más lejos la idea de los edificios tecnológicos como “máquinas de habitar”, con aislamientos que permitan la mejor conservación de la energía (primer principio de la termodinámica) y criterios de diseño basados en calculos de soleamientos entre otros objetivos. Frente a ellos, la arquitectura del “segundo principio” (de la termodinámica) entiende la arquitectura como proceso orgánico en donde las energías fluyen y la conservación de la misma en una determinada parte sólo puede ser temporal. Este trabajo, aunque no estudia específicamente los patios, puede ofrecernos una perspectiva sobre el tema de la presente tesis. No estamos hablando sólo de resolver instalaciones, optimizar un determinado espacio o de justificar energéticamente una determinada estrategia. Se trata además de usar el patio como microscopio para entrever el núcleo conceptual de la arquitectura: los modos inteligentes, sofisticados, sencillos o torpes en que podemos ponernos en relación con el exterior, nuestro entorno inmediato. En este caso las arquitecturas del patio son claramente del “ segundo principio”. En todo caso existe la necesidad de una fusión entre ambas perspectivas si queremos conseguir mejores resultados. No podemos dejar que la arquitectura del “segundo principio” se quede en estrategias sólo conceptuales y poco aplicables. Es necesario testarlas y cuantificarlas para demostrar y calibrar su eficacia promoviendo así su uso. En nuestro entorno inmediato (Andalucía), destacan los trabajos realizados por J. López de Asiaín, otro pionero en el traslado de la primera “sensibilidad ecológica” a la arquitectura. Ejemplo de esto es su discurso de apertura del año académico de 1989, titulado “El enfoque bioclimático de la Arquitectura” incluido en su libro “Arquitectura, Ciudad y Medioambiente” (López de Asiaín 2001) (fig. 2.21). En él ya deja claro que la responsabilidad del arquitecto para con la sociedad en un contexto de crisis medioambiental, obliga a éste a comprender y tratar los temas energéticos en los edificios para mejorar la eficiencia de los mismos minimizando el uso de los escasos recursos energéticos y la emisión de gases contaminantes a la atmósfera. Y en este sentido, se afirma que es necesario estudiar y reiterpretar, en los proyectos contemporáneos, estrategias pasivas tradicionales que aprovechaban eficazmente las características de nuestro clima. De esta forma se Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 2.21 Portada del libro “Arquitectura, Ciudad y Medioambiente” (López de Asiaín 2001) con imagen de Juan Sebastián Bollaín (2001)

Figura 2.22 Imagen del libro “Arquitectura, Ciudad y medioambiente” (López de Asiaín 2001). Montera en una rehabilitación de casa en Patio de Banderas, 14. Sevilla.(1989) Arquitecto: Vázquez Consuegra

consigue disminuir de manera considerable el consumo energético. Este trabajo es, por tanto, uno de los primeros acercamientos reales al problema de la sostenibilidad desde nuestro clima. En el texto hay una referencia explícita al patio como elemento tradicional a reinterpretar. Refiriéndose a un proyecto de rehabilitación de vivienda tradicional en Sevilla, J. López de Asiaín comenta:

“Se muestran en él operaciones de reconversión del patio sevillano hacia una auténtica sala de estar, cuando siempre se había comprendido y utilizado como lugar de paso o como paisaje interior. Esta reconversión que respeta formas preexistentes pero las readapta (a veces con facilidad, otras con traumas), nos hace incluso pensar en la evolución de un tipo patio, en la aparición de una nueva tipología que aplicada a un proyecto exnovo puede generar ciertamente espacios desconocidos hasta ahora ” (López de Asiaín 2001). Figura 2.22 Imagen del libro “Arquitectura, Ciudad y Medioambiente” (López de Asiaín 2001). Montera en rehabilitación de casa e c/ Gamazo nº 11 .Sevilla (1988). Arquitecto: Francisco Torres.

De hecho la operación a la que se refiere según imágenes que acompañan al texto, que conlleva cubrir el patio con una montera de vidrio, es algo muy común en las intervenciones sobre el patrimonio ahora y antes (fig. 2.21, 2.22). No deja de ser tradicional pues esta solución se utilizó ya, junto a la de los cierres acristalados de los balcones, durante todo el siglo XIX en Sevilla como aplicación de las primeras técnicas industriales del vidrio y el acero (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976). Fueron, por tanto, un primer encuentro de la modernidad con el patio y la vivienda tradicionales. Pero, como ya comentamos y luego demostraremos, desde el punto de vista termodinámico no responden tanto a un entendimiento funcional del valor del patio en la casa mediterránea como a consideraciones proyectuales, semánticas o incluso especulativas. Es una oportunidad que la modernidad ofrece de aprovechar un espacio “de paso”, aparentemente baldío, cuya superficie se hace muy apetecible en las apretadas casas de los centros históricos. Los atrios, justificados como estrategia sostenible, serán algo muy extendido en todo el mundo (desde Méjico a Alemania), incluida, nuestra geografía del sur de España. Sin embargo uno de los principios del bioclimatismo que más claramente aparecen en textos como los

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

reseñados, nos advierte sobre el peligro de importar soluciones de otras latitudes. Por otro lado, es obvio que no existe sólo la estrategia bioclimática del patio abierto al cielo. Como afirma también J. López de Asiaín en otro texto (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997) “en bioclimatismo no hay paradigmas”, y existen infinitas posibilidades que habrá que valorar y cuantificar. Pero a pesar de lo repetido en contextos de cultura bioclimática sobre las virtudes del atrio, esta estrategia no se puede considerar tan beneficiosa desde el punto de vista pasivo en el mediterráneo. La montera transforma el patio en atrio, anulando la mayoría de las ventajas termodinámicas que, como iremos cuantificando, el patio tiene en nuestro clima. El atrio es una estrategia arquitectónica de diseño bioclimático para condiciones de invierno, no de verano (Neila González 2004). Otro texto pionero sobre bioclimatismo en nuestro clima es el libro “Arquitectura y Clima en Andalucía. Manual de Diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997) (fig. 2.23), en el que también participa J. López de Asiaín entre muchos otros como R. Gozález Sandino, J. M. Cabeza, Margarita de Luxán, etc. Representa un compendio sucinto, claro y completo de conocimientos a tener en cuenta a la hora de elaborar proyectos con criterios medioambientales adaptados a nuestro clima y que contiene numerosas referencias a la estrategia de los patios. Además es un libro de consulta pues contiene un resumen muy práctico de características climáticas de cada una de las capitales Andaluzas (cartas bioclimáticas) y una detallada explicación de sus correspondientes diagramas bioclimáticos de Olgyay y Givoni (fig. 2.24). El diagrama de Olgyay (Olgyay & Olgyay 1963) representa, para un ambiente exterior descrito por su temperatura y humedad relativa, una zona de confort por lo que este gráfico sería muy adecuado para el estudio de los patios. Sobre la zona de confort grafiada y bajo la misma (condiciones de verano e invierno respectivamente), se señalan las medidas necesarias para tender al confort cuando las condiciones climáticas están fuera de esta zona. Básicamente indica sólo dos estrategias posibles en verano: aumentar la velocidad del aire (ventilación, lineas continuas sobre la zona de confort), y/o aumentar la evaporación cuando la humedad es baja, disminuyendo la temperatura en el proceso (líneas discontinuas). Hay que subrayar que se está contemplando siempre, en este tipo de diagramas, las Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 2.23 Portada del libro “Arquitectura y clima en Andalucía. Manual de diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997)

Figura 2.24 Diagrama de Olgyay (arriba) y Givoni (abajo) para Málaga en el libro “Arquitectura y clima en Andalucía. Manual de diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997).

condiciones de confort subjetivo sobre una persona. Se valora, por ejemplo, el efecto directo de las corrientes de aire sobre la piel de las personas que están en ese espacio, siendo importante por tanto factores como el arropamiento que ya están integrados en el gráfico (ropa ligera, o lo que es lo mismo valor Clo = 0,5). En el capítulo denominado “Diseño de arquitectura bioclimática: El nuevo método de simulación ambiental” de “Arquitectura y Clima en Andalucía. Manual de Diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997) , al hablar de forma general sobre la ventilación, se dan nociones claves de los distintos fenómenos físicos que concurren en el patio, aunque no se refiera explícitamente a él :

“Los mecanismos que inducen el movimiento del aire en los edificios son de dos tipos: por acción del viento y por diferencia de temperatura (microcambios en la densidad del aire). Para los primeros se tendrá en cuenta la distribución de los vientos dominantes, tanto para aprovecharla como para que ésta no sea alterada. [...] En cuanto a la ventilación inducida por diferencia de temperatura, su interés radica en que no necesita de la concurrencia del viento para actuar, con lo que puede convertirse, en ciertos casos en un substitutivo del primer método. Si por alguna causa no pudieran aplicarse estas dos medidas, habría que recurrir a la ventilación mecánica, bien mediante simples extractores o colocando el sistema de acondicionamiento en modo ventilación; el sobrecoste sería irrelevante comparado con la reducción de consumo energético. De todos modos la ventilación natural de los edificios suele ser perfectamente viable en nuestra zona andaluza” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997). Estos tres factores, la acción de viento, los microcambios en la densidad del aire por diferencia de temperatura y la opción de la mecanización, serán conceptos fundamentales que desarrollaremos a largo del trabajo, clarificando y diferenciando en lo posible sus efectos e interacciones: - La acción del viento sobre distintas geometrías de patios dará lugar a distintos patrones de flujo (“airflow patterns” en la terminología 78

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

anglosajona). Es decir, distintas figuras o estructuras características de las lineas de corrientes de aire relacionadas con los distintos tipos de patios al incidir el viento sobre ellos. La descripción matemática del comportamiento mecánico del aire (presiones y velocidades) como fluido newtoniano, se consigue gracias a las ecuaciones de Navier-Stokes que describiremos. Las figuras dibujadas por las líneas de corriente harán que el aire de los patios se halle más o menos confinado del ambiente exterior, influyendo de forma determinante en su comportamiento termodinámico. - Los microcambios en la densidad del aire por diferencia de temperatura, darán lugar a los fenómenos de estratificación y convección como analizaremos más adelante. Pero a nosotros nos interesarán no sólo por que puedan inducir movimientos del aire y por tanto ventilación con el efecto beneficioso que esto produce sobre la sensación térmica. De hecho el fenómeno de estratificación en los patios tiende a un estado estacionario si no hay conexión con otros espacios que propicie una circulación del aire. Sino que también nos interesa este proceso por la temperatura en sí del aire. Es decir, tan interesante para la climatización pasiva es la corriente de aire incidiendo sobre la gente, como la temperatura de ese aire, que en el caso de los patios en verano suele ser menor que la exterior. Y esta temperatura es la que puede aprovechar el sistema de climatización para mejorar su eficacia ahorrando mucha energía, como se ha comprobado en el ejercicio profesional. Frente al beneficioso efecto mecánico directo del movimiento del aire sobre la piel, el hecho termodinámico de su menor temperatura, que es también conocido por todos, no está suficientemente tratado en los manuales de bioclimatismo.

Figura 2.25 Diagrama de Givoni con esquema del patio el en que se representa el caso de su funcionamiento mediante enfriamiento evaporativo, en el libro “Arquitectura y clima en Andalucía. Manual de diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997).

- Por último, en el texto mencionado se habla de que “si por alguna causa no pudieran aplicarse estas dos medidas, habría que recurrir a la ventilación mecánica”. Lo que es perfectamente razonable ya que su coste, como se afirma, no es excesivo. Esta observación es oportuna en el contexto de la presente tesis que propone integración de elementos mecánicos complementarios. Además de lo mencionado, en el libro que estamos comentando (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997), aparecen algunas breves referencias directas a los patios. En tres páginas casi consecutivas (pag. 150, 153 y 55), se incluyen tres gráficos esquemáticos del funcionamiento y las circulaciones del aire en los patios en relación con tres estrategias bioclimáticas representadas por Termodinámica del Patio Mediterráneo

los esquemas bioclimáticos de Givoni (Givoni 1969). En el primero, las flechas que indican el movimiento del aire van hacia abajo, entrando el flujo de aire en el edificio (fig 2.25). En el segundo, las flechas van hacia arriba, siendo el patio un elemento que extrae el aire del edificio para expulsarlo al exterior (fig. 2.26). Y en el tercer gráfico, las flechas vuelven a introducir el aire desde el patio al interior (fig. 2.27). Esta sucesión puede causar cierta confusión pues el funcionamiento termodinámico del patio parece bastante variable e impredecible.

Figura 2.26 Diagrama de Givoni con esquema del patio en que se representa el caso de su funcionamiento mediante la circulación cruzada provocada por distintas condiciones de presión del aire en la fachadas del patio y del exterior del edificio, en el libro “Arquitectura y clima en Andalucía. Manual de diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997).

Estos esquemas responden al comportamiento del patio ante tres fenómenos físicos distintos. El primer gráfico (fig 2.25) representa su funcionamiento a consecuencia del enfriamiento evaporativo provocado por la presencia de agua en el patio. Por tanto estamos ante un efecto termodinámico. La evaporación del agua toma calor del ambiente, bajando la temperatura del aire, haciéndolo más denso y provocando su caída en la parte inferior del patio y su introducción en los espacios anexos a él. En el segundo gráfico (fig 2.26) representa la circulación cruzada provocada por distintas condiciones de presión del aire en la fachadas del patio y del exterior según aparece en el pie de la imagen. Por el capítulo en el que aparece, dedicado a la “refrigeración por masa térmica por renovación nocturna”, la idea que se quiere transmitir es que esta ventilación, ademas de incidir directamente sobre las personas mejorando su confort, permite refrigerar las masas construidas (muros, forjados), convirtiéndolos en un foco frío. En realidad esta circulación es una consecuencia de las presiones causadas por la dirección e intensidad del viento sobre la geometría del edificio y del patio. Es decir, estamos ante el fenómeno de los patrones de flujo. Pero esto no significa que la dirección de la corriente sea la del esquema, siempre hacia arriba, succionando el aire. Depende sobre todo de la geometría del patio, las circulaciones cruzadas con él y las fachadas y la intensidad del viento, pudiendo aparecer un flujo inverso al representado en el esquema. Por último, en el tercer gráfico (fig 2.27), dentro del capítulo “Refrigeración por ventilación natural y mecánica”, se indica la capacidad del patio como “sistema de tratamiento de aire”. Un breve texto reseña las cualidades termodinámicas por las que el patio baja la temperatura de la siguiente forma:

“Se hace circular el aire a través de un espacio exterior acotado, es decir, un ambiente descubierto, central, rodeado de habitaciones, con una fuente o estanque 80

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

que refrescarán el aire por evaporación. Se aumenta la efectividad si se combina con sistemas de protección solar, vegetación, toldos, etc. El patio se comporta como un acumulador de aire frío, que luego se distribuye a los espacios circundantes, sirviendo también como toma de aire fresco para las ventilaciones” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997). Esta última frase es importante, pues se asume implícitamente que el patio no es sólo útil para generar corrientes de aire que al incidir directamente sobre las personas mejoren sus sensaciones térmicas. Al indicar que pueden servir “como toma de aire fresco para las ventilaciones”, abre la posibilidad de que además de su uso pasivo para ventilar de manera natural el edificio, el patio puede integrarse en el sistema activo de ventilación aprovechando su capacidad termodinámica de bajar la temperatura del aire. Ésta estrategia ha sido experimentada profesionalmente por el autor de la presente tesis con buenos resultados (Rojas-Fernández 2007). Por tanto sería útil para el diseño de la climatización y cuantificación de la estrategia pasiva, poder calcular esa bajada de temperatura. Pero aunque el trabajo ofrece gran cantidad de datos para abordar otros asuntos, sólo se refiere al diagrama de Givoni para indicarnos el rango de posible utilización de estas estrategias pasivas del patio. Estos estudios aportan una interesante valoración cuantitativa de estas estrategias. Pero no nos permite realizar una evaluación cuantitativa de la eficiencia energética de edificios con patios.

Figura 2.27 Diagrama de Givoni con esquema del patio en que se representa el caso de su funcionamiento como sistema de tratamiento de aire,en el libro “Arquitectura y clima en Andalucía. Manual de diseño” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997).

La campaña de experimentación desarrollada en la presente investigación, permite subrayar que estos tres comportamientos descritos del patio existen, pero representan estados parciales ideales. Indican que en el patio concurren la mayoría de fenómenos físicos relacionados con las estrategias pasivas de diseño bioclimático para condiciones de verano. Pero en la realidad, el patio a lo largo del tiempo se comporta integrando estos tres comportamientos en un estado más complejo. En resumen, el estudio que se hace del patio en “Andalucía y Clima, Manual de Diseño Bioclimático” (Dirección General de Arquitectura y Vivienda 1997) es considerable si se tiene en cuenta las limitadas herramientas de cálculo que en ese momento se tenían. Esto obligaba a hacer un tratamiento parcial e individualizado de cada uno de Termodinámica del Patio Mediterráneo

los comportamientos para entender su naturaleza pero no había posibilidad de una integración completa debido a su complejidad. Ahora debería ser posible completar este conocimiento con la ayuda de los nuevas potencialidades que nos ofrecen los ordenadores para integrar esa complejidad del comportamiento bioclimático del patio. Las simulaciones computerizadas combinan (acoplan) las ecuaciones que describen cada uno de estos fenómenos físicos individuales reproduciendo y por tanto calculando cuantitativamente mejor el fenómeno.

Figura 2.28 Portada del libro “Arquitectura solar para Climas Cálidos” (Sevilla Portillo 2000).

Figura 2.29 Esquema de un edificio de habitación solar. La mayoría de estrategias pasivas de ahorro energético presentadas se basan en almacenamiento de energía, que en climas cálidos no es lo determinante. Del libro “Arquitectura solar para Climas Cálidos” (Sevilla Portillo 2000).

Para finalizar comentaremos dos trabajos que ejemplifican las diferentes maneras de cómo el patio ha sido tratado en libros y manuales de arquitectura bioclimática en nuestro entorno. El libro denominado “Arquitectura solar para Climas Cálidos” (Sevilla Portillo 2000) es un ejemplo de manual práctico que busca ser útil para el arquitecto que se quiera iniciar en este enfoque (fig. 2.28). Como se indica en el texto, su intención más que profundizar científicamente, es aclarar los conceptos básicos para empezar a poder aplicarlos en los estados iniciales del diseño del edificio. Sin embargo a pesar de que en su título especifica que se trata de un manual para “climas cálidos”, las estrategias arquitectónicas de diseño bioclimático para condiciones de invierno, son tratadas con mucha más extensión y profundidad que las de verano. Abundan los atrios, los muros trombe, las “habitaciones solares y las estrategias de ganancia directa (fig. 2.29). Esto es bastante corriente en los manuales de bioclimatismo, seguramente por lo comentado más arriba sobre el origen de las fuentes en textos e investigaciones del norte de Europa, más abundantes y pioneras. El libro que reseñamos, es un claro ejemplo de esto. Entre la multitud de esquemas, gráficos y apartados sobre estrategias, no hay ninguno en el que se nombre si quiera al patio. Un enfoque completamente distinto lo tenemos en el libro “Arquitectura Bioclimática en un Entorno Sostenible” (fig. 2.30) de F. J. Neila González. En el se desarrolla de manera científica y técnica con justificaciones numéricas y métodos de cálculo, recomendaciones bioclimáticas adecuadas para distintos climas entre los que se encuentran los cálidos (Neila González 2004). Con respecto al patio, su estrategia viene incluida de manera específica, en el capítulo titulado “Las Estrategias Arquitectónicas de Diseño Bioclimático en Condiciones de Verano” en el que se puede leer:

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

“El patio es un fenómeno bioclimático excepcional capaz de intervenir directa o indirectamente en el acondicionamiento de los edificios, en ocasiones colaborando en el mejor funcionamiento de algunas estrategias bioclimáticas, en otras, con aportaciones propias (fig. 2.30). Ese mismo efecto de enfriamiento por radiación nocturna puede ser acumulado en aire. El aire no radia, por lo que para que se enfríe tiene que ponerse en contacto con una superficie fría, que es la que se habrá enfriado por radiación. Posteriormente deberá ser almacenado, estratificándolo en algún espacio donde no se lo lleve el viento de la mañana. Estos lugares son los patios cerrados, donde se embolsa el aire frío nocturno y del que no se escapa por convección al ser pesado, cediendo su frescor a las habitaciones que lo rodean” (Neila González 2004). En este texto se ofrecen claves que explican porqué el aire del patio mediterráneo suele ser más fresco que el del exterior. Estos factores serán estudiados cuantitativamente en la presente investigación. Pero es interesante subrayar ahora el hecho mencionado de que el aire es transparente a la radiación. Para su enfriamiento necesita el contacto con superficies frías como los muros sombreados y que han radiado calor durante la noche. Al estudiar la termodinámica del patio, estas zonas más frescas que el aire que denominaremos “sumideros de calor” cobrarán una gran importancia junto al hecho del relativo aislamiento del patio con respecto al aire exterior. Por supuesto, como hemos visto reiteradamente, existen otros sumideros como la vegetación y la presencia de agua que bajan la temperatura del aire por evaporación. Pero en el presente trabajo mostraremos experimentalmente y analíticamente la importancia como factor térmico de los muros sombreados de un patio profundo. El pie de foto que acompaña a la imagen de un patio (fig. 2.30), hace mención a estos otros sumideros y resume el comportamiento bioclimático y la importancia del patio en climas como el mediterráneo:

“Patio andaluz. El empleo de vegetación, de agua y la radiación nocturna con el embolsamiento de aire frío, lo convierten en una estrategia imprescindible en climas calurosos.” (Neila González 2004). Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 2.30 Imágenes del libro “Arquitectura Bioclimática en un Entorno Sostenible” (Neila González 2004). Esquema de almacenamiento de aire fresco durante el día y emisión de calor al cielo nocturno durante la noche. El patio está adecuadamente estudiado y enmarcado dentro de las estrategias bioclimáticas específicas de climas cálidos.

s poses a series of computational methods and corresponding metrics to adand the corresponding in design pracresearchdemand into adaptively mobile ogap en inlacontemporary instalaciónresearch del software.

siguientes asunciones (Crawley et al., this 2001): occupants, does not exclude the fact that there

has been a lot of important field research over the last two decades into how this type

e proporciona output de confort segúncomfort el modelo Fan-itself within final constructed buildings (de Dear, , 2013; of manifests • térmico Suadaptive temperatura esdeuniforme.

tempting to develop a new updated computational methodology that address2010; Heidari. , 2010). However, computer simulation and the correorementioned design and research issues, it isHumphreys, important to make noteShahin of the 55 ) o según los modelos adaptativos recogidos en ASHRAE y ethods by which energy modeling is typically sponding used in design. Oftentimes, in a research question of the maximum potential and limit of such an adaptive meth15251. Adicionalmente, incluye el energy modelo bi-nodal de Pierce ocess employing the use of a computational model, the following format y el odology has largely been downplayed. This may be because of a general research ethos owed: An energy modeler will test(similar the effectal of de a design moveambos by running the as State University (KSU) Pierce), basados en that values computer simulation of comfort has a history of being deeply explored as in the case odel with it, plotting the resulting heating / cooling on a chart such as that ofincrease the PMV model (Fanger, below, anddel finally they willhumano. use any reduction or in heating/cooling to 1970). However, given the advances in computer technolotérmico cuerpo Proposal to take the point outputs of an energy model and visualize how good or bad the move is compared with gy a previous design or a base case. them as a spatial gradient depending on mesh grid size. and simulation methods over the last two decades, as well as the demand exploring sign applications of an energy model will stop simply with this assessment but, if

• Su irradiación de onda corta y larga es uniforme. • Son todas ellas superficies radiantes difusas. • Conducen el calor de forma unidimensional. En suelos en contacto con 2.3. Los nuevos enfoques científicos el terreno es posible realizar tridimensionales mediante adaptive performance during design inanálisis which there is no physical building to gatherlos dataobjePMV = 0.21 a modeler wants to check whetherAccordingly, a strategy has affected comfort, they will often take the from, it is perhaps time that this computational methodology was re-visited. tos GroundDomain o enlazando con el temperature módulo adicional Slab Preprocessor and humidity outputs of the this thesis poses a series of computational methods and corresponding metrics tomodel, ad- which are recorded only at the center of a room or zone, run these outputs through a PMV model, and extrapolate from this single dress this gap and the corresponding demand in design incluido en inlacontemporary instalaciónresearch del software. point that an entire space is comfortable orpracuncomfortable. This assumption is allowed

y técnicos

in the case of conditioned spaces since therey aretécnica, usually many diffusers and fans En lato hold vertiente más científica la aplicación de diversas y

tice.

included with HVAC implementation that will attempt to mix the air well enough such that it

El software proporciona output de confort térmico según Fanmatches the energy model.el modelo potentes herramientas de de software de cálculo energético, con muy Before attempting to develop a new updated computational methodology that addressthe aforementioned design and research issues,This it is important to make note of the application geres(PMV) o según los modelos adaptativos recogidos enfor ASHRAE 55 yhan standard methodology energy model not onlypermitido preferences attentiontambién avanzar en distintos propósitos y escalas, spent used on the HVAC system Oftentimes, over that spent in onathe occupants but the assumption that current methods by which energy modeling is typically in design. comfort can be determined at a single point is also an example of the complication of an la energía entorno CEN EN 15251. Adicionalmente, incluye el modelo bi-nodal de Pierce y el el conocimiento de problemas relacionados con design process employing the use of a computational energy model, the following format architectural problem that might have been solved more simply. We expend extra enerwill be followed: An energy modeler will test the effect of a design move by running the gy and architectural space implementing fans, diffusers and ducts that extend deep into a edificios como lo demuestran los trabajos publicados usando los de la Kansas State University (KSU) (similar al de Pierce), ambos basados en energy model with it, plotting the resulting heating a/ space cooling values on aa built chart such asanthat in order to make case match abstracted energy model rather than the other way around building a robust energy model that can handle the complexity of huprogramas EnergyPlus© (Bagneid 2006), DesignBuilder© (Tabesh & depicted below, anddel finally they willhumano. use any reduction or increase in heating/cooling to el balance térmico cuerpo and building physics and using this to create a simpler well-designed buildevaluate how good or bad the move is compared man withbehavior a previous design oforthis a base case. the most important one for this thesis is ing. Of all the shortcomings methodology, Sertyesilisik 2014), Ecotec Autodesk Analisis© (Sadafi Many design applications of an energy model will stop withtothis but, if that it simply will not work test aassessment passive building operating off the adaptive behavior of occu-

gy Loads

eating ights/Fans/Appliances

Typical outputs of an energy model used to assess how well a certain strategy performs.

ooling

16,000 Representación modo ación se detalladel el tipo de input o método de cálculo –según el ente evalúan el confort los 14,000para la obtención de los modeada una de las variables necesarias uncionamiento nodal como fort: 2015). 12,000 ackey,

10,000 en cada zona térmica en fundad. Es introducida por el usuario e su uso. 8,000 amiento. Puede ser introducido6,000 mediante una programación hosegún el modelo predictivo de arropamiento dinámico desarrolla-

Proposal to take the point o

them as a spatial grad et al. 2011), pants posed© previously. This is for threeet main al. reasons: EMVImet (Berkovic 2012), Fluent© (Yaşa & Ok 2014), PMV = 0.21 a modeler wants to check whether a strategy has affected com SUNtool© (Robinson et al. 2007), Solene© (Groleau 2003), temperatureet andal. humidity outputs of the model, which are reco 37 a room or zone,(Tumini run these outputs RayMan© (Martinelli & Matzarakis 2016) y URSOS© & through a PMV model, and point that an entire space is comfortable or uncomfortable. Th Higueras-García 2013). to hold in the case of conditioned spaces since there are usua

included with HVAC implementation that will attempt to mix the matches the energy model.

Pero como mostramos en el Capítulo 5 del presente trabajo, estas methodology for energy model application not o herramientas informáticas estándar no son This lo standard suficientemente spent on the HVAC system over that spent on the occupants b can be determined at a single point is also an example adecuadas para determinar el específicocomfort comportamiento architectural problem that might have been solved more simply termodinámico del microclima de los patios. Engy muchas ocasiones and architectural space implementing fans, diffusers and du a space ines order to make a built case match an abstracted ene el tratamiento de las condiciones térmica del patio demasiado other way around - building a robust energy model that can ha genérico en estos programas debido a que las bases de cálculo dephysics la and using this to create a s man behavior and building Energy Loads ing. Of all the shortcomings of this methodology, the most imp simulación no consideran adecuadamente los fenómenos físicos que that it will not work to test a passive building operating off the a Typical outputsen of an el energy model used to assess concurren patio. Por ejemplo, algunas depants estas herramientas posed previously. This is for three main reasons: how well a certain strategy performs. se centran en la radiación como casi único factor a tener en cuenta 36 (Ecotec, EMVImet). Es cierto que la radiación solar representa en Figura 2.31A continuación se detalla el tipo de input o método de cálculo –según el los espacios Representación del modo en que típicamente caso–los deprogramas cada una de las variables necesarias para la exteriores obtención delalosmayor mode- fuente de aporte energético a los evalúan el confort de funcionamiento cuerpos (como analizaremos es un 55% del total). Pero también es nodal comolos EnergyPlus (Mackey, 2015). de confort: necesario atender a otros fenómenos importantes para el microclima • Actividad. Es introducida por eldeusuario en cada zona la térmica en funlos patios como estratificación, la localización temporal-espacial y el confort adaptativo. Los balances energéticos generales como el ción de su uso. realizado mediante cálculos nodales (fig. 2.31) se centran en medias • Arropamiento. Puede ser introducido mediante una programación hoy consideran una única temperatura por espacio (Mackey, 2015). raria o según el modelo predictivo de arropamiento dinámico desarrollaPor tanto, no discriminan bien zonas diferenciadas dentro del mismo dándonos una imagen a veces confusa y deteriorada de espacios con fuertes gradientes de temperatura que evolucionan en el tiempo. Por consiguiente, programas nodales como los derivados del DOE-2 48 presentan considerables limitaciones al estudio de los patios (Bagneid 2006). Al asumir la simplificación de considerar una sola temperatura media por espacio, se mezclan valores extremos de temperatura en tiempos y zonas distintas sin atender a la realidad del uso de los patios y a los principios del confort adaptativo. Las ventajas microclimáticas reales de los patios dependen mucho de la altura a la que se mida, 4,000 2,000 0

Heating Lights/Fans/Appliances Cooling

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

del punto concreto del espacio en planta en que te sitúes y de la hora concreta del día en que te encuentres (fig. 2.33, 2.34). La clave es entender que las personas se mueven por ese espacio no homogéneo buscando esas ventajas zonales y temporales para alcanzar niveles admisibles de confort. En verano, nadie que conozca el uso de este espacio permanece bajo el sol en un patio. Por otro lado, en programas ampliamente extendidos para el uso profesional como DesignBuilder©, que usan motores de cálculo como EnergyPlus© (The Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory 2015), existe para el cálculo del balance energético general del edificio una sola temperatura exterior homogénea de referencia alrededor del edificio que es usada para el balance de calor con el exterior (fig. 2.32) en cualquier clima tal que:

Outside Surface Heat Balance

Figure 18. Outside Heat Balance Control Volume Diagram The heat balance on the outside face is: ′′ ′′ ′′ ′′ = 0 qαsol + qLWR + qconv − qko

(141)

where: ′′ = Absorbed direct and diffuse solar (short wavelength) radiation heat flux. qαsol ′′ = Net long wavelength (thermal) radiation flux exchange with the air and surroundings. qLWR ′′ = Convective flux exchange with outside air. qconv ′′ = Conduction heat flux (q/A) into the wall. qko

All terms are positive for net flux to the face except the conduction term, which is traditionally taken to be positive in the direction from outside to inside of the wall. Simplified procedures generally combine the first three terms by using the concept of a sol-air temperature. Each of these heat balance components is introduced briefly below.

External Shortwave Radiation ′′ is calculated using procedures presented later in this manual and includes both direct and diffuse incident solar radiation absorbed by the surface face. This is influenced qαsol by location, surface facing angle and tilt, surface face material properties, weather conditions, etc.

External Longwave Radiation ′′ qLWR is a standard radiation exchange formulation between the surface, the sky, and the ground. The radiation heat flux is calculated from the surface absorptivity, surface

temperature, sky and ground temperatures, and sky and ground view factors. The longwave radiation heat exchange between surfaces is dependent on surface temperatures, spatial relationships between surfaces and surroundings, and material properties of the surfaces. The relevant material properties of the surface, emissivity e and absorptivity a, are complex functions of temperature, angle, and wavelength for each participating surface. However, it is generally agreed that reasonable assumptions for building loads calculations are (Chapman 1984; Lienhard 1981): · ·

each surface emits or reflects diffusely and is gray and opaque (a = e, t = 0, r = 1- e) each surface is at a uniform temperature

energy flux leaving a surface is evenly distributed across the surface,

the medium within the enclosure is non-participating.

EnergyPlus Documentation

q’LWR ‘= hr,gnd (Tgnd - Tsurf ) + hr,sky (Tsky - Tsurf ) + hr,air (Tair - Tsurf )

Donde Tair es la temperatura única del aire exterior que interviene en la fórmula. En todo caso se admite una reducción de la temperatura exterior a medida que aumenta la altura del centroide de la zona térmica/superficie, a un ritmo aproximado de 1ºC cada 150 m. Por tanto estas simulaciones consideran la existencia de un espacio exterior homogéneo que permite la adopción de un modelo sencillo de transferencia de calor exterior-interior. De hecho en el manual del programa DesingBuilder se habla en concreto de los patios para indicar cómo construirlos y especificar que no son unas zonas climáticas diferentes del exterior (ver Capítulo 7, fig. 7.5).

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Figura 2.32 Cálculo de “Outside Surface Heat Balance” en EnergyPlus Engineering Reference, Pag 41- 44 para información sobre los términos de esta ecuación. (The Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory 2015)

Como consecuencia, estos programas consideran una temperatura del aire en los patios exactamente igual que la exterior. Es decir, para estos programas no existe microclima en los patios. Esto ha servido a su vez para justificar las recomendaciones y normativas energéticas que aconsejan limitar el factor de forma entendida como la razón entre envolvente y volumen interior contenido. Como vimos al hablar del estándar “Passivehause”, las recomendaciones que limitan el factor de forma se basan en principios físicos aparentemente muy evidentes considerados en estos programas de simulación energética. El intercambio de energía con el exterior se produce por la envolvente Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura. 2.33 Imagen tomada con cámara termográfica del patio estudiado en Córdoba. Los patios son espacios con grandes diferencias de temperaturas según zonas, alturas y horas del día. Estas imágenes termográficas captan la temperatura radiante de las superficies y no la temperatura del aire. Pero nos permite localizar superficies de temperaturas más baja que son sumideros térmicos para el aire (enfrían el aire). Estas suelen situarse en partes bajas del patio. La fuerte gradación de esta temperatura superficial es buen un indicio de las diferencias de temperaturas que se puede alcanzar en estos espacios. El nivel donde las personas se sitúan y usan este espacio es el inferior. Las temperaturas del aire son más bajas por estratificación y este espacio está cerca de las superficies de temperaturas más frescas por lo que el intercambio radiante también es favorable. Además la planta baja suele ser en ese nivel donde los edificios se abren más permitiendo que el aire fresco penetre en los interiores y aprovechando mejor las características termodinámicas del patio.

de los edificios. Por ello, limitar este intercambio disminuyendo dicha superficie (o aislándola más) para un volumen determinado puede ayudar mantener la diferencia entre la temperatura interior y la temperatura exterior con menor consumo energético. Pero estas recomendaciones se basan en la simplificación mencionada de considerar todo el aire exterior en contacto con el edificio a la misma temperatura y por tanto en la no existencia de microclimas en los patios. Programas oficiales para la calificación energética obligatoria de los edificios en España como el Cálener y su actualización HULC (Herramienta Unificada Lider-Calener), usan el mismo planteamiento

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

Figura. 2.34 Imagen termográfica de la temperaturas superficiales tomada en el patio del hotel de Málaga objeto de estudio. Arriba el patio en el solsticio de verano. La profundidad de este patio, hace más clara la gradación de las temperaturas según la profundidad. Sin embargo, cómo analizaremos, el clima mediterráneo continental de Córdoba es más severo que el suave clima mediterráneo litoral de Málaga. Las temperaturas en verano suelen alcanzar en Córdoba, máximas mucho más altas que en Málaga. Cómo consecuencia del comportamiento termodinámico del patio, la intensidad de su microclima en Córdoba es mayor que en Málaga. Esto se puede apreciar observando en las termografías las diferencias de temperaturas por altura en uno y otro caso. Más adelante ofreceremos datos monitorizados de la temperatura del aire en estos patios que son coherentes con los de las temperaturas superficiales aquí expuestos.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

como observa A. Díaz (Díaz Guirado & Allepuz Pedreño 2016) (fig. 2.35). Esto favorece el diseño de edificios más compactos, es decir, con bajos factores de forma, no solo en zonas climáticas dónde esto puede tener sentido (fig. 2.36), sino incluso en las regiones más cálidas de España.

Figura 2.35 Demandas de calefacción y refrigeración anuales para diferentes tipologías residenciales y diferentes zonas climáticas según Lider-Caleber DBHE 2013. Atendiendo a los cálculos de este programa, en zonas climñaticas como Almería, las formas más eficientes son las más compactas y las que tiene patio una de las menos eficientes energéticamente. Para este programa no existe o no es de consideración la existencia de un microclima en el espacio del patio. (Díaz Guirado & Allepuz Pedreño 2016).

Como es obvio, esto no ayuda mucho a la valoración de las ventajas de los patios y su uso como estrategias de diseño bioclimático. Para diseñar patios en los edificios es necesario tender a factores de forma altos. Por otro lado, aumentando el factor de forma, evitamos mejor el riesgo de sobrecalentamiento de los edificios compactos que almacenan gran cantidad de aire. Este aire, al ser muy aislante y combinarse con cargas internas (máquinas, personas) y externas (radiación por ventanas), pueden convertir estos edificios en hornos (McLeod et al. 2013; Liu & Coley 2015; CIBSE 2013). Sin embargo, el patio y factores de forma más elevados (fig. 2.37) permiten mayor eficiencia en la cesión de calor aprovechando mejor la considerable bajada de temperatura nocturna en clima mediterráneo (en la presente investigación se han registrado caídas nocturnas de temperatura de hasta 20Cº en Córdoba). Además favorece la ventilación cruzada al tener distintas fachadas con distintas orientaciones y presiones

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

de viento (Rajapaksha et al. 2003). Por otro lado, factores de forma mayores y la inclusión de patios, permiten un contacto más directo con el exterior favoreciendo el confort gracias a la activación de nuestra capacidad adaptativa (Nicol et al. 2012; Sameni et al. 2015; Desogus et al. 2015). Como consecuencia de lo anterior y con el apoyo de estudios experimentales tanto de laboratorio como de campo, se han ido sucediendo los trabajos específicos sobre el comportamiento de los patios con nuevos enfoques. En el estudio experimental de las corrientes de aire en los patios y su interacción con el medio, en los años 90 y principios de siglo XXI, destacan los trabajos de David Hall (Hall et al. 1999) y S. Álvarez (Alvarez 2001) a los que haremos referencia más adelante. El efecto de la ventilación propiciada por los patios sobre el en sobre ser humano, también ha sido analizada experimentalmente (Al-Hemiddi & Megren Al-Saud 2001).

Figura 2.36 Buscar la compacidad de los edificios se ha convertido en la estrategia más fomentada por los estándares de sostenibilidad, criterio de jurados de concursos públicos y normativas como la española. En este caso del Instituto de Medicina Legal en Madrid (AZPML Arquitectos) podría tener sentido esta estrategia por la zona climática donde se encuentra (ademas, en este caso se añade un patio central que seguro mejora el resultado). En otros climas más cálidos, su funcionamiento energético es más discutible.

El problema que se plantea es la dificultad de un cálculo cuantitativo sobre un sistema complejo atmosférico como es el microclima del patio. El comportamiento de los fluidos en movimiento interaccionando con geometrías y cargas térmicas con comportamiento caótico a nivel molecular, es algo que no se puede resolver mediante ecuaciones físicas analíticas sencillas. Como ha ocurrido con el estudio de la dinámica y evolución atmosférica del que nuestro estudio del microclima en el patio deriva, es necesario otro tipo de enfoque basado

Figura 2.37. El patio como estrategia biocñomática para climas templados permite ventilaciones cruzadas, microclima interno y mayor superficie de fachada para radiar durante la niche evitando el sobrecalentamiento

Termodinámica del Patio Mediterráneo

he previous cases. For instants, within the opening side of the U-shape of the courtyard that face the the air temperature is recorded with 32.2Cº while towered the opposite side of the courtyard, which courtyard with plan aspect ratio of (1:2) losed, the air temperature is recorded from 32.6 Cº to 31.4 Cº.

1:2) with cantilevered roof

en simulaciones spect ratio (1:2) is a rectangle shape covered by cantileverednuméricas roof. Theque mediante masivos cálculos iterativos, nos ofrezca un conocimiento más fiable de su comportamiento. was 60% compare to overall top opening of the courtyard. The results Estas simulaciones numéricas empezaron a cobrar importancia d in figure 7. Following the same procedures in previous the y utilidad gracias steps, a la evolución de la potencia de los ordenadores level of 1.5 m above the ground floor. que hizo factible realizar estos cálculos (Wagensberg 1985). Las simulaciones numéricas computerizadas nos abrió la puerta para th cantilevered roof, the temperature can be seen clearly that from the resolver problemas hasta ahora osed side, however, this courtyard shows slightly better performance impensables, entre ellos la simulación de courtyard sistemas medioambientales. , within the opening side of the U-shape of the that face the Como el físico, investigador y escritor Jorge Wagesberg expresa de manera poética pero precisa: d with 32.2Cº while towered the opposite side of the courtyard, which corded from 32.6 Cº to 31.4 Cº. “La simulación es la gran esperanza para penetrar la

complejidad del mundo” (Wagensberg 1985)

:2)

Results of CFD simulation in U-shape courtyard with plan aspect ratio of (1:2) with cantilevered roof

La ciencia de la simulación computerizada empezó a obtener considerables resultados a partir de finales de los 80 y especialmente shape covered by cantilevered roof. The en los 90 lo que permitió tener un modelo de funcionamiento atmosférico de la Tierra bastante fiable (Haigh 1999). Esto no sólo op opening of the courtyard. The results Abdulbasit Almhafdy et al. / Procedia - Social and Behavioral Sciences 170 (2015) 474 – 483 permitió una mejora de las predicciones meteorológicas a más same procedures in previous steps, the largo plazo, sino mucho más importante aún, permitió entender la nd floor. x MicroFlo Viewer realidad del Cambio Climático y el peligro del Calentamiento Global. erature can be seen clearly that from Thethe MicroFlo El viewer application can be used to display your results. As de seenestos in figure 4, The estudio de los microclimas como el de losCFD patios deriva yard shows slightly better performance results of this conocimientos paper are extracted using this application innuméricas terms of top view for the three aplicando simulaciones computerizadas a typical he U-shape of the courtyard that face the environmental indicators namely air temperature, air velocity and Predicted Mean Vote (PMV).The he opposite side of the courtyard, comfort which in courtyards at pedestrian level, 1.5 m above ground level, (representing the breathing zone height of a standing person) was evaluated by the modified Predicted Mean Vote (PMV). PMV was º. initially devised to 2.38 quantify comfort indoors, but later has been extended to outdoor Figura (izquierdathermal y abajo) Imágenes extraídas de “Thermal Performance Analysis of Courtyards in a Hot Humid Climate using environment (Berkovic et al., 2012). Computational Fluid Dynamics CFD Method” (Almhafdy et al. 2015) donde se compara distintos geometrías de patios usando el programa comercial MicroFlo ® para el cálculo CFD.

courtyard with plan aspect ratio of (1:2) with cantilevered roof

Fig. 4. The MicroFlo viewer application for CFD results

:2) with cantilevered roof

4. Results and Discussion

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

Energies 2012, 5, 2381-2403; doi:10.3390/en5072381 OPEN ACCESS

los sistemas mediombientales de menor escala. La elaboración de simulaciones numéricas específicas es necesaria para estudiar con precisión el comportamiento termodinámico de los patios.

energies ISSN 1996-1073 www.mdpi.com/journal/energies Article

Parametric Study of Thermodynamics in the Mediterranean Courtyard as a Tool for the Design of Eco-Efficient Buildings Juan M. Rojas 1, Carmen Galán-Marín 1,* and Enrique D. Fernández-Nieto 2 1

En este campo de la elaboración de simulaciones originales basada en dinámica de fluido computacional (CFD) es donde encontramos los avances más constatables en los últimos años (fig. 2.38). Así se ha investigado la complejidad de la interacción de los patios con el medio, relacionándolo con su forma y proporciones (Murakami 2006; Moonen et al. 2011; Almhafdy et al. 2013; Bajunid et al. 2013; Almhafdy et al. 2015; Micallef et al. 2016). Otros estudios se han centrado en la relación entre geometría, radiación solar y microclima en los patios (Muhaisen & Gadi 2005; Muhaisen & Gadi 2006; AlMasri & Abu-Hijleh 2012). Han sido también numerosos los trabajos que, en los últimos años, han estudiado la ventilación natural en estos espacios (Rajapaksha et al. 2003; Padilla-Marcos et al. 2015).

Department of Building Construction. E.T.S. Arquitectura, University of Seville, Seville 41012, Spain; E-Mail: juan.rojas.fer@gmail.com Department of Applied Mathematics E.T.S. Arquitectura, University of Seville, Seville 41012, Spain; E-Mail: edofer@us.es

* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: cgalan@us.es; Tel.: +34-954-556-591; Fax: +34-954-557-018. Received: 19 March 2012; in revised form: 29 May 2012 / Accepted: 26 June 2012 / Published: 10 July 2012

Abstract: Traditionally, people in the Mediterranean region knew that the temperatures in their courtyards were cooler in summer than outside temperature. This paper provides a quantitative study on the usefulness of Mediterranean courtyards as passive energy saving systems. This work is based on the creation of a Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model developed using the open source Freefem++ language. In this work, first the numerical model is tested using simplified-shape courtyards which have been previously studied both physically under controlled parameters, and mathematically through numerical simulations. We also study the most appropriate depth ratio for a courtyard, based on these simplified shapes, depending on the climate. Secondly, we apply the numerical model in a real geometry, the Monte Málaga hotel. We compare the numerical results with the monitored data of the temperature in the courtyard of the hotel. The numerical model takes into account precomputed solar radiation in the walls of the courtyard, the predominant wind and buoyancy effects. Keywords: courtyard; patio; microclimate; CFD; finite elements; sustainable architecture

Figura 2.39 Artículo donde se presenta las primeras simulaciones del microclima del patio con código original basado en Freefem++ (Rojas-Fernández et al. 2012)

Por último, es necesario resaltar las ventajas que supone para el entendimiento real de los procesos, el trabajar con simulaciones numéricas de código abierto en vez de con programas comerciales, como se detalla en el apartado 5.7. Sólo el código abierto nos permite entender completamente los criterios de simulación adoptados y trabajar de forma colaborativa con la comunidad científica en su mejora. Entre estos programas destaca el calculador de elementos finitos Freefem++ que ha conseguido reunir a una amplia comunidad de investigadores entorno a su desarrollo y utilización para la resolución de muy diversos problemas científicos de ingeniería aplicada. El uso de estas herramientas para entender procesos físicos naturales garantiza las mayores cotas de precisión hasta ahora posibles. Este es el campo estudiado por el grupo de investigación de Modelado Matemático y Simulación de Sistemas Medioambientales de la Universidad de Sevilla dirigido por el catedrático Tomás Chacón que participa en los proyectos que ha permitido la investigación recogida en la presente tesis. En colaboración con este grupo de investigación y con el de Termotecnia de ETSII de la Universidad de Sevilla (grupo pionero en el estudio técnico de los patios), se aborda uno de los objetivos de la tesis: la elaboración de nuevas herramientas para el cálculo preciso de la evolución termodinámica de los patios

Termodinámica del Patio Mediterráneo

mediterráneos y su testado en edificios reales diseñados para aprovechar estas características microclimáticas (fig. 2.40). Los primeros resultados de estos trabajos ponen de manifiesto la importancia del microclima del patio en la eficiencia energética de los edificios así como la estrecha relación entre su tipología arquitectónica específica y su comportamiento termodinámico (Rojas-Fernández 2011; Rojas-Fernández et al. 2011; Rojas-Fernández et al. 2012; Rojas-Fernández et al. 2014; Rojas-Fernández et al. 2015) (fig. 2.39). Estos hallazgos están siendo refrendados por investigaciones posteriores llevadas a cabo recientemente por parte de otros equipos de manera independientes (Kubota et al. 2017; Almhafdy et al. 2015). Por último, es necesario reseñar que el nuevo campo de estudio sobre confort térmico adaptativo, abre nuevas oportunidades para reivindicar la estrategia bioclimática del patio, como quedará más detalladamente expuesto en el Capítulo 8.

Figura 2.40 Simulaciones computerizadas originales de patios realizadas con código abierto mediante Freefem++ visualizados mediante el visor de resultados ParaView.

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

2.4. Conclusiones

Después de analizar los distintos acercamientos científicos y técnicos, se ha evidenciado la gran dificultad que tiene el patio en entenderse cómo estrategia bioclimática que permita el diseño de edificios energéticamente más eficientes en climas cálidos. En este capítulo se ha analizado las siguientes causas. 1. El origen de los primeros estudios sobre sostenibilidad y eficiencia energética en arquitectura se produce en unos países desarrollados de climas normalmente más fríos que no están familiarizados con la realidad arquitectónica y la experiencia de los patios. Aunque se tenga noticias de su importante misión en climas cálidos (desde Vitruvio), el entendimiento del funcionamiento de los patios no es por experiencia directa, lo que dificulta dar crédito, estudiar y valorar su notable comportamiento térmico. Esto puede haber hecho que su estudio, cuando ha existido, fuera marginal o anecdótico, limitándose a un vago comentario sobre sus propiedades. Las imágenes ejemplarizantes de patios que aparecen en estos trabajos suelen ser de edificios tradicionales. Por tanto, se presentan como producto exótico de culturas vernáculas y frecuentemente subdesarrolladas. Todo esto sugiere que son una solución bella pero “romántica” e irracional, más compatible con la arquitectura del pasado que con una que pueda servir a la sociedad contemporánea. 2. La dificultad de una cuantificación técnica de su comportamiento termodinámico. Debido a la complejidad de los procesos termodinámicos que aparecen en el patio, es muy difícil la obtención de formulaciones sencillas que nos permitan calcular la diferencia de temperatura que se obtendrá en un patio con respecto al exterior. De hecho, los programas más extendidos para la valoración y calificación energética obligatoria de los edificios no consideran la existencia de un microclima dentro de los patios con temperatura diferente del exterior. Esto supone el reto más importante que actualmente tiene el patio para su consideración como estrategia bioclimática. 3. Como consecuencia de todo lo anterior, las recomendaciones de diseño energéticamente eficiente tienden a aconsejar la disminución del factor de forma de los edificios (Ff = Volumen/Envolvente) en Termodinámica del Patio Mediterráneo

Capítulo 2. Marco Científico y Técnico

cualquier clima. Esto supone el diseño de formas compactas que dificultan la integración de patios que necesariamente suponen un aumento factor de forma. Partiendo del estudio de un exótico, frecuentemente humilde y a veces marginal espacio, se derivan consecuencias generales que no son sólo científicas o académicas sino también económicas y sociales. Se está poniendo en evidencia que los paradigmas energéticos que condicionan las formas de los edificios pueden ser erróneos en climas cálidos. Que el sistema normativo de calificación energética de obligado cumplimiento en España puede que no permita diseñar edificios más eficientes en estos climas. Diseñar con patio baja la calificación energética y la valoración de la eficiencia de los proyectos en los jurados de los concursos de arquitectura. Por tanto, la supervivencia profesional de los arquitectos aconseja un uso muy limitado de las formas complejas que puedan incluir espacios como el de los patios (fig 2.40). Todo esto supone un reto extraordinario para los arquitectos proyectistas que entienden por su experiencia profesional y cultural, la riqueza de la inclusión de los patios como una opción válida en el diseño para mejorar la calidad espacial y las condiciones energéticas de los edificios en climas cálidos. La paradoja es que, buscando la necesaria cuantificación de la eficiencia energética a que la sociedad contemporánea nos obliga, podemos estar consiguiendo justo lo opuesto al objetivo principal de conseguir edificios más eficientes. En gran medida esto se debe a no tener disponibles herramientas de cálculo apropiadas para integrar la complejidad del funcionamiento termodinámico de estos espacios.

Figura 2.40 Propuesta para el concurso de Palacio de Justicia de Badajoz organizado por el Ministerio de Justicia, Gobierno de España. AYESA-HOMBRE DE PIEDRA Arquitectos. Se usó una estrategia bioclimática basadas en distintos patios en las primeras plantas para mejorar la eficiencia energética que no fue bien valorada por el jurado. El bajo coeficiente de forma suele ser un paradigma de la sostenibilidad para los jurados de concursos de arquitectura en cualquier clima.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

3. MARCO ESTUDIO DIMENSIONAL DE PATIOSCLIMÁTICO HISTÓRICOS

Figura 3.0 Portada de capítulo. Patio de los Arrayanes. Alhambra de Granada. Siglo XIV. Ejemplo de patio poco profundo con gran contacto con el clima exterior. El clima es el factor que más condiciona las condiciones termodinámicas del patio. (Imagen: jaumeprat.com)

Capítulo 3. Marco Climático

“En el pensamiento arquitectónico contemporáneo existen numerosas aproximaciones tanto desde la psicología humana como desde la estética. La interpretación del clima es justificable, solamente, si el entono climático influye directamente en la expresión arquitectónica.” (Olgyay & Olgyay 1963) En su obra “Arquitectura y Clima: Manual de Diseño Bioclimático para Arquitectos y Urbanistas”, Victor Olgyay subraya la necesidad de un estudio climático de la arquitectura. Muchas de las principales características arquitectónicas podrían explicarse como adaptaciones climáticas como demuestra numerosos ejemplos de arquitectura tradicional que van desde el iglú a la jaima. En el capítulo anterior sugerimos como alguna de las características de los patios, como parte de esta arquitectura, quizá puedan también explicarse mejor entendiendo el clima específico en el que se encuentran. Por otro lado, la Identificación del clima del lugar en que se sitúa cada tipo de patio es especialmente importante al tratarse de un espacio abierto al exterior. Esto implica que la influencia del clima exterior en las condiciones ambientales del mismo será determinante. El soleamiento, los vientos, las temperaturas y la humedad propios de cada clima, son factores que intervienen directamente en las condiciones ambientales dentro de los mismos. Es por ello que el primer paso para comprender mejor estos espacios debe ser una descripción del marco climático en el que aparecen. Se describirá brevemente las clasificaciones climáticas más usadas para describir el clima en las diversas regiones de la Tierra. Posteriormente se centrará el foco estudiando las variedades del clima de Andalucía y específicamente el de las ciudades donde se ubican los patios estudiados en este trabajo. Por último, se reseñará de forma muy sucinta las características de los climas septentrionales y fríos. La razón de esto es que se de esta forma, por contraste, se entenderán mejor las características de los climas y consecuentemente de las adaptaciones climáticas de la arquitectura de sus patios. En este capítulo se introduce información que nos ayudará a explicar observaciones y hallazgos que aparecerán en las siguientes fases del trabajo.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

3.1. Clasificaciones climáticas

Cada entorno climático tiene una serie de características específicas que lo definen. Esto nos permite clasificar las distintas zonas que expresan la variabilidad climática en diferentes escalas espaciales. Para entenderlas mejor, haremos un breve recorrido por las principales clasificaciones climáticas usadas.

Figura 3.1 Principales clasificaciones climáticas.

Las distintas clasificaciones se han fundamentado tanto en aspectos puramente físicos (temperaturas, precipitaciones, etc…) como en la relaciones de estas con la distribución biológica sobre el territorio (regiones fito-geográficas). Al ser sistemas muy complejos, la caracterización climática no es sencilla y se realiza teniendo en cuenta el objetivo que se pretende con ella. Así geólogos, biólogos o climatólogos han realizado distintas clasificaciones útiles especialmente para cada ámbito de estudio (Rycroft 1994). De todas formas la tendencia en climatología es a considerar cada vez con más atención las clasificaciones que tiene en cuenta la distribución de la vegetación

Autor

Tipo de clasificación

Variables

Köppen (1918)

Climática

Temperatura y precipitación media

Austin Miller (1951)

Bioclimática

Vegetación, clima, circulación atmosférica

Bagnouls y Gaussen (1957)

Climática

Temperatura y precipitación media

Papadakis (1966)

Agroclimática

Holdridge (1967)

Bioclimática

Walter (1977)

Bioclimática

Vegetación, clima, circulación atmosférica)

Strahler (1989)

Climática

Clima, circulación atmosférica

Rivas Martínez (2004)

Bioclimática

Índices bioclimáticos

100

Temperaturas extremas, evapotranspiración, y exigencias climáticas de los cultivos Biotemperatura, precipitación y evaporación potencial

Capítulo 3. Marco Climático

debido a que suelen ser más precisas para la determinación climática de una zona. Esto es debido a que existe una estrecha reciprocidad entre el clima y la vegetación, de forma que los climatólogos la están utilizando con mayor frecuencia como un fiable índice climático. La tabla de la figura 3.1 presenta las clasificaciones más importantes y sus características, ordenadas por su cronología. Las clasificaciones más usadas en el ámbito científico de los estudios sobre el medio natural son las clasificaciones de Koppen y de Miller por lo que las describiremos un poco más detenidamente. En el ámbito español han sido muy usadas las clasificaciones de Allué Andrade y de Rivas Martínez por descibir mejor las especifidades del clima ibérico.

3.1.1. Clasificación de Köppen La clasificación de Köppen puede considerarse una de las más usadas en el mundo. Fue propuesta por Wladimir Peter Köppen en 1900 actualizándose posteriormente por él y otros autores (como R. Geiger) entre 1918 y 1936 (Chen & Chen 2013). La base de la clasificación es empírica y combina precipitaciones y temperaturas caracterizando cada región climática por la vegetación que resulta de sus condiciones. Plantea la subdivisión de los climas de la tierra en cinco grandes tipos que se denominan con las letras mayúsculas A, B, C, D y E. Los criterios de esta clasificación son de temperaturas, excepto el B que se basa en la humedad (relación entre la precipitación y la evaporación). La clasificación plantea una segunda y tercera subdivisión dependiendo del régimen hídrico y térmico respectivamente (fig. 3.2-3.3). La segunda subdivisión se define dependiendo de la distribución

Termodinámica del Patio Mediterráneo

101

temperature stations than precipitation stations. In terms of the percentage of precipitation and temperature stations with a value for a given month, 1900–1970 saw a strong increasing trend (30–90% for both temperature and precipitation stations), while there is a sizable decreasing trend

90° N

Grupo

Denominación

Criterio de clasificación

Características

Climas tropicales

Temperatura media superior a 18 ºC todos los meses.

Ausencia de invierno.

Climas secos o áridos

45° N

0°

Climas templados

(mesotérmicos) 135° W 90° W

180° W

D 45° S

45° W

Evaporación superior a la precipitación como media anual. Temperatura media del mes más frío entre - 3 ºC y 18 ºC y del mes superior a 0° más cálido45° E 10 ºC.

No existen cursos permanentes de agua (ríos). Presentan verano e

90° Einvierno.135° E

180° E

Climas fríos o de nieve (microtérmicos)

Temperatura media del mes más frío inferior a - 3 ºC y del mes más cálido superior a 10 ºC

Isoterma de 10 ºC que coincide con el límite septentrional de crecimiento de bosque.

Climas de hielo

Temperatura media del mes más cálido inferior a 10 ºC

Carecen de verdadero verano.

90° S Figura 3.2 Clasificación de Köppen (Chen & Chen 2013). Af

Aw BWh BWk BSh BSk Csa Csb Csc Cwa Cwb Cwc Cfa Cfb Cfc Dsa Dsb Dsc Dsd Dwa Dwb Dwc Dwd Dfa Dfb Dfc Dfd

90° N

45° N

0° 180° W

135° W

90° W

45° W

0°

45° E

90° E

135° E

180° E

45° S

90° S

Fig. 1. Spatial distribution of the Köppen climate types for the period between 1901 and 2010: (a) with all sub-types included, (b) only the ﬁve major groups. The main characteristics of the climate types are described in Table 1. Figura 3.3 Mapa mundial de las regiones climáticas según la clasificación de Köppen (Chen & Chen 2013).

102

Capítulo 3. Marco Climático

estacional de las precipitaciones por las siguientes letras minúsculas:

f húmedo. Lluvioso todo el año, sin estación seca. Para los climas A,C y D. s estación seca en verano. Para los climas A y C. w estación seca en invierno. Para los climas A, D y D. m pluvisilva. Precipitación de tipo monzónico, intensas lluvias todo el año con un corto período de sequía. Para los climas secos del grupo B se definen dos subgrupos propios:

S estepa o semiárido caracterizado por sus praderas. W desértido o árido cuya precipitación anual es inferior a 400 mm. También se definen dos subgrupos propios para los climas de tipo E:

T tundra. Temperatura del mes más cálido superior a 0 ºC. F hielo perpetuo. Temperatura inferior a 0 ºC para todos los meses del año. De la combinación de grupos y subgrupos se obtienen los 12 tipos de climas básicos según Köppen (fig. 3.4-3.5) Köppen hace una tercera subdivisión en función del régimen térmico estacional y la temperatura media anual: a b c d h

verano caluroso. Temperatura media del mes más cálido superior a 22 ºC. Para los climas C y D. verano cálido. Temperatura media del mes más cálido inferior a 22 ºC, pero con al menos cuatro meses con temperatura media superior a 10 ºC. Para los climas C y D. verano corto y fresco. Al menos cuatro meses con temperatura media superior a 10 ºC. Para los climas C y D. invierno muy frío. Temperatura media del mes más frío inferior a - 38 ºC. Sólo para climas D. caluroso y seco. Temperatura media anual superior a 18 ºC. Sólo para climas B.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

103

frío y seco. Temperatura media anual inferior a 18 ºC. Sólo para climas B.

Fuera de la clasificación general queda definido el clima de montaña, que se denota por la letra mayúscula H.

Figura 3.4 Tabla de las subdivisiones en la clasificación de Köppen (Chen & Chen 2013).

104

Hay que subrayar que al descender en la escala de la región a considerar, vemos que esta clasificación no entra en diferenciar realidades climáticas diversas situadas en una misma área geográfica. De hecho, casi la totalidad de los climas españoles quedan englobado en la zona climática Csb (fig. 3.6) lo que no permite entender con precisión la diversidad climática de un país como España.

Clima

Denominación

Características

Clima de selva tropical lluviosa

Precipitación mayor a 600 mm en el mes más seco.

Clima de sabana tropical

Al menos un mes con precipitación menor a 600 mm.

Clima monzónico

Precipitación menor a 600 mm en el mes más seco.

Clima de estepa

Clima árido continental.

Clima desértico

Precipitación anual inferior a 400 mm.

Clima templado húmedo sin estación seca

Clima templado con verano seco

Clima templado con estación invernal seca

Precipitación mayor a 300 mm en el mes más seco. La precipitación del mes más seco del verano es inferior a 300 mm y la del mes más lluvioso del invierno tres veces superior. El mes más húmedo del verano es diez veces superior al más seco del invierno.

Clima boreal de nieves y bosque con inviernos húmedos

No hay estación seca.

Clima boreal de nieves y bosque con inviernos secos

Con una estación seca en invierno.

Clima de tundra

Temperatura media del mes más cálido es inferior a 10 ºC y superior a 0 ºC.

Clima de hielos perpetuos

La temperatura media del mes más cálido es inferior a 0 ºC. Capítulo 3. Marco Climático

revealing that the geographic coverage of the stations vary with time and that there are many more temperature stations than precipitation stations. In terms of the percentage of precipitation and temperature stations with a value for a given month, 1900–1970 saw a strong increasing trend (30–90% for both temperature and precipitation stations), while there is a sizable decreasing trend

90° N

45° N

0° 180° W

135° W

90° W

45° W

0°

45° E

90° E

135° E

180° E

45° S

90° S

Aw BWh BWk BSh BSk Csa Csb Csc Cwa Cwb Cwc Cfa Cfb Cfc Dsa Dsb Dsc Dsd Dwa Dwb Dwc Dwd Dfa Dfb Dfc Dfd

Figura 3.5 Mapa mundial de las subdivisiones en la clasificación de Köppen (Chen & Chen 2013).

90° N

45° N

0° 180° W

135° W

90° W

45° W

0°

45° E

90° E

135° E

180° E

45° S

90° S

Clasificación de Koppen de las regiones climáticas de Europa (www.tutiempo.net)

Termodinámica del Patio Mediterráneo

105

3.1.2. Clasificación de Miller La clasificación de Austin Miller, a diferencia de la clasificación de Köppen concede una gran importancia a la vegetación a la hora de diferenciar las regiones climáticas. Se puede considerar por tanto una clasificación puramente bioclimática. Además en esta división climática se tiene en cuenta la circulación atmosférica general y está especialmente dedicada al análisis del clima de los continentes. La clasificación fitoclimática de las superficies continentales de la Tierra de Austin Miller se basa en la componente principal del viento a lo largo del año (deducible del esquema zonal de CGA) y en valores termométricos y pluviométricos que influyen de manera comprobada en la distribución fitogeográfica (Miller 1963). Según Miller la vegetación está condicionada por el régimen de lluvias, salvo en las áreas de montaña y en las zonas polares en donde la temperatura, o en circunstancias especiales el suelo son los factores determinantes. Además se tienen en cuenta los siguientes principios: a) la isoterma (línea que une puntos de igual temperatura) de 10°C del mes más cálido es límite térmico de la formación boscosa, b) la isoyeta (línea que une puntos de igual pluviosidad) de 250 mm anuales es el valor frontera del desierto o la estepa ocasional, c) la isoterma de 6°C del mes más frío es el límite entre el bosque perennifolio y el caducifolio, en una supuesta ausencia de sequía prolongada, d) la isolínea (línea con puntos del mismo valor) de seis meses de temperatura media inferior a 6°C es el límite de las frondosas caducifolias. También se consideran la isoterma anual de 21 °C que coincide, sensiblemente, con el paralelo geográfico de los 30° de latitud y se da gran importancia a los vientos predominantes de cada zona. En esta clasificación los macroclimas se indican con una letra (A, B, C, D, E, F o G) en función de la temperatura (salvo los grupos F y G), y los climas con un número. La división de Austin Miller es la siguiente:

106

Capítulo 3. Marco Climático

A: Climas cálidos. Temperatura media anual igual o superior a 21 °C.

A1. Clima ecuatorial. Característico de las comarcas muy próximas al ecuador. Lluvias abundantes todo el año, de origen convectivo, con dos máximos postequinocciales de precipitación. La vegetación que corresponde es la selva. A2. Clima tropical marítimo. Localizado en la parte oriental de los continentes, dentro de las latitudes tropicales. Los vientos alisios ocasionan lluvias durante todo el año. La vegetación típica es la selva. A3. Clima tropical continental. Se sitúa entre las áreas con clima A2 y las áreas en donde la precipitación anual no supera los 250 mm. La vegetación varía de la sabana arbolada al espinar. B: Climas templado-cálidos. Carentes de estación fría, en todos los meses la temperatura media iguala o supera los 6°C. B1. Clima mediterráneo. Comarcas localizadas, aproximadamente, entre los 30 y los 40° de latitud. En ellas, los vientos de otoño, invierno y primavera, traen de vez en cuando borrascas extratropicales que producen lluvias más o menos abundantes, mientras que en verano, el viento anticiclónico de levante define una sequía característica que coincide con el momento de mayor calor del año. Vegetación de dehesa. B2. Clima subtropical. Localizado en las partes orientales de los continentes, entre 30º y 40º de latitud. En estas zonas, los vientos borrascosos, proporcionan cierta precipitación en otoño, invierno y primavera, por lo que la lluvia persiste todo el año y aumenta en verano. En estas latitudes, las regiones centrales de los continentes suelen presentar enclaves desérticos, en donde sólo las borrascas de invierno proporcionan una cierta precipitación. Debe haber un bosque subtropical. C: Climas templado-fríos. uno a cinco meses con temperatura media inferior a 6°C.

C1. Clima marítimo. Localizado en la parte occidental de los continentes, en latitudes situadas entre unos 40 y 55°. Vientos generales de componente oeste que acompañan Termodinámica del Patio Mediterráneo

107

a las depresiones extratropicales y que causan lluvias durante todo el año. La vegetación típica es el bosque caducifolio. C2. Clima continental. Situado al oriente del C1, ocupando las partes centrales y levantinas de los continentes. Las borrascas, que vertieron sus lluvias en las comarcas occidentales, también producen precipitaciones en la época invernal, pero éstas suelen ser escasas. El máximo de precipitaciones es estival, originado por la desaparición del anticiclón frío y la reactivación de las depresiones a causa del recalentamiento de las tierras. En estas zonas pueden aparecer enclaves desérticos con precipitación anual inferior a 250 mm. D: Climas fríos. Más de seis meses con temperatura media inferior a 6°C.

