La diversidad climática del Perú

La enorme diversidad climática del Perú se debe en gran medida a la presencia de la cordillera de los Andes; esta no solo condiciona emplazamientos de diversas altitudes, sino que separa las masas de aire de la parte occidental, asociadas a las aguas frías de la corriente de Humboldt, de las masas cálidas y húmedas de la parte oriental de la selva amazónica. La única condición constante, debido a la cercanía con la línea ecuatorial, es la alta radiación, que incide en todo el territorio a lo largo del año.

Tomando como base la clasificación propuesta para efectos de diseño por ^{Wieser (2011)}, el país se puede dividir en siete grandes zonas climáticas. La primera corresponde a gran parte de la franja costera desértica peruana, en la que vive casi la mitad la población, incluyendo la ciudad de Lima; tiene un clima subtropical, expuesto a las brisas marinas frescas, influenciadas por las aguas frías del océano, con temperaturas de aire bastante moderadas, de baja oscilación térmica diaria y estacional, de humedad relativa moderadamente alta y muy escasas precipitaciones. La excepción es una pequeña franja de costa al norte del país, en la que existe un clima tropical, debido a la presencia de corrientes marinas cálidas.

Una segunda zona climática es la desértica, ligeramente alejada del litoral, y en la que las brisas marinas han perdido fuerza, por lo cual la oscilación térmica es de moderada a alta, con días cálidos y noches frescas, humedad relativa moderada o baja, radiación solar más intensa y precipitaciones casi inexistentes.

La tercera zona es la continental templada, en la vertiente occidental de la cordillera de los Andes, y que, con una mayor altitud y más lejana del océano, se ubica entre los 1000 a 2300 msnm. Tiene una alta oscilación térmica diaria, con días templados y noches frescas, de baja humedad relativa y alta radiación solar. En la medida de una mayor altitud, entre los 2300 y los 3500 msnm, se presenta el clima continental frío, con días templados, noches frías y alta oscilación térmica.

Por encima de los 3500 msnm se identifica una quinta zona climática, continental y muy fría, en la que se presentan noches con temperaturas bajo cero, frente a días frescos y generalmente soleados.

Hacia la vertiente oriental, por debajo de los 2300 msnm, se ubican los dos últimos climas: la selva tropical alta y la selva tropical baja. Ambos presentan altas temperaturas diurnas, alta humedad relativa y abundantes precipitaciones. La principal diferencia entre ellas es la menor temperatura que se alcanza en las partes altas durante las noches. Las particularidades climáticas de estas regiones condicionan el protagonismo de la ventilación y la sombra como estrategias bioclimáticas, y el cerramiento se adapta a estas necesidades. La oscilación térmica varía en función de la altitud, que resulta menor en la medida en que se ubique en zonas más bajas. Las particularidades climáticas de estas regiones condicionan el protagonismo de la ventilación y la sombra como estrategias bioclimáticas, y el cerramiento se adapta a estas necesidades. En tal sentido, dichos climas no serán considerados en la presente investigación, asumiendo que la tierra alivianada resulta una alternativa válida en sí misma, siempre y cuando se consideren las estrategias bio-climáticas mencionadas y se resuelva el proyecto en términos estructurales y constructivos.

Se presenta en la Tabla 1 la lista de las ciudades elegidas, junto con sus coordenadas, su altitud y la zona climática a la que pertenecen, mientras que en la Figura 1 se muestra la ubicación de las ciudades sobre el mapa y en un corte esquemático.

Fuente: elaboración propia (2019). CC BY.

Figura 1 Mapa y corte esquemático del territorio peruano con la ubicación de las ciudades elegidas. 

Con base en los datos climáticos obtenidos, se presenta en la Figura 2 la representación gráfica, sobre el ábaco psicrométrico, de las temperaturas medias mensuales de cada una de las ciudades elegidas. Sobre dichos ábacos, confeccionados con el software Psychrometric Chart, desarrollado por ^{Marsh, A. (2019)}, se superponen la zona de confort y las estrategias de diseño sugeridas por ^{Givoni (1998)}.

Fuente: elaboración propia a partir del software Psychrometric Chart (2019). CC BY.

