INTRODUCCIÓN

La isla de calor urbana (ICU) es la diferencia de temperatura que existe entre el área urbana de las ciudades, caracterizada por su desarrollo y expansión, y su entorno periférico junto con las áreas rurales [1]. Como menciona Arellano y Roca-Cladera [2] la investigación referente a las islas de calor urbanas o Urban Heat Island (UHI) por sus siglas en inglés, es de gran importancia para entender el cambio climático. Los efectos de la isla de calor en el hábitat urbano contemplan la contaminación atmosférica, afectaciones a la salud, el consumo energético, la estética del paisaje urbano e inclusive la memoria colectiva y el confort urbano [3]. La ICU se puede entender como la suma de dos procesos: la modificación de la cobertura del suelo con materiales con alta inercia térmica [4] y las actividades o acciones antropogénicas que se desarrollan dentro de las ciudades [5]. El primer proceso constituye el cambio de suelo natural a artificial o construido que tiene como ejemplo el cambio en la morfología urbana, la materialidad en el espacio público y privado y la intervención en la vegetación o verde urbano. Respecto al segundo proceso se tienen todos aquellos efectos producto de las actividades humanas, como el generar y consumir energía en sectores como la industria y el transporte que derivan en la emisión de gases de efecto invernadero.

Existen varios estudios relacionados a la morfología, la materialidad y el verde urbano donde varios de ellos se vinculan a la isla de calor superficial. Para profundizar en este término, se pueden clasificar las ICU en dos tipos en base a las mediciones para determinar sus efectos: la isla de calor urbana atmosférica (ICUA) y la isla de calor urbana superficial (ICUS). La ICUS se analiza en base a las temperaturas de superficie terrestre recabadas a partir de percepción remota. Según diversas investigaciones [6] [7] [8] las ICUS manifiestan mayor variación en temperatura durante el día, por esta razón, se torna relevante el estudio de la temperatura superficial y sus posibles causas y acciones de mitigación. Estos estudios deben considerar las características intrínsecas de los elementos de la ciudad, tales como la materialidad de los elementos horizontales terrestres, es decir, pavimentos o revestimientos en calles y autopistas y cubiertas expuestos a la radiación solar. La temperatura superficial permite estimar la ICUS y acorde a Oke y Voogt [9] dicha temperatura se obtiene mediante sensores remotos los cuales registran los valores correspondientes de emisión de las cubiertas de suelo desde una perspectiva de ojo de pájaro.

La ICUS se ha estudiado gracias a los métodos de teledetección desde mediados del siglo XX. Existen varios tipos de sensores remotos que permiten estudiar las ICUS, entre ellos el Landsat [10]. Sin embargo, no existe suficiente información respecto a la configuración espacial de los niveles de temperatura en las ciudades porque la mayoría son estudios exclusivamente enfocados en las temperaturas superficiales, es decir, a la ICUS [11]. La razón es porque las temperaturas relacionadas a las superficies se obtienen de manera más sencilla porque existen más herramientas que proveen dicha información y permiten procesarla. Varios estudios exponen la importancia y utilidad en investigar la ICUS [12] [13] sobre todo porque se pueden realizar observaciones y análisis al instante con un alcance global [14] siendo herramientas con mucho potencial para la ciencia de la climatología urbana [15] [16] [17]. Como menciona Sarricolera y Martín-Vide [10] es importante estudiar la temperatura superficial en estudios de climatología urbana ya que ésta condiciona la temperatura de las capas más bajas de la atmósfera urbana [6]. Uno de los estudios realizados en relación a la temperatura superficial de las cubiertas, es expuesto por Oleson [18] y su modelo climático que resuelve que las cubiertas blancas mitigan los efectos a la isla de calor urbana. Esta investigación destaca la necesidad de conocer estrategias que puedan resolver el impacto de los revestimientos en el fenómeno de la isla de calor urbana. En la investigación de Barrera et al. [19] se concluye que la utilización de materiales térmicos y reflejantes para cubiertas de edificaciones comerciales, industriales y de uso mixto aportaría en la disminución de la intensidad de la isla de calor urbana superficial e incluso atmosférica.