D1. Clima marítimo. Comarcas situadas al norte de las afectas al clima. C1. Las precipitaciones tienen características análogas a este último. D2. Clima continental. Se extiende por las zonas localizadas al norte del clima C2 y las precipitaciones siguen la misma pauta que en éste. E: Climas polares. La temperatura media del mes más cálido no alcanza los 10°C y se localizan a latitudes superiores a unos 65°. F: Climas desérticos. Precipitación anual inferior a 250 mm. F1. Desiertos cálidos. Todos los meses, temperatura media igual o superior a 6°C. F2. Desiertos fríos. Algún mes la temperatura media es inferior a 6°C. G: Climas de montaña. Corresponde a enclaves altitudinales de cualquier zona geográfica. Presentan un régimen de precipitaciones adecuado a su posición en el continente pero matizado por las variaciones consecuentes a las lluvias orográficas en las laderas situadas barlovento. Su régimen térmico, a causa de la elevación de las tierras, es inferior al que les correspondería por su posición latitudinal. 108

Capítulo 3. Marco Climático

3.1.3. La clasificación de Rivas Martínez La clasificación propuesta por Rivas Martínez (Rivas-Martínez et al. 2011) es también un buen ejemplo del estudio del clima incorporando el enfoque biológico. Inspirada en la de Miller, su principal ventaja es que nos permite determinar y entender el clima con mayor precisión y resolución espacial. Este encuadre se denomina bioclimatología, es decir, información, índices y unidades relacionados y delimitados por la respuesta espacial de las comunidades de seres vivos. Estudia la biodiversidad como medida detallada de la variación climática (fig. 3.7). La clasificación se justifica en que las características biológicas de algunas especies hacen que sólo puedan vivir de forma natural dentro de estrechos márgenes climáticos. Son las denominadas bioindicadoras representando un papel crucial dentro de esta disciplina. Esta clasificación es interesante en nuestro contexto de estudio porque, aunque describe una clasificación general de la Tierra, subraya específicamente la riqueza y variabilidad bioclimática dentro del denominado clima mediterráneo. Como Rivas Martínez describe:

“De forma casi unánime, las clasificaciones de referencia tratan como clima mediterráneo únicamente el tipo subtropical templado-cálido con abundantes lluvias de invierno y sequía en verano, en relación casi exclusiva con los bosques y prebosques esclerófilos. Por mi parte, considero que hay un amplio macrobioclima mediterráneo, siempre al exterior de los trópicos, con aridez estival, que como mínimo tiene dos meses consecutivos en verano (días largos) […], si bien tal aridez puede prolongarse incluso hasta los doce meses del año. Según sea la cuantía de las precipitaciones, la estructura de la vegetación potencial mediterránea corresponde a tipos muy diversos: bosques cerrados sempervirentes o decíduos, bosques abiertos, arbustedas, semidesiertos, desiertos o hiperdesiertos. Tal vez sea útil recordar que las fitocenosis [parte vegetal del ecosistema] regidas por los bioclimas mediterráneos poseen una flora muy original, rica y diversa, y, por tanto, una vegetación radicalmente distinta a la de los territorios de bioclimas tropicales y templados con precipitaciones de similar Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 3.7 Siguiente página. Mapa mundial de las regiones climáticas según la clasificación de Rivas Martínez (Rivas-Martínez et al. 2011) .

109

World Bio

World Continentality

S. Rivas-Martínez, S. R

With the collaboration of: C. Aguiar (PT), F. Alcaraz (ES), J. Amigo (ES), A. Asensi J.C. Costa (PT), M. Costa (ES), M.B. Crespo (ES), F.J.A. Daniels (DE), M. del Ar F. Fernández-González (ES), K. Fujiwura (JP), R.G. Gavilán (ES), J.M. Géhu (FR), P. Krestov (RU), M. Ladero (ES), L. Llorens (ES), J. Loidi (ES), M. Lousã (PT), A. Miyawuaki (JP), J. Molero (ES), Y. Nakamura (JP), G. Navarro (BO), F. Pedro M. Raynolds (US), D. Sánchez-Mata (ES), L.G. Sancho (ES), A. Santos (ES), J. C. Saucier (C

1:40.00 0 0

1.000

2.00

1.000

2.00

Goode Homolo

Ultrahyperocenic

Semihyperoceanic

Subcontinental

Euhyperoceanic

Euoceanic

Eucontinental

Subhyperoceanic

Semicontinental

Hypercontinental Aler t !

Queen Elizabeth Is.

Isachsen !

Thule Air Base

Mould Bay !

Resolute !

Chukotski Natsionalnyi Okrug V !

Point Barrow Afs ! Point Lay Afs ! Cape Lisburne

Zaliv Krest A -Egvekinot!

Uelen !

Providieniya !

! Fairbanks Tanana !

Nome !

McGrath

Clyde

Bar ter Island !

Lady Franklin

Shingle Point

Seward

Bering Sea

King Salmon !

Hay River Uranium City ! Embarras Brochet Man !

Smith River

Juneau !

Frobisher Bay

Godtháb

Chester field

Hudson

Resolution I ! ! Cape Hopes Advance BayPor t Harrison

C. Farewell

Gillam

St Paul Island

Prince Rupert Masset ! ! Quesnel

Cold Bay

Aleutian Is.

Nottingham I

Coral Harbour !

Valdez

Jakobshavn ! ! Godhavn

Padloping Is Nwt

Coppermine NWT

Fort Simpson Yakutat

Norman Wells

Dawson

Bethel

Cambridge Bay

Aklavik NWT

Edmonton ! Jasper

Bull Harbour 50°

Prince Alber t

The Pas

50°

Superior

Michelson

Boardman Flight

Michigan

50°

Cape Race

Sable Island !

Por t Clinton

C. Race

Eastport Lawrence

Eppley

Lee Bird

Richmond

Manhattan

Blake Field ! ! Canyonlands Field

Sydney

Fredericton !

Toronto

La Macaza

Manitowoc

Logan Cache ! Winnemucca Christman Fld !

Québec

Sault Ste. Marie

Escanaba

The Dalles

Chico

Car twright !

Goose Bay

Winnipeg Intl Sloulin Field

Clallam County

Nitchequon

Vancouver Is.

Trout Lake

Knob Lake

Medicine Hat

Great Whale River

Blosser Fld

Visalia

Ohio

Washington Nat

Horta

! !

Mis sissi ppi

Parker ! Laguna Aaf

Abilene

Deming

Bermuda Is.

Johns Island

d an e

Lake Jackson !

Matagorda Island

Ellenton

Bahama Is.

Matamoros I !

Mazatlán

Nassau Intl. Airpor t

Gulf of Mexico

N O R T H A T L A N T I C O C E A N

Guaymas

Hawaiian Is.

Casablanca-

Madeira Is.

! !

Bates Field

30°

C. Hatteras Charleston

Horta/Aeropor to/Faial

Azores Is.

Cairo !

30°

Canary Is. Arrecife Santa Cruz de La Palma !! ! Santa !Cruz de Tenerife ! Valle Hermoso Tindouf

30°

Santa Lucía

Atar

Las Animas

Niuli

Mexico City I !

Revillagigedo Is.

Veracruz !

Bowen

Vernam

Belize Intl. Airpor t

San Juan

Cape Verde Is.

Néma

Salina Cruz

Dakar

Caribbean Sea

Ilopango !

P A C I F I C O C E A N

Grand De Oro

10°

o Orinoc

Bougouni

La Carlota

Cristobal

Niger

Bolama

Dr Albert Plesma

Bluefields El Coco Intl

10°

C. Verde !

Bridgetown

Freetown !

Georgetown

Nickerie Rochambeau

El Dorado

Santa Elena de Uairén

C. Palmas

Palmyra Is. Galapagos Is.

-100°

Quito

-40°

Barcelos

n Amazo

-20°

Altamira !

Piura !

São Felix do Xingu

Quixeramobim ! ! Crateús

Grajaú !

C. Sao Roque

Tingo María

Marquesas Is.

-10°

Guararapes

Tarauacá

Rio Branco

-10°

Barra

Huancayo

Barreiras

Apia !

-10°

Samoa Is. Arequipa

Society Is.

Concepción

El Alto

Ilhéus

Cuiabá

Ascension Is.

Goiana

Caravelas !

Cook Is.

Tonga Is.

Iquique

Campo Grande ! ! Bahia Negra

Rarotonga

La Quiaca

Tubuai Is.

Catanduva !

Santos None !

Caldera

Andalgalá

-30°

Afonsos ! ! Galeão C. Frio

Posadas New !

Corrientes

Bom Jesus !

! Paso de los Libres Concordia

Córdoba

-30°

S O U A T L A O C E

Santiago !

Angel S Adami Aeroparque Jorge Newbery

Chos Malal

Choele Choel !

Faro Segunda Barranca

Chatham Is.

-50°

Puer to Madryn ! Esquel

Comandante Piedrabuena

-50°

Santa Cruz-Pto.

-50°

Falkland Is.

-50°

Stanley

! !

Bahia Catalina

Georgia del Sur !

C. Horn

Base Ar turo Prat !

Dest. Naval Melchior !

Adelaide Is. -70°

-70°

Weddell Sea

World Ombrotypes

Ley TROPICAL

MEDITERRANEAN

Hyperdesertic

Hyperdesertic-Continental

Desertic

Hyperdesertic-Oceanic

Xeric

Desertic-Continental

Pluviseasonal

Desertic-Oceanic

Pluvial

Xeric-Continental Xeric-Oceanic Pluviseasonal-Continental Pluviseasonal-Oceanic

110

Unsnowy

Hyperarid

High-snowy

Dry

Hyperhumid

Ultrahyperarid

Semi-snowy

Semiarid

Subhumid

Ultrahyperhumid

Low-snowy

Arid

Hyper-snowy

Humid

Capítulo 3. Marco Climático

TEMP

oclimates

World Thermotypes

Rivas-Sáenz & A. Penas

(ES), M.G. Barbour (US), E. Biondi (IT), C. Blasi (IT), P. Cantó (ES), J. Capelo (PT), rco (ES), S. del Río (ES), T.E. Díaz (ES), B. Díez-Garretas (ES), N. Ermakov (RU), , J. Giménez de Azcárate (ES), L. Herrero (ES), J. Izco (ES), P. Jorgenson (US), M.A. Luengo (ES), V.M. Martín Osorio (ES), W. Meades (CA), S. Mesquita (PT), otti (IT), C. Pinto Gomes (PT), R. Pott (DE), J.A.F. Prieto (ES), P. Quézel (FR), CA), R.G. Sayre (US), P. Soriano (ES), S. Talbot (US), A. Velázquez (MX) & W. Wildpret (ES).

00.000 0

4.000 km

4.000 mi

osine Projection

Mys Golomjannyi !

Mys Chelyuskin !

Tromsø-Langnes !

Bodø ! Teigarhorn

Karasjok ! !Teriberka !Kanin Nos Kola Tersko-Orlovskij

Kirkwall

Gorki

Galati

Danube Monflorite-Lascasas

Ajaccio

Yeniseysk ! Molchanovo Lenevo ! ! Mariinsk ! Barabinsk

! !

Petropavlovsk

Orenburg

Uralsk

Celinograd

Turgaja

Temir

Bizer te

Mosul

Oromediterranean

Orotemperate

Cryoroboreal

Cryorotropical

Cryoromediterranean

Cryorotemperate Gelid

Nikolskoye Ostro

Petropavlovsk !

Lopatka !

Korsakov

Urup ! Kuril'sk

Vladivostok Posyet !

Shenyang

Naryn

Hakodate !

Beijing

Wonsan !

Niigata !

Mazar-I-Sharif

Lanzhou

Drosh

Chaklala

Dras

Qingdao

Miho Ab

Xian

Hachijojima

Esfahán !

Seistan

Chongqing

Yang tse

Nagasaki

Shanghai

Miyazaki

Adampur Quetta Samungli

Bushehr

Fort Flatters

Gelid

Orotropical

Kliuchi

In Salah

Oroboreal

Khatyrka

Alexandria

Supratemperate

Uka

Mashhad

Teheran-Doshan T ! ! Teheran-Mehrabad

Matruh

Supramediterranean

Jergetal

Ar Rutbah

Darnah

Suprapolar

Supratropical

Apuka

Yamsk

Enkan

Turkestan

Aral Sea

Tripoli

Mesopolar

Supraboreal

Vitim

Lepsinsk

Aleksandr-Baj

Nicosia ! Beirut

Mediterranean Sea

Thermopolar

Mesoboreal

Mesotemperate

Kazalinsk ! Uajali

Fort Shevshenko Batumi

Adana

Hal Far Gabès !

Thermoboreal

Thermotemperate

Mesomediterranean

Anadyr

Markovo !

Ojotsk

Caspian Sea

-Anfa

Omsukchan

Ust -Maya

Mogocha Dzhalinda ! Nikolayevsk-Na-Amure ! ! ! Orlik Irkutsk Bakal Chernyayevo ! Sofijskij Priisk Oja ! ! ! Kazantsevo Nerchinskiy Zavod ! ! Datsan Sanaga Krasny Chikoy Blagoveshchensk ! ! ! Poronaisk ! Jabárovsk

Infratemperate

Thermomediterranean

Mesotropical

Mukhomornoye

Chemal ! Semipalatinsk

Bajanaul

Inframediterranean

Thermotropical

Nizhnekolymsk Ust-Oloi

Oimyakon

Yakutsk Olekminsk

g an Hu

Huelva

Colomb-Béchar Le

Srednekolymsk !

Nizhneangarsk

Nea Ankhialos ! Athinai

Kolymskaya !

Ust-Nera !

Sangar

Barnaul

Alicante -Ciudad Jardín !

Kirensk

Black Sea

POLAR

BOREAL

TEMPERATE

Infratropical

Gelid

Billings

Siuldiukar !Viliuisk ! ! Niurba Niuhya

Boguchar ! Dnepropetrovsk

Sevastopol ! Kerch

Skopje

Centocelle

Javlenka

lga Vo

Timisoara

Lyon-Bron La Coruña

Kiev Just

Sverdlovsk

Chetyrejstolbovoi Valkarkay !

Vienna

Pinsk

Rhin

Tobolsk

Kazan

Ielat Ma

Tabor ! Dzhangky ! Sujana Dzhardzhan ! ! Verjoyansk

Ust-Komo

Sred Niyvasyugan

Moskva

De Bilt

Olenek

! Yessey/Esseu ! Taeovskoe-Jalimer-Sede! Agata ! Sidorovsk

Kirov

Danilov

Shalaurova

Surgut

Ivdel

Kiusiur -Bulun-

Luxembourg City

Kigilyakh !

Dudinka

Kotel'nyj

Berezovo

Pskov

Valentia

Cherdyn

Götteborg-Save Ventspils ! Vestervig ! Sea !Copenhagen K ! Sovetsk

North

Naryan-Mar Novyy Port ! ! Khosedakhard

Povenets Novaya Ladoga ! Voznesenie

Stornoway

Gyda-Jamo ! Mys Marresale

Padany

Kauhava

Oslo-Fornebu

Ostrov Kupffer ! Preobrazheniya

Ostrov Dikson

Amderma

Umeå

Vestmannaeyjar

Mys Zhelaniya Polar Station

Malyye Karmakuly !

Jan Mayen

New Siberian Is. !

Russkaya Gavan !

Barents Sea

MEDITERRANEAN

TROPICAL

Asyut

Agra

Gan ges

Al-Qusayr

Al Manamah

Jask

Doha

Drigh Road

Jorhat !

Bhuj

Nile

Tamanrasset !

Xiamen

Tai-pei -Taiwan-

Iwo-Jima Ab

Guangzhou

Lashio

Hong Kong

Bombay

Chiang Mai

Atbara

Raipur

Faya Largeau

Dacca/Tezgaon ! Calcuta Chittagong !

Indore

Masirah Por t Sudan

Bilma

P A C I F I C O C E A N

Bihta

Wake Island

Aparri

Dong Hoi

Salalah

Khar toum !

Abéché

Sokoto !

Kano !

Djibouti ! Berbera

Birao

Malakal

C. Guardafui

Manila

Bay of Bengal

Bangalore-Hindus ! ! Madras

Car Nicobar

Trincomalee

Batouri

Angaur Island

Maldives Is.

Mogadishu

Gulf of Guinea

Mapanget

Singapore

Yangambi

Pontianak

o ng Co

80°

Victoria !

Amahai Jakar ta

Dar Es Salaam Ne

Kamina

Luanda New

Nova Freixo

Por t George IV

Majunga

Cooktown !

Beira

Maun

Broome

Antananarive !

Inhambane !

I N D I A N O C E A N

Royal Alfred Obs

Morondava

Messina Nelspruit Friedenheim ! Potchefstroom Agr

Réunion

Tulear

Normanton

Halls Creek

Mackay !

Onslow

Boulia

Magenta !

Mundiwindi !

Fort Dauphin !

Warbur ton Ranges

Charlotte Waters

Yalgoo

Upington Agr Alexander Bay ! ! ! Por t Nolloth Vr t ! Okiep Queenstown ! Cape Hermest Vr t !

Thargomindah

-30°

William Creek

Brisbane

Nor folk Island !

Bourke

-30°

Pearce

Eyre

Cape Leeuwin

Cape Agulhas

C. of Good Hope

Ingham

Tennant Creek Learmonth !

U T H N T I C E A N

Fiji Is.

Coral Sea

-10°

Daly Waters

Pereira De Ca

Samarai

Mapoon

Darwin !

Henderson Sc

Por t Moresby ! Horn Island

Kupang

Montepuez ! Geba

Gobabis

Solomon Is.

-10°

Comoro Is.

Kieta

Java Sea

Lubumbashi

Luso

Madang

Surabaya/Perak I

Mbeya

Rabaul

Hasanuddin

Nauru

Seychelles

Mombasa

Tabora

Kananga

Caroline Is.

Moen Flight Stri

Zamboanga

Sandakan

Pinang

Windhoek!

10°

Hinatuan

Takingeun

Bangui

Tan Son Nhut

Nakorn Sri Thama

C. Comorin

Eniwetok Afwtr

Trivandrum

Wau

Calabar

Nha Trang

Phnom Penh

Andersen Afb !

Mergui

Por t Blair

Adis Abeba

Marmagao

Maiduguri Garoua

Lagos

Arabian Sea

Riyan

Lokoja

Accra

Kassala

Al-Fashir

C. Leeuwin!

Lord Howe Island !

Por t Augusta !

Esperance !

Adelaide

Bankstown

Essendon

Ardmore

Gabo Island

Gisborne

Hokitika

Hobart

! !

Crozet Is.

Ashburton

Dunedin

Kerguelen Is. -50°

-50°

McDonald Is.

Casey !

-70°

Mcmurdo !

World Physical ARTIC OCEAN

R oc

Pergelid

Continental

Hypercontinental

Xeric

Oceanic

Continental

Hyperoceanic

Subcontinental

Oceanic

Hyperoceanic

NORTH PACIFIC OCEAN

NORTH ATLANTIC OCEAN

Alp

s Gob i

Him

a in s

POLAR

Xeric

o u nt

BOREAL

Xeric

ky M

yend

PERATE

S ib eria

S aha ra

al ay

Arab ian Peninsula

Sa h e l

NORTH PACIFIC OCEAN

as Indo china Peninsula

INDI AN OCEA N Am az on Ba si n

INDIAN OCEAN

K a la hari SOUTH ATLANTIC OCEAN

SOUTH PACIFIC OCEAN

A ustr a lia

P atagonia

SOURTHERN OCEAN

Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Technical cartography: Miguel Álvarez, Ignacio Prieto

Wordwide bioclimatic classification system

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Global Geobotany, 1

111

cuantía. También es muy significativo el hecho de que los bioclimas mediterráneos tienen su mayor representación en el oeste de los grandes continentes vegetados.” (Rivas-Martínez et al. 2011) Como consecuencia, esta clasificación ha servido de base en numerosas ocasiones para analizar el clima tanto de España como de Andalucía (Valle 2004), siendo uno de los referentes tomados en cosideración para la actual versión de la zonificación climática del Código Técnico de la Edificación (2013). En él se trata de pormenorizar las zonas climáticas en función de su altitud sobre el nivel del mar para conseguir mayor precisión en la descripción climática tal y como Rivas Martínez recoge en su clasificación. La clasificación se basa en que cada región biogreográfica tiene una específica zonificación en función de la altitud de sus ecosistemas vegetales (cliserie), de tal forma que las cambios en la vegetación con la altura son respuesta a cambios en la temperatura (termoclima) y en la precipitación (ombroclima). Sus principales elementos estructurales son: (1) región biogeográfica o corológica, delimitada por el ámbito geográfico, y la intensidad de la aridez estival -índices de mediterraneidad-; (2) piso bioclimático (cada uno de los tipos o espacios termoclimáticos que se suceden en una serie altitudinal), delimitados en función del régimen térmico -índice de termicidad-, que también posibilita la subdivisión en horizontes bioclimáticos o subpisos; (3) Ombroclima, tipos, dentro de cada piso bioclimático, definidos por la precipitación anual. La puesta en práctica de estos principios permite la caracterización climática general de la Penísula Ibérica e Islas Baleares que brevemente son descritos en esta clasificación de la siguiente forma.

112

Capítulo 3. Marco Climático

Latitud: 35º - 44º Norte - Clima TEMPLADO (en su conjunto). Climas C1 y B1 de Miller. Situación en el seno de la Circulación General de la Atmósfera. La variación cíclica anual provoca la aparición de dos zonas climáticas notablemente distintas: 1. IBERIA VERDE (Galicia, Región Cantábrica y Región Pirenaica). Todo el año vientos de componente principal Oeste y, fundamentalmente, ciclónicos Clima CENTROEUROPEO OCCIDENTAL: inviernos suaves, veranos frescos, humedad relativa alta (nubosidad abundante, baja insolación) y precipitaciones frecuentes y relativamente abundantes. 2. IBERIA PARDA (el resto del territorio peninsular) y ARCHIPIÉLAGO BALEAR. En invierno la componente principal del viento es del Oeste, con origen básicamente ciclónico; en verano, componente principal del Este y, sobre todo, de origen anticiclónico Clima MEDITERRÁNEO: inviernos suaves en la costa y severos en el interior, veranos calurosos y secos, humedad relativa baja (escasa nubosidad, fuerte insolación) y precipitaciones muy irregulares tanto en el tiempo como en el espacio, con clara aridez estival.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 3.8 Mapa de España de las regiones climáticas según la clasificación de Rivas Martínez (Rivas-Martínez et al. 2011) .

113

Las características principales del clima en la Península son: Continentalidad - La Península Ibérica se comporta como un semicontinente lo que determina que:

(a) A lo largo del invierno, se establece en el centro peninsular un núcleo de altas presiones térmicas con descenso invernal de precipitaciones y temperaturas bajas en el interior de la Península. (b) En verano, aparece en el centro peninsular un núcleo de bajas presiones térmicas en el centro de la Península. Inestabilidad tormentosa en el centro peninsular, con temperaturas elevadas. El resultado es marcadas condiciones de continentalidad en las dos Mesetas y en el Valle del Ebro. Orografía - Los Sistemas Cantábrico y Central, parte del Sistema Penibético, los Montes de Toledo y Sierra Morena, se extienden, aproximadamente, según los paralelos terrestres. Este hecho implica que:

(a)Estos sistemas montañosos actúan de barrera protectora ante la incidencia de vientos de Nordeste (continentales: fríos y secos) y del Noroeste (oceánicos: fríos y húmedos), que dan lugar a lluvias orográficas en las laderas Norte y efecto Foehn en las laderas Sur (condensación de la humedad en la vertiente de barlovento y en la correspondiente sequedad y calentamiento del aire en sotavento); (b) La existencia de una apertura por el Suroeste para la entrada de vientos con esa componente (oceánicos: más cálidos y húmedos) que ocasionan lluvias orográficas en las laderas Sur y efecto Foehn en las laderas Norte. Temperatura del mar – Las corrientes oceánicas hacen que los mares que bañan las costas de la Península Ibérica presentan una temperatura más elevada de la que corresponde a su latitud. Las condiciones climáticas de las zonas costeras se ven suavizadas con relación a las de interior.

114

Capítulo 3. Marco Climático

Por último cabe mencionar en el contexto de los estudios climáticos centrados en la Península Ibérica que la clasificación de Allué Andrade (Allué Andrade 1990) que desarrolla en el Atlas Fitoclimático de España. Se trata de una clasificación fitoclimática para España a partir los datos del Instituto Nacional de Meteorología (INM), las Series de Vegetación Potencial (Rivas Martínez, S., 1987) y trabajo de campo (fig. 3.9). Describe los tipos climáticos en función de su influencia sobre la vida vegetal y su distribución geográfica. Es decir en función de su significación fitológica y su respuesta fitogeográfico. La división fitoclimática de Allue Andrade complementa el trabajo Concretamente para la edición de 1990 se estudiaron los climodiagramas de 1.069 estaciones meteorológicas. Esto le ha permitido caracterizar en detalle muchos de los microclimas de la geografía española.

Figura 3.9 Pisos bioclimáticos de la Península ibérica (Rivas Martínez, S., 1987)

Termodinámica del Patio Mediterráneo

115

Área geográfica

Litoral atlántico

Depresión del Guadalquivir

Sierra Morena

Litoral mediterráneo (hasta Adra)

Litoral mediterráneo y sureste

Surco intrabético

Sierras béticas

Tipo de clima

Mediterráneo oceánico

Mediterráneo continental

Mediterráneo semirárido

Mediterráneo subtropical

Mediterráneo subdesértico

Continental mediterráneo

Mediterráneo de montaña

Temperatura media anual (ºC)

17-19

17-18

16-17

17-19

17-21

13-15

12-15

Precipitación media anual (mm)

500-700

60-800

400-900

<300

300-600

400-1000

Nº de días de lluvia al año

75-85

75-100

50-75

<50

60-80

60-100

Nº de meses del período seco

4-5

3-5

4-5

6-8

4-5

3-4

Amplitud térmica anual (ºC)

10-16

18-20

13-15

13-16

17-20

16-20

Nº de días con helada al año

2-20

20-40

0-10

30-60

30-90

Figura 3.10 Regiones Climáticas de Andalucía. Red de Información Ambiental de Andalucía de La Junta de Andalucía (Web Clima Junta de Andalucía 2016)

Figura 3.11 Regiones Climáticas de Andalucía. Red de Información Ambiental de Andalucía de La Junta de Andalucía (Web Clima Junta de Andalucía 2016)

116

Capítulo 3. Marco Climático

3.2. Zonificaciones climáticas en Andalucía y el Código Técnico de Edificación A continuación se estudian las clasificaciones que han servido de base para la determinación de las distintas zonas climáticas tanto en España como en Andalucía en el Código Técnico de la Edificación (Gobierno de España 2006a; Gobierno de España 2013). Siguiendo la clasificación de Köppen el clima en Andalucía sería Csa. Según la de Austin Miller Andalucía disfruta de un clima B1, es decir clima mediterráneo dentro de los climas templado-cálidos. Atendiendo a la clasificación de Rivas Martínez, Andalucía se encuentra en la Iberia Parda, siendo el bioclima más extendido es el pluviestacional-oceánico, que abarca toda la región excepto el sureste almeriense y la depresión de Guadix-Baza, que presentan un bioclima de tipo xérico-oceánico. Los altiplanos de Huéscar-Orce-Puebla de Don Fadrique y zonas aledañas, los enclaves más fríos de las sierras de Cazorla-Segura y las Villas, y algún punto continental de Sierra Morena y Sierra Nevada tienen un bioclima pluviestacional-continental, y la franja costera que va desde el Cabo de Gata hasta el Alquián y Viator (Almería) se incluye en el bioclima desértico-oceánico (Valle 2004) (fig. 3.10-3.11). Según esto, se puede resumir sus principales características como: •

Veranos secos y calurosos

•

Inviernos de temperaturas suaves

•

Precipitaciones irregulares

Uno de los rasgos que mejor identifica el clima andaluz es la intensidad de la radiación solar con un gran número de horas de sol al año radiación (Web Clima Junta de Andalucía 2016). Otra característica del clima en Andalucía especialmente interesante para el presente trabajo es las grandes diferencias de temperatura que se observan entre el día y la noche. La latitud y la abundancia de escenarios anticiclónicos que conllevan cielos con baja nubosidad sobre la región, determinan la existencia de una alta insolación en Andalucía (figura 3.11 y 3.13b). Todo el valle del Guadalquivir y los espacios costeros, con la excepción del Termodinámica del Patio Mediterráneo

117

Figura 3.11 Media anual de la radiación solar incidente sobre superficies horizontales en España. Fuente: Joint Rerseart Center CU.

118

Capítulo 3. Marco Climático

área del estrecho de Gibraltar, supera las 2800 horas de sol al año, sobrepasándose incluso las 3000 horas en algunos enclaves del golfo de Cádiz y la costa almeriense. El resto de la región queda comprendido entre 2800 y 2600 horas de sol, escapando a esta norma sólo los lugares más elevados de las sierras, en los cuales la mayor presencia de nubosidad por efecto del relieve, reduce la insolación por debajo de 2600 horas anuales. Estos altos valores de insolación, asociados al elevado ángulo de incidencia de los rayos solares en estas latitudes tan bajas, determinan también valores elevados de recepción de radiación solar, que superan los 5 Kw/h/m2. La relación entre radiación y orografía queda clara comparando las figuras 3.12 y 3.13b. La temperatura media anual adopta valores muy diversos, que reflejan también un fuerte gradiente altitudinal, de forma tal que los valores más bajos (inferiores a 8-10º) se encuentran en los elevados enclaves montañosos del interior de las cadenas Béticas (Sierras de Cazorla y Segura, Sierra Nevada, etc.). El flanco occidental de estas cadenas, más abierto a la influencia atemperante del Atlántico, y el conjunto de Sierra Morena, presentan valores más elevados, que oscilan entre 12º y 14º. En la costa atlántica se superan ya los 16º, y en el valle del Guadalquivir y algunos puntos de la costa mediterránea se pueden rebasar los 18º, alcanzándose incluso 20º en algunos enclaves del litoral almeriense, que se constituye en uno de los puntos más cálidos de España. Por tanto, pueden existir diferencias considerables entre el clima general de una región y el experimentado en un determinado punto geográfico concreto de la misma. Los considerables contrastes orográficos (fig. 3.11) así como la influencia del mar Mediterráneo y del Atlántico dan como resultado variaciones del clima mediterráneo dentro de Andalucía. La superposición entre el mapa altimétrico y parámetros climáticos como las temperaturas medias o precipitaciones, revela la importancia de la orografía en la determinación de las variaciones climáticas locales. Así en la distribución de estos parámetros se observan dos zonas claramente diferenciadas. Una se corresponde con la existencia del valle del Guadalquivir y otra que se corresponde con los límites montañosos de éste. La distribución de las temperaturas medias sigue el mapa altimétrico de Andalucía. Esta estrecha relación entre temperatura y orografía se muestra bien en las figuras 3.12 y 3.13 que comparan una imagen altimétrica de Andalucía con la media de temperaturas en mayo. La media anual de la radiación solar global en Andalucía, también se corresponde básicamente con esta distribución lo que da la medida de su influencia. Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 3.12 Mapa altimétrico de Andalucía (Web Clima Junta de Andalucía 2016)

Figura 3.13 Mapa de temperaturas medias de mayo de Andalucía (Web Clima Junta de Andalucía 2016)

Figura 3.13b Mapa de Radiación Global en Andalucía mediante el tratamiento de 10 años de imágenes por satélite (CIEMAT - AICIA).

119

Este parámetro sirvió de base para la elaboración de las Zonas Climáticas definidas en el CTE 2006 (Real Decreto 314/2006; Gobierno de España 2006b) en donde se diferenciaba en toda Andalucía sólo dos zonas climáticas: la IV y la V (fig. 3.14). Sin embargo, como vimos, los estudios sobre el clima en Andalucía y específicamente según la Red de Información Ambiental de Andalucía de La Junta de Andalucía (Web Clima Junta de Andalucía 2016), se reconocen hasta 7 variedades de clima en la región como se resumen en el siguiente cuadro de la figura 3.10. Se observa que además de la orografía, la proximidad a cada una de las dos grandes masas de agua atlánticas y mediterráneas, son como se dijo, un factor que influye también en el clima.

Fig. 3.14 Superposición entre Zonas Climáticas del CTE 2006 y el mapa altimétrico de Andalucía. (CTE-Red de Información Ambiental de Andalucía, Junta de Andalucía)

120

A la hora de limitar el consumo de energía primaria, el reciente DBHE 2013 afina más en la zonificación de Andalucía acercándose más a las variedades de climas mencionadas (fig 3.15). Frente al CTE-2006 que utilizaba el clima de las capitales representativas para la zonificación, el DBHE 2013 (BOE 219 12 de Septiembre de 2013; Gobierno de España 2013) permite obtener la zona climática de una localidad en

Capítulo 3. Marco Climático

función de su capital de provincia y su altitud respecto al nivel del mar tomando para cada provincia el clima correspondiente a la condición con la menor cota de comparación (fig. 3.16). Por tanto representa mejor la realidad climática en la mayoría de localidades de la región. Expondremos ahora brevemente las características del clima de tres ciudades andaluzas donde se han realizado las monitorizaciones para esta tesis (Capítulo 6 de la presente tesis) situadas en las dos zonas climáticas más características de la región. De los muchos parámetros climáticos, atenderemos especialmente al de temperaturas máximas y mínimas así como a la radiación solar. Pero para la determinación del comportamiento microclimático de los patios será necesario un conocimiento más detallado a nivel local de las condiciones del clima que incluya el dato preciso de la dirección e intensidad de los vientos.

Figura 3.15 Superposición entre mapa de límites de demanda de energía primaria según CTE 2013 y mapa altimétrico. (CTE-Red de Información Ambiental de Andalucía, Junta de Andalucía))

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 3.16 Mapa de Zonas Climáticas en España según CTE 2013. Las 12 zonas se identifican mediante una letra, correspondiente a la divisiín de invierno, y un número, correspondiente a la división de verano.

121

3.2.1. Clima en Málaga. Zona climática A3.

Figura 3.17 Principales características climáticas de Málaga (Valle 2004).

El clima aquí se clasifica como Csa por el sistema Köppen-Geiger (ClimateData.org 2015). La ciudad de Málaga se encuentra en la región climática del Litoral Mediterráneo con un tipo de clima Mediterráneo Subtropical (Junta de Andalucía 2016). Según la clasificación de Rivas Martínez vista para Andalucía, podemos visualizar la siguiente caracterización bioclimática de Málaga resumida en el siguiente cuadro (fig. 3.17).

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Temperatura media anual (ºC)

Bioclima

Termotipo

Ombrotipo

Tipo Térmico

Málaga Ciudad

510.6

18.5

Pluviestacional -oceánico

Termomediterráneo inferior

Seco inferior

Templadocálido

Los parámetros climáticos están resumidos gráficamente en las figuras 3.18-3.25. El clima en Málaga se corresponde a la franja litoral, en la que confluyen por un lado, la influencia marina y, por otro, los más elevados niveles de insolación. En esa zona se pueden encontrar diferencias entre las vertientes atlánticas y mediterráneas. El valle del Guadalquivir, abierto Temperatura al Atlántico y sin barreras orográficas favorece la existencia Bioclima Termotiposignificativas, Ombrotipo Tipo Térmico media anual (ºC) de un clima más húmedo en todo el litoral, al permitir la influencia de los frentes húmedos de Poniente. En las vertientes mediterráneas de los Pluviestacional Termomediterráneo Seco Templado19.2 -oceánico inferior cálido sistemas béticos, la mayor aridez se combina consuperior lluvias torrenciales que desaguan a través de ramblas, secas la mayor parte del año. El abrigo de las sierras litorales responsables del efecto Foehn, permite que se alcancen aquí las temperaturas medias más suaves de la región. Un factor de gran importancia que ha favorecido, por ejemplo, la adaptación de muchas plantas subtropicales, o el crecimiento de asentamientos de carácter turísticos en la zona (Junta de Andalucía 2016). Málaga tiene

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Sevilla Aeropuerto

608.6

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Temperatura media anual (ºC)

Bioclima

Termotipo

Ombrotipo

Tipo Térmico

Córdoba Aeropuerto

630.2

18.2

Pluviestacional -oceánico

Termomediterráneo inferior

Seco superior

Templadocálido

Figura 3.18 Distribución y frecuencia media de los vientos en Málaga (archivo climático Autodesk Revit)

Figura 3.19 Rosa de los vientos en Málaga. Distribución de velocidades (archivo climático Autodesk Revit)

Figura 3.20. Climograma de Málaga (Climate-Data.org 2015).

122

Capítulo 3. Marco Climático

una media de 2.901 horas de sol anuales. El valor máximo corresponde a julio, con 354 horas, y el mínimo a diciembre, con 167 horas. Los vientos dominantes son del S y del SE con velocidades poco elevadas en general. El valor medio de las velocidades alcanzadas por las rachas máximas anuales del viento es de 83 Km/h. La presión media es de 760,6 mm. Como consecuencia el clima de Málaga es muy templado en invierno, con temperaturas mínimas muy suaves. Los veranos son moderados por la cercanía de la ciudad al mar. La baja precipitación se materializa en un promedio anual de 469,2 mm. Las mayores precipitaciones se producen entre noviembre y marzo, siendo el verano muy seco. En el año se registran, por término medio, 70,9 días de lluvia (Ayuntamiento de Málaga 2015). Comprobamos que aunque en verano las medias máximas son considerables, las temperaturas medias son bastante templadas durante todo el año. Atendiendo al objetivo del trabajo, esto podría indicar que si evitamos el sobrecalentamiento y utilizamos profusamente la ventilación natural, podría climatizarse de forma pasiva la mayor parte del año. Otra característica importante que se encuentra en estos climas mediterráneos es la diferencia de temperaturas máximas y mínimas que suelen corresponder con las temperaturas diurnas y nocturnas. Es especialmente importante en verano con diferencias entre las medias máximas y mínimas de 10ºC en Julio y Agosto. En el caso de ciudades que no tienen la influencia del mar, estas diferencias entre el día y la noche son mucho más extremas. Esto implica que una estrategia bioclimática que contemple la refrigeración nocturna sería una forma eficiente de diseño de la edificación. Por tanto edificaciones que permitan este contacto con el aire exterior, con suficiente fachada con huecos en distintas orientaciones, con patios que colaboren con esta estrategia serían las idóneas en esta ciudad.

Figura 3.21 Distribución mensual de temperaturas medias en Málaga (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.22 Distribución anual de las temperaturas en Málaga. (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.23 Distribución mensual media de la humedad relativa en Málaga. Distribución de velocidades (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.24 Media mensual de la radiación en Málaga (archivo climático Autodesk Revit)

Figura 3.25 Principales parámetros climáticos en Málaga (AEMET).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

123

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Temperatura Bioclima 3.2.2. Clima en Sevilla.Termotipo Zona climáticaOmbrotipo B4. media anual (ºC)

Málaga Ciudad

510.6

18.5

Pluviestacional -oceánico

Termomediterráneo inferior

Seco inferior

Templadocálido

igura 3.26 Principales características climáticas de Sevilla (Valle 2004).

Tipo Térmico

Este clima es considerado Csa según la clasificación climática de Köppen-Geiger (Climate-Data.org 2016). La Red de Información Climática de la Junta de Andalucía integra a Sevilla dentro de la región climática de la Depresión del Guadalquivir con un tipo de clima Mediterráneo Continental (Junta de Andalucía 2016). Atendiendo a la clasificación de Rivas Martínez que pormenoriza las características

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Temperatura media anual (ºC)

Bioclima

Termotipo

Ombrotipo

Tipo Térmico

Sevilla Aeropuerto

608.6

19.2

Pluviestacional -oceánico

Termomediterráneo inferior

Seco superior

Templadocálido

del clima mediterráneo para las distintas localidades de Andalucía, tenemos la siguiente caracterización bioclimática de Córdoba resumida en el siguiente cuadro de la figura 3.26.

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Córdoba

92 630.2 Figura 3.27 Aeropuerto Distribución y frecuencia media de los vientos en Sevilla (archivo climático Autodesk Revit).

Los parámetros climáticos están resumidos gráficamente en las figuras 3.27-3.34. Las temperaturas se caracterizan por ser elevadas con una Temperatura Bioclima Termotipo Ombrotipo Tipo Térmico media anual media anual (ºC) de 19,2ºC. Existen moderadas oscilaciones termométricas entre periodo frío y cálido: Los inviernos resultan suaves, con Termomediterráneo temperaturas Pluviestacional mínimas medias no inferiores a Seco los 5ºC, y Templadolos veranos 18.2 -oceánico inferior superior cálido muy cálidos o tórridos, secos en general y de gran extensión en el tiempo (las temperaturas máximas extremas se pueden dar desde el mes de mayo al mes de septiembre). De todas formas, la evolución hora tras hora de las temperaturas nos puede ofrecer más información

Figura 3.28 Rosa de los vientos en Sevilla. Distribución de velocidades (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.29 Climograma de Sevilla (Climate-Data.org 2015).

124

Capítulo 3. Marco Climático

de las características climáticas y es más valiosa para el análisis de la eficiencia y el confort en los edificios que las medias de temperaturas diarias (Capítulos 6, 7 y 8 de la presente tesis). Sevilla es junto a Córdoba, una de las capitales de provincia más cálidas de la península ibérica debido a su temperatura media en periodo estival, en donde se pueden alcanzar temperaturas máximas que de promedio superan los 33-37ºC (sobre todo en los meses de julio y agosto). Se superan los 32ºC absolutos unas 70 jornadas de promedio al año, y llegar a los 40ºC no resulta especialmente singular en un verano en Sevilla capital, de hecho se puede alcanzar este valor de entre 1 y 6 veces en diferentes jornadas durante un verano promedio. Se han alcanzado records muy singulares de hasta 47,4ºC de temperatura máxima (en Sevilla-Tablada, Ola de Calor de agosto de 1946) (Rivas 2015). Se observa que las temperaturas medias suben especialmente porque las máximas medias en verano son más altas. Pero ahora la diferencia entre las medias de las temperaturas máximas, que suelen ser diurnas, y las medias de las mínimas que suelen ser nocturnas, ha aumentado considerablemente. El aumento es especialmente notable en los meses de verano con diferencias entre máximas y mínimas de más de 15ºC. Esto significa que la eficacia de una buena ventilación nocturna en los edificios es aún mayor. La necesidad de estos diseños se hace más acuciante y la forma urbana responde a esto con manzanas de edificaciones muy perforadas por multitud de pequeños y profundos patios.

Figura 3.30 Distribución mensual de temperaturas medias en Sevilla (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.31 Distribución anual de las temperaturas en Sevilla. (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.32 Distribución mensual media de la humedad relativa en Sevilla (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.33 Media mensual de la radiación en Sevilla (archivo climático Autodesk Revit)

Figura 3.34 Principales parámetros climáticos en Sevilla (AEMET).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

125

3.2.3. Clima en Córdoba. Zona climática B4

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Temperatura media anual (ºC)

Málaga Ciudad

510.6

Este 18.5

Figura 3.35 Principales características climáticas de Córdoba (Valle 2004).

Bioclima

Termotipo

Ombrotipo

Tipo Térmico

Seco Templadoclima esPluviestacional considerado Termomediterráneo Cwa según la clasificación climática de -oceánico inferior inferior cálido Köppen-Geiger (Climate-Data.org 2014). Al igual que en Sevilla el clima de Córdoba se puede incluir dentro de la región climática de la Depresión del Guadalquivir con un tipo de clima Mediterráneo Continental (Junta de Andalucía 2016). Según la clasificación de Rivas Martínez tenemos la siguiente caracterización bioclimática de Córdoba resumida en el siguiente cuadro (fig. 3.35).

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Temperatura media anual (ºC)

Bioclima

Termotipo

Ombrotipo

Tipo Térmico

Sevilla Aeropuerto

608.6

19.2

Pluviestacional -oceánico

Termomediterráneo inferior

Seco superior

Templadocálido

Estación

Altitud (m).

Precipitación anual (mm)

Córdoba

92 630.2 Figura 3.36 Aeropuerto Distribución y frecuencia media de los vientos en Córdoba (archivo climático Autodesk Revit).

Los parámetros climáticos están resumidos gráficamente en las figuras 3.36-3.43. En Córdoba vemos de forma extrema las características del clima Mediterráneo. Tiene medias máximas aún más altas en verano que las de Sevilla. Sin embargo cabe destacar que las medias anuales son algo más frescas que las de Sevilla. De hecho es sorprendente que la media anual de temperaturas con 18.2 (AEMET. Gobierno de Temperatura Tipo Térmico media anual (ºC) España 2016)Bioclima es más baja Termotipo que la de Málaga Ombrotipo con 18.3. Esto podría dar la falsa impresión de que Córdoba es una ciudad algo más fresca Pluviestacional Termomediterráneo Seco Templado18.2 que Málaga lo que para cualquiera que conozca ciudades -oceánico inferior superiorambas cálido sería increíble. Este dato se explica porque las diferencias entre las temperaturas nocturnas y diurnas en Córdoba son aún más extremas

Figura 3.37 Rosa de los vientos en Córdoba. Distribución de velocidades (archivo climático Autodesk Revit) Figura 3.38 Climograma de Córdoba (Climate-Data.org 2015).

126

Capítulo 3. Marco Climático

que en Málaga y Sevilla. En Julio se llega a la considerable diferencia de 17,9 entre las medias de las mínimas y las máximas lo que baja la media de temperaturas lo que es un dato de gran interés que caracteriza el clima en la ciudad. Por tanto, aquí que la ventilación nocturna sería algo vital no solo para conseguir una mejor eficiencia energética sino para el funcionamiento razonable de cualquier edificio. Por eso la ciudad, se vuelve literalmente hacia sus patios como más adelante podremos ver al analizar su arquitectura (Capítulo 4 y 6).

Figura 3.39 Distribución mensual de temperaturas medias en Córdoba (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.40 Distribución anual de las temperaturas en Córdoba. (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.41 Distribución mensual media de la humedad relativa en Córdoba (archivo climático Autodesk Revit).

Figura 3.42 Media mensual de la radiación en Córdoba (archivo climático Autodesk Revit)

Figura 3.43 Principales parámetros climáticos en Córdoba (AEMET).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

127

128

CapĂtulo 3. Marco ClimĂĄtico

3.3. Comparación con climas más fríos

El objeto del presente trabajo se circunscribe al ámbito de clima mediterráneo. Pero para poner de manifiesto las características climáticas de los lugares estudiados es clarificador compararlo con otros distintos. De esta forma podremos establecer relaciones entre diferencias climáticas y variedades de formas arquitectónicas. Por esta razón se describe a continuación muy brevemente algunas particularidades significativas de climas más septentrionales y fríos. Por ejemplo, podemos señalar que de acuerdo a la clasificación climática de Köppen, Santiago de Compostela tiene un clima oceánico de verano suave de tipo Csb (Climate-Data.org 2013). Atendiendo a la de Miller sería Templado-Frío con influencia oceánica por tanto sería un C1 Clima Marítimo. Según la clasificación de Rivas Martínez, estaríamos dentro de la Iberia Verde, ante un Clima Centro Europeo Occidental de tipo Oceánico o Hiperoceánico según la última versión de la clasificación del año 2011 (Rivas-Martínez et al. 2011). En estos tipos de climas, las condiciones se ven afectadas, como su nombre indica, por la influencia del mar por lo que los inviernos son más suaves que los de clima continental y los veranos no son tan cálidos como los mediterráneos (fig. 3.44). En este sentido, es destacable que las mínimas en verano son más

Figura 3.44 Principales parámetros climáticos en Santiago de Compostela (AEMET).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

129

frescas que las de Viena con clima continental como veremos. A cambio en invierno la temperatura mínima media tampoco baja de los 0ºC, mientras que en Viena se desploman por debajo de -3ºC.

Figura 3.45 Climograma de Santiago de Compostela (ClimateData.org 2015).

Figura 3.46 Climograma de Viena (Climate-Data.org 2015).

Figura 3.47 Climograma de Oslo (Climate-Data.org 2015).

130

De todas formas, a pesar de ser un clima relativamente templado, teniendo en cuenta el balance energético anual de una vivienda, se puede decir que en comparación con los climas mediterráneos, el factor más importante a tener en cuenta en climas como el de Santiago de Compostela es el frío (fig. 3.45). Veremos que esto implica que la eficiencia de sus edificaciones mejorará adoptando estrategias bioclimáticas de invierno destinadas a evitar la pérdida de calor como por ejemplo disminuyendo el factor de forma. Por ello los patios no son tan característicos ni frecuentes de su arquitectura. En la definición su forma urbana esto será un factor importante. Se trae ahora como ejemplo de clima continental centroeuropeo, muy diferente del mediterráneo, el de la ciudad de Viena en Austria con la idea de hacer más explícitas las comparaciones (fig. 3.46). La clasificación del clima de Köppen-Geiger es Cfb (Climate-Data.org 2012). Con temperaturas medias máximas de 24 grados en verano, en invierno las máximas apenas superan los 0ºC alcanzando las medias mínimas los -3.8ºC. Por ello, de una forma más intensa que en el caso de Santiago de Compostela, en esta ciudad el principal factor climático a la hora de diseñar los edificios debe ser el frío. Por tanto es evidente que sus edificaciones estarán preparadas mejor para un invierno más severo con estrategias que impidan la pérdida de calor y maximicen la captación de la preciada radiación solar propiciando el sobre calentamiento de los interiores. El estudio de su forma urbana que se mostrará más adelante confirmará esta hipótesis especialmente en lo referido a los patios. Por último, para terminar de visualizar los contrastes, se puede señalar un clima como el de Oslo (fig. 3.47). Cabe destacar que la influencia del mar y especialmente de la Corriente del Golfo modera la severidad del clima invernal que correspondería a esta latitud. De todas formas Oslo representa un caso claro de clima continental húmedo septentrional con temperaturas medias mínimas que en inverno alcanzan los -15.3ºC. Según la clasificación de Köppen se trataría de un clima Dfb. La influencia de la Corriente del Golfo mencionada hace que los veranos se caractericen por temperaturas superiores a los 20ºC de máximas medias. Debido a su latitud tan septentrional, las horas e intensidad de la radiación juegan un papel Capítulo 3. Marco Climático

muy importante tanto en el confort exterior como en el balance energético de los edificios. En invierno la duración del día llega a ser de 6 horas mientras que en verano alcanza las 18. El recorrido del sol en el cielo también es muy significativo comparado con otras latitudes alcanzando en el solsticio de invierno una altura sobre el horizonte de sólo 6,8º y en el de verano 53,5º. Por comparación en Sevilla la altura del sol en el solsticio de invierno es de 29,17º y en verano de 76,05º. Estos diferentes ángulos de incidencia de la radiación solar podrían reflejarse en distintas estrategias en la forma de los edificios y en la geometría de sus patios como veremos más adelante al contemplar la característica morfología de los patios de Oslo.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

131

3.4. Conclusiones Exceptuando las más severas zonas polares o desérticas, el hombre se ha ido asentando y ha construido sus arquitecturas en los más variados climas. La complejidad en su clasificación nos advierte de la diversidad existente en sus características climáticas especialmente a medida que reducimos la escala temporal y geográfica. Las clasificaciones basadas sólo en índices generales que son medias temporales como la media anual de las temperaturas, nos ofrecen muy poca información real sobre las características reales de los climas. Las medias de temperaturas diarias, mensuales o anuales no son representativas de las condiciones reales de los climas como los mediterráneos. Como hemos visto, la media de temperaturas anuales en Málaga con 18,5ºC es superior a la de Córdoba con 18,2ºC lo que no quiere decir que Córdoba sea una ciudad caracterizada por un clima más fresco que Málaga. Sólo al descender y observar de manera detallada la distribución en el tiempo de las temperatura a lo largo de los meses, de los días y especialmente las diferencias entre las distintas horas del día y la noche, podremos caracterizar y entender el comportamiento climático de una zona. En Córdoba las diferencias de temperatura entre el día y la noche son especialmente grandes por la componente continental que afecta a su clima mediterráneo característica que destaca si la comparamos con el clima mediterráneo subtropical de Málaga con diferencias menores. De igual forma, la clasificación climática general de una región puede no suministrar suficiente información para caracterizar bien el clima en una localidad concreta dentro de esa región. Como hemos visto características geográficas como la presencia del mar o la altitud afectan severamente las características climáticas. En este sentido se puede observar, por ejemplo, cómo las temperaturas medias del mes de abril en Andalucía se relacionan estrechamente con la orografía de la región modificando considerablemente el marco climático general. Otro ejemplo significativo de esto es que la localidad con más alta pluviosidad de España no está en Galicia sino sorprendentemente en Andalucía. Se trata de la Sierra de Grazalema en Cádiz donde debido al efecto Foehn propiciado por los vientos dominantes que entran del suroeste por el valle del Guadalquivir, se producen frecuentes precipitaciones en las laderas noroeste (fig. 3.48). El mismo efecto que colabora al benigno microclima y baja pluviosidad en la Costa del Sol, al otro lado de estas cadenas montañosas que limitan el valle del Guadalquivir. 132

Capítulo 3. Marco Climático

Por tanto, a la hora de entender las condiciones reales del clima en una localidad, habrá que hablar siempre de microclima. Pues puede que estas condiciones sean muy diferentes en una localidad que en la vecina situada en la costa, al otro lado de la montaña o en la cima de ésta. En este sentido hemos visto como la vida, en su necesidad de adaptación al medio, es el índice más fiable para caracterizar estos microclimas. Podemos definir bien la extensión y las características del microclima típico de Grazalema observando la existencia y distribución del pinsapo, especie de abeto, una de las bioindicadoras de la zona. Como ser vivo, el hombre, su cultura y su arquitectura pueden ser también considerados como fenómeno natural según vimos en el Capítulo 1. La tecnología y la cultura tradicional son factores a tener en cuenta que más que separarnos del medio tratan de adaptarse a un entorno para garantizar la supervivencia (Givoni 1969). En este sentido podrían detectarse bioindicadores en determinados aspectos de nuestra cultura arquitectónica que revelen esta adaptación climática. Es razonable, por tanto, buscar diferencias locales en las características arquitectónicas que pueda responder a especificidades microclimáticas además de a las socioculturales. En el contexto de esta investigación, se puede considerar la existencia, dimensión y forma de los patios como un “bioindicador cultural microclimatico” al evidenciar, como ocurre con las especies vivas, una probable adaptación a un determinado clima en forma de característica arquitectónica.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 3.48 Precipitaciones medias en Noviembre en Andalucía. Red de Información Ambiental en Andalucía. Visor del Subsistema CLIMA . Junta de Andalucía.

133

ESTUDIO DE PATIOS HISTÓRICOS 4. DIMENSIONAL ESTUDIO DIMENSIONAL DE PATIOS HISTÓRICOS

Figura 4.0 Portada de capítulo. Palacio de Mañara. Sevilla. Siglo XVII. Ejemplo de patio profundo mediterráneo.

136

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

La variedad de geometrías en los patios es muy difícil de abarcar pues su existencia responde a muy diversas circunstancias que han sido relacionadas con la cultura, la sociedad, las particularidades del propietario o el arquitecto que las produjo. Pero existen similitudes relacionadas en algún contexto que hace pensar en su posible clasificación. Puede haber muchos criterios diferentes para clasificar los patios. Por estilo arquitectónico (gótico, renacimiento, etc…), por uso (público, privado, residencial, dotacional, etc…), por ubicación geográfica (por países, regiones, culturas, etc…). Las clasificaciones son útiles cuando ponen de manifiesto alguna característica real no evidente del objeto de estudio que permite entenderlo mejor y justifica la elección de un determinado criterio de clasificación. Por ello previamente es necesario explicitar que se está buscando con la clasificación elegida. El patio se ha estudiado como una estrategia bioclimática para condiciones de verano en climas cálidos o templados (Neila González 2004). Sin embargo se constata la existencia de patios en climas cálidos, templados pero también en algunos fríos. El presente trabajo quiere indagar en la posibilidad de la existencia de alguna característica física cuantificable que los distinga respondiendo a su diferente contexto climático. Esto podría ofrecernos algunas claves de su comportamiento termodinámico. Para afrontar sistemáticamente el problema nos centraremos en este capítulo en los factores geométricos y dimensionales por existir estudios que relacionan directamente estas características con el comportamiento microclimático de los patios (Yang et al. 2013; Almhafdy et al. 2013; RojasFernández et al. 2012). Otros criterios como el estilo arquitectónico o el uso del patio, no los subrayaremos en exceso en esta fase si no vienen aparejados de consecuencias que puedan afectar al comportamiento térmico de los patios. Por ahora se trata de entender procesos puramente físicos. Se estudiará el tamaño absoluto de los patios como posible factor a tener en cuenta. También la profundidad o relación dimensional entre la achura y la altura. Por último se vinculará estos factores con el contexto climático donde se levantan cada uno de los patios para obtener algún indicio que puedan relacionarlos con el comportamiento microclimático de los mismos. Sin embargo la arquitectura no es sólo un mecanismo físico. Existe por y para el hombre. En el Capítulo 9, al hablar de confort térmico de las personas (que es la cuestión realmente más importante de todas) los temas culturales, sociológicos e incluso psicológicos cobrarán importancia para entender de manera más completa el complejo e importante papel del patio en el comportamiento energético de los edificios. Termodinámica del Patio Mediterráneo

137

Figura 4.1 Vista aérea del centro de Écija, Sevilla (Google Earth)

Figura 4.2 Vista aérea del centro de Santiago de Compostela (Google Earth)

138

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.1. Prevalencia y factor tamaño de los patios y la estructura urbana

La diferencia entre la prevalencia y los tamaños de los patios de distintas ciudades es considerable (fig. 4.1-4.2). Es difícil no tener en cuenta este factor cuando se compara por ejemplo un pequeño patio de arquitectura popular mediterránea con otro representativo de un gran palacio europeo. Los patios de manzana pueden alcanzar la dimensión de plaza pública. Por ser un hecho físico significativo que podría tener consecuencias térmicas se estudiará esta característica dimensional. Pero al igual que se ha explicado con los climas, una clasificación en base a tamaños puede constar de innumerables escalones pues la variabilidad es muy grande y su casuística gradual lo que hace que una clasificación exhaustiva sea difícil y de dudosa utilidad. Para los fines de esta investigación podría ser suficiente diferenciar de forma genérica entre patios de gran escala como los representativos de la arquitectura palaciega o de manzana y de pequeña escala como los habituales de la arquitectura doméstica popular mediterránea. Al tratar los patios de pequeña escala, hay que subrayar que las normativas españolas como la del Código Técnico de la Edificación impone unos límites a sus dimensiones mínimas (Gobierno de España 2006a). Así el DBHS-3 en su aparatado 3.2.1 recoge:

En ausencia de norma urbanística que regule sus dimensiones, los espacios exteriores y los patios con los que comuniquen directamente los locales mediante aberturas de admisión, aberturas mixtas o bocas de toma deben permitir que en su planta se pueda inscribir un círculo cuyo diámetro sea igual a un tercio de la altura del cerramiento más bajo de los que lo delimitan y no menor que 3 m (Gobierno de España 2006a). Por tanto, si no hay normativa urbanística, la dimensión mínima de los patios que iluminan y ventilan las piezas principales es en los nuevos proyectos de 3 metros. Esta dimensión mínima puede llegar hasta los 2 metros en el caso de patios para uso exclusivo de ventilación Termodinámica del Patio Mediterráneo

139

Norma

Uso interior

Diámetro círculo mínimo (Ømin)

CTE

Todos

H/3 3m

Sólo dormitorios

0,3 x H 3m

H2/8 12 m2

Cocina sin dormitorios

0,2 x H 3m

H2/10 12 m2

Sin cocina ni dormitorios

0,15 x H 3m

H2/20 9 m2

Habitable sin cocina

H/3 3m

Cocinas

H/4 3m

No habitables

H/5 3m

Dormitorios

9 m2

2,5 m

6 m2

1,8 m

0,9 m2

VPO

PGOU Madrid

VPO Cataluña

PGOU Barcelona

VPO País Vasco

Cocinas, baños y escaleras Cajas de escaleras y cámaras higiénicas Todos

H/7 2m

Condiciones

Smin = 9 + 1,8 x (H/3 – 3) si H > 9 m Smin = 6 + 0,9 x (H/3 – 3) si H > 9 m Smin = 1,8 + 0,1 x (H/3 – 3) si H > 9 m

5 m2

si H ≤ 6 m

2 x H/3 + 1

si 6 m < H ≤ 21 m

17 m2

si H > 21 m

Sólo estar y/o comedor

Dormitorios y cocinas

H 3m

Baños

3·H/20 3m

Escaleras

3·H/20 2m

Todos

25 m2

Ømin = (H/2 – 9) + 5 si H > 18 m

9 m2

si H < 20 m

PGOU Bilbao Baños y escaleras

4m 5m

140

Superficie mínima (Smin)

si 20 m < H < 24 m

si H > 24 m

16 m 25 m

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Norma

Uso interior

Diámetro círculo mínimo (Ømin)

Superficie mínima (Smin)

VPO Andalucía

Todos

12 m2

Sin cocinas

H/3 3,3 m

Sólo cocinas

H/4 3m

Patios de ventilación

H/5 2m

PGOU Sevilla

No habitable

H/7 2m

PGOU Córdoba

Habitable

Escaleras y garajes

No habitable

H/4 3m

H/3 3m

H/7 2m

Condiciones

Smin = 5

si nº Plantas ≤2

Smin = 7

si nº Plantas = 3

Smin = 9

si nº Plantas = 4

Smin = 11

si nº Plantas = 5

Smin = 15

si nº Plantas > 5

Smin = 9

si nº Plantas ≤2

Smin = 10,5 si nº Plantas = 3 __

Smin = 12,5 si nº Plantas = 4 Smin = 16

si nº Plantas = 5

Smin = 20

si nº Plantas > 5

Smin = 5

si nº Plantas ≤2

Smin = 7

si nº Plantas = 3

Smin = 9

si nº Plantas = 4

Smin = 11 si nº Plantas = 5

PGOU Málaga

Smin = 15 si nº Plantas > 5 Smin = 16 si nº Plantas ≤2 Habitable

H/3 4m

Smin = 16 si nº Plantas = 3 __

Smin = 18 si nº Plantas = 4 Smin = 27 si nº Plantas = 5 Smin = 39 si nº Plantas > 5

Fuente: CTE, Normativas VPO Estatal, de Cataluña, País Vasco y Andalucía, Planes generales de ordenación urbana de Madrid, Barcelona, Bilbao, Sevilla, Córdoba, Málaga. Cuadro modificado y ampliado a partir de investigaciones previas (Padilla-Marcos et al. 2015).

Figura 4.3 Tabla de los tamaño de los patios según varias normativas españolas. Fuente: CTE, Normativas VPO Estatal, de Cataluña, País Vasco y Andalucía, Planes generales de ordenación urbana de Madrid, Barcelona, Bilbao, Sevilla, Córdoba, Málaga. Cuadro modificado y ampliado a partir de investigaciones previas (Padilla-Marcos et al. 2015).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

141

en normativas como la de Barcelona, Málaga, Córdoba o Sevilla. Las determinaciones dimensionales de las normativas españolas están basadas tanto en criterios higienistas herederos de las normativas europeas (Troitiño Vinuesa & García Marchante 1998), como en una valoración de lo que es usual o tradicional en ciudades mediterráneas. También influye la tradición de las propias normativas que desde hace tiempo vienen recogiendo medidas parecidas y que son tomadas como bases en las nuevas reglamentaciones a veces de manera literal. Al contemplar la estructura urbana de patios en determinadas partes de la ciudad, cabe preguntarse si esta es causa o consecuencia de la normativa urbanística. La edad de la edificación o de su última reforma podría ser un dato vital para resolver esta cuestión.

Figura 4.4 Detalle del Centro Histórico de Sevilla procesado mediante el programa QGIS para la localización de patios y su cuantificación.

La normativa urbanística de los municipios españoles suelen regular de manera muy precisa la dimensión tanto de los patios de ventilación (a las que dan piezas de uso no habitual como cocinas o baños) como de luces (a las que dan piezas habitables como dormitorios o salones), respondiendo a la importancia que este espacio tiene en la arquitectura del país. Un ejemplo lo tenemos en el Plan General de Ordenación Urbana (PGOU) de Sevilla que es extensible al resto de capitales andaluzas (Ayuntamiento de Sevilla 2007). En el PGOU de Córdoba, los patios de luces tienen limitadas sus dimensiones mínimas a 3m y los de ventilación a 2m (Ayuntamiento de Córdoba 2001). También en este PGOU se limita la superficie mínima de los patios. En el PGOU de Málaga, se limita la dimensión mínima del patio de luces al que dan dormitorios o salones a 4m (Ayuntamiento de Málaga 2011). Si sólo sirven a cocinas, pueden tener como mínimo 3m y si son patios de ventilación a 2m. Además se limita las superficies mínimas de ambos tipos de patios.

Figura 4.5 Detalle del Centro Histórico de Sevilla procesado mediante el programa QGIS para la localización de patios y su cuantificación.

142

Es significativo subrayar que como muestra el cuadro resumen de la figura 4.3, las superficies mínimas especificadas para los distintos tipos de patios de Málaga son mayores que las precisadas en el caso de Córdoba o Sevilla. La mínima superficie especificada en el PGOU de Málaga para los patios principales a los que dan dormitorios y/o salones (habitables) es de 16 m2 y en el caso de Córdoba de 9 m2. Esto quiere decir que la normativa urbanística permite los patios cordobeses ser más pequeños respondiendo quizá a una realidad cultural, histórica o climática por las que sus dimensiones solían ser más pequeñas. La posible adaptación climática de los patios se observa mejor en la arquitectura tradicional que no es consecuencia de leyes o normativa Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

ODOLGÍA

gráfica (SIG) de

efile entre Catastro

urbanística sino fruto de la prueba y el error de la sociedad en su relación con el medio. Como dijimos, saber si los patios actuales en nuestras ciudades son causa o consecuencia de estas normativas es difícil y un estudio estadístico de los cascos históricos tradicionales de las ciudades podría ayudarnos. Para obtener un conocimiento más preciso de las dimensiones predominantes en los patios dentro de los cascos históricos, el autor de la presente tesis ha participado como investigador contratado en el proyecto MORE PATIO MTM2015-64577-C2-1-R del Plan Nacional de I+D+I del Ministerio de Economía y Competitividad de España. Ayudado por información catastral, software SIG (Sistemas de Información Geográfica) (fig. 4.4-4.6) y tratamiento estadístico de los datos, en esta investigación gracias a la capacidad informática actual en el proceso de gran volumen de información, se analiza de forma masiva y pormenorizada la totalidad de los patios de los centros históricos de varias ciudades españolas. Se estudia sólo los cascos históricos por entender que su forma urbana es más cercana a la tradicional y menos mediatizada por planes de ordenación, normativas actuales o procesos contemporáneos de generación de ciudad. Aun así, hay gran heterogeneidad y considerables diferencias en la edad media de la edificación entren los cascos históricos de diferentes ciudades, así como grandes diferencias en el tamaño de los mismos que hacen difícil una lectura directa y rápida de los datos. El casco de Córdoba o Sevilla (fig. 4.11 - 4.12) es considerablemente más grande que el de Santiago de Compostela (fig. 4.14) por ejemplo, y sus construcciones suelen ser más antiguas que las de Zaragoza. Representamos a la misma escala una muestra de los diferentes cascos estudiados para evidenciar la

Figura 4.6 Aplicación del programa de Sistema de Información Geográfica de Códogo Libre QGIS al estudio estadístico de los patios en distintas ciudades Españolas.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

143

Figura 4.7 Detalle del Centro Histórico de Córdoba procesado mediante el programa QGIS para la localización de patios y su cuantificación. En rojo, el edificio cuyo patio ha sido estudiado y monitorizado durante tres años (Capítulo 6). Compárese con la estructura urbana de Zaragoza en la página siguiente.

144

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Figura 4.8 Detalle del Centro Histรณrico de Zaragoza procesado mediante el programa QGIS para la localizaciรณn de patios y su cuantificaciรณn.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

145

Leyenda Leyenda

CORDOBA CORDOBA

PARCELA_POROSIDAD [4625] PARCELA_POROSIDAD [4625] OROSIDAD [4625] 0.0 - 0.0 [61] 0.0 - 0.0 [61] 0.0000 - 0.2000 [125] 0.0000 - 0.2000 [125] 0.2000 - 0.4000 [133] 0.2000 - 0.4000 [133] 0.4000 - 0.6000 [298] 0.4000 - 0.6000 [298] 0.6000 - 0.8000 [1064] 0.6000 - 0.8000 [1064] 0.8000 - 1.0000 [2944] 0.8000 - 1.0000 [2944] Límite de Centro Histórico Límite de Centro Histórico

[61]

- 0.2000 [125]

- 0.4000 [133]

- 0.6000 [298]

- 0.8000 [1064]

- 1.0000 [2944]

e Centro Histórico

Q_GIS

Cordoba_B4 Patios, áreas, moda (CONSTRU)

250 0

250

0 500

250 750

250

500

1000 m

PROYECTO MORE_PATIO

750

1000 m 1000 m

PROYE P PROYECTO MORE_PATIO

PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE E PERMEABILIDAD: CORDOBARELACION E PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS.

CORDOBA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS.

Figura 4.9 Centro Histórico de Córdoba procesado para la localización de las parcelas con distinta proporción de patio.

146

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Leyenda

CORDOBA

PARCELA PARCELA Espacio Público [1] Espacio Público [1] Patio Int Cota +1 [2343] Patio Int Cota +1 [2343] Patio Int Cota -1 [1022]

343] ] 22] [2343] 0] 1022] tórico 750]

Patio Int Cota -1 [1022] Patio Int cota 0 [4750] Patio Int cota 0 [4750] Límite de Centro Histórico Límite de Centro Histórico

istórico

250 250

500 500

PATIOS

CORDOBA

Intervalos 0,0 0‐1 1 ‐ 5 5 ‐ 10 10 ‐ 15 15 ‐ 20 20 ‐25 25 ‐30 30 ‐35 35 ‐40 40 ‐45 45 ‐ 50 50 ‐ 55 55 ‐ 60 60 ‐ 70 70 ‐ 80 80 ‐ 90 90 ‐ 100 100 ‐ 110 110 ‐ 120 120 ‐ 140 140 ‐ 160 160 ‐200 200 ‐300 300 ‐500 500‐1000 1000 ‐ 3000 >3000

RESULTADOS ‐ ‐ 250,00 2.134,00 1.794,00 872,00 558,00 410,00 288,00 226,00 209,00 167,00 132,00 118,00 178,00 144,00 100,00 75,00 72,00 55,00 76,00 44,00 64,00 71,00 42,00 26,00 9,00 ‐ 8.114,00

750 750

250

1000 m

250

500PROYECTO750 1000 m MORE_PATIO 250 0 250 CORDOBA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS.

PROYECTO MORE_PATIO

1000 m

CORDOBA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS.

Figura 4.10 Distribución de tamaños de patios en Córdoba y localización de los tamaños más frecuentes.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 4.11 Centro Histórico de Córdoba procesado para la localización de los distintos tamaños de patios.

147

500

Leyenda

Sevilla Leyenda

Sevilla

PARCELA Espacio Publico [1]

Limite Centro Historico PARCELA

blico [1]

Patio Int Cota Espacio Publico [1] +1 [4504]

tro Historico

Int Historico Cota -1 [986] LimitePatio Centro

ota +1 [4504]

Int Cota +0 [8049] Patio Patio Int Cota +1 [4504]

ota -1 [986]

Patio Int Cota -1 [986]

ota +0 [8049]

Patio Int Cota +0 [8049]

250

250 250

500 0

250

750 250

500

1000 500 m

750

1000 m

SEVILLA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS.

