El desarrollo de la investigación pretende por lo tanto, determinar las zonas con condiciones climáticas que requieran sistemas constructivos dotados de aislamiento térmico, determinar las biomasas potencialmente utilizables como aislamiento térmico en el entorno local y sugerir los posibles usos de esta biomasa.
2.1. Biomasas potencialmente utilizables
De acuerdo con las necesidades de los diferentes elementos presentes en la edificación y las posibilidades de uso de las diferentes biomasas, éstas pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: la biomasa que presenta fibras largas y constituyen un interesante refuerzo para elementos cargados a tracción y flexión y la biomasa particulada o con fibras cortas que sólo son interesantes en aplicaciones de aislamiento térmico en materiales de construcción en masa ligados mediente un aglomeráte, en general tierra o cemento (Salazar, 2007) . En ambos casos el aporte de biomasa al elemento redunda en un aumento de la capacidad aislante y de la ligereza final del material. Las biomasas potencialmente utilizables pueden caracterizarse en función del hábitat característico de cada especie, su importancia económica y su forma de uso tradicional. Esta última característica resulta la de mayor interés para nuestros fines.
2.1.1. Especies de utilidad económica que producen un desecho vegetal
Son especies para uso como alimento humano o animal y que producen un desecho con potencial aprovechamiento para materiales compuestos. En Ecuador es notable el caso del raquis de plátano o la palma africana , la tusa de maiz, el bagazo de caña de azúcar, las cascarillas de café, cacao o arroz y las diferentes fibras de palmeras como el coco, etc. (IPN, 2007, Alvarez-Castillo, 2013, Ali, Liu, Chouw, 2012, Biagiotti, Puglia, Kenny, 2004)
La mayor limitación en el uso de estas especies radica en su aplicación en otros usos de los ya implantados: como las hojas de palmera para techumbre, como abono orgánico, forraje o para la producción de energía mediante su quema.
2.1.2. Especies que son en sí mismas de utilidad económica
Este grupo lo constituyen las fibras textiles y las plantas usadas comúnmente como cordelería o tejidos como es el caso de los agaves, el algodón, la cabuya, el fique y el abacá o cáñamo de Manila por citar los más usados. En este grupo se pueden incluir también especies de aplicación en producciones artesanales y en ocasiones, en la construcción: especies como la totora, la caña, la caña brava, la guadua o bambú, la toquilla, los juncos y los mimbres. Estarían también incluidas en este grupo las numerosas especies maderables con aplicaciones especiales como el caucho y los ficus gomosos. Las especies tubulares como las cañas también han sido y son usadas como elementos constructivos en sí mismos, como es el caso del bambu, la caña y la totora. A pesar de ello existe un potencial importante en el uso de sus fibras para compuestos tanto poliméricos como cerámicos o como elementos aislantes en techo (Eguiguren, 2013, Romero, Weeks, Huelman, 2012, Izco, 2007).
La mayoría de las especies productoras de hilos y cuerdas como la cabuya, el penco o el ágabe, tienen su aplicación bien determinada, tienen poca producción excedente y no resulta económicamente rentable su uso en viviendas. A pesar de ello, en algunos casos con excedente de producción sería factible su aplicación en la restitución de capacidad resistente en adobes o tapiales en unión de otras biomasas aislantes de fibra corta o en el refuerzo de paneles aglomerados de biomasa.
En el caso de las especies maderables, generalmente resulta más rentable usar las mismas como tabla que utilizar sus fibras. Pese a ello, existen posibilidades en el uso de las fibras procedentes de ramas jóvenes (ficus, guadua, etc.) o de residuos procedentes de su manufactura (serrin, astillas, etc.). Teniendo en cuenta la experiencia ancestral en el uso de algunas especies autóctonas, el enfoque de este grupo de especies se centrará en el aprovechamiento de partes no totalmente aprovechadas o aplicaciones no comunes.
