Acondicionar el aire con el mínimo esfuerzo energético genera lenguaje arquitectónico

El artículo recoge la investigación que lleva a cabo Carlos Arroyo para acondicionar con el menor gasto energético posible sus proyectos, que han dado como resultado la definición de elementos renovados como son la fachada inestable, el patio tornillo, la cebolla térmica, el sol virtual…, con los que genera un nuevo lenguaje arquitectónico.

El lenguaje clásico de la arquitectura se conformó como respuesta a las inclemencias del tiempo con la tecnología de la época; el frontón del templo griego habla de las pendientes necesarias para guarecerse de la lluvia; las molduras se configuran como goterones para evitar que resbale al interior; mientras las columnas se modulan para permitir el paso de la luz en una época sin vidrios.

En contraste, el Movimiento Moderno adoptó el cubo terso como expresión máxima de la superioridad tecnológica que independiza la arquitectura del clima. El cubo terso es posible porque hay impermeabilizantes, vidrios, calefacción, aire acondicionado, y por la energía del petróleo y del carbón, que en aquella época se consideraban inagotables.

Hoy sabemos que aquella superioridad tiene límites, que la energía es cara, que el petróleo se acaba, y sobre todo que sus emisiones de gases de efecto invernadero amenazan nuestra supervivencia. También sabemos bien que acondicionar el aire no es simplemente regular la temperatura, sino la cantidad de oxígeno y CO2, la humedad, partículas en suspensión, compuestos orgánicos volátiles, hongos, bacterias, … y virus.

Hemos de idear un lenguaje arquitectónico como respuesta al cambio climático. Hemos de acondicionar el aire con arquitectura.

En este artículo (transcripción de una conferencia) presentaremos obras de nuestra oficina –Carlos Arroyo Architects– en las que el esfuerzo para acondicionar el aire con el mínimo esfuerzo energético genera lenguaje arquitectónico.

Todas las personas, incluyendo quienes nos dedicamos a la arquitectura, tenemos ciertos imaginarios de la arquitectura que interpretamos como lenguajes autónomos, aunque en su día respondieran al entorno y contexto en que se construyeron. La arquitectura clásica, basada en la arquitectura griega, daba respuesta a las inclemencias del tiempo con la tecnología de la época, desde el frontón, que se ocupa de separar el agua de la lluvia, ciertas molduras que, con su goterón, separan el agua de los muros, y otros artilugios que permiten un equilibrio entre protección y usabilidad, ventilación entre columnas, o iluminación.

A principios del siglo XX, cuando surgen una serie de tecnologías basadas en la energía barata, se genera un lenguaje que se basa precisamente en la idea de autosuficiencia o de la independencia del medio: el cubo blanco con un plano terso, abstracto, que no necesita relacionarse con el medio porque tiene una piel estratificada e impermeable, además de una fuente supuestamente inagotable de energía que pueda estar bombeando calor eternamente.

Este paradigma se rompe en 1973 con la primera crisis del petróleo, cuando el mundo se da cuenta de que realmente no podemos seguir bombeando energía en los edificios como pensábamos. El problema se agrava a medida que vamos siendo conscientes de los efectos en el cambio climático, causado principalmente por las emisiones de CO2 –esta cuestión ya se anticipaba hace más de 100 años, pero a partir de los años 80 el problema resulta incuestionable.  Llevamos ya 40 años sabiendo que el uso desmedido de la energía procedente de combustibles fósiles es un problema dramático, y sabiendo como reducirlo técnicamente, pero todavía no hemos conseguido cambiar el lenguaje arquitectónico suficientemente como para que ese conocimiento se traslade a la normalidad que corresponde al paradigma actual. Se siguen promoviendo soluciones arquitectónicas arcaicas, imaginarios como el prisma de cristal, que no se corresponden con el momento en el que estamos.

En el despacho tratamos de definir protocolos que sirvan para dar respuesta a este nuevo paradigma con una arquitectura que, siendo emocionante y deseable, resulte beneficiosa para el ser humano y el planeta. Veamos algunos ejemplos.