148

SEVILLA

RESULTADOS ‐ ‐ 1.242,00 4.642,00 2.676,00 1.096,00 674,00 468,00 401,00 277,00 255,00 204,00 158,00 142,00 208,00 172,00 127,00 99,00 91,00 60,00 102,00 77,00 103,00 145,00 78,00 32,00 10,00 ‐ 13.539,00

PERMEABILIDAD: RELACION ENT

PROYECTO MORE_PATIO

PROYE

SEVILLA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS. PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE E

1000 m

PROYECTO MORE_PATIO

Figura 4.12 Centro Histórico de Córdoba procesado para la localización de los distintos tamaños de patios.

PATIOS

Figura 4.13 Distribución de tamaños de patios en Sevilla y localización de los tamaños más frecuentes.

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Leyenda

Leyenda Leyenda

santiago

santiago Sevilla

ARCELA

mite de Centro Histórico

spacio Público

atio Int Cota +1 [331] istórico atio Int Cota +0 [744]

PARCELA

PARCELA PARCELA

Límite de Centro Histórico

Límite de Centro[1] Histórico Espacio Publico

Espacio Público

Espacio Público Limite Centro Historico

Patio Int Cota +1 [331]

Patio Int Int Cota Cota +1 +1 [4504] [331] Patio

Patio Int Cota +0 [744]

Patio Int Int Cota Cota -1 +0[986] [744] Patio

Patio Int Cota -1 [21]

Patio Int Int Cota Cota +0 -1 [21] Patio [8049]

atio Int Cota -1 [21] [331]

[744]

21]

250

500

PATIOS

SANTIAGO DE C.

RESULTADOS ‐ ‐ ‐ 215,00 134,00 87,00 79,00 48,00 44,00 25,00 26,00 17,00 14,00 14,00 21,00 24,00 18,00 9,00 16,00 19,00 24,00 14,00 19,00 30,00 19,00 12,00 1,00 ‐ 929,00

500

750

250 1000 m

250

MORE_PATIO 250m 500 00PROYECTO1000 250 500 750 SANTIAGO DE COMPOSTELA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS. 250 250 500

PROYECTO MORE_PATIO

1000 m

SANTIAGO DE COMPOSTELA PERMEABILIDAD: RELACION ENTRE EDIFICACION Y PATIOS.

Figura 4.14 Distribución de tamaños de patios en Santiago de Compostela y localización de los tamaños más frecuentes.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 4.15 Centro Histórico de Santiago de Compostela procesado para la localización de los distintos tamaños de patios.

149

gran variedad de tamaños y estructura (fig.4.9-4.15) en donde los patios juegan diferentes papeles. La planimetría de los centros históricos, nos permite apreciar también la muy distinta morfología urbana de ciudades como Córdoba o Sevilla por un lado y Santiago de Compostela o Zaragoza por otro. La traza de origen árabe de las primeras, con trazado tortuoso de las calles entre grandes manzanas de formas irregulares (Torres Balbás 1971) es diferente a las de las segundas con trazados de distinto origen en los que, en el caso de Zaragoza, todavía se observa la influencia romana (Artbta 1988). No obstante, podemos apreciar ciertos patrones que pueden ser de utilidad para nuestra investigación.

Q_GIS

Cordoba_B4 Figura 4.16

El trabajo está todavía en proceso (fig. 4.16) pero es interesante subrayar ahora que para ciudades como Córdoba, Sevilla o Santiago de Compostela entre otras, ya se han obtenido los primeros resultados. El patio estadísticamente más frecuente en Córdoba tiene una superficie de 9 m2. Como se puede comprobar tras procesamiento de la información gráfica, la forma predominante es la cuadrada, por lo que las dimensiones más frecuentes (moda) son de 3 por 3 metros de lados fig 4.9).

Proceso de datos de cada una de las parcelas catastrales del centro histórico de Córdoba

Resultados. Porosidad. Relación entre Área de parcela y Área de patios (PARCELA)

150

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Se comprueba también en este estudio que la relevancia del patio en ciudades como Córdoba es mucho mayor que en ciudades como Santiago de Compostela (fig 4.17). En Córdoba, el porcentaje de parcelas con patio es del 82% mientras que Santiago es del 41%. Por otro lado, la dimensión del patio con respecto a la parcela donde se encuentra es mayor en ciudades de climas más fríos como Burgos dónde la relación entre área de parcela y área del patio es 0,91 y Córdoba, dónde esa misma relación es de 0,86. Un dato no esperado es el de Málaga, donde los patios en el área estudiada son también grandes con una relación de 0,95 que podría explicarse por la menor edad de sus construcciones. Pero en general, el estudio tanto estadístico como gráfico nos informa de que la frecuencia, menor tamaño, la forma regular y centrada en la parcela y la relevancia funcional de los patios en ciudades de clima más cálidos, está suficientemente demostrada. Hay que subrayar que se está estudiando tendencias estadísticas. Por tanto siempre será posible encontrar patios pequeños en climas fríos y grandes en climas cálidos a pesar de que la tendencia estadística es justo la opuesta.

COMPARATIVA TABLAS DE RESULTADOS

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 4.17 Comparativa de prevalencia y tamaño del patio respecto a la parcela donde se encuentra entre distinto centros históricos de ciudades de España.

151

Figura 4.18 Vista aérea ortogonal del centro de Córdoba (Google Earth).

Figura 4.19 Vista aérea oblicua del centro de Córdoba (Google Earth).

152

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

4.2. El factor profundidad

Para entender mejor el marco dimensional, el factor tamaño que nos informa de dimensiones absolutas debe ser complementado con el que relaciona las dimensiones internas del patio. Es decir, la relación entre determinadas dimensiones nos proporciona uno de los principales factores que caracteriza la forma de los patios. Las arquitecturas y geometrías de los patios son muy diversas y difíciles de clasificar pues responden a diferentes contingencias. Los hay de planta cuadrada, rectangular, con galerías de arcos, con galerías adinteladas, con galerías superiores o inferiores, etc… Pero en el marco de la presente investigación existe un aspecto de la forma que es muy significativo. Se trata de la proporción entre la altura y la anchura de un patio. En anteriores trabajos científicos se refieren a esta relación como relación de aspecto o “aspect ratio” (Hall et al. 1999). Pero en la presente investigación se sugiere el uso del término “profundidad” por las connotaciones más gráficas, espaciales y arquitectónicas de la palabra. Se habla por ejemplo de la mayor o menor profundidad de un pozo que es una idea asimilable en nuestros patios profundos mediterráneos, que son como pozos de aire y luz en los edificios. Quizá el término pueda considerarse en principio confuso desde un punto de vista técnico pero definido aquí matemáticamente como P=h/a (relación entre altura y anchura) no cabe error. La tendencia de los patios históricos a ser cuadrados, nos evita la complicación de añadir otra anchura en el parámetro. En todo caso, en patios de planta rectangular se debe considerar como “a” la dimensión en planta en la dirección de los vientos dominantes pues como veremos las corrientes de aire juegan un papel muy importante en su funcionamiento térmico.

Figura 4.20 Profundidad del patio, relación entre altura y anchura.

El parámetro profundidad es importante porque condicionan tanto la estructura de urbana de las ciudades (fig. 4.18-24) como, de manera muy notable, el comportamiento energético de los espacios semi abiertos exteriores (calles, plazas o patios). Investigaciones sobre el microclima dentro de estos espacios muestran que la proporción mencionada establece el modo en que estos espacios se relacionan energéticamente con el exterior, influyendo de forma determinante en sus características climáticas internas (Ali-Toudert & Mayer 2006; Almhafdy et al. 2013; S. Alvarez, F. Sanchez 1998; Taleghani, Kleerekoper, et al. 2014; Martinelli & Matzarakis 2016) . Termodinámica del Patio Mediterráneo

153

Figura 4.21 Vista aérea ortogonal del centro de Sevilla (Google Earth).

Figura 4.22 Vista aérea oblicua del centro de Sevilla (Google Earth).

154

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Esta proporción de la sección del espacio semi abierto afecta directamente a la manera en que recibe la radiación solar, a la forma del intercambio de radiación de onda larga (internamente y con el exterior), al modo en que el aire de este espacio circula en su interior y a la manera en que este aire interactúa con el del exterior. Por ello, estos factores geométricos resultan determinantes en su comportamiento térmico. Para obtener una tipificación de los espacios que sea útil a efectos de la presente investigación, nos centraremos en definir para cada uno de los espacios este parámetro de la profundidad. Un problema surge al advertir que en realidad estamos definiendo este parámetro en una sección bidimensional de un objeto tridimensional. Una mayor precisión exigiría el estudio del parámetro al menos en las dos secciones principales de cada patio. Pero obviamente, cuando la planta es considerablemente cuadrada se entiende que su comportamiento en las dos secciones queda bien definido por un único parámetro de profundidad. Aún así, cada sección de igual profundidad en un patio cuadrado estaría expuesta por su diferente orientación a condiciones distintas de vientos y soleamiento que exigiría un estudio diferenciado. Para el comportamiento termoaeráulico del aire en los patios, la sección orientada en la dirección de los vientos dominantes sería la más adecuada, como veremos más adelante. La mayoría de los patios históricos tienden a plantas cuadradas por lo que un sólo parámetro P por patio define bien su profundidad en las dos secciones principales y permite razonablemente su estudio y clasificación. Pero se puede dar el caso de patios muy alargados donde tendremos dos parámetros P para el mismo patio, uno por cada sección paralela a cada fachada. Incluso patios de formas complejas que implique la conexión en planta de varios patios de distintas proporciones e incluso en sección con distintos aspect ratios. Es el caso de patios en muchas arquitecturas contemporáneas de mayor libertad formal y complejidad. En este caso el parámetro p no es tan definitorio y útil. Es entonces cuando el entendimiento de su comportamiento termoaeráulico y energético exige un estudio tridimensional y más complejo del espacio que, como veremos, sólo se puede abarcar mediante simulaciones computarizadas. No obstante, el estudio del parámetro profundidad en patios sencillos históricos nos permiten entender las bases de un comportamiento energético que nos acerca al entendimiento profundo de la relación entre la forma y microclima en los patios. Termodinámica del Patio Mediterráneo

155

Figura 4.23 Vista aérea ortogonal del centro de Sevilla (Google Earth).

Figura 4.24 Vista aérea oblicua del centro de Sevilla (Google Earth).

156

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.3. Relación entre clima y forma de patios históricos El estudio de la manera en que se relaciona factores formales del patio con el contexto climático del lugar donde se sitúa, necesita de la determinación de dicho contexto climático así como de los parámetros formales predominantes típicos de las construcciones en el lugar. El estudio del marco climático se realizó en el capítulo anterior. Para la determinación los factores formales predominantes, usaremos el estudio del parámetro profundidad P como justificamos arriba. Al igual que en el caso del tamaño de los patios antes mencionado, el estudio sistemático del parámetro P característicos de los patios de una determinada ciudad, se está realizando en el marco del Proyecto MORE PATIO, con la elaboración de una estadística basada en los sistemas de información geográfica (SIG) en el que se estudian los patios de cada centro histórico. Mediante el procesamiento informático de cartografía y su cruce con distintas bases de datos (catastro, urbanismo…) es posible obtener una información bastante precisa de la realidad construida específicamente en lo referente a las alturas. Según la programación que estamos llevando a cabo, ese trabajo estará concluido en el año 2018. Mientras tanto, también es posible extraer, a modo de cata y sin que pueda sustituir al trabajo anterior, alguna información relevante del estudio de ejemplos significativos de arquitectura histórica de diferentes zonas geográficas. Se trataría de analizar tipologías edificatorias y edificios considerados arquetipos recogidos en los trabajos sobre investigación histórica de arquitectura. También podemos utilizar el recurso de consultar fotografías aéreas que nos revelan la forma urbana completa de estos lugares en las web Google Maps, Google Earth y Bing Maps. Esta información de gran calidad y fácilmente disponible, permite una observación directa de las formas urbanas predominantes en cada lugar y por tanto de una comprobación del resto de información disponible sobre patios concretos. Por tanto permite la comprobación rápida, directa y libre de las afirmaciones que en este trabajo se puedan realizar sobre la forma urbana (fig. 4.18-24).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

157

Figura 4.25 Vista aĂŠrea ortogonal del centro de Viena (Google Earth).

Figura 4.26 Vista aĂŠrea oblicua del centro de Viena (Google Earth).

158

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

Además del estudio basado e información existente y publicada de edificios históricos, se ha realizado un trabajo de campo exhaustivo sobre tres patios reales que completarán todo lo anterior. Este trabajo directo sobre el objeto de estudio implica visita, levantamiento y monitorización exhaustiva de cada uno de los patios con lo que se podrá comprobar directamente esta relación entre clima y forma. Una ventaja del parámetro profundidad P es que representa una relación adimensional entre dos longitudes. Por ello no es necesario ser exhaustivos en intentar averiguar las medidas absolutas exactas más allá de la diferenciación genérica que hemos realizado entre patios grandes y pequeños. Por otro lado esto permite la toma del parámetro “P” directamente del material planimétrico publicado de muchas edificaciones de distintos climas. Se entiende que se pueden conseguir buenos resultados para los fines perseguidos sin exigir una absoluta exactitud en la medición de las dimensiones. Para visualizar rápidamente las relaciones, asignaremos la unidad a la anchura “a” de todos los patios y a la altura “h” el número correspondiente a su proporción. Se estudia ahora de manera no exhaustiva pero subrayando rasgos interesantes acordes con el propósito del presente estudio, edificios históricos y ejemplos actuales de formas urbanas para rastrear la variación, si existe, de ese parámetro P. De todas formas, nos centrarnos en los patios de la arquitectura popular al estar menos condicionados por lenguajes arquitectónicos a veces importados de otras culturas así como por las normativas actuales que pueden distorsionar el entendimiento de la evolución natural de la relación de la edificación con el medio climático. En todo caso también estudiaremos algunos conocidos palacios y edificios religiosos por ofrecer a veces ejemplos característicos de los tipos de patios usuales en cada región. Se debe insistir en que la realización de un estudio histórico exhaustivo sobre la evolución de los tipos de patios en distintas culturas, no se encuentra entre los objetivos del presente trabajo. Existen ya estudios que desde distintas perspectivas, acometen este empeño con la extensión y profundidad necesaria (Pérez de Lama 1996; Capitel 2005; Díaz Recasens 1992). Se trata ahora de describir, mediante breves apuntes, algunas características dimensionales de los patios en su contexto climáticocultural. Esto nos brinda una perspectiva general sobre los patios históricos centrada sólo en los aspectos que nos interesan y que nos permitirá encontrar correlaciones que arrojen luz sobre su misión climática en los edificios. Termodinámica del Patio Mediterráneo

159

P=2,5 h=2,5

a=1

Figura 4.27 Tejido urbano y casa en la ciudad de Ur en Mesopotamia, 3000 a.C. Diseño de la Ciudad, vol. 2 (Benevolo 1978).

160

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.4. Profundidad de patios en climas mediterráneos

Siguiendo la distinción genérica propuesta entre climas mediterráneos y fríos, se rastreará la localización, el origen y la pervivencia del patio a lo largo de su evolución histórica. Aunque nos centraremos en el ámbito mediterráneo, se iniciará el estudio más hacia el este, donde se tiene las primeras evidencias históricas de su aparición.

4.4.1. Orígenes del patio en la Antigua Mesopotamia Se puede constatar la existencia de patios al menos desde hace 4000 en ciudades de la Antigua Mesopotamia. El clima subtropical de esta región era también templado-cálido como el mediterráneo. Como mencionamos al estudiar el marco cultural, las excavaciones que entre 1929 y 1934 realizara el arqueólogo Charles Leonard Woolley (Millard 1983) permitieron descubrir en Ur (Sur de Mesopotamia) la existencia de un barrio residencial completo (fig. 4.27). Las viviendas encontradas, expresan su condición de casa patio con toda pureza al no presentar casi ningún hueco en fachadas. Respiraban exclusivamente por el patio estando todas las piezas ventiladas e iluminadas desde éste. Será un modelo repetido con matices en Grecia, Roma y en general durante todas épocas en la cuenca mediterránea (Benevolo 1978). Esta funcionalidad orgánica o funcional de los patios (poder ventilar e iluminar) que ha sido considerada en el Capítulo 1, puede que sea la clave de su existencia. Evitar abrirse a la calle suponía, a aparte de un acto defensivo desde el punto de vista social, un acto defensivo desde el punto de vista del control climático. La calle, precisamente por sus características físicas y sociales, era un ambiente no controlado cuyo aire, no tenía una calidad mínima al no existir red de saneamiento. El patio permitía un cierto control tanto de la calidad como de la temperatura del aire introducido. La vegetación, el agua y el posible uso de toldos como Termodinámica del Patio Mediterráneo

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P=2,5 P=1 P=0,5

P=0,5

h=0,5 a=1

Figura 4.28. El asentamiento modélico de la planificación urbana en el Antiguo Egipto durante el Imperio Medio: la ciudad de Kahun, vinculada con la pirámide de Sesostris II. Planta y perspectiva de una de las grandes casas urbanas de Kahun. El antiguo Egipto. Anatomía de una Civilización (Kemp 1989)

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Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

elementos complementarios en los patios, complementaban las características geométricas de éstos en su función microclimática. Con las calles estrechas se evita que la radiación solar, tan intensa en clima como estos, incidiera directamente en las fachadas evitando el sobrecalentamiento. Por el gran tamaño de las manzanas, se observa la necesidad de la creación de multitud de espacios interiores abiertos al cielo para permitir ventilación y la disipación de energía. En resumen, son patios profundos y ensimismados, sin contacto con la calle, de profundidad en torno a P=2,5.

4.4.2. Profundidad del patio en el Antiguo Egipto La disposición de las viviendas en el Antiguo Egipto nos es muy ajena a nuestra mentalidad arquitectónica contemporánea. No llegamos a bien entendemos la espacialidad de estas construcciones. Son un auténtico laberinto, que obliga a recorridos para nosotros totalmente inusuales e injustificados (fig. 4.28). Las viviendas estudiadas se encuentran en el norte de Egipto cerca del delta del Nilo (ciudad de Kahun). Las fuentes que hemos utilizado para identificar en planta y medir la profundidad de los patios del Antiguo Egipto proceden de arqueólogos, que nos indican gráficamente (si no sería muy difícil) cuáles de los espacios corresponden a patios. Barry J. Kemp los enumera haciendo notar que se encuentran al lado de los dormitorios y que cuentan con un pozo que se representan con un recuadro en las plantas elaboradas en sus estudios (Kemp 1989). La disposición de los espacios de las grandes casas urbanas responde a una mentalidad ritual y burocrática, en la que lo único que reconocemos y nos identificamos como mediterráneos es en el propio espacio de los patios. Existe en el intrincado recorrido de la casa un primer patio representativo, que es como la auténtica fachada de la casa. Las reconstrucciones arqueológicas (Kemp 1989) nos permiten determinar que estos solían estar en torno a una profundidad de P=0’5. Luego existen otros patios más funcionales, a los que dan las habitaciones de la casa, situados en el núcleo profundo de la misma. Estos otros patios están en profundidades de P=2,5 a 1. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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P=0,5

h=0,5 a=1

Figura 4.29 Casa en Priene, Grecia, finales del siglo IV a.C. Reconstrucción de Theodore Wiegand del libro La Arquitectura del Patio (Capitel 2005).

Figura 4.30 Ciudad de Delos, Grecia, sector de los siglos III y II a.C. Diseño de la Ciudad, vol. 2 (Benevolo 1978).

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Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.4.3. Profundidad del patio en la Antigua Grecia A pesar de que en nuestra memoria, la arquitectura griega siempre nos remite a la arquitectura monumental de los templos y sus imponentes fachadas, cuyo sentido arquitectónico es más su visión exterior desde el espacio público que la recreación de mundos interiores al que van unidos los patios, en las casas griegas populares, el patio era también protagonista como elemento organizador de la casa (Robertson 1943). Podemos apreciar esto por ejemplo en la antigua planta clásica de la ciudad de Delos (fig 4.30). Se puede comprobar que el patio se sitúa en una posición centrada y recupera la regularidad que el resto de la casa suele ir perdiendo hacia las fachadas como consecuencia de la adaptación de la manzana a una trama no del todo regular. El patio es aquí, como en el resto del mediterráneo, el elemento que identifica la vivienda y la organiza funcional y formalmente. En estas casas las fachadas se cierran casi por completo y solo la entrada y las tiendas se abren a la calle (Capitel 2005). El patio es el único contacto de la casa con el aire libre, aparte de la puerta de entrada, por lo que resulta un elemento vital en cuanto a la seguridad y salubridad. Esto obliga a que la vivienda se resuelva como una única crujía entorno al patio que absorbe las irregularidades de la manzana, para dejar que la forma del patio sea lo más perfecta posible. Se pueden yuxtaponer dos crujías en el caso de tiendas que dan a la calle, o cuando la casa es lo suficientemente grande para contar con dos o más patios (Robertson 1943). Como en el caso de la conocida Casa XXII de Priene de finales del siglo IV a. C. (fig. 4.30), podía haber uno más patios representativos, de profundidades en torno a P=0,5. Sin embargo, como también se aprecia en estos estudios arqueológicos, los patios más profundos podían llegar a ser de profundidad P=1 a 2, y servían a la parte más privada de la casa.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

165

P=2,5

h=2,5 a=1

Figura 4.32 Casa romana en Volúbilis, Francia. La Arquitectura del Patio (Capitel 2005).

Figura 4.31 Esquema básico de la domus romana.

h=2,5

a=1 P=2 P=2,5

h=2 a=1 Figura 4.33 Tipología de la casa pompeyana. Volumetría y sección, restauración de Gandy, Bibliothêque et Archéologie Foudation J. Doucet

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Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.4.4. Profundidad del patio en la Antigua Roma Podemos diferenciar, en este caso y en los siguientes, dos escalas muy distintas correspondientes a diversas tipologías de edificios. Pequeña escala Como se mencionó en el Capítulo 2, Vitruvio ya nos informó de la gran variedad de tipos de patios existente en las construcciones de la Antigua Roma (Vitruvio Polion 25BC). La disposición de las casas romanas varía según su condición (villas, domus o insulae), su categoría (humildes, casas palacio), su tiempo (distintos periodos de la dominación romana durante seis siglos) y su situación geográfica. Sin embargo son comunes ciertos aspectos característicos también del mundo mediterráneo. El primero y más definitorio es que los muros exteriores suelen ser cerrados a la calle (Capitel 2005). Otra característica importante es que la casa se organizaba en un eje donde consecutivamente se sucedían vestíbulo, atrium, tablinum y peristilo. El atrium era como una sala con una abertura al cielo central cuadrada, hacia donde convergen las cubiertas (Robertson 1943). No confundir el atrio Romano abierto siempre al cielo con lo que hoy, principalmente en textos internacionales, se suelen denominar atrios, espacios cerrados superiormente con vidrios. El atrio romano evolucionó desde un jardín trasero a peristilo adoptando la tradición griega del patio. Las habitaciones se abren al atrio de dónde obtiene su única fuente de ventilación e iluminación, convirtiéndose, por tanto, en el auténtico eje organizativo de la edificación. También, consecuentemente se convirtió en el eje social (Pérez de Lama 1996) y formal de la casa (Capitel 2005). Y por último aunque no menos importante, el patio se configuró como corazón del funcionamiento termodinámico de la edificación tal y como explicaremos más adelante.

Figura 4.34 Roma Imperial. Gran Maqueta de la Antigua Roma. Escala 1:250 realizada por Italo Gismondi. Museo de la Civilización Romana en Roma.

El patio protagoniza la estructura urbana de las ciudades romanas (fig. 4.34). Al igual que en Grecia, en Roma el patio intentaba siempre recuperar la regularidad dentro de manzanas irregulares. Cuando el patio no llega a poder ser completo al faltar alguna crujía de alguno de los lados, las columnatas ayudan a evocar un patio completo. Son patios profundos (P=2-2,5) con paredes muy retranqueadas (fig. 4.3133). Esto permite que las paredes permanezcan siempre a la sombra convirtiéndose éstas en sumideros térmicos muy adecuados en clima cálido. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Figura 4.35 Domus Flavia y Domus Augustana, Roma, s. I. (Chueca-Goitia 1989a)

Figura 4.36 Patio de la Domus Flavia y Domus Augustana, Roma, s. I. Imagen: Jensens.

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CapĂtulo 4. Estudio Dimensional de Patios HistĂłricos

Gran escala. Característicos de la arquitectura romana eran las grandes plazas porticadas urbanas que cumplían una importante misión en la sociedad como centro de reunión, decisión política y comercio (Peter Garnsey & Saller 1990). Eran los extensos y poco profundos foros, piezas claves de la ciudad pero que no constituían parte alguna ni tenían función en ninguna edificación concreta. Por eso no se estudian en este trabajo. Los nobles romanos vivían a menudo y especialmente durante la república en casas de similares características a las estudiadas en el apartado anterior. Sin embargo, en el transcurso de la larga historia romana que condujo al imperio, surgieron grandes palacios cuya función era la representación del poder. Era el caso del Palacio de Augusto (Domus Agustana) residencia de los emperadores de Roma (Chueca-Goitia 1989a). Por tanto era lógico pensar que en edificaciones como estas no habría límites en su arquitectura excepto los impuestos por la técnica de la época. Los patios podrían ser quizá tan anchos como se quisiera. De hecho gran parte del centro monumental de Roma fue destruido para la Construcción de la Domus Aurea de Nerón en el siglo I de nuestra era (Robertson 1943). Sin embargo, en estas ricas residencias privadas observamos una sección de patios de proporciones equilibradas con secciones de profundidad entorno a P=1 (fig.4.35-4.36). Lo que indica cierta intención consciente de obtener mejor resultado arquitectónico con esta profundidad. La innata sensibilidad clásica en busca del equilibrio y la estaticidad tendía a proporciones donde el cuadrado, el círculo o moderadas variaciones de estas, cobraban gran protagonismo en el arte.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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P=2

h=2

a=1 Figura 4.37 Esquemas de la casa de Bagdad, vivienda urbana islámica. Arquitectura Bioclimática en un Entorno Sostenible (Neila González 2004)

Figura 4.38 Fachada de una vivienda en Bagdad actual. Lecciones de Arquitectura en Irak. Blog Tocho T8.

Figura 4.39 Calles de Bagdad actual. Lecciones de Arquitectura en Irak. Blog Tocho T8.

Figura 4.40 Vista aérea ortogonal del centro de Bagdad (Google Earth).

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Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.4.5. Profundidad del patio en la cultura islámica El Mundo Islámico abarca muy diferentes regiones del mundo con diferentes climas y con considerables variaciones culturales. Nos referimos aquí específicamente al mundo islámico clásico que comprende regiones de oriente próximo y del mediterráneo donde predominan los climas cálidos. Pequeña escala En estas ciudades compactas, las estrechas calles y patios consiguen una protección muy efectiva de la radiación solar (Torres Balbás 1971). Son comunes casas de 1 ó 2 plantas, que rehúyen el contacto con el exterior. En estos climas cálidos, el patio profundo es muy útil para almacenar el aire fresco que se acumula durante la noche. En el ejemplo que se muestra de una casa tradicional de Bagdad (Neila González 2004) la profundidad es P=2 pero es fácil encontrar profundidades mayores de P>3 (fig. 4.37-4.40). Para forzar la ventilación, ya que las casas se cierran al exterior, se eleva desproporcionadamente el techo de las habitaciones. En ciudades como Bagdad es frecuente combinar el patio con otra estrategia bioclimática como la ”torre de viento” (Neila González 2004). En la cubierta, se abre un tiro a los vientos dominantes. En ausencia de viento, el aire se renueva por convección. Cuando sopla viento, el tiro se invierte, el aire entra en la torre de viento y se refresca en contacto con sus muros frescos y frecuentemente por la presencia de agua (Neila González 2004). Gran escala Los patios representativos de palacios musulmanes son más amplios que los domésticos pero frecuentemente su proporción no se aleja mucho de P=1. En el Alcázar de Sevilla hay ejemplos de patios representativos islámicos (mudéjar) en clima mediterráneo a pesar de que gran parte fue reconstruido tras la reconquista. En una Sevilla de la que aún no habían sido expulsados ni musulmanes ni judíos, los reyes cristianos confiaron en los que tenían mejores cualidades técnicas para representar la grandeza de la monarquía: los maestros de obras y albañiles moriscos. Estos pudieron integrar mejor arquitecturas mudéjares preexistentes de gran valor (Valor Pinechota 2008). Con Termodinámica del Patio Mediterráneo

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maestros de obras y albañiles moriscos. Con ejemplos como el patio de Las Doncellas, (fig. 4.10) supieron prolongar la tradición de patio para condiciones de climas templados-cálidos (con profundidades en torno P=1) que arrancó miles de años atrás.

P=1

h=1 a=1 Figura 4.41 Planta y sección del patio de las Doncellas del Alcázar de Sevilla. (Valor Pinechota 2008) Figura 4.42 Patio de las Doncellas del Alcázar de Sevilla. Imagen: Anual.

Fig. 4.10. Alcázar de Sevilla. Patio de las Doncellas. S. XIV

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Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

ejemplos como el patio de Las Doncellas, (fig. 4.41-4.42) continuaron con la tradición de patio para condiciones de climas templados-cálidos (con profundidades en torno P=1) que arrancó miles de años atrás. Sin embargo los patios principales de la Alhambra son menos profundos. Esto puede deberse a la mayor intención de representatividad que reclamaba el poderoso reino nazarí unida posiblemente a una menor presión urbana (fig. 3.0) (Chueca-Goitia 1989a). Pero es interesante subrayar también que Granada se encuentra en la zona climática C3. De acuerdo a la clasificación climática de Köppen, el clima de Granada es de transición entre el clima mediterráneo (Csa) y el clima semiárido frío (BSk) (Capítulo 3). Los estudios específicos sobre el clima andaluz que comentamos en el capítulo anterior, lo definen como mediterráneo continentalizado o de montaña (Valle 2004) para diferenciarlo del clima mediterráneo típico. Por tanto, esta mayor anchura del patio puede deberse a una adaptación a un clima diferente y no es seguro que este último ejemplo se deba incluir dentro de los patios de climas típicos mediterráneos.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

173

P=1

P=1,1

a=1

h=1 h=1,1 a=1

Figura 4.43 Sección, planta baja e imagen del patio del palacio Farnesio, Roma, Italia, según Paul Letaroully. La Arquitectura del Patio (Capitel, A. 2005). Imagen del patio: Zeno Calantoni.

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Figura 4.44 Sección, alzado, plantas e imagen del patio del Palacio de la Cancillería. Roma (1503) Arquitecto: Donato Bramante, según Paul Letaroully. La Arquitectura del Patio (Capitel, A. 2005). Imagen del patio: The Society of Architectural Historians of Great Britain.

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.4.6. Profundidad del patio en el Renacimiento Desde el primer Renacimiento se empiezan a diseñar palacios en torno a patios, que intentan conseguir la mayor armonía y proporcionalidad lo que lleva a buscar la máxima regularidad posible de sus formas (Chueca-Goitia 1989b). Se tiende a un patio cuadrado, porticado, rodeado de una única crujía, que en su caso, absorbe las deformaciones de la manzana como hemos visto sucede en el ámbito mediterráneo (Capitel 2005). La compacidad de las ciudades mediterráneas supone una presión limitante de las posibilidades de extensión de las viviendas que las conforman. Plantear un espacio abierto al cielo obliga a una lucha de fuerzas contrarias entre las necesidades de relacionarse con el ambiente exterior de forma adecuada y las de aprovechar al máximo el escaso suelo existente. En este contexto, las dimensiones del patio podía ser símbolo del poder económico o social del propietario de la edificación. Curiosamente, incluso para aquéllos ciudadanos más poderosos, (papas, príncipes, nobles), la anchura de los patios de sus residencias eran tales que no solían exceder mucho a la altura de la edificación. Es decir, a pesar de que posiblemente podrían haber edificado patios más anchos, las profundidades de estos estaban entorno a P =1 (fig. 4.43 - 4.44b). Al igual que vimos en la Roma clásica, tras ello cabe la posibilidad de que existiera una intuitiva sabiduría termodinámica del funcionamiento de los patios. Quizá el verdadero lujo podría ser poder configurar el patio de la forma más proporcionada posible incluso térmicamente, antes que hacerlo lo más grande posible. Pues como veremos, P=1 es un valor que representa unas equilibradas características de renovación y comportamiento térmico muy adecuadas en climas templados. Mantener mediante los pórticos los paramentos sombreados como es usual en los patio renacentistas, mejora su comportamiento al asegurar su condición de sumidero térmico especialmente en las plantas bajas.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figure 4.44b Patio del Archivo General de Indias en Sevilla. Siglo XVI. Arquitectos: Juan de Herrera, Juan de Minjares y Alonso de Vandelvira. Ejemplo de patio renacentista en España.

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P=1,4

P=0,9

h=0,9

h=1,4

a=1 a=1

Figura 4.45 Sección, planta y fotografía del patio de casa palacio del s. XVII en la calle Imperial 29, Sevilla. Arquitectura Civil Sevillana (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976) Figura 4.46 Sección del patio, planta (arriba) e imagen (abajo) del patio del palacio de Santa Coloma en calle Santa Clara 21, Sevilla. Arquitectura Civil Sevillana (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976)

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Figura 4.47 Imagen del patio de casa en la calle Guzmán el Bueno 9, Sevilla. Arquitectura Civil Sevillana (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976)

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.4.7. El patio en la arquitectura andaluza. Existen matices que diferencian los patios de Córdoba, Sevilla o Málaga. Pero para estudiar un arquetipo de los patios de Andalucía, podemos estudiar los de Sevilla porque pueden ser bastante representativos de esta arquitectura. Gran escala. La casa palacio en Sevilla durante los siglos XVI-XIX Es tal la importancia del patio en las ciudades mediterráneas, que según recoge la escritora costumbrista F. Caballero:

“Se cuenta que antiguamente en Sevilla aquellas personas que deseaban construirse una casa explicaban al maestro de obras cuáles iban a ser las dimensiones del patio, y a continuación añadían que dibujaran alrededor de éste una posible configuración de las habitaciones” (Caballero 1882). José Blanco White, en sus Cartas de España, confiesa: “Es tan general en Andalucía la costumbre oriental de construir las casas en los cuatro lados de un espacio cuadrangular abierto, que he de confesar que hasta mi primer viaje a Madrid no comprendí que se pudiera vivir de otra manera...” (Blanco White 1822) Tal era el entendimiento de este espacio como consustancial a la casa. Para finalizar con las referencias literarias al patio, cabe mencionar Romero Murube cuando dice:

“El patio constituye la felicidad y el lujo de los sevillanos. No sabemos qué espíritu misterioso e irreprimible nos Ileva a los que allí vivimos, y en todos los órdenes sociales, a pensar que la realización feliz de nuestra vida consiste en una solería de mármol, un chorro de agua, unos arcos sobre columna, flores y un pedazo de cielo” (Romero Murube 1955). Al igual que en el caso de los patios del renacimiento de los que suelen Termodinámica del Patio Mediterráneo

177

P=1,7

h=1,7

a=1

Figura 4.48 Sección y planta de vivienda en la calle Buitrón 9, Sevilla. La Casa en Sevilla 1976-1996 (Sierra Delgado 1996)

Figura 4.50 Imagen de patio de casa en calle Imperial 25, Sevilla. Arquitectura Civil Sevillana (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976)

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Figura 4.49 Vista aérea ortogonal del centro de Bagdad (Google Earth).

Figura 4.51 Imagen de patio en casa en calle Socorro 1, Sevilla. Arquitectura Civil Sevillana (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976)

Figura 4.52 Imagen de patio de casa en calle Bailen 28, Sevilla. Arquitectura Civil Sevillana (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976)

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

tomar el modelo, los patios de las casas nobles de Sevilla durante los siglos XVI-XIX resuelven un difícil equilibrio entre las presiones urbanas de la ciudad mediterránea que busca la máxima compacidad y las posibilidades del rico propietario (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976). Éste entendía como bien invertido el uso de una parte de esa superficie en dar adecuadas condiciones al patio. Pero precisamente esa capacidad de disponer de más superficie que las clases populares no le hacía preferir patios demasiado anchos cuyas profundidad excediera mucho de la de P=1 (fig. 4.45-4.47). Como en el renacimiento, parece haber una inclinación a estas profundidades medias que suelen ser muy habituales en el ámbito mediterráneo y menos en otras regiones de climas más cálidos o más fríos. También aquí en Sevilla como en la Italia renacentista, las galerías sombrean los paramentos mejorando el funcionamiento del patio los días cálidos. Pequeña escala. La casa popular en Sevilla durante los siglos XVIII-XIX Las casas suelen tener una sola fachada, cuya longitud no tiene relación con la superficie y forma de la parcela y constan de una o dos crujías delanteras (Sierra Delgado 1996). La puerta está siempre abierta al zaguán donde existe una cancela que suele estar cerrada pero que permite la entrada de aire exterior. Las galerías inferiores no suelen tener columnas, las superiores se sustentan sobre vigas y jabalcones, de modo que la galería inferior sólo queda delimitada por su cubierta. Esto presenta una gran diferencia con las casas palacio sevillanas (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976). El patio es profundo, con una relación de aspecto entre P= 1’5 y P=3’5 (fig. 4.48-4.52). La disposición del zaguán siempre abierto al exterior a través de la cancela es lo que permite la renovación de aire en estos patios profundos, evitando la posibilidad de enrarecimiento de ese aire ocluido en el espacio del patio. Estudiaremos más adelante sus características termodinámicas y veremos que estas altas profundidades son probablemente más beneficiosas que perjudiciales si se asegura algún grado de renovación del aire interior gracias a los zaguanes u otras piezas intermedias. Para finalizar, y para evitar caer en la mitificación de cualquier arquitectura que contenga patio, cabe mencionar que muchas de las casas de los centros históricos andaluces con estos pequeños y Termodinámica del Patio Mediterráneo

179

P=0,5 h=0,5 a=1

Figura 4.53 Sección, planta y fotografía del patio de la casa de J.Ll. Sert en Cambridge, Massachusetts, EE.UU. Sert: Arquitectura Mediterránea (Borrás 1974).

180

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

profundos patios se corresponden con viviendas que están lejos de las condiciones óptimas de habitabilidad. Sierra Delgado en su libro “La Casa Sevillana 1976-1996” subraya las deficiencias de estas construcciones observando que son una arquitectura inútil, con humedades insoportables hasta en verano, con mala iluminación y mala ventilación, con graves precariedades funcionales, corno las servidumbres de paso entre habitaciones, y sin ventajas corno la supuesta doble vivienda, arriba la de invierno, abajo la de verano, posibilidad desmentida por su pequeñez (Sierra Delgado 1996). Es necesario este “baño de realidad” que contrarresta las citas con las que se inició la sección y que pueden reflejar una idealización romántica de la solución. Si la estrategia del patio tiene valor, es necesario buscar la objetividad de sus ventajas.

4.4.8. Profundidad del patio moderno y contemporáneo Los arquitectos modernos y contemporáneos han utilizado el patio en sus diseños como elemento compositivo o plástico muy eficaz (Díaz Recasens 1992; Díaz Recasens 1997). Ejemplos excelentes los tenemos en muchas culturas de distintos climas (fig. 4.54). Desde Míes a Sert (fig. 4.53), ha existido una interpretación de este espacio (Borrás 1974). Pero quizá son arquitectos mediterráneos contemporáneos los que en su hacer diario, mejor lo han entendido como núcleo articulador de la casa meridional añadiéndoles mayor complejidad y libertad formal (fig. 4.55). Arquitectos como Alberto Campo Baeza o Cruz y Ortiz lo han usado en sus diseños con una compresión profunda de su misión formal y cultural. Sin necesidad de entrar en los detalles técnicos estudiados en esta tesis, estos arquitectos han conseguido en sus edificios estrategias bioclimáticas que probablemente los hacen más eficientes energéticamente y más habitables.

Figura 4.54 Arne Jacobsen, Munkegaard School, Copenhagen, Denmark. Año 1951-58. Arne Jacobsen. Obras y Proyectos. (Solaguren-Beascoa de Corral, 1992).

Pequeña escala Un ejemplo de ello lo tenemos en la casa plurifamiliar que Cruz y Ortiz diseñaron en la calle Doña María Coronel (fig. 4.56) y en la calle Hombre de Piedra ambas en Sevilla (Moneo 1988). La de Hombre de Piedra, los patios organizan toda la planta en torno a dos patios diferentes conectados en planta baja, uno completamente cuadrado y otro alargado (fig. 4.57). La profundidad del primero es clara al ser cuadrado Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 4.55 Patio de vivienda en la Calle Lumbreras 12, Sevilla. Arquitecto: Emilio Albarracín. Año 2005. El autor de la presente tesis posee una vivienda en ese edificio. El patio sigue siendo una estrategia de diseño que permite resolver con eficacia proyectos contemporáneos en los centros compactos de las ciudades mediterráneas.

181

Figura 4.56 Vivienda en calle Doña María Coronel, Sevilla. Cruz y Ortiz, Arquitectos. Año 1974-76. Imagen y planos: Cruz y Ortiz (Moneo 1988)

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Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

Figura 4.57 Vivienda en calle Hombre de Piedra, Sevilla. Cruz y Ortiz, Arquitectos. Año 1983-85. Planos Cruz y Ortiz (Moneo 1988) El autor de la presente tesis ha vivido en ese edificio, experimentando de manera directa las considerables ventajas de ese diseño de patio mediterráneo contemporáneo.

Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

183

P=0,36

P=0,6 h=0,36 a=1

Figura 4.58 Esquema y vista aérea de manzanas del Ensanche de Barcelona. (Google Earth)

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h=0,6 a=1

Figura 4.59 Esquema y vista aérea de manzana en Sevilla. Viviendas Santa Bárbara I. Arquitecto: Rafael de la Hoz Castanys. Año 2005. El autor de la presente tesis ha vivido en este edificio experimentando la cualidad del patio como lugar de socialización familiar. (Google Earth)

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

y cercana a P=1. Pero para el segundo alargado y con un lado curvo tendríamos distintas profundidades según la sección elegida. Existen por tanto diferentes profundidades de patio en un mismo edificio e incluso en un mismo patio. Además, al estar conectados los diferentes patios con sus distintas profundidades, existe un funcionamiento conjunto de los mismos que podría entenderse como sistema de patios más que como simple suma de ellos. El estudio de casos como este no puede reducirse a un sólo parámetro de profundidad y exigen un enfoque más complejo y tridimensional del problema. Los patios contemporáneos, como parte de un proyecto que atiende a una gran diversidad de cuestiones (Español 2007), no suelen ser tan simplificados como los tradicionales de planta predominantemente cuadrada. La complejidad formal suele ser mayor y su funcionamiento termodinámico más complejo aún. De todas formas, en el caso de este edificio en la calle Hombre de Piedra de Sevilla, se puede afirmar el comportamiento térmico del conjunto es muy bueno. El autor del presente trabajo ha podido experimentar personalmente el buen funcionamiento de estos patios al haber vivido en este edificio de los arquitectos Cruz y Ortiz.

Figura 4.60 Patio complejo de la Facultad de Ciencias de la Información, Universidad de Sevilla. Cruz y Ortiz. Año 2007-10. (Web Estudio Cruz y Ortiz)

Gran Escala Los patios grandes más frecuentes en los ensanches de las ciudades modernas son los patios de manzana (Benevolo 1990). Existen muchas tipologías. La mayoría de planeamientos urbanísticos en los ensanches de los países mediterráneos se ordenan tipologías de manzanas relativamente compactas, con patios de profundidades P=0,3 a 1 del que el ensanche de Barcelona es un ejemplo claro (fig. 4.58), aunque hay excepciones (fig. 4.59). La posible forma del patio depende también de que se obligue o no a una alineación interior. Una alineación interior unida a otra de fachada a la calle determina un ancho de crujía que limita mucho las posibilidades de jugar con la forma para permitir ventilaciones cruzadas. Los arquitectos contemporáneos han usado, cuando ha sido posible, la estrategia del patio para resolver edificios de distintos usos en la ciudad compacta, con gran calidad espacial y ambiental (fig. 4.594.62). La complejidad suele ser una cualidad del patio contemporáneo para adaptarse a las nuevas exigencias. De esta manera, el factor de forma se aumenta aún más. Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 4.61 Manzana de viviendas en Sevilla Santa Bárbara I. Ejemplo de geometría compleja contemporánea. Arquitecto: Rafael de la Hoz Castanys. Año 2007. (Google Earth).

Figura 4.62 Patio de manzana de viviendas Santa Bárbara I en Sevilla. Arquitecto: Rafael de la Hoz Castanys. Año 2007. Al igual que en el otro patio mencionado de R. la Hoz, el autor de la presente tesis ha vivido en este edificio experimentando sus cualidad. Imagen: Fernando Alda.

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P=0,3

P=0,15

Figura 4.63 Planta del conjunto de la catedral de Santiago de Compostela. La Arquitectura del Patio (Capitel, A. 2005).

Figura 4.64 Planta del claustro de Fontenay en Borgoña. (Wikipedia Common)

Figura 4.65 Fotografía del claustro de Fontenay en Borgoña. (elenar.wordPress.com)

h=0,15

a=1

186

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

4.5. Profundidad de patios en climas fríos Pasamos a estudiar unos pocos ejemplos de climas fríos que nos permitirán entender por contraste mejor las peculiaridades de los patios mediterráneos.

4.5.1. Profundidad del patio medieval gótico. Gran escala Los claustros románicos y góticos que aparecen en los conjuntos catedralicios suelen ser de diferente autor e incluso época que la iglesia catedral, y el conjunto suele ser una mera yuxtaposición de formas puras, con muy poca articulación entre ellas. Ni siquiera se establece una jerarquía clara, ya que el patio suele ocupar una posición lateral, y no se usa como entrada, sino que son dos espacios con usos independientes y alternativos. Por tanto aquí los patios no son el eje compositivo u organizativo de la arquitectura de estos edificios (Capitel, A. 2005). El claustro no era pues un patio en el que se vuelca la edificación, era más un espacio en sí mismo, rodeado de galerías, pero sin locales a los que servir y organizar (fig. 4.63-4.65). Por eso solía quedarse en una sola planta, ya que otra superior resultaba inútil, sin locales a los que servir. Al no tener más que una altura y ser bastante anchos, son muy poco profundos, P<0’3. El patio aquí es, más que un patio tal y como lo entendemos en el mediterráneo, sólo un espacio exterior configurado o limitado por galerías.

4.5.2. El patio doméstico en climas fríos. Estudiemos por ejemplo el caso de Santiago de Compostela, una ciudad de nuestro mismo país y por lo tanto similar entorno cultural pero en un clima oceánico atlántico (Capítulo 3). El factor más importante a tener en cuenta en ese clima cuya media casi no alcanza la temperatura de confort ni en verano, es el frío. La forma urbana Termodinámica del Patio Mediterráneo

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acusa esto creando edificaciones abrigadas unas con otra de gran volumen y bajo coeficiente de forma (4.1-4.2). Si los patios existen, son de edificaciones nobles y sus dimensiones son amplias. Los patios de la mayoría de edificaciones residenciales se convierten en atrios acristalados o lucernarios y los balcones al sur, en galerías acristaladas. Ambos sistemas son estrategias bioclimáticas de climas fríos (Neila, J. 2004) que procuran captar y acumular en la masa construida radiación solar utilizando el efecto invernadero. Atendiendo a la estructura urbana, el patio pequeño y profundo parece que no es un elemento frecuente ni central en los climas fríos (fig. 4.2).

4.5.3. Profundidad del patio en ciudades centro europeas. Aunque la variabilidad de la forma urbana es grande en todas las ciudades, debido a las contingencias de la historia en cada lugar, y es cierto que en puntos concretos de la trama urbana no se verifica prevalencia alguna, hay una clara tendencia a que las configuraciones de patios cuando existen en climas fríos sean de baja profundidad. La escala general de los espacios es mayor. Las anchuras de las crujías entre fachadas suelen ser mayores que en climas más cálidos por lo que el factor de forma es menor. Otras veces el patio en sí no existe y los edificios están rodeados de espacios exteriores. A veces la diferencia entre estos espacios exteriores ajardinados, los parques semiprivados, y los grandes patios es difícil de diferenciar. La fluidez entre los espacios exteriores privados y públicos indica que no hay una clara intención de configurar patios como espacios principales alrededor de los cuales se configura la edificación. Más bien suelen ser espacios residuales a veces invadidos por otras construcciones. La edificación muy masiva y compacta con bajo coeficiente de forma es la figura mientras que los patios y demás espacios exteriores suelen ser el fondo. Es razonable plantear la hipótesis de que la amplitud de los espacios exteriores sean patios o no se debe en gran medida a la intención de procurar el máximo soleamiento posible y por tanto de calentar la edificación de forma pasiva gracias a la radiación solar. Esto es aplicable también a muchas ciudades centroeuropeas de climas fríos como por ejemplo Viena de clima continental centroeuropeo 188

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

(sección 3.3). Comparamos su ensanche con el de Barcelona ambos del siglo XIX (fig. 4.25-4.26 y 4.58). Para una similar altura y anchura edificada, en el de Viena las manzanas llegan a tener 200 x 200 metros mientras que en el de Barcelona son de 113,3 x 113,3 m para alturas similares. Como consecuencia en Viena los patios de manzana son mucho menos profundos. Como último ejemplo significativo de la modernidad traemos la planta general y sección de la Siedlung Römerstadt de Frankfurt de Ernst May (clima oceánico centroeuropeo) en donde se aprecia con claridad esta forma urbana con patios y espacios de manzana de muy baja profundidad (fig. 4.66-67).

Figura 4.66 Siedlung Römerstadt de Frankfurt. Edificio de cabeza en la Hadrianstrasse, calle de Adriano. Año 1927. Imagen de Christos Vittoratos.

Figura 4.67 Siedlung Römerstadt de Frankfurt. (E. May 1927)

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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4.6. Conclusiones Se puede resumir la información recogida sobre la profundidad de distintos tipos de patios en el siguiente cuadro resumen (fig. 4.68). Se observa que en los climas mediterráneos los patios suelen tener una profundidad media entorno a P=1 con una dispersión que va de los menos profundos P=0,5 a los más profundos con P>3. Aunque los patios de manzanas pueden ser ejemplo de patios mediterráneos con profundidades entorno a P=1, son a veces una excepción pues presentan en ocasiones una profundidad menor que la esperable en clima mediterráneo. La razón podría ser que en estos casos la determinación de estas dimensiones no se produce tanto como decantación natural de la tradición que como la consecuencia de la intención concreta de los redactores de unas determinadas normas urbanísticas. Esta intención responde a veces a otras consideraciones alejadas de las bioclimáticas. En los climas fríos, el patio de pequeña escala no aparece, sustituido a veces por lucernarios. Cuando los patios existen en climas fríos, estos suelen ser de gran escala y poco profundos con P<0,2. Suelen ser interiores de grandes manzanas, espacios residuales más que principales, fondos no relevantes sobre los que se recorta la figura de las edificaciones reconocibles. Por esta razón, aunque a veces son reciclados como jardines interiores, en otras ocasiones son espacios ocupados por edificaciones, frecuentemente secundarias y de menor escala, que desdibujan el espacio del patio perdiendo su inteligibilidad y contribuyendo en ocasiones a su deterioro. Se observa que el patio no ocupa un lugar tan central en la arquitectura y el urbanismo de estas ciudades quizá porque no es tan vitalmente necesario como en las regiones mediterráneas.

190

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

el siguiente cuadro resumen.

CLIMAS

PROFUNDIDAD P

TAMAÑOS

< 0,2

0,2-0,4

0,5-0,9

1-1,9



PEQUEÑA ESCALA



Antigua Grecia



Roma

Islam



Modernidad



 

Roma



Islam-Mudéjar



Renacimiento



Andalucía s.XVII-XIX



Manzanas de ensanche CLIMAS FRÍOS



Andalucía s.XVII-XIX

GRAN ESCALA

CLIMAS MEDITERRÁNEOS

Antiguo Egipto

Antigua



Mesopotamia

Antigua

2-3



PEQUEÑA ESCALA Poco frecuentes GRAN ESCALA

Medieval gótico Ciudades centroeuropeas



 Fig. 4.25. Cuadro resumen de profundidades de patios históricos en distintos climas. Figura 4.68 Cuadro resumen de profundidades en distintos climas

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Se observa que en los climas mediterráneos los patios suelen tener una profundidad media

Es significativo señalar que los grandes patios representativos de los palacios del mediterráneo, cuyos propietarios ostentan el poder económico y político, tendrían que tener pocas limitaciones a la hora de fijar las dimensiones de sus patios. Sin embargo éstos no suelen ser tan grandes para que su profundidad sea menor que P=1. Lo que hace pensar en la intencionalidad de dicha profundidad y por tanto su idoneidad. Estas profundidades son, como veremos, secciones de proporciones termodinámicamente muy adecuadas en climas templados. Esto sugiere que la genealogía tradicional que explica el origen de estas formas del patio desde la historia del arte debe completarse con la que estudia su comportamiento termodinámico para una más completa compresión del fenómeno. Un estudio como el propuesto en este apartado cabe la duda de si conclusiones significativas y generales como las expuestas se pueden extraer de tan pocos y seleccionados casos. Como se comentó al principio, la enorme cantidad de patios existentes en las distintas regiones mencionadas y la variabilidad de sus formas y proporciones, aconseja completar este estudio con otro más extensivo de carácter estadístico. Deberíamos, por ejemplo, considerar especialmente aquellas zonas de la ciudad que conservan una estructura más o menos heredadas frente a aquellas que claramente derivan de una aculturación impropia. De poco serviría estudiar los polígonos residenciales de los 60 y 70 o las ciudades dormitorios de viviendas unifamiliares como las que abundan de formas casi idénticas en los extrarradios de todas las ciudades del mundo y que paradójicamente concentran la mayor parte de la población. Pocas diferencias encontraríamos y pocas conclusiones podríamos extraer. La investigación que se está llevando a cabo en el marco del proyecto MORE-PATIO al que hicimos referencia, se centra en estos aspectos estudiando los centros históricos de distintas ciudades españolas y complementará adecuadamente el estudio mostrado. Sin embargo, el método utilizado en este apartado simplifica todo lo anterior al articularse en torno a dos ejes. Por un lado se identifican casos arquetípicos recogidos en la historiografía arquitectónica en 192

Capítulo 4. Estudio Dimensional de Patios Históricos

representación de cada grupo de patios. Y por otro lado, el acceso directo a la forma urbana que nos brinda actualmente internet, permite contrastar rápidamente si el tipo propuesto extraído de la historiografía se corresponde con lo observado en las fotos aéreas y que muestran la realidad de la generalidad de los casos en zonas representativas de esa ciudad. Se considera un método suficientemente riguroso para los fines de esta investigación que, sin embargo, hace un uso sostenible de los recursos investigadores apoyándose en las nuevas, potentes y económicas tecnologías de la información. Por tanto se puede concluir a la vista de los resultados resumidos en el cuadro de la figura 4.68 que en climas como el mediterráneo los patios son más frecuentes en arquitectura doméstica que en los climas fríos y articulan su arquitectura. Que la profundidad de los patios mediterráneos suele ser igual o menor a 1. También se puede concluir que cuando existen patios en climas fríos éstos son menos profundos con P<0,4 y de mayor tamaño que en los climas mediterráneos. Como se ha dicho anteriormente, este estudio, apoyado en la estadística, revela una tendencia no una ley verificable en cualquier caso particular. Siempre será posible localizar patios profundos y pequeños en climas fríos y poco profundos y grandes en climas cálidos. Pero la tendencia evidenciada en este estudio es la opuesta. Como consecuencia es razonable proponer que debe existir una relación entre la profundidad de los patios y el clima. Más concretamente podemos entender que a una mayor profundidad del patio se produce un comportamiento termodinámico que permite combatir mejor el calor. En los siguientes capítulos analizará con mayor precisión los fenómenos físicos del aire en los patios para entender y cuantificar lo evidenciado ahora.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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5. ESTUDIO LA TERMODINÁMICA PATIO 4. ESTUDIO 5. DE ESTUDIO DIMENSIONAL DE LA TERMODINÁMICA DE PATIOSDEL HISTÓRICOS DEL PATIO

Figura 5.0 Portada de capítulo. Patio Hotel Ilunion Málaga (Juan M. Rojas, Juan R. Montoya Arquitectos)

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Para poder entender y calcular el comportamiento térmico de los patios, primero hay que conocer y poner en relación los distintos fenómenos físicos que realmente confluyen en ese espacio. El análisis de estos fenómenos físicos nos indicará cuáles de ellos son más determinantes y por tanto deberíamos intentar entender y calcular con mayor precisión. En este apartado, se describen estas bases físicas del comportamiento térmico de los patios revisando desde un punto de vista arquitectónico, las investigaciones más clarificadoras que se han ido realizando sobre la materia. Además de la ayuda que supone para la descripción cuantitativa del proceso, este repaso nos dará un entendimiento físico del comportamiento del patio que facilita también su compresión cualitativa. Esto nos podría ayudar en la toma decisiones de partida en las primeras fases del diseño de un edificio, que son las que más determinan el comportamiento termodinámico de las construcciones (Olgyay & Olgyay 1963). Se trata de entender, como diseñadores de edificios, que es lo que podemos hacer para mejorar la eficiencia del patio como estrategia para ahorrar energía y mejorar el confort. Después de describir estos fenómenos físicos estudiaremos el comportamiento de distintos tipos de patios según las diferentes profundidades P caracterizadas. Se describe el método de simulaciones numéricas que usaremos usando código original basado en FreeFem++. Primero se realizarán simulaciones de patios simplificados con distinta profundidad. Se trata de comprobar si reproducen resultados de anteriores investigaciones y valorar así la fiabilidad de la simulación. Por otro lado es importante tener en cuenta que de entre todas las variables físicas descritas, nos centraremos en determinar sólo la temperatura del aire (temperatura de bulbo seco). Es cierto que, como veremos, la percepción de temperatura en un espacio depende también, además de la temperatura del aire, de la temperatura radiante así como del efecto de corrientes de aire sobre la piel. De hecho, se comprobará que la radiación directa del sol es el agente que aporta con diferencia más energía a un cuerpo en el espacio exterior especialmente en nuestro clima de alta incidencia solar. Pero en principio, al estudiar la eficiencia energética de los edificios, nos interesa conocer especialmente la temperatura de bulbo seco del aire del patio para poder contemplar mejor la potencialidad térmica de este aire al introducirlo en la edificación. La radiación no calienta el aire, es transparente a ella. Pero la importante radiación Termodinámica del Patio Mediterráneo

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sí se tendrá en cuenta indirectamente por su considerable efecto sobre la construcción al calentar sus envolventes. La temperatura superficial de estas influye en el aire en contacto con estas superficies calentándolo o enfriándolo (si la temperatura de la fachada es inferior a la del aire) por conducción y/o convección. Por otro lado, cuando estudiemos el confort en estos espacios, lo haremos usando el acercamiento propuesto por el confort térmico adaptativo descrito en el Capítulo 8. Este asume que en verano (estación en la que se centra el presente estudio por ser la más determinante en los climas cálidos como los mediterráneos) las personas en un espacio exterior que nos permita activar nuestra capacidad adaptativa y nos permita movernos, no suelen permanecer bajo el sol. En los países cálidos, se busca siempre la sombra en verano (fig. 5.0). Por tanto el valor de la incidencia solar directa no es algo tan determinante en un espacio exterior donde exista sombra. Habrá zonas de altísima radiación y los cuerpos situados allí podrían alcanzar muy alta temperatura. Sin embargo estas zonas muy soleadas de los espacios no estarán muy habitadas en verano. Esto parece una obviedad, pero como vimos en el Capítulo 2, los programas convencionales basados en cálculos nodales y balances energéticos totales no suele tenerlo en cuenta a la hora de determinar el confort. Asumen que cada espacio tiene una sola temperatura y no contemplan bien la variabilidad real y gradientes de radiación y temperatura dentro de un mismo espacio. Por otro lado, en el presente trabajo no se estudiará el efecto de la radiación de onda larga sobre los cuerpos provocado por la temperatura superficial de las fachadas. En un espacio exterior como el del patio, con fuerte contraste entre zonas de sol y sombra, existen paredes soleadas cuya temperatura superficial es superior a la de nuestra piel. Estas emitirán radiación de onda larga hacia nosotros. Otras superficies tendrán una temperatura inferior a la nuestra y absorberán la radiación de onda larga que emiten nuestros cuerpos. Es poco significativo calcular la media de todas estas temperaturas en el punto central del espacio. Siguiendo el entendimiento adaptativo del confort, las personas se moverán por ese espacio buscando el confort y muy probablemente se situarán cerca de paredes de temperatura inferior a la suya al situarse en la sombra. Esto se observaba claramente en las imágenes termográficas de los patios mostradas en el Capítulo 2 (fig. 2.32). Por tanto, en condiciones de verano, estaremos del lado de la seguridad si sobre las personas no tenemos en cuenta ese efecto positivo de sumidero térmico que supone estar cerca de superficies de temperatura inferior a la de la piel. 198

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Por último, tampoco estudiaremos el efecto refrigerante que las corrientes de aire tienen sobre la piel al favorecer la evotranspiración por dos motivos. El primero de ellos es porque, como veremos más adelante, las velocidades del aire a nivel de planta baja no suelen ser altas en la mayoría de patios profundos mediterráneos. El segundo, porque las investigaciones que sustentan el enfoque adaptativo del confort limitan la importancia de este efecto (Givoni 1969; Nicol et al. 2012) frente a lo que sostenían investigaciones anteriores (Olgyay & Olgyay 1963).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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5.1. Flujos naturales de energía

Según el Segundo Principio de la Termodinámica, el calor se transfiere siempre desde un foco caliente (fuente térmica) a otro más frío (sumidero de calor) (fig. 5.1 a). En la naturaleza este flujo se produce de tres formas distintas (fig.5.2). Figura 5.1 El segundo principio de la termodinámica determina que el flujo de calor vaya del cuerpo cálido al frío.

Figura 5.2 El flujo de energía se produce de tres formas distintas en la naturaleza (Sevilla Portillo 2000).