Por todo lo expuesto, se torna relevante la investigación de la isla de calor urbana y la identificación de los materiales utilizados en las cubiertas de las edificaciones, como un punto de partida para establecer estrategias de mitigación en las áreas urbanas. La ciudad de Ambato es un territorio aún en desarrollo y sin reglamentación específica por parte de la administración local, que incida en las decisiones proyectuales respecto a la materialidad de las edificaciones inclusive en su centro urbano, donde se localiza la parroquia urbana San Francisco. Este escenario es de interés para proyectistas del sector público y privado, puesto que representa suma importancia el conocimiento sobre las consecuencias del fenómeno en el territorio a partir de las elecciones en el diseño, tornándose un referente para establecer políticas o lineamientos por parte de planificadores. Es relevante mencionar que, a nivel local, tampoco existen estudios que profundicen en la isla de calor urbana superficial y, directamente, en la parroquia San Francisco desde ningún ámbito, por lo que se evidencia el vacío de conocimiento sobre la temática. Por esta razón, la investigación se plantea identificar la correlación existente entre el impacto de algunos materiales utilizados en las cubiertas en el fenómeno de la ICUS y, de manera específica, cuáles son los materiales con mayor incidencia y en qué edificaciones se encuentran como punto de inicio para poder plantear a futuro acciones prioritarias de intervención.

MÉTODO

El objetivo de la investigación es comprobar la relación entre la formación de islas de calor urbano frente al uso de materiales utilizados en las cubiertas en la parroquia urbana de San Francisco en Ambato a través de una investigación documental y de campo con enfoque cualitativo y cuantitativo con un nivel exploratorio, descriptivo y correlacional. La investigación aporta al ámbito académico y conlleva un estudio teórico, no expone conflicto de intereses y las actividades se realizaron de forma responsable, con integridad y sin perjuicios a sujetos o a la comunidad. Para llevar a cabo esta investigación, en primer lugar, se realizó una revisión documental de índole teórica para identificar qué materiales tienen mayor impacto en la ICU respecto a sus propiedades y la temperatura superficial adecuada para las cubiertas. Como segundo paso, se realiza un análisis espacial donde en base a una capa vectorial de tipo ráster representada por la banda térmica de una foto satelital Landsat obtenida de la página Earth Explorer de United States Geological Survey [20], se aplica la fórmula de cálculo del método ya establecido [26] para obtener una gráfica espacial con valores de temperatura superficial que se visualizarán en la herramienta de información geográfica (SIG) de libre acceso QGIS. A través del mapa de calor, se identifican las zonas con mayor temperatura y, dentro de cada una, se determinan las edificaciones que inciden en las temperaturas altas superficiales debido a la cubierta que poseen. Luego, mediante observación indirecta y trabajo de campo se realiza un levantamiento para conocer las características de las cubiertas, a través de fotogrametrías con drones y expresadas en fichas de materiales. Finalmente, se ejecuta una comparativa entre las características de las cubiertas y la teledetección de zonas con mayor temperatura y se exponen los resultados por medio de tabulación de datos y recomendaciones como lineamientos y acciones de intervención a futuro.

RESULTADOS

Etapa de revisión documental. Según los planes locales Plan de Ordenamiento y Desarrollo Territorial PDOT (2020-2030) y el Plan de Uso y Gestión de Suelo PUGS (2020-2032) de Ambato [21] [22], se delimita la parroquia San Francisco según la Figura 1. El sector comprende parte del centro histórico y gran mayoría son edificaciones de equipamientos, comercios y edificios mixtos como edificaciones en altura, patrimoniales y de gran antigüedad que albergan los principales usos y actividades del centro urbano. Estas características relacionadas a la configuración edificatoria y usos intensivos influyen directamente en el comportamiento térmico de los edificios y sus componentes constructivos, como las cubiertas, y en última instancia en el entorno urbano y la ICU.

Figura 1.
Límites de la parroquia urbana San Francisco.