Una casa en Madrid

Comienzo explicando un pequeño edificio en Madrid en la que la arquitectura no es realmente lo tectónica, el edificio construido, sino lo que ocurre dentro. Parte de ello se refleja en la fachada, que no es estable, y responde a los cambios que se produzcan en el uso de la vivienda.

Fachada inestable

Por un lado, debíamos conformar la fachada según la normativa del casco histórico de Madrid, que nos obliga a mantener el imaginario de la tecnología de siglos pasados. Es posible construir con esbeltos perfiles metálicos, pero es obligado dar la apariencia de construcción con gruesos muros de carga, aplicando un revoco que dibuje sillares de piedra (el llamado revoco a la madrileña); el mismo principio obliga a configurar huecos verticales, los balcones tan característicos de Madrid, cuya proporción es también resultante de una ficticia construcción en base a criterios gravitatorios. Nuestro revoco es fiel al carácter barroco y ficticio del tradicional en Madrid: dibujando esos sillares, se aplica sobre paneles ligeros ante una estructura de otra naturaleza; más aún, los paneles deslizan sobre carriles, y se pueden mover y recomponer.

Los tres paradigmas de la composición de fachadas. Fotografía: Imagen Subliminal.

Los paneles pueden recomponerse con los criterios del siglo XX, en que la fachada se independiza del edificio, es autónoma, y tiene una geometría propia. Es una piel separada del edificio, con una geometría abstracta que no depende de lo que ocurra en el interior.

Pero estamos en el siglo XXI y, en esta casa, cada día los paneles están organizados de una manera distinta, en función de las necesidades de protección frente al sol, ventilación, privacidad, de mantener el calor, etc, de manera que el edificio se auto compone en base a ese equilibrio térmico y de privacidad entre interior y exterior.

La fachada autocompuesta del siglo XXI. Fotografía: Imagen Subliminal (Miguel de Guzmán + Rocío Romero).

De esta manera, la casa se convierte en un manifiesto del triple paradigma. Puede ser una casa decimonónica que es la que se compone en base a criterios de gravedad y peso. Puede ser una fachada de mediados del siglo pasado, que es abstracta y con una geometría autónoma, o puede ser una casa del siglo XXI, es decir, que se auto compone en base a los equilibrios climáticos.

El patio tornillo

En esta casa también hemos planteado lo que llamamos el patio tornillo. En la casa se abren tres patios intermedios que funcionan como un regulador climático. Unas ventanitas cuadradas dejan pasar el aire frío que desciende por el patio por su propio peso, desplazando al caliente, que sale por fachada por sobrepresión, y así enfría todas las habitaciones de la casa que se comporta como una piscina de frío. Es lo que ha desarrollado Fenwick Iribarren en uno de los estadios de Qatar: el público no entra por debajo, como es frecuente en los estadios, sino por la parte alta; al no tener grandes aberturas en la parte baja del estadio, se evita la salida descontrolada del aire frio, que se acumula en el cuenco de la grada: el estadio se convierte en una piscina de aire frío. El aire frío, más pesado que el caliente, es como el agua, no asciende, se acumula en las partes bajas.

El patio tornillo con sus ventanucos de distribucion de aire. Fotografía: Imagen Subliminal (Miguel de Guzmán + Rocío Romero).

En Madrid, al igual que en el estadio, el patio funciona como un distribuidor de aire frío dentro de las habitaciones, aumentando la presión por gravedad, y liberando aire caliente por las imperfecciones de fachada – con el efecto secundario de ventilar. El dispositivo en el que la arquitectura y la técnica se unen es la escalera de caracol, que así funciona como un tornillo climatizador.

OostCampus: Ayuntamiento y Centro Cívico en Bélgica

OostCampus se puede contar desde distintos puntos de vista, y una narrativa posible es la gestión del aire en el edificio.

Se encuentra en una ciudad al sur de Brujas, en Bélgica, con un núcleo bastante disperso, en el centro del cual había una fábrica abandonada de Coca Cola, que había sido adquirida por el municipio. El planteamiento era levantar un campus de servicios públicos en este lugar, demoliendo el edificio existente.