1. Radiación. Las ondas electromagnéticas, como la radiación solar o la infrarroja emitida por los cuerpos calientes, son en parte absorbidas por los cuerpos aumentando su temperatura y en parte reflejadas. Lo importante para nosotros es saber que el aire es prácticamente transparente a la radiación. La radiación no eleva directamente la temperatura del aire. Pero sí es un factor importante para el aire confinado entre los muros de un patio pues los muros calientes por la radiación solar pueden elevar la temperatura del aire en contacto con ellos. Son estos cerramientos los que por contacto directo (conducción) transmiten el calor al aire. Si hablamos del confort de las personas en un ambiente exterior en el sentido clásico (no adaptativo), la radiación es la principal causa de ganancia térmica por absorción del flujo de calor, representado el 55% de los totales (fig.5.3). Como es lógico, para evitar el calor en el exterior, lo más sensato y lo que suele hacer todo habitante nativo de las regiones mediterráneas es ponerse a la sombra. 2. Conducción. Es el proceso de transferencia de calor entre dos cuerpos por medio del contacto directo de sus partículas. Pero ocurre que, como el aire es un gas, sus partículas o moléculas están muy separadas por lo que su capacidad para conducir el calor es también muy baja. La conductividad térmica del aire es de 0,02 W/ (K•m) mientras la del agua es 0,58 W/(K•m). Consecuencia directa de esto es que cuando se trata de intercambiar calor en sistemas de climatización (enfriadoras, condensadoras...), el agua es mucho más eficiente que el aire. De hecho es el principal material aislante que se utiliza en la construcción directamente dejando cámaras de aire o en forma de burbujas integradas en otros materiales. Se puede llegar a despreciar la transferencia de calor por conducción entre dos volúmenes de aire contiguos. Es inevitable que con el tiempo estos dos volúmenes en contacto terminarán equilibrando sus temperaturas atendiendo al Segundo Principio de la de la Termodinámica. Pero

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

bajas temperaturas en las superficies que rodea a los peatones, reducir la radiación infrarroja. Sin embargo, calles estrechas y pueden conducir a los niveles de contaminación altos debido a la mala ventilación en la parte inferior de la calle cañón altos niveles de ruido donde hay tráfico y un entorno muy caliente cuando suelta de sistemas de aire acondicionado residuos de calor a la calle. Calles más amplias puede pasó a ser eficiente en términos de confort térmico de vera principalmente esto sucederá por la mezcla de sus respectivas masas si cuentan con toldos userá otros dispositivos de sombreado que protegen los espacios más que por conducción o radiación. Esta característica clave en ocupados de la radiación solar. Una ventaja de amplias calles desde el punto de vista el entendimiento de su comportamiento termodinámico. térmico es que pueden incluir elementos de calles (como la calles las funciones de asientos, vegetación, árboles, refugios, marquesinas, estructuras y agua) pa 3. Convección. Es el transporte de muebles, calor mediante corrientes de fluidos promover shading ycon buenas condiciones de comodidad. ya sean líquidos o gaseosos. El calor es transportado la masa en Avenidas de árbolesson sondiferencias apreciadas por los peatones y permitan elFernández uso de las calles MIATD ETSAS Juan Manuel Rojas los flujos o corrientes. El origen de estas corrientes amplia y soleadas en la planificación de presión consecuencias de microcambios en la densidad del aire urbana con comodidad de buen verano para lasproceso ciudades debido a distintas temperaturas delpeatones. medio. AEn este endonde el que es el importante la protección de la lluvia, los árboles educción de la temperatura a de burbujas integradas del en aire otros materiales. Se puede pueden sustituirse por columnatas. movimiento del aire está dominado por las fuerzas de flotación natural atios y calles estrechas proporcionan sombra como dejan erencia de calor por conducción entre dosextra volúmenes de el acceso de la sea nivel le suele denominar, en la losmayor trabajos de termotécnia, “Convección diación solar directa del suelo durante parte en ntendiendo que, en coherencia con el inevitable Segundo del día, especialmente 9. COMFORT peatonal Natural”. Se quiere diferenciar de otros procesos que también se rientaciones NE-SW o no-SE. Este bloqueo de la radiación solar también produce La duración e intensidad de la utilización de espacios al aire libre está estrechamente inámica por el que la Naturaleza “aborrece los gradientes” pueden considerar convectivos pues por ejemplo elvinculada calor aes también cómo cómodo son. Es posible controlar el clima de espacios al aire libre, ajas temperaturas las volúmenes superficies que rodea a los peatones, reducir la radiación 005), al final estosendos en contacto terminarán pero en comparación el acondicionamiento de edificios son grandes diferencias: trasportado por un flujo de corrientes de aire. Pero éstos pueden frarroja. embargo, calles estrechas y pueden a los niveles Eldenúmero de variablesconaser uras. PeroSin principalmente esto sucederá por laconducir mezcla de ser manipulados. debidos a grandes diferencias de presión a cientos de kilómetros de altos debido a la mala Esta ventilación en la parte inferior de laLa calle cañón, influencia relativa de cada variable. Por ejemplo, sol directo sobre las personas es sontaminación que por conducción o radiación. característica será y no a microcambios locales de la densidad del aire. Es generalmente mucho más importante fuera de las puertas, ya que no puede penetrar tossu niveles de ruido distancia donde hay tráfico y un entorno muy caliente cuando suelta deel caso de comportamiento termodinámico. hastaalahora dentro de un de los vientos, que a escala atmosférica sí responden esquema deedificio. En el interior, la temperatura del aire tiene más stemas de aire acondicionado residuos de calor a la calle. influencia. corriente inducida por las diferencias en la temperatura del aire, pero Hasta quéde punto se puede manipular cada variable. nsporte calor puede mediante de fluidos ya sean alles másde amplias pasócorrientes a ser eficiente en términos de confort térmico verano que a escala local, lo que tenemos es simplemente un deenaire por La flujo comodidad el nivel requerida. Al aire libre, personas pueden ser cómodas en una orcuentan es transportado la masa en los flujos o corrientes. El con toldoscon u otros dispositivos de sombreado que protegen los espacios de condiciones diferencia de presiones (propiedades mecánicas másamplia quegama térmicas). A porque generalmente pueden moverse más fácilmente y on diferencias de presión consecuencias de microcambios cupados de la radiación solar. Unaen ventaja de amplias calles se desde el punto vista realizar de una“Corrientes gama diferente de actividades. estas últimas determinados trabajos les denomina La figura 13de muestra los flujos de calor principales sobre el cuerpo humano. H es la bido distintas temperaturas del medio. A este proceso rmicoaes que pueden incluir elementos de calles (como la calles Forzadas”, que no deberán confundirse con las las funciones mecanizadas (H dlos ) y refleja (H r) de radiación solar absorbida por el tema; R directa (H D) difusade eluebles, aire está dominado por las fuerzas de flotación natural asientos, vegetación, árboles, refugios, marquesinas, y agua) para el intercambio de radiación de onda larga con alrededor de superficies; C es sistemas de ventilación de los edificios. estructurasrepresenta los trabajos dey termotécnia, “Convección Natural”. Se romover shading buenas condiciones de comodidad. la convección con el aire y E representa evaporación. el flujo de calor neto entre una persona y su entorno exterior es positivo, tienen que Figura 5.3 procesos también se puedenpor considerar convectivos venidas deque árboles son apreciadas los peatones y permitan elFernández uso deSi las calles Juan Manuel Rojas Ganancias térmicas de una persona en un compensar y equilibrarlo por el efecto de enfriamiento de sudoración. Laambiente tabla 3 asportado por la masa en las corrientes. Pero éstas son (Álvarez 2010) mplia y soleadas en la planificación urbana con comodidad de buen verano muestrapara los valores resultantes de lasexterior. ganancias de energía relativa de un sujeto humano Figura 29. Flujos de calor sobre el cuerpo humano en un espacio al aire libre ias de presión a cientosdonde de kilómetros de distancia y no de a la lluvia, enlos una árboles situación típica de ramas en una hora de verano caliente. eatones. En las ciudades es importante la protección puede Componente Contribución a Externo densidad del aire. Es el caso de los vientos, que a escala ueden sustituirse por columnatas. la Controlabilidad

es de l esquema de corriente inducida por las diferencias en la ganancias de gundo 9. COMFORT que a escala local, lo quepeatonal tenemos es simplemente un flujo calor (%) La duración e intensidad de la utilización de espacios al aire libre entes” esiones. A estas últimas en determinados trabajos se está lesestrechamente Ganancias Generación de 24 No controlable vinculada a cómo cómodo son. Es posible controlar el clima de espacios al aire libre, de calor neto narán adas”, que no pero deberá confundirse con las mecanizadas en comparación con el acondicionamiento de edificios son grandes diferencias: Asunto cla iónde de los edificios. El número de variables a ser manipulados. Radiación total 55 Controlable La influencia relativa de cada variable. Por ejemplo, sol directo sobre las personas es a será (directa + difusa generalmente mucho más importante fuera de las puertas, ya que no puede penetrar + a la radiación yhastaentre dosdevolúmenes aire se puede ahora dentro un edificio. En el de interior, la temperatura del aire tiene más refleja) luye por conducción, el factor más importante para influencia. Onda larga 14 Controlable. Probable Hasta quétermodinámico punto se puede manipular cada sean el comportamiento delvariable. aire en los patios intercambio a ser negativo en los días de La comodidad en el nivel requerida. Al aire libre, personas pueden ser cómodas en una fríos es. Ely la conducción ción que tenerlas en cuenta como amplia gamahay de condiciones porque generalmente pueden moverse más fácilmente y mbios contorno. El sol calienta por deradiación realizar una gama diferente actividades. las paredes del Convección 7 Controlable. Probable La figura 13 muestra flujos delímite calor principales sobre elelcuerpo humano. H es la oceso conducción, transmite a laloscapa del aire calor a ser negativo en los días de directa (H D) difusa (H d) y refleja (H r) de radiación solar absorbida por el tema; R atural fríos ra, diminuyendo su densidad e iniciando un movimiento representa el intercambio de radiación de onda larga con alrededor de superficies; C es Sesu importancia, ol”.por es el transporte de calor debido a la la convección con el aire y E representa evaporación. Ganancias totales 100% Si el en flujo el de calor netode entrecorriente. una persona y suYentorno exterior es positivo, ctivos asa transportada flujo el balance de tienen que La tabla 3. El equilibrio térmico en cifras compensar y equilibrarlo por el efecto de enfriamiento de sudoración. La tabla 3 Por lo tanto para mejorar el nivel de comodidad en un medio día caluroso reducir las s sonla mecla de volúmenes uras, de aire, condiciona en gran delde Patio Mediterráneo 201 muestraTermodinámica los valores resultantes las ganancias de energía relativa de un sujeto humano ganancias de calor desfavorables, eliminarlos en la medida de lo posible, o incluso, Figura de 7.9. la 29. Flujos de calor sobre el cuerpo humano en un espacio al aire libre y no aespacio de unFigura determinado. en una situación típica de ramas en una hora de verano caliente. Balance de ganancias una persona en un espacio exterior. convección e intercambio de térmicas onda larga, de modificarlos en las pérdidas de calor favorable. Componente Contribución a Externo escala Estrategias para proporcionar confort térmico en un entorno urbano al aire libre en un la Controlabilidad día caluroso verano pueden dividirse en tres grupos: en la

Si el aire es transparente a la radiación y entre dos volúmenes de aire se puede despreciar el calor que fluye por conducción, el factor más importante para entender el flujo de calor y el comportamiento termodinámico del aire en los patios es la convección. La radiación y la conducción hay que tenerlas en cuenta como condiciones iniciales o de contorno. El sol calienta por radiación las paredes del patio y esta a su vez por conducción, transmiten a la capa límite del aire el calor aumentando su temperatura, disminuyendo su densidad e iniciando un movimiento convectivo. Se quiere subrayar por su importancia, que la clave es el transporte de calor debido a la temperatura de la propia masa transportada en el flujo de corriente. Y el balance de masas a distintas temperaturas, la mezcla de volúmenes de aire, condiciona en gran medida el estado térmico de un espacio determinado.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.2. Balance energético en el espacio de los patios Los cambios en un entorno microclimático como es el patio deben ser calculados teniendo en cuenta el balance de masas y de energía (fig.5.4). El balance energético consta de los siguientes términos (De La Flor & Domínguez 2004). 1. Radiación de onda corta (H). La radiación de onda corta, es como dijimos muy energética y proveniente del sol es, en parte absorbida y en parte reflejada según la capacidad del elemento en reflejar la luz (reflectancia). Los objetos de color claro o brillantes reflejan más esta radiación y se calientan menos. Un paramento de fachada pintado de blanco puede reflejar el 90% de la radiación incidente. Como comentamos también, la radiación atraviesa el aire sin calentarlo al ser transparente a ella. Sólo la tendremos en cuenta en nuestro estudio como condición de contorno pues la radiación proveniente del sol nos servirá para el cálculo de la temperaturas superficiales de los paramentos. Al calentar el aire en contacto con ellos, pondrán producir fenómenos de flotación y por tanto convectivos pero sólo si la diferencia entre la temperatura del paramento y del aire es significativa. La incidencia de la radiación sobre las paredes depende directamente de la forma. Patios más profundos (P>1) reciben menos radiación y por tanto sus paredes se calientan menos. La utilización de sistemas de sombreamiento como lamas o toldos puede también contribuir a disminuir este calentamiento. Son estrategias de verano y por tanto apropiadas en climas cálidos. En climas fríos sin embargo, la menor profundidad (P<1) y mayor anchura de los patios permite mayor incidencia solar sobre los paramentos con el consiguiente calentamiento lo que es una estrategia de invierno típica de climas fríos. Finalmente, la radiación de onda corta se integra en la simulación realizada en la presente tesis a través de un software complementario de cálculo (Autodesk Ecotect Analysis integrado a partir de 2015 en Revit Solar Analysis de Autodesk) que determina tanto la influencia de la onda corta directa como la reflejada por los paramentos. 2. Calor almacenado en masa (Qcd). La radiación anterior es absorbida por los paramentos en los patios, elevando la temperatura de éstos. Es un calor que se almacena en sus masas. Este calor, como vimos, puede luego ser cedido al ambiente si la temperatura de este es Termodinámica del Patio Mediterráneo

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inferior al de los paramentos, convirtiéndose en una fuente de calor hacia el patio. Pero igualmente estos paramentos pueden perder calor por la noche mediante la emisión de radiación de onda larga al cielo nocturno o por ventilación suficiente de las superficies. El cielo nocturno se considera un “cuerpo negro” o sumidero donde la radiación de onda larga emitida por los masas calientes es absorbida. Como consecuencia la temperatura de estas masas puede ser inferior a la temperatura del aire del patio convirtiéndose ahora sumidero térmico y permitiendo el enfriamiento de este aire. Los paramentos funcionan por tanto como elementos de acumulación energética o inercia térmica (fuentes o sumideros) y pueden intercambiar calor con el aire o cualquier elemento del patio que esté a distinta temperatura. 3. Radiación de onda larga (Qr). La radiación de onda larga es intercambiada entre dos cuerpos cualesquiera de distinta temperatura. El de mayor temperatura radia calor sobre el de menor (fig 5.02). Esto sucede entre todos de los cuerpos pero los efectos empiezan a ser considerables cuando la diferencia de temperaturas es acusada. Podemos observar su origen en los cuerpos cálidos mediante imágenes termográficas (Capítulo 2, fig. 2.32, 2.33). Como dijimos, su efecto directo sobre el aire no es grande. Pero hay que

Figura 5.4 Balance energético en los patios. H. Radiación de onda corta. Qcd. Calor almacenado en masa. Qr. Radiación de onda larga G. Calor antropogérnico. Qc. Flujos de aire y condiciones de confinamiento.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

indicar que al igual que sucede con la radiación de onda corta para ambientes exteriores, en ambientes interiores la radiación de onda larga sí tiene efectos sensibles sobre el confort de las personas. Una temperatura en la cara interior de los cerramientos demasiado fría en invierno o caliente en verano produce un sensible intercambio directo de radiación con el cuerpo de las personas. Conseguir evitar sensaciones de disconfort, obliga a compensar esto calentando o enfriando de forma exagerada el aire mediante la climatización con el consiguiente despilfarro energético y con pobres resultados. El presente trabajo estudia la temperatura objetiva del aire en los patios que no se calienta directamente con la radiación sino por contacto directo con los cuerpos en contacto con ella. Las paredes enfrentadas sí que intercambian calor por radiación. Para simplificar el problema y empezar a estudiarlo, en principio el modelo numérico propuesto no considera tampoco los efectos de la radiación de onda larga debida a su temperatura. En un futuro trabajo aún más preciso, sí sería conveniente integrar también el fenómeno de emisión hacia el cielo nocturno de calor de los paramentos en forma de onda larga pues al bajar la temperatura de éstos puede transformarlos de fuentes a sumideros térmicos lo que sí tiene importancia en el enfriamiento del aire interior. 4. Calor antropogérnico (G). La actividad humana puede generar fuentes de calor que hay que contabilizar en el espacio de los patios. El caso más extremo puede ser el de las unidades exteriores de los sistemas de aire acondicionado. En general son muy evitables si se quiere utilizar ese aire por sus propiedades térmicas. Para ello, desde el diseño del edificio se deben prever las zonas dónde colocar estas unidades sin que perjudiquen las posibilidades de utilizar estrategias pasivas termodinámicas. 5. Flujos de aire y condiciones de confinamiento (Qc). Las líneas de corrientes de aire en un flujo adquieren especiales configuraciones al atravesar los patios dependiendo directamente de la forma de estos espacios. Unos de los elementos que más afecta al balance energético en el interior de los patios es el mayor o menor aporte de aire desde el ambiente exterior. Al final la temperatura del aire del patio es obtenida en gran medida como consecuencia de una mezcla entre volúmenes de aire a distinta temperatura. Las renovaciones horarias de aire, íntimamente relacionadas con los patrones de flujo y estos a su vez con las formas de los patios, son claves en este importante intercambio energético como veremos ahora. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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206

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.3. Principales fenómenos termoaeráulicos y la profundidad

El comportamiento termodinámico y por tanto la distribución de temperaturas en un patio se debe al flujo de masas y al balance energético mencionados entre los paramentos, los elementos del mismo (fuentes, vegetación…) y el aire que circula por ellos. Aunque en un caso real esto genera estructuras complejas en las distribuciones de temperatura, se puede afirmar que éstas son consecuencia de la superposición de tres comportamientos básicos (Álvarez 2001).

Figura 5.5 Estratificación en el patio.

1. Estratificación. En el caso de que las paredes se encuentren a una temperatura menor que la temperatura ambiente, el aire en contacto con ellas se enfría aumentando su densidad y pasando a estratos inferiores. Este desplaza el aire más cálido a estratos superiores tendiendo el proceso a evolucionar a un estado estable (fig. 5.5). 2. Convección natural. En caso de que las temperaturas de las paredes sea más cálidas que las del ambiente (por efecto de la radiación por ejemplo), el aire en contacto con ellas se calienta ascendiendo cerca de las paredes y dejando sitio a aire más frío y denso que se abre paso por el centro del patio generando una circulación convectiva (fig. 5.6). 3. Patrones de flujo. Tanto en la anterior descripción de la estratificación como en la de la convección pura, no se ha considerado la existencia de corrientes de aire incidiendo en el patio (como el viento). Sin embargo este es el otro factor clave para entender su comportamiento termodinámico. Especialmente en él la forma del patio tiene una importancia capital. Las estructuras de las corrientes (líneas de flujo), y por tanto las distribuciones de las temperaturas, dependen sobre todo del factor formal que hemos denominado Profundidad P (la altura dividida entre la anchura del patio P=h/a). Estudiar estos patrones tienen gran importancia para comprender termodinámicamente el comportamiento del aire en los patios. Cuando las diferencias de temperaturas locales no son tan grandes que ocasionen los efectos de flotación que explican la estratificación y la convección, o cuando el efecto de las corrientes de aire inducida por diferencias de presiones (vientos) tiene un efecto considerablemente mayor al de la flotación, podemos reducir en gran Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 5.6 Convección en el patio.

Figura 5.7 Patrones de flujo en el patio.

207

Juan Manuel Rojas Fernández

on on en es do os es os de cio

Figura 7.15. Figura 5.8 en patio Estratificación en patioEstratificación de profundidad P<1. con P<1. (Álvarez 2010)

Figura 7.15. Estratificación en patio conFigura P<1. 7.15.

as del ral

ca. nte es del del ea ad

medida el problema termodinámico a un problema mecánico de flujos y transporte de masas con los correspondientes cálculos de caudales, renovaciones y mezclas de aire a distinta temperatura. Por lo que, en estos casos, estudiando sólo éstos patrones de flujo que gobiernan este transporte y las mezclas de aire que provocan, podemos estudiar con suficiente aproximación la distribución de temperaturas en el patio (fig. 5.7).

Estratificación en patio con P<1.Estratificación 5.3.1.

y profundidad.

Como dijimos, este efecto se produce como consecuencia del contacto del aire con las masas construidas a menor temperatura, es decir cuando Figura 7.16. las paredes del patio son un sumidero térmico. Es más probable que Estratificación en patio con P=1. este efecto se produzca durante el día en patios profundos. El efecto es más perceptible cuando no hay importantes corrientes inducidas por viento. La estratificación se puede relacionar con la forma en un sentido cuantitativo. Tal y como vimos en los capítulos anteriores, la edificación mediterránea tradicional no es de gran altura y los patios profundos suelen tener un volumen menor que los de otras profundidades más Figura 5.9 Figura 7.16. abiertas. Esto conlleva que el proceso de estratificación en los patios Estratificación en patio de profundidad en P=1.patio con P=1. Estratificación (Álvarez 2010) profundos sea más intenso. O dicho de otra forma, al tener menor volumen de aire, el efecto enfriador de los cerramientos hace que con Figura 7.16. Figura 7.17. más probabilidad, el espacio del patio se rellene más de aire fresco Estratificación patio con P=1. Estratificación en patio en con P>1. estratificado (fig. 5.10). Inversamente, si el patio es más grande y contiene más volumen, más tiempo tiene que pasar y menos probable 98 es que el espacio se pueda rellenar con el aire fresco por estratificación (fig.5.8). La evolución de este proceso es hacia la estabilidad creándose las estructuras ordenadas y estratificadas en el espacio. En patios profundos, esta estabilidad lleva un estado de estaticidad del aire del patio en las plantas bajas que impide su renovación, pudiendo aparecer problemas de olores y en general de contaminantes en el aire (Hall et al. Figura 7.17. 1999). La intensidad del fenómeno en los patios dependerá mucho de Estratificación en patio con P>1. la relación entre la superficie de paredes que los genera y el volumen de aire total contenido. Por tanto la profundidad es aquí también un 98 parámetro a considerar. Figura 5.10 Estratificación en patio de profundidad P>1. (Álvarez 2010)

Figura 7.17. Estratificación en patio con P>1.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

cuando las temperaturas de , cuando las temperaturas de ue la temperatura exterior. El ue la temperatura exterior. El he, de s y cuando baja porlas el temperaturas centro. sque y baja por el Pero centro. la temperatura El que se tiene que cumplir el segundo principio noexterior. hay que olvidar de la termodinámica. Como describían gráficamente Schneider y Sagan llas y baja el centro. ación haciapor la mitad del patio este principio se puede ación hacia la mitad del patio traducir como que la Naturaleza “aborrece los gradientes” (Schneider & Sagan 2005). Cuando las energías pueden entral a una buena velocidad. entral a una buena velocidad. culación hacia lafluir mitad del patio en el interior uras más parecidas a las delde un sistema aislado como idealmente es el fluido aire en el interior turas más parecidas a las delde los patios, no se puede crear orden estable central a una buena velocidad. (estratos) si no es por la existencia permanente de una diferencia de Figura 7.18. raturas más parecidas a las del Figura 7.18.

niveles distantes del equilibrio (Prigogine & Isabelle La Convección naturalStenger en patio1979). con P<1. Convección natural en patio con P<1. estratificación del aire en el patio no es por tanto un estado estable Figura 7.18. se sitúan más juntos y el la metaestable. Esto quiere decir que esta estabilidad gradiente s se sitúan mássino juntos y el la Convección natural en del patio con P<1. cuentre sitio para bajar por la existan procesos que lo vayan regenerando se mantiene mientras os se sitúan más bajar juntospor y ellala cuentre sitio para como que laelevar temperatura de las paredes sean más bajas que la del aire ntamientositio quepara puede encuentre bajar por la entamiento queexterior. puede elevar Si las condiciones de contorno cambian y esto deja de ser así, alentamiento que puede elevarestratificada tiende a desaparecer. Es necesario cualquier estructura algún proceso constante que la reconstruya como veremos ocurre en los patios. retados en la boca del patio,

retados en la boca del patio, rovocandoenuna situación de apretados la boca del patio, provocando una situación de patio. ypatio. provocando una situación de 5.3.2. Convección natural y profundidad el patio. mantengan las diferencias de mantengan las diferencias de frente al estado estático Podemos detectaral más claramente este efecto principalmente por la e las diferencias de e mantengan frente al estado estático al Figura de 7.19. tarde o noche, cuando los paramentos de los patios peligro dealenrarecimiento oal las temperaturas Figura 7.19. ue frente estado estático Convección natural en El patio P=1. n peligro de enrarecimiento o altas que laConvección son normalmente más temperatura exterior. airecon caliente Figura 7.19. natural en patio con P=1. atural es siempre dinámico y on peligro de enrarecimiento o en contacto con lasyparedes sube junto a ellas ynatural baja por centro. Convección enel patio con P=1. atural es siempre dinámico natural es siempre dinámico y

Figura 5.11 Convección natural en patio de profundidad P>1. (Álvarez 2010)

Figura 7.21. 7.21. Temperatura por Figura Convección Temperatura por Convección natural en patio con P<1. Figura 7.21. natural enpor patio con P<1. Temperatura Convección natural en patio con P<1.

Figura 5.12 Convección natural en patio de profundidad P=1. (Álvarez 2010)

Figura 7.22. Figura 7.22. Temperatura porConvección Figura 7.22. Temperatura porConvección natural en patio con P=1. Temperatura natural en porConvección patio con P=1. natural en patio con P=1.

En patios anchos P<1 se suelen formar dos remolinos de recirculación hacia la mitad del patio (fig 5.11). El aire caliente baja sin problemas por al parte central a una buena velocidad. El patio se renueva bien de esta forma siendo las temperaturas más parecidas a las del exterior.

En patios de profundidades medias P=1, estos remolinos se sitúan más juntos y el la parte superior, dificultando que el aire encuentre sitio para bajar por la parte central (fig. 5.12). Se podría iniciar un proceso de sobrecalentamiento que puede elevar la temperatura del patio. Como en el caso anterior, la intensidad también dependerá de la relación superficie y volumen del patio y la profundidad un parámetro a tener en cuenta. En patios profundos P>1, los remolinos se sitúan muy apretados Figura 7.20. Figura 7.20. Convección natural en patio con P>1. Figura 7.20. Convección natural en patio con P>1. Convección natural en patio con P>1. Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 7.23. Figura 7.23. Temperatura por Convección Temperatura por Convección natural enpor patio con P>1. Temperatura Convección natural en patio con P>1. natural en patio con P>1. 209

Figura 5.13 Convección natural en patio de profundidad P>1. Figura 7.23. (Álvarez 2010)

99 99

Figura 5.14 Patrones de flujo en patio de profundidad P>1. (Sánchez 2002).

en la boca del patio, impidiendo que el aire fresco baje por la parte central y provocando una situación de sobrecalentamiento que eleva la temperatura del aire del patio (fig. 5.13). Pero para que este proceso se produzca, recordemos que las paredes deben estar sobrecalentadas, es decir a mayor temperatura que el aire. El principal factor que puede producir esto es la radiación solar sobre las fachadas. Pero precisamente en los patios profundos es más difícil que la radiación solar incida en las fachadas porque su geometría lo dificulta. Por tanto es más probable que en estos patios sombreados la temperatura de sus paredes sea inferior a la del aire y el proceso de convección ahora descrito sea menos frecuente que el de estratificación. Estas estructuras también son metaestables mientras se mantengan las diferencias de temperaturas entre las paredes y el aire exterior. Aunque frente al estado estático al que evoluciona la situación de estratificación anterior, el proceso de convección natural es siempre dinámico y produce un efecto de renovación del aire del patio.

Figura 5.15 Patrones de flujo en patio de profundidad P>1. (Sánchez 2002).

5.3.3. Patrones de Flujo y profundidad Las estructuras de las corrientes de aire o patrones de flujo que aparecen en los patios cuando interaccionan con el viento, dependen también de la profundidad como mostramos en las figuras 5.14-5.16. Es interesante para nuestra investigación profundizar en las investigaciones que han desvelado la forma en que esto se produce.

Figura 5.16 Patrones de flujo en patio de profundidad P>1. (Sánchez 2002).

210

En los experimentos realizados por David Hall en 1998 en el laboratorio BRE Large Building Test Facility de Cardington (Hall et al. 1999), se introdujeron en el tunel de viento (fig 5.19, 5.20) maquetas de distintas proporciones de patios consiguiendo medir las velocidades del aire en diferentes zonas del mismo. El objetivo era analizar las condiciones geométricas que podría favorecer la posible concentración de contaminantes en los patios (fig. 5.18). Las dimensiones y proporciones ensayadas aparecen en la figura 5.17. Las medidas absolutas son, como es lógico, muy reducidas para introducirse bien en el túnel y la velocidad de la corriente de aire que simula ser el viento, también es pequeña y proporcional a la escala del conjunto. La mayoría de los experimentos se hicieron con una velocidad de viento no perturbada a 100mm de altura de 1,5 m/s. Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Para ser mĂĄs operativo en la clasificaciĂłn de las distintas formas de patios para el objetivo de la investigaciĂłn y teniendo en cuenta sĂłlo se usaron patios de forma cuadrada, Hall estableciĂł el parĂĄmetro de la proporciĂłn entre la altura y la anchura del patio que denominĂł Aspect Ratio H/W. Este es el parĂĄmetro que en el presente trabajo se denomina como Profundidad (P = h/a) por motivos explicados en el apartado 4.2. Los experimentos cubren un rango de patios que va desde profundidades P = 5, patios muy profundos, a P = 0,1 grandes plazas. Se comprueba que cada tipo de patio en funciĂłn de su profundidad, tiene una distribuciĂłn particular de la velocidades en su interior. Estas responden a la presencia de formaciones caracterĂsticas de las lĂneas de corrientes del aire en funciĂłn de la profundidad que son los llamados patrones de flujo. Por tanto, la existencia de estas formaciones queda establecida experimentalmente en la investigaciĂłn de Hall de manera cuantitativa. La mediciĂłn en el experimento de la velocidad del aire a diferentes alturas dentro del patio, para una determinada velocidad de viento y una proporciĂłn de patio, permitiĂł establecer los perfiles de velocidad a distintas alturas en el plano medio de los patios (fig. 5.22). Estas distintas velocidades son explicadas por la formaciĂłn de las estructuras, antes mencionadas, que las lĂneas de corrientes dibujan al incidir el viento en un determinado tipo de patio y se corresponden con los patrones de flujo. La importancia de estos patrones de flujo radica en que condicionan las distintas renovaciones horarias del aire dentro de cada tipo de patio que a su vez determinan la mayor o menor relaciĂłn con el exterior. Consecuentemente esto condiciona la posibilidad de concentraciĂłn de contaminantes en el interior de los patios especialmente cuando la fuente de este contaminante estĂĄ en los propios patios. De hecho la finalidad de la investigaciĂłn de Hall era el estudio de la concentraciĂłn en los patios de agentes quĂmicos disueltos o en suspensiĂłn en el aire. Su investigaciĂłn buscaba la identificaciĂłn del riesgo para la salud que presentaban diferentes tipos de espacios exteriores en presencia de agentes nocivos que cobra importancia en el marco del estudio de los efectos de la poluciĂłn urbana en esos espacios y especialmente en el de la peligrosidad de las armas quĂmicas. La forma en que se llevaron a cabo los experimentos y sus resultados sugieren que debido al relativo aislamiento del aire de los patios del de el exterior, si el arma quĂmica cae dentro del patio, su concentraciĂłn serĂĄ mĂĄs peligrosa que si cae TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

Figura 5.17 Dimensiones de los modelos de patios para experimentos en tĂşnel de viento (Hall et al. 1999).

1190

D. J. Hall et al. / Atmospheric Environment 33 (1999) 1187â&#x20AC;&#x201D;1203

Fig. 4. Diagram of a â&#x20AC;&#x2DC;Courtyardâ&#x20AC;&#x2122; set up in the wind tunnel.

Figura 5.18 of the courtyard). One measurement was set in the centre Esquema de situaciĂłn de detectores y dispositivo de of the courtyard floor, on a metal disc of 20 mm diameter the remainder up theet midlines the inside walls and liberaciĂłn de gas dentro deland patio. (Hall al. of1999). on the roof of the courtyard. A typical sampling layout is

giving a value of D/W of 1.0. However, some experiments investigated higher values of D/W. Dispersion measurements were made using a diluted methane tracer (of 2.5% in air, with nearly neutral buoyancy) discharged uniformly through the floor of the courtyard at a fixed rate, as in Fig. 4. Typical tracer discharge rates were low, about 0.1 l m , so that the efflux velocity from the courtyard floor did not directly affect the airflow in the courtyard. The dispersed tracer was sampled through 1 mm bore tubing to a flame ionisation detector system (FID) which was specially designed for this type of work. It uses three FIDâ&#x20AC;&#x2122;s running through selector valves so that a large number of sampling points can be used. A fourth FID constantly monitors the background level of tracer so that this can be subtracted from the measurement in progress. Sample averaging times were of two minutes duration, sufficient to give a stable mean concentration. Experiments are quality controlled by a number of cross checks, including a mass balance measurement on a free plume for which the tracer emission rate and the integrated flux of concentration should agree, which checks out the whole system. Agreement was within 5.5% in the present experiments. Also the first measurement of each test uses the same sampling point for all three FIDâ&#x20AC;&#x2122;s, which must agree. Overall accuracy of measurement of trace gas concentration is about 10%. The system is more fully described in Hall et al. (1995). Trace gas concentrations were measured at about 20 sampling points (the number depending upon the depth

also shown in Fig. 4. All concentration measurements were non-dimensionalised in the usual form of a dimensionless concentration, K, defined here as CÂş Âź K" Q

(2)

Given a value of K for the experiment, the concentrations of contaminants at full scale can be determined by providing appropriate values of the other variables. In the experiments with stratified flow in the courtyards, either buoyant or heavier-than-air gases were added to the trace gas to generate unstable or stable stratifications. This is discussed in more detail in Section 4.4, which deals with these cases. Eq. (2) is that usually used to define the dimensionless concentration, K, based on dispersed contaminant concentration, C, from a release at a discharge rate Q. However, the other interest in the dispersion characteristics of courtyards noted in the introduction is related to the dispersion of heat and its effect on the air temperature in the courtyard. In this latter context, Sanchez and Alvarez (1997) have noted that the analogy of Eq. (2) for this purpose is

211

C (Âš!Âš )Âş Âź K" . q

(3)

1188

fuera. Pero, inversamente, si cae fuera, en la calle por ejemplo, el patio será un espacio seguroEnvironment que ésta. D. J. Hall et más al. / Atmospheric 33 (1999) 1187—1203

Shao et al. (1993) investigated the use of CFD for deteruna investigación sensible en el contexto de mining ventilation rates and used smoke for determining la defensa nacional británica, la investigación fue clasificada pormodel el the clearance rates of contaminants in wind tunnel and que full scale courtyards. gobierno del Reino Unido, hasta pudo publicarse en 1999. Por The two main concerns in courtyard ventilation are, 1. Introduction tanto, los objetivos de esa investigación estaban muy distantes del firstly, the direct rate of ventilation in terms of the estudio del microclima del patio y las ventajas bioclimáticas de suthe removal of unwanted contaminants and, secondly, Courtyards are a common architectural form. They and retention of a doctoral. microclimate. The requireare used for the generation of private que spaces,es improving temperatura, el objetivogeneration de la presente tesis

ambient fluid density Originalmente, al ser fluid density difference from ambient

ments are, of course, opposites, one requiring a maxithe ingress of light and control of the local microclimate mised rate of dispersion of any discharged contaminants, at almost all latitudes. In Northern climates they are used the other preferring a minimum. There appeared, howas wind shelters and sun-traps and in Southern climates Sin embargo, veremos que los descubrimientos realizados en las ever, to have been no direct measurements of the ventilafor shelter from the sun and the reduction of mean investigaciones de Hall también tienen importantes consecuencias en Figura 5.19 tion of courtyards, or its equivalent, the dispersion of temperatures, for example by the evaporation of water. If Interior del túnel de viento del BRE Large Building el estudio del microclima patios.contaminants El estudiofrom de within los patrones de them. the(BRE) definition of ‘courtyard’ is expanded somewhat tode losdischarged Test Facility de Cardington, Reino Unido. The present paperexplican describes some direct measurements take in other enclosed it can include deep light flujospaces realizados es uno de los factores que la diferencia de of dispersion from courtyards, using trace gases in small wells and relatively shallow piazzas, largely enclosed temperatura entre el interior del patio y el exterior pues esta se relaciona scale wind tunnel models. There are a large number of squares and the private spaces (usually gardens) formed variables of interest and it has notde been possible to conOn la this mayor posibilidad de mezcla caudales by outward-facing directamente buildings set in squares. basis o menor investigate all of them thoroughly here. However the the enclosed square,de courtyard or light volúmenes well must be onede of aire distintos exteriores e interiores a su distinta work presented here covers enough of these in sufficient the most common features of the built environment. Porterm tanto, finalmente, la reveal existencia y características de detail to the essential character of courtyard They are describedtemperatura. here under the generic of ‘courtventilation. yard’. los patrones de flujo son esenciales para entender el microclima de los Despite this ubiquity, there seem to have been few patios. Cuanto menor sea el número de renovaciones horarias, cuanto investigations of the ventilation of courtyards and enmásAnconfinado aire del ofexterior, más posibilidades hay closed spaces generally. interrogationesté of the el 9000 plusdel patio 2. Details experiments papers and reportsde in the AIVC yielded only que su database temperatura evolucione hacia valores distintos de los del about a dozen references. There were some descriptions The description of the experimental procedures have exterior. Eso no significa necesariamente quebrief lashere. temperaturas en el of the use of courtyards for generating modified microclibeen kept relatively A more detailed discussion mates, for example Ahlemiddi andsean Al Azzawi foundbajas in Hallcon et al.respecto (1995). interior del(1991) patio más altascanobemás al exterior (1991). There was also some work on the ventilation of The experiments were carried out in the BRE disperya que esto último depende de varios factores que se analizarán más courtyards. For example Bensalem and Sharples (1989) sion modelling wind tunnel at its Cardington laboratory. Figura 5.20 adelante. Esquema de preparación de experimento en túnel ventilation rates of courtyards and atria using measured A diagram of the wind tunnel is shown in Fig. 1. The de viento. (Hall et al. 1999). small orifice plate devices and Walker et al. (1993) and working section is 22 m long by 4.3 m wide and 1.5 m

212

Fig. 1. Diagram of dispersion modelling wind tunnel.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.3.4. Perfil de velocidades y profundidad Atendiendo a la gráfica de los perfiles de velocidad (fig 5.21), vemos que en el eje de ordenadas aparece la altura a la que se ha realizado la medición (z) con respecto a la altura total del patio (H). Este parámetro (z/H), denominado “altura adimensional” nos permitirá comparar comportamientos de patios independientemente de su dimensión absoluta. Los parámetros adimensionales son muy útiles cuando se trata de poner en relación objetos atendiendo a sus características formales o de proporción independientemente de sus distintas dimensiones absolutas. Por tanto, a lo largo de la presente investigación compara distintas proporciones en las secciones Forma, Energía y Modelosque de Cálculo. MIATD ETSAS de patios, utilizaremos con frecuencia este tipo de parámetros adimensionales (de hecho el mismo parámetro profundidad P es adimensional). En el eje de abscisas aparecen las distintas velocidades (las negativas indican dirección contraria) también adimensionalizadas (U/Uref) donde U es la velocidad medida en el patio y Uref es la velocidad de referencia a una gran altura. Posteriores investigaciones, realizaron simulaciones numéricas mediante modelos CFD en los que se consiguió reproducir los resultados experimentales, por ejemplo Sánchez, 2002. En la figura 5.21 se comparan los perfiles de velocidades en la sección central del patio obtenidas en los resultados experimentales y en el modelo CFD para una profundidad P = 5 Sección (Aspect Ratio=5) y P=1 (AR = 1). Figura 7.25. del túnel de viento del BRE (Building Research Establishment) en el laboratorio de Cardington, Reino Unido

Juan Manuel Rojas Fern

Perfil de velocidades según profundidad P del patio obtenido experimentalmente. Parámetros adimensionles.

Atendiendo a la gráfica de los perfiles de velocida (fig 7.26), vemos que en el eje de ordenadas aparec la altura a la que se ha realizado la medición ( con respecto a la altura total del patio (H). Es parámetro (z/H), denominado “altura adimensiona nos permitirá comparar comportamientos de patio independientemente de su dimensión absoluta. Lo parámetros adimensionales son muy útiles cuand se trata de poner en relación objetos atendiend a sus características formales o de proporció independientemente de sus distintas dimensione absolutas. Por tanto, a lo largo de la presen investigación que compara distintas proporcione en las secciones de patios sin importar su tamañ utilizaremos con frecuencia este tipo de parámetro adimensionales (de hecho el mismo parámet profundidad P es adimensional).

En el eje de abcisas aparecen las distintas velocidade (las negativas indican dirección contraria) tambié adimensionalizadas (U/Uref) donde U es la velocida medida en el patio y Uref es la velocidad de referenc a una gran altura.

Termodinámica del Patio

Figura 7.26. Comparación entre resultados experimentales y modelo numérico de Mediterráneo Perfiles de velocidad en el plano central (F. Sámchez, 1998)

Posteriormente, se realizó una serie de simulacione numéricas mediante modelos CFD (F. Sánche 1998) en los que se consiguió reproducir de form los resultados experimentales. En la figu Figuranotable 5.21 Comparación entre resultados delos experimentos 7.26 se comparan perfiles de velocidades en y CFD del perfil de velocidad en función de la sección central del patio obtenidas en los resultado profundidad del patio y la altura dentro del mismo. experimentales y en el modelo CFD para un (Sánchez 2002). profundidad P = 5 (Aspect Ratio=5) y P=1 (AR = 1

213

Forma, Energía y Modelos de Cálculo. MIATD ETSAS

P=5

P=1

P = 0,1

Figura 7.27. Patrones de flujo según profundidad y Perfiles de velocidad en el plano central para distintas profundidades de patio (F. Sámchez, 1998) Figura 5.22 Perfiles de velocidades a distintas profundidades y patrones de flujo en el plano central. (S. Álvarez, F. Sanchez 1998).

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Patrones coincide

Los mod para varia los siguie datos ex bajas P = suelo com siempre ningún f de la dir la inexis claro el c represent modelo C Para prof cerca de hacerse en el pat el dibujo patios se mismo co superior y de mayor son pequ acusado mayor. La parte alta de los pa Estos dat las renov de patio, renovacio menos (F

5.3.5. Patrones de Flujo según CFD y los experimentos en túnel de viento Investigaciones llevada a cabo (S. Álvarez, F. Sanchez 1998) en el contexto del estudio de las condiciones microclimáticas de los patios, han realizado simulaciones CFD mediante programas comerciales como el Fluent ®, para distintas de profundidades de patios. Los resultados que se obtuvieron reproducen con bastante exactitud los resultado experimentales obtenidos por Hall. Así, los patios con profundidades bajas P = 0,1 tienen poca velocidad de flujo cerca del suelo como muestra su perfil y presentan velocidades siempre positivas (fig. 5.22). Esto quiere decir que no aparece ningún flujo de corriente en dirección opuesta al de la dirección del viento lo que es indicativo de la inexistencia de torbellinos (también denominados recirculaciones, vórtices, remolinos, etc…). Gráficamente queda claro el concepto al hacer corresponder los perfiles de velocidades de distintas profundidades (o AR, Aspect Ratio) con sus patrones de flujo obtenidos del modelo CFD (fig. 3.08). Para profundidades intermedias ( P = 0,3 - 0,5 - 1 ), cerca del suelo las velocidades son negativas para hacerse positivas a medida que la altura es mayor en el patio. La interpretación de esto es clara viendo el dibujo de los patrones de flujo (fig. 5.22). A medida que aumentamos la profundidad de los patios, se va formando un torbellino que ocupa en profundidades medias (cerca de P=1) la totalidad del mismo con velocidades máxima positivas en la parte superior y máximas negativas en la inferior. Para patios de mayores profundidades (P= 1,5 - 5) las velocidades son pequeñas en casi toda su altura. Los patios profundos mediterráneos son espacios al abrigo de los vientos donde las corrientes de aires son muy escasas en sus alturas bajas. En este punto hay que subrayar que la planta baja es la más significativa en los patios mediterráneos porque en es en ese nivel donde es posible usarlos y tomar fácilmente aire de los mismos para ventilar el edificio, como luego veremos. En los patios profundos (como P=5) las velocidades máximas las encontramos en la parte alta del patio, donde se observa que en el diagrama de los patrones de flujo se forma un pequeño remolino. Este remolino se comporta como tapón que aísla el patio de la influencia de los vientos exteriores. Este fenómeno es clave en el entendimiento del comportamiento termodinámico de los patios mediterráneos. Los datos de perfiles de velocidades se

Termodinámica del Patio Mediterráneo

215

corresponden directamente con los de las renovaciones hora (abreviado ACH del inglés Air Changes per Hour) para cada profundidades P de patio, siendo los de P = 1 los que más renovaciones tienen en la sección intermedia y los profundos (P = 5) los que menos.

5.3.6. Profundidad y comportamiento termodinámico de los patios Podemos resumir lo visto hasta ahora sobre la relación entre las características geométricas o formales de los patios y su comportamiento termodinámico en el siguiente cuadro comparativo realizado a partir de simulaciones CFD de la estratificación y convección procedentes de investigaciones anteriores (Sánchez 2002) y las simulaciones de los patrones de flujos realizadas con el nuevo método desarrollado para la presente tesis y que explicaremos más adelante. Estos resultados son coincidentes con los resultados experimentales de túnel de viento realizados en investigaciones anteriores (Hall et al. 1999). Este cuadro resumen nos permite una compresión integradora de los distintos fenómenos físicos en relación a la profundidad del patio (fig. 5.23). Como vimos en el capítulo anterior, los patios poco profundos (P<1) de los edificios reales históricos suelen corresponder a edificaciones más grandes. Es lógico porque las alturas en los edificios urbanos anteriores a la revolución industrial (previos a las estructuras armadas con acero y a la invención del ascensor) no suelen exceder los márgenes que van entre 2 y 4 plantas. Por tanto, al mantener esa altura, una profundidad baja implica una anchura mayor y un conteniendo mayor de volumen de aire. En estas condiciones, el efecto de la convección y de la estratificación es menos intenso pues su ámbito se circunscribe a los volúmenes de aire cercanos a las superficies. Por otro lado, el patrón de flujo permite observar que las corrientes de aire exteriores penetran fácilmente en el interior del patio dificultando la posibilidad de la generación de estructuras termodinámicas dentro del mismo. Como consecuencia, es menos probable al existencia de un microclima característico y diferente del ambiente exterior. Esto puede colaborar a explicar la tendencia observada en el capítulo anterior por la que los patios de regiones frías, cuando existen, suelen ser anchos y poco profundos. Probablemente la intención de los mismos no es tanto procurar un microclima como permitir que la radiación solar incida de manera suficiente sobre las fachadas. 216

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Los patios de profundidades medias (P=1) tienen un una relación de superficies y volumen totales que permiten más fácilmente la detección de los fenómenos de estratificación y convección. El tamaño relativo de la apertura superior, permite que estos fenómenos sean más intensos que en los patios menos profundos. El patrón de flujo nos informa de la existencia de un vórtice que ocupa todo el espacio y que recircula la mayor parte del aire dentro de él lo que conlleva una renovación considerable del aire. Estos espacios aunque con cierto grado de aislamiento, están todavía suficientemente conectados a las condiciones exteriores y especialmente a la velocidad del viento. Veremos que existen microclimas pero con condiciones interiores moderadas. Es decir, son espacios que al estar suficientemente ventilados tiene bajo riesgo de enrarecimiento del aire, pero poseen condiciones térmica que se diferencian y moderan a las del exterior. En climas templados como el mediterráneos, aportan grandes beneficios a la construcción al asegurar ambientes muy saludables por la calidad del aire y moderar las temperaturas. Por ello, como vimos en el capítulo anterior, esta equilibrada profundidad de patio la encontramos en los edificios más nobles y representativos (palacios, casas señoriales, etc…) de la mejor arquitectura mediterránea.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 5.23 Profundidad P=a/h y comportamiento termodinámico del aire en el patio.

217

Por último, a partir de los estudios previos analizados arriba y de simulaciones realizadas por el autor que se describirán el los capítulos siguientes, se puede afirmar que en los patios más profundos (P>1) tanto la estratificación como la convección son fenómenos con intensas consecuencias. La razón es que en estos patios el volumen total de aire es bajo (como vimos suelen ser patios de dimensiones absoluta pequeñas) y porque la conexión con el exterior es angosta, lo que impide que el ambiente exterior penetre. En concreto, en el proceso de convección, el aire recalentado por las paredes intenta escapar hacia el exterior y el aire exterior intenta entrar por el centro de la apertura superior. Pero como ésta es tan estrecha, dificulta enormemente este proceso con lo cual la tendencia es al sobrecalentamiento del espacio. Sin embargo, como dijimos al describir la convección, para que se éste fenómeno se produzca es necesario que las paredes estén sobrecalentadas lo que suele ser consecuencia de la radiación solar. La geometría de los patios profundos hace que este proceso sea más improbable. Por ello, es más factible que tengamos las paredes sombreadas y a una temperatura inferior a la del aire por lo que el proceso más característico en este espacio no será el de convección sino el de estratificación. Este será más intensa aún que en patios de profundidades más bajas no sólo porque su volumen de aire es menor sino por estar considerablemente más aislados del exterior. Al observar el patrón de flujo, comprobamos la existencia del pequeño vórtice que hace de tapón y bloquea la entrada de corrientes de aire exterior. Con ello se impide que estas corrientes exteriores puedan desestabilizar la estructura estratificada del aire. La velocidad del aire cercana a cero que, como vimos más arriba, se observaban en el perfil de velocidades en la parte baja de este espacio, confirma este comportamiento. Estas condiciones estables dan el tiempo necesario para que aparezcan estructuras estratificadas con suficiente gradiente de temperatura. Por tanto los espacios de estos patios están muy aislados del ambiente exterior facilitando la generación de microclimas que evolucionan con temperaturas considerablemente inferiores a las exteriores como podremos comprobar en el apartado experimental. De esta puesta en relación, se deriva una de las ideas principales defendidas en el presente trabajo. La geometría de los patios es uno de los factores más importantes que pueden condicionar el comportamiento de termodinámico de los patios. El proyecto arquitectónico que define la forma de los edificios y de sus patios es por tanto responsable de este comportamiento. 218

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.4. Controversia sobre atrios y patios

Como consecuencoa de las numerosas referencias a atrios vistas hasta ahora, y despues de analizar los principales fenómenos físicos del aire en los patios, es necesario aclarar las diferencias entre patios y atrios pues éstos se han convertido, en un “fetiche” internacional de la arquitectura sostenible. En muchos edificios recientes en nuestro entorno con el apelativo sostenible o bioclimático, el uso de los atrios acristalados parece ser un eje fundamental. La arquitectura bioclimática ha destacado las virtudes de los patios, como se ha comentado. Pero se podría decir que este espacio sigue siendo un gran desconocido incluso para los arquitectos sensibilizados con el medioambiente. En algunos de los trabajos consultados, se comprueba cómo a veces se denomina “patio” a lo que en realidad son “atrios”. Se puede considerar esto indicativo del grado de confusión general sobre el asunto. Efectivamente existe un “atrio” que es un patio real y es el “atrio romano” de la Roma clásica.

Figura 5.23a Atrio adaptado a clima mediterráneo en el hotel Illunion Málaga (Juan M. Rojas, Juan R. Montoya Arquitectos).

Para valorar la idoneidad de un atrio, hay que estudiar cada caso para entender las condiciones de diseño y el clima al que responde (Aldawoud & Clark 2008). Un atrio con cubierta opaca o con lucernarios en donde se ha estudiado la incidencia solar, podría ser adecuado incluso en climas mediterráneos (fig 2.23a-2.23b). En este caso su funcionamiento no se basa tanto en el efecto invernadero de los atrios, tan inadecuado en climas cálidos, como en la estratificación del aire en un espacio alto y umbrío. Aunque la relación con el exterior en muchos de estos casos es bastante menor, es importante para su buen comportamiento, la existencia de aperturas motorizadas y domóticas que permitan extraer el aire cuando se den determinadas condiciones (sobrecalentamientos, necesidad de renovaciones... (Sharples & Bensalem 2001; Abdullah & Wang 2012). Como consecuencia, es necesario ahora describir algunas claves del funcionamiento termodinámico de los atrios y su diferencia con los patios lo que nos permitirá entender mejor a estos.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 5.23b Sección de atrio adaptado a clima mediterráneo en el hotel Illunion Málaga. Lucernario con apertura domotizada en la parte superior (Juan M. Rojas, Juan R. Montoya Arquitectos).

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Figura 5.24 Esquema de funcionamiento térmico del patio. Estrategia bioclimática para climas cálidos.

Figura 5.25 Esquema de funcionamiento térmico del atrio. Estrategia bioclimática para climas fríos.

220

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Si los patios son espacios exteriores dentro de la edificación y por tanto totalmente abiertos al cielo por su parte superior, (fig. 5.24) los atrios son espacios interiores cuya altura recorre varias plantas del edificio teniendo frecuentemente su cubierta acristalada (Moosavi et al. 2014). El atrio permite regular e inducir ventilaciones en los edificios haciendo que el aire salga al exterior por su parte superior (fig. 5.25) gracias a la presencia de uno o la combinación de varios de los procesos que ahora describiremos (Sharples & Bensalem 2001). 1. Convección natural. Es el más importante de los modos de funcionamiento del atrio pues es el más frecuente y el que le da razón de ser. El aire de estos espacios es calentado gracias al efecto invernadero producido por su cerramiento superior acristalado. La mayor temperatura del aire disminuye su densidad y el aire cálido se eleva en el espacio del atrio para salir por las aperturas colocada al efecto en la parte superior del mismo. Es importante reseñar que tal y como muestran estudios sobre edificios reales y sobre modelos numéricos, la eficacia del proceso depende de la temperatura exterior (Capote & Alvear 2008). De modo que cuando esta temperatura exterior es elevada (verano de climas mediterráneos) puede que sea incluso bastante superior a la del interior del atrio. Por convección natural, el aire interior del atrio, más denso que el exterior más cálido, no podría salir nunca al exterior, existiendo el riesgo de sobrecalentamiento. Hay atrios cuyo cierre superior es opaco y el funcionamiento, que no se debe al proceso anterior, es más complejo y quizá si se estudia adecuadamente, más coherente con nuestro clima como dijimos más arriba. 2. Extracción de aire por ventilación. El aire entra por las aperturas en un lado de la parte superior del atrio y sale por otro generando una corriente de aire con una determinada velocidad. Por las condiciones de equilibiro del fluido o ecuación de Bernoulli (simplificación de las ecuaciones de Navier-Stokes que luego veremos), este aire en movimiento posee menor presión que el aire a menor velocidad de las partes bajas, creándose una succión que extrae el aire del atrio hacia el exterior. Por tanto este proceso depende enteramente de la existencia de viento, que a veces tiene que ser considerable para asegurar eficazmente el proceso en condiciones de verano y evitar el sobrecalentamiento, lo que no ocurre siempre.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

221

3. Extracción mecánica. Sin duda el más seguro de los tres. Ventiladores situados en la parte superior extraen el aire del atrio creando subpresión y asegurando su movimiento desde el atrio hacia el exterior. Los mínimamente sofisticados funcionan domóticamente de forma subsidiaria cuando detectan que los procesos anteriores no se dan o no con suficiente intensidad para asegurar la extracción de aire y evitar el sobre calentamiento de estos espacios. Especialmente hay que asegurar su adecuado funcionamiento en caso de incendios (Faller 2003). Es importante destacar dos características del funcionamiento de los atrios que podemos comparar luego con las de los patios. La primera es que su buen funcionamiento se basa en que en su interior se encuentra el aire más cálido del edificio (al menos en su parte superior). Y segundo, la dirección de las corrientes de aire hacen que este fluya siempre desde el atrio hacia el exterior y desde los espacios anexos al atrio hasta éste. Por tanto su misión principal extraer aire induciendo corrientes y la ventilación del edificio a modo de gran chimenea. Parece claro que en nuestro clima es en principio más sensato buscar la inducción de corrientes de aire para ventilación creando un foco fresco en un espacio tan central habitable que un foco sobrecalentado por efecto invernadero. Algún foco cálido también podría complementar al patio, como veremos, pero en una posición y dimensión que no perjudique al edificio. Es el caso de los lazos convectivos generados en las “chimeneas solares” que se podrían considerar como casos extremos de atrios que permiten extraer aire induciendo corrientes de manera natural. Estos si pueden ser parte de una estrategia para forzar corrientes de aire de manera natural en edificios situados en climas cálidos (Neila González 2004; Moosavi et al. 2014). Además es una estrategia que se puede implementar a un coste razonable y por tanto adecuado para mejorar la eficiencia de edificaciones residenciales de carácter social (Macias et al. 2009). Estas medidas han sido llevadas a la práctica en el hotel de Málaga estudiado que describiremos en el Capítulo 6.

222

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.5. Estudio de la temperatura adimensional

Para estudiar las propiedades termodinámicas de los patios, es adecuado atender en primer lugar a las consecuencias térmicas derivada de los patrones de flujo. Al ser responsable del mayor o menor aislamiento del aire del patio con respecto al exterior, condiciona la mezcla de aire interior y exterior favoreciendo o dificultando la posible evolución diferenciada de sus temperaturas. Es decir, se extraen consecuencias térmicas de fenómenos que son puramente fluido-mecánicos (que atienden sólo a la presión y a la velocidad). Esta simplificación, por tanto, no tiene en cuenta los fenómenos puramente termodinámicos derivados de la flotabilidad (estratificación y convección). Sin embargo es muy útil porque nos permite un primer acercamiento cuantitativo al problema sin afrontar toda su complejidad en un primer momento. Por otro lado nos permite analizar independientemente el fenómeno mecánico en profundidad lo que tiene sentido habida cuenta de las grandes diferencias en el rango dimensional y temporal que suele haber entre los patrones de flujo y los fenómenos térmicos de estratificación y convección. Para entender el parámetro de la temperatura adimensional, es necesario describir otra serie de experimentos realizados también por David Hall. La importancia para nuestro estudio, centrado en la temperatura de los patios, radica en que los resultados de éstos experimentos (mecánicos) fueron interpretados en clave térmica por otros investigadores (Álvarez et al. 1998) permitiendo extraer conclusiones sobre las capacidades de confinamiento de calor de los distintos tipos de patios. El presente trabajo aporta a su vez una reinterpretación de estas investigaciones anteriores que busca profundizar en sus consecuencias y completar sus aportaciones.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

223

Juan Manuel Rojas Fernández

nteriores simulaciones de patios

5.5.1. Estudio de la Temperatura adimensional en función de la profundidad P

Además de hallar el perfil de velocidades según la altura, D. Hall realizó otra serie de experimentos para profundizar en la estructura AS Juan Manuel Rojas Fernández de las líneas de corrientes (Hall et al. 1999). Se trataba de medir la alización de estas simulaciones sobre las distintas capacidad de los distintos tipos de patios para dispersar o concentrar ción de las mismas en el presente trabajo mediante contaminantes. Con este fin, en el centro del suelo de los patios anteriores simulaciones de patios mportante describir otra serie de esclarecedores simulados en el túnel de viento, se descargó de forma uniforme Los resultados de éstos fueron también interpretados metano en cantidades suficientemente pequeñas para no interferir onclusiones importantes sobre la capacidades de con los patrones de flujo. Se midieron las concentraciones de metano adas. pos de patios. Y el presente trabajo aporta a su vez en 20 puntos incluyendo el suelo y las paredes del patio (fig. 5.18). e busca completar sus aportaciones. Las medidas de concentración fueron adimensionalizadas utilizando la alización de estas simulaciones sobre las distintas ción de las mismas en el presente trabajo mediante expresión de la fig. 5.26. atura adimensional en función de la profundidad mportante describir otra serie de esclarecedores Los resultados de éstos fueron también interpretados Representando la curva de estas concentraciones adimensionales Profundidad ( H/W) de laPProfundidad P (h/a) (fig. 5.27), onclusiones importantes sobre la capacidades de en la base del patio en función des según la altura, D. Hall realizó otra serie de observamos que para profundidades bajas tenemos concentraciones ipos de patios. Y el presente trabajo aporta a su vez uctura decompletar las lineas sus de corrientes. Se trataba de medir igualmente bajas que aumentan rápidamente al aumentar la ue busca aportaciones. os para dispersar o concentrar contaminantes. Con ios simulados en el túnel de viento, descargó de eratura adimensional en función de lase profundidad suficientemente pequeñas para no interferir con los entraciones de metano en 20 puntos incluyendo el Profundidad H/W) W2 CPU( ref ades según la altura, D. fueron Hall realizó otra serie de didas de concentración adimensionalizadas K=

das.

uctura de las lineas de corrientes. Se trataba de medir tios para dispersar o concentrar contaminantes. Con atios simulados en el túnel de viento, se descargó deen entraciones adimensionales en la base del patio suficientemente pequeñas para no interferir con los .1 bis), observamos que para profundidades bajas centraciones de metano en 20 puntos incluyendo el Siendo: bajas que aumentan rápidamente al aumentar la edidas de concentración fueron adimensionalizadas

anzado para P = 0,3. A partir de aquí la concentración a profundidad hasta un mínimo alcanzado cuando P centración la base del patio Este entracionesen adimensionales en vuelve la baseaumentar. del patio en s estructura de los patrones de flujo. 8.1 bis), observamos que para profundidades bajas

bajas que aumentan rápidamente al aumentar la canzado para P = 0,3. A partir de aquí la concentración la profundidad Figura hasta5.26 un mínimo alcanzado cuando P Concentración de contaminantes ncentración en la base deladimensional patio vuelve aumentar.enEste patios. (Hall et al. 1999). as estructura de los patrones de flujo.

Siendo:

K C Uref Siendo: W K C Uref W

concentración adimensionalizada del gas. concentración en el punto de medida. C U W2 velocidad del vientorefa la altura de referencia Hmax. K= longitud del lado del Q patio.

Q cantidad de contaminante librada en el patio.

concentración adimensionalizada del gas. Concentración adimensionalizada del gas. concentración en elenpunto de medida. Concentración el punto de medida. velocidad deldel viento a la aaltura de referencia Hmax. Figura Velocidad viento la altura de referencia H max 8.1bis Concentraciones de gas a dimensionales en la base del patio longitud deldel ladolado del patio. Longitud del patio. en función de la profundidad P

Cantidad contaminante librada en el patio. Q cantidad de de contaminante librada en el patio.

Figura 8.1bis Concentraciones de gas a dimensionales en la base del patio en función de la profundidad P

224

107

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

107

profundidad P hasta un valor máximo alcanzado para P = 0,3. A partir de aquí la concentración va cayendo a medida que aumentamos la profundidad hasta un mínimo alcanzado cuando P = 1,5. Si seguimos aumentando P, la concentración en la base del patio vuelve aumentar. Este comportamiento está relacionado evidentemente con las estructura de los patrones de flujo. La concentración de contaminantes fue relacionada, como se dijo, con la capacidad de los patios para concentrar o disipar calor (Álvarez et al. 1998). La concentraciones K debidas a los patrones de flujo indican la capacidad del aire de distintas geometrías de patios para relacionarse con el ambiente exterior. Teniendo en cuenta que, como ya se dijo más arriba, la mezcla de aire del patio con el aire exterior es uno de los factores que determinan su temperatura, saber lo anterior es muy importante. Está indicando la capacidad de cada tipo de patio de favorecer o no la mezcla de su aire con el del exterior y por tanto de equilibrar o no sus temperaturas.

1194

D. J. Hall et al. / Atmospheric Environment 33 (1999) 1187—1203

Figura 5.27 Concentración adimensional de contaminantes en la base de patios de distinta profundidad (Hall et al. 1999).

/W, on concentrations at the base of the courtyard. Wind direction 0°. H Mediterráneo ratio, 8. Effect of aspectdel Fig.Termodinámica Patio

225

Juan Manuel Rojas Fernández

cionada por F. Sánchez con la capacidad (Sánchez, F. 1998). La concentraciones K acidad del aire de distintas geometrías de rior. Teniendo en cuenta que la mezcla de s factores que determinan su temperatura, icando la capacidad del aire de cada tipo r tanto de equilibrar o no sus temperaturas

Cálculo. MIATD ETSAS

Recordamos que debido a la capacidad aislante del aire, la conducción por contacto directo entre volúmenes de aire es baja comparada con el transporte energético por convección, el transporte del calor por la masa. Por tanto, cuando las diferencias de temperaturas no son muy grandes y existe viento, más que los procesos derivados de la flotabilidad del aire, lo que más condicionarán las temperaturas en un primer momento serán las estructuras de las corrientes de aire (patrones de flujo) pues gobiernan la mezcla de los distintos volúmenes de aire exterior e interior a distintas temperaturas. Y estos patrones, a su vez, dependen de la forma de los patios (profundidad P). Por lo que, en última instancia, en los casos indicados, la forma de Juan Manuel Rojas Fernández de igual forma que los patios condiciona la temperatura en los mismos lo hacía con los contaminantes.

menes de aire es despreciable frente a la contaminantes fue relacionada por F. Sánchez con la capacidad asa. Por tanto, cuando las diferencias de centrar o disipar calor (Sánchez, F. 1998). La concentraciones K La capacidad de concentrar o disipar contaminantes de los patios másla capacidad que losdelprocesos derivados sviento, de flujo indican aire de distintas geometrías de se con el ambiente exterior. Teniendo en cuenta que la mezcla de debido a los patrones de flujo está relacionada con la capacidad de cción natural), lo que más condicionarán re exterior es uno de los factores que determinan su temperatura, concentrar o disipar calor de una forma directa. Si como dijimos, as corrientes de airela capacidad (patrones dedeflujo). uy importante. Está indicando del aire cada tipo con el aire exterior y por tanto de equilibrar o no sus temperaturas volúmenes de aire exterior e interior a 2 En la expresión anterior de la fig.8.1 C podemos sustuirlo por ρ C p (T − T∞ ) U ∞ W u vez, dependen de la forma de los patios θ = Obteniendo: Q ia, en los casos indicados, forma de los onducción entre volúmenes de aire es la despreciable frente a la orte del calor por la masa. Por tanto, cuando las diferencias de mos de igual forma que lo hacía con los

muy grandes y existe viento, más que los procesos derivados e (estratificación, convección natural), lo que más condicionarán n las estructuras de las corrientes de aire (patrones de flujo). mezcla de los distintos volúmenes de aire exterior e interior a aún la capacidad de concentrar o disipar . Y estos patrones, a su vez, dependen de la forma de los patios flujo con laindicados, capacidad delos o patrones que, en última de instancia, en los casos la forma de emperatura en los mismos de igual forma que lo hacía con en condiciones de vientos y/o diferenciaslos

ρ C p (T − T∞ ) U ∞ W 2

θ =

En la expresión anterior de la fig.8.1

Siendo:

Obteniendo:

C podemos sustuirlo por ρ C p (T − T∞ ) U ∞ W 2 θ = Q

∞ W ρ C (Tρ −CT∞p )(UT∞ −WT2∞ ) U adimensional θ = θ =p Temperatura Q Q 2 3

Siendo:

os de la flotabilidad no son importantes, ρ C p (Densidad T − T∞ ) Udel de forma más directaparecido aún la capacidad de concentrar o disipar ∞ Waire (Kg/m ) a otro tendrá comportamiento a θSiendo: = 2 s patios debido a los patrones de flujo con la capacidad de ) Uespecífico ρ C p (T −Calor T∞Q (J/Kg K) ncentración de encontaminante junto otro ∞ W alor. Si como dijimos, condiciones de vientos y/o a diferencias C (T − T ) U W θ = θ = ρTemperatura adimensional Temperatura adimensional 2 stemperatura, condiciones puede ser tratado si los efectos de la flotabilidad no soncomo importantes, Q ) Uaire ρ Cρ pC (T(Densidad − T QTemperatura (ºC) ∞ W T − T )∞UdelWdel (Kg/m ) 3 una temperatura junto a otro tendrá comportamiento aire (Kg/m ). tración adimensional de parecido contaminante se a θ = θ ρ= C (T Densidad 2 ) − T U W QQ específico (J/Kg (J/Kg K) de on una determinada concentración de contaminante junto a otro . ) ρ θC=p (T − Calor TCalor U W Temperatura referencia o exterior (ºC) específico K) ∞ ∞ nsional deencalor” y aplicar las ser ecuaciones ación. El calor estas condiciones puede tratado como siθ = )QU W ρ C (T − TTemperatura Temperatura (ºC) (ºC) Q W 2Velocidad de viento a una altura H (m/s) te” del aire. La concentración adimensional de contaminante se ρ Cθ =(T − T Q ρp C (T − T ∞) )UU W ∞ Temperatura de referencia o exterior o (ºC) Temperatura de referencia exterior (ºC) max “concentración adimensional de calor” y aplicar las ecuaciones θ= θ = Figura 5.28 Q 2 2 Q Velocidad de viento a una altura H (m/s) uella. Ancho del patio (m) ( ) ρ − C T T U W Velocidad de viento a una altura H max(m/s) (T ρ− TC ) (UT −WT∞ ) U ∞ W Expresión de la temperatura adimensional en la base ρθC θ = ρ=θCp =(T ρ− TC )Q(U∞Tp −WT ∞) UAncho ciones de un cierto gas,térmica. F. Sánchez del patio como fuente (Sánchez 2002).midió Ancho del patio (m) del patio (m) W Flujo de calor (W) θ= de medir las concentraciones de un cierto gas, F. Sánchez midió Q θ= Q Flujo de (W) (W) resultante de liberar un cierto flujo de calor Q Flujo decalor calor Q ampo de temperaturas resultante de liberar un cierto flujo de calor calor Q (Sánchez, 1998), F.obteniendo la la generación interna de calor F. Q (Sánchez, 1998), obteniendo Figura 8.2 Figura 8.2 ra adimensional aparece en fig.8.2 de gran similitud Temperatura adimensional en la base del patio. parece en laquefig.8.2 dela gran similitud a laa la Temperatura adimensional en la base del patio. ontaminante de la figura 8.1 (Hall, D. 1998). Lo que se propone es an de 8.1contaminante (Hall, D. K1998). que se propone es anterior, Lo la concentración de contaminante nterior, la concentración de contaminante p

∞

226

∞

∞p

∞

2 ∞

∞

max

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio 108

108

en condiciones de vientos y/o diferencias poco importantes de temperatura, los efectos de la flotabilidad no son importantes, un volumen de aire a una temperatura junto a otro con distinta tendrá parecido comportamiento a un volumen de aire con una determinada concentración de contaminante junto a otro con distinta concentración. El calor en estas condiciones puede ser tratado como si fuera un “contaminante” del aire. La concentración adimensional de contaminante se podría trasladar a una “concentración adimensional de calor” y aplicar las ecuaciones desarrolladas para aquella (fig 5.28). En vez de medir las concentraciones de un cierto gas, F. Sánchez midió en un modelo CFD el campo de temperaturas resultante de liberar un cierto flujo de calor en el patio a modo de generación interna de calor Q (Sánchez 2002), obteniendo la curva de la temperatura adimensional que aparece en la fig. 5.29 de gran similitud a la de concentración de contaminante de la figura 5.01 (Hall, D. 1998). Lo que se propone es sustituir, en la ecuación de contaminante K anterior, el flujo de cantidad de contaminante liberado por flujo de cantidad calor liberado.

Figura 5.29 Temperatura adimensional en la base del patio de distinta profundidad (Sánchez 2002).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

227

Forma, Energía y Modelos de Cálculo. MIATD ETSAS

Figura 8.3. Patrones de flujo para tres profundidades de patio diferentes

P = 0,1

P=1

P=5

Figura 8.4 Temperatura adimensional según profundidad del aptio a tres alturas diferentes Figura 5.30 Temperatura adimensional según profundidad a tres distinta alturas en el patio como fuente térmica (Sánchez 2002).

228

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Temperatura a patio como fue

La curva anteri del patio supo en él. Pero la los patios segú midan (Hall, D. estructuras de renovaciones h tanto es conven patio y su temp distintas resulta vemos en la re Para patios abie temperatura ad un máximo cua la profundidad aumentando, la cualquier altura = 1. Vimos que que alcanza su 1. Esto nos ind de calor, por e radiación del s la mejor ventila consigue con pa aumentando la patio en la que muy importante inferior del patio bastante con la temperatura ad es así porque remolino se for aire aquí de ma

5.5.2. Estudio de la temperatura adimensional según profundidad del patio como fuente térmica Estudiamos a continuación el comportamiento térmico del patio en distintas profundidades y a distintas alturas cuando existe dentro de él una fuente térmica. Esta fuente de calor suele ser la producida por las paredes sobrecalentadas por la radiación solar. La curva estudiada anteriormente estaba realizada para la base inferior del patio suponiendo que hay una fuente térmica en él. Pero, como vimos anteriormente, las velocidades del aire son distintas en los patios según la altura en que se midan y las renovaciones de aire también lo serán. Esto era consecuencia de las estructuras de patrones de flujo. Por tanto es conveniente estudiar el comportamiento del patio y su temperatura adimensional en distintas alturas tal y como vemos en las curvas de la fig 5.30. Observamos que al variar la profundidad, las mayores diferencias de temperatura adimensional las encontramos en la zona baja del patios. Este dato es de gran importancia pues esta zona es la se corresponde con la planta baja en donde usualmente el edificio se abre más ampliamente al patio por lo que se ve más influenciado por el aire que allí se encuentren. También es la cota donde normalmente se habita el patio, como se comentó más arriba. La evolución no lineal de la temperatura adimensional se corresponde con la aparición o emergencia no gradual de las distintas estructuras de patrones de flujo al variar la profundidad. Las simulaciones CFD permiten observar que a partir de patios muy abiertos de profundidad P=0.1, la temperatura adimensional sube en todas las alturas a medida aumentamos la profundidad hasta P=0.3. La explicación se obtiene al compararlo con el perfil de las velocidades. A medida que vamos estrechando el patio, las formas más cerradas dificultan la penetración del aire, la velocidad del aire va disminuyendo y las renovaciones también disminuyen en igual proporción. Una fuente de calor colocada en el patio lo iría recalentando hasta que alcanza una profundidad de p=0.3. A partir de entonces, si seguimos aumentando la profundidad, la temperatura baja de manera considerable a cualquier nivel del patio hasta alcanzar P=1. La razón es que a partir P=0.3 se empieza a formar un remolino, inestable al principio al ser poco compatible con las formas más abiertas, que va aumentando la velocidad del aire y las renovaciones. La máxima eficiencia del remolino para Termodinámica del Patio Mediterráneo

229

mover el aire del patio se alcanza cuando el patio es de sección cuadrada es decir P=1 porque el vórtice naturalmente circular, es más compatible con esta forma cuadrada. Esto nos indica que cuando un patio tiene un foco de calor, para evitar su sobrecalentamiento, la mejor ventilación de la parte inferior del patio se consigue con patios de sección cuadrada. Si seguimos aumentando la profundidad vemos que la altura del patio en la que se mida la temperatura ya es un factor muy importante. De hecho mientras que en la parte inferior del patio la temperatura adimensional aumenta bastante con la profundidad, en el tercio superior, la temperatura adimensional sigue disminuyendo un poco. Esto es así porque en los patios profundos, el pequeño remolino se forma en la parte superior, renovando el aire aquí de manera muy intensa, mientras que en los niveles bajos del patio, la velocidad del aire disminuye y también las renovaciones. Esta parte baja de los patios profundos está considerablemente aislada del aire exterior por lo que cualquier fuente de calor tendría un efecto de sobrecalentar el aire en estos espacios con respecto al exterior. Es interesante observar que un análisis superficial de estos estudios publicados podría hacer pensar que a medida que aumentamos la profundidad a partir de p=1, los patios tienden a tener una temperatura del aire superior a la exterior en sus niveles más bajos. De esta forma los patios se comportarían de manera no muy diferente a la de los atrios acristalados. Sin embargo, aunque este recalentamiento de patios profundos es una posibilidad física, no es lo que normalmente ocurre como lo demuestran las monitorizaciones de patios reales realizada en el presente estudio y en anteriores (Álvarez 2001). Hemos visto en el capítulo anterior como los patios de los cascos históricos de ciudades mediterráneas como Sevilla o Córdoba tiene una profundidad media de P=3 y las temperaturas en sus interiores no son superiores a las exteriores sino todo lo contrario. La razón, como veremos, se debe a que es menos frecuente la existencia de fuentes térmicas en los patios profundos que el fenómeno físico opuesto de la existencia de sumideros térmicos. Lo que sí nos informa el modelo es del peligro real de sobre calentamiento en patios que supone introducir fuente externas de calor como máquinas exteriores de aire acondicionado. Pero este caso es extraño debido que la habitabilidad que suelen tener estos 230

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

espacios en condiciones socioculturales normales, no promueve el patio para estos usos de instalaciones. Otra cosas diferente sería tomar mecánicamente aire del patio para la climatización del edificio como más adelante será defendido. Debido a la geometría de los patios profundos, las fachadas de los mismos reciben con más dificultad la radiación solar: están más frecuentemente en sombra que los patios más abiertos de menores profundidades. Por ello la temperatura superficial de estas paredes sombreadas, suele ser inferior a la del aire exterior durante las horas más calurosas del día. Monitorizaciones de la temperatura superficial de los murros en comparación con la del aire, realizadas en el contexto de esta investigación, corroborarán este punto como veremos más adelante. Las paredes toman calor de este aire y convirtiéndose por consiguiente en un sumidero de calor. Por otro lado, la frecuente existencia de vegetación y agua en este tipo de patios mediterráneos que enfrían el aire por evaporación, conlleva la incorporación de nuevos sumideros de calor (Shashua-Bar et al. 2009). Hasta ahora, la literatura científica describía el modelo descrito de comportamiento porque se ajusta muy bien a los experimentos controlados de laboratorio. No obstante recordemos que en ellos que se asumía como condición de partida la existencia de una fuente de calor en los patios o, en el caso los experimentos originales de D. Hall, una fuente de contaminación. Al monitorizar los patios de edificios reales hemos visto que el modelo experimental no describe de forma intuitiva la realidad arquitectónica comúnmente observable en lo tocante a patios profundos. La existencia de sumideros en vez de fuentes de calor en estos patios hace necesario una revisión o complemento que permita ajustar mejor el modelo a la realidad observable en los patios profundos que normalmente incluyen sumideros en vez de fuentes de calor. Esto mejoraría el entendimiento de estos espacios y evitaría malos entendidos sobre su comportamiento térmico teórico que podría incidir negativamente en la difusión de sus ventajas como estrategia eficaz para climas cálidos. Esta es una de las aportaciones objetivas que intenta ofrecer el presente trabajo.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

231

Forma, Energía y Modelos de Cálculo. MIATD ETSAS

Figura 8.5 Patrones de flujo para tres profundidades de patio diferentes

P = 0,1

P=1

P=5

Temperatura adim como sumidero

La presente complementario a adimensional vis para ésta tiene u del patio. Pero se del patio existe un sobrecalentarlo. E de en las masas temperatura de lo convirtiéndose en paralelo al proc contaminante al a aprovechar de for sobre concentrac de la temperatura bien sombreados temperatura inferio aporta calor sino q sumideros térmico estudiar por ser mediterráneos. S determinar la temp patio tenga un sum

ρ θ= 2

Figura 8.6 Temperatura adimensional según profundidad del aptio a tres alturas diferentes Figura 5.31 Temperatura adimensional según profundidad a tres distinta alturas en el patio como sumidero térmico (Rojas-Fernández et al. 2012).