Figura 2 Ábacos psicrométricos con representación de días típicos, zona de confort y estrategias de diseño. 

Fuente: Centro Tierra, PUCP (2019). CC BY

Figura 3. Vistas del panel experimental con estructura de madera y elementos prefabricados de tierra alivianada. 

La cercanía existente entre las líneas, en todos los casos, evidencia la poca oscilación térmica estacional que presentan todos los climas, debido a la proximidad de la línea ecuatorial. Así mismo, con excepción de la ciudad de lio, debido a su cercanía al mar, se aprecia una oscilación térmica diaria relativamente amplia, con temperaturas que van disminuyendo de manera evidente en la medida de la mayor altitud.

Las estrategias de diseño que sugieren los propios gráficos de la Figura 2, indican para los climas más cálidos la necesidad de sombra y ventilación, mientras que para los climas fríos recomiendan tanto el aprovechamiento de las ganancias internas (hermeticidad y aislamiento) como de la ganancia solar de forma pasiva y activa. Cabe mencionar la utilidad de la presencia de materiales con gran masa térmica en climas de gran oscilación diaria de temperaturas, a la que se suma la necesidad del aislamiento para evitar las pérdidas de calor en climas fríos.

Identificación de los límites de confort térmico

Haciendo uso de la fórmula propuesta por ^{De Dear y Brager (1998}, p. 14) dentro del marco de la teoría del confort adaptativo, se deduce la temperatura operativa óptima (TO) de confort durante febrero y agosto, asociados a los meses más cálidos y más fríos del año, respectivamente, a partir de los valores de temperatura efectiva exterior promedio (TE). La fórmula mencionada es la siguiente:

= 18,9 + (0,255 ^x TE) °C

Para el caso de los climas cálidos y templados, interesa exclusivamente el comportamiento térmico del edificio en verano, mientras que para el caso de los climas fríos, lo que sucede durante el invierno. A partir de la temperatura óptima, se establecen los límites de temperatura interior aceptable para el 90% de los usuarios (TO +/-2,45 °C) en el caso de los climas cálidos y templados. Debido a la mayor rigurosidad de los climas fríos, y siempre siguiendo los principios del confort adaptativo, los límites en ellos se calculan para satisfacer al 80% de los usuarios (TO +/- 3,45 °C). Todos los valores de temperatura mencionados se presentan en la Tabla 2.

Los resultados de los rangos de temperaturas interiores aceptables se utilizarán más adelante para valorar los resultados del desempeño térmico del modelo propuesto.

Propiedades térmicas de la tierra alivianada

En cuanto a las propiedades térmicas necesarias para caracterizar la tierra alivianada, se requirió la identificación de los valores de densidad (kg/m³), de conductividad térmica (W/m-K) y de calor específico (kJ/kg-K) de esta. Las densidades que se utilizarían en el proyecto fueron finalmente elegidas buscando la facilidad y la fiabilidad en la fabricación de los bloques, además de asegurar unas prestaciones térmicas mínimas. Las experiencias previas en proyectos de tierra alivianada (^{Wieser et al., 2018}) permitieron elegir densidades de 600 kg/m³ y de 800 kg/m³, para los techos y los muros, respectivamente. La construcción de paneles experimentales de madera y tierra alivianada, concebidos dentro del marco del proyecto para someterlos a ensayos estructurales, permitió confirmar la idoneidad en la elección de la densidad de los elementos (Figura 3).

En relación con los valores de calor específico, estos fueron obtenidos a partir de los datos presentados por ^{Volhard (2016}, p. 201), y que, asociados a la propia densidad de las mezclas, indican valores de 1,10 kJ/kg-K, para densidades entre 600 kg/m³ y 1 000 kg/m³.

Respecto a la conductividad térmica, se ha comprobado, igualmente, la existencia de una relación directa muy estrecha entre dicha conductividad y la densidad de las mezclas. Los valores compilados por ^{Volhard (2016}, p. 200), tanto de normas como de investigaciones previas, al igual que el estudio específico al respecto realizado por ^{Wieser, Onnis y Meli (2018}, p. 205), evidencian dicha relación.