Fabrica de Coca-Cola convertida en ayuntamiento y centro cívico. Fotografía: Imagen Subliminal (Miguel de Guzmán + Rocío Romero).

La nave, con una altura de 9 metros y una longitud de 120 metros por 90 metros de anchura, se presentaba como un contenedor con una enorme cantidad de energía gris, energía acumulada, la energía utilizada en hacer su losa de cimentación con capacidad de carga nivel industrial, las estructuras, el aislamiento e incluso una central de transformación eléctrica. Para levantar construcciones de nueva planta habría que considerar la pérdida de esta energía gris, a la que habría que sumar la energía necesaria para su demolición, y la de la propia construcción nueva. La deuda de carbono así obtenida, aún si fuese para construir un edificio hiper eficiente que consumiese cero energía, no podría compensarse con el ahorro que se pudiese conseguir en toda su vida útil.

Este es un cálculo que ya se ha hecho en diversos contextos, y la conclusión es siempre la misma: si hay un edificio existente, el mejor balance de emisiones de carbono se consigue sólo evitando la demolición. No hay que tirarlo, por muy eficiente que pueda ser su hipotética sustitución, hay que transformarlo, con el mínimo input para conseguir su eficiencia.

Cápsulas para el control climático

Así planteamos nuestra propuesta para esta nave de Coca-Cola. Había que hacer un campus muy completo y diverso, que incluía un ayuntamiento con un salón de plenos, pero también el archivo municipal, talleres, garaje para la flota de servicios, sala polivalente, etc. Para algunas de esas funciones, la nave era perfectamente adecuada, pero, ¿cómo acondicionar les espacios más nobles del programa? Propusimos encapsular parte del volumen, preparando unos hinchables en los que proyectar GRG (yeso reforzado con fibra de vidrio), resultando en unas cáscaras de siete milímetros de espesor que nos permiten transformar el espacio con un input mínimo; esas mismas cáscaras son a la vez un sistema de control climático que recoge la energía del campus interior, de las pérdidas térmicas de las construcciones que planteamos en su interior; también aprovecha de la energía geotérmica que acumula la losa de cimentación, y finalmente permite reutilizar el aire que se evacua hacia los garajes, controlando en todo momento la calidad ambiental.

OostCampus - Las esferas de lo público: Transparencia. Fotografía: Imagen Subliminal (Miguel de Guzmán + Rocío Romero).

Las cáscaras surgen en proyecto como la manera de acondicionar este espacio industrial, tanto desde el punto de vista climático como desde su función representativa, pues son también las esferas de lo público.

Se podría relacionar con la terminología del filósofo Peter Sloterdijk, pues estas esferas de construcción sencilla alojan el espacio de lo público, los clusters de servicios del ayuntamiento, donde de forma transparente la ciudadanía puede ejercer sus derechos y constituirse en comunidad. Hablaremos, sin embargo, de una condición de este espacio que nos permite desarrollar una técnica más prosaica que denominamos la cebolla térmica.

La cebolla térmica

La cebolla térmica es un principio que consiste en climatizar el edificio por capas y que se expresa gráficamente en círculos. Los primeros niveles de acceso de un edificio público no necesitan gran climatización, se entra con el abrigo y primero hay que orientarse, quitarse la bufanda, etc; a medida que accedemos a otros espacios aumenta el nivel necesario de climatización –nos quitamos el abrigo– hasta llegar al área de oficinas donde ya se quiere estar prácticamente en mangas de camisa. Esta estratificación térmica, que ha de corresponderse con una estratificación funcional y arquitectónica, supone reducir el volumen climatizado en el edificio, pero también reduce la velocidad de pérdida de energía. El gradiente de energía es exponencialmente proporcional al salto térmico. Cuando se climatizada un edificio hasta la puerta, el salto térmico se da en un único sitio y la pérdida de energía puede ser 4 veces mayor que si vamos escalonando ese salto térmico en distintos lugares, distribuyendo el gradiente.

Cebolla térmica en la Maison du Project, edificio C2C en Roubaix, Francia.

