Cool Roofs contra el calentamiento global del planeta

¿Por qué necesitamos cubiertas Cool Roof? ¿Qué hay que tener en cuenta si queremos instalar este sistema?

El aumento de las temperaturas se está convirtiendo cada vez más en un desafío clave para nuestras ciudades y áreas urbanizadas. Los efectos del calor tienen consecuencias negativas para la salud y el bienestar de las personas, equidad social, uso de la energía y sus picos de demanda, resiliencia de la salud, infraestructuras eléctricas y de transporte, delincuencia, resultados educativos y productividad ⁽¹⁾ Un estudio de casi 1.700 ciudades concluyó que, a una ciudad que no hace nada para abordar el calor, la combinación de estos efectos le costarían aproximadamente el 1,7% de su producción económica anual para el 2050 y el 5,6% para el 2100 ⁽²⁾. Hay que pensar en ello como un impuesto por la inacción ante el aumento de las temperaturas, que podemos medir en miles de millones de dólares.

Figura 1. Grados de calentamiento y enfriamiento por década. Fuente: 4th National Climate Assessment. 2018. https://nca2018.globalchange.gov/chapter/1.

Las altas temperaturas son uno de los problemas que más preocupan en las ciudades. Éstas tienden a ser más calientes que las áreas circundantes menos urbanizadas porque absorben más radiación solar, tienen menos vegetación, liberan el calor acumulado más lentamente y generan más calor residual de los vehículos y el enfriamiento mecánico (o activo). Estos factores contribuyen a un fenómeno llamado isla de calor urbano (siglas en inglés UHI), en el que la temperatura media anual del aire de una ciudad con 1 millón de habitantes o más puede ser de 1,1 a 2,8°C más cálida que la de sus alrededores. Pero en una noche clara y tranquila, la diferencia de temperatura puede llegar a 12,2 °C ⁽³⁾. Este aumento en la temperatura ambiente promedio está afectando a todas las ciudades en todos los climas (Figura 1) y está aumentando la frecuencia, duración e intensidad de las olas de calor.

Figura 2. Promedio de los días con picos de calor por década. Fuente: 4th National Climate Assessment 2018.
https://nca2018.globalchange.gov/chapter/1/.

Las ciudades se calientan, pero el principal problema es que este calentamiento se produce rápidamente. Desde los años 80, el número de días de calor extremo en los Estados Unidos se ha doblado. (Figura 2).

La intensidad y velocidad de estos cambios en ambientes urbanizados requiere de una acción inmediata, especialmente en las zonas edificadas, donde vivimos, estudiamos y trabajamos. Aunque ya hemos empezado a actuar, transformando el diseño de edificios y utilizando materiales que ayuden a mejorar el bienestar de los ocupantes de estos, todavía tenemos mucho camino por recorrer para poder llegar a combatir realmente los efectos de isla de calor urbana necesarios.

Soluciones para mejorar la resiliencia al calor

La buena noticia es que hoy en día existen soluciones para minimizar las ganancias de calor, las cuales los expertos en construcción pueden adoptar para reducir las temperaturas en los edificios, en las ciudades y en el planeta. De forma general, estas soluciones se pueden clasificar en tres categorías básicas:

Soluciones pasivas, no mecánicas, de enfriamiento, como:

Materiales de cubierta, muro y suelo que reflejen una gran parte de la radiación solar en comparación con materiales tradicionales (superficies altamente reflexivas)
Áreas de vegetación o arboledas (sombra, cubiertas/muros verdes y superficies permeables)

Resiliencia al calor, diseño, como:

Infraestructuras de agua naturales y humanas como lagos, ríos o fuentes
Diseño urbano que minimice el calentamiento y retención de calor
Diseños pasivos de enfriamiento para edificios tales como el aumento del aislamiento térmico (diseño pasivo de edificios)

Soluciones de enfriamiento eficientes energéticamente tales como:

Tecnologías de enfriamiento eficientes energéticamente y aplicaciones de enfriamiento centralizado respetuosas con el medioambiente, incluido el enfriamiento por secciones⁽⁴⁾
Tecnologías que reduzcan el escape de calor residual, incluidos los coches eléctricos

Cada una de estas soluciones es parte importante de una estrategia integrada de desarrollo de la resiliencia al calor. Este artículo se centra en cubiertas y paredes frías, dado que los materiales fríos están ampliamente disponibles en América del Norte y pueden cubrir casi todos los tipos de estructuras de cubiertas y paredes. Las soluciones frías para cubiertas y paredes se pueden aplicar en cualquier momento, incluso cuando se rehabilita un edificio, cuando se repara o reemplaza una cubierta, o simplemente sobre una cubierta o pared funcional existente. Es importante destacar que, para la mayoría de los tipos de cubiertas y paredes, existe siempre una versión fría de costo comparable, que se puede especificar con costos mínimos de mantenimiento.

