Mantenerse fresco: las casas del futuro podrían basarse en tecnología sin energía del pasado

Hoy en día, muchas personas viven regularmente con un calor de verano peligroso. Para mantenerse frescos, la mayoría depende de edificios con aire acondicionado. Pero este aire acondicionado consume mucha energía. Y la electricidad que lo alimenta no solo emite gases que calientan el clima, sino que también aumenta las facturas de energía. Para abordar este desafío, dos equipos de investigación han mirado al pasado. Están combinando algunos conceptos clásicos de refrigeración con nuevas ideas. Sus diseños sugieren cómo las generaciones venideras podrían construir casas que lidien con el calor sin ser demasiado costosas.

Uno de estos grupos está en la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York. Este equipo ha diseñado paredes que no son planas sino en zigzag. Se pueden acoplar al exterior de paredes normales. El nuevo revestimiento se parece un poco a esas persianas plisadas en acordeón para ventanas. La mitad de cada pliegue mira hacia arriba; la otra mitad apunta hacia abajo.

En las paredes exteriores, cada mitad de los pliegues estaría cubierta con un revestimiento diferente. Trabajan juntos para ayudar a mantener fresco el interior del edificio.

Un proyecto muy diferente, probado en California, construye con paredes rectas convencionales. Pero están hechos de un material especialmente grueso y denso. Podría ser ladrillo, piedra o adobe. Los respiraderos y otras aberturas en la estructura del edificio permiten que el aire fluya a través de él de forma natural. El aire que fluye mezcla uniformemente el aire caliente y flotante con el aire denso y frío. Esta ventilación natural atrae mucho aire exterior para evitar que las habitaciones interiores se vuelvan rancias.

Ambos diseños se mantienen frescos de forma pasiva. Eso significa que no dependen de partes móviles, explica Eric Teitelbaum. Tampoco utilizan electricidad ni ninguna otra forma de energía. Teitelbaum, ingeniero térmico de AIL Research en Hopewell, N.J., no participó en ninguno de los proyectos. Pero trabaja en alternativas «verdes» al aire acondicionado, por lo que está familiarizado con la idea de la refrigeración pasiva.

Reformación de paredes, zigzags y todo

En comparación con las paredes planas, el revestimiento plisado en acordeón refleja mejor el calor del suelo, señala Qilong Cheng, quien dirigió el proyecto de Columbia.

En verano, señala, el suelo suele estar mucho más caliente que el aire. Por ejemplo, donde el suelo puede estar a unos 60º Celsius (140º Fahrenheit), las paredes de un edificio pueden estar solo a unos 30 ºC (86 ºF). Las paredes rectas pueden reflejar algo de energía solar hacia el cielo, dice Cheng. Pero al mismo tiempo, podrían estar absorbiendo calor del suelo, explica este ingeniero mecánico (que se mudó recientemente a la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana).

Para probar este revestimiento plisado en acordeón, el grupo de Columbia pegó con cinta adhesiva un marco de aluminio en forma de zigzag a una pared de plástico delgada y plana. Un polímero de silicona transparente y elástico cubría el lado hacia arriba de cada pliegue. Los investigadores pegaron una lámina delgada y altamente reflectante de Mylar, una película plástica, en el lado hacia abajo de cada pliegue.

Luego probaron este modelo al aire libre. También incluyeron un modelo de una pared plana hecha de materiales que emiten bien el calor. Ambos modelos se dejaron afuera en Nueva Jersey durante 24 horas en un cálido día de agosto.

La temperatura del revestimiento de la pared plisada varió a lo largo del día. Pero en promedio, era 2.3 ºC (4.1 ºF) más fría que la pared plana. En su mejor momento, era 3.1 ºC (5.6 ºF) más fría que la pared plana. Una pared más fría significa que se transfirió menos calor a través de la pared para calentar el interior. El equipo utilizó un modelo informático para calcular que las temperaturas interiores probablemente serían 2.3 ºC (4.1 ºF) más frías.

Puede que eso no parezca mucho. De hecho, sin embargo, esto es «una mejora significativa», señala Xiaojie Liu. Es ingeniera mecánica en la Universidad de Purdue. «En la refrigeración pasiva para edificios», señala, «incluso unos pocos grados de reducción de la temperatura interior pueden mejorar la comodidad».

También puede ahorrar energía.

En esas pruebas iniciales, el revestimiento plisado en acordeón tenía una potencia de refrigeración de 30 a 67 vatios por metro cuadrado (10.8 pies cuadrados) de superficie exterior. Esto podría reducir la necesidad de refrigeración adicional.