232

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

La gráfica la tenem justifica se basa e Hall. Se trata de dis patios tal y como o general del túnel e contaminante (léa (léase temperatura Hmax sea 25. En contaminante (léa y mezclas deber intercambiando co de calor. Para co habría que realizar

2390

ns, a study which identifies the most appropriate depth ratio for a 5.5.3. Estudio de la temperatura adimensional según ed shapes considered, dependingdel onpatio the climate. It is taken into account profundidad como sumidero térmico ds receive depending on their depth ratio, the climate, and the effects of consecuencia de losor visto en el apartado anterior, se presenta ahora m to perform asComo thermal sources drains and the relationship between 2390 de sumideros un enfoque complementario que contempla la existencia 2390et al. 2012). Se he streamlines.de calor en el interior de los patios (Rojas-Fernández

trata de tomar los así como las asimulaciones de ubsections, a study which identifies thedatos most experimentales appropriate depth ratio for trabajos previos y reiterpretarlos para elaborar una a studyconsidered, which identifies theonmost appropriate depth into ratioaccount for ateoría capaz de eubsections, simplified shapes depending the climate. It is taken explicar mejor los datos observados en la monitorización realizada non receive dimensional temperature depending the depth ratio de of ethe simplified shapes considered, depending on ratio, the climate. It is taken intoeffects account courtyards depending on their depth the climate, andon the of patios reales. Para ello se usarán también nuevas simulaciones cuyos courtyards on sources their depth ratio,The the and the effects of themat toreceive perform as thermal or drains andclimate, the relationship between torce drain threedepending different heights. figure three different detalles matemáticos serán mostrados enshows los siguientes apartados. orce perform as thermal sources or drains and the relationship between cturethem of thetostreamlines. 0.1, Dthe=streamlines. 1, DHemos = 5 visto thatcomo corresponds to dethetemperatura non dimensional cture of las expresiones adimensional aphic of the non dimensional depending on the depth ratio of expresantemperature en realidad las consecuencias de térmicas de un mayor fourof lines represent θconfinamiento at three different heights in the courtyard o different menortemperature del aire delthree patiodifferent como aphic the nonatdimensional depending on the depth ratio of consecuencia de su ng a heat drain three heights. The figure shows Vimos que se delthree supuesto de que en el espacio ure the courtyard; (b) Formula for the non dimensional heat drain at= three heights. The figure shows different orngDa of = 0.1, Dwhole 1, geometría. Ddifferent = 5 that corresponds topartía the non dimensional del patio existe una fuente de calor permanente, el espacio se or D The = 0.1, = 1,represent D = 5 θthat corresponds toheights the non dimensional nges. fourDlines at three different in se the courtyard sobrecalentaría. Sin embargo, como observó en las termografías de snges. acting as a heat drain. The four represent θ at2.33 three different heights in the courtyard temperature of lines the whole courtyard; (b) Formula dimensional las figuras y 2.34 (pag.for 86they non 87), durante las horas más calurosas temperature of the courtyard; (b) Formula the nonprofundos dimensional del día, en las partes bajas for de patios y bien sombreados, los courtyards acting as whole a heat drain. muros tiene temperaturas más frescas y frecuentemente inferiores a courtyards acting as a heat drain. las del aire exterior. Por tanto no aportan energía sino que la absorben. No son focos térmicos sino sumideros térmicos. Se propone como consecuencia la siguiente ecuación para determinar la temperatura adimensional en el caso de que el patio tenga sumideros de calor como los descritos (fig 5.32).

siendo:

Siendo:

siendo: θ Temperatura adimensional Temperatura adimensional de θref siendo: Temperatura adimensional referencia = adimensional 25 Temperatura de de referencia = 25 θref Temperatura adimensional 3 3 ) ). ρ Densidad aire referenciadel = 25 Densidad del aire(kg/m (Kg/m Temperatura Calor específico específico K)3.)K) adimensional ρCp θCalor Densidad del aire(J/kg (kg/m (J/Kg T p θTemperatura Temperatura (°C) Calor (J/kg K) C (ºC) Temperatura adimensional de ref específico (°C) T∞ Temperatura Temperatura de (°C) dereferencia referencia o exterior (ºC) =altura 25 Velocidadreferencia del viento a auna HmaxH max(m/s) U∞∞ Velocidad Temperatura referencia (°C) T dede viento una altura W anchura del patio (m) Velocidad del viento a una altura U∞ ρAncho del patio (m) Densidad del aireHmax (kg/m3) Q Flujo de de del calor (W) W anchura patio (m) Flujo calor (W) Calor específico (J/kg K) C p Q Flujo de calor (W)

(a) (b) Termodinámica del Patio T Mediterráneo Temperatura (°C) (a) (b) 1. Non-Mediterranean Courtyards. Example for Winterde Conditions Temperatura referencia T∞of Courtyard 1. Non-Mediterranean Courtyards. Example of Courtyard for Winter Conditions

(°C)

Figura 5.32 Expresión de la temperatura adimensional según profundidad en el patio como sumidero térmico (Rojas-Fernández et al. 2012).

233

La gráfica la tenemos en la figura 5.31. La justificación se basa en el mismo experimento de Hall pero interpretado de forma inversa. Se consideran dispuestos en el túnel de viento los modelos de patios tal y como ocurría en el de D. Hall. Por el espacio general del túnel circulaba una corriente de aire puro. Denominamos ahora a este aire puro “con contaminante” (léase calor) de forma que su concentración (léase temperatura adimensional) a una altura de referencia Hmax sea 25. En la base del patio se aporta gas que consideramos “sin contaminante” (léase sumidero de calor). Las recirculaciones y mezclas responden a la ecuación propuesta, intercambiando como antes, flujo de contaminante por flujo de calor. Esta representación simplificada propuesta del comportamiento térmico del patio en función de su profundidad, aunque sigue sin tener en cuenta importantes fenómenos termodinámicos como la flotabilidad (convección, estratificación), representa mejor que la anterior la evolución real de la termodinámica en los patios mediterráneos donde a mayor profundidad, más baja es su temperatura con respecto al exterior. Por tanto mejora el entendimiento y posibilidades del uso consciente de los patios en proyectos en climas cálidos como el mediterráneo. La cuestión que surge ahora es cuándo debemos tomar el modelo de patio como sumidero térmico ahora expuesto y cuándo el anterior como fuente. La realidad del comportamiento térmico de los patios es más compleja y no hay una línea nítida que separe ambos modelos. Un patio con una profundidad intermedia puede ser sumidero térmico durante el día y fuente térmica por la noche. La radiación que va calentando las paredes y la importante caída de la temperatura exterior hacen este caso frecuente. Cabe destacar que incluso parte del patio puede comportarse como sumidero y otra al mismo tiempo como fuente térmica tal y como veremos en las simulaciones realizadas. Por tanto, aunque este tipo de acercamiento analítico nos permite avanzar en el entendimiento teórico del comportamiento térmico de los patios, no es un modelo que nos permita calcular la evolución precisa de las temperaturas en un determinado diseño de patio real. Se necesita un método que integre mejor la complejidad del fenómeno y que permita una aplicación más técnica de los patios. Como se comentó en el Capítulo 2, este nuevo método es el que nos ofrece las simulaciones numéricas computerizadas. Los cálculos aproximados iterativos mediante elementos finitos permiten construir el modelo más completo de comportamiento termodinámico del patio cuya precisión dependerá de la capacidad de cálculo de los ordenadores y especialmente de la calidad del modelo matemático adoptado. 234

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.6. Fundamentos de las simulaciones termodinámicas de los patios.

En este apartado se describirá brevemente las bases matemáticas y epistemológicas que se han utilizado para realizar los modelos numéricos en los que se basan las simulaciones del comportamiento termodinámico de los patios.

5.6.1. Ecuaciones Navier-Stokes para la descripción física de los fluidos Las matemáticas en las que se basan las simulaciones son las ecuaciones que describen el comportamiento del aire denominadas ecuaciones de Navier-Stokes. Un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales no lineales que describen el movimiento de un fluido newtoniano que se obtienen aplicando a un volumen de éste los principios de conservación de la masa, el momento cinético y la energía. Estas ecuaciones permiten describir el comportamiento tanto de las corrientes marinas como de la atmósfera terrestre pues el aire a bajas velocidades se puede considerar un tipo especial de los fluidos descritos por estas ecuaciones. Es destacable que estas ecuaciones no tienen una solución analítica exacta. Las soluciones encontradas son siempre aproximadas. Pero gracias a los métodos numéricos y a la potencia de computación, esta complejidad no ha impedido que sean un sistema de ecuaciones útiles para describir la física de los fluidos.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

235

5.6.2. Efectos térmicos.

Energies 2011, 4

Las simulaciones que se presentan, se basan en una discretización numérica mediante elementos finitos de las ecuaciones de NavierStokes con densidad variable dependiendo de la temperatura. Las incógnitas de las ecuaciones son u (campo de velocidades) y T (temperatura). Integrando la masa y el principio de conservación del momento angular, y teniendo en cuenta la hipótesis de Boussinesq, tenemos las siguientes ecuaciones:

Energies 2011, 4

where donde:

where and /0 is the relative density. Using the perfect gas law we can approximate the relative density by the relative temperature T/T0 (for more details see [6]). By  we denote the kinematic viscosity and the p is the pressure. As a boundary condition we consider the temperature of the walls of the buildings. To compute this and /0 is the relative density. Using the perfect gas law we can approximate the relative density temperature we consider effects. In this way, in Section 5 we an application of the y ρ / ρ0 radiation es la densidad relativa. Usando la ley del gas idealpresent se puede by the relative temperature T/T (for more details see [6]). By  we denote the kinematic viscosity and 0 model to simulate proximar the temperature evolution courtyard ofrelativa the Monte la densidad relativaindethe la temperatura T/T0.Málaga Por ν sehotel. The radiation the p is theispressure. la viscosidad cinemática p es la presión. computed usingdenota the software Autodesk Ecotecty el Analysis. With this software we have calculated the As a boundary we consider theparts temperature of the walls buildings. compute this we radiationcondition at each hour in different of the external walls of of the the hotel. WithTo this information Las diferentes temperaturas suponen microcambios en las densidades temperature we consider way, in Section 5flotabilidad we present an application of the approximate Tw, radiation the ofIn thethis wall, by assuming a constant temperature at each hour at each deltemperature aire effects. que producen los fenómenos de estudiados (estratificación y convección). model to simulate temperature evolution in temperature the courtyard Monte Málaga radiation partition the of the wall. We compute this as of thethe stationary solution hotel. of the The partial differential is computed using the Autodesk Ecotect Analysis. With this software we have calculated the equation, usedsoftware to solve the following equation: 236

radiation at each hour in different parts of the external walls of the hotel. With this information we Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio approximate Tw, the temperature of the wall, by assuming a constant temperature at each hour at each partition of the wall. this temperature as theofstationary of the partial differential where U We is thecompute transmittance, lw is the length the wall, solution is the Stephan-Boltzman constant,  is

and / the relativelímite density. Using the gaslalaw we can approximate 0 iscondición Como una tenemos enperfect cuenta temperatura de las the relative density by the relative temperature T/T more details [6]). By  wesedenote the kinematic viscosity and 0 (forcalcular paredes de los edificios. Para estasee temperatura considera the p is thede pressure. efectos la radiación. Tal y como dijimos, la radiación se ha calculado As a boundary condition we consider the temperature of the walls theRevit buildings. To compute this utilizando el software Autodesk Ecotect Analysis (ahora parteofdel Solar Analysis de Autodesk) que nos ha permitido conocer la radiación temperature we consider radiation effects. In this way, in Section 5 we present Ian application of the para to cada horathe entemperature diferentesevolution partes de lascourtyard paredesofque de finen el hotel. The radiation model simulate in the the Monte Málaga Tw , la temperatura contorno . Con esta información se ha aproximado is computed using the software Autodesk Ecotect Analysis. With this software we have calculated the de la pared, una temperatura constante cada hora y this information we radiation at eachasumiendo hour in different parts of the external walls en of the hotel. With en cada partición de la pared. Calculamos esta temperatura como la approximate Tw, the temperature of the wall, by assuming a constant temperature at each hour at each solución estacionaria de la ecuación diferencial parcial, que se utiliza partition of the wall. We compute this temperature as the stationary solution of the partial differential para resolver la ecuación siguiente: equation, used to solve the following equation:

where U is the transmittance, lw is the length of the wall,  is the Stephan-Boltzman constant,  is the emissivity of the wall and  is the absorbance of the wall. By using this form to compute the donde U es la transmitancia, lw es el espesor de la pared, σ es la temperature of the wall we assume that the mean temperature of the wall is almost independent of the constante de Stephan- Boltzman, ε es la emisividad de la pared y α es temperature in the interior of the building.

la absorbencia de la pared. Mediante el uso de esta forma para calcular la temperatura de la pared se supone que la temperatura media de la 3.pared Streamlines simplified shape es casi in independiente de courtyards. la temperatura en el interior del edificio.

are many about interior spaces like large halls or atria LaThere dificultad delstudies cálculo del thermodynamic microclima enbehaviour el patio intiene diferentes aspectos. Si la mecánica del fluido aire se describe con las ecuaciones [7] [8]. But there are few studies on the behaviour of exterior spaces, such as courtyards. Between Navier-Stokes, los cambios de temperatura deof lasD.ecuaciones these ones, it has been very important in this worknecesitan the research Hall, who has carried out several de transferencia de calor de la termodinámica. Por tanto, experiments in a wind tunnel in Cardington (UK) to understand the describir structure of streamlines inside matemáticamente con wind suficiente rigor[4]. el The comportamiento aire courtyards under different conditions speed of these del air currents was measured at en los patios, obliga al acoplamiento de estos distintos conjuntos de different heights inside and outside the courtyards and the ability of the courtyards, depending on their ecuaciones matemáticas. De hecho, antes de integrar el problema geometry, to disperse or concentrate a pollutant agent. Hall first described this geometry as a function de la temperatura, la ecuaciones de Navier-Stokes que describen of the proportion between the height and the width of the courtyard, naming it aspect ratio (h/w). In mecánicamente el fluido (presión y velocidades) poseen cierta our research thisdado proportion be términos named in acon moreformulaciones descriptive and architectural complejidad que will tiene anidadas, way depth ratio D = (h/w). como se ha explicado. La velocidad total de la partícula depende de la velocidad del flujo que a su vez dependen de la velocidad de la partícula. Como acabamos de ver, la velocidad es transportada por la velocidad (término convectivo). Cuestiones como estas dificultan de tal forma la resolución de las ecuaciones que no tienen realmente solución exacta. Pero eso no significa que no sean útiles porque como dijimos, mediante cálculos iterativos se pueden tener soluciones aproximadas bastantes cercanas a lo que se observa en la realidad.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

237

Gracias a su tratamiento numérico mediante elementos finitos y a la capacidad de los ordenadores actuales, estas simulaciones describen bien los procesos físicos de los fluidos. Para calcular la evolución del comportamiento termodinámico del aire, hay que añadir nuevas ecuaciones. La temperatura del aire depende del calor que le da los cerramientos en contacto (conducción), del movimiento o transporte del mismo (convección) y este movimiento depende a su vez de la temperatura. Otra vez nos encontramos con ecuaciones anidadas en otras ecuaciones. Esta complicación se añade a lo anterior, multiplicando la dificultad ya existente. Esto se traduce en la generación de complejas expresiones matemáticas que puede complicar mucho el cálculo incluso para los más potentes ordenadores. El entendimiento de la necesidad de optimizar el cálculo atendiendo a la realidad física que se pretende simular y a la capacidad de los ordenadores, conlleva la necesidad desarrollar procesos numéricos novedosos, simplificados pero correctos, que son objeto de investigación en el grupo de Modelado Matemático y Simulación de Sistemas Medioambientales de la Universidad de Sevilla. Este tratamiento matemático de los modelos numéricos en la presente tesis ha sido posible gracias a la ayuda prestada por el codirector de la misma y participante del mencionado grupo Dr. Enrique D. Fernández. En el DVD adjunto se ha detallado el código usado en la simulación final más completa, con el objeto de permitir el mejor entendimiento y uso de la herramienta de cálculo propuesta. La complejidad intrínseca a la herramienta no debería extenderse a su uso pues entonces estas simulaciones no serían útiles a nivel profesional, fuera de los cauces de la actividad investigadora. La vocación de la presente tesis es colaborar en producir un cambio de paradigma que facilite el uso y diseño de edificios con patios gracias a herramientas que permitan su justificación y diseño. Como parte de los trabajos realizados para la presente tesis, se ha buscado un método de trasladar el entorno gráfico que define las formas arquitectónicas al entorno de código matemático que se utiliza para el cálculo. Dicho trabajo se recoge más adelante. Cabe mencionar que ahora sólo se han puesto las bases para la generación de una herramienta práctica que será necesario desarrollar y perfeccionar especialmente para su uso más profesional.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Otro de los problemas que dificultan por ahora el uso de la herramienta propuesta es el consumo de recursos computacionales que para los casos estudiados y los ordenadores personales usados, se traduce en varias horas y a veces días de cálculo. Es necesario reducir estos cálculos sin mermar en exceso la exactitud con que las simulaciones representan la realidad. Una solución es el uso de la novedosa técnica matemática denominada “modelos de orden reducidos” que utiliza modelos simplificados para construir otros más complejos ahorrando una considerable necesidad de cálculo. La modelización de orden reducido, aplicada a los modelos numéricos que simulan el comportamiento energético de patios, permitiría el cálculo de estos procesos en tiempos razonables usando capacidades de computación convencionales. Por tanto, podrían ser suficiente el uso ordenadores personales, portátiles e incluso las tablets actuales para estas simulaciones. Este es uno de los objetivos planteados en el mencionado Proyecto MORE-PATIO “Modelización de Orden Reducido Orientada al Diseño Ecoeficiente de los Edificios”. En el Capítulo 4 hemos adelantado algunos resultados de este proyecto referidos al estudio extensivo de los patios en centros históricos. Pero los resultados sobre simulaciones mediante modelos reducidos se tendrán en el año 2018. Esto unido al desarrollo de un software amigable y capaz de comunicarse de forma natural con las herramientas informáticas propias del diseño arquitectónico (CAD, BIM, SketchUp, etc…), supondrá una aplicabilidad de la solución propuesta al campo profesional de la arquitectura.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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5.6.3. Las simulaciones en la lógica de la investigación científica. El funcionamiento generalmente más aceptado del proceso de investigación científica parte de la propuesta de una teoría de explicación o descripción de unos hechos (Popper 1934). Esta teoría debe predecir unos resultados comprobables (o falsables en la terminología de Popper) que debemos contrastar en un experimento u observación de la naturaleza. Si los resultados no son los descritos por la teoría, ésta se considera no cierta o falsa (fig. 5.32a). Desde que en 1934 Karl Popper describiera con claridad este proceso en “La Lógica de la Investigación Científica” ha habido otras muchas aportaciones epistemológicas que matizan el planteamiento original (Lakatos, Feyerabend, Kuhn, etc...). Pero en la práctica científica, la idea central de Popper, la necesidad de acudir siempre al experimento o realidad física como juez último de cualquier idea, se mantiene mucho más vigente que sus llamativas críticas postmodernas (Sokal & Bricmont 1998).

Figura 5.32a La lógica científica según Popper adaptada a la arquitectura (texto en rojo). Se propone una teoría que explique un comportamiento natural y se realiza un experimento que pueda contrastar o falsar la teoría. En arquitectura la teoría es el diseño arquitectónico y el experimento final es la obra construida.

Si de manera responsable entendemos la arquitectura en su capacidad de servir a la sociedad y resolver sus problemas, deberíamos asimilarla a un proceso científico. Entonces la teoría sería el diseño arquitectónico recogido en el proyecto, que plantea soluciones a múltiples problemas. El experimento final será la obra construida. Sólo

DESCRIBE TEORÍA

EXPERIMENTO

OBRA CONSTRUIDA

DISEÑO FALSA 240

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

su estudio objetivo determinará el éxito o fracaso de la arquitectura en su propósito (Rojas-Fernández & Domínguez-Hernández 2009). La realidad construida podrá falsar la teoría o el diseño del proyecto (fig. 5.32a). De aquí la importancia cada vez mayor de los estudios de funcionamiento y satisfacción de usuarios en edificios construidos. En éste contexto de lógica científica, cabe preguntarse cual es el estatus de las sofisticadas simulaciones computerizadas. No son la realidad y sin embargo contrastamos con ellas nuestros diseños o teorías. Modelos de la realidad se han utilizado desde siempre para probar teorías. Los dibujos de arquitectura o las maquetas pueden ser un buen ejemplo. En ciencias, modelos reducidos que permiten entender una generalidad más compleja, han sido también utilizados desde antiguo. Los guisantes de Méndel son un buen modelo para entender el funcionamiento de los genes (Dawkins 2011). Pero siempre se ha sido muy consciente de las limitaciones de los modelos lo que se evitaba confundirlos con la realidad. Sólo desde hace relativamente pocos años la capacidad de computación nos ha permitido disponer de modelos basados en simulaciones tan sofisticadas que a veces cuesta distinguir de la realidad que representan No sólo se trata de un asunto que atañe a los videojuegos o a la realidad virtual. Gran cantidad de artículos científicos se están basando en simulaciones computerizadas que corren sobre programas comerciales como si fueran experimentos en el mundo real. Muchas de esos experimentos exceden los límites para los cuales estas simulaciones están diseñadas poniendo en duda la validez de los resultados. Pero la rapidez, economía y el enorme caudal de datos que estos “experimentos” arrojan, seducen porque permiten una mayor

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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productividad. Por ello, ahora más que nunca es necesario entender la función de las simulaciones en la lógica de la investigación científica. Según el físico, investigador y escritor Jorge Wagensberg, las relaciones de las simulaciones con la teoría y el experimento se describen según el esquema de la figura 5.32b (Wagensberg 1985) que para esta tesis se ha adaptado al caso de la arquitectura (texto en rojo). La teoría, es decir, el diseño puede ser falsado por la realidad o por la simulaciones. La realidad construida falsa tanto el diseño como las simulaciones. Como es tan caro y arriesgado (por el bienestar y seguridad de las personas) acceder a la realidad misma, es decir probar los diseños en el edificio ya construido, es lógico que usemos con frecuencia los modelos que nos proporcionan las simulaciones. Es una de las mejores herramientas que la humanidad tiene ahora para resolver problemas. Pero hay que entenderla con profundidad matemática para comprender su alcance de aplicabilidad. Se debe tener en cuenta que tal y como describe la figura 5.32b, las simulaciones pueden ser falsadas por la realidad. Es decir, hay que cerciorarse primero en que grado el modelo representa a la realidad para el tipo de experimento en que lo usamos. Para ello es necesario la validación y calibración del modelo comparándolo con la realidad física para el específico fenómeno que se desea estudiar. Es aquí donde se producen las mayores dificultades pues requiere salir de lo virtual al encuentro de la incómoda y cara realidad física (Winsberg 2010). Según el esquema de la figura 5.32b, ni la teoría o proyecto ni la simulaciones son capaces de falsar la testaruda realidad. Este es el punto donde se quiere llegar y justifica el apartado. Los programas convencionalmente usados para el balance energético de los edificios no consideran la existencia de microclima en los patios (ver apartado siguiente). Estos realmente existen en los climas mediterráneos, como quedará experimentalmente demostrado. Por tanto, estos programas no deberían ser usados como modelo para valorar la eficiencia energética de edificios con patio en climas mediterráneos.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

DESCRIBE TEORÍA

EXPERIMENTO

DISEÑO

OBRA CONSTRUIDA

FALSA

FA L

L FA

SIMULACIONES

NUMÉRICAS DIBUJOS-3D MAQUETAS BIM

Figura 5.32b Simulaciones en el contexto de la lógica científica (Wagensberg 1985) adaptado al caso de la arquitectura para la presente tesis.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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244

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.7. Energy simulations tools for architecture This section aims to demonstrate the need for new tools simulation of the courtyard thermodynamics and propose a method that allows the use of open source Freefem++ in professional architecture. Additionally the advantages of Freefem++ will be shown for this purpose while highlighting the need for close collaboration between architects, mathematicians and engineers. The simulations include microclimate tests that describe the interaction between a buildingâ&#x20AC;&#x2122;s architecture and its local exterior. The huge potential of this mathematical tool can be tapped by integrating pre- and post-processes that involve engineers and architects. To establish the suitability of Freefem++ for creating simulations we compare various energy calculation tools that consider the architectural features of the problem which the simulation is designed to resolve. Our study reveals a lack of usability in this program which undermines its attraction for professional architects, so our contribution is to enhance that usability by proposing a simple intuitive method for constructing geometries of buildings and meshing them (pre-process) in such a way that they can be used in numerical models generated by Freefem++ . We also propose another tool for results analysis (postprocess) which can help engineers and architects in this task. Instead of using single program for the pre-process, process and post-process, we propose working with the best programs available for each of these phases by describing the links between them that enable files to be exchanged. By optimizing this procedure, specialists in each phase can apply their own tools thereby exercising greater control over each part of the procedure, and improving reliability and speed of task execution. This work focuses on the pre-process with the generation of geometries and meshing. We will also indicate how to tackle the post-process by providing a complete simulation method. By using a multidisciplinary approach that encompasses architecture, mathematics and engineering this study seeks to generate useful knowledge that can be applied directly to the professional setting. To do so, we describe a step-by-step example for the method proposed. TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

245

Numerical simulations now enable us to tackle complex physical problems like never before (FernĂĄndez-Nieto et al. 2014). Such problems involve the understanding and calculation of atmospheric behaviours. Their complexity derives from the interaction of factors that range from fluid mechanics to thermodynamics that show nonlinear behaviours. Yet constructing a model that is accurate becomes even more difficult when taking into account a wide range of phenomena at the same time. The study and calculation involved in courtyard microclimates is a complex issue which requires a powerful simulation tool that provides accurate calculation, flexibility and transparency: powerful enough to calculate the Navier-Stokes equations the define the behaviours of the fluid mechanics coupled with those equations that define thermodynamic behaviours; with sufficient flexibility so that the model can be modified according to the adjustments needed when comparing them to the physical reality; and transparency to enable understanding of the mathematical model of the physical processes. These characteristics are typical of the open source code methods used in science, but applying them to real situations requires such tools to have a level of usability that allows the complex geometric data in real architectural situations to be entered and meshed quickly and easily. If the architectural form is the key factor in this microclimate then the architect must study this environment carefully and apply the knowledge acquired. However, usability is more a feature of commercial programs than those developed in the scientific field. Open source code and usability are usually incompatible, and the lack of the latter means that the knowledge generated in the course of an investigation cannot be put to best use by professional architects when designing and studying strategies to improve energy efficiency in real buildings.

5.7.1. A review of existing calculation tools To understand why it is necessary to use original calculation tools to develop a simulation we have reviewed the relevant diferent tools that currently exist. It is important to emphasize that this revision is done from the point of view of the professional practice of architecture 246

CapĂtulo 5. Estudio de la TermodinĂĄmica del Patio

and not from the point of view of engineering or mathematics. The quality of these tools is especially valued to help the architect in his architectural design. Therefore this review especially values the achievement of objectives with a reasonable use of time and knowledge. The main characteristics of each are presented in the table at the end of the section. There are many tools available that can be used to calculate a building’s energy behaviour. The tools reviewed in this study were selected according to the motives for their use in the international scientific or professional fields. ANSYS Fluent Some programs are structured around increasingly accurate simulation methodologies that measure ever greater numbers of factors, which in turn enhances the user’s ability to understand and forecast phenomena. These include commercial calculation tools widely used in engineering based on CFD (Computational Fluid Dynamics) for finite elements. One such is ANSYS Fluent which was originally conceived to model flows and turbulences (mechanical problems in fluid dynamics) but also used today for calculating heat transfers and reactions for industrial applications, which means it can be used for energy and climate simulations. Its capacity for importing files from the main CAD platforms, its considerable calculating power and good results visualization have made it one of the most widely used programs in engineering. However, it is not widely used in architecture which could be due to that fact that despite its usability, the time and effort required to apply it to typical architectural problems do not make it worthwhile; not forgetting that the main calculation problems in architecture usually relate to static phenomena. This program also has another major drawback for researchers: its code is inaccessible, making it difficult to see how simulation calculations are reached. The equations used and the treatment of the numerical model are thus out of reach, hindering understanding of the mathematical description of the process and therefore its integral knowledge. Scientific research requires that the processes are understood by all so that the findings can be debated; transparency is paramount. An open source code program can be tried, tested and improved by researchers from a wide range of backgrounds. If professionals get involved, they can collaborate in a truly multidisciplinary understanding Termodinámica del Patio Mediterráneo

247

of a phenomenon as design factors interact with natural physics. As a result, research can call on mathematicians, engineers, architects, computer experts, physics specialists, etc., to help in the evolution and improvement of the program.

DesignBuilder The DesignBuilder program specializes in energy and atmospheric simulations for buildings, and the software is designed specifically for architecture and the engineering involved in installations related to it (DesignBuilder Web 2016). The Pro version includes a CFD module that can simulate air flows and temperature distributions in spaces both inside and outside buildings using algorithms equivalent to the CFD programs in common use (such as Simpler). One of the advantages of this program is its simplicity when handling these algorithms, enabling the user to configure the geometry and conditions in the environment with precision. The program achieves this by providing options for easy configuring of conditions such as surface temperatures, heat flows and air volumes, based on the results of a simulation with the EnergyPlus software developed by the U.S. Department of Energy, which we will analyse later. The program offers simplicity and usability, allowing the user to import files from the CAD and BIM platforms. The need for simplification when entering data in simulation programs, especially when generating geometries, is not intended to streamline or reduce the tool’s power and quality. The reason lies in the specific nature of the architectural assignment (Wang 2013). The design of a building is not usually a linear process working from a model to be improved or optimized by minor changes, which is normally the case in industry. An architectural project considers various possible configurations which could then offer a range of solutions. Although we could detail the main advantages and drawbacks of each tool, such an in-depth analysis is not viable if we wish to avoid losing comparative perspective. Usability is one of the program’s big pluses but sadly, as in nearly the cases studied, it is not an open source code tool.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Autodesk Analysis/Revit Another program widely used by architects in energy simulation and analysis is Autodesk Ecotect Analysis (now integrated in Revit Solar Analysis of Autodesk). This tool allows the user to study different energy behaviours in buildings, including analysis of solar radiation, natural lighting, water consumption and sound propagation. One of the advantages is that the user can import three-dimensional geometries from specific design programs such as AutoCAD, Revit or SketchUp, as well as from the architect’s own design model. It also includes a study model for exterior urban spaces to pinpoint a building’s best orientation for maximum sunlight exposure. However, the program’s climate study is inadequate for determining the condition of the specific exterior spaces we want to examine. The Sky View Factor parameters together with the incident and reflected radiation are important aspects of an energy study of these spaces but are insufficient for simulating their microclimate behaviour in detail. Thermodynamic phenomena like stratification and convection, as well as fluid dynamics such as flow patterns, are also essential, thus making it necessary to carry out a CFD simulation which this program cannot perform. This limitation is due to the fact that Ecotect focuses more on a building’s interior energy conditions rather than those of the exterior space. These tools help to generate greater general knowledge of buildings’ energy behaviours (Chronis et al. 2012) but they have two drawbacks that render them of limited use in scientific studies of the type of exterior spaces that have yet to be investigated rigorously. Firstly, they are expensive commercial programs aimed at the professional with less appeal to academics. It would be convenient to create a scientific community to investigate problems that could encourage the exchange and discussion of knowledge. The other problem is that they are not open source code programs, and as previously mentioned, this means that they do not allow us to understand the internal calculation processes of the physical phenomena for researcher.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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SUNtool, Solene, RayMan, URSOS and GreenCanyon Other programs have been developed by institutional research teams that perform energy behaviour calculations from different perspectives. These include SUNtool(Robinson et al. 2007) , Solene (Idczak et al. 2010) and RayMan (Matzarakis et al. 2010), all of which have good graphic interfaces that enable the geometry to be entered intuitively. SUNtool is compatible with the main CAD design software programs such as AutoCAD, ArchiCAD, SketchUp and Rhino. These energy simulation programs tackle the problem by focusing on radiation calculations and their thermal consequences. As we saw in the Ecotect Analysis program, this simplification is insufficient if the researcher wishes to study the microclimate and the air behaviour in specific exterior spaces. And although they are not commercial programs neither are they open source coded, so the investigator faces the same problem as with the tools already mentioned. This is also the case with other programs such as URSOS (Tumini & Higueras-García 2013) and GreenCanyon (De La Flor & Domínguez 2004) which are designed more for research. Although they can treat more factors than just radiation, including those derived from CFDbased characterizations, they are also closed source.

EnergyPlus An example of a widely used non-commercial open source calculation tool is EnergyPlus which can be downloaded free from the official web page of the U.S. Department of Energy. This program also provides the calculation nucleus for other commercial programs such as DesignBuilder. It is a wide-reaching program for use by architects, engineers and researchers that enables energy simulations for buildings which can help optimize the design and reduce water consumption. It models systems of heating, refrigeration, lighting, ventilation and other energy flows and water usages. To make it easier to use, the web page provides a plugin that allows simulations with EnergyPlus using SketchUp. We have already mentioned how other programs have tried to be compatible with this 3D design tool, and there are two main reasons for this: the basic version is free and is highly intuitive, making it quick and easy to construct any size of 250

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

volume. It has become a favourite tool for designers and architects as it optimizes representation and construction process of ideas in 3D. Its considerable power and flexibility make EnergyPlus one of the best tools for energy simulations in buildings, but the problem for our investigation is that it does not take into account energy simulations for exterior spaces.

ENVI-met 3.1 Calculation tools made specifically to simulate exterior spaces or microclimates of urban spaces include ENVI-met 3.1 which is currently being used by several researchers in this field. The program was created by Michael Bruse (Institute of Geography, Department of Geoinformatic, Environmental Modeling Group, University of Mainz) to simulate the interaction between surfaces, floors and air in an urban setting based on fluid dynamic and thermodynamic models (Yang et al. 2013).. It enables the calculation of various exterior space parameters such as air quality and thermal comfort, for which it only requires the geometry and climate data that can be gathered from any nearby meteorological station. And there is also a timely investigation by X. Yang, L. Zhao, M. Bruse and Q. Meng (Yang et al. 2012) that links ENVI-met 3.1’s capacity to simulate climate conditions in urban spaces with that of EnergyPlus’ ability to provide energy simulations of a building’s interior. This, in principle, gives us the tools we need for our research into the phenomena of the interaction between a building’s exterior microclimates and the energy behaviours within. The scientific study of the complex microclimate behaviour of specific spaces such as courtyard requires a full understanding of the physical processes involved and the mathematics used to describe these processes, as well as the numerical treatment applied to simulate them. This cannot be done using closed source programs as they block access to the mathematical model on which their calculations are based.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Only by using open source programs with free calculation tools can researchers generate a transparent program that enables an understanding of its mathematical processes and the physical phenomena described. Freefem++. To carry out numerical simulations we propose using the Freefem++ programming language and free software as the nucleus of the calculation (the process). It is not a program made specifically for studying microclimates, rather it is an open computer language for performing any kind of simulation based on numerical models via the finite elements method. In principle, this program is not easy to use beyond research parameters, so our investigation will increase its usability for entering data in the simulation, or pre-process, and the subsequent analysis, or post-process. Freefem++ is especially useful for investigators because it combines considerable calculating power with flexibility and the transparency of its open source code. As a result, it has given rise to an internet community of developers of the program who tend to be researchers working on numeric simulations. The official website is http://www. freefem.org/. Development is continuous, and support and assistance are available to the user. One of the big advantages of Freefem++ is that it can be used as a highlevel programming language based on C++, enabling combinations of high-level FreeFem++ commands with C++ commands to develop one’s own codes. This offers considerable flexibility for developing simulation codes which in many cases cannot be done with commercial codes. In addition, FreeFem++ commands allow compact programming of different methods of finite elements regardless of the study problem, which means it is highly versatile and eminently suitable for tackling problems involving thermodynamics and fluid mechanics (Ramírez-balas et al. 2015).. The software is also often used in research for pre- and postprocessing simulations. Entering the geometric data in the models requires the user to write lines of code using the same Freefem++ programming language derived from C++, after which, all the lines of the drawing need to be translated into mathematical expressions. Despite its abstract nature, this procedure of entering the geometries 252

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

is viable when they are in simple 2D forms. When studying three-dimensional objects, the complexity of the translation of their geometry into lines of Freefem++ code increases considerably. The method is not totally impossible to execute but professional users more interested in results than the processes would find it unfeasible. It focuses far more on the stages of the mathematical construction of the form than on the behaviour or physical consequences of the totality of the form, which is what interests professionals most. The following example shows the construction in Freefem++ of a simple room with windows (fig. 5.33). To enter the geometric data in the program it is necessary to describe analytically a series of geometric operations such as 3D folding and rotations (fig. 5.34). As the figure above shows, it is normal in architecture to study various geometries simultaneously in order to compare their behaviour. This, together with the possibilities for error when using this method, would be significant even though the forms were simple. The reality of architectural practice often means dealing with geometries that are more complex. One of the aims of the TEP-7985 research group is to develop a tool that can determine microclimate spaces that

Figure 5.33 Geometry and Meshing. Example extracted from the Freefem++ website (by Bernard Barrois): http:// www.um.es/freefem/ff++/pmwiki.php?n=Main. Room3D

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

253

Figure 5.34 Cde of geometry. Example extracted from the Freefem++ website (by Bernard Barrois): http:// www.um.es/freefem/ff++/pmwiki.php?n=Main. Room3D

254

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

are specific to both professional as well as to scientific use. So it is necessary to find a simpler way to enter geometric data in order to focus on the study of their behaviour (Zhang et al. 2010).

A comparative summary of characteristics The table in fig. 5.35 summarizes the characteristics of the calculation tools studied. It is a question of comparing in a non-exhaustive way and only from the point of view of our research, the different programs mentioned. This provides a visual comparison of the reach of each program according to whether it simulates exterior spaces (in green), performs CFDs, is free, open source, or if it can interact with the drawing programs typically used in architecture (AutoCAD and/ or SketchUp). Also included is the Leader-Calender which was studied in Chapter 2 Freefem++ is the only program that possesses all these features, except that of easy interaction with architectural drawing programs (in red). Our study develops a method for improving that shortcoming, thus making Freefem++ an optimum tool for resolving this type of problem.

Outdoor conditions simulations

Simulations using CFD

ANSYS Fluent



DesingBuilder



Ecotect Analysis



SUNtool



Solene



RayMan



URSUS



GreenCanyon



Lider-Calener

Free of charge Open source software



EnergyPlus

AutoCad BIM / Sketchup import



 



ENVI-met



Software using FreeFem++



Termodinámica del Patio Mediterráneo



Figure 5.35 Table summarizing the features of the energy calculation programs.

255

5.7.2. Programs for generating geometries and meshing. For making geometries it would be useful to have specific programs with optimized graphics features that enabled users to construct them quickly and intuitively, allowing various simple forms and complex geometries to be built and examined in a reasonably short time. For this to happen, these programs need be able to exchange their output files with Freefem++. Besides the generation of geometries, another important part of the pre-process is the division of the continuous object into parts with limited dimensions (finite elements) and with nodes that contain the physical properties and interactions of the material with the actions. This meshing process should be carried out by a program that guarantees easy and correct execution.

Salome Salome is an open source platform under LGPL licence for the preand post-process of numerical simulations. It enables geometries to be built in a user-friendly CAD environment that facilitates the construction of volumes in 3D and is quick and easy to learn. The program can be downloaded, and information and support accessed on the official website: http://www.salome-platform.org/ The program promises a speedy and intuitive pre-process compatible with various calculation engines. It can mesh the volume by considering different hypotheses and algorithms (hexahedron, tetrahedron, Netgen 1D-2D-3D, etc.). Sub-meshes can be created as well as groups and sub-groups from these. The result is a 3D mesh that is seemingly accurate but its usability is undermined by an excessively diffuse process for entering data. For the scientific user this probably amounts to greater control over the process but for the professional it is an impediment (fig. 5.37, 5.38). Once the pre-process is complete, we need to find a method for transferring the results to Freefem++. The natural format of the Salome files has a *.hdf extension and those for the output files for the geometries can be: 256

CapĂtulo 5. Estudio de la TermodinĂĄmica del Patio

*.brep *.iges *.igs *.step *.stp *.stl *.sat *.vtk The meshing output formats have the following extensions: *.med *.unv *.stl *.sauv *.gmf *.dat None of these meshing file formats can be imported directly from Freefem++. But the geometries and meshes generated in Salome can be transferred indirectly to Freefem++ by using the GMESH program as a bridge. The method is as follows: We can export from Salome in a *.brep geometry format, which can be imported from GMESH. GMESH also allows us to do the meshing, which can be saved in files with the *.mesh extension format. These file formats can be read by Freefem*++, as we will see later. And we can also do the meshing in Salome, which requires exporting the mesh as a *.unv file extension. This file format can be read by GMESH and from here, as in the previous case, we save it as *.mesh, which can be

Figure 5.37 Performing geometry and meshing using Salome.

Figure 5.38 Performing meshing using Salome.

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read by Freefem++. The diagram in fig.5.39 shows the process.

Figure 5.39 Diagram of the interaction between Salome and Freefem++ .

But the GMESH program allows the user to construct 3D geometries in a CAD environment as well as the complete meshing of the volume, rendering it unnecessary to use Salome to carry out the same function as well as learn and use a program which also has other inconveniences: - Excessive size and demand on resources. The size of the Salome program files before installation is 18.2 gigabytes. The program runs more slowly as the object studied becomes more complex, which could be because we used versions of the program with unpurged code (in this case Salome 7.3.0). Future versions of the program might solve this problem. - Difficulties in the tag exporting process. The process of tag generation is laborious, obliging the user to generate and correctly identify groups and subgroups, which can lead to errors. - Although the geometries are constructed in a CAD environment, its usability is not as advanced as in the CAD programs designed specifically for drawing. The user needs to learn how to handle new 258

CapĂtulo 5. Estudio de la TermodinĂĄmica del Patio

building tools since Salome’s tools are not those typically found in the most popular programs. This becomes increasingly difficult with the complexity of the volume to be constructed. This leads us to examine the GMESH program in greater detail to assess its viability as a tool to solve the problem proposed.

GMESH The GMESH software has a strong meshing capacity that incorporates a calculation engine and pre- and post-processes. It enables the user to construct geometries in a CAD environment, and its aim, according to the official website (http://geuz.org/gmsh/), is to provide a tool that is fast, light and easy to use for meshing with inputs of parametric objects and advanced visualization capabilities. It allows its mesh to be exported in *.mesh, which can be read by Freefem++. The GMESH and Freefem++ integration is perfect, as the experiences among Freefem++ community members demonstrates: http://www.um.es/freefem/ff++/pmwiki.php?n=Main.GMSH3D In the example we showed above, we did the meshing with Salome and exported it from this program using the *.unv format. We then imported this file from GMESH and were able to open the mesh with no problem (fig. 5.40). Figure 5.40 Mesh exported from GMESH to FreeFem++

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Then we export the mesh from GMESH as *.mesh (for example, “Room3d.mesh”). It is important not confuse the *.mesh export file with the natural format saved by GMESH which is *.msh, as Freefem++ cannot open this. Using a text editor like Notepad++ we write lines of code to be read in Freefem++: mesh3 malla=readmesh3(“Room3d.mesh”); plot(malla); We save our file as *.edp and execute. We observe that Freefem++ reads the mesh in *.mesh generated by Salome (fig.5.40). As mentioned above, we were able to generate the geometry and meshing in GMESH without needing to use Salome, but maybe there is another way to strengthen the method’s usability. For constructing three-dimensional models for buildings the most efficient way is to use the drawing and 3D design programs most commonly applied in architecture. The development of these programs over the years to adapt to professional needs and the knowledge acquired by architects about how they function makes them more suitable. If the multidisciplinary approach means including professional architects then it makes sense to use their programs to allow us to enhance our knowledge of the method proposed in less time-consuming ways. For professionals, designing complex geometries for real buildings (modern or historical) means using tools specifically conceived for drawing. For them, using other CAD tools with which they are not familiar and which are probably aimed more at generating pieces for industry is a waste of time. It makes more sense to integrate tools that are compatible, more powerful and more widely used in the method.

260

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.7.3. The proposed method Based on what we have described so far, we propose specific tools for each part of the simulation (pre-process, process and post-process) for the execution of this method. For constructing the geometry, we propose the programs for drawing, design and 3D construction most widely used among technicians. For the meshing, we recommend GMESH. The pre-process is the building of the geometry and the meshing. For the process, the nucleus of the calculation of the numerical simulation via the finite elements method, we propose Freefem++. And for the post-process, in other words the visualization and analysis of the results, we suggest the ParaView program.

Assisted drawing programs. There are many assisted drawing tools on the market for 3D constructions, and the two most widely used are AutoCAD and SketchUp. AutoCAD is the main commercial CAD program for computer-assisted design but SketchUp is becoming the preferred program of use for quick and intuitive geometric 3D constructions as its basic version is free. Both are standard tools in architecture and engineering faculties. As we emphasise in this article, the aim is to involve in the method those who best understand each part of the investigation: the preprocess (constructing and understanding 3D forms). To understand the science of the processes of interaction between the forms and the physical medium, as in the case of microclimates, we consult experts who understand physical media and forms. And to understand the forms means acquiring a better understanding of the characteristics of 3D objects and, consequently, of the three-dimensional physical phenomena they cause. This is true of the flow patterns that are so vital to the study of microclimates (Almhafdy et al. 2013). So, to achieve this we need to study the bridges that link the CAD programs already discussed to Freefem++.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

261

File exchange. After studying the import and export compatibilities of the various programs, we propose using the *.igs format between drawing programs and the GMESH meshing, and the *.mesh format between GMESH and Freefem++. IGES (Initial Graphics Exchange Specification) is a neutral data format that enables the digital exchange of information between computerassisted design (CAD) systems. Despite the emergence of STEP, IGES continues to be the most widely used standard format for exchanging 3D graphics files.

AutoCAD/Revit The Autodesk program is widely used in universities and architectural and engineering companies in many countries. Its official website offers ample information on the program’s features and a downloadable test version (http://www.autodesk.es/products/AutoCAD/free-trial).

Figure 5.41 Exporting a 3D geometry in *.igs format from AutoCAD 2012.

262

Thanks to the utility of the IGES format, the AutoCAD 2012 version exports directly to IGES although this option does not appear by default in the export dialogue box and you have to open particular submenus to find this option, as seen in fig.10.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

SketchUp Although the AutoCAD program is the most popular, it has two major drawbacks that led us to search for possible alternatives. Although the program is made specifically for CAD drawing, constructing three-dimensional volumes with this tool is not fast or intuitive. It is difficult to outline a volume and modify the finished geometry quickly. By contrast, AutoCAD offers considerable accuracy, and final projects are normally drawn up using this program. However, the nature of the study in this investigation does not require mathematical precision. What is important is that the architectural spaces and their microclimate features are not affected by alterations in millimetres to their dimensions since the details of the architecture and the spaces are normally defined in centimetres. A meshing that generates a mesh of 10 to 30 cm is usually sufficient for the dimensional accuracy needed. What is more important is the speed at which 3Ds can be constructed, something which AutoCAD lacks. To boost the potential of the study at the heart of this research requires constant experimentation with various geometries that can be quickly put together, thus enabling comparisons and decision-making on its formal design. Another problem is that this commercial program is expensive (5,778â&#x201A;Ź according to the official website although licences for universities are cheaper). A good alternative is the much-used program for constructing 3D objects, SketchUp. It is simple and fast, the models can be easily modified and the SketchUp Make version is free (this is the basic version but sufficiently sophisticated for this study). Information about the program and downloading it can be found on the official website (http://www.sketchup.com/). So, the idea is to use SketchUp to build geometries quickly and simply and then export them in the *.igs format, which GMESH can read, and continue the method proposed above. The SketchUp Make export options do not include exporting in *.igs format, but the SketchUp community on internet has developed TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

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a plugin that enables this (http://rhin.crai.archi.fr/rld/download. php?file=iges_export_V0.6.zip). The “iges_export.rb” export file is copied in the Tools folder of SketchUp 14 which is in the program files. The option to export the solid is found in the program tools’ submenu under the name “IGES export”.

ParaView For the presentation and analysis of the results (post-process) we propose using another program designed specifically for this task, ParaView. This is an open source multiplatform tool for data analysis developed by the Los Alamos National Laboratory of the U. S. Department of Energy in collaboration with Kitware Inc. After performing the simulation calculation process in Freefem+++, the results can be exported from Freefem++ to a *.vtk library and read by ParaView, which provides the user with ample scope to analyse the data. Figure 5.42 Diagram of the method proposed (Rojas-Fernández et al. 2015)

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.7.4 The proposed procedure: an example of its application. In synthesis, the method proposed is the following: the geometry is drawn using AutoCAD or SketchUp and exported in the *.igs format and read in GMESH. This program is used for meshing the volume generated as it is made specifically to carry out this task. The mesh is then exported as *.mesh. All this constitutes the pre-process. Freefem++ reads the mesh format (*.mesh) and this program is then used to make the calculation (process). The results are presented and analysed (post-process) by exporting the results from Freefem++ to a *.vtk library. These results files are read by the ParaView program where they can be easily studied and analysed, and then exported to other data presentation formats (fig. 5.42). A step by step example can illustrate this by entering in Freefem++ a geometry and mesh of a courtyard (10x10x10m) in a building (30x30x10m) considering an air volume of 50x50x20m. Therefore, it is a courtyard of depth P = 1. The first step is to build the geometry in SketchUp. In SketchUp Make we use the “rectangle” tool to make a rectangle on the floor. On selecting the origin of the rectangle, we can enter the boundary measurements that appear in the square in the bottom left corner directly, separated by full stops and commas, with speed and accuracy (fig. 5.43 a). The push-pull tool is used to extrude the rectangle upwards thus generating a volume. As in the previous case, the user can enter the precise numerical value of the movement when the side and the direction of the movement have been selected (fig. 5.43 b). This type of sketch is one of the simplest systems available for constructing volumes, allowing us to try out various forms with different thermodynamic behaviours. The volume can be modified at any time by stretching one of the sides with the push-pull tool; this is an example of the program’s flexibility enabling the volume to be modified quickly when searching for a form that generates a different microclimate. Using the tools that enable operations between solids (intersecting, joining, subtracting, cutting, dividing), all of which are identified by Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Figure 5.43 Construction of a geometry in SketchUp.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

icons at the top of the screen, we can create complex parallelepiped geometries with ease. And other tools allow us to create curved and complex non-parallelepiped geometries. The line tool lets us trace reference lines on both sides. The lines on a plane that delimit one area of a side of a solid in SketchUp defines a region that is different from that plane (fig. 5.43c -5.43f). We can identify this feature by clicking on the zone and observing the shadowed area, and this can be cut or coloured separately from the rest of the plane. This quality is very interesting because the program automatically identifies the region, labelling it so that it can then be recognized as a numerical model. The IGES format uses numbers to automatically identify each of the regions generated. Sometimes assigning a colour to these regions can give a better understanding of the geometry we are generating in SketchUp, thus avoiding errors of interpretation. So now we export the geometry to IGES using the plugin we have placed in the tools menu (fig. 5.44 a). When dealing with more complex geometries, we check that only one group has been created in order to ensure the exportation is done correctly. It is also important to remember that GMESH does not import files stored on lower levels (subfiles inside subfolders). It is advisable to temporarily shift the *.igs export files to the desktop to import them from GMESH without problem. Then we open the GMESH program and the *.igs file is imported. This is done by opening the File menu, selecting Open and locating the *.igs file on a level close to the desktop (fig.5.44.b). When we import the file nothing appears in the window, which means it is not very intuitive, which happens because the geometry elements of the “Geometry” dialogue box remain closed by default. You have to open the “Tool” menu, select “Option”, then “Geometry” and mark the elements that you wish to visualize (fig.5.44 c). It is important to check that, as in our example (fig. 5.44 c), there are labels for the points (unmarked in the example), vertices, and differentiated sides and regions within the sides (the windows in the example). These labels are fundamental so that the regions can be identified and assigned different contours in Freefem++. Now the 3D meshing can be done. This is done by opening the “Mesh” menu and clicking on 3D (in red in the figure). After a few seconds for processing due to the complexity and volume, the first meshing Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Figure 5.44 Exporting the geometry in the *.igs format from SketchUp to GMESH.

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

then takes place. As in the previous case, the data which appear are confusing as you only see the labels that correspond to the mesh nodes. You have to return to “Option” and select “Mesh” and mark the elements of the mesh you wish to see (fig. 5.44 d). In “Mesh”, it is important to be able to visualize the lines, the sides and the vertices of the sides (2D mesh in sides) in order to check that the elements have different colours. We then select “Lines”, “Surface Edges” and “Surface Faces ”, by which we ensure that the program has separated and correctly labelled the different sides and the different regions of the same sides (in our case, the windows). We check that a 3D mesh has been done in the volume by selecting “Tool”, “Option”, “Mesh” and marking “Volume Edges” (fig. 5.44 e). Now we can proceed to optimize and define the mesh, first by clicking on “Optimize 3D (Netgen)”, which is marked in red (fig. 5.44 e ). By clicking on it once, a slight repositioning of the mesh’s tetrahedrons occurs. Another click produces the same effect but this time it is less perceptible. If we continue clicking, we notice that the alterations become smaller and smaller until the mesh no longer changes. At this point maximum optimization has been reached, thanks to the program’s Netgen module. If we need the mesh to be even finer, we can use the “Refine by Splitting” option. Unlike the previous example only a single click is normally necessary, as the mesh grows considerably in density (fig. 5.44 f). A second click could make the mesh very dense, with too many polygons to enable calculation in Freefem++ in reasonable time. A third click would produce a mesh impossible to calculate. At this point we notice that GMESH has no option to “undo”. If we make a wrong calculation in refining the mesh and we make it too dense, we have to go back and start again by importing the *.igs geometry. However, this process is quite quick so miscalculating is not such an important error. To export the mesh for Freefem++ we select “File” and “Save As”, and in the menu that appears with different import formats we choose *.mesh (fig.11a). It is important not to confuse it with the *.msh native format that GMESH uses to save the meshes by default. Freefem++ cannot read the *.msh format, only *.mesh. And although we have selected the *.mesh format in the option menu the file still has the *.igs extension, so we need to attach the new extension manually. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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So we create a *.mesh folder which we can save on any subdirectory level in the computer. If we have Freefem++ installed, it can be read without problem. And with Freefem++ installed on the computer, we can import the mesh from Freefem++ by writing the following lines of code: mesh3 malla=readmesh3(“habitacion_03_04.mesh”); plot(malla); This is saved as *.edp, placing the mesh file “habitacion_03_04.mesh” in the same directory as *.edp. When executing the edp we observe that the mesh has been read by Freefem++, as appears in fig.5.45. The meshing and labelling are correct, so we can proceed to the nucleus of the process. Figure 5.45 show mesh made in GMESH and imported in Freefem++ with geometry constructed in SketchUp. Videos of this process can be seen into DVD attached or in the following internet link: https://www.youtube.com/watch?v=B7Ah5J3fNas In the process or calculation phase, we will simulate the air flow entering one window and exiting the other. This is a typical laminar fluid mechanics problem where we apply the Navier-Stokes equation for a three-dimensional space. In the Freefem++ code, we write the command to save each iteration in a *.vtk library. Figure 5.45 Mesh made in GMESH and imported in Freefem++ with geometry constructed in SketchUp.

270

We observe how compact the Freefem++ program is, and how quickly it carries out the job.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

We then use the ParaView tool to open the *.vtk library. This program allows us to analyse pressure values, speed vectors and current lines, among other results of the We observe how compact the Freefem++ program is, and how quickly it carries out the job. simulation. It also helps us to visualize and understand its distribution and evolution within the use three-dimensional space. Thisthe is vital understanding theallows specific structures We then thecompact ParaViewthe tool to open *.vtkfor Thisquickly program usthe to analyse We observe how Freefem++ program is,library. and how it carries out job. that emerge and which are the results of the interaction between the physical properties pressure values, speed vectors and current lines, among other results of the simulation. It also ofWe thethen fluiduse in motion and the form of the spacelibrary. in which itprogram moves. allows In other words, the ParaView tool to open the Thisquickly usthe to analyse helps us to the visualize and understand its *.vtk distribution and evolution within the threeWe observe compact the Freefem++ program is, and how carries out design of thehow space modifies these structures. So, being able to itsee them morejob. clearly pressure values, speed lines, among other results of the simulation. dimensional Thisvectors vitaland forcurrent understanding specific structures that emergeIt also and enables us to space. produce anisarchitectural design thatthe best fits these characteristics. We then ParaView to openbetween the This program us the to helps us use to the visualize understand its *.vtk distribution and evolutionofallows within threewhich are the results of and the tool interaction thelibrary. physical properties the fluid in analyse motion pressure values, speed vectors and current lines, among other results of the simulation. It also dimensional space.the Thismeshing is vital for understanding specific structures that bemerge anda Fig 5.46 a shows of our example inthe ParaView, and fig 5.46 presents helps us to visualize and understand its distribution and evolution within the threewhich are the results of the interaction between the physical properties of the fluid in motion visualization of the results of the simulation representing the lines of current with We observe how compact the Freefem++ program is, and how quickly it carries out the job. the dimensional space.flow Thisspeed. is vitalVideos for understanding the can specific structures that emerge and colours indicating of this process be seen into DVD attached or We ParaView tool to openbetween the *.vtk This programofallows us to areuse the the results of the interaction thelibrary. physical properties the fluid in analyse motion inwhich thethen following internet link: pressure values, speed vectors and current lines, among other results of the simulation. It also https:/ helps/www.youtube.com/watch?v=mWBKxtr5eAM us to visualize and understand its distribution and evolution within the threedimensional space. This is vital for understanding the specific structures that emerge and We observe how compact the Freefem++ program is, how quickly it carries out the job. Thus weare have what out to achieve theand start ofproperties this work. which thegot results of we the set interaction betweenatthe physical ofThe the use fluidof in specific motion

programs optimized for each of the processes, in particular the coherent use of programs We then use the ParaView tool to open the *.vtk library. This program allows us to analyse that are powerful and comfortable to use when constructing 3D geometries which are pressure values, vectors and current among otherprocesses, results of the simulation. It also compatible with speed the other programs usedlines, in the various as well as programs helps to greater visualizespatial and understand its of distribution and evolution within the threethat canusoffer interpretation the results. dimensional space. This is vital for understanding the specific structures that emerge and which are the results of the interaction between the physical properties of the fluid in motion

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

271

a Figure 5.46 Displays results in Paraview. Mesh made in GMESH and imported in Freefem++ with geometry constructed in SketchUp. b

272

CapĂtulo 5. Estudio de la TermodinĂĄmica del Patio

5.7.5. Need for a interdisciplinary method The immense potential of microclimates generated by architects to increase energy efficiency in buildings requires the development of simulation tools that enable us to understand these environments better and calculate them more accurately. The nature of the challenge means that different fields of knowledge, such as architectural design, mathematic models and energy engineering, need to interact. The physical aspects of the problem demand that the nucleus of the calculation tool is capable of generating a numerical simulation of considerable power. For both researchers and professionals to be able to develop and use this tool, it must have the following features: -

Capacity to simulate exterior spaces.

Capacity to perform CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations.

Free of charge.

Open source code.

Capacity to import drawings from AutoCAD and SketchUp.

The comparative study of the energy calculation tools shows that the program based on Freefem++ has all these characteristics except compatibility with the typical design programs used in architecture. A method has been developed that connects these drawing tools for generating geometries (AutoCAD and SketchUp), that enables them to be meshed (GMESH) and the tool based on Freefem++. We also propose using a specific program for data analysis (ParaView). So, instead of searching for a single program that performs all three steps of the simulation, pre-process, process and post-process, the user selects the tools that best develop each stage and then makes them interact in the way described in fig. 5.42. This also lends itself to interdisciplinary collaboration between architects, mathematicians and engineers while maintaining use of the Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

273

tools that are most appropriate for each of these fields of knowledge. This enhances the overall quality of the work as each phase is controlled by the specialist in each area. These phases are: - Pre-process, here the specialist is the architect. Creation and testing of various forms (geometry), consideration of many conditioning factors including the generation of microclimates. Meshing of the geometry. - Process, this area corresponds to the mathematician. Creation and deep understanding of the numerical model that acts as the base for the calculation of the simulation of the environmental system. - Post-process, here the engineer and architects intervenes. Interpretation and physical characterization of the data extracted in the numerical simulation. Architects should consider these results to account for it among the factors that determine the shape of buildings. The engineer should collaborate from the start in the generation of the model in order to contribute the physical characteristics of the environmental system. The mathematician should understand the physical considerations imposed by the architects and engineers. The architect should have a complete overall idea of the problem thus giving direction to the final design for which the architect is the person responsible. However, each phase can be best developed and a final satisfactory result more clearly guaranteed with the use of a good tool which contributes more knowledge, producing a more finely tuned design process that is more sensitive to the most eco-efficient needs of the building. The real challenge is for architects to be really interested in the thermodynamic functioning of the courtyards, engineers understand the need to make accessible their tools to the use of architecture professionals (who design those spaces), and mathematicians debug numerical models in order to they can run on personal computers. Only through this effort of joint understanding, the architectural design of the courtyards will be able to reach its thermodynamic potentiality.

274

CapĂtulo 5. Estudio de la TermodinĂĄmica del Patio

5.8. Simulación en patios de patrones de flujo mediante Freefem++ y su relación con diferentes arquitecturas históricas.

Para poner a prueba nuestro modelo numérico generado, simularemos las distintas geometrías sencillas de patios utilizadas en trabajos previos (Hall et al. 1999; Álvarez et al. 1998). Las simulaciones presentadas han conseguido reproducir, los resultados anteriores obtenidos concordantes con los experimentos en túnel de viento (Hall et al. 1999). Además de la simulación de estas geometrías, estudiaremos paralelamente la temperatura adimensional para distintos patios de distintas profundidades descubriendo su distinto comportamiento y relación con el clima dónde se encuentra.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

275

Figure 5.47 Temperatura adimensional del patio como fuente térmica.

Figure 5.49 Patio de Profundidad P <0.3. (Rojas-Fernández et al. 2012).

Figure 5.48 Simulación CFD contrastada en túnel de viento. (Sánchez 2002).

Definimos las medidas del dominio: -h1=altura del dominio. -l1=longitud del dominio. -a1=altura del edificio 1. -a2=altura del edificio 2. -b1=longitud del edificio 1. -b2=longitud del edificio 2. -d1=distancia del edificio 1 al origen . -d2=distancia entre los edificios 1-2. */ int h1=25, l1=100, a1=10, a2=10; int b1=10, b2=10, d1=20, d2=40; // Frontera border a(t=h1,0) {x=0 ; y=t ; label=1;}; border b(t=0,d1) {x=t ; y=0 ; label=3;};

Figure 5.50 Módulo y dirección del vector velocidad sobre lineas de corriente.

// Primer edificio border c(t=0,a1) {x=d1 ; y=t ; label=3;}; border d(t=d1,d1+b1) {x=t ; y=a1 ; label=3;}; border e(t=a1,0) {x=d1+b1 ; y=t ; label=3;}; border f(t=d1+b1,d1+b1+d2) {x=t ; y=0 ; label=3;}; // Segundo edificio border g(t=0,a2) {x=d1+b1+d2 ; y=t ; label=3;}; border h(t=d1+b1+d2,d1+b1+d2+b2) {x=t ; y=a2 ; label=3;}; border l(t=a2,0) {x=d1+b1+d2+b2 ; y=t ; label=3;}; border m(t=d1+b1+d2+b2,l1) {x=t ; y=0 ; label=3;}; border n(t=0,h1) {x=l1 ; y=t ; label=4;}; border w(t=l1,0) {x=t ; y=h1 ; label=5;};

Figure 5.51 Malla final adaptada.

276

Figure 5.52 Lineas de código para la definición geométrica en el modelo numérico.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.8.1. Estudio de patios con profundidad P<1. Los patios para condiciones de invierno En las simulaciones realizadas se observaba que para patios de proporciones muy abiertas con P < 1 (fig. 5.49), las líneas de flujo penetran completamente en el espacio del mismo sin crear estructuras de recirculación (remolinos o vórtices). Los datos y patrones obtenidos concuerdan con lo establecido por las anteriores investigaciones (fig 5.48). Esto implica que las diferencias en la distribución de temperatura del aire en el interior del patio no difieren demasiado de las del exterior. El patio está abierto favoreciendo la mezcla de aires del exterior y del interior. Este tipo de patios anchos está poco sombreado por lo que sus muros pueden acumular calor por soleamiento. La radiación solar es el principal factor que puede convertir los muros de un patio en un foco térmico. Por tanto es coherente aplicar las ecuaciones y curvas de temperatura adimensional para el patio como fuente térmica (fig. 5.47). En éstas vemos que la temperatura adimensional va aumentado desde profundidades muy bajas (P=0,1) hasta el máximo en P = 0,3 al ir dificultándose la ventilación (menos velocidad del aire). Pero a partir de esta profundidad baja la temperatura. Esto es consecuencia del desarrollo de un remolino, en principio poco definido y de forma oval, que favorece las renovaciones hora alcanzado el máximo de renovaciones para P=1. Por tanto, estos patios abiertos no sirven bien para bajar las temperaturas del aire durante el verano. No son patios pensados para que la inercia térmica de una masa construida sombreada y fresca, actúe de sumidero térmico bajando la temperatura del aire en los mismos. En realidad su misión y comportamiento es otro completamente opuesto. Los patios anchos son captadores solares cuya misión es aprovechar la radiación para calentar la edificación adyacente. Se sabe, gracias a los estudios anteriormente mencionados que nuestros datos confirman, que dicho comportamiento es óptimo con una profundidad de patio entorno a P = 0,3. Con esta proporción entre la anchura y la altura del patio se consigue las mínimas renovaciones gracias a que los flujos de aire están entorpecidos por esta forma, que todavía no permite la formación de vórtices de recirculación, consiguiendo que el aire se sobrecaliente. Pero al seguir disminuyendo la profundidad (de P=0,3 a P=1), se induce la formación de un remolino que favorece las renovaciones, haciendo que las temperaturas bajen si el aire exterior Termodinámica del Patio Mediterráneo

277

P=0,3

Figure 5.53 Planta del claustro de la Catedral de Santiago de Compostela, Galicia, España. Siglo XI-XIII. La Arquitectura del Patio (Capitel, A. 2005).

Figure 5.54 Imagen del claustro de la Catedral de Santiago de Compostela, Galicia, España. (José Luis Filpo Cabana)

h=0,3

a=1 278

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

es más frío que el interior. Recordemos que esto sucede cuando el patio es foco de calor y no sumidero. Repasando las tipologías históricas de patios del Capítulo 4, constatamos que los muy abiertos y poco profundos con P < 1, como los usuales en las abadías medievales (fig. 5.53, 5.54), son propios en climas septentrionales menos cálidos que los mediterráneos. Puede que en el caso de los monasterios, su habitual ubicación fuera de las limitaciones que suelen imponer los cascos urbanos ayude a explicar este generoso uso del espacio. Pero también se observa que su uso en estos lugares puede ser explicado por adaptación al clima que induce la búsqueda de soleamiento. Además, como ha sido estudiado (Capitel 2005), su ubicación descentrada y casi marginal como elemento independiente en la planta, lo convertían más en un elemento exterior rodeado de galerías que en un espacio central y articulador de la arquitectura del edificio. En casos como el ejemplo de Santiago de Compostela tiene un clima oceánico de verano suave de tipo Csb (Capítulo 3). Atendiendo a la de Miller sería Templado-Frío con influencia oceánica por tanto sería un C1 Clima Marítimo, es por tanto un clima moderado de invierno. La anchura asegura suficientemente la radiación solar para calentar los muros garantizando su comportamiento como focos térmicos. La profundidad del patio es P=0,3, lo que supone una proporción óptima en este clima pues se garantiza un máximo de temperatura adimensional gracias a las mínimas renovaciones horarias (Hall, D. 1998). Podemos afirmar que la forma de estos patios tiene una coherencia termodinámica en respuesta a un clima moderadamente frío. Es la adaptación del patio a las condiciones de invierno moderado. En otros climas más fríos como los centro europeos mencionados, se prima la radiación sobre cualquier condición microclimática del aire en el patio. Por ello su profundidad es aún menor (fig) asumiendo que el aire en el patio será completamente renovado por el viento y su temperatura será igual a la exterior. Pero se garantiza que las fachadas tienen suficiente exposición a la radiación solar. El microclima del patio no es simétrico para las condiciones de invierno y de verano. Es más eficiente”conservando el frío que el calor”. La termodinámica descrita y las monitorizaciones que realizaremos explican que su rendimiento es mayor cuando la temperatura exterior es más alta. Por eso la prevalencia e importancia del patio en climas cálidos es mayor. Termodinámica del Patio Mediterráneo

279

Figure 5.55 Temperatura adimensional del patio como fuente térmica.