Cubiertas frías “Cool Roof” y paredes frías

Las superficies frías funcionan reflejando la energía solar en lugar de absorberla. La energía solar reflejada pasa principalmente de la atmósfera terrestre al espacio, creando un efecto de enfriamiento neto a escala del edificio y, cuando se extrapola ampliamente, a escala comunitaria, urbana e incluso global. La Figura 3 resume el impacto de cambiar a una cubierta “Cool Roof” de color claro. A escala de edificio, las cubiertas reflectantes pueden reducir la demanda de energía de refrigeración entre un 10% y un 40%. En invierno, la penalización por calefacción puede oscilar entre el 5% y el 10% en función del clima local y las características del edificio (por ejemplo, la cantidad de aislamiento de la cubierta y la pared, la relación ventana-pared, etc.)⁽⁵⁾. En estructuras no acondicionadas, las cubiertas “Cool Roof” dan como resultado reducciones de 2,8 a 3,3 °C en la temperatura en el piso inferior ⁽⁶⁾. Las paredes frías brindan beneficios similares en aproximadamente el 80% del nivel generado por las cubiertas “Cool Roof”⁽⁷⁾. A escala del edificio, las cubiertas “Cool Roof” y las paredes frías pueden contribuir a enfriar la temperatura del aire. Tras una revisión exhaustiva de la literatura existente, se ha encontrado que un aumento de 0.1 en la reflectancia solar (la reflectancia solar se mide en una escala de 0 a 1, por lo que un aumento de 0.1 es similar a cambiar de un color gris oscuro a uno medio) da como resultado un 0.28 de reducción de °C en la temperatura promedio del aire exterior y una reducción de 0,83 °C en las temperaturas máximas ⁽⁸⁾.

Figura 3. Efectos de una cubierta Cool roof respecto a una cubierta oscura. Fuente: Global Cool Cities Alliance (2012), con dados obtenidos de Lawrence Berkeley National Laboratory.

Estos posibles efectos sobre la temperatura del aire pueden repercutir en la formación de ozono. Una disminución en la temperatura del aire tiende a correlacionarse con una reducción en la cantidad de ozono formado y, por lo tanto, una mejora general en la calidad del aire⁽⁹⁾. La relación entre la temperatura del aire y la calidad del aire es compleja. Algunas de las mejoras en la calidad del aire, derivadas de la formación reducida de ozono, pueden no apreciarse, ya que la reducción de la temperatura del aire cerca de la superficie urbana puede provocar una disminución de la velocidad del viento y una mezcla vertical del aire con niveles de aire más altos, dejando algunos contaminantes cerca del suelo ⁽¹⁰⁾. La reducción necesaria de temperatura del aire, para desencadenar este efecto de forma significativa, no se puede lograr en la práctica simplemente adoptando cubiertas “Cool Roof”.

Un análisis reciente de los beneficios potenciales del enfriamiento pasivo en Los Ángeles destaca cuán importantes pueden ser incluso los pequeños cambios en la temperatura promedio del aire. Los investigadores que estudian el impacto potencial del enfriamiento pasivo en la mortalidad durante las olas de calor históricas, han encontrado que el enfriamiento interior y exterior resultante de las cubiertas y áreas de vegetación altamente reflectantes, podría haber salvado una de cada cuatro vidas perdidas durante las olas de calor estudiadas y retrasaría el calentamiento provocado por el cambio climático inducido entre 25 y 60 años⁽¹¹⁾.

Figura 4. Provincia de Almeria, España. Fuente: Google Earth.