Sol virtual

En el edificio, cada una de estas burbujas tiene un interfaz climático. Hay una particularmente exitosa, el sol virtual. En un ayuntamiento se celebran bodas y, en el imaginario colectivo, tras la ceremonia se sale a la plaza, se celebra, se tira confeti y se hacen fotos. Esto en determinados climas es muy fácil, pero no en Bélgica, donde llueve más de 300 días al año. El planteamiento fue poner un sol artificial de leds en el interior, alimentado por la energía eólica de un molino. En el mar del Norte, cuanto peor clima hace, más fuerte sopla el viento y …más luce el sol en el interior de este edificio. Hemos creado un clima, un sol radiante que hace que nuestros invitados salgan bien en las fotos, que es también un objetivo legítimo.

También hemos incluido un sistema de psicología térmica: la luz de este espacio es regulable en cuanto a su temperatura de color con un sensor exterior. Cuando hace mucho calor, la temperatura, la luz de color en el interior es fría y eso hace, curiosamente, que percibamos mayor comodidad al entrar al edificio y, lo contrario, cuando fuera hace frío, la luz dentro es cálida y produce un efecto más acogedor.

Edificio de uso mixto en Kigali

Hablaremos aquí también de Nobelia, un edificio en construcción en Kigali, la capital de Ruanda. Es un edificio de uso mixto con oficinas, comercios y hotel. Estamos en la línea del ecuador, en una de las colinas de Kigali; las torres construidas alrededor de la nuestra son prismas de cristal. Son invernaderos en el ecuador. ¡Qué cosa más absurda! ¿Por qué? ¿Por qué hacer prismas de cristal en el ecuador? Nosotros proponemos un edificio que tiene plantas en fachada como protección solar para evitar que las oficinas se sobrecalienten.

En la línea del ecuador, el ángulo solar a mediodía llega a los 23 grados con la vertical, tanto en diciembre como en junio: el sol está siempre muy alto. Realmente es muy fácil protegerse del sol a sur (en diciembre) y a norte (en junio), porque una visera sencilla es bastante; es a este y oeste donde hay que protegerse al máximo, porque son orientaciones en las que el soleamiento es muy duro, igual que en cubierta.

Edificio Nobelia. Envolvente de malla de acero y carrpinterías de madera. Imagen: Carlos Arroyo Architects.

Ocho fachadas

Veamos como adaptarnos a estas circunstancias: colocamos un rectángulo que en planta coincide con la alineación de las calles, pero a medida que vamos subiendo se va adaptando a esa orientación óptima del cubo teórico, adquiriendo así una geometría que presenta ocho fachadas: cuatro fachadas con la orientación buena y cuatro con un ángulo. En esta últimas introducimos unas cajas abiertas a norte y al sur y completamente cerradas a este y oeste y que contribuyen a dar sombra a esa fachada. Con el Grasshopper calculamos la forma para obtener un equilibrio entre vistas y protección solar.

La logística entra en el proyecto

Aquí introducimos otro factor, que hemos valorado constantemente en nuestros trabajos en Ruanda, el coste en energía y en dólares de la logística para llevar al centro de África cualquier material importado. Supone tres días de camión diésel desde el puerto más cercano. Para ilustrar esto, pensemos que el cemento cuesta en Nairobi 150 dólares la tonelada y en Kigali 350. Es decir, se multiplica el coste por el transporte, que es quemar diésel, que es aumentar las emisiones de CO2 que se suman a las propias de la producción de cemento. Al considerar este factor, evitamos, en lo posible, importar materiales. Proponemos una carpintería de madera de producción local; los cristales pueden ser muy sencillos; en este lugar el problema es la radiación solar y las ganancias internas, no la transmisión, ya que el diferencial de temperatura confort-exterior no es tan alto como en los climas fríos; por esta razón un vidrio sencillo es suficiente, o mejor un vidrio sintético, más ligero y resistente, y que ofrece el suficiente aislamiento. 