Figure 5.57 Simulación CFD contrastada en túnel de viento. (Sánchez 2002).

Figure 5.56 Temperatura adimensional del patio como sumidero térmico.

Figure 5.58 Patio de Profundidad P = 3 (Rojas-Fernández et al. 2012). Definimos las medidas del dominio: -h1=altura del dominio. -l1=longitud del dominio. -a1=altura del edificio 1. -a2=altura del edificio 2. -b1=longitud del edificio 1. -b2=longitud del edificio 2. -d1=distancia del edificio 1 al origen . -d2=distancia entre los edificios 1-2. */ int h1=25, l1=70, a1=10, a2=10; int b1=10, b2=10, d1=20, d2=10;

Figure 5.59 Módulo y dirección del vector velocidad sobre lineas de corriente.

// Frontera border a(t=h1,0) {x=0 ; y=t ; label=1;}; border b(t=0,d1) {x=t ; y=0 ; label=2;}; // Primer edificio border c(t=0,a1) {x=d1 ; y=t ; label=3;}; border d(t=d1,d1+b1) {x=t ; y=a1 ; label=2;}; border e(t=a1,0) {x=d1+b1 ; y=t ; label=6;}; border f(t=d1+b1,d1+b1+d2) {x=t ; y=0 ; label=2;}; // Segundo edificio border g(t=0,a2) {x=d1+b1+d2 ; y=t ; label=3;}; border h(t=d1+b1+d2,d1+b1+d2+b2) {x=t ; y=a2 ; label=2;}; border l(t=a2,0) {x=d1+b1+d2+b2 ; y=t ; label=6;}; border m(t=d1+b1+d2+b2,l1) {x=t ; y=0 ; label=2;}; border n(t=0,h1) {x=l1 ; y=t ; label=4;}; border w(t=l1,0) {x=t ; y=h1 ; label=5;}

Figure 5.60 Malla final adaptada.

280

Figure 5.61 Lineas de código para la definición geométrica en el modelo numérico.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.8.2. Estudio de patios con profundidad P=1. Los patios para climas templados La simulación realizada usando el método descrito en la presente tesis (fig.5.58), coincide con las anteriores investigaciones realizadas (fig. 5.57). En las figuras 5.62, 5.63 vemos la simulación realizada en tres dimensiones cuyos resultados observamos que coinciden con el estudio en un plano 2D de la figura 5.58 cuando el viento está en la dirección del plano estudiado. Se observa que se crean estructuras y distribuciones térmicas considerablemente distintas a las del exterior para estas profundidades entorno a P = 1 (fig. 5.59). La geometría cuadrada del patio induce la formación de un remolino circular mucho más eficiente que los ovalados remolinos poco definidos que se forman en patios de P menores que 1 (de P= 0,3 a P=1). El cuadrado es lo más cercano al círculo que es la forma más natural y óptima para el desarrollo de remolinos. Por tanto, cuando la sección se acerca más al cuadrado, permite desarrollarse mejor en su interior este amplio vórtice (que obviamente tiende a ser circular) y cuanto más abierta es la sección, se forma con más dificultad girando a menor velocidad. En los patios con P=1, este torbellino se sitúa en la zona central del mismo, ocupando la totalidad del espacio del patio y consiguiendo la mejor renovación posible de la totalidad del espacio. Una geometría cuadrada en latitudes mediterráneas, tiene una cantidad de exposición a la radiación solar intermedia entre los patios anchos y los estrechos. Esta aparente obviedad significa que unas veces el patio estará expuesto a una incidencia solar que lo convertirá en foco térmico. Otras veces, especialmente si existen de elementos de sombra suplementarios (galerías, toldos, vegetación) que evitan la radiación solar sobre sus muros, éstos se encontrarán a una temperatura inferior a la del exterior, convirtiéndose ahora en sumideros térmicos. Incluso la variación día/noche de la temperatura exterior y la onda de inercia térmica de los cerramientos, hacen que sea frecuente que durante el día el patio sea sumidero y durante la noche fuente de calor. Lo dicho anteriormente significa que debemos describir su temperatura adimensional (la que condiciona la mezcla con el aire exterior), atendiendo a las dos tablas y ecuaciones, las del patio como fuente térmica y las del patio como sumidero térmico del presente estudio (fig. 5.55-5.56), según se dé el caso. Si nos centramos en Termodinámica del Patio Mediterráneo

281

Figura 5.62 Visualización mediante Paraview de simulación 3D con el código propuesto. Lineas de corriente. Se observa el patrón de flujo con la formación de vórtice que ocupa todo el espacio del patio.

282

Capítulo Capítulo 5. 5. Estudio Estudio de de la la Termodinámica Termodinámica del del Patio Patio

Figura 5.63 Visualización mediante Paraview de simulación 3D con el código propuesto. Vectores de velocidad y presión del aire (colores de fondo).

Termodinámica del del Patio Patio Mediterráneo Termodinámica

283

P=1

h=1 a=1 Figure 5.64 Patio del Palacio de Farnesio, Roma., Italia. Siglo XVI. Arquitectos: Antonio da Sangallo”El Joven” - Miguel Ángel. La Arquitectura del Patio (Capitel, A. 2005).

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Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

las condiciones de primavera-verano, puede que este patio reciba más radiación solar sobre sus muros que otro más estrecho. Esto lo convierten en foco térmico y aplicamos las ecuaciones y gráficos correspondientes (fig. 5.55 ). Vemos que la temperatura adimensional marca un mínimo en P=1. Para entender esto recordemos que el aire es muy aislante. El patio con un foco térmico como el comentado y relativamente aislado del aire exterior por las recirculaciones, podría convertirse en una especie de “horno”. Pero afortunadamente las renovaciones hora para P=1 son grandes, por lo que la ventilación que recibe esta forma de patio es mayor que la de otro con cualquier otra profundidad. Gracias a estas corrientes se evita el sobrecalentamiento aunque el patio sea a veces un foco térmico. Estos flujos enfrían las masas construidas del patio pero también, por supuesto, inciden en las personas que se encuentren en ese espacio mejorando sus sensaciones térmicas. En el caso de que el patio se comporte como un sumidero térmico, aplicamos las gráficas de la figura 5.56. La temperatura adimensional está en un máximo en este caso. Las altas renovaciones debidas al remolino que circula en la totalidad del patio, mueven y mezclan el aire con el exterior por lo que no favorece los procesos de conservación del aire fresco que podría depositarse en el fondo del en el patio. En este caso la colocación de un toldo móvil permitiría mejorar considerablemente el comportamiento térmico al evitar, como dijimos más arriba, el soleamiento que sobre caliente los muros del patio, evitar las excesivas renovaciones y crear las condiciones de baja velocidad del aire que favorece la estratificación. También mejora el comportamiento térmico con la utilización de galerías que reducen la incidencia solar en las fachadas y su posible funcionamiento como foco térmico. Todas estas características, además del uso de vegetación y agua, son típicas de los patios mediterráneos.

Figura 5.65 El Hombre de Vitruvio . Leonardo da Vinci. Año 1490. Estudio de las proporciones del cuerpo humano, realizado a partir de los textos de arquitectura de Vitruvio, arquitecto de la antigua Roma, del cual el dibujo toma su nombre. La proporción era una prioridad en el ideario renacentista. Entre las formas más repetidas, el círculo y el cuadrado que presentaban la perfección del equilibrio y estaticidad. También en los patios esta proporción de sección alcanza un equilibrado comportamiento de sus propiedades termodinámicas.

Las condiciones climáticas en las que este diseño parece óptimo, son las condiciones de climas templados y dentro de éstos, las de las estaciones intermedias de otoño y primavera. En estas estaciones el mayor problema podría ser el sobrecalentamiento, con temperaturas exteriores suaves pero con una fuerte incidencia de la radiación que podría calentar bastante cualquier masa construida. Hay que tener en cuenta también el efecto de las corrientes de aire directamente sobre las personas puede mejorar la sensación de confort en verano.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

285

Figure 5.67 Simulación contrastada en tunel de viento. (Sánchez 2002).

Figure 5.66 Temperatura adimensional del patio como sumidero térmico.

Figure 5.68 Patio de Profundidad P>3 (Rojas-Fernández et al. 2012).

Definimos las medidas del dominio: -h1=altura del dominio. -l1=longitud del dominio. -a1=altura del edificio 1. -a2=altura del edificio 2. -b1=longitud del edificio 1. -b2=longitud del edificio 2. -d1=distancia del edificio 1 al origen . -d2=distancia entre los edificios 1-2. */ int h1=25, l1=63, a1=10, a2=10; int b1=10, b2=10, d1=20, d2=5; // Frontera

Figure 5.69 Módulo y dirección del vector velocidad sobre lineas de corriente.

border a(t=h1,0) {x=0 ; y=t ; label=1;}; border b(t=0,d1) {x=t ; y=0 ; label=3;}; // Primer edificio border c(t=0,a1) {x=d1 ; y=t ; label=3;}; border d(t=d1,d1+b1) {x=t ; y=a1 ; label=3;}; border e(t=a1,0) {x=d1+b1 ; y=t ; label=3;}; border f(t=d1+b1,d1+b1+d2) {x=t ; y=0 ; label=3;}; // Segundo edificio border g(t=0,a2) {x=d1+b1+d2 ; y=t ; label=3;}; border h(t=d1+b1+d2,d1+b1+d2+b2) {x=t ; y=a2 ; label=3;}; border l(t=a2,0) {x=d1+b1+d2+b2 ; y=t ; label=3;}; border m(t=d1+b1+d2+b2,l1) {x=t ; y=0 ; label=3;}; border n(t=0,h1) {x=l1 ; y=t ; label=4;}; border w(t=l1,0) {x=t ; y=h1 ; label=5;};

Figure 5.70 Malla final adaptada.

286

Figure 5.71 Lineas de código para la definición geométrica en el modelo numérico.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

Curiosamente en climas como el mediterráneo, es usual profundidades de patio alrededor de P = 1 en edificios de calidad como los palacios renacentistas en Roma (fig. 5.64), o las casas patio nobles de Sevilla. La posición del patio dentro de la planta suele ser considerablemente centrada constituyendo el núcleo espacial y funcional que organiza la arquitectura del edificio (Capitel 2005). Por tanto, además de para ventilar e iluminar el edificio, su uso se puede entender como estrategia pasiva de climatización. Podemos decir que estos tradicionales patios mediterráneos no sólo son el eje articulador de la arquitectura de los edificios, sino también de su estrategia termodinámica de adaptación al clima.

5.8.3. Estudio de patios con profundidad P>1. Patios con alto grado de confinamiento Para patios muy profundos con P > 1 la entrada de aire exterior cae drásticamente en las zonas bajas del mismo. El vórtice situado en zonas centrales y que llenaba la totalidad del patio en el caso anterior, se ha desplazado ahora a la zona superior, ocupando sólo una parte pequeña del espacio del patio y convirtiéndose en un tapón que dificulta mucho la penetración de las líneas de flujo a las partes inferiores (fig. 5.68). Lo importante es preguntarse si estamos ante un patio foco térmico o sumidero térmico. La gran profundidad hace difícil que la radiación solar penetre suficiente. Si no se cometen errores graves como colocar maquinarias que arrojen un flujo de calor a estos espacios, estamos ante un espacio sombreado con la masa térmica probablemente a una temperatura inferior a la exterior. En estas condiciones aplicaríamos la ecuación y la gráfica de temperatura adimensional para patios como sumideros térmicos que se propone en el presente trabajo (fig 5.66). En ellas observamos que a partir de P=1, esta temperatura baja en la parte inferior del patio a medida que éste es más profundo. Esto tiene sentido porque en esas zona con baja velocidad del aire u bajas renovaciones, el aire del patio se mezcla mucho menos con el del exterior, el efecto enfriador de la masa térmica se hace más perceptible y duradero. A esto, obligatoriamente como veremos más adelante, tendremos que sumar los efectos de la estratificación no tenidos en cuenta en esta primera aproximación. El aislamiento de las corrientes de aire exterior al no haber suficiente renovaciones del mismo en las zonas bajas de los patios profundos Termodinámica del Patio Mediterráneo

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P=1,7

h=1,7

a=1

Figura 5.72 Sección y planta de vivienda en la calle Buitrón 9, Sevilla. La Casa en Sevilla 1976-1996 (Sierra Delgado 1996)

288

Figure 5.73 Imagen del patio de casa en la calle Pureza 42, Sevilla. “Arquitectura Civil Sevillana” (Collantes de Terán Delorme & Gómez-Estern 1976)

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

y la propia capacidad aislante del aire, hacen que estas zonas se “sobreenfríen” mucho en contacto con un sumidero térmico o se “sobrecalientan” mucho en contacto con un foco. Las elevadas condiciones de confinamiento del aire de los patios profundos dificulta la de mezclas de aires a distinta temperaturas debido a los patrones de flujo y por tanto a circunstancias mecánicas. En los patios profundos la velocidad del aire en gran parte de su altura es cercana a cero (fig. 5.22). Por tanto estamos ante condiciones en que los efectos de la flotabilidad del aire por microcambios en su densidad ante diferencias térmicas (estratificación, convección natural) empiezan ser considerables. Estos son, ahora sí, fenómenos puramente termodinámicos y es necesario completar las ecuaciones clásicas de Navier-Stokes que nos permitían determinar la velocidad y la presión de la partícula fluida, con otras que expresan matemáticamente del flujo de calor. Esto es posible en nuestro modelo numérico como podremos ver en la simulación realizada sobre el patio del edificio del hotel en Málaga. Es muy común en la edificación mediterránea más popular la existencia de estos patios profundos con P < 1 (fig. 5.72, 5.73). Según lo estudiado para esta geometría, además de las ventajas térmicas en caso de no existir focos de calor, las zonas bajas tienen riesgos. Estas pueden quedar poco ventiladas y por tanto con posibilidad de enrarecimiento del aire (concentración de contaminantes) o sobrecalentadas si existen focos. Por tanto podríamos estar ante una estrategia obligada sólo por la precariedad en la disposición de suelo por parte de clases medias y populares, en un entorno de fuerte presión urbana impuesto por la compacta ciudad mediterránea. Pero esta tipología es demasiado habitual para distintos tipos de viviendas y lugares como para ser ese el único factor. Además la experiencia real en muchas viviendas con estos patios no es en absoluto de disconfort ambiental. Probablemente sea más habitual que estos espacios sean frescos por poseer sumideros de calor. Por otro lado los peligros (sobrecalentamiento, aire enrarecido) se evitan si los patios están conectados, como es habitual, con el exterior mediante piezas intermedias que como veremos permiten una renovación ocasional o permanente.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

289

Figure 5.74 Patio de Profundidad P = 3 + Zaguán. (Rojas-Fernández et al. 2012). Definimos las medidas del dominio: -h1=altura del dominio. -l1=longitud del dominio. -a1=altura del edificio 1. -a2=altura del edificio 2. -b1=longitud del edificio 1. -b2=longitud del edificio 2. -d1=distancia del edificio 1 al origen . -d2=distancia entre los edificios 1-2. - hz= altura del zaguan */ int h1=25, l1=63, a1=10, a2=10; int b1=10, b2=10, d1=20, d2=5; int hz=3; Figure 5.75 Módulo y dirección del vector velocidad sobre lineas de corriente.

// Frontera border a(t=h1,0) {x=0 ; y=t ; label=1;}; border b(t=0,d1) {x=t ; y=0 ; label=3;};

// Edificio border c(t=0,a1) {x=d1 ; y=t ; label=3;}; border d(t=d1,d1+b1) {x=t ; y=a1 ; label=3;}; border e(t=a1,0) {x=d1+b1 ; y=t ; label=3;}; border f(t=d1+b1,l1) {x=t ; y=0 ; label=3;}; border g(t=0,h1) {x=l1 ; y=t ; label=4;}; border h(t=l1,0) {x=t ; y=h1 ; label=5;}; border j1(t=d1+b1+d2,d1+b1+d2+b2) {x=t ; y=hz ; label=7;}; border j2(t=hz,a2){x=d1+b1+d2+b2;y=t;label=7;}; border j3(t=d1+b1+d2+b2,d1+b1+d2) {x=t ; y=a2 ; label=7;}; border j4(t=a2,hz) {x=d1+b1+d2;y=t;label=7;};

Figure 5.76 Malla final adaptada.

290

Figure 5.77 Lineas de código para la definición geométrica en el modelo numérico.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

5.8.4. Estudio de patios profundos no confinados El modelo numérico realizado simula la geometría de un patio profundo (P=3) conectado en planta baja con el exterior. Se modela el efecto de un zaguán abierto al patio y a la calle. No se ha encontrado precedentes de esta simulación ni de experimentos en túnel de viento con esta geometría, por lo que no podemos comparar resultados. Las gráficas de temperatura adimensional no son aplicables por estar realizadas a partir de experiencias y simulaciones que no contemplan esta configuración. Se propone utilizar el modelo numérico generado en el presente trabajo para estudiar el comportamiento de las corrientes de aire de este caso, sobre la base de la fiabilidad demostrada de dicho método en la reproducción de las simulaciones de los casos anteriores. Observando el patrón de flujo de esta geometría (fig. 5.74), comprobamos que ha desaparecido el remolino de la parte superior. Las líneas de corriente recorren toda la profundidad del patio saliendo por el zaguán. La malla adaptada (fig. 5.76) revela una gran variación de los parámetros en las zonas profundas del patio con grandes cambios en la velocidad del flujo. Esto supone un comportamiento distinto al de los patios confinados con velocidades cercanas a cero en estas zonas que permitían una estratificación del aire evolucionando a la estabilidad. Esto supone que estamos ante un espacio profundo pero con aire no confinado. Por tanto se infieren unos comportamientos termodinámicos más equilibrados. Los flujos aseguran las renovaciones y evitan el riego de sobrecalentamiento de estos espacios a la par que evitan la acumulación de malos olores y contaminantes en el fondo del patio. La complejidad de los flujos con el exterior hace insuficiente el parámetro P para comprender y determinar el funcionamiento de este tipo de patios. Es necesario un modelo numérico como el propuesto en la presente investigación. Observando el diseño y funcionamiento real de las viviendas populares con profundos patios (casas en Sevilla, Córdoba o Málaga, por ejemplo) en general en todo el arco Mediterráneo), constatamos que esto es exactamente lo que suele suceder (fig. 5.78-5.81). En el patio del edificio de Córdoba, estudiado y monitorizado durante 3 Termodinámica del Patio Mediterráneo

291

P=3,1

h=3,1

a=1 Figure 5.78 Vivienda en la calle Lepanto 9, Sevilla, España.

Figure 5.80 Zaguán de patio en Madina Sidonia, Cádiz, España. Imagen: MMHR

292

Figure 5.79 Zaguán de patio de Palacio de Monsalud, s. XVIII en Talavera la Real, Badajoz, España. Imagen Diputación de Badajoz Figure 5.81 Zaguán de patio en Arcos de la Frontera, Cádiz, España. Imagen: Fernando Conde.

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

años consecutivos para la presente tesis, se puede constatar esto. Las fachadas a estos patios no suelen ser estancas, pues estos patios existen precisamente por ser absolutamente necesarios para ventilar las piezas que lo rodean. Y algunas de estas piezas también dan a la calle lo que asegura una ventilación cruzada en las mismas y la necesaria renovación del aire del patio. La renovación de estos patios suele ser más fácil por ser de pequeñas dimensiones absolutas y contener menores volúmenes de aire que los de otras proporciones (Capitel, A. 2005). Esta renovación se puede producir de forma ocasional a través de la ventilación de las habitaciones, o de forma constante por la existencia de una pieza en planta baja permanentemente abierta a la calle: el zaguán. Esta corriente hace que el aire se “preclimatice” en su recorrido por el patio profundo. Como dijimos antes, probablemente las paredes de estos patios sombreados sean unos sumideros térmicos capaces de atemperar el aire que pasa cerca de ellos antes de entrar al interior de la casa. Y como también vimos al hablar del efecto beneficioso de los amplios torbellinos de los patios con P=1, aquí también las corrientes de aire incidiendo sobre los muros o directamente sobre las personas consiguen grandes efectos beneficiosos para el confort interior en estas viviendas. Los patios profundos cuando contienen sumideros térmicos tienen la ventaja de que permiten temperaturas inferiores a las exteriores gracias a las condiciones del aire ocluido de estos espacios. Por los mismos motivos, un foco de calor o contaminación ambiental (ya vimos lo similares que pueden llegar a ser) puede crear sobrecalentamiento o condiciones de enrarecimiento del aire (olores, CO2...). Por tanto ventilar estos espacios les permite conseguir condiciones mejores de seguridad en su habitabilidad. En las viviendas esto se suele conseguir de forma natural con las estrategias vistas (ventilando estancias de forma cruzada con la calle). En edificios más grandes y complejos, donde es menos probable la interacción manual, a los que exigimos unas altas condiciones de seguridad y confort, es completamente necesario renovar de forma tecnológica y mecánica estos espacios. Se conseguirán, como comprobaremos en el siguiente estudio, mejores y más seguras condiciones del aire.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

293

5.9. Conclusiones Se ha estudiado en este capítulo las características temodinámicas de los patios poniéndolas en relación con su arquitectura y el clima donde se construyen y abordando la cuantificación del fenómeno. Se ha explicado cómo la forma y especialmente la profundidad de los patios tienen una considerable incidencia en sus comportamiento térmico. Los principales fenómenos termoaeráulicos de estratificación, convección y patrones de flujo, se ven muy condicionados por las proporciones entre la altura y la anchura de los patios (profundidad). Para cuantificar todo este comportamiento, se ha desarrollado un método que incluye la generación de una simulación numérica CFD. Ésta usa como motor un código desarrollado en el programa calculador de elementos finitos de código abierto Freefem++. Para la usabilidad real del método en un entorno arquitectónico, se ha puesto especial interés en que las geometrías de edificios puedan ser generadas en programas propios del diseño arquitectónico y trasladadas con facilidad al lenguaje del código para la simulación. Se ha comprobado que el código reproduce el comportamiento del aire en las distintas geometrías simplificadas de patios tal y como lo hacen programas comerciales CFD y los experimentos en túnel de viento. Gracias al uso de estas simulaciones, se ha mostrado cómo patios anchos o poco profundos, interaccionan con el viento mediante unos patrones de flujo que hacen que las corrientes de aire penetren completamente en su interior barriendo cualquier estructura. Por ello en estos patios no existe una diferenciación clara entre el aire interior del patio y el aire exterior. En estos espacios no hay un microclima interior. Estos patios abiertos y poco profundos son más comunes en los climas fríos tal y como vimos en el Capítulo 4. Su misión en estos climas es, sobre todo, asegurar el acceso a la radiación solar de las paredes de los edificios. Los patios de profundidad intermedia más cercanos a P=1 generan un patrón de flujo con el viento que producen un torbellino interior que ocupa la totalidad del patio y que permiten una cierta diferenciación de las propiedades de este aire del exterior. Debido a este vórtice, estos patios presentan considerable velocidad del aire interior que asegura una suficiente renovación. Cuando se complementa su arquitectura 294

Capítulo 5. Estudio de la Termodinámica del Patio

con protecciones suplementarias como galerías o toldos que se aseguren el mayor sombreamiento de las paredes del patio y con la presencia de vegetación o agua, también permiten las condiciones que generen un microclima diferenciado del exterior. Estos patios son típicos de climas templados como el mediterráneo. Son más característicos de las edificaciones nobles que de las populares por el consumo de espacio que esta geometría implica. Son también los más equilibrados en sus propiedades térmicas para climas templados como el mediterráneo. Los patios de mayor profundidad son los que tienen capacidad de generar un microclima más diferenciado del exterior. Su geometría estrecha dificulta el acceso de la radiación solar a las fachadas, permitiendo que éstas superficies se encuentren a una temperatura inferior a la exterior y comportándose, por tanto, como sumideros térmicos en el espacio del patio. La interacción de la geometría profunda con el viento, genera un patrón de flujo caracterizado por un vórtice pequeño en la parte superior que actúa de tapón aislando el aire del patio del exterior. Por tanto, las velocidades del aire en la zona inferiores del patio son bajas permitiendo la mayor eficacia de los procesos de estratificación del aire provocados por el enfriamiento del mismo producido en contacto con las paredes sombreadas. Esta geometría del patio es, por tanto, la más coherente con los climas templados-cálidos y cálidos como efectivamente ha sido estudiado en el Capítulo 4. Por otro lado, los patios muy profundos, por el poco espacios que consumen, tienen tendencia a ser más usado en las edificaciones más humildes. Estos patios , al estar muy aislados del exterior, pueden tener problemas de renovación y enrarecimiento del aire. Por ellos, el uso común de la ventilación cruzada a la calle mediante piezas intermedias y especialmente los zaguanes, permiten una regulación activa por parte el usuario en la búsqueda del equilibrio entre cualidades microclimáticas y calidad del aire. Finalmente, debido a la complejidad descrita del comportamiento microclimático de los patios, el estudio mostrado en este capítulo y el método de simulación desarrollado, puede ser una buena herramienta de ayuda para el diseño de edificios que exploren cuantitativamente la estrategia termodinámica de los patios.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

295

6. MONITORIZACIÓN ESTUDIO DE PATIOS REALES 4. ESTUDIO Y DIMENSIONAL DE PATIOS HISTÓRICOS

Figura 6.0 Portada de capítulo. Patio del Palacio de la Concha en Córdoba, siglo XVII con los sensores dispuestos para una de las campañas de monitorización realizada en junio de 2016.

298

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

Como parte del presente proyecto de investigación, se estudian varios patios reales mediante la monitorización de parámetros físicos (temperatura del aire exterior, temperatura del aire en el patio a distintas cotas, humedad del aire, temperatura superficial de muros, temperatura de capa límite). Además del estudio de la documentación científica existente sobre patios, se considera necesario este contacto directo experimental con el objeto de estudio. Con ello se conseguirá contrastar la existencia real de microclima en los patios, nos permitirá un conocimiento más preciso de los efectos que se producen y los datos obtenidos tendrán una misión importante en la generación de la herramienta de cálculo prevista como uno de los productos finales de la investigación. Sobre los casos seleccionados de patios se han realizado durante los meses de junio a octubre de los años 2014 a 2016 campañas de monitorización de parámetros termodinámicos del aire. Posteriormente se realizará un modelo numérico de cada uno de estos espacios para intentar simular su comportamiento. La comparación de los datos obtenidos del modelo con los monitorizados reales nos permitirá contrastar el modelo y configurarlo para que sea una herramienta de cálculo fiable.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

299

300

Capitulo 6. Monitorizaciรณn y Estudio de Patios Reales

6.1. Casos de estudio Para la elección de los casos de estudio se han tenido en cuenta diversas circunstancias que permiten que la monitorización sea posible y que la información obtenida sea útil a la investigación. Debido a los grandes recursos de investigación que supone, el estudio y monitorización de patios se limita a un número reducido de casos. Para conseguir la mayor representatividad posible, se han elegido patios muy diferentes en distintos aspectos siendo cada uno de ellos característico de un grupo determinado de patios. La toma de datos se realizará sobre tres patios distintos en tres ciudades diferentes (Córdoba, Sevilla y Málaga, fig. 6.1) de dos zonas climáticas distintas según DBHE 2013 (B4 y A3). También se usarán tres tamaños distintos que van desde la gran escala de los patios de manzana a la pequeña escala de patio doméstico, pasando por un patio de escala intermedia entre los anteriores. Se ha buscado también representatividad entre la arquitectura tradicional

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 6.1 Mapa de situación de las ciudades con patios estudiados.

301

Figura 6.2 Descripción geométrica del patio monitorizado en Sevilla, España.

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Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

y la contemporánea, así como entre usos públicos y privados. Existe representación de los patios sencillos y complejos, con tradicionales galerías perimetrales y modernos sin ellas. La profundidad de los patios es de forma genérica la típica mediterránea con profundidades cercanas a uno. Pero se estudia también casos de patios de formas complejas que asocian diferentes espacios de patios de distintos tamaños y profundidades. Por último hay que subrayar la integridad de los datos como otra importante circunstancia a tener en cuenta a la hora de la selección de los casos de estudio. Para ello hay que asegurar la integridad de los aparatos de medición. Como los distintos sensores se situaran de forma visible en estos patios durante muchos días, es importante el compromiso de los responsables de los edificios seleccionados en garantizar la vigilancia y el control de estos espacios. Por todo ello los casos de estudio son los siguientes.

Figura 6.3 Fachada del edificio estudiado en Sevilla.

6.1.1. Patio doméstico en Sevilla El primer caso de estudio se corresponde con un patio doméstico de una vivienda unifamiliar contemporánea en Sevilla (fig. 6.3). Por tanto estamos en también en zona climática B4 según DBHE 2013 (ver Capítulo 3). El tamaño del mismo en planta (3,16 x 2,70 m) lo hace claro representante del patio de “pequeña escala” según la clasificación propuesta. Su profundidad es también típicamente mediterránea con P=1,2 (fig. 6.2). La misión de este patio no es centrar el programa de la casa sino proporcionar sombra a los lucernarios superiores que iluminan la doble altura central del salón alrededor de la cual gira la casa (fig 6.4, 6.5). Pero a pesar de no ser una configuración típica mediterránea, su sencilla forma cúbica, sin zonas porticadas ni complejidades geométricas, sin comunicación con otros espacios ni huecos, nos puede permitir estudiar el comportamiento térmico de un espacio de profundidad intermedia en condiciones de control. Por tanto sería un caso sencillo para empezar a estudiar el fenómeno sin atender a demasiados condicionantes antes de pasar a otros casos de mayor complejidad. Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 6.4 Patio del edificio monitorizado en Sevilla con lucernarios en el suelo.

Figura 6.5 Interior del edificio y patio estudiado en Sevilla con los lucernarios que reciben luz del patio.

303

7,9 m

3,25 m

15,65 m

P=0,9

1,81m

4,2 m

2,45 m

h=0,9

a=1

0 1

9,6 m

9 m

0 1

Figura 6.6 Descripción geométrica del edificio y patio monitorizado en Córdoba, España.

304

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

6.1.2. Patio en una casa palacio de Córdoba Se selecciona como segundo caso de estudio el patio tradicional porticado de una casa palacio andaluza del siglo XVII (fig 6.7, 6.8). Está situado en el centro de Córdoba, en la plaza de la Concha y el edificio actualmente pertenece a la institución Teresiana. Por tanto estamos dentro del clima mediterráneo andaluz en una zona climática definida por el actual DBHE 2013 como B4. Es un clima de inviernos suaves y veranos muy calurosos (Capítulo 3). Con respecto al tamaño, según la clasificación propuesta estaríamos ante un patio dentro del límite inferior la categoría “gran escala”. Sus dimensiones en planta (9x9,6 m) hacen que se encuentre en un tamaño intermedio entre los grandes patios (de manzana o representativos) y los patios domésticos. Complementariamente los siguientes dos casos de estudio son claros representantes de estas dos categorías de escala grande y pequeña con lo que abarcamos la mayor parte de los posibles diferentes tamaños de los patios mediterráneos. La profundidad del patio, típicamente mediterránea, es casi uno (P=0,9) si consideramos sólo tres de sus cuatro lados (fig.6.6). Sin embargo existe un volumen adosado al patio que hace que uno de sus lados tenga una planta más. Se observa también que el pórtico sólo existe en otros tres lados. El espacio del patio está conectado a otro patio profundo por lo que deben interaccionar. Por todo ello el parámetro profundidad no es tan definitorio. Será necesario un estudio tridimensional que se realizará en los siguientes capítulos de trabajo.

Figura 6.7 Fachada del edificio estudiado en Córdoba.

Figura 6.8 Patio estudiado en Córdoba con los sensores de una de las campañas de monitorización.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

305

h=0,86

a=1

h=3,6

a=1

Figura 6.9 Descripción geométrica del edificio y patio monitorizado en Málaga, España.

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Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

6.1.3. Patio de manzana en Málaga El tercer y último caso de estudio se corresponde con el patio del edificio diseñado por el autor en Málaga. Se trata de un patio de manzana con usos residenciales y hoteleros en una zona de ensanche junto al puerto de Málaga (fig. 6.9, 6.16). El clima de esta ciudad está clasificado por el DBHE 2013 como A3 (Capítulo 3) y es una variedad de clima mediterráneo más suave y menos caluroso que el anterior de la zona B4 correspondiente a Sevilla y Córdoba. Al tratarse de un patio de manzana, por su tamaño se clasifica entre los de “gran escala”. La arquitectura es contemporánea y hay cierta complejidad en el entendimiento espacial del patio. Como se observa en las figuras 6.9 y 6.10, aunque el patio principal tiene una profundidad cercana a la unidad con P=0,86 (28,5 x 24,5 m), existen una serie de patios menores conectados a éste con profundidades mayores que llegan a P=3,6 (en su parte más estrecha 3.65 x 13,35 m). Por tanto, la profundidad varía mucho en función de la parte de la sección considerada. Ante esta complejidad habitual en edificios contemporáneos, un parámetro P general no es tan útil para tipificar el comportamiento térmico del patio. Las soluciones de los problemas derivados de la dinámica de fluido no son lineales. El conocimiento del comportamiento analítico de geometrías sencillas no presupone el conocimiento del comportamiento de geometrías complejas que derivan del acoplamiento de las primeras. Por tanto se trata de un caso típico en que las herramientas de simulación numérica son necesarias pues son las únicas capaces de modelizar esta complejidad. Por ello, además de la monitorización de su comportamiento, en el capítulo siguiente, se modelizará y simulará usando las herramientas desarrolladas en el presente trabajo para comprobar tanto estas herramientas como comprender mejor el funcionamiento termodinámico de este espacio en el edificio.

Figura 6.10 Esquema de plantas y sucesión de patios desde el más grande de manzana a los más pequeños y profundos en el edificio estudiado en Málaga.

Es oportuno reseñar que en este edificio se ha diseñado una solución global que quiere aprovechar más eficientemente las condiciones termodinámicas del patio mediante estrategias tanto activas como pasivas. De esta manera se asegura un funcionamiento que garantice siempre el confort independientemente de las condiciones exteriores, lo que es completamente necesario especialmente en este tipo de edificios. La integración de las energías renovables en este edificio Termodinámica del Patio Mediterráneo

307

contó con el asesoramiento del profesor Valeriano Ruiz Hernández, Catedrático de Termodinámica de la Universidad de Sevilla (Ruiz Hernández 2013). Por un lado, los espacios anexos al patio se benefician de forma natural del microclima de éste abriendo huecos al mismo. Por otro, el resto del edificio también se benéfica del microclima ya que el sistema de aire acondicionado toma el aire del patio para la renovación general de las zonas comunes del edificio. Para ello una entreplanta técnica está situada en la zona baja del patio (en verde en la figura 6.12) albergando las unidades de tratamiento de aire para tomar aire del patio mezclándolo con el recirculado del edificio. Se pueden ver las rejillas de admisión al patio en la imagen de la figura 6.17. Las especiales condiciones del aire del patio permite que muchos días al año, basta con usar este aire fresco, sin generar frío o calor, para conseguir el confort interior en el proceso denominado “free-cooling” lo que supone considerables ahorros energéticos. Figura 6.11 Patio de manzana del edificio de Málaga en el que se observa la apertura del patio más profundo que parte del mismo.

Este proceso también colabora en asegurar la renovación del aire del patio en sus zonas bajas que debido a su profundidad podría presentar enrarecimiento como vimos al estudiar los patios profundos.

Figura 6.12 Sección del edificio de Málaga donde se aprecia la relación entre el patio de manzana y el más profundo. Esquema de circulación inducida del aire.

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Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

Además existe otra estrategia que permite colaborar de manera pasiva con esta renovación consiguiendo introducir directamente el aire fresco del patio en otras zonas no climatizadas del edificio. Para ello se usa una estrategia termodinámica diferente y mencionada ya en este trabajo: la chimenea solar. Al igual que con la entreplanta técnica, se trata de forzar a que el aire pase siempre del patio al interior y no a la inversa, extrayendo el aire de los espacios anexos al patio (fig. 6.12, 6.15). Para ello, la torre de ascensores miradores, muy expuesta a la radiación solar, está abierta en su parte superior convirtiéndose una gran chimenea solar (fig. 6.13, 6.16). El espacio del tiro del ascensor está conectado con el sótano de forma que se genera una corriente inducida que extrae el aire del sótano del edificio y lo envía hacia el exterior (fig. 6.14). Este sótano, que queda en subpresión, está conectado a su vez con el patio en su parte inferior, haciendo que el aire pase de forma natural del patio al sótano (fig. 6.11-6.15). La estrategia permite conseguir varios objetivos. Por un lado asegura la renovación natural de este sótano dónde se sitúa el garage. Por otro permite introducir el aire más fresco del sótano y del patio en el hueco del ascensor colaborando en mitigar el sobrecalentamiento que por efecto invernadero existe en este espacio. Finalmente, como dijimos, aseguramos la circulación del aire del patio desde

Figura 6.13 Espacio del hueco del ascensor mirador que funciona como chimenea solar. Este espacio está conectado con el sótano de garage.

Figura 6.14 Sótano de garage con huecos conectados al patio para tomar aire desde el mismo.

Figura 6.15 Sección del edificio de Málaga por el patio más profundo. Esquema de la circulación de aire inducida por el sistema patio-chimenea solar.

Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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este al interior del edificio. Obviamente, se ha tenido en cuenta la posibilidad de contaminación del aire en el sótano de garage debida a los gases de escape de los vehículos. Por ello se ha implementado un sistema automático de extracción del aire en el sótano que actúa cuando se detecta una concentración mayor de una parte por millón de monóxido de carbono (cumpliendo normativa). Pero en los años de funcionamiento del hotel rara vez se a detectado esa concentración lo que demuestra que la ventilación natural diseñada es efectiva.

Figura 6.16 Fachada del edificio estudiado en Málaga. En la esquina se aprecia la existencia de la torre con ascensores miradores que funciona como chimenea solar (fotografía: Jesús Granada).

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La implementación de las tecnologías adecuadas permiten sacar el mayor partido a las estrategias pasivas, consiguiendo que su uso sea viable y seguro especialmente en edificios grandes y complejos (fig. 6.16, 6.17). Sólo de esta forma se asegura que el sistema funcionará de la forma prevista garantizando en todo momento un confort. Se trata de ofrecer una alternativa entre edificios totalmente pasivos, naturalmente ventilados y los herméticos completamente

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

dependientes de la tecnología. Un edificio pasivo 100% , sin ningún mínimo sistema climático de apoyo subsidiario, es inviable a día de hoy en edificios grandes y complejos que necesitan garantizar el confort en cualquier situación. Sin embargo, un edificio 100% hermético y completamente dependiente de un ambiente controlado artificialmente, no se comporta energéticamente tan bien como suele esgrimirse y es un riesgo para la salud de las personas. Por tanto, un edificio híbrido que tome lo mejor de los dos mundos en función de las necesidades y condiciones exteriores de cada momento, se adapta mejor a las necesidades reales. Para ello se necesita tanto un entendimiento pasivo como un buen control tecnológico de la arquitectura. El patio no es sólo un elemento ancestral de la arquitectura popular. Es también un espacio por descubrir y experimentar, que permite un entendimiento más científico y tecnificado sin perder sus propiedades plásticas.

Figura 6.17 Interior del patio profundo monitorizado del edificio de Málaga. Puede verse en esta imagen las rejillas acústicas de admisión de aire de renovación hacia la planta técnica donde se encuentran las unidades de tratamiento de aire del todo el edificio (fotografía: Jesús Granada).

Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Figura 6.18 Estación meteorológica situada en la cubierta del edificio estudiado en Córdoba.

Figura 6.19 Estación meteorológica situada en la cubierta del edificio estudiado en Málaga.

Figura 6.20 Calibración de sensores datalogger de temperatura y humedad previa a una campaña de monitorización. Obsérvese que cumple con las especificaciones de precisión de medida certificadas desde fábrica (la desviación de la medida en todos los sensores es menor que 0,5ºC).

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Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

6.2. Aparatos de medición. Se ha medido velocidad y dirección del viento, temperatura superficial de muros, temperatura de capa límite, temperatura y humedad del aire simultáneamente en distintas partes de estos espacios así como en la cubierta de los edificios. También se ha usado una cámara termográfica para tomar mediciones de temperatura radiante de las superficies. Para ello se han utilizado los siguientes aparatos: Estación meteorológica. La estación meteorológica usada para la monitorización del ambiente exterior en cada edificio es un modelo PCE-FWS 20 (fig. 6.18, 6.19). Toma datos de la dirección y velocidad del aire, presión atmosférica, temperatura o humedad exterior así como temperatura y humedad interior del edificio. El aparato viene calibrado de fábrica certificando una resolución de la medición de la temperatura de 0.1 ºC. Debido a la vital importancia de los datos de temperatura exterior para la investigación, han sido comparados con los datos fiables recogidos por la estación meteorológica oficial más cercana de la Agencia Meteorológica Oficial (AEMET). Estas estaciones no se encuentran en los centros urbanos donde están los edificios estudiados, sino en los aeropuertos más cercanos, por lo que se ha tenido en cuenta el efecto isla de calor para dicha comparación. Se ha comprobado que las temperaturas máximas recogidas, los valores más interesantes para la presente investigación, no exceden las de la estación oficial, por lo que se ha considerado suficiente la fiabilidad suministrada por este aparato.

Figura 6.21 Certificado de calibración de sensor de temperatura Testo 174T identificado como 1A.

Sondas de temperatura. Las sondas de temperatura del aire usadas en la presente investigación (fig. 6.20) han sido los modelos TESTO 174T, y DOSTMANN Log 110. Las sondas están calibradas individualmente desde fábrica aportando su certificado (fig 6.21, 6.22). La precisión de la medida certificada a 25ºC es de 0,5 ºC. Aún así, previamente a cada sesión de monitorización, se ha constatado su calibración colocándolas todas en un espacio reducido y comprobando que ningún sensor individual diverge en su medida de la temperatura más de lo que asegura el fabricante. Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 6.22 Certificado de calibración de sensor de temperatura Dostmann Log 110.

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Figura 6.23 Sensores de termopares datalogger para temperatura superficial de muro y capa límite situado en el patio de Málaga.

Figura 6.24 Sensores con distintas protecciones solares para su comparación situados en el patio de Córdoba.

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Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

Sondas de temperatura y humedad. Las sondas de temperatura y humedad del aire usadas han sido el modelo TESTO 174 H (fig. 6.20). También están calibradas individualmente desde fábrica aportando su certificado individual (fig. 6.25). La precisión de la medida certificada es de 0,5 ºC. Al igual que las anteriores, previamente a cada sesión de monitorización, se ha comprobado su calibración colocándolas todas en un espacio reducido y comprobando que ningún sensor individual diverge en su medida de la temperatura más de lo que asegura el fabricante. Sondas de temperatura superficial de muro y capa límite. Para determinar la temperatura superficial exterior de los muros del patio, se ha usado la sonda de cuatro canales de termopares modelo TESTO 176 T4 (fig. 6.23). La sonda esta calibrada individualmente desde fábrica aportando su certificado (fig. 6.26). La precisión de la medida certificada a 25ºC es de 0,5 ºC. Con este aparato se ha medido simultáneamente la temperatura en la superficie del muro así como la temperatura del aire a 1 cm del muro en el mismo punto. Nos informa del flujo de calor entre el muro y el aire del patio en cada momento.

Figura 6.25 Certificado de calibración de sensor de temperatura y humedad Testo 174H identificado como 2B.

Cámara termográfica. Aunque la presente investigación se centra en la temperatura de bulbo seco del aire y no en la temperatura radiante de las superficies de los muros, para entender adecuadamente el contexto termodinámico del patio, se han tomado algunas lecturas termográficas mediante cámara modelo TESTO 876 Superesolution. Se han tomado imágenes (fig. 2.32, 2.33 Capítulo 2) que nos informan de manera cualitativa de la distribución general de las temperaturas radiantes superficiales en los muros de los patios. No se ha pretendido una lectura cuantitativa de la información que debido a su compleja interpretación, exigiría un estudio más detallado para ello. Para los fines de la presente investigación, lo esencial es la correcta determinación de la temperatura de bulbo seco del aire en el patio (Capítulo 5). Sin embargo, la fuerte radiación que existe en determinados momentos sobre los sensores, puede desvirtuar las lecturas al provocar el sobrecalentamiento de los mismos. Para evitarlo, se han ensayado distintas estrategias que protejan el sensor Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 6.26 Certificado de calibración de sensores para temperatura superficial de muro y capa límite compuesto de cuatro termopares Testo 176 T4

315

Figura 6.27 Campaña de monitorización con los sensores colocados en el patio de Málaga.

316

Figura 6.28 Campaña de monitorización con los sensores colocados en el patio de Córdoba.

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

con diferentes grados de sofisticación. Los sistemas están basados en la incorporación elementos que mantengan los mismos en condiciones de sombra y permitan su ventilación. Los sistemas ensayados han sido: 1. Caperuzas cónicas de material EVA sobre los sensores, con agujeros que permitan la ventilación de los mismos (fig. 6.24, 6.27). 2. Protectores de aislamiento térmico reflectivo multicapa de doble lámina de aluminio y burbujas de polietileno (Polynum Ultra de Optimer System) con apertura inferior y superior para ventilación del sensor. Los sensores se mantienen siempre sin contacto alguno con la barrera para impedir transmisión de calor al mismo por conducción (fig. 6.24, 6.27, 6.28, 6.29). 3. Protectores de aislamiento térmico reflectivo multicapa de doble lámina de aluminio y burbujas de polietileno (Polynum Ultra de Optimer System) con apertura inferior y superior con ventilador propio para forzar corriente de aire que asegure la ventilación del sensor. Los sensores se mantienen siempre sin contacto alguno con la barrera para impedir conducción de calor al mismo (fig. 6.29). Tras las diversas pruebas y las campañas realizadas, se constata que ninguna de estas medidas es totalmente efectiva para evitar el sobrecalentamiento de los sensores. La fuerte radiación solar en los climas de los edificios estudiados, termina calentando las protecciones a pesar de ser aislantes. Aunque se fuerce una corriente de aire que trata de evitar el sobrecalentamiento del sensor, esto no es del todo efectivo. La transmisión de calor se produce por radiación directa entre las protecciones recalentadas y el sensor. La corriente de aire no interfiere en este proceso porque el aire es transparente a la radiación. Sin embargo, como veremos a continuación, se desarrolla una técnica de tratamiento de datos que de forma justificada consigue corregir las lecturas para que indiquen con suficiente precisión la temperatura real del aire en los patios. Figura 6.29 Sensores con protecciones solares a base de aislamiento reflectivo multicapa Polynum Ultra de Optimer System. En todos ellos se aseguraba la correcta ventilación del sensor, especialmente en los que disponían de ventilador.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

317

con ventilador)

Figura 6.30 Situaciรณn de los sensores en el patio del edificio de Cรณrdoba.

318

Capitulo 6. Monitorizaciรณn y Estudio de Patios Reales

6.3. Resultados de monitorización Las campañas de monitorización en los patios reseñados se han realizado durante los años 2014, 2015 y 2016, entre los meses de junio, julio y septiembre, recogiendo datos durante varios días. La situación de los sensores quedó documentada en cada campaña mediante planimetría (fig. 6.30). Podemos observar en las figuras 6.31-6.36 las gráficas los resultados obtenidos que muestran la caída de las temperaturas entre el patio y el exterior de los diferentes sensores durante varios días en el caso de Córdoba. Se observa un claro patrón repetido día tras día en donde las máximas diferencias de temperatura con el exterior se alcanzan durante el día. Los valores negativos indican que los sensores están recogiendo una temperatura mayor en el interior del patio que en el exterior. La mayoría de los sensores ofrecen valores positivos lo que indican que indica que en el interior de los patios el aire se encuentra a una temperatura inferior que la del exterior. Sin embargo, varios sensores recogen una caída repentina de las diferencias durante varias horas al día y una rápida recuperación que indica que estos sensores están recogiendo una temperatura considerablemente superior a la exterior durante ese tiempo. Analizando la lectura de cada sensor se descubren picos de temperatura de 50 y 60 ºC lo que no es coherente con las lecturas simultáneas de otros sensores situados a unos metros, que recogen temperaturas de 23-25ºC y varios grados por debajo de la temperatura exterior. Es importante analizar detenidamente la causa de este fenómeno singular con el fin de evitar interpretaciones erróneas de los datos que impidan un conocimiento adecuado del comportamiento térmico de los patios.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

319

Temperature Drop Inside Courtyard (June)

CÓRDOBA

Sensor 1

Sensor 2

Air temperature drop (ºC)

Sensor 3

Sensor 4

Sensor 5

Sensor 6

Sensor 7

Sensor 8

‐2

Sensor 9

‐4

Sensor 10

‐6

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

Sensor 13 16:00

Sensor 12

‐12 8:00

Sensor 11

‐10 0:00

‐8

Time h:mm

Sensor 14 Sensor 15

Figura 6.31 Caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de junio.

CÓRDOBA

Average Temperature Drop Inside Courtyard (June)

Sensor 1 4

Sensor 2 Sensor 3

Sensor 4

Air temperature drop (ºC)

Sensor 5 Sensor 6

Sensor 7 Sensor 8

‐2

Sensor 9 Sensor 10

‐4

Sensor 11 Sensor 12

‐6

Sensor 13 Sensor 14

‐8

Sensor 15

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

1:00

0:00

‐10

Time h:mm

Figura 6.32 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de junio

320

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

Para entender mejor lo que puede estar sucediendo, se presenta en las figuras 6.32, 6.34 y 6.36 , la media de estos resultados recogidos en un día tipo para cada campaña en el patio de Córdoba. Se observa claramente cómo va cambiando la hora en que se producen las máximas diferencias positivas y negativas para los diferentes meses. También se observa claramente cómo los sensores que recogen temperaturas superiores a las exteriores tienen un comportamiento individual que no sigue el patrón del resto durante ese periodo concreto de tiempo. Sin embargo, antes y después de ese evento, la evolución de las temperaturas registradas por esos sensores sigue el patrón general. Por otro lado, el momento de aparición de ese evento en cada sensor en una orientación, no coincide en el tiempo con la aparición del evento en otro sensor en distinta orientación. Una vez chequeada la posición de los sensores y las condiciones de soleamiento de cada uno, se alcanza una interpretación clara de estos resultados. Los eventos recogidos por los sensores individuales coinciden en el tiempo con el momento en que estos sensores están recibiendo radiación solar directa tal y como se analiza en la siguiente sección. Por tanto, y a pesar de las medidas de protección antes mencionadas, los eventos individuales de los sensores se deben corresponder con episodios de sobrecalentamiento de los mismos por radiación solar. Es decir, durante la duración de estos eventos, la radiación solar incidente sobre los sensores es absorbida por el aparato y produce un sobrecalentamiento del mismo. Por tanto, durante el tiempo de duración de estos eventos, las temperaturas que estos sensores recogen no es la temperatura del aire. Están registrando la temperatura que alcanza el propio aparato recalentado por el sol. La evolución de las sombras en el patio a lo largo del día expone estos sensores al sol sólo durante el tiempo que dura el episodio. Cuando esta evolución del soleamiento hace que los sensores pasen a estar a la sombra, recuperan rápidamente la temperatura propia normal y su función que es la toma de lecturas de temperaturas correspondientes al aire del patio. La curva de estos sensores pasa así a integrarse rápidamente en el rango de comportamiento general de todas las demás.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

321

Temperature Drop inside Courtyard (July)

CÓRDOBA 6

Sensor 1

Sensor 5

Sensor 6

Sensor 7

‐2

Sensor 9

‐4

Sensor 8

‐6 20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

‐8 0:00

Air temperature drop (ºC)

Time h:mm

Figura 6.33 Caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de Julio.

Air temperature drop (ºC)

CÓRDOBA

Average Temperature Drop inside Courtyard (July)

Sensor 1

Sensor 5

Sensor 6

‐2

Sensor 7

‐4

Sensor 8

‐6

Sensor 9

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

‐8

Time h:mm

Figura 6.34 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de Julio.

322

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

Temperature Drop Inside Courtyard (September)

CÓRDOBA 12

Sensor 1

Air temperature drop (ºC)

10 8

Sensor 2

6 4

Sensor 3

2 0

Sensor 4

‐2 Sensor 6

‐4 ‐6

Sensor 7

‐8 ‐10

Sensor 8

‐12 16:00

08:00

00:00

16:00

08:00

00:00

16:00

08:00

00:00

16:00

08:00

00:00

16:00

08:00

00:00

16:00

08:00

00:00

16:00

08:00

00:00

‐14

Time h:mm

Sensor 9 Sensor 10

Figura 6.35 Caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

Air temperature drop (ºC)

Average Temperature Drop Inside Courtyard (September)

CÓRDOBA

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3

Sensor 4

Sensor 6

‐2

Sensor 7

‐4

Sensor 8

‐6

Sensor 9

‐8

Sensor 10

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

09:00

08:00

07:00

06:00

05:00

04:00

03:00

02:00

01:00

00:00

‐10

Time h:mm

Figura 6.36 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

323

Este comportamiento general se caracteriza por una evolución de las temperaturas día tras día bastante homogéneo con temperaturas medias que pueden llegar a los 8 grados más bajas que las del exterior y que puntualmente, para determinados sensores y días, alcanzan los 10 grados más frescas que la temperatura exterior. Dentro de este rango general, las temperaturas de cada sensor presentan una evolución paralela con unos grados de diferencia que depende de la altura en la que se encuentre. Esto revela la existencia de un fenómeno de estratificación. Según las especificaciones técnicas, el registro de las temperaturas del aire en estos sensores debe hacerse a la sombra (especificaciones sensores Testo 174T y 174H). Se esperaba conseguir esta condición con las estrategias de sombreamiento y ventilación antes descritas, pero es evidente que no ha sido posible. Se ha comprobado que estos sistemas añadidos protegen temporalmente del sobre calentamiento. Pero la considerable radiación en esta variedad de clima mediterráneo (Capítulo 3) termina calentando también las protecciones y transmitiendo el calor hacia el sensor por radiación de onda corta (ver Capítulo 5). Cabe preguntarse con más razón si el sensor que tomamos como referencia de la temperatura exterior también sufre sobrecalentemiento al ubicarse en cubierta y en una situación completamente expuesta a la incidencia de radiación solar. Esto desvirtuaría considerablemente el estudio llevado a cabo. Sin embargo, estas lecturas proceden de una estación meteorológica cuyas especificaciones recogen específicamente que está diseñada para medir la temperatura de bulbo seco de aire exterior bajo condiciones de soleamiento directo (especificaciones estación meteorológica PCE-FWS 20). El diseño específico del aparato y del software que lo controla evita este problema. Para estar más seguros, se ha comparado las lecturas de esta estación durante esos días con la fuente más fiable de datos aportada por la estación meteorológica de la Agencia Española de Meteorología (AEMET) en Córdoba. Se comprueba que, como se observa en la figura 6.59, los datos registrados por nuestra estación durante el día son similares a los de la estación oficial de meteorología, descartándose el sobrecalentamiento de la misma. Como ya se analizó en el capítulo anterior, la radiación solar es el principal factor de aporte energético sobre un cuerpo en un ambiente exterior con un 55% de media sobre el total del balance energético. 324

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

También se observó que el aire es transparente a la radiación por lo que su temperatura no se ve afectada directamente por alta incidencia solar aunque sí indirectamente al calentar los muros que contienen ese aire. Si queremos entender la potencialidad que la temperatura del aire en los patios tiene para el mejor comportamiento térmico de los edificios, debemos medir y estudiar la temperatura del aire más que el efecto de la radiación sobre los cuerpos en ese espacio. Por otro lado, también se comentó que si queremos entender el confort directamente sobre el cuerpo humano en el espacio del patio, en esta tesis doctoral se propone hacerlo bajo los parámetros del confort adaptativo (Nicol & Humphreys 2002). Según esto, en verano no tiene sentido medir el confort en un momento dado en la zona soleada del patio. El patio no es un ambiente completamente exterior debido a la fuerte interacción con el edificio que ofrece, entre otras cosas, la oportunidad de encontrar siempre una zona en sombra, protegida de la fuerte radiación. En climas cálidos como el mediterráneo, las personas autóctonas, conocedores de la cultura y el clima, no suelen permanecer en verano bajo el sol por su propia voluntad. Se mueven buscando la sombra cuyo ambiente determina realmente el grado de confort en un espacio como el patio. Esta es una de las claves del confort adaptativo. Entender que las personas se adaptan, especialmente en espacios que se lo permiten como este, moviéndose para buscar la parte del mismo que para un determinado momento aporta el mayor confort. Es importante detallar esto porque, como se observó en el Capítulo 2, algunos estudios realizados sobre los patios se basan en condiciones medias generales, mezclando sus diversas zonas y diferentes horas del día, lo que no aporta un conocimiento real de las condiciones de confort del patio, restringidas siempre a una zona y un tiempo determinados. Por tanto, es la temperatura en la zona de sombra la que marca mejor el confort en el espacio del patio. Esto implica que las lecturas recogidas durante esos eventos bajo radiación solar se pueden considerar no significativas y sería necesario un procesado de datos que corrigiera, con suficiente criterio, estas lecturas erróneas para ofrecer una imagen más exacta y realista del comportamiento térmico del patio.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

325

45,00

40,00

35,00

30,00 Outdoor T. Wather Station Courtyard T. 2B

25,00

20,00

15,00

10,00 14/06/2016 12:00

15/06/2016 12:00

16/06/2016 12:00

17/06/2016 12:00

18/06/2016 12:00

19/06/2016 12:00

Figura 6.37 Temperatura en cubierta (en rojo) y temperatura en sensor 2B de planta baja (en verde). Obsérvese la anomalía a las 12:00 h

Figura 6.38 Situación del sensor 2B en volumetría con simulación solar. Obsérvese la incidencia solar sobre el sensor a esa hora.

326

Figura 6.39 Situación en planta y sección del patio del sensor 2B (en verde) y estación meteorológica en cubierta (en rojo).

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

6.3.1. Proceso de datos Se realiza el siguiente procesado de datos basado en argumento racional coherente con los fenómenos físicos a estudiar. Para visualizar el proceso se presenta en la figura 6.37 la evolución comparada de las temperaturas en el exterior y las recogidas por un sensor en planta baja con un marcado episodio de sobre calentamiento centrado en las 12:00 horas (sensor 2B). La ubicación del sensor está grafiada tanto en el plano (fig 6.39) como en el modelo tridimensional que muestra una simulación de soleamiento para esas horas (fig. 6.38). En el periodo de tiempo que dura el evento de sobrecalentamiento, el sol incide directamente sobre el sensor como se aprecia en el modelo. En la figura 6.41 añadimos a lo anterior la evolución de las temperaturas registradas por otro sensor en planta baja (sensor 4B) situado en el lado opuesto del patio, como se aprecia en el plano de planta (fig. 6.43) y en el modelo tridimensional (fig. 6.42). También tiene un evento de sobrecalentamiento pero lógicamente debido a su diferente ubicación y la geometría del patio, centrado en una hora diferente (17:00h). Es importante resaltar que, exceptuando los picos de estos dos eventos, ambas curvas son considerablemente coincidentes, lo que indica una evolución de la temperatura muy similar en sensores situados al mismo nivel. Esto es, como dijimos, una constante observada debido a la estratificación del aire. Por tanto para sustituir las lecturas erróneas correspondientes con el periodo de sobrecalentamiento, podríamos usar las lecturas de temperatura procedentes de otro sensor situado a la misma altura. Ésto se ha grafiado en la figura 6.44 donde se observa con claridad cómo al superponer y cancelar las curvas de sensores del mismo nivel, es posible completar la información perdida por el sobrecalentamiento en un sensor con la del otro no sobrecalentado. La curva final de las temperaturas de planta baja comparadas con la exterior está grafiada en naranja (fig. 6.44). Ahora ya es posible observar y entender con mayor claridad, los patrones de comportamiento de las temperaturas en planta baja comparados con las temperaturas exteriores para esos días.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

327

45,00

40,00

35,00

30,00

Outdoor T. Wather Station Courtyard T. 4B

25,00

Courtyard T. 2B

20,00

15,00

10,00 14/06/2016 12:00

15/06/2016 12:00

16/06/2016 12:00

17/06/2016 12:00

18/06/2016 12:00

19/06/2016 12:00

Figura 6.41 Temperatura en cubierta (en rojo), temperatura en sensor 2B de planta baja (en verde claro) y temperatura en sensor 4B (verde oscuro). Obsérvese la anomalía de éste último a la 17:00 h

Figura 6.42 Situación del sensor 4B en volumetría con simulación solar. Obsérvese la incidencia solar sobre el sensor a esa hora.

328

Figura 6.43 Situación en planta y sección del patio del sensor 4B (en verde oscuro) y estación meteorológica en cubierta (en rojo).

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

45,00

40,00

35,00

30,00

Outdoor T. Wather Station Courtyard T. 4B Courtyard T. 2B

25,00

Courtyard T. 4B‐2B 20,00

15,00

10,00 14/06/2016 12:00

15/06/2016 12:00

16/06/2016 12:00

17/06/2016 12:00

18/06/2016 12:00

19/06/2016 12:00

Figura 6.44 Temperatura en cubierta (en rojo) y temperatura en planta baja cancelando entre sensores anomalías por sobrecalentamiento.

Figura 6.45 Situación en planta y sección del patio del sensor 2B (en verde claro) , 4B (en verde oscuro) y estación meteorológica en cubierta (en rojo).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 6.46 Situación del sensor 2B y 4B en volumetría con simulación solar. Obsérvese la incidencia solar sobre el sensor a la hora en que se produce la anomalía en cada uno de ellos.

329

CÓRDOBA

Figura 6.47 Caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de junio.

CÓRDOBA

Average Temperature Drop Inside Courtyard (June)

Sensor 1

Sensor 2 Sensor 3

Sensor 4 Sensor 5

Air temperature drop (ºC)

Sensor 6 Sensor 7

Sensor 8 Sensor 9

Sensor 10 Sensor 11

Sensor 12 Sensor 13

‐1

Sensor 14 Sensor 15

‐2

Average

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

1:00

0:00

‐3

Time h:mm Figura 6.48 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de junio.

330

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

6.3.2. Resultados procesados El resultado de aplicar este proceso de datos a la serie de registros de las campañas de junio, julio y septiembre en Córdoba se muestran en las figuras 6.47-6.52. En las figuras 6.53-6.56 se muestran los resultados procesado de una selección de las campañas realizadas en el patio de Sevilla y Málaga. La aparición del patrón que revela la existencia del microclima es claro en todos los patios. Las temperaturas durante el día son más bajas dentro del patio que en el exterior. Es importante volver a resaltar que durante el día, se registraron temperaturas que llegan a ser 8ºC más bajas de media en Córdoba y puntualmente se alcanzó más de 10º de diferencia entre el patio y el exterior (fig. 6.52).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

331

Temperature Drop inside Courtyard (July) Sensor 1

5 4

Sensor 5

3 2

Sensor 6

Sensor 7

Sensor 8

‐1 ‐2

Sensor 9 20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

‐3 0:00

Air temperature drop (ºC)

CÓRDOBA 6

Time h:mm Figura 6.49 Caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de julio.

CÓRDOBA

Average Temperature Drop inside Courtyard (July)

Sensor 1

Air temperature drop (ºC)

Sensor 5

Sensor 6

Sensor 7

Sensor 8

Sensor 9

‐1

Average

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

1:00

0:00

‐2

Time h:mm

Figura 6.50 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de julio.

332

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

CÓRDOBA

Temperature Drop Inside Courtyard (September) Sensor 1

Air temperature drop (ºC)

12 10

Sensor 2

8 6

Sensor 3

Sensor 4

2 0

Sensor 6

‐2

Sensor 7

‐4 ‐6

Sensor 8

‐8 16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

‐10

Time h:mm

Sensor 9 Sensor 10

Figura 6.51 Caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

CÓRDOBA

Average Temperature Drop Inside Courtyard (September)

Sensor 1 8 Sensor 2

Air temperature drop (ºC)

Sensor 3

Sensor 4 4 Sensor 6

Sensor 7

Sensor 8 0

Sensor 9

Sensor 10 ‐2 Average

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

1:00

0:00

‐4

Time h:mm

Figura 6.52 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Córdoba con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

333

Temperature Drop Inside Courtyard (September)

Sensor 2

3 Sensor 3

2 1

Sensor 7

Sensor 8

‐1 20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

0:00

20:00

16:00

12:00

8:00

4:00

‐2 0:00

Air temperature drop (ºC)

SEVILLA 5

Time h:mm Figura 6.53 Caída de temperatura del aire del patio de Sevilla con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

SEVILLA

Average Temperature Drop Inside Courtyard (September)

1,5

Sensor 2

Air temperature drop (ºC)

Sensor 3

0,5 Sensor 7 0

Sensor 8 ‐0,5

Average

‐1

23:00

22:00

21:00

20:00

19:00

18:00

17:00

16:00

15:00

14:00

13:00

12:00

11:00

10:00

9:00

8:00

7:00

6:00

5:00

4:00

3:00

2:00

1:00

0:00

‐1,5

Time h:mm Figura 6.54 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Sevilla con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

334

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

Temperature Drop Inside Courtyard (September)

MÁLAGA

Sensor 1

8,00

Sensor 2

6,00

Sensor 3

4,00

Sensor 4

2,00

Sensor 5

0,00

Sensor 6

‐2,00

Sensor 7

‐4,00

Sensor 8

Time h:mm

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

0:00

16:00

8:00

‐6,00 0:00

Air temperature drop (ºC)

10,00

Sensor 9 Sensor 10

Figura 6.55 Caída de temperatura del aire del patio de Málaga con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

MÁLAGA

Figura 6.56 Media de la caída de temperatura del aire del patio de Málaga con respecto a la temperatura del aire exterior. Campaña de septiembre.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

335

Figura 6.57 Temperatura del aire en el exterior (rojo) y en el patio (amarillo). Datos cada 10 minutos.

Figura 6.58 Temperatura del aire en el exterior (rojo) y en el patio (amarillo). Datos cada hora.

336

Capitulo 6. Monitorizaciรณn y Estudio de Patios Reales

Para poder comprender mejor el comportamiento térmico de un edificio con patio, especialmente cuando funciona de forma pasiva como edificio naturalmente ventilado, se comparan la evolución de las temperaturas exteriores y de las temperaturas del patio en planta baja en el caso del patio de Córdoba durante una semana de verano determinada (fig. 6.57). Esta comparación con las temperaturas registradas en el patio a nivel de planta baja es interesante porque normalmente es a este nivel dónde los edificios mediterráneos están más abiertos al patio y toman la mayor parte del aire exterior. También es el nivel donde el patio es usado. Hay que subrayar también ahora que en las casas nobles andaluzas existía la tradición de usar la planta baja en verano y la alta en invierno, para aprovecharse mejor de las características térmicas de la edificación en cada estación. Esto es también un claro ejemplo de confort adaptativo como veremos más adelante. En la figura 6.57 se muestra el registro de las temperaturas cada 10 minutos dentro del patio y en el exterior. Se observa cómo, a esa pequeña escala de tiempo, el trazado zigzagueante de la curva de temperatura exterior (línea roja) comparado con el más suave de la del patio (línea amarilla), revela la mayor estabilidad de las temperaturas del patio y su relativa desconexión o aislamiento con respecto a la variación de las condiciones exteriores a corto plazo. Esto indica la existencia un microclima diferenciado del exterior. La figura 6.58 muestra el registro de temperatura cada hora. En ella se observa claramente cómo existe un patrón en las temperaturas del patio, a mayor escala temporal, por el que estas no alcanzan las temperaturas máximas diurnas cuando son muy elevadas aunque sí las mínimas nocturnas. Es interesante subrayar que estas grandes diferencias se producen cuando las temperaturas exteriores diurnas son muy altas (primero y últimos días de la serie). Cuando las temperaturas exteriores diurnas son bajas, como se observa en el grafico durante los días 15 y 16 de junio, las temperaturas del patio no se diferencian tanto del exterior, e incluso son algo más cálidas como sucede por la noche. En la figura 6.59 añadimos más capas de información para poder racionarlas y comprenderlas mejor. La línea roja grafiada en esta serie de figuras, muestra las temperaturas exteriores que son registradas por la estación meteorológica situada en la cubierta del edificio. A pesar de que, como se comentó, este sensor está especialmente diseñado para registrar temperaturas exteriores bajo Termodinámica del Patio Mediterráneo

337

la incidencia directa del sol (especificaciones estación meteorológica PCE-FWS 20), era importante asegurarse de que no sufría un sobrecalentamiento que pudiera desvirtuar la veracidad de los datos como sucedía con los otros. Esto podría comprometer gravemente la investigación realizada. Por esta razón, el registro de temperaturas de nuestra estación se comparó con el registro de temperaturas exteriores tomadas ese día en Córdoba por la estación meteorológica de la Agencia Oficial Española de Meteorología (AEMET. Gobierno de

Figura 6.59 Evolución de las temperaturas en el patio del edificio de Córdoba comparadas con la temperatura exterior y la interior del edificio.