Un caso mundial real del efecto a gran escala de las superficies frías lo encontramos en Almería (ver Figura 4), que sigue la tradición de blanquear los invernaderos para prepararlos para el verano. En Almería podemos encontrar más de 67,000 acres de tierras de cultivo cubiertas por invernaderos, lo que hace que sea una de las mayores áreas de concentración de invernaderos del mundo. La provincia refleja sustancialmente más rayos de sol que las provincias vecinas que tienen menos invernaderos blanqueados. Un estudio realizado a lo largo de 20 años, en el que se comparaban datos de una estación meteorológica de Almería con zonas similares de alrededor, concluyó que el aire en Almeria se había enfríado de media 0.39°C en comparación con los 0.28°C de aumento de las zonas de alrededor que no contaban con invernaderos blanqueados (diferencia de 0,67°C)

El enfriamiento de los edificios y de las ciudades nos lleva a abordar los múltiples efectos negativos que tiene el incremento de las temperaturas mencionado anteriormente en este artículo. Si cuantificamos los múltiples beneficios, obtenemos que por cada 1$ invertido en superficies frías generamos12 $ en ganancias económicas netas.¹³ Más allá de los temas económicos, los efectos negativos del calor repercuten con gran intensidad en las comunidades de color con bajos ingresos. Por este motivo, si se da un impulso a las cubiertas “Cool Roof” (y a otras medidas pasivas), éstas podrán contribuir a la mejora de la equidad social y racial.^14,15

¿Qué hay que tener en cuenta a la hora de instalar Cubiertas Cool roof?

Las cubiertas Cool roof son aptas y ofrecen beneficios en todos los tipos de climas, salvo los más fríos, pero hay ciertos aspectos menores que hay que considerar a la hora de determinar el tipo de cubierta a instalar.

Penalización por calefacción en invierno

Si bien una cubierta Cool Roof reduce la demanda de energía de refrigeración en verano, sus efectos pueden hacer aumentar la demanda de energía de calefacción en invierno cuando se instala en algunos climas fríos. Esto se conoce como la “penalización por calefacción en invierno” y, aunque es un factor a tener en cuenta en las determinaciones de ahorro de energía, sus efectos a menudo se exageran mucho por varias razones. En invierno, el sol generalmente está en un ángulo más bajo y los días son más cortos que en los meses de verano. De hecho, en las ubicaciones del norte, la irradiación solar invernal es solo del 20% al 35% de lo que se experimenta en los meses de verano, lo que significa que el sol tiene un impacto reducido en la temperatura de la superficie de la cubierta durante el invierno⁽¹⁶⁾. Las cargas y los gastos de calefacción suelen ser más pronunciados por la noche, mientras que en invierno los beneficios de una cubierta más oscura se obtienen principalmente durante las horas del día. Además, muchos edificios comerciales requieren refrigeración del espacio durante todo el año debido a la actividad humana o al uso de equipos, lo que anula los pocos beneficios de calefacción, si es que los hubiera, que se obtendrían con una cubierta oscura.

La capa de nieve en las cubiertas también afecta a la penalización por calefacción en invierno. La nieve tiene dos impactos en la cubierta que son relevantes para comprender el verdadero impacto de la reflectividad de la superficie de la cubierta en el consumo de energía. En primer lugar, la nieve ayuda a aislar la cubierta. Como medio poroso con alto contenido de aire, la nieve conduce menos calor que el suelo. Este efecto generalmente aumenta con la densidad y el espesor de la nieve. En segundo lugar, con un espesor de aproximadamente 10.16 cm, la nieve transformará cualquier cubierta en una superficie altamente reflectante (aproximadamente de 0,6 a 0,9 de reflectancia solar). Se ha realizado un estudio del impacto de las cubiertas reflectantes en los edificios comerciales nuevos y antiguos en Anchorage, Milwaukee, Montreal y Toronto, teniendo en cuenta la capa de nieve^(17,18). El estudio ha concluido que “las cubiertas Cool roof para los edificios simulados obtienen un gasto energético anual con ahorros en todos los climas fríos ". El estudio también ha identificado ahorros de energía máximos, además de las ganancias de eficiencia energética base.

Aislamiento

Otro argumento que se suele escuchar en contra de las cubiertas Cool roof en climas fríos es que los edificios en los climas del norte tienden a tener niveles más altos de aislamiento en cubiertas, los cuales reducen o anulan el impacto del color de la superficie de la cubierta en el ahorro de energía. Sin embargo, un estudio de campo y un análisis de modelos de membranas de cubierta en blanco y negro sobre varios niveles de aislamiento realizado por la Universidad de la Ciudad de Nueva York, la Universidad de Princeton y el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, mostró que la relación entre la reflectividad de la cubierta y el aislamiento es simbiótica, no una compensación ⁽¹⁹⁾. Los artículos de Princeton destacan el papel interconectado de la reflectividad y el aislamiento en los sistemas de cubiertas, explicando que la reflectividad es la variable que minimiza el flujo de calor durante el verano, y que los niveles de aislamiento son la variable impulsora durante el invierno. En otras palabras, para obtener un sistema de cubierta de alto rendimiento que minimice la ganancia de calor en verano y la pérdida de calor en invierno, se necesita tanto un aislamiento como una superficie de cubierta altamente reflectante.