Para poder trabajar con estos materiales sencillos en altura, hemos de garantizar la seguridad con otros medios; sí envolvemos el edificio con una malla de acero inoxidable protegemos a los usuarios ante posibles caídas –ya que el vidrio no es laminado, también al personal de limpieza, y ante robos; la malla nos sirve de soporte para plantas que crecerán trepando por la malla que se fija a las pasarelas, y que necesitamos como protección solar. Mientras crecen las plantas, se envuelve con una tela de sombra muy barata. La pasarela además sirve para limpiar los cristales sin necesidad de personal especializado –lo cual es un problema en otros edificios de Kigali.

Cemento de cenizas volcánicas

Resuelto el cerramiento con la mínima importación, retomemos la cuestión del cemento. Recordaba de la Escuela de Arquitectura los orígenes del cemento, su uso en la antigua Roma en base a cenizas volcánicas, y le hablé de ello al cliente. Buscamos y analizamos siete depósitos de cenizas volcánicas activas que se podían utilizar como cemento natural junto con cemento portland. La proporción de la mezcla es de 35% (30+5%) cemento natural y 65% portland, que cumple con los Eurocódigos como CEM II. Este cemento se puede utilizar en algunos elementos estructurales, pero en otros menos exigentes podemos usar una mezcla más natural: en soleras y rellenos se puede utilizar sólo cemento natural proveniente de cenizas volcánicas.

Fachada vegetal y losa ventilada en el edificio Nobelia.

Losa fría

En la ejecución de los forjados, la losa se aligera mediante tubos que, además, funcionan como conductos de ventilación que permiten que el aire pase por dentro de la losa. La losa se enfría por la noche y, como un cubito de hielo, absorbe energía durante el día. La losa está encofrada con lámina de drenaje, con huevera, para aumentar la superficie de contacto con el aire y maximizar el intercambio por radiación, además de servir también para atrapar el sonido, para evitar los ecos y la reverberación.

En relación con estos conductos de ventilación, hay otra microhistoria apasionante que ilustra como resolver situaciones creando nuevos recursos. Veamos, importar tubos en Kigali es importar aire; estuvimos pensando cómo aprovechar ese viaje; pensamos en importar los tubos llenos de arroz que luego se podría vender a granel. Le conté al cliente nuestra preocupación y cómo eran los tubos, que son espiralados a partir de una bobina muy densa de acero galvanizado, y le planteé la posibilidad de espiralarlos in situ. Lo siguiente que supe es que el cliente me enviaba un video desde un lugar de Alemania donde estaba comprando una máquina de espiralar de segunda mano. “Son diez mil dólares. Esta es la máquina que tú dices, ¿verdad?” Sin pensárselo dos veces se trajo la máquina y las bobinas de acero en un contenedor. Como puede verse, para construir este edificio hemos tenido que construir muchas cosas antes, y una de ellas es una fábrica de tubos.

Edificio Nobelia en Kigali. Estrategia de control climático. basado en la ventilación natural para controlar el grado de humedad.

Control de la humedad

Ya tenemos la geometría, la protección solar, y la estructura aligerada con tubos para el enfriamiento nocturno, pero para controlar el clima en esta latitud, la humedad es el gran reto. A pesar de que las altas humedades son el verdadero problema, frecuentemente los esfuerzos se concentran en bajar la temperatura a 21 grados. En cambio, si se controla la humedad, la tolerancia es mayor. En un principio el cliente no se creía que se pudiese estar confortable con 27 grados en un edificio. Le explicamos los diagramas de confort, le presentamos la tabla humidex, que es más fácil de revisar, y en un auténtico mock up del edificio, que fue su oficina durante un año, estuvo midiendo humedad y temperatura anotando sus sensaciones y al final estuvo de acuerdo en que sí que se podía estar cómodo con 27 grados, si se controlaba la humedad circa 35%. Es mucho más fácil gestionar la humedad que la temperatura.

El funcionamiento del edificio para controlar la humedad es complejo y a la vez intuitivo: primero hay que entender que Kigali está a 1500 metros de altitud, es decir que por la noche refresca, llegando a los 16 cotidianamente, lo que nos permite utilizar el enfriamiento nocturno de forma intensa.