Según los planes y reglamentación local se identificó que no existe normativa relacionada a la obligatoriedad para la aplicación de cierta materialidad en cubiertas, pero sí en relación a los permisos edificatorios de obra nueva, ampliación e intervención indicando que se requiere un permiso de acondicionamiento o adecuación para cambios en las cubiertas de zinc, tejas y otros hasta un 25% por necesidad emergente y será necesaria una verificación estructural [22]. En la norma nacional de eficiencia energética NEC-HS-EE [23] se menciona, por otro lado, los valores de reflectividad que deben cumplirse en el componente techo o cubierta y sus revestimientos en base a las zonas climáticas del Ecuador. Si las cubiertas tienen una pendiente menor o igual a 2:12 deben cumplir con un índice de reflectancia solar o, por sus siglas en inglés, solar reflectance index (SRI) igual o mayor a 0.65 y tres años después de su instalación igual o mayor a 0.50. Si las cubiertas tienen una pendiente mayor a 2:12 deben cumplir con un SRI igual o mayor a 0.25 y tres años después igual o mayor a 0.15. Se destaca que, a pesar de existir esta reglamentación mínima, las edificaciones en su totalidad no cumplen con dichos parámetros ya sea por antigüedad, por desconocimiento o falta de fiscalización. Esta situación es similar en la mayoría del territorio, especialmente para la norma NEC-HS-EE, que siendo obligatoria como documento oficial no es aplicada como tal. Según la guía de usuario EDGE de la International Finance Corporation [24] el índice de reflectancia solar representa una combinación de las propiedades térmicas del material, así como del color y estado del mismo. En la guía se reporta que, de acuerdo al color, una mayor reflectancia está relacionada a colores muy claros hasta el blanco y una menor reflectancia a colores oscuros hasta el negro. Por ejemplo, tejas de arcilla rojas tienen un SRI igual a 0.36 mientras que tejas de concreto blancas tienen un SRI igual a 0.90.

Etapa de análisis espacial. El análisis de la temperatura superficial de la parroquia San Francisco se llevó a cabo mediante la generación de un mapa de calor utilizando el software de teledetección QGIS. Se obtienen imágenes satelitales como recurso libre de la página de Earth Explorer de la inspección geológica de los Estados Unidos o United States Geological Survey [20]. Se utiliza como fuente imágenes del satélite Landsat con fecha agosto de 2021 considerando un cielo despejado y mayor visibilidad. Luego se procesa esta imagen en el software QGIS y se emplea la fórmula expuesta en la investigación de Rahman et al. [26] donde mediante una imagen ráster se traduce a una gráfica espacial que representa los niveles de temperatura. Como resultado se obtiene la Figura 2 donde se observan tres zonas de mayor temperatura representadas con una cromática oscura. Estas tres zonas presentan 10 edificaciones incidentes y se determinan temperaturas de 29.13°C en la zona 1; temperaturas de 27.75°C, 28.89°C, 27.70°C, 28.61°C, 26.69°C, 27.94°C en la zona 2; y temperaturas de 26.01°C, 28.65°C, 28.76°C en la zona 3; según lo expuesto en la figura.

Figura 2.
Mapa de calor de temperaturas superficiales de la parroquia urbana San Francisco.

Según la norma internacional NTE INEN ISO 7730 las temperaturas superficiales de suelo aceptables varían entre 19 a 28°C [25]. En este contexto, se ha tomado como muestra de análisis las zonas donde la temperatura superficial alcanza los 29.13°C a partir de los 26°C como rango considerando una estimación de error en la observación y teniendo en cuenta que son valores muy cercanos al límite superior máximo, por lo que requerirían una examinación para su posible intervención. En la figura 3 y 4 se pueden identificar las tres áreas y las diez edificaciones que se encuentran dentro de este rango de temperatura en la parroquia. Estas áreas han sido seleccionadas como muestra para examinar las características actuales de las cubiertas de las edificaciones en cada zona, así como las propiedades higrotérmicas de los materiales utilizados en ellas.

