sombras imposibles - Revistas Científicas Cujae

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CON CRITERIO
Arquitectura y Urbanismo, Vol. XXVI, No. 1/2005
COMPUTACION/SIG
SOMBRAS IMPOSIBLES*
SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
PARA MODELOS DE ILUMINACIÓN DE ÁREAS URBANAS
Severino Escolano
IMPOR TANCIA
CRECIENTE DE LA ESCALA LOCAL EN LA
SUSTENTABILIDAD ECOLÓGICA
En esta comunicación se exploran las capacidades de los
Sistemas de Información Geográfica (SIG) para construir
modelos de iluminación de entornos urbanos complejos. El
análisis a partir de estos modelos es de gran importancia
para elaborar diseños urbanos más eficientes desde el punto
de vista energético. El ahorro de energía desencadena efectos
positivos en la atmósfera, en la propia duración de los
recursos energéticos no renovables y en la calidad de los
espacios urbanos; en resumen, contribuye a mejorar la
sustentabilidad social, económica y ambiental. En general
los SIG deben incorporar a sus capacidades estándar de
análisis y visualización, rutinas y funciones especializadas
para este fin.
Palabras clave: SIG, modelos de iluminación, ahorro de energía,
proyectos urbanos.
In this paper the Geographic Information Systems (GIS)
abilities are explored to produce models of illumination of
complex urban environments. This information is of great
importance to elaborate more efficient urban designs from
the energy point of view. The energy saving unchains positive
effects in the atmosphere, in the perdurability of the energy
resources not renewable and in the quality of the the urban
spaces. In brief it contributes to improve the social, economic
and environmental sustentability. In general, the GISs should
incorporate to their standard capacities of analysis and
visualization, routines and specialized functions for this
purpose.
Key words: GIS, illumination models, energy saving, urban
design.
SEVERINO ESCOLANO UTRILLA. Doctor en Geografía
por la Universidad de Zaragoza. Ha dedicado más de diez
años al desarrollo de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) y tratamiento de información en Geografía.
Ha participado en proyectos de investigación y asesoría
técnica sobre estudios de la estructura urbana y los
impactos sociales y ambientales del modelo de crecimiento aplicando los SIG en Zaragoza, España y Chile.
Recibido: diciembre 2002
Aceptado: mayo 2004
La última década del pasado siglo puede considerarse como
un período de transición en el enfoque de los problemas
ambientales y de las soluciones a los mismos: sí, hasta
entonces, las respuestas adoptaron, en su mayoría, una visión
global y nacional, a partir de los noventa se observa un giro
progresivo hacia la dimensión local, al menos en los programas
en pos de la sustentabilidad ambiental.
Uno de los valores propios de la escala local, frente a la
planetaria o nacional, reside en su especial capacidad y aptitud
para integrar la realidad física con la organización social que
sobre ella se desenvuelve. En efecto, a esta escala se
evidencian con nitidez, y a veces con crudeza, las
contradicciones inherentes a las políticas y acciones de
reestructuración económica y social. Y es también en esta
arena donde han de fraguarse muchas ideas y planes para
resolver problemas socioeconómicos y ambientales, que serán,
seguramente, más apropiados que los proyectos emanados
de los dominantes “sistemas de producción de planes”,
fabricados por una casta de expertos, articulados de arribaabajo, uniformes en su metodología y datos utilizados,
segmentados por temas y aplicados de forma homogénea.
A escala local, la planificación oficial, junto a los movimientos
más o menos espontáneos y autoorganizados, son los
instrumentos básicos para desarrollar prácticas sustentables
en el campo y en la ciudad. Por supuesto, se necesitan
reformas de gran calado para que el planeamiento vigente se
convierta en un medio eficaz para aquel fin.
Así pues, junto a las privilegiadas escalas planetaria y
nacional, la local ha devenido en un nivel crítico para alcanzar
la sustentabilidad rural y urbana. Es en este ámbito inmediato
donde se reconocen la responsabilidad y conciencia de los
comportamientos individuales, al tiempo que aquí se manifiesta
plenamente el valor del espacio geográfico, del territorio, que a
otras escalas está desaparecido, desvaído o muy generalizado.