2.1.3. Especies sin utilidad económica aparente
Este grupo resulta de especial interés precisamente por no tener una utilidad económica clara. Especies como el pajonal (Izco, 2007, De la Torre, 2008), se han usado tradicionalmente para reforzar los adobes. El incremento del porcentaje de pajonal en compuestos de tierra se presenta como un prometedor recurso aislante de bajo coste siempre y cuando exista un control para una explotación estríctamente local y sustentable.
La Tabla 2 resume el estudio de la localización regional de las distintas biomasas detectadas con posibilidades de aprovechamiento aislante, determinando además su hábitat, su parte aprovechable, así como sus usos actuales en la construcción.
Tabla 2
Biomasas presentes en Ecuador y sus principales características.
2.3. Análisis de las condiciones climáticas
Con el objetivo de situar geográficamente los requerimientos exigibles al hábitat y confrontarlos con las biomasas disponibles, se han representado sobre los mapas de las figuras 1 y 2, además de los climas (INAMHI, n.d.), las variables climáticas que puedan condicionar la estrategia constructiva a seguir: temperatura (medias de las mínimas y medias de las máximas anuales), humedad relativa (media de las máximas y media de las mínimas anuales), nubosidad, radiación y presencia de viento.
Fig. 1:
Mapa de temperaturas mínimas (absolutas y medias)
Del estudio de los datos y bibliografía existentes puede determinarse que, pese a que climáticamente en Ecuador se considera que existe una época lluviosa y otra temporada seca, la estabilidad térmica en términos anuales es importante, no siendo así en términos geográficos, en donde la variabilidad es extrema, si bien existen patrones comunes en grandes zonas climáticas: Costa, Sierra y Amazonia (Pourrut, Rovere, Romo, & Villacrés, 1995). Dichas zonas corresponden a grandes rasgos con una biodiversidad que ha determinado, junto con la cultura de sus pobladores unos patrones edificatorios cuasi comunes que nos permiten estructura el análisis en tres grandes zonas.
Fig. 2:
Mapa de temperaturas máximas (absolutas y medias)
2.4. Variantes constructivas tradicionales y usos propuestos de las biomasas existentes en función del clima
La investigación en torno al utilización potencial de utilización de la biomasa como aislante en elementos de construcción se centra en el uso en cerramiento (paredes y pisos principalmente), y los elementos de revestimiento y relleno (Velasco, Delgado, Goyos, n.d.). En el caso de los cerramientos, el mayor interés radica en la sustitución de áridos y en menor grado de cemento, yeso o arcilla, buscando con ello una mayor economía de recursos económicos y ambientales , a la vez que se aporta una mejora considerable en su capacidad aislante. En el caso los elementos no portantes de revestimiento o relleno como paneles para falso techo (cielo raso), relleno de cámaras de paredes o techos, etc, el objetivo será determinar como aglomerar la fibra de la forma menos contaminante y como preservarla del ataque de mohos o insectos. Puede estudiarse en detalle las distintas lineas de investigación abiertas en torno al tema en el artículo: Investigación y desarrollo de aislantes térmicos naturales basados en residuos de biomasa para su aplicación en la mejora de la eficiencia energética de las edificaciones en América Latina (Velasco, Delgado, Goyos, n.d.).
2.4.1. Región Costa
La región geográfica de costa ecuatoriana comprende las provincias de Esmeraldas, Guayas, Los Ríos, Manabí, Santa Elena y El Oro, pese a que pueden considerarse de esta, desde el punto de vista climático, la zona más costera de las provincias de Cañar, Azuay y Santo Domingo. La región litoral es seca y árida con continuas corrientes de aire procedentes del mar que atemperan las temperaturas máximas y mínimas, existiendo una diferencia máxima anual de temperaturas de 3ºC y una diferencia térmica diaria máxima de 7ºC. Las temperaturas medias oscilan entre los 20,5 y 30,5 C. La humedad relativa varía diariamente entre el 55 y el 100%, manteniéndose relativamente estable durante todo el año. El interior es muy cálido y húmedo y comprende los territorios de la costa interna hasta los declives de la cordillera Occidental. Las temperaturas medias de las máximas oscilan entre los 18 y los 32ºC a lo largo del año. La humedad relativa es alta: entre el 70 y el 100%. Se caracteriza por las constantes precipitaciones debido al efecto de las corrientes marinas de Humboldt y el Niño (AEPEREACU, n.d.). La radiación en toda la región de la costa es intensa: entre los 3,5 y 4 y 4,5 Kwh/m2.