En este último estudio se demostró que, a pesar de las diversas variables que intervienen y de los procedimientos manuales que involucran, es posible predecir con bastante precisión la conductividad térmica de las mezclas de tierra alivianada a partir de una fórmula de interpolación exponencial. Aplicando esa fórmula a las densidades de 600 kg/m³ y 800 kg/m³, los valores de conductividad térmica utilizados en el presente estudio fueron de 0,113 y 0,150 W/m²°C, respectivamente.

Propiedades térmicas de los sistemas constructivos

Los diferentes sistemas constructivos tradicionales en el Perú responden a los climas locales, a la disponibilidad de materiales y a la condición sísmica de las regiones. Es así como existe cierta variedad de soluciones; aquella basada en el muro de adobe es la más utilizada en casi todas las regiones, salvo en los climas tropicales de la selva y la costa norte, cálidos y húmedos, y en los que se utiliza, generalmente, la madera. Al adobe se le suman la quincha (entramado de cañas recubiertas con barro) en las zonas costeras cercanas al litoral, el tapial, generalmente en zonas más altas y frías, y la piedra, en las regiones más frías de la puna.

Pero desde hace unas décadas, principalmente en las ciudades, y cada vez más rápido, se están incorporando materiales industrializados, como el ladrillo cocido, las bloquetas de concreto y la calamina metálica. Se construye prácticamente de la misma forma en la puna fría, en el desierto cálido-seco y en la llanura amazónica cálido-húmeda: con muros delgados de ladrillo hueco y grandes superficies traslúcidas. La mayor ligereza de las construcciones, sin la adición de capas aislantes y sin el nivel de hermeticidad apropiado, está generando serios problemas de confort térmico y crecientes gastos de energía en la medida en que condicionan un mayor uso de sistemas artificiales de control ambiental (aire acondicionado y calefacción).

Considerando los valores previamente obtenidos de la tierra alivianada, en la Tabla 3 se presentan las propiedades térmicas de los diferentes materiales que conforman los muros y los techos que serán considerados en los cálculos posteriores. Los valores aproximados han sido obtenidos de ^{Szokolay (2012)} y de la CIBSE⁹ (2015).

Se indican a continuación algunas consideraciones constructivas importantes adicionales que se tomarán en cuenta para la valoración posterior de los modelos evaluados.

A partir de las características presentadas de los materiales, se calcularán en el siguiente título tanto los valores de inercia y de transmitancia térmica de los componentes como el desempeño térmico dinámico de cuatro propuestas constructivas. Dichas propuestas, que se analizarán de manera comparativa en las cinco zonas climáticas descritas, son las siguientes: a) edificio con muros de ladrillo hueco dispuesto de soga y techo de losa aligerada, y que es la solución más recurrente de las últimas décadas; b) edificio con muros de adobe y techos con torta de barro, alternativa cada vez menos usada, aunque aún vigente en las zonas rurales del país, y (c.1 y c.2) dos alternativas de estructura de tierra alivianada en muros y techos. Las propuestas se encuentran mejor detalladas en la Tabla 4.

Tabla 4 Características y especificaciones de los modelos para analizar térmicamente. 

Fuente: elaboración propia (2019).

En primer lugar, para el caso de los techos de los edificios ubicados en las zonas más cálidas (subtropical, desértica y continental templada), se considerará una cobertura final contra las lluvias que, bien sea de teja, de calamina o, incluso, de paneles fotovoltaicos, estará colocada sobre las propuestas presentadas, con una cámara de aire ventilada y ligeramente inclinada (Figura 4; ver detalle en el corte y la perspectiva). Dicha cobertura no influirá sobre los cálculos de transmitancia, pero sí en los cálculos dinámicos de simulación, al generar sombra durante el día sobre el techo inferior. Para el caso de las zonas más frías (continental fría y continental muy fría), se prescindirá de dicha cobertura adicional, para permitir que el techo reciba la radiación.

En segundo lugar, los muros de tierra alivianada cuentan con una estructura de pies derechos y travesarlos de madera. Debido a que los valores de conductividad térmica y de densidad de la madera son prácticamente los mismos que los de la tierra alivianada (Tabla 3), además de representar un porcentaje mínimo del área total, se considerará el muro de material uniforme, sin puentes térmicos.