En la Agenda 21 se sancionan estas potencialidades.
* La expresión sombras imposibles alude a ciertas imágenes en perspectiva,
creadas para ilustrar con mayor realismo algunas características, como la organización
de volúmenes, de proyectos urbanísticos, pero cuyas sombras solo son virtuales,
pues no se pueden producir con las trayectorias orbitales del sol sobre ese lugar.
Seguramente, estas escenas se han construido con programas de modelado de
sólidos a partir de las opciones por defecto (por ejemplo: 315º de acimut y 30º para
la altura del sol), que pueden ser apropiadas para visualizar objetos iluminados
artificialmente, pero esos parámetros pueden ser incorrectos para simular el sistema
real sombras.
LA
DEMANDA DE ENERGÍA EN RELACIÓN
CON LA ESTRUCTURA Y FORMA URBANAS
Todos los programas locales (Agenda 21 local) que
persiguen mejorar el grado de sustentabilidad ecológica
buscan, como objetivo clave, acrecentar la eficiencia
energética. 1 El modo general de alcanzar esta última meta
pasa por la reducción de la demanda de energía, mediante
actitudes de consumo frugales y racionales, y a través de
la aplicación de innovaciones tecnológicas en todos los
eslabones del sistema energético, desde la producción hasta
la distribución y el consumo.
Como es sabido, las ciudades son los espacios
normalizados de consumo por excelencia. No resulta
extraño, pues, que buena parte de la demanda final de energía
se produzca dentro de las tramas urbanas, dedicada a
abastecer el consumo de las actividades productivas, el
doméstico y el necesario para el mantenimiento del espacio
construido. En la Unión Europea, aproximadamente el 40 %
del consumo final de energía se produce en los edificios.2
Los datos del consumo final de energía en la ciudad de
Barcelona proporcionan una aproximación a la magnitud de
los consumos urbanos y a su distribución, al tiempo que
indican los sectores en los que se pueden obtener mayores
ahorros, como se aprecia en la tabla 1.
La organización y distribución espacial de los usos del
suelo, la estructura de la red de calles y la ordenación del
tráfico, junto a la localización y forma de los edificios
condicionan el gasto de energía; se trata, además, de
factores muy rígidos que no responden con rapidez a las
fluctuaciones del mercado de la energía a corto plazo. Por
eso, incrementar la eficiencia energética a través del
planeamiento urbano, no es solo una salvaguarda para el
futuro, sino también un deber solidario.
La relación entre el consumo de energía y la organización
del tejido urbano y el diseño de los edificios es muy compleja.
Owens 3 analiza las interacciones entre consumo de energía
y planeamiento a todas las escalas: a microescala, los
materiales de construcción, la forma y disposición de los
edificios en relación con los factores ambientales
(temperaturas, viento, insolación) influyen en su eficiencia
energética, a través de su capacidad de captación pasiva
de energía solar y de las necesidades de energía para
calefacción y refrigeración; a escala urbana y regional, una
adecuada localización y simbiosis de usos de suelo y de
Tabla 1. Evolución y estructura sectorial del consumo
energético final en Barcelona
Porcentajes/año
Sector
1987
1997
Doméstico
29,0
28,0
Transporte
43,0
42,0
Comercial e industrial
28,0
30,0
Total (PJ)
43,7
53,4
Fuente: URL: http://www.medioambient.bcn.es/cat/welcome.htm
las actividades de trabajo, ocio y residencia, contribuyen a
minimizar los desplazamientos de vehículos. Las diferentes
configuraciones que adoptan la estructura y forma urbanas
pueden suponer ahorros de energía entre el 5 % (materiales
de construcción, forma y disposición de los edificios), hasta
el 150 % (combinación de factores: tamaño, forma de las
construcciones, interdispersión de actividades, etcétera). 4
En cualquier caso, las asociaciones no son lineales 5 y están
mediatizadas por multitud de variables, como la densidad y
las tradiciones culturales.