Fig. 3:
Gráfico bioclimático. Provincias de la región climática de la costa.
En la Figura 3 se observa como el principal problema climático de la región (especialmente el las provincias del sur) son las altas temperaturas (principalmente en horas centrales del día), asociadas a altos niveles de radiación, así como frecuentes porcentajes de humedad relativa superiores al 80% (incrementándose hacia la zona norte). No hay en la costa problemas de confort por bajas temperaturas. Por el contrario, al no descender la temperatura durante la noche no es posible la refrigeración por ventilación nocturna. Se observa que en toda la zona es siempre necesaria la protección solar.
La construcción tradicional en la costa presenta una perfecta adaptación al clima de una forma sostenible gracias a la limitada huella de carbono de sus materiales, a la ausencia de inercia térmica y la absoluta permeabilidad de toda la envolvente que facilita la refrigeración y evita la acumulación de humedad sin necesidad de ventanas. Los suelos y las paredes están construidos de pambil, guadua o caña picada sobre latilla horizontal o vertical de guasango o laurel. Se encuentra generalmente levantada del suelo entre 60 y 150 cm. con postes de chonta o guadua. El techo es elaborado de rampira o bijao (hojas de palma o de plátano), y generalmente se prolonga más allá de los cerramientos verticales para dotar a estos de protección frente a la radiación formando los corredores y espacios exteriores protegidos del sol, hacia los que se vuelcan diversas actividades de la casa. (Nurnberg, Estrada, 1982). Presenta problemas puntuales de seguridad y mantenimiento debido a la degradación de las fibras vegetales por pudrición o ataque de insectos.
La sustitución de los tipos constructivos tradicionales por sistemas constructivos basados, casi invariablemente, en muros de bloques de hormigón y cubiertas de fibrocemento o chapa y losas de hormigón supone un empeoramiento radical de la sostenibilidad edificatoria al utilizar materiales no reciclables, procedentes de zonas lejanas y basados en el hormigón o el acero. La eficiencia energética de la vivienda, lejos de mejorarse, empeora radicalmente al reducir la ventilación en las edificaciones impidiendo la disipación del calor interior y la refrigeración natural. Las altísimas temperaturas que provoca la radiación solar por un acceso indiscriminado de energía a través de la cubierta produce graves problemas de confort térmico interior. No hay en toda la región necesidad de protección de los edificios de las bajas temperaturas.
El objetivo de la aplicación de los recursos o residuos de biomasa en la costa será el conseguir evitar la entrada de calor cuando, en ausencia de viento las temperaturas superen los 27ºC así como la incidencia de la radiación solar sobre la envolvente del edificio.
El aislamiento de la cubiertas cobra por lo tanto en la costa importancia capital siendo posible rehabilitar las cubiertas de chapa o fibrocemento mediante un trasdosado que forme una cámara de aire ventilada entre la cubierta y el panel aglomerado de fibras naturales. Biomasa como el bagazo de caña de azúcar pueden conformarse fácilmente en este tipo de cielos rasos aislantes pudiendo ser revestidos posteriormente de tierra o yeso para aumentar su durabilidad. El trasdosado interior de las paredes de bloque de hormigón con dicha técnica podría convertirse en una rehabilitación energética, evolución aislante del tradicional enquinchado de caña.