Figura 3.
Identificación de áreas dentro del rango de temperatura superficial alcanzando los 29.13°C.

Etapa de levantamiento de información de campo. Se utiliza fotogrametría con drones para obtener imágenes detalladas de las tres zonas y de las diez edificaciones. Estas edificaciones son todas equipamientos y comercios y se encuentran alrededor de hitos urbanos como la Unidad Educativa Juan Montalvo, el Mercado Modelo y también la Calle Martínez.

Figura 4.
Identificación de áreas y edificaciones dentro del rango de temperatura superficial establecido.

Después de analizar los datos recopilados, se seleccionan las diez cubiertas en las distintas zonas de la parroquia urbana de San Francisco para su análisis mediante fichas de observación. Estas cubiertas presentaban valores de temperatura superficial superiores a 26°C. Se ha determinado que las diferentes características de las cubiertas y las propiedades higrotérmicas de los materiales influyen en el aumento de la temperatura superficial, llegando a alcanzar los 29.13°C. Los valores muestran que existe una diferencia entre 6.01°C y hasta 10.89°C con respecto a la temperatura ambiente promedio en el mismo periodo de tiempo. Se presenta una tabla resumen de los datos recopilados en las fichas de observación después del análisis de la muestra de las diez edificaciones en la Tabla 1.

Etapa de comparativa y correlación. Se realiza una comparación entre el tipo de material y el color para entender su influencia en el aumento de la temperatura superficial en las cubiertas analizadas. Se ha determinado que el policarbonato azul de la cubierta Z1-1 emite la mayor temperatura superficial con 29.13°C debido a su influencia directa de los valores de reflectancia y emisividad del material. Además, se debe al estado de envejecimiento del policarbonato, el cual ha sido afectado por diversos factores de exposición solar y climáticos, resultando en una disminución del 30% en su capacidad reflectiva en correspondencia a lo indicado en otros estudios [27]. Se determina también que el zinc de color gris tiene la temperatura superficial más baja, registrando 26.01°C. Esta diferencia se debe a que se trata de un material relativamente nuevo que no ha experimentado un envejecimiento en sus propiedades higrotérmicas.

Figura 5.
Comparación entre material, color y estado de mantenimiento frente a la temperatura superficial en las cubiertas.

Esta comparación entre el estado del material y la temperatura superficial de las cubiertas demuestra que a medida que empeora el estado del material y no se le brinda un mantenimiento adecuado, la temperatura superficial aumenta. Se observó que el zinc gris y gris-oxidado en mal estado alcanza temperaturas mayores a 28°C en contraposición al zinc en buen estado que alcanza los 26°C. Además, se encontró que la teja en estado regular presenta una temperatura superior a la de la teja en mal estado, debido a la presencia de vegetación en las uniones, resultado de la humedad y la falta de mantenimiento. Es importante destacar que la presencia de vegetación reduce la temperatura superficial y comprueba la relevancia de las cubiertas vegetales en el contexto de las temperaturas urbanas.

Con respecto al uso, altura, año de construcción y área de la cubierta no se demuestra que la influencia con respecto a la temperatura superficial no es representativa en cada caso en particular, no obstante, sí inciden en menor grado. A partir de los datos, la edificación de mayor antigüedad data del año 1930 y presenta una cubierta tejas color terracota oscura y evidencia una temperatura superficial de 26.69°C mientras que la edificación de 2017 presenta una cubierta de zinc color gris y una temperatura de 26.01°C.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Considerando las propiedades de los materiales en las cubiertas se concluye que las variables que contribuyen al aumento de la temperatura superficial son el color, el estado y el envejecimiento. Respecto al color, se expone que los colores más oscuros resultan en un incremento de la temperatura superficial, en concordancia con los resultados obtenidos por Oleson [18]. El estado y el envejecimiento de los materiales también son factores determinantes, debido a que después de aproximadamente tres años, los materiales disminuyen su capacidad de reflectividad y resistencia térmica hasta en un 30% como explican Alchapar & Correa [27]. Por lo tanto, los materiales con oxidación y envejecimiento presentan una alta temperatura superficial. Por último, tanto el área de la cubierta como el tipo de cubierta utilizada también influyen en su temperatura. A mayor área de cubierta, mayor impacto en la temperatura ambiente. Tras analizar y comparar los resultados de diferentes materiales, se determinó que el policarbonato es el material con la temperatura superficial más alta, seguido por el zinc. La teja colonial muestra los valores más bajos. Se realizó una comparación de las propiedades higrotérmicas establecidas por la NEC-HS-EE y se concluye que los materiales utilizados no cumplen con los requisitos para envolventes en la zona climática 4 correspondiente al lugar de estudio.