Estudios más recientes han evaluado con precisión los
recursos energéticos naturales de los emplazamientos
urbanos, así como las ganancias derivadas de su
aprovechamiento con diseños urbanos y tecnologías
adecuados. Es lo planteado por autores como Dunster,
Partington, Sillén, Thomas, Turrent.6 En todos los casos se
demuestra que se pueden lograr ahorros significativos de
energía mediante la combinación inteligente de soluciones
en la edificación (uso de materiales, acristalamiento,
sistemas de calefacción y refrigeración) y actuaciones en
el entorno (densidad, forma, tamaño y disposición de los
edificios, uso de la vegetación...).
La reducción del consumo de energía para calentar, enfriar
e iluminar los edificios y calles de las ciudades, así como el
derivado de los movimientos con vehículos, tiene además
impactos positivos, a escala local y global, en la atmósfera,
puesto que también disminuyen las emisiones de
contaminantes; de paso, se alarga la duración de los
recursos energéticos no renovables. Por estas y otras
razones, desde la planificación pública se fomenta el ahorro
energético y la mejora de la calidad de las viviendas a través
de diseños apropiados a las condiciones bioclimáticas del
lugar; por ejemplo, así se recoge en el Plan de Vivienda,
1998-2002, y en los Planes de Calidad de la Vivienda y
Edificación de las Comunidades Autónomas, al tiempo que
se reclama el desarrollo de una herramienta informática para
la calificación energética de las viviendas.
P. Selman: “Local Sustainability. Managing and planning ecologically sound
places”, St. Martin´s Press, Nueva York, 1996, p. 10.
2
M. Sanamouris: “Urban reality”, Renewable Energy World, 4 (6), 2001, pp. 87-95.
3
S. E. Owens: “Energy, Environmental Sustainability and Land-use Planning”, en:
M. Breheny (ed.): Sustainable Development and Urban Form, Pion, Londres,
1992, pp.79-105; Ver del mismo autor: Energy, Planning and Urban Form, Pion,
Londres, 1986.
4
S. E. Owens: “Energy, Environmental Sustainability…, Op. cit., p. 92.
5
P.W. G. Newman y J. R. Kenworthy: “Gasoline consumption and cities: a
comparaison of US cities with a global survey”, Journal of American Planning
Association, 55, 1989, pp. 24-37.
6
B. Dunster: “BedZED –Beddington Zero- fossil energy development”, en: R. Thomas
(ed.): Sustainable Urban Design. An environmental approach, Spon Press,
Londres, 2003, pp. 183-188. R. Partington: “Parkmount: streetscape and solar
design”, en: R. Thomas (ed.): Sustainable Urban Design. An environmental
approach, Spon Press, Londres, 2003, pp. 124-136. M. Sillén: “Bo01: an ecological
city district in Mamö, Sweden”, en: R. Thomas (ed.): Sustainable Urban Design. An
environmental approach, Spon Press, Londres, 2003, pp. 183-188. R. Thomas:
“Building design”, en: R. Thomas (ed.): Sustainable Urban Design. An
environmental approach, Spon Press, Londres, 2003, pp. 46-61. D. Turrent:
“Cooper Road State regeneration: Southwark, London”, en: R. Thomas(ed.):
Sustainable Urban Design. An Environmental Approach, Spon Press, Londres,
2003, pp. 113-123.
1
CON CRITERIO/COMPUTACIÓN SIG
O B J E T I V OS
Y METODOLOGÍA
El presente trabajo pretende explorar algunas capacidades
de análisis y visualización incorporadas en los SIG para generar
modelos de iluminación de áreas urbanas complejas. No se
encontrará aquí una evaluación sistemática de las rutinas y
funciones disponibles para este fin en varios SIG, sino una
argumentación sobre la utilidad y ventajas de los modelos
producidos para el diseño de zonas urbanas de calidad y
eficientes desde el punto de vista energético.