Por otro lado, existen en la zona gran número de tipos de biomasa aprovechables para aislantes en la formación de bloques aglomerados con tierra y cal o cemento tales como los residuos de guadua, las fibras de coco o de palma, el bagazo, el raquis del banano, la cascarilla de arroz, la tuza del maíz y las cascarillas de café o cacao. Pese a ello, este tipo de solución constructiva basada en bloques macizos, al aportar a la edificación capacidad de acumulación de energía (inercia térmica), únicamente será útil en zonas de interior o el borde de la cordillera, en las cuales el descenso de la temperatura nocturna permita la ventilación y el enfriamiento de la casa. El aislamiento térmico evitará el acceso del calor al interior mientras el frio acumulado en la masa de los bloques durante la noche mantendrá fresco el interior.
La biomasa potencialmente más adecuada para el compuesto tierra + biomasa es aquella larga y resistente a esfuerzos de tracción, con un cierto grosor de forma que exista en las fibras cierta cantidad de aire encapsulado como ocurre con el bagazo de caña de azúcar, el raquis de banano o los residuos de guadua. Las fibras cortas como el cacao, la cascarilla de arroz o la tuza de maíz serán más adecuadas para compuestos de cemento debido a la mayor capacidad aglomerante de este. Los residuos fibrosos como el ráquis de palma o las fibras de coco, así como cualquiera de las biomasas anteriores convenientemente citadas, convenientemente preservadas (con sales de bórax o mineralización con cemento y agua) dotarán a cualquier cerramiento de un carácter aislante. Los sistemas tradicionales de madera de la región permitirían de una forma sencilla la transformación de este modo de las paredes en muros aislantes.
El bahareque o muros de entramado de palos, cañas o guadua revestido de barro o mortero de cemento ha sido y continúa siendo un sistema constructivo muy extendido en toda América Latina. El bahareque presenta interesantes características dado su bajo coste, su estructura antisísmica y su ligereza, pero una gran desventaja frente a otros tipos de muro tradicional: su limitadísimo aislamiento térmico debido, no tanto a su coeficiente de conductividad de la biomasa, si no al reducido espesor del propio sistema constructivo. Desde la presente investigación se vienen realizando pruebas para la utilización del bagazo de caña de azucar como estructura tejida o superpuesta como base aislante para recibir el revestimiento interior y exterior de tierra o cemento. Con ello se obtendría un tipo de bahareque aislante que mejoraría en zonas frías o cálidas de alta radiación la habitabilidad interior de la vivienda con materiales de deshecho como materia prima básica. Los principales retos a superar en dicha técnica constructiva innovadora son el ataque de microorganismos o insectos así como la formación de una subestructura lo suficientemente rígida como para conformar muros de altura suficiente (Velasco, Goyos, 2015). La Tabla 3 resume las biomasas disponibles en la costa así como los posibles usos aislantes.
Tabla 3
Biomasas y usos aislantes disponibles en la costa
2.4.2 Sierra
La región de la Sierra está atravesada por la cordillera de los Andes que recorre el país de Norte a Sur. Comprende las provincias de Azuay, Bolívar, Cañar, Carchi, Chimborazo, Cotopaxi, Imbabura, Loja, Pichincha, Santo Domingo de los Tsáchilas y Tungurahua. Se divide en dos sistemas paralelos: Cordillera Oriental y Occidental, separados por llanuras y valles, creando una serie de microclimas conocidos como pisos o escalones climáticos (INAMHI, n.d.)
En el clima tropical andino la temperatura media varía entre las 20 y 25 °C. Las lluvias son escasas y la atmósfera seca. Comprende todas las tierras bajas hasta una altura de 1500 m. El subtropical andino va desde los 1500 hasta los 2500 m, con una temperatura media de 20 °C. Lluvias abundantes en Invierno y poco frecuentes en verano lo caracterizan. El clima templado, con una temperatura media de 17 °C, se sitúa en los lugares que van desde los 2500 hasta los 3500 m de altitud. Se caracteriza por tener lluvias abundantes, granizadas frecuentes y ambiente nublado. Es la franja climática más poblada de la Sierra. El piso frío comprende todos aquellos lugares que van desde los 3500 hasta las 5650 m. Su temperatura varia entre 1 y 10 °C durante el día durante todo el año. Se dan lluvias torrenciales , neblinas espesas y lloviznas casi constantes. El clima glacial se sitúa por encima de los 5650. Se caracteriza por registrar temperaturas Inferiores a los 0 °C y nieve perpetua. No es de interés al no estar habitado.