En todos los casos se considerará un piso de losa de concreto con un entablado de madera como superficie final. Solo en los casos de los 2 climas fríos, se considerará un aislamiento adicional mínimo equivalente a 10 cm de bloques de tierra alivianada de 600 kg/m³ de densidad, que representa un valor de resistencia térmica aproximada de 0,885 m²°C/W.

Por otra parte, los vanos de ventana, en todos los casos, tendrán acabados de vidrio simple y marco de madera, mientras que la puerta planteada hacia el exterior será de madera contraplacada; se adicionará una capa de aislamiento en el interior en el caso de los climas fríos.

Características del prototipo

Las características formales del prototipo para simular corresponden a las que serán consideradas en la construcción de este, dentro del marco del proyecto, y a escala real, dentro del campus de la universidad. Es un pequeño edificio que contiene un espacio cerrado, además de un baño y una zona de terraza. Sobrepuesto a una losa de cimentación de concreto, el ambiente por evaluar térmicamente será solo el espacio cerrado, al cual en adelante se denominará el módulo. Este tiene una planta cuadrangular, un área de aproximadamente 14 m² y una altura interior de 2,5 m.

Se presentan a continuación la planta, el corte y la elevación del prototipo propuesto, así como una vista en perspectiva de este, generada por el software Design Builder (Figura 4).

Fuente: elaboración propia (2019). CC BY

Figura 4 Planta, corte y elevación esquemáticos del prototipo y vista en perspectiva. 

A pesar de que el prototipo no se trata específicamente de una vivienda, se le asignará un uso continuo, tanto diurno como nocturno, con presencia de dos usuarios en el interior del módulo (~ 0,14 personas/m²) desarrollando actividades sedentarias. La presencia de artefactos eléctricos y el régimen de iluminación artificial también coincidirán con un espacio de uso doméstico.

En la medida en que el módulo prescinde de sistemas de climatización artificial, es necesario que este se adapte de forma pasiva a los diferentes tipos de clima. En tal sentido, junto con la variante del doble techo ventilado, ya mencionada, se considerarán diferentes soluciones en la orientación de los vanos para efectos de protección o captación solar, además de ciertas particularidades en el régimen de ventilación natural. Las estrategias consideradas son bastante genéricas y alineadas a las presentadas previamente sobre los ábacos psicrométricos, siguiendo las pautas que propone ^{Givoni (1998)}.

Para asegurar niveles óptimos de iluminación natural, se considera en todos los casos que el área traslúcida útil de los vanos equivale al 15 % del área del piso. Para el caso de los climas más cálidos, los vanos se ubicarán en las caras norte y sur, lo que asegura una buena ventilación, debido a la dirección de los vientos, y evita la incidencia solar directa sobre los vanos. A partir del clima continental templado, se prescinde del vano orientado hacia el sur y se lo pone en la cara este, lo que permite la ganancia solar en horas de la mañana. Finalmente, en los climas más fríos se concibe una claraboya de área equivalente en el centro del techo, para una mayor ganancia solar directa, de tal forma que compense la rigurosidad climática del emplazamiento. En estos últimos casos, se consideran, adicionalmente, unas contraventanas con aislamiento, que permanecerán cerradas durante las horas de la noche. En la Tabla 5 se resumen de manera gráfica las variantes de doble techo ventilado y de la orientación de los vanos en función de los tipos de clima, según lo indicado en los párrafos previos.

Tabla 5 Variantes de diseño de cubierta y vanos en el módulo, según zona climática. 

Fuente: elaboración propia (2019).

En la medida en que está asegurada la operatividad de las ventanas, y debido a la ausencia de equipos de climatización artificial, la ventilación natural se acomodará en cada clima en función de la conveniencia de los usuarios. En los climas más cálidos, se permitirá la ventilación cuando el exterior esté más fresco que el interior y las temperaturas interiores salgan de la zona de confort. En los climas más fríos la ventilación estará limitada al mínimo requerido, permitiendo únicamente una infiltración que asegure una renovación de un cambio de aire por hora.