La orientación y las sombras que proyectan las
construcciones influyen en la calidad visual del paisaje urbano
y en los períodos de iluminación solar directa en tejados y
fachadas y, por tanto, en la cantidad de energía solar captada
por los edificios. En la realidad, la radiación total recibida en
las áreas urbanas se distribuye de forma desigual entre los
elementos del espacio edificado, en función de la exposición y
del dinámico y complicado juego de sombras. La altura, la
disposición, densidad, ordenación, tipología, tamaño y forma
de los edificios son otras tantas variables que intervienen en el
modelo. La cuantificación de la influencia de algunas de ellas
se puede encontrar, además de, en las obras citadas, en los
estudios llevados a cabo para el plan de la “ecociudad de
Valdespartera”, en Zaragoza. 7
Las ordenanzas municipales han recogido algunas
disposiciones sobre la edificación para asegurar la iluminación
directa de las construcciones; por ejemplo la relación entre la
separación horizontal y la altura; la alternancia de alturas (dos
más altos, dos más bajos); la maximización de fachadas
orientadas al sur en las ciudades de latitudes medias y altas
del hemisferio norte. Ahora, junto al acervo tradicional, se
incorporan otros elementos relacionados con la optimización
energética del diseño urbano.
De acuerdo con los fines buscados, el método es,
fundamentalmente, de naturaleza visual, y los resultados se
expresan mediante mapas temáticos. En primer lugar se ha
representado la planta de las edificaciones del área de estudio,
de las que también se ha registrado su altura. A continuación,
se ha calculado el acimut y la altura del sol en diversos
momentos de un día de equinoccio y de los solsticios, mediante
el programa SUNDI (algoritmo DIN 5034 parte 2). Finalmente,
se han generado los modelos de iluminación y sombras con el
programa ArcGIS.
RESULTADOS
La información incluida en este artículo es, principalmente,
gráfica, pero la misma puede constituir la base para derivar,
mediante las ecuaciones apropiadas, datos relativos a la
cantidad de energía solar recibida por los edificios.
Características generales del área de estudio
El trabajo se ha llevado a cabo sobre las áreas AC-21 y
AC-22 de la ciudad de Zaragoza, dos solares segregados
del Hospital Psiquiátrico, y separados del mismo por las
calles Vía Univérsitas y Duquesa Villahermosa. Estos
terrenos, conocidos popularmente como “las esquinas del
psiquiátrico” (comprenden otro solar más, excluido de este
estudio), se sitúan al sureste de la ciudad, en pleno barrio
de las Delicias. Por el norte y este lindan con zonas de
edificación tradicional densa, en manzanas cerradas de cuatro
52
A r q u i t e c t u r a
y
U r b a n i s m o
alturas, aunque los edificios contiguos al área de estudio son
más recientes y tienen entre seis y diez plantas; por el sur y
este los bordes apenas están definidos por bloques aislados
(entre nueve y diecinueve plantas) y por el espacio abierto de
los jardines del Psiquiátrico (tabla 2 y figura 1).
Tabla 2. Características principales del área de estudio
Solar 1
Solar 2
12,523
8,233
Superficie (m2 )
Edificabilidad s/ rasante (m2 )
Edificabilidad
residencial
20,149
Uso comercial: bajos
de edificios de
vivienda
2,351
Equipamientos
9,998
Edificios
administrativos
12,747
Total
22,735
23,608
1,82
2,87
Índice de
edificabilidad sobre
parcela neta
1,108
Figura 1. Localización
del área de estudio en el
espacio urbano
construido.
S. ESCOLANO
Buenas condiciones de asoleamiento del área de estudio
El rasgo más destacado de los solares objeto de estudio
es la reducida superficie afectada por las sombras de los
edificios vecinos. Solo los bloques más altos oscurecen algunos
márgenes en los días invernales.
§ El solar 1 se halla libre de sombras casi en su totalidad y
durante todo el año, excepto el ángulo noreste y una franja
al sureste que están privadas de luz solar directa durante
algunas horas en los días del invierno.
§ El solar 2 es recorrido, sobre todo, por la sombra alargada
del bloque más alto del entorno (19 plantas).
Las figuras 6 y 7 muestran la dinámica temporal y espacial
del sistema de sombras. Curiosamente, los usos de suelo
residenciales (viviendas y residencia de ancianos) se han
localizado sobre estas zonas más sombreadas, lo que, a priori,
no parece lo más deseable.