338

CÓRDOBA

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

España 2016). Estas temperaturas aparecen grafiadas en la fig 6.39 como una línea discontinua de color gris. Se puede observar que las temperaturas máximas registradas durante el día por nuestro sensor son muy similares a las temperaturas registradas por la estación meteorológica oficial de AEMET en el aeropuerto. Esto despeja las dudas sobre la posibilidad de sobrecalentamiento de nuestra estación meteorológica y dan fiabilidad a sus registros. De todas formas es importante subrayar que aunque la estación de AEMET es la fuente

Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

339

de registro de las temperaturas exteriores más fiable, no se encuentra en el centro de Córdoba, donde se sitúa el edificio estudiado, sino en el aeropuerto a 6,94 km en las afueras. Por tanto, las temperaturas mínimas registradas durante la noche por nuestra estación en el centro de la ciudad son más altas que las registradas en el aeropuerto como resultado del conocido efecto de isla de calor urbano (Schwarz et al. 2011) . También se grafía en la figura 6.59 la temperatura en el interior del edificio tanto en planta baja mediante (línea azul oscuro) como en planta alta (línea azul claro). A pesar de las altas temperaturas exteriores, las temperaturas interiores son moderadas y como veremos dentro del confort. Aunque reaccionan a la temperatura exterior, lo hacen con cierto desfase de onda que analizaremos. La figura 6.60 muestra otra serie de varios días de donde se compara la temperatura exterior con la temperatura en el patio del edificio de Málaga. En estos días de mayo la temperatura exterior es alta alcanzando los 32ºC. Se observa que ahora el patrón de grandes diferencias de temperatura entre el patio y el exterior se hace más intenso. A mayor temperatura exterior mayor diferencia entre esta y la temperatura del patio.

Figura 6.60 Evolución de las temperaturas en el patio del edificio de Málaga comparadas con la temperatura exterior y la interior del edificio.

340

MÁLAGA

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

La campaña de experimentación muestra también la dinámica relación térmica entre las paredes del patio y el aire confinado entre ellas. Se han realizado mediciones comparativas entre la temperatura superficial de las paredes del edificio y el aire en contacto con él (capa límite) en el espacio del patio. Para ello, se han colocado dos conjuntos de sondas termopares, unas en contacto con la pared para medir la temperatura de la superficie y otras en el espacio delante de ella a 10 mm para medir la temperatura del aire en la capa de aire en contacto con la MÁLAGA

Termodinámica del Patio Mediterráneo

Figura 6.61 Evolución de las temperaturas superficiales del muro en patio del edificio de Málaga comparadas con la temperatura del aire junto al mismo.

341

pared. Estas mediciones nos permitirán comprobar la dirección del flujo de calor entre el interior y el exterior del edificio. Los resultados obtenidos en el patio de Málaga se muestran en la figura 6.61. En esta época del año, la temperatura del aire exterior durante la noche es siempre inferior a la temperatura superficial de la pared (a veces hasta 3ºC inferior, como se muestra en el pico del 30/09/2015 (fig. 6.61). Por lo tanto, en estos climas mediterráneos, la considerable diferencia en la temperatura nocturna permite que el edificio pierda calor por conducción y convección al exterior a través de su envolvente. Otro fenómeno que colabora en evitar el sobre calentamiento de los edificios en estos climas y que aprovecha la relativa baja temperatura nocturna es la emisión de calor al cielo nocturno por radiación. Los patios pueden favorecer este fenómeno aumentando las superficies expuestas actuando como disipador de calor. Esto es especialmente intenso en estos climas con un cielo muy claro durante la noche como es el caso de Córdoba, Sevilla o Málaga.

342

Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

6.4. Conclusiones Como se observa en los datos, existen diferencias en la intensidad del fenómeno en los ejemplos estudiados. Así, en Córdoba, el microclima del patio es especialmente intenso. Se observan días con diferencias de hasta 10 ºC (fig. 6.51) entre el interior del patio y el exterior y diferencias medias de 8ºC en sensores situados en planta baja (fig. 6.62). Para explicar esto, cabe mencionar la especial intensidad del calor durante los veranos en este clima mediterráneo continental como vimos en el Capítulo 3. Las temperaturas exteriores registradas en las campañas superaban frecuentemente los 40ºC. Estos datos experimentales obtenidos junto con lo visto en el Capítulo 5 sobre la termodinámica del patio, permiten sostener que a medida que las temperaturas exteriores son más altas, los fenómenos físicos que “atrapan” el aire fresco en los patios (estratificación, convección y patrones de flujo) consiguen diferenciar con más intensidad el microclima del patio del exterior. Como se estudió, la unión de los fenómenos de flotabilidad en el aire junto a la geometría de recipiente abierto superiormente de los patios, hacen que su comportamiento no sea simétrico en condiciones de altas y bajas temperaturas exteriores. A mayor temperatura exterior, más probabilidad que el aire fresco más denso permanezca atrapado en el patio. Cuando la temperatura exterior es más fresca, la diferencia de densidades es menor y el aire escapa y se mezcla más fácilmente con el del exterior. En el caso de Sevilla, con un clima parecido al de Córdoba, se obtuvieron las diferencias menores de temperatura entre el exterior y el interior del patio (fig. 6.53). Cabe señalar la existencia condiciones experimentales específicas y circunstanciales en este caso que pueden ayudar a explicarlo. El tiempo atmosférico durante las campañas en Sevilla fue extrañamente inestable, con temperatura bajas para esa época del año e incluso con precipitaciones durante varios días. Como se desprende de las campañas de experimentación realizadas, estas bajas temperaturas exteriores afecta a la intensidad del microclima. Por otro lado, la situación del patio en una planta alta con gran exposición a los vientos, podría haber afectado también al microclima al producir un aumento de las renovaciones dentro del mismo que han dificultado la estratificación del aire. En el patio de Málaga se

Termodinámica del Patio Mediterráneo

343

aprecia la existencia de un microclima intenso con diferencias de temperaturas también considerables en torno a 5 ºC (fig. 6.56). Esto es destacable especialmente si tenemos en cuenta que, respondiendo al clima mediterráneo subtropical de Málaga (analizado en el Capítulo 3), las temperaturas exteriores en los veranos de las campañas no eran muy elevadas y raramente alcanzaban los 30ºC.

Exterior Temperature Temperature inside of building

Exterior Temperature

Temperature

Temperature inside of building

Time Time

Figura 6.62 Esquema de la evolución comparada de las temperaturas exteriores y las interiores del edificio de Córdoba. Las ondas no están en fase.

Exterior Temperature Temperature inside of Courtyard

Exterior Temperature

Temperature

Temperature inside of Courtyard

Time

La figura 6.59 nos ha ofrecido muchas claves para entender mejor el comportamiento termodinámico de los edificios con patio. Se observa la gran estabilidad de las temperaturas interiores del edificio (líneas azules) cuya onda se encuentra desfasada de las exteriores (fig. 6.62). Esto revela procesos relativos a la inercia térmica y transferencia de calor en las masas construidas. Los procesos de transferencias de calor necesitan tiempo (por eso el desfase) y esto representa una gran ventaja en edificios pasivos en climas de grandes contrastes de temperatura entre el día y la noche. Permite regular estas variaciones para ofrecer unas temperaturas interiores más estables. Sin embargo, las temperaturas del patio estudiados tienden a estar en fase sólo con las exteriores y no con las interiores (fig. 6.63). Podemos decir que el microclimna del patio es un proceso que depende más de las condiciones exteriores que de las interiores. No es, como a veces suele presentarse, un simple espacio mezcla de las condiciones exteriores e interiores (fig. 6.64).

Time

Figura 6.63 Esquema de la evolución comparada de las temperaturas exteriores y las del patio de Córdoba. Las ondas están en fase.

Figura 6.64 Esquema de la visión tradicional del patio como mero espacio mezcla de aire interior y exterior. El presente estudio revela que además de este fenómeno, deben haber otros que ayuden a explicar mejor la evolución de las temperaturas del patio.

344

Pero el gráfico revela también un factor muy interesante. Cuando las temperaturas exteriores bajan durante varios días (15-17 de junio), las interiores del edificio (azules) no bajan con igual intensidad. La inercia térmica del edificio no explica del todo este fenómeno. El desfase de onda de los muros de 75 cm como los del edificio puede suponer una amortiguación de hasta 12h (Turégano et al. 2003). Luego tras el primer día, el cambio drástico de las temperaturas exteriores debería afectar a las interiores lo que no se verifica. Por otro lado, el cambio repentino de las temperaturas exteriores no supone un cambio igualmente drástico en las temperaturas del patio. Observando la evolución del conjunto de las temperaturas mostradas en la fig 6.59 se comprueba que las temperaturas interiores del edificio están más relacionadas con las temperaturas del patio que con las temperaturas exteriores. Por tanto, la temperatura interior en un edificio mediterráneo naturalmente ventilado con patio como el de Córdoba, depende más de la temperatura del patio que de la temperatura exterior. El patio, entonces, cumple una misión clave en el comportamiento térmico del edificio y es uno de los principales factores que explican la evolución Capitulo 6. Monitorización y Estudio de Patios Reales

de las temperaturas interiores del mismo. Mediante simulaciones por ordenador que mostraremos en el próximo capítulo, quedará claramente establecida esta relación. Es lógico si, como dijimos, los edificios mediterráneos suelen estar abiertos al patio en su planta baja, con lo que el aire de esta zona influye considerablemente en la temperatura de los espacios interiores ya que la dirección de la corriente de aire y consecuentemente del flujo energético suele ser del patio hacia el interior del edificio. Por otro lado, en la figura 6.65 se observa cómo el funcionamiento del patio es simétricamente opuesto al fenómeno de isla de calor urbana. En los centros de las ciudades las temperaturas exteriores alcanzan las máximas diarias del territorio pero por la noche no consiguen bajar como lo hacen en el campo. En los patios sucede justo lo contrario. Las temperaturas bajan por la noche con facilidad hasta las mínimas nocturnas exteriores pero no alcanzan las máximas del centro urbano durante el día. En la figura 6.59 se grafía mediante una mancha de color rosa (efecto perjudicial de la isla de calor urbana) y celeste (efecto positivo del microclima del patio). Por consiguiente, incorporar el microclima del patio en el diseño de los edificios supone una buena estrategia para contrarrestar el efecto de isla de calor urbano. Teniendo en cuenta que la población urbana mundial supone hoy más del 50% del total y en 2050 se espera que sea el 75% (Banco Mundial 2017), una estrategia como ésta es de gran valor en el contexto del Calentamiento Global.

Figura 6.65 Detalle de la evolución real de las temperaturas en el edificio de Córdoba. La zona roja representa el efecto perjudicial de la isla de Calor. La zona en azul representa el efecto beneficioso del patio. Ambos son simétricamente opuestos. El patio puede ser una buena estrategia de contrarrestar los efectos de la isla de calor en climas mediterráneos.

La ciencia se relaciona con el reconocimiento de patrones. En todas las campañas mostradas se aprecia claramente, con las variaciones que se justifican en las diferentes condiciones del clima, la estación del año, los tiempos atmosféricos y arquitecturas, la existencia de un claro patrón de comportamiento térmico en el patio que revela la existencia de un microclima. Este microclima es más intenso cuando la temperatura exterior es más elevada por lo que es más adecuado para climas cálidos. La diferencia de las condiciones térmicas de este espacio con respecto a las del exterior no es un fenómeno de pequeña magnitud que pueda ser desdeñado como consecuencia de dificultades en la toma de datos. La relación señal/ruido queda suficientemente establecida. Se ha observado también una clara relación entre las temperaturas del patio y las del interior del edificio. Por tanto, es inadecuada la consideración del microclima del patio como un fenómeno residual que es posible obviar a la hora de contabilizar las características energéticas de los edificios. Termodinámica del Patio Mediterráneo

345

7. COMPUTER SIMULATION EXISTENTING COURTYARDS 4. ESTUDIOOF DIMENSIONAL DE PATIOS HISTÃ&#x201C;RICOS

Figure 7.0 Chapter cover. CFD simulation of temperatures in the courtyard of Malaga.

348

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.1. Commercial software simulations. The next step done to achieve better understanding of phenomenon and the limits of the tools currently used for its calculation, has been simulations of Córdoba’s building using DesignBuilder ® software (fig. 7.1). This has been chosen as one of the most widespread modelling environment software packages for calculating building energy consumption (DesignBuilder Web 2016). In addition, DesignBuilder uses the EnergyPlus TM simulation engine which has international prestige. The building in Córdoba doesn’t have a centralized heating and cooling system. The majority of the spaces in the building work like freerunning naturally conditioned space the majority of the year. In this way these spaces have been modelled. Open windows to courtyard are considered an admissible simplification for this period of the year. Figure 7.1 Sinulation of the Córdoba building using DesingBuilder.

Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración. Pie de foto o ilustración.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

349

Figure 7.2 shows the evolution of outdoor temperatures during a week in September (red line) compared to the actual temperatures monitored inside the courtyard (pink line). Figure 7.3 shows the average of the difference per hour between outside temperature and courtyard temperature in this week (black dotted line).

TEMPERATURE OF A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

Figure 7.2 Temperature in courtyard and outside of the CordobaÂ´s building.

18/09/2015 17/09/2015 TEMPERATURE OF A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

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18/09/2015 17/09/2015 34 TEMPERATURE OF A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

19/09/2015

18/09/2015 32 17/09/2015 34 30 32 34 28 30 32 26 28 30 24 26 28 22 24 26 20 22 24 18 20 22 16 18 20 14 16 18 12 14 16 10 12 14 0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00 4:00 8:00 10 12 Temperature of a week on the0:00 roof 4:00 8:00 0:00 4:00 8:00 12:00monitored 16:00 20:00 10 0:00 4:00 8:00 12:00monitored 16:00 20:00 Temperature of a week on the0:00 roof 4:00 8:00

19/09/2015

12:00 16:00 20:00

0:00

4:00

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12:00 16:00 2

12:00 16:00 20:00

0:00

4:00

8:00

12:00 16:00 2

12:00 16:00 20:00

0:00

4:00

8:00

12:00 16:00 2

Temperature of a week monitored on the roof Temperature of a week monitored in the courtyard Temperature of a week monitored in the courtyard Temperature of a week monitored in the courtyard Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station

350

Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station

20:00

Figure 7.3 Drop of temperature in courtyard of Cordoba´s building.

10 8 6 4 2 0 ‐2 ‐4

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 17th Sept.

18th Sept.

19th Sept.

20th Sept.

21th Sept.

22th Sept.

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Average

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Termodinámica del Patio Mediterráneo

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0:00

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12:00 16:00 20:00

351

Figure 7.4 Paragraph 3.2.10.4 of the DesignBuilder user manual.

Building Models

149

3.2.10.4 Creating Voids (Courtyard Spaces) Within Blocks

To create an external courtyard within a block, go to the required block by clicking on the navigator entry or double-clicking the block in the 'Edit' screen and then click on the 'Draw void perimeter' tool. You can the select a perimeter shape and set the required wall thickness in the 'Drawing Options' data panel:

After completing the perimeter, a courtyard is automatically generated within the block:

ÂŠ 2009 DesignBuilder Software

352

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

150

Figure 7.5 Paragraph 3.2.10.4 of the DesignBuilder user manual.

DesignBuilder 2.1

Important note: the void space is modelled as exterior and not as any sort of zone. If you need to create an atrium space to be included in the calculations then model it like any other zone within the block using partitions.

Void Restrictions 1. The void perimeter lines you draw to create a void cannot touch any other external or internal wall, so you can't for example use the void command to take chunks out of the external wall - the void must be wholly contained within the block. 2. You can't create any other objects within a void - the void space is reserved and you will get intersection errors if you try to draw a block in the void space.

3.2.10.5 Edit Block Options

You can edit certain aspects of a building block geometry by clicking on the 'Building model options' icon while at the block level. This opens the Model Options dialog box:

Termodinámica del Patio Mediterráneo

353

Initially it is interesting that this software considers the possibility of modelling courtyard which is called “avoid space”. This specific possibility appears in paragraph 3.2.10.4 of the user´s manual (DesignBuilder 2009). But this is only related to the geometrical construction of courtyard in the model. The manual clarifies that the courtyard space is considered to be outside space and never like a thermal zone (fig. 7.4, 7.5).

TEMPERATURE OF A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

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Figure 7.6 Temperature inside and outside of the Cordoba´s building.

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34 32 30

TEMPERATURE OF A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

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28 34 26 32 24 30 22 28 20 26 18 24 16 22 14 20 12 18 10 16

14 12 10

0:00

4:00

8:00

12:00 16:00 20:00

0:00

4:00

8:00

12:00 16:00 20:00

0:00

4:00

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12:00 16:00 20

Temperature of a week monitored on the roof Inside Temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored on the roof as outdoor temperature

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4:00

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Temperature of a week monitored on the roof Inside Temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored on the roof as outdoor temperature Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station

Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station

354

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

20:00

The results of different simulations are showed in figure 7.6-7.8. The light blue and navy blue curves draw the average temperatures for every hour inside the building during a week for two different scenarios. In the first of them, it had been considered only the real outside temperature from our weather station to calculate the inside temperature into building through the software. The outside temperatures monitored are showed by the red line. The temperatures calculated for the software like inside temperatures into this building are showed by the navy blue line. The results of the simulation for this

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Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

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355

scenario show that the inside temperatures (navy blue) are close to exterior temperatures mainly during the evening. As we see in figure 7.6, this does not correspond to the real temperatures measured inside of this naturally conditioned building. With the idea to discover behaviours and patterns in a qualitative way more than quantitative, another simulation with a very different scenario was performed. The temperature monitored inside the real courtyard (pink line) is introduced into the simulation like the outside temperature of the building. In this way, it would be possible to simulate the thermal behaviour of the spaces close to the courtyard, therefore most of the spaces in this building.â&#x20AC;&#x192; Figure 7.7 Temperature in courtyard, inside and outside of the CordobaÂ´s building.

TEMPERATURE OF A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

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Temperature of a week monitored on the roof Inside Temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored on the roof as outdoor temperature

Temperature of a week monitored in the courtyard Inside Temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored in the courtyard as outdoor temperature

Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station

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Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

0:00

The inside temperatures calculated in the second scenario (fig. 7.7), have been drawn by the light blue line. It is noted that now the temperatures are more moderate and close to comfort than the navy blue temperatures calculated in the previous scenario. It is remarkable that in the evening the temperatures calculated in the second scenario (light blue) differ broadly to the maximum real outside temperatures (red line). It is in this time when the inside temperature is close to the courtyard temperature according to this scenario. However, during the night, this simulation shows that the temperatures inside of the building do not drop as much as the outside temperatures (red line) or even as courtyard temperatures (pink line). In this time there is

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Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

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AVERAGE TEMPERATURE OF A WEEK IN A CORDOBA BUILDING WITH PATIO 34

AVERAGE TEMPERATURE OF A WEEK IN A CORDOBA BUILDING WITH PATIO

34 32 30 32 28

26 22 20 24 18

18 16 14

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:0020:0021:0022:0023:00 Average temperature of a week monitored on the roof Inside Temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored on the roof as outdoor temperature

Average temperature of a week monitored in08:00 the courtyard 00:00 02:00 04:00 06:00 10:00

12:00

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20:00

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Inside Temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored in the courtyard as outdoor temperature Average temperature of a week monitored on the roof Inside temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored on the roof as outdoor temperature Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station Average temperature of a week monitored in the courtyard Mean minimum temperatures monitored at the airport's official AEMET weather station Inside temperature calculated by DesignBuilder using the temperature monitored in the courtyard as outdoor temperature Inside temperature monitored in actual building Mean maximum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station Mean minimum temperature monitored at the airport's official AEMET weather station

Figure 7.8 Average temperature in courtyard, inside and outside of the CordobaÂ´s building.

358

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

more similarity between the two scenarios as shown through the convergence between the light blue and the navy blue lines. The monitoring of the real building (green line) shows that the second scenario is closer to real thermal behaviour of the building than the first (fig 7.8). The Figure 6.59 showed that the inside temperatures with regard to the outside, do not follow the pattern showed in the simulations of the first scenario in DesignBuilder (fig. 7.6). The inside temperatures are more moderate and although they react to the outside temperature, they do it less quickly than as the program had calculated. The inside temperatures are more moderate and closer to the average of the outside temperature in several days. This behaviour looks more like where the temperatures of the courtyard were introduced in the simulation as if they were exterior. This can be verified observing in the real building the reaction to the high temperatures of the first day and comparing to the two following days that they are much lower (figure 7.2). The courtyard’s temperatures do not up so drastically in relation to outside temperatures. They remain a bit closer to the indoor temperatures. Consequently, the second scenario simulation and the data from actual courtyard show that there is more relationship between the indoor and the courtyard temperatures than there is between the indoor and the outdoor temperatures. The simulations confirm that the interior temperature of the buildings with courtyards is conditioned by the existence of the microclimate of the courtyards. Thermal behaviour of the buildings is a dynamic phenomenon in which interact the thermal inertia, the form as well as the temperature of the air in contact with the walls. In this framework, the existences of microclimates that modify the temperature of the air about the buildings play an essential role. Therefore, the information shows that the courtyard is something far more than simply a “void space”. The comparison between simulations and actual measurements confirms that programs like DesignBuilder do not correctly calculate the energy performance of buildings with patios. For this it is necessary that these programs can precisely calculate the temperature inside a courtyard. This temperature define its microclimate and it is different from the outside temperature.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

359

7.2. Considerations on the nature of thermal behaviour The relationship between the behaviour of indoor and outdoor courtyard temperatures has been discussed above. The possible causes of this thermal evolution in the courtyard will now be studied to design a new and more precise computer simulation. It could be the simple matter of heat exchange within the building. The courtyard would be a heat-storage element that stores and transfers heat (Bagneid 2006). The shaded walls of the building cool the courtyard air. Therefore, the air gives out heat to the walls. Later and conversely, the courtyard air will warm up when the walls release all of the heat. This implies that the final energy balance of the courtyard with respect to the building would be neutral. The present experiments show that this heat exchange effect exists but does not fully explain the phenomenon of the courtyard. The give-and-take heat exchange needs time. This would force the courtyard wave temperatures to out of phase with outdoor and indoor temperatures. If the heat-storage phenomenon was the only one to take into account, the courtyard temperature wave should be between the indoor temperature wave and the outside. As an example of this can be seen that the wave of indoor air temperature is remarkably out of phase with the outside (fig. 6.61). This reveals heat transfer in time. However, the courtyard wave temperatures are only in phase with the outside in the graph (fig. 6.62). Moreover, the behaviour with respect to low temperatures is not symmetrical with respect to high as would be expected in pure heat-storage behaviour. The graph shows that the actual temperatures of courtyards tend to more easily reach lower temperatures and appears to offer some resistance to reach the outermost high. Even in Figure 6.61 it seems that the trend is that patio air temperatures are somewhat lower than the surface of the walls. All this shows that in addition to this there should be other phenomena as the effect of air buoyancy according temperatures. In fact, there is another approach to courtyard behaviour that focuses on this property of fluids. The courtyard would be a container that would store cold air overnight. The highest density of cold air would 360

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

keep them confined in the courtyard space during the day. Indeed, it is observed in the graph that is at night when outside temperatures equalize to courtyard temperatures. This reveals the night supply of fresh air. That is, as if they were puddles of water remaining at low tide on a rocky beach (fig. 7.8a). The courtyard’s temperatures do not fall so drastically in relation to outside temperatures. They remain a bit closer to the indoor temperatures. Consequently, there is more relationship between the indoor and the courtyard temperatures than there is between the indoor and the outdoor temperatures.

These heat sinks can be generated through architectural details that define the patio. The presence of vegetation and water sources act as effective evaporative cooling systems (Al-Hemiddi & Megren AlSaud 2001). Mobile awnings provide shade by guarding against solar activity solar incidence during the day and removed at dusk to allow night cooling. This is another traditional method that improves the functionality of the courtyard. The courtyard of Cordoba has these mobile awnings, a fountain in the centre and potted vegetation.

Figure 7.8a Puddles of water remaining at low tide on a rocky beach.

Exterior Temperature Temperature inside of courtyard

Temperature

However, the graph of recorded temperatures shows that what is explained above is an oversimplification. If the courtyard were just a storehouse of fresh air that is provided only at night, constant ventilation between these spaces and the rest of the building would exhaust these reserves in a few hours. In this case, the patio temperature curve would show continued growth from night to catch up with the outside probably in the afternoon. However, the actual graph of these patio temperatures shows the wave fluctuation accompanying the outside at different distances. That is, these temperatures are not equalized in the evening. Both gradually equalized only at night (fig. 7.2). This implies that we must have a mechanism that generates fresh air even in the afternoon.

Time

Figure 7.8b The courtyard’s temperatures do not fall so drastically in relation to outside temperatures like this graph shows.

However, as part of the investigation, the awning was removed and the source remained without water for data collection days in Córdoba. The courtyards of Malaga and Seville do not have awnings. On the other hand, the existence of a swimming pool in the upper level of the courtyard floor at the hotel in Malaga, could have collaborated in the microclimate as a thermal sink. However, the simulation carried out does not verify this hypothesis. Clearly, had these systems been in place, temperatures would have been even lower. Nevertheless Termodinámica del Patio Mediterráneo

361

differences registered with the outside were still considerable, revealing the existence of an underlying phenomenon. The presence of vegetation in pots kept in Cordoba was lower in Malaga and nonexistent in Seville. In spite of the fact that the courtyards were not shaded by awnings, the deep architectural features had a similar effect, allowing shade to prevail inside for most of the day. The scientific principle of Occam forces us to first look at the simple explanations. Every simplification shown responds to real partial phenomena. Unfortunately, none completely explain the phenomenon because they are not consistent with all of the observed data. Combining and adding other causes in a more complex framework is a requisite. The courtyard seems to extract and store fresh air from the environment. It seems to be somewhat of a Maxwell Demon (Earman & Norton 1998) that it seems to contradict the laws of thermodynamics creating order out of chaos and lowering the entropy of the system. Obviously, it only seems. The order produced is only local and temporary. Nevertheless, it is enough to mean any energy advantage. It will be shown that dynamic and global analysis thanks to more complete simulations, can allow observation of the detail of their behaviour as a filter or trap of fresh air. The design of the courtyard, its architecture, as well as air buoyancy function of temperature are the keys to explain the observed asymmetry with respect to low and high temperatures. The shape of the courtyard as an open container allows fresh air of greater density to be stored. The warm air escapes faster abroad. It will be shown how specific courtyard shapes modify this process. The precise interaction of architecture with the wind produces different structures in air that condition the courtyardÂ´s thermal response. The exposure to the sun depending on the depth of the courtyardÂ´s shape also modifies their performance. As in the paradox of Maxwell Demon, in addition to local and temporary condition, the information provided to the system is a key to understanding in detail how it works. Architectural design in detail the trapping of fresh air is an essential part of this information.

362

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3. Original computer simulations using FreeFem++ Until now, courtyard simulations had been carried out using FreeFem++ with schematic geometries, only considering the mechanical characteristics of air speed and pressure (chapter 5). We have verified that the simulation of our numerical model reproduces the results of previous simulations and are consistent with physical experiments in wind tunnels. Now we will confirm whether the model we are developing is able to replicate the thermodynamic behaviour of a real monitored courtyard. This will allow us to test its reliability. At this point, we are slowly approaching the complexity of the entire issue. Step by step we are now adding the thermodynamics of the buoyancy of the air to the study of the mechanical phenomena. We will use the complex geometry of a real courtyard and will gradually introduce different physical phenomena to it (stratification, natural convection, induced extraction and wind). This will allow us to better understand how the same form behaves thermodynamically when faced with each of these phenomena. In the final test, all physical factors will be integrated into the model, interacting simultaneously as they would in the physical reality.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

363

7.3.1. Description of the geometry for the calculation model Once the model is compared with the results of previous simulations on simple geometries, we proceed to do the same on real, usually complex, geometries. To do so, we apply the method developed in chapter 5 that allows us to draw the geometry in architectural design programmes like Autocad, Revit or Sketchup and introduce it in our FreeFem++ code (fig 7.9-14). This means an progress in our aim as it represents a bridge between architectural design and the field of original computerised numerical simulations through FreeFem++. For simple 2D geometries, we can also describe the geometry mathematically as it appears in figure 7.16 easily.

Figure 7.9 Modeling of Malaga buildig using Sketchup.

364

For this, our numerical model includes the thermodynamic equations to the mechanical equations of Navier-Stokes. This is why they are able to properly simulate the stratification and natural convection processes mentioned at a local level, in addition to the streamlines or flow patterns. The method used in this work is therefore specified for deep Mediterranean courtyards in which these processes are important, as we saw, representing an improvement on previous simulations.

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

Figure 7.10 Analysis of geometria and section of Malaga buildig using Sketchup.

Figure 7.11 Selecting the volume of air to be simulated using Sketchup.

Figure 7.12 Exporting the geometry in the *.igs format from SketchUp to GMESH.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

365

Figure 7.13 Meshing the air volumen using GMESH

Figure 7.14 Exporting of meshed to Freefem ++ to apply simulation code.

Figura 7.15 Visualization of geometry and mesh using ParaView.

366

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

Figura 7.16 Frefem++ code of section geometry at the Malaga building.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

367

Tiempo T=24

Tiempo T=1,5

Tiempo T=4,7

Tiempo T=7,7

Figura 7.17 Different moments of the numerical simulation of the courtyard in Malaga building as a result of pure stratification.

368

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3.2. Simulation of pure stratification. The courtyard as a heat sink

For this specific case, due to the dominant wind direction during the simulated period and to the geometry, it has been considered sufficient to carry out the simulation codex in 2D. We will first study the effects of the buoyancy of the air in the event that the walls of the courtyard have a temperature lower than that of the outside air and there are now air currents, that is to say there are no winds causing flow patterns. We can therefore study and understand sufficiently the stratification phenomenon. As we have seen, this phenomenon is noteworthy in deep courtyards, where the speeds in its lower parts are close to zero. To clearly simulate the effect of stratification on the geometry (fig. 7.17), we assume the following ideal conditions for our model. There is no wind. The outside temperature remains constant at 27ยบC (that is why the colour of the background is always maroon). The surface temperature of the walls remains constant at 22ยบC. With these conditions, it is found that, as soon as the simulation starts, the outside air that comes in contact with the surface of the wall cools down. This increases the density of the air and it plummets to the bottom of both courtyards. Some convective whirlwinds are formed during the process, especially in the deepest courtyards, boosted by the cantilever that slightly blocks its connection with the widest (T=1.5). The whirlwinds disappear as the courtyards are filled with fresh air stratified by temperature gradient (T=7.7). This process evolves to the final stability that is achieved with the filling of the volume of the courtyards by strongly stratified air (T=24). This stratification remains as long as there is a difference in temperature between the walls and the outside air. This is an example of the behaviour of the courtyard as a heat sink which turns it into a recipient filled with fresh air as long as the wind does not enter there and reshuffles this air structure.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

369

Figura 7.18 Outdoor temperature and coutyard temperature monitored on 04/27 in Malaga building.

unidades: ºC día 27/04/10 Horas 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Temperaturas 23,76 22,66 22,78 21,78 21,68 21,06 20,78 20,41 20,13 20,96 22,38 24,98 26,02 27,4 28,12 28,02 29,18 30,28 31,26 31,32 30 28,3 27,46 26,48 24,99

unidades: ºC día 05/05/10 Horas 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 Temperaturas 20,04 20,2 19,08 19,2 18,97 18,9 17,5 15,95 16,11 17,15 18,15 19,69 20,95 22,1 22,94 23,35 24,5 25,58 26,05 25,9 25,8 24,32 23,65 23,22 22,06

370

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3.3. Outside air temperatures monitored throughout the day Now, instead of a constant outside air temperature, we will introduce into the model a more realistic temperature that will alter the outside air temperatureeach instant according to the time of day. To do this, we will use the data monitored from the outside air, which picks up the variations in temperature every ten minutes for 10 days (fig. 7.20). Simplifying this data into an hourly temperature value has been considered sufficient. It is interesting to see the temperatures recorded on two days close to each other. Those recorded on the 27th of April (fig. 7.18) and those on the 5th of May (fig. 7.19), separated by only 8 days represent significant differences, normal for spring days in Malaga. The 27th is a hot day with a maximum temperature of 31.32ºC at 19:00 and a minimum of 20.13ºC at 8:00. However, the temperatures of the courtyard (the unknown quantity of our calculation) remain in a range between 19 and 23ºC (fig. 7.18). The temperatures of the courtyard are always lower than the outside temperatures, even at night, although at these hours the difference is so little that we could assume they are similar. This happens on many days throughout the year. The courtyard is thus a heat sink during the day and is practically in balance with the outside temperature at night. However, the 5th of May is a cooler day with a maximum of 26.05ºC at 18:00 and a minimum of 15.95ºC at 7:00 in the morning (fig. 7.19). Here the courtyard also shows its temperature controlling power, remaining within a narrower and more pleasant range of temperatures (minimums of 18ºC and maximums of 23ºC) in spite of the fact that the outside temperatures are a bit cooler. A temperature inversion is produced, meaning the courtyard goes from being a heat sink during the day to a heat source for a short time during the night. Figura 7.20 Outdoor temperature and coutyard temperature monitored during 10 days of spring in Malaga building.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

371

Figura 7.21 Simulation of incident radiation in the building at a specific time.

372

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3.4. Calculation of the solar radiation incident on the walls

Throughout this PhD thesis we have seen that is it necessary to know whether the elements of a courtyard work as heat sinks or as heat sources, in order to simulate its thermodynamic behaviour. We also review the different agents that could be involved (such as vegetation, water, people, machinery…). Of all of these agents, the most vital in this case is the one due to the constructed mass of the building itself. The surface temperature of walls and the ground of the courtyard, and their ability to maintain values different to those of the air as a consequence of the thermal inertia of their masses, is the most important factor that establishes whether we are faced with a heat sink or a heat source. And the most important factor that can warm up the thermal mass of the building is solar radiation. Therefore, to determine the surface temperature of the walls, the first step is to calculate the solar radiation incident (fig. 7.21). This radiation has been calculated using the Autodesk Ecotect Analysis programme (now integrated in Revit Solar Analysis of Autodesk). We have simulated the radiation conditions for each wall on the 27/04, obtaining the results that appear in the following page (fig. 7.22-7.24). These values allow us to calculate the surface temperature of these walls according to the time of day, using the calculation model for surface temperature (chapter 5).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

373

Figura 7.22 Section of the building for the study of the patios. It is in this band where we calculate the incident radiation.

Figura 7.23 Study of incident radiation at the patio section by Autodesk Ecotec software.

374

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

TRAMOS A B C D E F G1 G2 G3 G4 G5 H1 H2 H3 H4 H5 I1 I2 I3 J K1 K2 K3 K4 K5 L M N O P Q R S

7:00

8:00

9:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

179,95

303,78

335,33

341,26

242,8

119,5

126,5

100

18,5

22,5

29,5

90,85

250,65

382,19

581,68

710,9

764,49

745,2

723,57

743,44

617,72

456,48

202,7

56,64

5,76

102,3

194,7

264

267,3

255,2

262,9

278,3

220

81,4

40,7

28,6

49,5

64,9

6,6

99,28

177

240

243

232

239

253

200

9,28

17,67

23,96

24,26

23,17

3,7

2,5

4,5

5,9

0,6

177

240

243

232

239

253

200

102

194,7

264

267,3

255,2

262,9

278,3

220

81,4

40,7

28,6

49,5

64,9

6,6

102

194,7

264

267,3

255,2

262,9

278,3

220

81,4

40,7

28,6

49,5

64,9

6,6

102

194,7

264

267,3

255,2

262,9

278,3

220

81,4

40,7

28,6

49,5

64,9

6,6

102

194,7

264

267,3

255,2

262,9

278,3

220

81,4

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49,5

64,9

6,6

102

194,7

264

267,3

255,2

262,9

278,3

220

81,4

40,7

28,6

49,5

64,9

6,6

2,8

5,31

7,2

7,3

6,96

7,17

7,6

2,22

1,11

0,78

1,35

1,77

0,18

4,65

8,85

12,15

11,6

11,95

12,65

3,7

1,85

1,3

2,25

2,95

0,3

6,51

13,2

16,8

17,01

16,24

16,73

17,71

5,18

2,6

1,82

3,15

4,13

0,42

6,51

12,4

16,8

17,01

16,24

16,73

17,71

5,18

2,6

1,82

3,15

4,13

0,42

5,58

10,62

14,4

14,58

13,92

14,34

15,18

4,44

2,22

1,56

2,7

3,54

0,36

9,3

17,7

24,3

23,2

23,9

25,3

7,4

3,7

2,6

4,5

5,9

0,6

9,3

17,7

24,3

23,2

23,9

25,3

7,4

3,7

2,6

4,5

5,9

0,6

9,3

17,7

24,3

23,2

23,9

25,3

7,4

3,7

2,6

4,5

5,9

0,6

18,6

35,4

48,6

47,8

50,6

14,8

7,4

5,2

11,8

1,2

22,32

42,48

57,6

251,28

157,12

57,36

60,72

17,76

8,88

6,24

10,8

14,16

1,44

26,97

51,33

69,6

263,43

168,72

69,31

73,37

21,46

10,73

7,54

13,05

17,11

1,74

33,48

63,72

287,61

280,44

184,96

86,04

91,08

26,64

13,32

9,36

16,2

21,24

2,16

39,4

276,44

304,41

297,45

201,2

102,77

108,79

31,82

15,91

11,18

19,35

25,37

2,58

44,64

285,3

316,41

309,6

212,8

114,72

121,44

35,52

17,76

12,48

21,6

28,32

2,88

90,85

250,65

382,19

581,68

710,9

764,5

745,2

723,57

743,44

617,72

456,48

207,7

56,64

5,76

46,5

88,5

120

121,5

116

125,21

258,98

381,06

496,2

551,5

496,6

323,3

29,5

78,12

156,75

271,42

489,8

683,06

735,18

714,84

699,57

734,56

613,28

453,36

202,3

49,56

5,04

46,5

88,5

120

121,5

116

125,21

258,98

381,06

496,2

551,5

496,6

323,3

29,5

62,31

118,59

160,8

253,4

477,63

695,18

671,83

665,57

721,98

606,99

448,94

194,65

39,53

4,02

46,5

88,5

120

121,5

116

125,65

258,98

374,95

479,8

535,1

489,16

318,6

29,5

18,6

35,4

48,6

46,4

47,8

50,6

14,8

7,4

5,2

11,8

1,2

41,85

79,65

108

109,35

104,4

107,55

192,01

309,96

405,25

491,92

449,76

304,5

26,55

2,7

Figura 7.24 Radiation incident on the facades. Units: Wh / m2

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

375

Tiempo T=24

Tiempo T=8,8

Tiempo T=12,5

Tiempo T=19,9

Figura 7.25 Different moments of the numerical simulation in the courtyard of Malaga. Stratification plus natural convection.

376

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3.5. Simulation of stratification + convection. Heat sink in the day, heat source at night The simulation of the courtyard in the Hotel Ilunion in Malaga was made introducing to the model the real outside temperatures monitored throughout the day on the 27th of April (fig. 7.25). It has also imposed the condition that the walls have, depending on the time of day, a series of temperatures that correspond to those calculated for incident solar radiation. Neither the wind nor the air extraction and that allow renovation in the deep courtyard have been introduced in the simulation for now. It is thus still not a realistic simulation of the behaviour of this specific courtyard. However, for a day without any winds, it could match the simulation of the real example. We can see that the simulation begins with the evolution of the air towards stratification, as took place in the previous simulation, but now without reaching stability. The walls that still remain cool throughout the day (heat sinks) cool down the air that it comes into contact with, gathering at the base of the courtyard (T=8.8). The same whirlwinds appear, induced by the geometry of the meeting point between the two patios (T=12.5). However, the temperature of the air is now changing (therefore the ground is now changing colour), as are the surface temperatures of the walls. During the day, the plumes of denser air fall. In the afternoon, however, they rise (T=19.9). The temperature of the walls exceeds the air temperature, becoming a heat source. The narrow geometry of the border between the courtyards, complicates the release of warm air to the outside, meaning that the deep courtyard overheats, particularly more intensely over night. Although we have seen in the simulation that temperature inversions can take place in the evening, it is not confirmed to be so intense in the real courtyard.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

377

Tiempo T=24

Tiempo T=8,6

Tiempo T=11,6

Tiempo T=21,7

Figura 7.26 Different moments of the numerical simulation in the courtyard of Malaga. Stratification plus natural convection plus forced extraction.

378

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3.6. Simulation of stratification + natural convection + forced extraction

The conditions of the previous simulation are reproduced, but now an air extraction from the floor of the courtyard is added, simulating that which exists in the real building (fig. 7.26-7.27). The current induced means a rise in the input of a constant air flow from the blockâ&#x20AC;&#x2122;s courtyard towards the deep courtyard (T=8.6).

Figura 7.27 Induced air circulation in the Malaga building.

This causes these air volumes to mix with different thermal conditions. We can thus see that the behaviour of the deep courtyard is more balanced in the evening, abating the excessive overheating thereof. The natural convection processes control the behaviour of the air, forming small and large structures as the hot flows rise, they cool down and fall (this evolution is watched in the videos of the tests that have been included into DVD attached). Mechanical (pressure, speeds) and thermodynamic (buoyancy caused by different temperatures) causes determine, as has been studied, the detailed definition of these structures. The model therefore integrates the complexity of the real behaviour of the air. This is why this type of approach through numerical models can represent a considerable help in the energy-efficient and thus sustainable design of buildings. Knowing this temperature of a courtyard during the design process will allow us to make decisions more objectively, in order to take advantage of this feature.

TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

379

Tiempo T=11,9

Tiempo T=8,4

Tiempo T=12,7

Tiempo T=20,5

Figura 7.28 Different moments of the numerical simulation in the courtyard of Malaga. Stratification plus natural convection plus forced extraction plus wind.

380

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.3.7.

Simulation of stratification + natural convection + forced extraction + flow patterns caused by winds. Example simulation, close to a real situation

We now study the results of the latest and most complete simulation carried out for this thesis in which we have added the wind and thus the flow patterns to all other environmental factors already introduced in previous simulations. We can see that throughout the day, when the courtyard acts as a heat sink, the air thermal structures resemble those of previous simulations, concentrating on the fresh air in the deepest courtyard. In the afternoon, when the walls of the courtyard become heat sources, the plumes of hot air flows rise, interacting with the flow patterns induced by the wind (fig.7.28). According to our model, the natural convection processes are thereby not minimised when they interfer with the wind. In the block’s courtyard, large circulation structures, denounced by the intensity of the adapted mesh and the ways in which they adopt the hot air flow, mainly affect the block’s courtyard. In this large patio has not been considered the existence of the pool in the upper level of the patio floor, which could have been a good thermal sink. We see that this does not detract from the simulation in the deep courtyard. In this large patio has not been considered the existence of the pool in the upper level of the patio floor, which could have been a good thermal sink. We will see that this does not detract from the precision of the simulation in the deep courtyard when it is compared with monitoring. The deep courtyard is more isolated, confirming what has been studied for simple courtyards with a greater depth P with regard to flow patterns. It is also observed, however, that the detail of the geometry that gets narrower in the upper part of the deep courtyard contributes to this tendency to confinement. It is the extraction induced from the floor of the courtyard that is in charge of ensuring the conditions of the courtyard are not extreme, allowing air to be taken from the square big courtyard with more balanced conditions at the same time as avoiding, as has been studied, excessive concentration of smells and pollutants. Now, the modules and directions of the velocity vector are showed in the model (fig. 7.29). We checked the formation of whirlwinds studied Termodinámica del Patio Mediterráneo

381

VELOCIDAD

382

Capitulo CapĂtulo7.7.Computer ComputerSimulation SimulationofofExistenting ExistentingCourtyards Courtyard

Figura 7.29 Numerical simulation in the courtyard of Malaga. Modules and directions of the velocity vector

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

383

TEMPERATURA

384

Capitulo CapĂtulo7.7.Computer ComputerSimulation SimulationofofExistenting ExistentingCourtyards Courtyard

Figura 7.30 Numerical simulation in the courtyard of Malaga. Distribution of temperatures.

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

385

for the large square courtyard as well as more complex structures induced by the extraction of air in the small patio. The air temperature distribution is showed in figure 7.30. Mechanical (pressure, speeds) and thermodynamic (buoyancy caused by different temperatures) causes determine, as has been studied, the detailed definition of these structures. The code used in the latest and most complete simulation is found in the attached DVD.

386

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

7.4. Conclusions Videos of the different tests performed can be seen into DVD attached or in the following internet link: https://www.youtube.com/watch?v=JwWkINGahH0&t To check the reliability of the numerical model, the temperatures monitored throughout a day, at a certain point of the model courtyard and compared with the corresponding monitored temperatures at the same point of the real courtyard. In figure 7.31, we can see in red the real outside temperature monitored, in blue is the real temperature monitored in the courtyard and is orange is the temperature within the courtyard, calculated by the numerical model based on the geometry of the building and the outside microclimatic conditions (temperatures and winds). We can see how the temperatures calculated by our model reproduce well the courtyard real temperatures. We can thus say that, despite being a limited first step in time (only one day was simulated) and space (a specific courtyard), the model created simulates with sufficient approximation the real average conditions within a courtyard. We are thus given confirmation of the possibilities of the methodology for calculation of the microclimate of the courtyard and its consequent integration in the general energetic balance of the building in a passive way when the building is naturally ventilated, as well as actively when we use this air to introduce mechanically into the building as part of the air-conditioning system. One objective of this thesis is the design of a tool that allows for the calculation of the inside air temperature within a courtyard, during the project phase. Using the information of the courtyardâ&#x20AC;&#x2122;s geometry (architecture) and the local climate where it is placed (microclimate), to calculate this temperature. The aim of this research is to allow thermodynamically controlled design. This will be achieved by quantifying the energy, and therefore economic savings achieved by the design of a specific courtyard.

TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

387

Figure 7.31. Comparison between the monitored temperature and the result of the numerical simulation. The numerical results obtained with the model taking into account all the described phenomena is able to capture the behaviour of the courtyard.

388

In this thesis we develop of a Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model that uses the open source Freefem++ language. Firstly the numerical model has been tested using simplified-shape courtyards which have been previously studied both physically under controlled parameters, and mathematically through numerical simulations. We also present a study about the most appropriate depth ratio for a courtyard, based on these simplified shapes, depending on the climate. The numerical model is applied to study the temperature evolution in the courtyard of the Monte Mรกlaga hotel. When we compare the numerical results with the monitored data of the temperature in the courtyard of the hotel we observe that the numerical results predict with a good precision the average behaviour of its evolution.

Capitulo 7. Computer Simulation of Existenting Courtyards

The developed numerical code takes into account precomputed solar radiation in the walls of the courtyard, the predominant wind and buoyancy effects. The main purpose of the model is to face complex situations such those in real buildings. The described behaviours (stratification, convection, airflow patterns and shape-depth ratio) overlap and it is not easy to foresee the result of the addition of each partial phenomenon. Results obtained have so far have proven that the model is useful to reproduce the thermodynamic behaviour of real buildings, showing that air temperatures inside deep narrow courtyards (like those so common in the Mediterranean area) are substantially warmer than the outside temperatures. The use of the model as a calculation tool to quantify the thermal benefits of this space, gives rise to new possibilities for designing more eco-efficient buildings within budget, updated and parametrical version of the traditional courtyard, a design which has been in use for the past four thousand years

Termodinรกmica del Patio Mediterrรกneo

389

8. CONTRIBUTION COURTYARD TO ESTUDIO DIMENSIONALOF DE PATIOS HISTÃ&#x201C;RICOS

ADAPTIVE THERMAL CONFORT

Figure 8.0 Chapter cover. Image of courtyards in Apartment building at Avenue Ramón y Cajal of Seville, currently under construction. Architects: Enrique Alvarez-Sala, Juan José Mateos, Juan Manuel Rojas Fernández (author of this thesis).

392

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

Architecture specifically studied the interaction of physical factors such as those studied above with humans. Manâ&#x20AC;&#x2122;s perception is what ultimately sets the success or failure of any architectural strategy. Therefore, the rational use of resources such as energy should always be compatible with the welfare offered to the human being. In this context, the design of complex shapes that include microclimates such as courtyards, opens up great opportunities to offer high levels of wellbeing and comfort without resorting to excessive energy consumption. One of the keys to explain this is the accurate comfort definition. This concept has been evolving very much over the last years. This has been the result of a better understanding of the ability of human to adapt to the environment. Years ago, comfort was defined as a demand for constant temperature completely independent of outside. Researchers (Nicol et al. 2012) remarked that the human body as well as her mind adapt worst to this constant temperature without any outdoor natural environment connection. The comfort improves if within a temperature range, variations of temperature are produced in time and space linked to outside temperature.

TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

393

to thermal comfort The conection of thermal comfort with outside temperature is explicit in a detailed study based on 30.000 surveys on five European countries (Nicol & Humphreys 2002). The graph resulted of this study shows clearly the relationship between indoor comfort temperature and outdoor temperature in free-running building FIGURE 3.2 Humphreysâ&#x20AC;&#x2122; graph of 1978 showing how the mean indoor comfort temperature varies mode (naturally ventilated). The indoor temperature in free-running with monthly mean outdoor temperature in buildings that are in free-running mode buildings is coupled to the outdoor temperature. Whenever outdoor (filled dots) and heated or cooled mode (open dots). The continuous lines are the temperatures rise, the indoor comfort temperature rises too (Fig. 8.1) average of the values and 95 per cent of values lie within the dashed lines within a comfort zone. Source: HMSO. This document is Copyright Taylor and Francis under licence to IHS and must not be used or distributed contrary to the terms of your user licence

30 Neutral temp

Licensed copy from CIS: unikent, University of Kent, 03/08/2016, Uncontrolled Copy

8.1. An adaptive approach

Figure 8.1 Scatter of neutral temperatures and prevailing mean outdoor temperatures in buildings in free-running mode. (Humphrey et al., 2010)

394

FIGURE 3.3

5 5

15 20 25 30 Outdoor prevailing mean temp

Scatter of neutral temperatures and the prevailing mean outdoor temperatures in

However, results of the surveys are completely if these buildingsthe in free-running mode. Data collected from field different surveys since 1978 are done in buildings in heated or cooled mode (Fig. 8.2). Now, the Source: after Humphreys et al., 2010. is more constant and independent of outdoor comfort temperature temperature. Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

Comparing both graphs is understood to design a building with the ability to running mode, extends the range comfort of its inhabitants. Users feel comfortable at different temperatures dependent outside. On the one hand, these studies show that these buildings offer the opportunity to apply the capability of human adaptation (physiological, psychological, sociological and cultural). This is very satisfactory for the perception of comfort. On the other, these buildings are obviously less energy consumers. Principles

35 30 Neutral temp

, University of Kent, 03/08/2016, Uncontrolled Copy.

Figure 8.2 Scatter of neutral temperatures and prevailing mean outdoor temperatures in buildings in heated or cooled mode (Humphrey et al., 2010).

25 20 15 10 –20

–15

–10

–5

Outdoor prevailing mean temp FIGURE 3.4

Scatter of neutral temperatures and the prevailing mean outdoor temperatures in buildings in heated or cooled mode since 1978

Source: Humphreys et al., 2010. Research on human adaptive comfort has not only been done in Europe. Using different methods, another team of researchers in the EEUU have reached similar conclusions. This ensures that adaptive approach comfort is real.Figures Therefore, these results the graph to in human Figure 3.2. However, 3.3 and 3.4scientific from that paper show that the mean have led to integrate this new understanding of comfort both in comfort temperature for any given outdoor temperature has risen the by about 2K in buildings European standard EN15251 as well as American ASHRAE Standard during that period in both free-running and in heated and cooled modes. This is possibly 55. Consequently, these regulations judge very positively to design because with buildings havetobecome warmer, and people adapted to these higher indoor building capacity be naturally ventilated as besthave way to provide temperatures. It alsosavings. suggests that more recent building types may provide less protection comfort and energy This document is Copyright Taylor and Francis under licence to IHS and must not be used or distributed contrary to the terms of your user licence

against summer heat and that, in general, free-running buildings are running hotter because of this. However, too much should not be made of this increase, since the surveys in the meta-analyses on which this finding was based were done in buildings that were not selected Termodinámica del Patio Mediterráneo on a strictly representative basis. The range of comfort temperatures at any given outdoor temperature in heated and cooled buildings remains much the same as in Figure 3.2 but in free-running buildings it

395

8.1.1 The European standard EN15251 In 2010, the European Union published a Directive on the Energy Performance of Buildings (Energy Performance of Buildings Directive EPBD 2010). In response to this directive, the European Committee for Standardization (CEN) developed Standard EN15251, which includes other aspects that affect the energy usage, such as the quality of indoor air, lighting or acoustics. However, the main objective and contribution of this standard is the definition of a comfortable room temperature since, in order to regulate the other aspects mentioned, the EPBD 2010 refers to other standards (Nicol et al. 2012). For mechanically refrigerated buildings, the standard generally follows ASHRAE, using the Predicted Mean Vote (PMV) criteria. For naturally ventilated buildings, however, EN15251 proposes the adaptive standard for evaluating indoor comfort conditions (Nicol et al. 2012). The standard uses the relation between the indoor comfortable temperature and the exterior temperature to delimit the acceptable areas for the indoor temperature in naturally conditioned buildings – buildings in which the main means of indoor temperature control is

Figure 8.3 Acceptable operative temperature ranges for naturally conditioned spaces according to the European standard EN15251.

34 33 32 Upper Limit III

θo Operative temperature (°C)

30 Upper Limit II

29 28

Upper Limit I

27 26

Lower Limit I

25 24

Lower Limit II

23 22

Lower limit III

21 20 19

θrm Outdoor Running mean temperature (°C)

396

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

Licensed copy from CIS: unikent, University of Kent, 03/08/2016, Uncontrolled Copy

some question of whether the same equation can be used irrespective of what measure of outdoor temperature is used. 5.2.3 European standard EN15251 Standard the EN15251 developed bythis, the Comité defor Normalisation through use ofwas windows. For it uses Européen categories buildings (CEN) in response to calls from the European Union for standards to back up the EnergyinPerformance of Buildings (Fig.8.4), determining the different exigency requirements the Directive includes considerationair-conditioned of other aspects of the environment such range of (EPBD). comfort The (Fig.standard 8.3). Both mechanically and naturally ventilated buildings catalogued in the same as indoor air quality, lighting and are acoustics as they impinge on the category energy use of a building. The according to their use. Category II is recommended as the “normal”the sections on other major thrust of the standard is the definition of the thermal environment, criteria. The category descriptions standard according factors confining themselves largely to of references to EN15251 other standards (Nicol and Wilson, 2011). to the nature of the building are an attempt to exceed the The standard follows the general lines of the ASHRAE standard tendency having, as well as a consideraof ISO 7730 to favour high-energy buildings. The standard tion of mechanically cooled buildings that uses PMV, an adaptive adaptive standard to be used for assessing inbuildings EN15251 uses the data collected by the European SCAT project in the free-running mode. from 5 European countries. The basis for of the SCAT data data Although EN15251 uses categories buildings, they contains are defined by the nature of the on comfort collected over the same time period, in the same way and building rather than referring directly to the quality of their indoor environment (Table 5.2). using a standard set of tools (Nicol et al. 2012). The graphical form Mechanically conditioned and free-running buildings have the same category descriptions. of the adaptive standard is shown in Figure 8.3 EN15251 defines the Category II is recommended as the ‘normal’ criterion. The category descriptions in EN15251 acceptable values of the operative indoor temperature in agreement beingits according to the of the building are an attempt to overcome with deviation of nature the comfortable temperature, defined by the the tendency of the ISO 7730equation: classes to favour high-energy buildings. following The adaptive standard in EN15251 is similar to that in ASHRAE 55, but using the data from European Tthe = 0.33 Trm SCATs + 18.8 project that was collected from five European countries instead of the comf ASHRAE RP884 database. Although the SCATs database contains fewer sets of comfort data, overrmthe same period of time in the same manner and using a standard set Tthey = were (1 - αall ) Tcollected + α n-1T rm od-1 of instruments. The graphical form of the adaptive standard is shown in Figure 5.2. EN15251 The comfortable temperature is defined agreement with the defines acceptable values of the indoor operativeintemperature according to their deviation from Figure 8.4 weighted exponential average of the exterior temperature (Trm) the comfort temperature defined by the equation: Category descriptions and limits for mechanically conditioned (PMV) and freerunning with the value 0.8 of α, since this best describes the way in which (K) buildings in EN1525 (after Tables 1 and A1 in the comfortable temperature changes with the weather (Nicol and EN15251) TABLE 5.2 Category Humphreys, 2010).descriptions and limits for mechanically conditioned (PMV) and freerunning (K) buildings in EN1525 (after Tables 1 and A1 in EN15251) This document is Copyright Taylor and Francis under licence to IHS and must not be used or distributed contrary to the terms of your user licence

Class/category

Description

Limitation PMV

Limitation K

High level of expectation and is recommended for spaces occupied by very sensitive and fragile persons with special requirements such as handicapped, sick, very young children and elderly persons

± 0.2

±2

Normal level of expectation and should be used for new buildings and renovations

± 0.5

±3

III

An acceptable, moderate level of expectation and may be used for existing buildings

± 0.7

±4

Termodinámica del Patio Mediterráneo

397

8.1.2 The American ASHRAE Standard 55

Figure 8.5 Acceptable operative temperature ranges for naturally conditioned spaces according to the American ASHRAE Standard 55

The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) controls and finances Standard 55 of the ASHRAE. Since the society has several branches outwith the United States and because the air-conditioning industry in the U.S. is dominant on the international market of mechanical cooling, in reality it is an international standard. Although the standard is co-sponsored by the American National Standards Institution (ANSI), it reflects the thoughts and interests of the air-conditioning industry, represented on the rafting committee with its English initials HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning). The standard is similar to the ISO 7730 since it is based on the PMV. However, the ASHRAE standard was the first international standard to include an adaptive component. Following the work of Dear and Brager (of Dear & Brager 2022) and using the data collected in the ASHRAE RP884 project (Dear et al.

36 34

Indoor operative temperature (°C)

32 30 28 26 24 22 20

90% Acceptability limits

80% Acceptability limits

16 14

398

Prevailing mean outdoor temperature (°C)

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

1998), it developed an adaptive standard that is applied to “naturally conditioned” buildings. The standard defines the areas in which 80% or 90% of the building occupants can expect to find the conditions acceptable (Fig. 8.5). The areas are based on the comfort equation for naturally conditioned buildings, originating from the basis of the RP884 ASHRAE data: Tcomf = 0.32 To + 17.8 Tcomf is the optimal temperature for comfort and To is the mean outdoor temperature for the investigation. To was not closely defined because the investigations based on data were obtained from different sources (meteorological tables, measurements taken on site during the investigation and measuring at a nearby meteorological station during the investigation). Taccept = 0.31 To + 17.8 ± Tlim Where Taccept gives the limits of the acceptable areas and Tlim is the range of acceptable temperatures (for the 80 percent or for the 90 percent of satisfied occupants). The limits given are Tlim (80) = 3.5k and Tlim (90) = 2.5k. Standard 55 initially defined To as the monthly average of the exterior temperature, but it is now defines as the predominant average exterior temperature. In the latest revision of the standard, the election of the form of To is, to a certain extent, left to the user to decide and they can include different operating modes of the average temperature. One advantage of using the monthly average of the exterior temperature is that it is completely available both as an historical average for more than 20 or 30 years and as a monthly register. However, the sudden “leap” from one month to another it difficult to allow in a thermal dynamic simulation. A historical monthly average is also very imperceptible to the variability of the climate from day to day and from year to year (Nicol et al. 2012).

Termodinámica del Patio Mediterráneo

399

34 Upper Limit III

33 32 31

Lower limit III

θo Operative temperature (°C)

30 29 28

Groun Floor Indoor daily Maximum T.

27 26 25

Ground Floor Indoor daily mean T.

24 23 22

Upper Floor Indoor daily Maximum T.

21 20 19

θrm Outdoor Running mean temperature (°C)

Upper Floor Indoor daily Mean T.

Figure 8.6 The interior building temperature recorded in Cordoba drawned in the graphs for thermal comfort in naturally ventilated buildings of the European standard EN15251

36 34

Indoor operative temperature (°C)

32 Groun Floor Indoor daily Maximum T. 06/2016

30 28

Groun Floor Daily Mean T. 06/2016

26 24

Upper Floor Indoor Max T. 09/2015

22 20

90% Acceptability limits

Upper Floor Indoor Daily Mean T.09/2015

80% Acceptability limits

16 14

Prevailing mean outdoor temperature (°C)

Figure 8.7 The interior building temperature recorded in Cordoba drawned in the graphs for thermal comfort in naturally ventilated buildings of the American ASHRAE Standard 55

400

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

8.2. Adaptive thermal comfort in buildings with courtyards. In this context, designs with more complex facade surface and higher shape factors allows better access to the outside. This encourages the possibility of naturally ventilated buildings. Less distance between the interior and the facades, the different orientations of the same and different wind pressures improve cross ventilation. Furthermore, if these forms also generate spaces like patios with milder microclimates, the beneficial effect for the building is increased. In order to show this, the thermal comfort inside one of the buildings with courtyard monitored is studied. Consequently, the interior building temperature recorded in Cordoba were drawn in the graphs for thermal comfort in naturally ventilated buildings of the European standard EN15251 and ASHRAE 55 (Fig. 8.6, 8.7). It is observed that over most of the days the temperature inside both ground floor and upper floor are within the comfort zone as defined by the standard. The design of these building shapes manages to increasing energy efficiency and comfort. Therefore, this strategy is a better closing of the circle of external environment, comfort and resources.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

401

34 33 32

Upper Limit III

31 Lower limit III

θo Operative temperature (°C)

30 29

Courtyard Max T. 06/2016

Courtyard Daily Mean T. 06/2016

27 26

Courtyard Max T. 09/2015

Courtyard Daily Mean T. 09/2015

24 23

Courtyard Max. T 07/2014

Courtyard Daily Mean T. 07/2014

21 20 19

θrm Outdoor Running mean temperature (°C) Figure 8.8 Maximum and average temperatures during the three warmer months in the courtyard of Cordoba registered in different campaigns drawnedin the graph of comfort of the European standard EN15251

36 34

Indoor operative temperature (°C)

32 Coutyard Max. T 06/2016

Courtyard Daily Mean T. 06/2016

28 26

Courtyard Max T. 09/2015

Courtyard Daily Mean T.09/2015

22 20

Courtyard Max T. 07/2016

90% Acceptability limits

18 16 14

Courtyard Daily Mean T. 07/2016

80% Acceptability limits

Prevailing mean outdoor temperature (°C)

Figure 8.9 Maximum and average temperatures during the three warmer months in the courtyard of Cordoba registered in different campaigns drawnedin the graph of comfort of the American ASHRAE Standard 55

402

Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

8.3. Adaptive thermal comfort in courtyards. In addition to the beneficial thermodynamic effect that these spaces cause to the indoor environment of buildings, the courtyard itself is valuable for the building. The use of this space is favoured by its microclimate conditions as well as the positive perception of contacting with the outside environment. In order to check this, the maximum and average temperatures during the three warmer months in the courtyard of Cordoba registered in different campaigns have been drawn in the graph of comfort of the (Fig. 8.8, 8.9) Despite the fact that the graph is designed for indoor conditions, it is observed that the maximum and average temperatures in the courtyard are mostly within the comfort zone during these hot months. On the other hand, the perception of courtyard temperature is also favoured by the positive perception of contacting with the outside environment further than physic measured temperatures. The study on the perception of comfort in urban open spaces, reveal that most people who are in these environments are in comfort (Nikolopoulou et al. 2001). Research carried out in 14 sites in seven European cities through 10,000 surveys and in different seasons showed that contact with the outside environment active adaptive capacity of human beings (Nikolopoulou & Lykoudis 2006). As a result, a positive and enjoyable experience which helps to extend the comfort range is obtained. That is, in an outside space, people feel in comfort within wide ranges at very different temperatures. Especially if these temperature are expected because are normal for this season, and the place is comfortable to use and it offer some control capability (allowing for example seat and sunscreen). Another remarkable factor that extend our comfort range is aesthetic enjoyment. If the place we like because itâ&#x20AC;&#x2122;s comfortable, beautiful and encourages contact with nature, we can be more easily in comfort at different temperatures at different times of the year.

TermodinĂĄmica del Patio MediterrĂĄneo

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The implications of this research to understand the courtyard comfort are clear. On one hand, the patio is an outdoor space that allows contact with nature and activation of the adaptive capacity of human beings. This allows contact and enjoy nature within a range. Vision and direct experience of sky with weather changes as well as inclusion of plants and water as part of the design of these spaces allow this controlled contact with Nature that stimulate pleasurable sensations. On the other hand, the courtyard is a space that allows detailed design control as another of the spaces of a building designed by an architect. Therefore, It is possible to provide the conditions of comfort in use as well as aesthetics that allow a pleasant experience. According to this research, these features about contact with the outside environment, with nature, comfortable design and promote aesthetic experience, encourage a significant expansion of the range of human comfort. Furthermore, due to the microclimate previously studied, these spaces have considerably softer objective temperatures in summer than the outside. This ensures further comfort and expands opportunities for use of this space. Figure 8.10 Courtyards (marked in yellow) as a strategy of contemporary buildings to provide comfort and energy saving in Mediterranean climates. Apartment building at Avenue Ramón y Cajal of Seville, currently under construction. Competiton. First prize. Architects: Enrique Alvarez-Sala, Juan José Mateos, Juan Manuel Rojas Fernández

Therefore, these features make a space whose qualities provides benefits both the building as well as the space itself, without increasing energy consumption. Consequently, the incorporation and design of these spaces is a good strategy to get more comfortable and energy efficient buildings.

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Capitulo 8. Contribution of Courtyard to Adative Thermal Confort

8.4. Conclusions In addition to the various energy approximations shown on the behavior of the courtyard, there are others that cater to sociological, historical, functional or architectural composition reasons. For example, the courtyard in many Mediterranean cultures is the centre of social relationship building and space that formally identifies more housing. From the set of all these approaches is clear the great value and significance that the courtyard has in climates such as the Mediterranean. The extreme difficulty of quantifying exactly as required by contemporary society the benefits that a courtyard gives to a building is also clear. Some of the most complex areas of study such as climate, forms and man interact inside of them. But at least, in the energy case, we have seen that there are data from different sources, objetive and sufficient to allow a qualitative assessment of their qualities.

Figure 8.11 Apartment building at Avenue Ramón y Cajal of Seville, currently under construction. Competiton. First prize. Architects: Enrique Alvarez-Sala, Juan José Mateos, Juan Manuel Rojas Fernández (author of this thesis).