Los investigadores instalaron sensores de flujo de calor de alta resolución sobre varias cubiertas en edificios dentro del campus de la Universidad de Princeton. Los edificios eran muy similares en diseño y uso, con la excepción de la utilización de diferentes membranas de cubierta (negra o blanca) y espesores de aislamiento a base de polímero (R-21 hasta R-48).

Este estudio recopiló mediciones durante un año y fue uno de los primeros en observar directamente los flujos de calor que entran y salen del edificio. Fue el primer estudio que relacionó una prueba de campo con una evaluación de los mismos edificios utilizando un modelo finamente resuelto para validar y comprender más profundamente la interacción entre los niveles de aislamiento y la reflectividad de la superficie.

La Figura 5 muestra el calor neto entrando (valores positivos) o saliendo (valores negativos) del edificio por mes para cada cubierta. Los hallazgos se observan mejor en los dos edificios con niveles de aislamiento R-24, pero con diferentes colores de membrana (LSBb indica negro y LSBw indica blanco). Estas dos cubiertas se instalaron al mismo tiempo en edificios próximos entre sí. Durante los meses fríos, tanto las cubiertas blancas como las negras permiten que aproximadamente la misma cantidad de calor escape del edificio. En los meses de verano, sin embargo, la cubierta blanca tiene una ganancia de calor sustancialmente menor que la negra e incluso mantiene un flujo de calor negativo en agosto y septiembre. Los beneficios de las cubiertas Cool roof aún son evidentes en el edificio con aislamiento R-48 (ADMw). Hay una reducción neta en el flujo de calor de la cubierta que tiene la superficie altamente reflectante.

Figure 5. Resultados de los flujos de calor de los estudios de campo de Princeton. Fuente: Ramamurthy et al., 2015.

Humedad/Condensación

Otra consideración a tomar cuando se instalan cubiertas altamente reflectantes en climas fríos es el potencial de daño por humedad debido a la condensación. Es importante tener en cuenta que un sistema de cubierta correctamente instalado que cumpla con la normativa no debería tener problemas en cuanto a daños por humedad. La mayoría de los casos de daños descritos en la literatura se pueden explicar por un error de instalación y no indican un problema sistémico relacionado con el uso de cubiertas Cool roof.

En climas estacionales, en el transcurso de un año, la humedad puede acumularse en los sistemas de cubierta durante los períodos fríos y secarse durante los períodos cálidos ⁽²⁰⁾. Este proceso ocurre independientemente del color de la superficie de la cubierta. Las investigaciones indican que, aunque las cubiertas Cool roof pueden tardar un poco más en secarse que las cubiertas oscuras, también se secan completamente, lo que resulta en una acumulación neta de humedad durante los ciclos climáticos anuales ⁽²¹⁾. Como ya ha apuntado el Departamento de Energía de Estados Unidos en referencia al potencial observado tanto en cubiertas Cool roof como en cubiertas oscuras en climas fríos, los autores no conocen ningún dato que demuestre claramente una mayor incidencia en cubiertas Cool roof ". Este hallazgo se ha podido confirmar por los ensayos de campo de un gran número de edificios y la investigación basada en modelos.

Por otro lado, algunas empresas llevaron a cabo una evaluación de rendimiento de campo de las cubiertas Cool roof de una sola capa que llevaban en funcionamiento entre 10 y 14 años en 26 tiendas Target ubicadas en climas fríos ⁽²²⁾. Se realizaron dos zonas de ensayo en cada cubierta (y tres zonas de ensayo en una cubierta) para un total de 53 muestras, y hubo humedad en dos de ellas. Se determinó que uno de los problemas de humedades era el resultado de una fuga de una unidad HVAC cercana, y el otro no mostraba signos de manchas, moho o deterioro que pudieran indicar un problema de humedad a largo plazo.