Figura 2. Algunos edificios de equipamiento propuestos en el proyecto. De arriba
abajo y de izquierda a derecha: residencia de ancianos y centro de día, teatro,
centro de convivencia y oficinas; oficinas del Departamento de Salud y Servicios
Sociales del Gobierno de Aragón; pabellón polideportivo.
En la propuesta de ordenación urbanística de estas
parcelas, destinadas a equipamiento, se explicitan, entre
otros, los siguientes objetivos: “...reservar espacio y construir
los equipamientos”, “...aprovechar la oportunidad de ordenar
conjuntamente estos tres solares para “hacer ciudad” (sic),
definiendo un espacio público aislado que sea un referente
urbano sobresaliente en el Barrio de Delicias, que tenga un
carácter aislado respecto de las grandes Avenidas que
circundan estos Solares”. 8
Aparte del énfasis otorgado a algunas entidades que se
escriben con inicial mayúscula, es difícil de entender el
significado de “carácter aislado” (¿no sería preferible
“integrador”?); por otro lado, a juzgar por la propuesta, el estatus
de “referente urbano” se alcanza exclusivamente por los valores
estéticos del diseño arquitectónico, expresado en la figura 2,
pero no se hace mención alguna a la de eficiencia energética,
que sí se recoge en la Agenda 21 de la ciudad.
La propuesta de edificación se representa en las figuras 3
y 4. Las órbitas solares, definidas por los ángulos del acimut
y altura del sol, sobre esta área se representan en la figura 5.
La tabla 3 recoge los datos básicos utilizados para la
obtención de los modelos de sombras.
La edificación proyectada: más sombras que luces
La disposición, forma y volumen de los edificios
proyectados crea un tejido compacto de sombras que se
extenderán, tanto sobre los edificios contiguos ya existentes
como sobre los que se construyan. Según creo, la excesiva
edificabilidad en planta y volumen y la ordenación poco
adecuada de las construcciones, son las principales razones
del elevado índice de sombra. En consecuencia, se verán
afectadas de forma negativa, tanto la eficiencia energética
del proyecto como la calidad de la estancia en los edificios.
Además de lo antes señalado respecto del uso
residencial, es necesario añadir que las fachadas principales
de la residencia de ancianos, así como sus patios y jardines,
quedan a la sombra del propio edificio y del edificio vecino
de oficinas, más alto y ubicado al sur de aquella. Otros
edificios cercanos preexistentes serán también oscurecidos
por los que se construyan.
En general, solo las fachadas orientadas al oeste-suroeste
reciben luz solar directa sin obstáculos, por lo que durante el
verano, es posible que se disparen las necesidades de energía
para la refrigeración. Solo el edificio de oficinas tiene una
fachada orientada al sur, sin obstrucciones. La plaza central
del solar 1 está limitada al sur por edificaciones de baja altura,
pero se cierra por el edificio de oficinas a partir de los 270º
aproximadamente. La figura 8 muestra el movimiento espacial
y temporal del sistema de sombras asociado a este proyecto.
CONSIDERACIONES
FINALES
La ineludible exigencia de máxima calidad para los planes
urbanos, pasa por incluir entre sus objetivos la consecución
de la mayor eficiencia energética posible, a través de diseños
acertados y del uso de la tecnología apropiada. De aquí no
se deduce que deba maximizarse este factor a toda costa,
sino que debe ponderarse, junto con otros, y no ser ignorado
en los programas y acciones encaminados a mejorar la
sustentabilidad social, económica y ambiental de las
ciudades. Si bien parece que el acuerdo sobre esta premisa
“Urbanización Valdespartera: Configuraciones de edificios y necesidades de
calefacción y refrigeración en edificaciones según la orientación”, en URL:
http://www.ayto-zaragoza.es
8
Ordenación urbanística de las áreas AC-21, AC-22 y AC-24 del PGOU de
Zaragoza: “Terrenos sobrantes del hospital psiquiátrico de Zaragoza”,
Diputación General de Aragón, marzo 2001, p. 1.
7
V o l . X X V I , N o . 1 / 2 0 0 5
53
CON CRITERIO/COMPUTACIÓN SIG
es unánime en el ámbito académico y en la teoría de la
planificación urbana, el asunto no tiene su correlato en el
espacio urbano real: hasta hoy, los proyectos que
contemplan la eficiencia energética entre sus objetivos son
más la excepción que la norma.