The fact that the courtyard allows a modulated but closer relationship with the outside could be a summary of its advantages. However since the last century, energy savings and comfort has been linked with just the opposite, with a greater capacity of isolation from the outside. It has dominated the idea that the energy “problem is on the outside”. Documented cases of overheating increase in new buildings even in countries like UK (McLeod et al. 2013; Adekunle & Nikolopoulou 2016; Liu & Coley 2015) and sick building, open the door to think otherwise. Often “the problem is inside” and the solution may be “open to the outside”. As it has been shown by treating the adaptive comfort in buildings and in open spaces, man prefer or need that contact with the outside. Activation of the adaptive capacity allows he to find comfort moderating its need for energy. Therefore it is a very energy-efficient method of getting comfort. On the other hand, if courtyards are integrated it will be easier to design free-runing mode buildings much of the year. Then, tables of comfort for these buildings and regulations will be able use justify significant savings. This can encourage the use of courtayards as a strategy of contemporary buildings to provide comfort and energy saving in Mediterranean climates (fig. 8.0, 8.9, 8.10). Termodinámica del Patio Mediterráneo

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9. PATIOS CONCLUSIONES ESTUDIO DIMENSIONAL DE HISTÓRICOS

“Mi infancia son recuerdos de un patio de Sevilla, y un huerto claro donde madura el limonero;…” (Machado 1912)

Figura 9.0 Imagen de portada de capítulo. Patio de casa en Calle Gravina 52. Del Libro “Arquitectura Civil Sevillana” (Collantes de Terán Delorme & GómezEstern 1976)

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Capítulo 9: Conclusiones

A pesar de la diversidad de cuestiones que abarca la investigación mostrada en la presente tesis, existe una línea lógica que va uniendo todas las partes y produce una serie coherente de conclusiones tal y como ahora mostraremos. • La capital importancia del patio en la arquitectura mediterránea ha quedado evidenciada a lo largo de la presente tesis y específicamente en los Capítulos 1 y 2. Se concluye que es el espacio más representativo de la casa en las ciudades de estas regiones, desde los albores de la civilización. La casa romana y la casa musulmana son claros exponentes de esto en el arco mediterráneo tal y como se ha mostrado. También ha quedado expuesto que el origen y pervivencia del patio se relaciona más con características de adaptación climática de la casa que con la continuidad de una herencia cultural. Para ello se ha mostrado la existencia de patios que organizan las piezas de las casas de manera muy similar a la de las mediterráneas en diferentes y distantes regiones de la tierra que comparten climas cálidos. Especialmente se ha subrayado la existencia de patios en regiones apartadas de China y en la América precolombina donde la continuidad cultural no ha sido posible. El patio es propio de climas cálidos o cálidos-templados como el mediterráneo porque es una adaptación natural de la edificación a esos climas. Se propone como hipótesis la lógica existencia en estos espacios de un microclima con aire más fresco que el del exterior, que ayuda a moderar las temperaturas de la edificación. Se trataría entonces de una estrategia bioclimática digna de estudio y aplicación contemporánea. • Sin embargo, al estudiar el marco científico y técnico sobre edificación energéticamente sostenible, se constata los graves problemas de entendimiento que la estrategia del patio tiene (Capítulo 2). En la mayoría de los trabajos internacionales de referencia estudiados no aparece mención alguna al patio, ni cuando se refieren a climas cálidos. Cuando aparece, lo hace de manera parcial describiendo sólo sus cualidades de ventilación y raramente sus propiedades microclimáticas. En los trabajos nacionales sí se ha encontrado, en mayor o menor medida, una más cuidadosa atención y estudio a estas cualidades aunque sin poder cuantificarlas. Se establece una razonable causa de falta de familiaridad climático-cultural con la solución del patio que hace más difícil su entendimiento como estrategia bioclimática en climas septentrionales. Pero también se expone que las grandes dificultades de la descripción científica y cuantitativa del fenómeno, colaboran en su falta de consideración técnica. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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En este sentido se constata que tanto los programas informáticos más extendidos de balance energético así como los que determinan la calificación obligatoria de la eficiencia energética de los edificios en países como España, no consideran la existencia de un microclima real diferente del exterior dentro de los patios que pueda contribuir al ahorro de energía en los edificios. El paradigma energético asumido para cualquier clima, de hacer los edificios lo más compacto posible, con el menor coeficiente de forma, a través de normativas como el CTE, criterios de concursos públicos y prescripciones de ingenierías, hacen cada vez más difícil la integración de patios en los diseños contemporáneos. Sólo en los últimos años, los nuevos enfoques aportados por las investigaciones basadas en dinámica de fluido computacional (CFD) así como el distinto acercamiento al factor de confort aportando por el campo del confort térmico adaptativo, han abierto mejores perspectivas para la consideración de los patios. Por tanto, se señala la necesidad de establecer científicamente que los patios son realmente buenas adaptaciones climáticas y cuantificar de manera efectiva su comportamiento. • Para establecer con certeza la hipótesis de una adaptación climática, se describen las características físicas que diferencian los climas en el Capítulo 3. Se concluye la existencia de multitud de climas y microclimas que diferencian regiones y cómo los sistemas de clasificación han ido evolucionando para detectarlos mejor a través de su vegetación autóctona (biomarcadores). Los seres vivos se adaptan con precisión a cada clima de forma que permite identificarlos mejor. De igual forma se establece la hipótesis de que, por encima de contextos culturales, existe una tendencia a una adaptación “natural” de las características del patio a cada clima. Así, en el Capítulo 4 se expone como efectivamente, algunas características dimensionales de los patios se relacionan con el clima en donde se sitúan. Esto permite establecer una relación entre su forma arquitectónica y su comportamiento microclimático. Es la arquitectura la que crea y condiciona el microclima del patio. Distintas geometrías y elementos (vegetación, agua, sombra) definidos desde la arquitectura modifican el comportamiento termodinámico del patio. En concreto, se observa como en regiones más cálidas, los patios suelen ser más profundos (entendida la profundidad como la razón entre la altura y la anchura P=h/a) que en las frías. Sin embargo, en regiones más frías los patios no existen o cuando lo hacen, suelen ser más grandes y de menores profundidades (más anchos). 410

Capítulo 9: Conclusiones

• Las específicas características termodinámicas de los patios han quedado expuestas en el Capítulo 5, evidenciando sobre bases físicas, la relación entre la geometría de los patios y su distinto comportamiento termodinámico. Específicamente, se ha estudiado cómo los principales fenómenos físicos que afectan al microclima de los patios, estratificación, convección y patrones de flujo, se ven modificados por la profundidad del mismo. La existencia de sumideros térmicos como muros sombreados o la presencia de agua y vegetación (enfriamiento evaporativo) completan el entendimiento del fenómeno. A mayor profundidad y clima más cálido, el microclima es más intenso, lo que permite una mayor diferenciación de la temperatura del patio de la del exterior. Esto explica la relación entre mayor profundidad del patio y clima más cálido expuesta anteriormente. También se subraya que esta relación no es lineal como consecuencia de su naturaleza fluidodinámica. Precisamente debido a la complejidad de la interacción de todos estos factores en un contexto de dinámica de fluidos, se evidencia las limitaciones de los estudios puramente analíticos que intentan la descripción de estos fenómenos mediante formulaciones sencillas. Para integrar la complejidad de este comportamiento es necesario el uso de simulaciones mediante modelos numéricos específicos en el contexto del campo científico de la dinámica de fluido computacional. Por ello se ha desarrollado un método de simulación que usa un código basado en el calculador de elementos finitos de código libre Freefem++ con el objetivo de simular la termodinámica del patio y cuantificar la diferencia de temperatura con el exterior. La descripción del método, en el que se integra las herramientas de diseño arquitectónico con los códigos propios de las simulaciones numéricas, está detallada en el Capítulo 5 y en el DVD anexo. Estos modelos numéricos se han testado primero con geometrías sencillas constatando que reproduce resultados experimentales obtenidos en anteriores investigaciones. También nos han permitido comprender mejor las relaciones entre la geometría del patio y su comportamiento termodinámico. • Una pieza importante de la presente investigación ha consistido en la monitorización de patios reales con un doble objetivo. Por un lado terminar de constatar de manera directa la existencia de un microclima en los patios para disipar las dudas que todavía pudieran existir, midiendo con precisión la intensidad del fenómeno como diferencia entre temperatura dentro del patio y la del exterior. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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Por otro, obtener una fuente fiable datos con respecto a edificios reales que nos permita poner a prueba los métodos de simulaciones desarrollados, testando si son capaces de calcular la temperatura en el interior del patio a partir de las condiciones exteriores y la arquitectura concreta del edificio. Nos interesa sólo monitorizar las temperaturas del aire (bulbo seco) por lo que se miden temperaturas a la sombra descartando los efectos de la radiación. Este aire, trasparente a la radiación y no afectado directamente por ella, es el que terminará entrando en el edificio condicionando con su temperatura el ambiente interior. Por otro lado, también se tiene en cuenta el confort directo de las personas en el patio. El enfoque del confort térmico adaptativo es explicado en el Capítulo 8, nos indica que el microclima del patio está en la zona de sombra del mismo, nunca bajo el sol. El hombre en espacios con grandes contrastes térmicos se adapta buscando siempre la zona de mayor confort para cada tiempo que en el caso de un patio y en nuestro clima es la zona de sombra. Por tanto, para determinar el confort, buscar en ese espacio una única temperatura basada en medias de temperaturas extremas de distintas zonas y horas no ofrece información relevante. Se constata que esto es justo lo que hacen los programas de cálculo nodales más extendidos que calculan el confort y balance energético general de los edificios. Esto perjudica la justa evaluación del microclima de los patios. • Las campaña de monitorización de patios en tres ciudades andaluzas, Córdoba, Sevilla y Málaga, constatan la existencia de un patrón de diferencias de temperaturas entre el interior y el exterior, evolucionando durante las horas del día, que revela la existencia inequívoca de un microclima en el interior del patio. En cada campaña se han detectado diferentes intensidades de microclima, es decir, mayores o menores diferencias entre la temperatura en el patio y en el exterior. Lo que experimentalmente se ha llegado a concluir es que la mayor parte de estas diferencias son debidas a las distintas condiciones exteriores. Cuando las temperaturas exteriores son altas, el microclima del patio es especialmente intenso alcanzando diferencias de temperaturas entre el interior del patio y el exterior superiores a 8 ºC. Cuando las temperaturas son más bajas, las diferencias entre el patio y el exterior disminuyen haciéndose incluso negativas, lo que implica que al bajar mucho la temperatura por la noche, las temperaturas en el patio son, a veces, más altas que las del exterior. 412

Capítulo 9: Conclusiones

El estudio comparativo de las curvas de evolución de las temperaturas exteriores del patio y las del interior del edificio, ha permitido extraer varias conclusiones: • El microclima del patio no se explica por el aporte de aire más templado desde el interior del edificio lo que implicaría un balance final neutro y la poca eficacia del microclima del patio sobre el comportamiento energético del edificio. El análisis de las fases de las ondas térmicas así lo demuestra. Las ondas de las curvas térmicas del patio sólo están en fase con las exteriores no con las interiores. La explicación del microclima como simple mezcla de condiciones interiores y exteriores no es exacta. El microclima de los patios se explica por fenómenos termodinámicos derivados sobre todo de las condiciones exteriores y de la geometría del patio y no tanto de las temperaturas interiores del edificio. Es decir, a pesar de todos los intercambios energéticos existentes entre el interior del edificio y el patio a través de los cerramientos y los huecos, la temperatura del aire del patio no se debe tanto a las del interior del edificio. La existencia de sumideros térmicos en el patio como muros más frescos (inercia térmica) o enfriamiento evaporativo por presencia de agua o vegetación es un fenómeno que puede colaborar en la creación del microclima pero no así el aporte del aire desde el interior del edificio. De hecho, el flujo de aire en los patios estudiados suele ir desde los patios hacia el interior de los edificios. Por ello el efecto del microclima del patio sobre el balance energético general del edificio es positivo. • Por otro lado, se comprueba que las temperaturas interiores de edificios con patio naturalmente ventilados están más relacionadas con las temperaturas del patio que con las temperaturas exteriores. Los cambios en las temperaturas exteriores no producen de manera rápida un cambio en la evolución de las temperaturas del patio ni en la evolución de las temperaturas interiores del edificio. Por tanto, la temperatura interior en un edificio mediterráneo con patio depende más de la temperatura del patio que de la temperatura exterior. Es lógico si tenemos en cuenta que los edificios que funcionan naturalmente ventilados, como el que estudiamos en Córdoba, toman la mayor parte del aire exterior a través del patio, pues es dónde donde en mayor medida se abren al exterior. Además, esta apertura se realiza en planta baja, donde el microclima del patio es más intenso debido a que la estratificación hace que el aire situado a niveles inferiores sea más fresco. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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• Para terminar de analizar y entender estos comportamientos, se han realizado en el Capítulo 7 simulaciones por ordenador usando, en primer lugar, programas comerciales de uso extendido como el DesignBuilder. Se ha modelizado en este programa el edificio estudiado en Córdoba, introduciendo como clima exterior las temperaturas reales monitorizadas en vez de las que por defecto trae el programa en su archivo climático. Se trataba de observar con mayor precisión si, para un edificio naturalmente ventilado con patio como el estudiado, el programa reproduce las temperaturas interiores reales monitorizadas. Se ha comprobado que las temperaturas interiores calculadas por programas comerciales como el usado son muy superiores a las reales monitorizadas y similares a las exteriores en la cubierta del edificio. La necesidad de abarcar en esta tesis diferentes aspectos del problema para obtener un entendimiento global del mismo, limita la posibilidad de realizar muchas más simulaciones sobre los patios monitorizados en distintas campañas. Esto, sin duda permitirían un mejor y más detallado establecimiento de los hallazgos. Pero se considera suficientemente demostrado que programas como el usado no calculan correctamente el comportamiento termodinámico de edificios naturalmente ventilados con patio. Esto es lógico si tenemos en cuenta que no consideran la existencia de un microclima dentro del mismo. Para estos programas la temperatura en el patio es exactamente igual que la temperatura exterior en cubierta. Asumiendo las limitaciones del programa en este punto, pero entendiendo que el balance energético global de los edificios es realizado con más fidelidad en otros diseños sin patio, se realiza otra simulación en la que se manipula el archivo climático para introducir las temperaturas monitorizadas del patio real. Las temperaturas interiores calculadas ahora por el programa se asemejan mucho más a las temperaturas reales monitorizadas en el interior del edificio real. Esto tiene dos importantes implicaciones. Queda demostrada la influencia real de las temperaturas del microclima del patio en las temperaturas del interior de los edificios naturalmente ventilados. Por otro lado, señala la manera de evaluar energéticamente la existencia del patio en el diseño de nuevos edificios. Desarrollando un método para calcular las temperaturas producidas por el microclima del patio, podríamos introducirlas como hemos hecho en programas de balance energético comerciales y calcular con más precisión el comportamiento energético de edificios con patio.

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Capítulo 9: Conclusiones

• Por ello se utiliza ahora el método de simulación desarrollado y detallado en el DVD adjunto, para calcular las temperaturas debidas al microclima del patio. Se modeliza el edificio del Hotel ilunion Málaga por su especial complejidad geométrica y por representar un ejemplo contemporáneo de uso de la estrategia del patio. No sólo permite el uso del microclima del patio de manera pasiva funcionando como edificio naturalmente ventilado, sino que lo integra de forma activa al tomar aire desde el mismo para el sistema general de climatización del edificio. Con ello se muestra otra posibilidad más técnica en el diseño y uso del patio y hace más pertinente, si cabe, la necesidad de la cuantificación de su comportamiento. Las simulaciones se realizan por fases integrando en cada una de ellas los distintos fenómenos para comprobar cómo va reaccionando el microclima del patio y entender mejor su comportamiento. Finalmente se comprueba que la simulación reproduce correctamente las temperaturas monitorizadas interiores del patio real, por lo que queda abierta la posibilidad de la correcta evaluación energética de edificios con patio. Por tanto se concluye que saber la temperatura exacta del aire del patio gracias a la presente investigación, nos permite el cálculo de las temperaturas interiores cuando el edificio funciona de manera pasiva. Pero también nos permite el cálculo más preciso de las potencias necesarias de climatización cuando el aire del patio es usado para la renovación de los edificios como en el caso del Hotel Ilunion Málaga. Como se mencionó más arriba, la reducción del estudio a este ejemplo está justificada por los objetivos más generales de la tesis. Pero sería necesario un trabajo monográfico con un número suficiente de simulaciones comparadas con sus correspondientes monitorizaciones que terminara de describir con detalle el alcance y limitaciones de las simulaciones propuestas. • Por último en el Capítulo 8 se estudia el efecto de la estrategia bioclimática del patio sobre el confort humano. Se estudia en el confort en el interior de los edificios con patio, como en el patio mismo. Es destacable subrayar que para valorar el confort en los patios, no se usan, como parecería lógico, las metodologías aplicables a espacios exteriores sino las usadas para valorar el confort interior. La razón es que, como se ha visto, los patios no son espacios enteramente exteriores ni enteramente interiores sino una compleja interacción de ambos. Si adoptamos para los patios los criterios de valoración de Termodinámica del Patio Mediterráneo

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confort en espacios interiores, estaremos del lado de la seguridad pues estos criterios son más restrictivos que los usados para exteriores. Por otro lado (como pude estudiar en la universidad de Kent) las mejores valoraciones de confort exterior se basan en extensas encuestas bien estadarizadas realizadas al usuario casual de esos espacios. Los patios mediterráneos estudiados suelen ser espacios privados cuyos usuarios no son casuales ni estadísticamente neutrales. Sería necesario introducir en esos espacios “usuarios ficticios” que tendríamos que seleccionar de alguna manera. Todo esto supondría un sesgo al estudio que disminuiría considerablemente la objetividad y valor del mismo. Por tanto se opta por un procedimiento más neutral que aprovecha las monitorizaciones objetivas realizadas sobre el microclima de los patios para valorar su grado de confort. Se adopta para ello el nuevo enfoque del confort adaptativo por ser la mejor aproximación que tenemos al fenómeno. Así lo demuestra su adopción en los nuevos estándares de confort tanto europeos (EN 15251) como estadounidenses (ASHRAE 55). El factor clave es entender que el confort es un parámetro humano y por tanto complejo que tiene que ver con su fisiología pero también con su psicología. Las tradicionales formulaciones físicas simplificadas basadas en ecuaciones de balance térmico del cuerpo con su entorno, no consiguen definir correctamente el parámetro de confort. Solo mediante extensas campañas de encuestas se ha podido determinar que las personas encuentran más fácilmente el confort en espacios que presentan variaciones de temperatura zonal y temporal, siempre relacionadas o acopladas con la temperatura exterior. El confort interior depende de la temperatura exterior y de la adaptación de la persona al clima, la cultura y al edificio en donde te encuentras. En este contexto, el bienestar y el confort del ser humano depende mucho de mantener el contacto con la evolución del ambiente y la temperatura exterior. Los patios, en un edificio que pueda ser naturalmente ventilado a través de él, permiten todo esto con mayor facilidad. La contrastación de lo anterior se ha hecho aplicando los cálculos de confort adaptativo tanto de la norma europea como de la americana a las temperaturas interiores del edificio de Córdoba estudiado así como a las temperaturas monitorizadas de su patio. La conclusión es clara: para los días de verano estudiados, tanto en el interior del edificio como en el patio, las temperaturas se encuentran la mayor parte del tiempo dentro del rango de confort considerado en ambas 416

Capítulo 9: Conclusiones

normativas. Se concluye entonces que el patio es una estrategia idónea en climas como el mediterráneo para conseguir confort de manera pasiva. De esta forma se consigue, además, diseños más eficientes energéticamente pues permite prescindir de la climatización durante el mayor tiempo posible, que es lo que más ahorra energía. Finalmente, cuando realmente es necesario su uso, se puede utilizar el aire del patio, más fresco, para integrarlo en la climatización con lo que el ahorro, en este caso, también será posible gracias al patio. Pocas estrategias pueden ser tan completas.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

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“Mi infancia son recuerdos de un patio de Sevilla, y un huerto claro donde madura el limonero;…” (Machado 1912) Es obligado concluir con esta cita del célebre poema de Machado. Puede darnos una clave sobre lo estudiado. Cómo un solo espacio es capaz de resumir el recuerdo de todo lo vivido en un lugar. Quizá, se pueda explicar esto por las características peculiares de un espacio tan rico en connotaciones culturales, espaciales y físicas, que sólo desde la experiencia directa de su habitar, puede entenderse correctamente. Pero lo anterior supone también un impedimento para su justa valoración en nuestra sociedad contemporánea. No podemos basarnos sólo en la experiencia de lo vivido por otros para justificar el valor de algo. La experiencia es un criterio subjetivo y la sociedad contemporánea, hija de la razón, necesita criterios objetivos. Con ello se pueden perder soluciones tradicionales pero eficaces, eficientes, sencillas y bellas que bien nos pueden ayudar en nuestro mundo contemporáneo. No es un asunto sólo técnico o arquitectónico. Tiene también su importancia social y económica afectando a la estructura general de nuestros edificios y ciudades. La disyuntiva es seguir defendiendo la solución sólo desde una tradición mítica opuesta al mundo contemporáneo o redoblar el esfuerzo científico. El trabajo ha optado por la segunda opción. En el caso estudiado del patio mediterráneo, el presente trabajo ha aportado algunos criterios objetivos que permiten su más justa valoración y su mejor uso ahora y en el futuro.

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Capítulo 9: Conclusiones

Conclusions Despite the great variety of questions encompassed by the research shown in the current thesis, there is a logical line which connects each part and produces a coherent series of conclusions, just as we are about to show. • The primary importance of the courtyard in Mediterranean architecture has been demonstrated throughout this thesis, particularly in Chapters 1 and 2. We can conclude that the courtyard is the most representative space of the house in the cities of these regions, and has been ever since the dawn of civilisation. Roman and Muslim housing are clear examples of this within the Latin Arch, as has been shown. It has also been explained that the origin and survival of the courtyard is related more to the characteristics of climate adaptation of the house than to the continuity of a cultural heritage. To do this, we demonstrated the presence of courtyards that organise the parts of a house in a similar way to Mediterranean houses in different regions of the planet that share a warm climate. In particular, we have highlighted the existence of courtyards in remote regions of China and Pre-Columbian America, where cultural continuity has not been possible. The courtyard belongs to warm climates or warm to temperate climates like the Mediterranean because it is a natural way for a building to adapt to these climates. As a hypothesis, it is suggested that these spaces have a microclimate with fresher air than outside, which helps to moderate temperatures throughout the building. It is therefore a bioclimatic strategy worthy of contemporary study and application. • However, studying the scientific and technical framework for energetically sustainable construction, has confirmed the serious problems in understanding the strategy of the courtyard (Chapter 2). In most of the international referencing work studied, there is no mention of the courtyard, not even when referring to warm climates. When it has appeared, it has only been partial, simply describing the ventilation qualities and seldom the microclimatic properties. In Spanish works, more careful and studied attention has been made, to a greater or lesser extent, to these qualities, although without being able to quantify them. A reasonable cause has been established Termodinámica del Patio Mediterráneo

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for the lack of climatic-cultural familiarity with the solution of the courtyard, which makes its understanding as a bioclimatic strategy even more difficult in northern climates. It is also explained that the major difficulties of the scientific and quantitative description of the phenomenon contribute to the lack of technical consideration. In this way, it is confirmed that the most widespread energy balance software, as well as those which identify the required grade of energy efficiency in buildings in countries like Spain, do not take into consideration the existence of a microclimate within the courtyards that could contribute to energy saving in buildings. The energy paradigm adopted for any climate for making buildings as compact as possible, regulations like the CTE, criteria from public tenders and engineering prescriptions, make it more and more difficult to introduce courtyards into contemporary designs. Only in recent years have new approaches provided by research based on Computational Fluid Dynamics (CFD) as well as the different approach towards comfort factor provided by the adaptive thermal comfort theory opened up better perspectives. It therefore points out the need to scientifically establish courtyards as in fact good climate adaptations and to effectively quantify their behaviour. • In order to establish with certainty the hypothesis of a climate adaptation, Chapter 3 describes the physical characteristics which differentiate climates. We can confirm the existence of various climates and microclimates that set apart different regions and how classification systems have been evolving to detect them better through their native vegetation (biomarkers). Living beings adapt with precision to every climate, in a way that allows them to be better identified. In the same way, the hypothesis that there is a tendency for the characteristics of the courtyard to adapt “naturally” to each climate is established. In this way, Chapter 4 shows just how some dimensional characteristics of courtyards are related to the climate in which they stand. This allows a relationship to be established between architectural form and microclimatic behaviour. Architecture creates and determines the microclimate of a courtyard. Different geometries and elements (vegetation, water, shade) defined by architecture modify the thermodynamic behaviour of the courtyard. In particular, we can see how the courtyards in warmer regions are often deeper (depth being the ratio between the height and width P=h/a) than those in 420

Capítulo 9: Conclusiones

cool regions. However, courtyards do not exist in colder regions, or when they do they are usually larger and less deep (wider). • The thermodynamic characteristics specific to courtyards have been explained in Chapter 5, demonstrating on physical bases the relationship between the geometry of courtyards and their distinct thermodynamic behaviour. More specifically, we have studied how the main physical phenomena that affect the microclimate of courtyards (stratification, convection and flow patterns) are altered by its depth. The existence of heat sinks like shaded walls or presence of water and vegetation (evaporative cooling) complete the understanding of the phenomenon. The greater the depth of the courtyard and warmer climate, the more powerful the microclimate, enabling a greater distinction between the temperature of the courtyard and the outside temperature. This explains the previously mentioned relationship between greater depth and warmer climate. It also emphasises that, as a consequence of its fluid-dynamic nature, this is a non-linear relationship. Precisely because of the complexity of the interaction of all of these factors in a fluid dynamic context, the limitations of purely analytical studies that attempt to describe these phenomena through simple formulations are made clear. In order to assimilate the complexity of this behaviour, it is necessary to use simulations through specific numerical models in the context of the scientific field of Computational Fluid Dynamics. For this, a simulation method has been developed that uses a code based on the calculation of finite elements of open-source/open-code FreeFem++ with the aim of simulating the thermodynamics of the courtyard and to quantify the difference in temperature with the exterior. The description of the method, which includes architectural design software with numerical simulation codes, is described in detail in chapter 5 and the attached DVD. These numerical models have been tested first using simple geometries, confirming that the software reproduces the experimental results obtained in previous research. They have also allowed us to better understand the relationships between the geometry of the courtyard and its thermodynamic behaviour. •An important part of this investigation has consisted in monitoring real courtyards with a double objective. One aim is to finish verifying, in a straightforward manner, the existence of a microclimate in courtyards. This should dispel any doubts that might still have existed, Termodinámica del Patio Mediterráneo

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measuring precisely the intensity of the phenomenon as a difference between the temperature in the courtyard and the temperature outside. On the other hand, the aim is to obtain a reliable source of data in relation to real buildings. This will allow us to assess the simulation methods developed, testing whether they are able to calculate the temperature within the courtyard based on the external conditions and the particular architecture of the building. We are only interested in monitoring the air temperatures (dry-bulb temperature), so the temperatures in the shade were measured, ruling out the effects of radiation. This air, transparent to radiation and not directly affected by it, is the air that will end up penetrating the building, determining the interior climate with its temperature. On the other hand, the direct comfort of the people within the courtyard is taken into account. The focus of adaptive thermal comfort is explained in Chapter 8, showing us that the microclimate of the courtyard is in its shaded area, never under the sun. The person in spaces with great thermal contrasts adapts by always finding the most comfortable area, which, in the case of a courtyard and in our climate, is the shaded area. Therefore, searching for a unique temperature in this space based on the averages of extreme temperatures in different areas and at different times to determine the comfort does not provide relevant information. It is thus confirmed that this is precisely what the most widespread nodal calculation programmes that calculate the comfort and general energy balance of buildings do. This damages the fair assessment of the microclimate in courtyards. • Monitoring campaigns carried out in courtyards in three Andalusian cities – Cordoba, Seville and Málaga – identify a pattern in the difference of temperatures between the interior and exterior. These differences change throughout the hours of the day, and reveal the unequivocal existence of a microclimate within each courtyard. In each building, different intensities of microclimate have been detected, that is to say, greater or lower differences between the temperature in the courtyard and the exterior. What has been found by means of scientific experiment is that the majority of these differences are due to the different outdoor conditions. When the outside temperatures are high, the microclimate of the patio is particularly strong, reaching differences of more than 8 ºC between the interior of the courtyard and the exterior. When the temperatures are lower, the differences between the patio and the 422

Capítulo 9: Conclusiones

exterior decrease, even reaching negatives figures. This means that as the temperature gets much lower at night, the temperatures in the courtyard are sometimes higher than those outside. The comparative study on the curves of evolution of the outside temperatures, inside the courtyard and those within the building has allowed us to draw various conclusions. • The microclimate of the courtyard is not explained by the input of warmer air from the interior of the building, which would mean a neutral final balance and poor efficiency of the microclimate of the courtyard on the energy performance of the building. The analysis of the phases of the thermal waves shows that the waves of the thermal curves of the courtyard are only in phase with the exteriors not the interiors. The explanation of the microclimate as a simple combination of interior and external conditions is not exact. The microclimate of the courtyards is explained by thermodynamic phenomena stemming mostly from the exterior conditions and the geometry of the courtyard rather than from the temperatures within the building. That is to say, despite all of the existing energy exchanges between the interior of the building and the courtyard through enclosures and openings, the air temperature in the courtyard is not so much due to those of the building interior. The existence of heat sinks in the courtyard like cool walls (thermal inertia) or evaporative cooling due to presence of water or vegetation is a phenomenon that can contribute to the creation of the microclimate but not the input of air from the interior of the building. In fact, the air flow in the studied courtyards often goes from the courtyards towards the interior of the buildings. Thus, the effect of the microclimate of the courtyard on the general energy balance of the building is positive. • On the other hand, there is evidence showing that the interior temperatures of naturally ventilated buildings with courtyards are related more to the temperatures of the courtyard than to the outside temperatures. Changes in the outside temperatures do not produce a rapid change in the evolution of the courtyard temperatures or the evolution of the temperatures within the building. Therefore, the indoor temperature of a Mediterranean building with a courtyard depends more on the temperature of the courtyard than the outside temperature. This makes sense if we consider that naturally ventilated buildings, such as the one studied in Cordoba, take in the most external air through the courtyard since it is where they are most open to the Termodinámica del Patio Mediterráneo

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outside. Furthermore, this opening is on the ground floor, where the microclimate of the courtyard is more powerful because stratification means the air located on lower levels is cooler. â&#x20AC;˘ In order to finish analysing and understanding these behaviours, computer simulations have been carried out in Chapter 7, first implementing widely used commercial software like DesignBuilder. A model has been made of the building studied in Cordoba, using the actual temperatures monitored as the external climate instead of those that the programme has by default in its climate file. The purpose was to accurately analyse if, for a naturally ventilated building with a courtyard like the one studied, the programme reproduces the real indoor temperatures monitored. The indoor temperatures calculated by commercial software like the one used are proved to be much greater than the ones monitored and are similar to the outdoor temperatures on the roof of the building. The need to address different aspects of the problem in order to obtain an overall understanding of the problem in this thesis, limits the possibility of performing many more simulations on the patios monitored in different campaigns. This would undoubtedly allow a better and more detailed establishment of the findings. Nevertheless, it is considered sufficiently demonstrated that programs like the one used do not correctly calculate the thermodynamic behaviour of naturally ventilated buildings with courtyards. This makes sense if we consider that they do not take into account the existence of a microclimate in these courtyards. To these programmes, the temperature in the courtyard is exactly the same as the outdoor temperature on the roof. Assuming the limitations of the software on this point, but also understanding that the overall energy balance of the buildings is more accurate in other designs without courtyards, another simulation is made in which the climate file is changed in order to introduce the monitored temperatures of the actual courtyard. The interior temperatures calculated now by the software closely resemble the temperatures monitored inside the building itself. This has two major implications. The true influence of the temperatures of the microclimate of the courtyard on the temperatures inside naturally ventilated buildings is apparent. On the other hand, however, it points out the way of energetically assessing the presence of the

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CapĂtulo 9: Conclusiones

courtyard in the design of new buildings. By developing a method for calculating the temperatures produced by the microclimate of the courtyard, we are able to introduce them as we have done in commercial energy balance software and to accurately calculate the energy performance of buildings with courtyards. •Therefore the simulation method developed and detailed in chapter 7 and attached DVD is used to calculate the temperatures relating to the microclimate of the courtyard. A model is made of the hotel in Malaga (designing by the author of this thesis) because of its special geometric complexity and its representation of a contemporary example of the strategic use of courtyards. Not only does it allow the use of the microclimate of the courtyard passively functioning as a naturally ventilated building, but it actively integrates it by taking in air from the courtyard for the building’s general air-conditioning system. It demonstrates a more technical possibility in the design of courtyards and makes the need for quantifying its behaviour more relevant, if possible. The simulations are performed in stages, each one including the different phenomena for proving how the microclimate of the patio will react and for improved understanding of its behaviour. It is finally verified that the simulation correctly reproduces the temperatures monitored within the real courtyard, so the possibility of correctly evaluating the energy of buildings with courtyards remains open. It therefore follows that, by knowing the exact temperature of the air in the courtyard thanks to this research, we are able to calculate the interior temperatures when the building functions passively. However, it also allows us to calculate more accurately the power needed for air-conditioning when the air in the courtyard is used for renovation of buildings, as is the case with Hotel Ilunion in Malaga. As mentioned above, the reduction of the study to this example is justified by the more general objectives of this thesis. However, it would be necessary a monographic work with a sufficient number of simulations compared with their corresponding monitoring to describe in detail the scope and limitations of the proposed simulations.

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• Lastly, Chapter 8 studies the effect of the bioclimatic strategy of the courtyard on human comfort. It is studied both in the comfort in the interior of the buildings with patio, as well in the patio itself. It is noteworthy to emphasize that in order to assess comfort in the patios, the methodologies applicable to external spaces are not used, as would seem logical, but those used to assess interior comfort. The reason is that, as we have seen, courtyards are not entirely exterior or entirely interior spaces, but a complex interaction of both. If we adopt comfort criteria for interior spaces for patios, we will be on the side of safety because these criteria are more restrictive than those used for exteriors. On the other hand (as I was able to study at the University of Kent) the best external comfort ratings are based on extensive well-conducted surveys done to the casual user of those spaces. The Mediterranean patios studied are usually private spaces whose users are neither casual nor statistically neutral. It would be necessary to introduce into these spaces “fictitious users” that we would have to select in some way. All this would be a bias to the study that would considerably reduce the objectivity and value of the study. Therefore a more neutral procedure is chosen that takes advantage of the objective monitoring carried out on the microclimate of the patios to assess their degree of comfort. For that purpose, the new approach to adaptive comfort is adopted because it is the best approximation we have to the phenomenon. This is demonstrated by its adoption in new standards on comfort, both European (EN 15251) and American (ASHRAE 55). The key factor is to understand that comfort is a human value and imply the complexity of its physiology as well as its psychology. Traditional simplified physical formulations based on thermal balance equations of the body and its surroundings are not able to accurately define the comfort parameter. Only through extensive survey campaigns has it been possible to determine that people find comfort more easily in spaces with temporal and zonal temperature variations – spaces that must be always in contact with or connected to the outside temperature. Interior comfort depends on the outside temperature and the person’s adaptation to the climate, culture and building in which they find themselves. In this sense, the well-being and comfort of the individual depends greatly on maintaining contact with the evolution of the outside environment and temperature. Courtyards, in a building that can be naturally ventilated (through it), allow all of this to happen easily. Proof of the above has been done by 426

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applying the calculations of adaptive comfort from both the European standard and the American standard to the indoor temperatures of the building studied in Cordoba, as well as the monitored temperatures of its courtyard. The conclusion is simple: for days studied in the summer, the temperatures both inside the building and inside the courtyard are usually found within the comfort range taken into account by both standards. We can therefore conclude that the courtyard is an appropriate strategy in climates like the Mediterranean for achieving comfort passively. Furthermore, this allows us to achieve more energetically efficient designs which in turn allows us to keep the air-conditioning turned off for as long as possible, saving the most energy. Finally, when it is really needed, the cooler air from the courtyard can be used for the air-conditioning, which will contribute further to energy saving, thanks to the courtyard. Few strategies can be so complete.

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“My childhood is all memories of a courtyard in Seville, and a sunlit orchard where the lemon tree ripens…” (Machado 1912) I feel obliged to conclude with this quote from Antonio Machado’s famous poem. It can give us a clue about what has been studied. How a single space is able to summarise the memory of everything experienced in a place. Possibly it is because of the peculiar characteristics of a space so rich in cultural, spatial and physical connotations, that only from the direct experience of living in it can it truly be understood. However that is also an obstacle for fairly assessing the existence of the courtyard in our modern society. We cannot simply draw on the experience of others to justify the value of something. Experience is a subjective opinion and contemporary society, child of the Age of Reason, requires objective judgements. This can mean that traditional but effective, efficient, simple and beautiful solutions that could truly help us in our modern world are lost. It is not just a technical or architectural matter. It also has its social and economic importance affecting the general structure of our buildings and cities. The dilemma is whether to continue protecting the solution from a mythical tradition averse to the modern world or to redouble scientific efforts. This work has elected the second option. In studying the Mediterranean courtyard, this thesis has provided some objective judgements that allow the fairest assessment and best use of courtyards, now and in the future.

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9.1. Nuevas líneas de investigación. La presente tesis doctoral plantea la oportunidad de abrir nuevas líneas de investigación entre las que se pueden mencionar las siguientes: • Mejora del código de simulación para un más eficiente cálculo tridimensional y optimización del mismo para su más viable utilización a nivel profesional. Los códigos realizados en la presente investigación han necesitado elevados uso de recursos de computación que han supuesto considerable tiempo de cálculo. Esto dificulta su uso en ordenadores de capacidades medias (personales y de sobremesa). Para afrontar este reto, es posible la utilización de nuevas técnicas matemáticas de tratamiento numérico de las simulaciones como la de “modelos de orden reducido” que pueden permitir grandes ahorros en las necesidades de potencia de computación. En este sentido, el proyecto de investigación MORE PATIO (Diseño EcoEficiente de Patios en Edificios Mediante Modelos de Orden Reducido MTM2015-64577-C2-1-R) del Plan Nacional de I+D+I del Ministerio de Economía y Competitividad de España, en el que participa el autor, persigue esta optimización entre sus principales objetivos. • Aunque se han hecho esfuerzos en el presente trabajo para integrar las herramientas de diseño arquitectónico con el lenguaje de los códigos de simulaciones con el fin de dar al arquitecto el control del proceso, el método desarrollado es todavía laborioso, requiriendo el conocimiento e integración de muy diferentes programas y conceptos numéricos. Para facilitar la estrategia bioclimática del patio en los nuevos edificios, sería necesario el desarrollo de un programa informático de uso sencillo a nivel profesional que integre todo el proceso. Además, sería necesario que dicho programa fuera certificado oficialmente o se integrara en alguno de las herramientas existentes para la calificación energética de los edificios. Sólo así, la investigación desarrollada en la presente tesis podrá realmente

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colaborar de manera positiva al desarrollo de nuevos proyectos más sostenibles y habitables. • Completar el estudio estadístico iniciado sobre la geometría de los patios en los centros históricos de las ciudades. Sería necesario estudiar mejor la interrelación entre factores de profundidad, edad de la edificación e influencia de la normativa urbanística, para entender bien en qué medida la realidad construida es debida a cada uno de estos factores. El mencionado proyecto MORE PATIO también tiene entre sus objetivos avanzar en este aspecto. • La aplicación del enfoque del confort térmico adaptativo a la estrategia bioclimática del patio, abre nuevas oportunidades de investigación. En concreto, sería necesario determinar con precisión el tiempo en que un edificio puede estar funcionando de manera pasiva como naturalmente ventilado dentro de los parámetros de confort adaptativo en un edificio con patio. De esta forma, al no estar consumiendo energía de climatización durante todo este tiempo, se cuantificaría mejor el ahorro energético que supone la integración del patio en la edificación. • Por último y no menos importante, se abre la oportunidad para iniciar investigaciones que profundicen en estrategias proyectuales de nuevos diseños de edificios con patios que aprovechen consciente y técnicamente las cualidades energéticas de sus microclimas.

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9.1. New lines of research This doctoral thesis suggests the opportunity of opening new lines of research, which may include the following: • Improvement of the simulation code for a more efficient three-dimensional calculation and optimizing it for its most viable use at a professional level. The codes implemented in this research have required high use of computing resources that have taken a considerable time to calculate. This makes their use on medium capacity computers (personal or desktops) more complicated. To face this challenge, we can use new mathematic techniques for the numerical processing of simulations, like the “model order reduction” technique, that can mean huge savings in the need for computing power. In this way, the MORE PATIO research project (Diseño EcoEficiente de Patios en Edificios Mediante Modelos de Orden Reducido MTM2015-64577-C2-1-R) of the National Programme for Scientific Research, Technical Development and Innovation (Plan Nacional de I+D+I del Ministerio de Economía y Competitividad de España), to which the author contributes, pursues this optimization among its main objectives. • Although efforts have been made in this project to integrate architectural design tools with the language of simulation codes with the aim of giving the architect control of the process, the method developed is still laborious, demanding the knowledge and integration of very different programmes and numerical concepts. To facilitate the bioclimatic strategy of the courtyard in new buildings, an easy-use professional computer programme that integrates the entire process must be developed. In addition, said programme must be officially certified or integrated into one of the existing software for the energy rating of buildings. Only in this way could the research developed in this thesis truly contribute positively to the development of new, more sustainable and more habitable projects. • To complete the statistical study on the geometry of courtyards in the historical centres of cities. A better study of the interrelation between depth, age of the building and influence of land regulation is necessary in order to fully understand to what extent the constructed reality is due to each one of these factors. Progress in this aspect is also one of the aims of the aforementioned MORE PATIO project. Termodinámica del Patio Mediterráneo

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â&#x20AC;˘ Applying the approach to adaptive thermal comfort to the bioclimatic strategy of the courtyard provides new research opportunities. In particular, we must determine precisely the time in which a building can function passively as naturally ventilated within the parameters of adaptive comfort in a building with a courtyard. In this way, by not consuming energy from air-conditioning during all this time, the energy savings caused by integration of the courtyard into the construction are better quantified. â&#x20AC;˘ Last, but certainly not least, it opens the opportunity to begin research into strategies for the planning of new designs of buildings with courtyards that consciously and technically make use of the energetic qualities of their microclimates.

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9.2. Indicios de calidad

Publicaciones • Rojas-Fernández, J.M., Galán-Marín, C. & Fernández-Nieto, E.D., Parametric Study of Thermodynamics in the Mediterranean Courtyard as a Tool for the Design of Eco-Efficient Buildings. Energies nº 2012,5, 2381-2403. Año 2012. ISSN 1996-1073 Revista internacional indexada JCR Current Impact Factor: 2.0775-year Impact Factor: 2.468 WoS category rank: (Q2) in ‘Energy & Fuels’ www.mdpi.com/1996-1073/5/7/2381 • Rojas-Fernández, J.M. Diseño de Hotel en Málaga. On Diseño nº 278. Año 2006. ISSN: 0210-2080 https://issuu.com/hombredpiedra/docs/hotelmontemalagaondise__ o278 • Rojas-Fernández, J.M. Construcción de Hotel y viviendas frente al puerto de Málaga. Revista InfoDomus nº 5. Pág. 23-38. Año 2007. ISSN: 1699-2520 https://issuu.com/hombredpiedra/docs/01_montemalaga_infodomus • Rojas-Fernández, J.M. Atlas of Eco Arquitecture. Editorial Frechmann Kolon. Alemania Loft Publications España. Año 2011. ISBN: 978-84-9936-142-0 https://issuu.com/hombredpiedra/docs/atlasofecoarchitecture_249e 87e2c54e42

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Congresos • Rojas-Fernández, J.M., Galán-Marín, C. & Fernández-Nieto, E.D., Microclimatic conditions of internal courtyards in warm climates and their influence in eco-efficient construction. Passive Energy Architecture PLEA Año 2017 Edimburgo, Reino Unido. Isuu Link • Rojas-Fernández, J.M., Fernández-Nieto, E.D. & Galán-Marín, C. Microclimate simulations by Freefem++ for efficient Architecture design. XXIV Congress on Differential Equations and Applications CEDYA 2015 Año 2015 Cádiz. • Rojas-Fernández, J.M. et al., Courtyard as Passive and Active Energy Efficiency System In Hot Climate. Congreso Internacional MACDES 2014. Año 2014. La Habana, Cuba. • Rojas-Fernández, J.M., Galán-Marín, C. & Fernández-Nieto, E.D., Parametric study of thermodynamics in the Mediterranean courtyard as a tool for the design of eco-efficient buildings. 4th International Congress On Energy And Environment Engineering And Management. Año 2011. Merida • Alvarez, S. et al., Proyectar Arquitectura de Transición desde una Investigación Objetiva. Greencities & Sostenibilidad, 3er Salón de la Energía y Sostenibilidad en la Edificación. Año 2012. Málaga. • Rojas-Fernández, J.M. & Domínguez-Hernández, L., Racionalidad y Realismo en la Arquitectura Contemporánea. Congreso de Arquitectos de España. Año 2009. Valencia.

Proyectos de Investigación • Proyecto de Excelencia Investigadora de la Junta de Andalucía PATIO “Proyectar Arquitecturas de Transición desde una Investigación Objetiva” P11-TEP-7985. • Proyecto del Plan Nacional del Ministerio de Economía y Competitividad de España MORE-PATIO “Modelización de Orden Reducido Orientada al Diseño Ecoeficiente de los Patios” MTM201564577-C2-1-R. 434

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Estancia internacional • Estancia de investigación realizada en el Center for Architecture and Sustainable Environment (CASE) de la Kent School of Architecture perteneciente a la Universidad de Kent (Reino Unido), bajo la supervisión de su directora Marialena Nikolopoulou.

Divulgación • Traditional courtyards: An example of eco-efficiency for architects. ScienceDaily. Año 2012. https://www.sciencedaily.com/releases/2012/10/121011085219. htm • Ancient architects set example for modern eco-efficiency. CORDIS Eropean Commission. http://cordis.europa.eu/news/rcn/35137_en.html • El Frescor de los Patios Mediterráneos. Periódico: Heraldo de Aragón. Publicado el 12/08/2014. https://issuu.com/hombredpiedra/docs/heraldo_arag__n_el_frescor_ de_los_p • Reportaje televisivo de Agencia Oficial de Noticias Científicas SINC sobre la investigación publicada en Energies. Año 2012 https://www.youtube.com/watch?v=Nam4LDovU5A&t www.agenciasinc.es/Noticias/Los-patios-mediterraneos-ensenanecoeficiencia-a-los-arquitectos • Reportaje de televisión. Programa Historias de Luz. Matemáticos andaluces diseñan un modelo de patio para un mayor aprovechamiento energético. Año 2013. https://www.youtube.com/watch?v=tYq1R9ShvKg&t

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• Reportaje de Televisión. Eficiencia Energética en un hotel en Málaga. Canal Sur Televisión. Año 2008. https://www.youtube.com/watch?v=x4fybdaOWfg&t • Reportaje de Televisión. La Arquitectura sostenible del Hotel Illunion Málaga. Televisión Española Año 2011. https://www.youtube.com/watch?v=ECwty4HBWmk • Entrevista en Radio Nacional de España RNE1 Programa “A Hombros de Gigantes” sobre la investigación de la termodinámica de los patios. Año 2010. https://www.ivoox.com/investigacion-sobre-patios-rne1-audiosmp3_rf_4306936_1.html • Entrevista en Canal Sur Radio sobre la investigación de la termodinámica de los patios. Año 2012 http://www.ivoox.com/patio-mediterraneo-estrategia-para-edificiosecoeficientes-en-audios-mp3_rf_4252960_1.html • Entrevista en Onda Regional de Murcia sobre la investigación de la termodinámica de los patios. Año 2012 www.ivoox.com/termodinamica-del-patio-mediterraneo-por-sonfrescos-audios-mp3_rf_4252992_1.html

Canales de divulgación https://issuu.com/hombredpiedra https://www.youtube.com/ArqHombredePiedra http://www.ivoox.com/podcast-arquitectos-hombre-piedra_sq_ f1159526_1.html http://hombredepiedra.blogspot.com.es/ http://hombredepiedra.es/ 436

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REFERENCIAS ESTUDIO DIMENSIONAL DE PATIOS HISTÃ&#x201C;RICOS

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Referencias

REFERENCIAS

Abdullah, A.H. & Wang, F., 2012. Design and low energy ventilation solutions for atria in the tropics. Sustainable Cities and Society, 2(1), pp.8–28. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.scs.2011.09.002. Adekunle, T.O. & Nikolopoulou, M., 2016. Thermal comfort, summertime temperatures and overheating in prefabricated timber housing. Building and Environment, 103, pp.21–35. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360132316301159. AEMET. Gobierno de España, 2016. AEMET (Agencia Estatal de Meteorología). Available at: http://www.aemet.es/es/portada. Al-Hemiddi, N. a. & Megren Al-Saud, K. a., 2001. The effect of a ventilated interior courtyard on the thermal performance of a house in a hot-arid region. Renewable Energy, 24, pp.581–595. Al-Masri, N. & Abu-Hijleh, B., 2012. Courtyard housing in midrise buildings: An environmental assessment in hot-arid climate. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(4), pp.1892–1898. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2012.01.008. Aldawoud, A. & Clark, R., 2008. Comparative analysis of energy performance between courtyard and atrium in buildings. Energy and Buildings, 40, pp.209–214. Ali-Toudert, F. & Mayer, H., 2006. Numerical study on the effects of aspect ratio and orientation of an urban street canyon on outdoor thermal comfort in hot and dry climate. Building and Environment, 41, pp.94–108. Almhafdy, A. et al., 2013. Courtyard Design Variants and Microclimate Performance. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 101, pp.170– 180. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1877042813020855. Almhafdy, A. et al., 2015. Thermal Performance Analysis of Courtyards in a Hot Humid Climate using Computational Fluid Dynamics CFD Method. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 170, pp.474–483. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.sbspro.2015.01.012. Termodinámica del Patio Mediterráneo

441

Alvarez, S., 2001. Experimental work and analysis of confined urban spaces ´. Solar Energy, 70(3), pp.263–273. Alvarez, S. et al., 1998. Wind Driven and Thermal Air Flow Patterns Courtyards. In P. of Epic’98, ed. 2nd European Conference on Energy Performance and Indoor Climate in Buildings and 3rd International Conference on Indoor Air Quality, Ventilation and Energy Conservation in Buildings, Epic’98. pp. 997–1002. Álvarez, S., 2010., 2010. Espacio Público y Confort. In Sostenibilidad Urbana Creativa. Universidad Internacional de Andalucía. Allué Andrade, J.L., 1990. Atlas fitoclimático de España. Taxonomías, Instituto Nacional de Investigación y Tecnología Agraria y Alimentaria (INIA). Available at: http://libros.inia.es/libros/product_info. php?products_id=137. Artbta, A.U., 1988. Una nueva lectura del plano de la Cesaraugusta romana. Asimov, I., 1968. Historia Universal Asimov. El Cercano Oriente, Alianza Editorial. Ayuntamiento de Córdoba, 2001. Plan Generla de Ordenación Urbana de Córdoba, Ayuntamiento de Málaga, 2015. Málaga, Ciudad Genial. Clima. Ayuntamiento de Málaga, 2011. Plan General de Ordenanción Urbana de Málaga, Ayuntamiento de Sevilla, 2007. Plan General de Ordenación Urbana de Sevilla, Bagneid, A.M.R., 2006. the Creation of a Courtyard Microclimate Thermal Model for the Analysis of Courtyard Houses. Texas A&M University. Bajunid, A.F.I. et al., 2013. Demystifying the Cul-de-sac Courtyards Syntax. Procedia - Social and Behavioral Sciences, 105, pp.525– 535. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S1877042813044315. 442

Referencias

Banco Mundial, 2017. Banco Mundial. Población Urbana. Available at: http://datos.bancomundial.org/indicador/SP.URB.TOTL.IN.ZS. Banham, R. & Dallegret, F., 1965. A Home Is Not a House. Art in America, 53. Benevolo, L., 1990. Historia de la Arquitectura Moderna, Gustavo Gili. Benevolo, L., 1978. Diseño de la Ciudad, Gustavo Gili. Berkovic, S., Yezioro, A. & Bitan, A., 2012. Study of thermal comfort in courtyards in a hot arid climate. Solar Energy, 86(5), pp.1173–1186. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2012.01.010. Bhalla, S.S., 2007. Second among Equals: The Middle Class Kingdoms of India and China, Peterson Institute for International Economics. Available at: https://www.researchgate.net/publication/228386466_ Second_among_Equals_The_Middle_Class_Kingdoms_of_India_and_ China. Blanco White, J.M., 1822. Cartas de España, Borrás, M.L., 1974. Sert: Arquitectura Mediterránea, Ediciones Poligrafa. Buckmister Fuller, R. & Marks, R.W., 1966. The Dymaxion World of Buckminster Fuller, Doubleday Anchor Books. Caballero, F., 1882. Cuadro de Costumbres F. A. Brockhaus, ed., Capitel, A., 2005. La arquitectura del patio, Gustavo Gili. Capote, J. & Alvear, D., 2008. La Influencia de la Temperatura Exterior sobre los Sistemas de Ventilación Natural en Grandes Atrios. Informes de la …, 60, pp.49–57. Available at: http://informesdelaconstruccion. revistas.csic.es/index.php/informesdelaconstruccion/article/ viewArticle/746.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

443

Carballo, D. & Fortenberry, B., 2015. Bridging prehistory and history in the archaeology of cities. Journal of Field Archaeology, 40(5), pp.542– 559. Available at: http://www.maneyonline.com/doi/10.1179/20424 58215Y.00000000019%5Cnhttp://www.maneyonline.com/doi/abs/ 10.1179/2042458215Y.00000000019. Carballo, D.M., 2016. La casa en Mesoamérica. Arquilogía Mexicana, XXIV n 140. CIBSE, 2013. The limits of thermal comfort : avoiding overheating in European buildings. CIBSE Tm52, pp.1–25. Climate-Data.org, 2014. Clima de Córdoba. Climate-Data.org, 2013. Clima de Santiago de Compostela. Climate-Data.org, 2016. Clima de Sevilla. Climate-Data.org, 2012. Clima de Viena. Climate-Data.org, 2015. El Clima de Málaga. Collantes de Terán Delorme, F. & Gómez-Estern, L., 1976. Arquitectura Civil Sevillana, Exmo. Ayto. de Sevilla. Chacón Rebollo, T. et al., 2016. Diseño Eco-Eficiente de Patios en Edificios Mediante Modelos de Orden Reducido, More-Patio (MTM2015-64577-C2-1-R). Proyecto Investigación Plan Nacional I+D+I Ministerio de Economia y Competitividad, Gobierno de España. Available at: https://investigacion.us.es/sisius/sis_proyecto. php?idproy=26936. Chen, D. & Chen, H.W., 2013. Using the Köppen classification to quantify climate variation and change: An example for 1901-2010. Environmental Development, 6(1), pp.69–79. Chueca-Goitia, F., 1989a. Historia de la Arquitectura Occidental I. De Grecia al Islam, Dossat Bolsillo. Chueca-Goitia, F., 1989b. Historia de la Arquitectura Occidental V. Renacimiento, Dossat Bolsillo. 444

Referencias

Dawkins, R., 2011. The Magic of Reality: How We Know What’s Really True, Bantam Press. Dawkins, R., 1976. El gen egoista: las bases biológicas de nuestra conducta, Salvat Editores, SA. Dear, R. De et al., 1998. Developing an adaptive model of thermal comfort and preference. ASHRAE Transactions, 104(Part 1), pp.1–18. Available at: https://escholarship.org/uc/item/4qq2p9c6. pdf%5Cnhttp://escholarship.org/uc/item/4qq2p9c6.pdf%5Cnhttp:// repositories.cdlib.org/cedr/cbe/ieq/deDear1998_ThermComPref. De Dear, R.J. & Brager, G.S., 2002. Thermal comfort in naturally ventilated buildings: Revisions to ASHRAE Standard 55. Energy and Buildings, 34(6), pp.549–561. DesignBuilder, 2009. DesignBuilder 2.1 User’s Manual, DesignBuilder Web, 2016. Official web of DesignBuilder. Available at: http://www.designbuilder.co.uk/. Desogus, G., Di Benedetto, S. & Ricciu, R., 2015. The use of adaptive thermal comfort models to evaluate the summer performance of a Mediterranean earth building. Energy and Buildings, 104, pp.350– 359. Díaz Guirado, P.A. & Allepuz Pedreño, Á., 2016. ¿Cuánta energía consume su edificio, Mr. Foster? Análisis de la aplicación del DBHE 2013 con la nueva herramienta unificada. Anexo. Revista Tecnológica, 14(June 2014), pp.0–9. Díaz Recasens, G., 1992. Herencia y Recurrencia del Patio en el Movimiento Moderno, Universidad de Sevilla. Consejería de Obras Públicas. Díaz Recasens, G., 1997. La tradición del patio en la Arquitectura Moderna. DPA, 13(Patio y Casa). Dirección General de Arquitectura y Vivienda, 1997. Arquitectura y clima en Andalucía. Manual de diseño, Consejería de Obras Públicas y Transporte. Termodinámica del Patio Mediterráneo

445

Earman, J. & Norton, J.D., 1998. Exorcist XIV : The Wrath of Maxwell ’ s Demon . Part I . From Maxwell to Szilard. , 29(4), pp.435–471. Edwards, B., 2009. Guía básica de la sostenibilidad, Gustavo Gili. Eliades, M., 1998. Lo Sagrado y lo Profano, Paidos. Energy Research Group of University College Dublin, 2014. Un Vitruvio ecológico Principios y práctica del proyecto arquitectónico sostenible, London: Gustavo Gili. Español, J., 2007. Forma y consistencia. La constricción de la forma en arquitectura, Fundación Cajas de Arquitectos. Faller, G., 2003. Seguridad contra incendios en edificios con atrio. Fernández Galiano, L., 1991. El fuego y la memoria, Alianza Editorial. Galán-Marín, C. et al., 2016. Modelización de orden reducido orientada al diseño ecoeficiente de los edificios, More-Patio (MTM2015-64577C2-1-R). Proyecto Investigación Plan Nacional I+D+I Ministerio de Economia y Competitividad, Gobierno de España. Available at: https:// investigacion.us.es/sisius/sis_proyecto.php?idproy=26936. Givoni, B., 1969. Man, climate and architecture, Elvisier. Gobierno de España, 2006a. CTE. Código Técnico de la Edificación. DB-HE. Documento Básico de Ahorro de Energía Gobierno de España, ed., Available at: http://www.codigotecnico.org/. Gobierno de España, 2013. Orden FOM/1635/2013. Actualización CTE-DB-HE. Boletín Oficial del Estado, no 219. Gobierno de España, 2006b. Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. Boletín Oficial del Estado, no 74. Available at: https://www.boe.es/ buscar/doc.php?id=BOE-A-2006-5515. Groleau, D., Fragnaud, F. & Rosant, J., 2003. Simulation of the Radiative Behaviour of an Urban Quarter of Marseille with the SOLENE Model’. In 5th International Conference on Urban Climate. pp. 1–4. Available at: http://www.geo.uni.lodz.pl/~icuc5/text/O_19_3.pdf. 446

Referencias

Haigh, J.D., 1999. Modelling the impact of solar variability on climate. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 61(1), pp.63–72. Hall, D.J., Walker, S. & Spanton, a. M., 1999. Dispersion from courtyards and other enclosed spaces. Atmospheric Environment, 33(8), pp.1187–1203. Hausladen, G. et al., 2005. Climate Design. Solutions for Buildings that Can Do More with Less Technology, München. Hausladen, G., De Saldanha, M. & Liedl, P., 2008. ClimateSkin. Buildngskin concepts that can do more with less energy, München. Herzog, T., 1996. European charter for solar energy in architecture and urban planning. In 4th conference for Solar Energy. International Passive House Association, 2014. Passive House. Active for more comfort. Information for property developers, contractors and clients, Darmstadt: International Passive House Association. Available at: http://www.passivhaus-info.de/. Junta de Andalucía, 2016. Regiones Climáticas en Andalucía. Portal Web. Cosejería del Medio Ambiente y Ordenación del Territorio. Junta de Andalucía. Available at: www.juntadeandalucia.es/medioambiente/ site/portalweb/ Kemp, B.J., 1989. Ancient Egypt: Anatomy of a Civilization, Routledge. Kubota, T. et al., 2017. Thermal functions of internal courtyards in traditional Chinese shophouses in the hot-humid climate of Malaysia. Building and Environment, 112, pp.115–131. Available at: http:// linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360132316304292. De La Flor, F.S. & Domínguez, S.A., 2004. Modelling microclimate in urban environments and assessing its influence on the performance of surrounding buildings. Energy and Buildings, 36, pp.403–413. Liu, C. & Coley, D., 2015. Overheating Risk of UK Dwellings Under a Changing Climate. Energy Procedia, 78, pp.2796–2801. Available at: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1876610215023607.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

447

López de Asiaín, J., 2001. Arquitectura, Ciudad, Medio Ambiente, Kora - Universidad de Sevilla. Macias, M. et al., 2009. Low cost passive cooling system for social housing in dry hot climate. Energy and Buildings, 41, pp.915–921. Mackey, C., 2015. Pan Climatic Humans - Shaping Thermal Habits in an Unconditioned Society. Tecnología de los Edificios del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Martinelli, L. & Matzarakis, A., 2016. Influence of height/width proportions on the thermal comfort of courtyard typology for Italian climate zones. Sustainable Cities and Society. Available at: http://dx.doi. org/doi:10.1016/j.scs.2016.12.004%0Ahttp://dx.doi.org/10.1016/j. scs.2016.12.004. Mazria, E., 1979. The Passive Solar Energy Book: A Complete Guide to Passive Solar Home, Greenhouse and Building Design, Rodale Press. McDonough, W. & Braungart, M., 2002. Cradle to Cradle: Remaking the Way We Make Things, North Point Press. McLeod, R.S., Hopfe, C.J. & Kwan, A., 2013. An investigation into future performance and overheating risks in Passivhaus dwellings. Building and Environment, 70, pp.189–209. Available at: http://www. sciencedirect.com/science/article/pii/S0360132313002503. Micallef, D., Buhagiar, V. & Borg, S.P., 2016. Cross-ventilation of a room in a courtyard building. Energy and Buildings, 133, pp.658–669. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.09.053. Mikkola, K., 1993. Alvar Alto, Pensador. In Arkkiteheti no 7/8 (Finlandia), Cátalogo Exposición, “En Contacto con Alvar Alto.” Museo Alvar Alto. Millard, A.., 1983. Ur “of the Chaldees”: P. R. S. Moorey, a revised and updated edition of Sir Leonard Woolley’s Excavations at Ur. Journal of Historical Geography, 9(4), p.446. Miller, A., 1963. Climatology, Methuen and Co., Ltd.

448

Referencias

Moffatt, R.E., 1983. Environmental Design, Available at: http:// heinonline.org/HOL/Print?collection=journals&handle=hein.journals/ cjccj25&id=21. Moneo, R., 1988. Cruz y Ortiz. Catálogos de Arquitectura Contemporánea, Gustavo Gili. Moonen, P., Dorer, V. & Carmeliet, J., 2011. Evaluation of the ventilation potential of courtyards and urban street canyons using RANS and LES. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 99(4), pp.414–423. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j. jweia.2010.12.012. Moosavi, L. et al., 2014. Thermal performance of atria: An overview of natural ventilation effective designs. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 34, pp.654–670. Muhaisen, A.S. & Gadi, M.B., 2006. Effect of courtyard proportions on solar heat gain and energy requirement in the temperate climate of Rome. Building and Environment, 41, pp.245–253. Muhaisen, A.S. & Gadi, M.B., 2005. Mathematical model for calculating the shaded and sunlit areas in a circular courtyard geometry. Building and Environment, 40, pp.1619–1625. Murakami, S., 2006. Environmental design of outdoor climate based on CFD. Fluid Dynamics Research, 38(2–3), pp.108–126. Available at: http://stacks.iop.org/1873-7005/38/i=2-3/a=A05?key=crossref.2 293a39e3c588dbdab8833e8d258a4a1 [Accessed March 11, 2017]. Neila González, F.J., 2004. Arquitectura Bioclimática en un Entorno Sostenible, Munilla-Lería. Nicol, F., Humpreys, M. & Roaf, S., 2012. Adaptiv thermal comfort, Routledge. Nicol, J.F. & Humphreys, M.A., 2002. Adaptive thermal comfort and sustainable thermal standards for buildings. Energy and Buildings, 34(6), pp.563–572.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

449

Norberg-Shultz, C., 1980. Existencia, Espacio y Arquitectura., Blume. Olgyay, V. & Olgyay, A., 1963. Design with climate: bioclimatic approach to architectural regionalism, Princeton University Press. Padilla-Marcos, M.A., Feijó-Muñoz & Meiss, A., 2015. Eficiencia isoterma de los modelos de ventilación exterior en patios de edificios residenciales . Estudio de casos. , 67(540). Pérez de Lama, J., 1996. Biografía del Patio Mediterráneo, Trabajo no publicado. Peter Garnsey & Saller, R., 1990. El Imperio Romano economía, sociedad y cultura, Crítica, D.L. Popper, K., 1994. El Mito del Marco Común, Paidos Ibérica. Popper, K., 1957. The Poverty of Historicism, Routledge. Popper, K., 1934. The Logic of Scientic Discovery, Routledge. Prigogine, I. & Isabelle Stenger, 1979. Una Nueva Alianza. La Metamorfosis de la Ciencia, Alianza Editorial. Rajapaksha, I., Nagai, H. & Okumiya, M., 2003. A ventilated courtyard as a passive cooling strategy in the warm humid tropics. Renewable Energy, 28, pp.1755–1778. Ramón, F., 1980. Ropa, sudor y arquitecturas L. Fernández Galiano, ed., Madrid: Ediciones, H Blume. Revolvy, 2017. RAF Cardington History. Available at: https://www. revolvy.com/main/index.php?s=RAF Cardington. Rivas-Martínez, S., Rivas-Sáenz, S. & Penas-Merino, A., 2011. Worldwide bioclimatic classification system. Global Geobotany, 1(1), pp.1–638. Rivas, J.R., 2015. El Tiempo en Sevilla. Robertson, D.S., 1943. Greek and Roman Architecture, Cambridge University Press. 450

Referencias

Rojas-Fernández, J.M., 2015 La Magia de lo Reciclable. Energy Matters. Buildings, Thermodynamics, Climate. Arquitectura Viva nº 178 Rojas-Fernández, J.M., Fernández-Nieto, E.D. & Galán-Marín, C., 2015. Microclimate simulations by Freefem++ for efficient architecture design. In CEDYA, An optimal control problem for a Kirchhofftype equation. Cádiz. Rojas-Fernández, J.M. & Domínguez-Hernández, L., 2014. Ciclo de conferencias MadeinSpain. Ecole d’Architecture de Casablanca. Casablanca. Marruecos Rojas-Fernández, J.M. et al., 2014. Courtyard as passive and active energy efficiency system. In MACDES Tercer Congreso Internacional de Medio Ambiente Construido y Desarrollo Sustentable. Habana. Rojas-Fernández, J.M., 2013 Módulos Varados. Cruise Terminal in Seville, Spain. Industry Builds. Arquitectura Viva nº 156 Rojas-Fernández, J.M., Galán-Marín, C. & Fernández-Nieto, E.D., 2012. Parametric study of thermodynamics in the mediterranean courtyard as a tool for the design of eco-efficient buildings. Energies, 5(7), pp.2381–2403. Rojas-Fernández, J.M., 2011. Forma, energía y modelos de cálculo: Estudio paramétrico de la termodinámica del patio mediterráneo como herramienta de proyectos ecoeficientes. Proyecto Fin de Máter MIATD. Universidad de Sevilla. Rojas-Fernández, J.M., Galán-Marín, C. & Fernández-Nieto, E.D., 2011. Thermodynamics in The Mediterranean Courtyard. In CIIEM 4th International Congress on Energy and Environment Engineering and Management. Cáceres. Rojas-Fernández, J.M. & Domínguez-Hernández, L., 2009. Racionalidad y Realismo en la Arquitectura Contemporánea. In Congreso de Arquitectos de España. Valencia. Rojas-Fernández, J.M., 2007. Hotel y Viviendas frente al Puerto de Málaga. InfoDomus: Construcción Sostenible y Eficiencia Energética, 5. Termodinámica del Patio Mediterráneo

451

Romero Murube, J., 1955. Los jardines de Sevilla. In Curso de conferencias sobre urbanismo y estética en Sevilla. Academia de Bellas Artes de Santa Isabel de Hungria. Roosevelt, F.D., 1945. Jefferson Day speech. Rossi, A., 1966. La arquitectura de la ciudad, Gustavo Gili. Rudofsky, B., 1964. Architecture wihout architects: a short introduction to non-pedigreed architecture., Museum of Modern Art, New York. Ruiz Hernández, V., 2013. El reto energético. Los problemas de la energía y sus opciones de futuro, Almuzara. Rycroft, M.J., 1994. Atmosphere, weather and climate: Barry R. G. and Chorley R. J., 1992, 392 pp., Routledge, £17.99 pb, ISBN 0-41507761-3. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 56(8), p.1017. S. Alvarez, F. Sanchez, L.M., 1998. Air flow patter at courtyards. Environmentally Friendly Cities: Proceedings of PLEA 98: Passive and Low Energy Architecture, 1(June), pp.503–506. Sadafi, N. et al., 2011. Evaluating thermal effects of internal courtyard in a tropical terrace house by computational simulation. Energy and Buildings, 43(4), pp.887–893. Available at: http://dx.doi. org/10.1016/j.enbuild.2010.12.009. Sameni, S. et al., 2015. Overheating investigation in UK social housing flats built to the Passivhaus standard. Building and Environment, 92, pp.222–235. Available at: http://www.scopus.com/inward/record. url?eid=2-s2.0-84929463127&partnerID=tZOtx3y1. Sánchez, F., 2002. Modificaciones microclimáticas inducidas por el entorno del edificio y su influencia sobre las demandas energéticas de acondicionamiento. Tesis doctoral. Universidad de Sevilla. Schneider, E. & Sagan, D., 2005. Into the Cool. Energy Flow, Thermodynamic, and Life, University of Chicago Press.

452

Referencias

Schwarz, N., Lautenbach, S. & Seppelt, R., 2011. Exploring indicators for quantifying surface urban heat islands of European cities with MODIS land surface temperatures. Remote Sensing of Environment, 115(12), pp.3175–3186. Sevilla Portillo, A., 2000. Arquitectura solar para climas cálidos: manual, Geohabita. Sharples, S. & Bensalem, R., 2001. Airflow in courtyard and atrium buildings in the urban environment: A win tunnel study. Solar Energy, 70(3), pp.237–244. Shashua-Bar, L., Pearlmutter, D. & Erell, E., 2009. The cooling efficiency of urban landscape strategies in a hot dry climate. Landscape and Urban Planning, 92, pp.179–186. Short, A., 2017. The Recovery of Natural Environments in Architecture: Air, Comfort and Climate, Routledge. Sierra Delgado, J.R., 1996. La casa en Sevilla: 1976-1996, Fundación el Monte. Solaguren-Beascoa de Corral, F., 1992. Arne Jacobsen. Obras y Proyectos, Editorial Gustavo Gill Sokal, A. & Bricmont, J., 1998. Imposturas Intelectuales, Ediciones Paidos Tabesh, T. & Sertyesilisik, B., 2014. American Transactions on An Investigation into the Thermal Behavior of Courtyards. American Transactions on Engineering & Applied Sciences, 3(2), pp.115–127. Taleghani, M., Tenpierik, M., et al., 2014. Heat in courtyards: A validated and calibrated parametric study of heat mitigation strategies for urban courtyards in the Netherlands. Solar Energy, 103, pp.108– 124. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2014.01.033. Taleghani, M., Kleerekoper, L., et al., 2014. Outdoor thermal comfort within five different urban forms in the Netherlands. Building and Environment. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j. buildenv.2014.03.014. Termodinámica del Patio Mediterráneo

453

The Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2015. EnergyPlus Documentation Engineering Reference The Reference to EnergyPlus Calculations, University of Illinois and The US Department of Energy. Torres Balbás, L., 1971. Ciudades hispano-musulmanas, Instituto Hispano-Árabe de Cultura, Ministerio de Asuntos Exteriores, Dirección General de Relaciones Culturales. Troitiño Vinuesa, M.Á. & García Marchante, J.S., 1998. Vivir en ciudades históricas: recuperación integrada y dinámica funcional, Universidad de Castilla la Mancha. Tumini, I. & Higueras-García, E., 2013. Strengths and weaknesses of urban microclimate simulation tools. DYNA, Energía y Sostenibilidad, (1), pp.1–17. Turégano, J.A., Hernández, M.A. & García, F. (Grupo Energía y Edificación/Dpto. de Ingeniería Mecánica, U. de Z., 2003. La inercia térmica de los edificios y su incidencia en las condiciones de confort como refuerzo de los aportes solares de carácter pasivo. Conarquitectura, 8(Ediciones para la arquitectura), pp.65–80. Valor Pinechota, M., 2008. Sevilla Almohade, Sarriá. Valle, F., 2004. Datos botánicos aplicados a la Gestión del Medio Natural Andaluz I: Bioclimatología y Biogeografía, Junta de Andalucía, Consejería de Medio Ambiente. Vitruvio Polion, M., 25BC. Los X libros de arquitectura, Cicon Ediciones. Wagensberg, J., 1985. Ideas sobre la complejidad del mundo, Fábula Tusquets Editores. Watsuji, T., 1961. Climate and Culture: A Philosophical Study, Greenwood Press.

454

Referencias

Web Clima Junta de Andalucía, 2016. Clima en Andalucía. Portal Web de la Junta de Andalucía. Available at: http://www.juntadeandalucia. es/temas/medio-ambiente/clima/clima-andalucia.html. Winsberg, E., 2010. Science in the Age of Computer Simulation, University of Chicago Press. Yang, X. et al., 2013. Evaluation of a microclimate model for predicting the thermal behavior of different ground surfaces. Building and Environment, 60, pp.93–104. Available at: http://dx.doi.org/10.1016/j. buildenv.2012.11.008. Yaşa, E. & Ok, V., 2014. Evaluation of the effects of courtyard building shapes on solar heat gains and energy efficiency according to different climatic regions. Energy and Buildings, 73, pp.192–199.

Termodinámica del Patio Mediterráneo

455