Fig. 4:
Gráfico bioclimático. Provincias de la región climática de sierra.
La Figura 4 nos muestra como en toda la región las bajas temperaturas exigen la presencia de aislamiento térmico e inercia térmica junto con algún tipo de sistema de calefacción. Pese a ello, la situación en la sierra es más compleja de lo que puede mostrar éste debido a la gran variabilidad de microclimas existente, por lo que los mapas de temperaturas mínimas nos ofrecen un instrumento clave para determinar la importancia de la utilización de la biomasa con fines aislantes para la protección de la envolvente en la región. Por el contrario, no existen en la región climática de la sierra problemas de altas temperaturas. Si pueden existir en cambio problemas puntuales derivados de la alta radiación en zonas de baja altitud en donde se hará necesario el control de la radiación solar.
Las edificaciones tradicionales en su mayor parte se caracterizan por muros de piedra o tierra (tapial o adobe), pisos de tierra y cubiertas de paja o teja sobre estructura de madera. En zonas menos frías se utiliza con frecuencia el bahareque que consiste en muros de cerramiento formados por una estructura de madera o cañas recubierta de barro y paja.
La construcción en tierra es un recurso constructivo de bajo impacto ambiental, acceso local e integrado en las tradiciones constructivas locales. Presenta inconvenientes de durabilidad si existe un exceso de humedad provocada por capilaridad del suelo o agua de lluvia y, más allá del efecto beneficioso de estabilidad térmica que produce en el interior de las construcciones, es un material con un alto coeficiente de conductividad por lo que resulta prácticamente imposible alcanzar las temperaturas de confort interior sin altísimos consumos energéticos.
En las zonas altas de los páramos se mantiene un tipo de choza mixta de muros de tierra y tejado de paja que se extiende prácticamente hasta el suelo. La gran capacidad aislante de la paja protege de los vientos fríos y el agua los muros de tierra. En todos los tipos constructivos los suelos apisonados constituyen el principal foco frío.
Pero un modelo único se extiende invariablemente en al actualidad por el país basado en muros de bloques de hormigón y techos de chapa o fibrocemento empeorando las condiciones interiores de habitabilidad frente al los tipos tradicionales. En las construcciones de techos de chapa o fibrocemento a las pérdidas de energía a través de muros y suelos conductivas se suman las grandes pérdidas energéticas producidas por la radiación espacial durante la noche, agravando los problemas de confort ya existentes en las tipologías tradicionales. Todo ello hace que este tipo de viviendas sean frecuentemente abandonadas o utilizadas como corrales.
El potencial de la inclusión de fibras en los compuestos de tierra está ya interiorizado en las distintas técnicas del adobe o del tapial con el objetivo de reforzar estructuralmente este. Estudios recientes elaborados por los autores (Velasco, Goyos, 2015) , demuestran que es posible la mejora aislante de estas técnicas tradicionales mediante la adición de considerables cantidades de totora, cacao, café o pajonal sin una merma excesiva de la resistencia del compuesto.
En zonas frías como las del páramo ecuatoriano la temperatura de los pisos en contacto con el terreno puede alcanzar temperaturas inferiores a 5ºC de forma permanente, por lo que el aislamiento térmico de este elemento es imprescindible para alcanzar el confort térmico. Las solicitaciones requeridas al material base del piso se limitan a la resistencia a la abrasión de la capa superficial. Es por ello que el compuesto de tierra apisonada o estabilizada con reducidas cantidades de cal o cemento y altos porcentajes de biomasa atesora un enorme potencial como aislante de bajo coste. El campo de investigación en pisos aislantes se abre a prácticamente todo tipo de biomasa de la región.
