TOPEUM: Optimización de la planificación urbana y de la arquitectura para el uso energético en las ciudades Mediterráneas

TOPEUM incorpora conjuntamente a expertos de diferentes niveles y perspectivas para dirigir el uso sostenible de la energía de un modo integrado.

El principal objetivo de TOPEUM es investigar la influencia de diferentes características urbanas (la geometría, la densidad edificatoria de la ciudad y el tipo de materiales usados en la construcción) sobre la intensidad del efecto del calor urbano generado, en el caso de una típica ciudad mediterránea como es un área urbana de Chipre.

El equipo se compone de especialistas del sector, cercanos a las autoridades y agencias reguladoras, además de expertos involucrados en el área de los laboratorios y la experimentación así como la modelización computacional. La red se compone de cinco socios de tres países: Chipre, Suecia y Bulgaria. Este aspecto transdisciplinar permite al equipo tratar la complejidad del problema de una manera eficaz y eficiente.

Introducción

Cerca del 50% de la población mundial vive actualmente en áreas urbanas, mientras que durante la década de 1950 este porcentaje era del 30%. Con este incremento, han aparecido diversos problemas, como la contaminación atmosférica, el consumo energético, la generación de residuos y las diferencias socioeconómicas entre la ciudadanía. La planificación urbana sostenible tiene en cuenta todos estos problemas, al igual que el tipo de materiales usados en los edificios y la organización de la vida social o económica. Para analizar la ciudad como un medio antropizado, es preciso el desarrollo de la investigación tanto básica como aplicada. El objetivo consiste en incorporar la sostenibilidad al uso de la energía, el alimento, el consumo, la calidad del agua y del aire.

La radiación solar es una de las principales causantes sobre el efecto de las islas de calor urbanas. Los efectos detectados están también influenciados por el diseño urbano; es decir, por la geometría de calles corredor, por el calor producido por la actividad urbana y por las propiedades físicas de los materiales usados en el diseño de la calle. En las zonas mediterráneas se tiende a tramas urbanas que favorecen la sombra y disminuyen el efecto del viento. En un asentamiento compacto la forma del conjunto (tanto la sección como la planta) afecta a las corrientes de aire producidas en las calles. En una ciudad circular el aire fluye a lo largo de las calles, perpendicular a la dirección del viento, desde las calles perimetrales de la ciudad hacia las calles del centro. Las formas de la ciudad compacta están asociadas con el mínimo consumo de suelo y energía por lo que suelen ser promovidas como más sostenibles así como la forma de desarrollo urbano adecuada. En un estudio sobre la región del Ruhr alemán, se sugiere que si se reubicara al 10% de la población urbana en la periferia de la ciudad incrementaría la polución alrededor de un 10-15% en una gran área, pero reduciría la exposición de las personas a la contaminación.

El problema más importante, casi siempre causado por los efectos de la isla de calor urbana, e el consumo energético. Para optimizar la ordenación urbana para reducir el uso de la energía, tanto el aporte de calor como la refrigeración deben ser tratados de manera simultánea. Los materiales de construcción que reflejan la radiación de onda larga pueden reducir el aporte efectivo. El calor se reduce mediante la convección, dependiente de la velocidad del aire y de la turbulencia. Esta última depende de la densidad edificatoria del planeamiento.

Objetivos.

En las ciudades mediterráneas la pérdida de calor en los edificios (durante el invierno), debidas a la falta o escasez de aislamiento, es uno de los principales orígenes del gasto energético. Por este motivo, TOPEUM investigará los procesos de intercambio entre la edificación y el medio ambiente característico de la ciudad europea. Además, se investigarán las cualidades de la ventilación para minimizar el consumo energético a través de la planificación urbana y el diseño arquitectónico.

Este complicado objetivo, incluirá el uso complementario de la modelización Dinámica Computacional de Fluidos (DCF), mediciones de velocidad avanzadas con un túnel de viento- Velocimetría de partículas basada en imágenes (Particle Image Velocimetry,PIV) y trabajo de campo para la toma de medidas del flujo de calor superficial. La modelización DCF permitirá realizar estudios sobre el flujo del aire, así como del rendimiento térmico de los materiales de construcción; teniendo en cuenta la estructura urbana de las áreas modelizadas.