Transmitancia e inercia térmicas de los cerramientos

En una primera instancia, para identificar la capacidad de aislamiento de la envolvente, se calcula el valor de transmitancia térmica (Valor-U) de las distintas soluciones presentadas. Este valor resulta útil, ya que es de uso frecuente en normativas, pero cabe reconocer que ello responde más a una preocupación de ahorro de energía por el uso de sistemas artificiales. Adicionalmente, se identifica la inercia térmica de los elementos a partir de los valores de factor de decremento (Decrement Factor, en inglés) y tiempo de retardo (Time Lag, en inglés). Esta información es relevante, sobre todo, en edificios sin sistemas artificiales de climatización y en climas de gran oscilación térmica diaria, que, salvo la costa litoral, tienen en la inercia térmica de la envolvente una de sus principales estrategias de control ambiental.

La inercia térmica de un componente permite tener una idea de su capacidad para amortiguar y retardar el paso del calor desde y hacia el exterior del edificio. El tiempo de retardo indica el número de horas que el calor requiere para conducirse a través del elemento entre una cara y la otra; este valor ayuda a identificar el potencial de un componente en la medida en que puede retrasar, si el valor es sustancialmente alto, el paso del calor en los momentos más cálidos del día y emitirlos durante los momentos más fríos. En el caso específico del factor de decremento, el valor indica la relación entre la diferencia de temperaturas de la superficie interior frente a la diferencia de temperaturas de la superficie exterior. Un valor de 1 implicaría ausencia de masa térmica, mientras que un valor de 0 indicaría que las temperaturas superficiales interiores del elemento se mantienen constantes; seguramente, muy cercanas a la temperatura media exterior. Esta última situación, como ya se adelantó, suele ser muy útil en climas de alta oscilación térmica. Los resultados de las propiedades térmicas indicadas de los componentes se presentan en la Tabla 6.

Es importante añadir que la norma peruana vigente sobre ahorro de energía, EM.110 del ^{Reglamento Nacional de Edificaciones (2014)}, aun siendo de aplicación opcional, establece que el valor de transmitancia térmica en los muros no debe superar los 2,36 W/m²°C en los climas menos rigurosos, ni los 1,00 W/m²°C en la zona altoandina. En los techos, el límite que establece la norma es de 2,20 W/m²°C en las zonas más bajas, y de 0,83 W/m²°C en la zona altoandina. Si bien existe una propuesta de actualización de la norma con valores un poco más exigentes, se puede observar que las soluciones tradicionales y convencionales logran cumplir con los requerimientos únicamente en los climas menos rigurosos.

Simulaciones térmicas dinámicas

Tomando en cuenta las consideraciones y los valores identificados en los títulos previos, en la Figura 5 se presentan los resultados de una de las simulaciones térmicas dinámicas hechas con la herramienta informática Design Builder y los gráficos que resumen la temperatura interna promedio mensual de cada uno de los módulos, vinculada a la zona de confort identificada previamente considerando el método adaptativo (Figura 6; Figura 7). Los resultados corresponden a un día típico del mes más cálido para el caso de las localidades cálidas y templadas (lio, Tacna y Moquegua), y del mes más frío, para el de las localidades más altas y frías (Arequipa, Cuzco y Juliaca).

Fuente: elaboración propia, usando Design Builder 4.5 (2019). CC BY.

Figura 5 Captura de imagen de resultados para el módulo de adobe, ubicado en la ciudad de Cuzco 

Fuente: elaboración propia (2019). CC BY.

Figura 6 Temperaturas exterior e interiores de cada módulo en localidades calidads y la templada. 

Fuente: elaboración propia (2019). CC BY.

Figura 7 Temperaturas exterior e interiores de cada módulo en localidades frías. 

Fuente: elaboración propia (2019). CC BY.

Figura 8 Resultados comparativos de las cuatro soluciones constructivas. 

Finalmente, mientras que las Figuras 6y7 muestran un día típico a partir de valores promedio mensuales, en la Figura 8 se resumen, en porcentaje de tiempo, las condiciones de confort que se lograron en el interior de cada una de las alternativas constructivas a lo largo del mes crítico (el más cálido o el más frío, según el clima), considerando, nuevamente, la teoría de confort adaptativo.