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 DUNSTER, B.: “BedZED –Beddington Zero- fossil energy development”, en: R. Thomas (ed.): Sustainable Urban Design. An environmental approach, Spon Press, pp. 183-188, Londres, 2003. 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