Los resultados experimentales, junto a los datos extraídos a largo plazo de los distintos países participantes, ayudarán a conocer las prácticas óptimas para el ahorro en el consumo energético. Para el cálculo de los correspondientes periodos de retorno se usará como caso de estudio un área urbana característica de Chipre. En ella se llevará a cabo un análisis de coste beneficio para poder evaluar las posibilidades de conseguir un cambio de las condiciones socioeconómicas predominantes.

Metodología y resultados esperados.

Selección del área de estudio: la identificación del área objeto de la investigación será uno de los puntos básicos señalados teniendo en cuenta para ello los materiales constructivos y la geometría y ubicación de las edificaciones.

Experimentos de laboratorio: los efectos de la eficiencia en calefacción y ventilación serán investigados mediante modelos a escala dentro de un túnel de viento. El parámetro de la velocidad será obtenido mediante el uso de Anemometría Láser Dopler (Laser Doppler Anemometry, LDA) y de Velocimetría de partículas basada en imágenes (Particle Image Velocimetry, PIV).

Se tomarán mediciones de campo del flujo calorífico de la edificación, para determinar el intercambio de calor entre la “bóveda de aire urbano” y la atmósfera, según las características de los materiales de construcción específicos usados en Chipre.

Con la modelización DFC se aportarán nuevos datos al estudio, , teniendo en cuenta la estructura de las áreas modelizadas, gracias al examen del comportamiento de los materiales de construcción al calor y al aire . Esto proporcionará la oportunidad de entender como afectan la conducción y radiación de calor al malestar térmico en las estrechas calles de Chipre.

En base a los resultados numéricos y experimentales obtenidos en este proyecto, se introducirán prácticas de desarrollo espacial adaptadas con el fin de estimular y optimizar la sostenibilidad en la planificación y en el desarrollo urbano.

Por último, se llevará a cabo un análisis de coste-beneficio para considerar la viabilidad de las mejores prácticas propuestas.

Investigadores

  • Marina Neophytou (Coordinadora), Paris Fokaides, Ioannis Panagiotou, Ioannis Ioannou, Michael Petrou; Departamento de Ingeniería Civil y Medioambiental, Universidad de Chipre. Chipre.
  • Charalambos Panayiotou, Atlantis Environmental Consulting Ltd.
  • Andreas Prodromou & Hari Radhakrishnan, Exa – High Performance Computing.
  • Hans Wigo & Mats Sandberg, Laboratorio de Ventilación y Calidad del aire, Universidad de Gavle, Suecia.
  • Ekaterina Batcharova; Maria Kolarova; Anna Tzenkova- BRATOEVA, Academia Nacional Búlgara – Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología, Bulgaria.

Referencias

  • Akbari, et al. (1996): Policies to reduce heat island: magnitudes of benefits and incentives to achieve them, in proceedings ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, 9, 177.
  • De Ridder Koen, et al. (2006): The impact of urban sprawl on air quality and population exposure: a case study in the German Ruhr area; EURASAP Newsletter 60, April 2006, ISSN-1026-2172, 13-29.
  • Jian Hang et al.: Studies of wind environment in simple compact square, round or long cities by CFD simulation and wind tunnel measurements, Project No. HKU 7145 /07E.
  • Kakoniti, A.: “The effect of radiation heat transfer in the urban heat island phenomenon using computational fluid dynamics simulation”, Master’s Thesis, University of Cyprus, Department of Civil and Environmental Engineering United Nations (1999): World urbanisation prospects, United Nations Population Division.
  • Santamouris (2001): “Energy and Climate in the Urban Building Environment”, James and James Science Publishers, Londres.
  • Synnefa et al. (2005): A study of the thermal performance of reflective coatings for the urban environment, Solar Energy, 80, 968-981.
  • T.R. Oke et al. (1991): “Simulation of surface urban heat islands under ‘ideal’ conditions at night”, Part 2: Diagnosis and causation, Boundary Layer Meteorology, 56, 339-358.

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