En otro caso, los investigadores simularon el rendimiento de varios sistemas de cubierta, incluidas las cubiertas típicas, inteligentes y autosecables para edificios residenciales y comerciales en regiones de clima muy frío, y encontraron que los edificios de oficinas no experimentaron problemas de acumulación de humedad durante el período de simulación (cinco años), utilizando el modelado WUFI ⁽²³⁾. Las características de la “cubierta inteligente”, relacionadas con la ventilación y el retardo de vapor, se tratan en IgCC / ASHRAE 189.1.

En un documento presentado en el Simposio Internacional de Cubiertas de la NRCA de 2011, la Industria de Cubiertas de una Sola Capa (SPRI) informó sobre un estudio de campo y estudios de modelado para verificar si las cubiertas Cool roof eran, de hecho, susceptibles a problemas de condensación ⁽²⁴⁾. El estudio fue diseñado con el objetivo de lograr una mayor probabilidad de observar condensación en las cubiertas. Todas las cubiertas estudiadas consistieron en una membrana de cubierta blanca (de 2 a 12 años) fijada mecánicamente sobre una sola capa de aislamiento colocada sobre una plataforma de acero sin retardador de vapor. Las cubiertas se inspeccionaron durante los meses de febrero y marzo de 2010, y se ubicaron en la Zona Climática 5 de ASHRAE. Se realizaron dos zonas de ensayo en cada una de las cubiertas. Todas las zonas se prepararon por la mañana, para minimizar el impacto de cualquier calentamiento de la superficie de la cubierta que pudiera ocurrir bajo el sol de la tarde. En siete de las cubiertas no hubo evidencia alguna de humedad en el conjunto. Aunque se observó humedad en la cara superior del aislamiento y / o la parte inferior de la membrana en tres cubiertas, los investigadores no observaron efectos perjudiciales debido a la humedad en ninguna de las cubiertas. Se realizó el modelado WUFI para las 10 cubiertas incluidas en el estudio, con simulaciones realizadas tanto para una superficie negra como para una blanca en cada caso. Aunque los resultados del modelo mostraron que todas las cubiertas estarían sujetas a condensación en los meses de invierno, predijo niveles más altos de condensación debajo de una membrana blanca fría que debajo de una lámina negra. Sin embargo, en todos los casos, tanto para membranas blancas como negras, el modelado mostró que la humedad resultante se secaría completamente en los meses de verano.

Cool Roofs para el futuro

Si bien las noticias y predicciones sobre nuestro clima actual y futuro son muy malas, existen soluciones disponibles para combatir estos desafíos. Para mitigar el calentamiento global, existe en el mercado una gran cantidad de materiales para cubiertas, con un incremento de coste mínimo o nulo, según el tipo de producto. Los consultores del sector de la de construcción, arquitectos, especificadores, contratistas y constructores pueden usar el directorio de productos clasificados por CRRC Rated Products Directory (https://coolroofs.org/directory) para identificar aquellos productos de cubierta que satisfagan una gran variedad de necesidades tales como:

Cumplimiento de los requisitos de la reglamentación local y/o certificaciones de edificación verde;
Posibilidad de optar a incentivos financieros (por ejemplo, reembolsos, incentivos fiscales, financiación PACE);

Disminución de la temperatura del aire interior y aumento del confort de los ocupantes;

Reducción de la demanda de refrigeración del edificio y facturas de gas y electricidad;
Reducción del pico de demanda de energía; y
Reducción del efecto isla de calor (UHI) al disminuir la temperatura ambiente y de la superficie.

Cada uno de los productos del directorio tiene una clasificación de producto CRRC que indica el rendimiento radiativo (reflectancia solar, emitancia térmica e índice de reflexión solar [SRI]) del producto instalado en cubiertas. Conocer el rendimiento radiativo de los productos para cubiertas es importante para comprender el impacto de esta en el uso de la energía del edificio, el confort de los ocupantes y el entorno circundante.

Referencias

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Kurt Shickman es el director ejecutivo de Global Cool Cities Alliance, una entidad sin ánimo de lucro dedicada a impulsar el uso de soluciones de enfriamiento pasivas en comunidades alrededor del mundo para mejorar su resiliencia al calor extremo. Shickman es el autor principal de The World Bank’s Primer for Cool Cities: Reducing Excessive Urban Heat, el cual recoge opciones de enfriamiento pasivo para ciudades y un mapa de ruta para desarrollarlas e implementarlas