Por otro lado, la implementación de diseños urbanísticos
eficientes en el uso de la energía y, al tiempo, funcionales, de
alto valor estético, y de contrastada calidad para ser habitados,
necesita utilizar de forma intensiva, pero obviamente no
exclusiva, medios informáticos, y en especial programas
especializados. El modelo de datos de los SIG es
especialmente adecuado para producir información útil (cantidad
de energía recibida en cada localización, modelos de
sombras...), pero los programas deben incorporar funciones
especializadas para el análisis y la visualización de datos.
Tabla 3. Principales parámetros empleados para la
obtención de los modelos de iluminación
Parámetro
junio 21
septiembre 21
diciembre 21
Acimut /norte= 0º
90,43
112,02
139,05
Altura del sol sobre el
horizonte
37,48
24,21
13,43
Hora (UTM)
8
8
9
Acimut /norte= 0º
180,33
183,50
180,99
Altura del sol sobre el
horizonte
72,05
49,33
25,18
Equipamiento proyectado
Centro de convivencia
Junta de distrito
Oficinas
Polideportivo
Residencia de ancianos
Teatro
Viviendas
Hora (UTM)
12
12
12
Acimut /norte= 0º
279,13
239,14
209,98
Altura del sol sobre el
horizonte
26,11
31,14
19,1
°
Hora (UTM)
17
17
14
Orto (UTM)
4:29
5:47
7.26
Ocaso (UTM)
19:29
17:53
16:26
Edificación actual
100
50
0
100
m
Valores calculados con el programa SUNDI, para un punto d : 41ª
4´ N de latitud y 0º 54´ O de longitud, que se corresponde
aproximadamente con el centro geométrico del área en estudio.
UTM: Tiempo Medio Universal.
Figura 3. Uso de
suelos proyectados.
Norte y noreste,
21 de septiembre
0 hs
6
4:29
12
11
18
19:29
Sur y sureste
21 de septiembre
Figura 4. Perspectiva del área de estudio (acimut: 183º; altura del sol: 49º; 12 h
UTM del 21 de septiembre).
0 hs
6
12
18
7:26 11 14 17:53
Norte y noreste
21 de junio
0
0 hs
6
5: 47
12
11
18
0
17:53
Sur, suroeste y sureste
21 de diciembre
0 0 hs
6
5:47 10:30
12
18
0
17:53
Simbología
Noche
Figura 5. Órbita del sol sobre el área de estudio en diversos días.
54
A r q u i t e c t u r a
y
U r b a n i s m o
Iluminación indirecta
Iluminación directa
Figura 6. Iluminación directa e indirecta de las fachadas de los edificios según
su orientación (tiempo medio universal).
S. ESCOLANO
Sistemas de sombras proyectadas
por los edificios del entorno en el
área de estudio
Sistema de sombras asociado a
las edificaciones proyectadas
Sombras 21 de junio
Sombras 21 de junio
BIBLIOGRAFÍA
(a)
100
50
°
0
100
m
Sombras 21 de septiembre
100
50
°
0
100
m
Sombras 21 de septiembre
(b)
100
50
°
0
100
100
m
Sombras 21 de diciembre
50
°
0
100
m
Sombras 21 de diciembre
(c)
100
50
°
0
Figuras 7(a), 7(b) y 7(c). Esquema de sombras.
100
m
100
50
°
0
100
m
Figuras 8(a), 8(b) y 8(c). Esquema de sombras.
Simbología
Sombras
10 horas UTM
12 horas UTM
15 horas UTM
Equipamiento proyectado
Centro de convivencia
Junta de distrito
Oficinas
Polideportivo
Residencia de ancianos
Residencia de ancianos
Teatro
Viviendas
Edificación actual
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“Urbanización Valdespartera: Configuraciones de edificios y necesidades de
calefacción y refrigeración en
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URL: http://www.ayto-zaragoza.es
V o l . X X V I , N o . 1 / 2 0 0 5
55
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