Otra posible aplicación y dado el poder aislante demostrado de fibras como el pajonal es el desarrollo de sistemas constructivos que permitan confinar y preservar la biomasa, interponiéndola entre el interior y el exterior de una forma similar a las chozas actuales, pero protegidas de la intemperie. En zonas altas de la sierra, por ejemplo, en donde la presencia de pajonal es abundante y la existencia de insectos que puedan alimentarse de esta muy limitado, sería posible el uso de ésta, de forma local y sustentable, para el relleno de bloques de hormigón siempre y cuando se proteja la biomasas de la humedad del suelo o los muros de la incidencia agua de lluvia. En zonas en las que abunde la madera será posible abrir un nuevo campo de estudio consistente en confinar en cámaras dicha biomasa obteniéndose un muro de madera aislante. El principal reto a salvar es la conservación de dicha biomasa frente al ataque de insectos y hongos. La Tabla 4 resume las biomasas disponibles en la región así como los posibles usos aislantes.
Tabla 4
Biomasas y usos aislantes disponibles en la sierra
2.4.3 Amazonia
Esta región climática corresponde a las provincias de Morona Santiago, Napo, Orellana, Pastaza, Sucumbios y Zamora Chinchipe. En ella coexisten el clima Amazónico Húmedo y el Amazónico Semi-Húmedo, similares al que se produce en la parte interna de la región costera. La temperatura media varía entre 22 y 26°C y es la región más húmeda de Ecuador. Las precipitaciones son muy abundantes y frecuentes todo el año (más de 3000 mm anuales). La parte más cercana a la cordillera de los Andes es una zona densamente nublada, debido a que allí se condensan grandes masas de vapor proveniente del Atlántico y de la selva amazónica (Yepez, 2012).
Fig. 5:
Gráfico bioclimático. Provincias de la región climática de la Amazonia.
En la Figura 5 se muestra que pese a las distintas etnias que las habitan, la similitud de recursos naturales y condicionantes climáticos hace que la arquitectura vernácula de esta región sea muy similar a la de la costa en cuanto a materiales y técnicas constructivas tradicionales. Los principales factores a considerar son la humedad y en menor grado las altas temperaturas. La edificación por lo tanto emplea materiales vegetales locales, facilitando la permeabilidad de toda la envolvente (llegando incluso en ocasiones a prescindir de las paredes) para evitar problemas de confort derivados de la humedad elevada. La protección solar de la cubierta se basa en una superposición de capas vegetales que forman sucesivas cámaras de aire ventiladas. Al igual que en todo el país la sustitución de los tipos constructivos tradicionales por sistemas constructivos de hormigón o cubiertas de fibrocemento o chapa de acero supone un empeoramiento radical de la sostenibilidad edificatoria y del confort al aumentar las temperaturas debido a la radiación solar y a la acumulación de calor en la inercia térmica de los materiales pétreos, los cuales dificultan enormemente la ventilación y refrigeración interior. La Tabla 5 resume las biomasas disponibles en la región así como los posibles usos aislantes.
Tabla 5
Biomasas y usos aislantes disponibles en la Amazonía
La sostenibilidad de las soluciones industrializadas se ve agravada por la distancia y dificultad de acceso a las zonas pobladas por lo que un retorno a patrones tradicionales convenientemente revisados es la zona amazónica de especial importancia. La aglomeración de fibras vegetales en forma de paneles (de cubierta o techo) será en este caso de principal interés y la preservación de la biomasa el factor clave del éxito, pues la pudrición y la presencia de hongos e insectos es muy importante en la zona.
No son recomendables la aglomeración de bloques o la mejora de los tipos constructivos de hormigón debidos a la acumulación de calor que ello supondría a excepción de las zonas más frías de la región de Morona Santiago o Zamora Chinchipe.