Una lección de tiempos antiguos

En lugar de paredes, el segundo diseño se centra en los techos y en cómo fluye el aire en el interior. Su refrigeración radiativa pasiva se basa en diseños antiguos utilizados en muchas partes cálidas y secas del mundo (piense en el Medio Oriente o el suroeste de EE. UU.).

Mucho antes de que existieran los aires acondicionados, los antiguos constructores pintaban los techos y las paredes de colores claros para reflejar los rayos cálidos del sol hacia el espacio. Estas casas antiguas también tenían paredes gruesas y densas. Las paredes absorbían el calor interior durante el día y lo liberaban al exterior, lentamente, por la noche. Esa liberación lenta evitaba que el aire interior se enfriara demasiado.

El equipo se basó en estas ideas clásicas. Luego agregaron algunas innovaciones modernas, explica Salmaan Craig. Este científico de la construcción de la Universidad de California, Los Ángeles, dirigió el proyecto.

Por un lado, su grupo cubrió el techo de su estructura con una cubierta de alta tecnología. Refleja los rayos cálidos del sol al mismo tiempo que emite energía térmica que se había almacenado en el edificio. Luego diseñaron respiraderos estratégicamente ubicados para permitir que el aire entre y salga. Esto estableció una mezcla controlada de aire caliente y frío.

Resultados prometedores

Para probar qué tan bien este diseño podría mantener frescos los espacios interiores, el equipo de Craig construyó un par de pequeños modelos de «casas». Una incluía todas las características nuevas. La otra modelaba las características y los materiales que se encuentran en la mayoría de las casas actuales (aunque sin aire acondicionado).

Luego colocaron cuatro botellas de agua dentro de cada modelo. El agua absorbe y libera bien el calor. Así que estas botellas actuaron como la masa térmica de las estructuras. Al igual que las paredes gruesas de los edificios antiguos, esta masa absorbe el calor interior. Cada modelo se dejó luego durante dos días en un sitio desértico soleado en Topanga, California. Los sensores midieron el calor interior y el flujo de aire dentro y fuera de cada «casa».

El nuevo diseño se mantuvo, en promedio, 1.6 ºC (2.9 ºF) más frío en el interior que el aire exterior. Por el contrario, el diseño estándar era 4.3 ºC (7.7 ºF) más cálido, en promedio, que el aire exterior.

Estos resultados fueron buenos, pero las temperaturas interiores seguían subiendo y bajando, como una montaña rusa. Variaban hasta 6.8 ºC (12 ºF) a lo largo del día.

Para solucionar eso, el equipo agregó dos botellas de agua más a cada casa. Esta mayor masa térmica ayudó a que las temperaturas interiores se mantuvieran más estables. Y la casa de prueba ahora aspiraba el doble de aire fresco y expulsaba el doble de aire viciado que antes.

La temperatura interior promedio ahora era 3.9 ºC (7.0 ºF) más fría que en el exterior. ¡Era 8.9 ºC (16 ºF) más fría que el aire en el modelo de casa estándar!

Entusiasmo cauteloso por los nuevos hallazgos

Tanto el diseño de Columbia como el de California «muestran una promesa real», dice Liu de Purdue.

Y este último debería ser más fácil de mantener que una casa con aire acondicionado, agrega la ingeniera mecánica de Purdue, Yun Zhang. Dice «debería» porque todavía no existe un modelo listo para mudarse. Existe una «casa de prueba», pero es solo del tamaño de una maleta de mano.

A Zhang también le gustaría ver estudios para saber cómo les gustaría a los habitantes. Hasta que alguien intente vivir en una estructura de tamaño completo, explica, «no sé si es cómodo».

El equipo de Columbia desarrolló un nuevo diseño para «todas las estaciones» para que su casa sea más efectiva y cómoda durante todo el año. Los ángulos de los pliegues en su revestimiento en zigzag se pueden variar, según la temporada. Podrían ajustarse para maximizar la refrigeración en verano y el calentamiento en invierno.

Del mismo modo, el equipo de Craig está trabajando en un techo con masa térmica ajustable.

Estos diseños no funcionarán igual de bien en todas partes. Por ejemplo, ninguno es adecuado para áreas húmedas y húmedas. Los diseños funcionan mejor en lugares cálidos y secos. Piense en Phoenix, Arizona, o Riad, Arabia Saudita.

Craig reconoce estas limitaciones. Los hallazgos, dice, deben verse como parte de «un espectro de soluciones. Lo que es preocupante es \[dónde\] el aire acondicionado se presenta como la única solución».