Disponemos en el sótano una batería de tanques de agua hasta un total de 43 metros cúbicos. Utilizamos una enfriadora en cubierta que por la noche baja la temperatura del agua a los 16 grados atmosféricos. Esa agua fría es nuestro recurso para controlar el clima. Sirve también para enfriar ordenadores, que es una de las fuentes de calor importantes de un edificio como éste, pero veamos cómo nos ayuda a regular el equilibrio higrotérmico.

En cubierta tenemos unas unidades de tratamiento de aire de doble ciclo. En un primer ciclo, el agua fría en sus serpentines hace descender la temperatura del aire entrante hasta que condensa la humedad; pero ese aire está ahora demasiado frio, por lo que antes de introducirlo en el edificio intercambiamos energía en un segundo ciclo, con el aire entrante a la máquina para el primer ciclo. Es decir, el aire exterior entra en la UTA a 29 grados, intercambia calor con el aire que ya ha pasado por el primer ciclo y ambos pasan a estar a 21 grados; entonces pasa al serpentín y baja a 14, perdiendo la humedad; a continuación, sube a 21 grados intercambiando con el aire entrante. Este aire circula constantemente por los conductos embebidos en la estructura, manteniéndola a temperatura adecuada para absorber calor durante el día.

El aire seco a 21 grados se introduce en los espacios a baja velocidad, la justa para la renovación de aire, creando una sobrepresión que expulsa el aire viciado por fachada. Este flujo suave de aire, a baja velocidad y por ello mucho menos molesto que los sistemas al uso, es suficiente para mantener las variables en la zona de confort cuando los espacios están ocupados por personas con sus ordenadores en funcionamiento, según los modelos y simulaciones que hemos desarrollado.

En Kigali hemos conseguido un óptimo comportamiento térmico, hemos logrado tener grandes vistas al norte y al sur, tamizadas sobre todo a este y oeste con esta vegetación rampante. La floración de la liana de fuego es naranja, y cuando llegue a su esplendor, yo podré señalar el edificio y decir: "¿ven ese edificio naranja?, ese edificio naranja es “verde.”

Fábrica de champiñones en Ruanda

En Ruanda tenemos otro ejemplo, muy diferente al de Kigali, en el que el coste energético ha sido prioritario. Es una fábrica de champiñones que hemos hecho con estructura de acero de invernadero fabricada en el País Vasco. Es una estructura de invernadero que lleva como cerramiento un sándwich de membranas, una exterior impermeable y blanca para reflejar el sol, y una interior simplemente para sujetar el aislante que queda entre medias. La construcción costó 90 dólares el metro cuadrado porque es una estructura tan ligera que es fácil de importar. Además, se monta como un mecano cuya mecánica se aprende con mucha facilidad. La ligereza, en este caso, fue la clave para elegir el material de construcción.

Kigali Farms - Atmosferas controladas con sándwich de membranas. Foto: Carlos Arroyo Architects.

En este caso la humedad es beneficiosa, pero la luz natural es algo a evitar. Lo presentamos aquí como ejemplo de manipulación de atmosferas mediante elementos constructivos sencillos. La membrana blanca, expuesta al sol del trópico sobre las cerchas curvas del invernadero, crean una imagen fuerte a la vez que amable y limpia.

Conclusión

En los ejemplos que hemos visto se crea un lenguaje que responde a una lógica humanizada para la arquitectura que se está proponiendo, más allá de la tecnología que en cada caso se desarrolla. Este es para mi el reto fundamental, construir un imaginario que nos permita relacionarnos con las tecnologías que responden a necesidades tan perentorias como la reducción de las emisiones de CO2, a la vez que conseguir el confort humano y la emoción de la arquitectura.

Pensemos en herramientas tan potentes como el passivhaus o la parametrización. Si para conseguir passivhaus imponemos unos usos muy determinantes a las personas, sin dotarlas de las herramientas para entender el sistema –dicho de otro modo, si ponemos las rejillas de ventilación donde dice la ingeniería básica, que casualmente coincide con la pared donde queremos poner la cómoda de la abuela, se tapará la rejilla y el passivhaus no funcionará. Pero si su utilización tiene que ver con estar cómodos, con que el edificio nos cuide, expresando esa capacidad de manera inteligible, entonces seguramente tengamos una arquitectura nueva en la que merezca la pena vivir.