Las edificaciones de la Parroquia San Francisco, según su uso, son mayormente equipamientos y comercios con alta actividad y uso diario por lo que se requiere mayor atención en sus instalaciones y el estado de mantenimiento en el que se encuentran todos sus componentes constructivos. Sin embargo, el levantamiento realizado evidencia una situación contraria. Es de gran relevancia el estado de mantenimiento, según lo expuesto en la investigación, dado que aun teniendo un material que tenga un alto índice de reflectancia solar si no se le ha dado cuidado en el tiempo, podría tener un efecto completamente perjudicial.

El Mercado Modelo en la Zona 1 con su cubierta Z1-1 de policarbonato alveolar de color azul tiene la mayor temperatura superficial dentro de toda el área de estudio, por lo que tiene la prioridad de actuación. La implementación de la cubierta de policarbonato, además, es una adición al histórico mercado por lo que un proyecto podría aprovechar para la recuperación de la identidad del mismo. En la Zona 2 la mayoría son edificaciones con valor patrimonial y de uso mixto con cubierta de zinc en reemplazo de la teja colonial, lo que evidencian adecuaciones irregulares o, en todo caso, con desconocimiento o falta de control por parte de las entidades gubernamentales. En la Zona 3 se encuentran tres equipamientos educativos: el centro de desarrollo infantil Blanca Martínez, la Unidad Educativa Juan Montalvo y el polideportivo de dicha institución. Las cubiertas son de zinc y fibrocemento de colores grises y oscuros. Por esta razón, también se deberá tener en cuenta la incidencia en los espacios interiores con la finalidad de brindar confort durante los procesos de aprendizaje.

La elección del contexto, es decir, la parroquia San Francisco, fue crucial debido a que permitió un análisis detallado en el tiempo fijado, siendo una limitación que presenta esta investigación. Además, a pesar de utilizar un dron para fotografías aéreas, otra restricción fue la accesibilidad a las cubiertas, cuya acción hubiera aportado más información sobre la configuración de las mismas. Una condición importante también fue la fecha de las imágenes satelitales porque difícilmente se encuentra una imagen clara sin obstrucciones con fecha actual, teniendo que admitir aquella más cercana considerando que no haya habido cambios relevantes en la construcción de la ciudad.Una consideración importante para las intervenciones en San Francisco, es que es parte del centro histórico por ello se debe considerar dicha condición en el planteamiento de nuevas reglamentaciones o iniciativas referidas al acondicionamiento o adecuaciones dada la antigüedad de la estructura y de la edificación en sí. Un punto favorable es que gran parte de las edificaciones son de tenencia pública, haciendo en teoría más fácil que puedan plantearse acciones de intervención. Sin embargo, todavía existe desinterés respecto al tema climático y un vacío de conocimiento en relación al fenómeno de la isla de calor urbana por parte de las autoridades competentes. En el caso de las edificaciones privadas, deberán plantearse beneficios fiscales que acompañen las intervenciones por parte de los propietarios en acompañamiento desde un programa originado desde el gobierno local. Finalmente, la presencia de especies vegetales, aún invasivas, en las cubiertas demuestra nuevamente el impacto positivo que podrían tener los techos verdes inclusive como jardines secos. Otra solución sería la implementación de elementos que generen sombras, de tal manera que la radicación solar directa no incida en las cubiertas, o de materiales que tengan alta reflectancia solar o baja inercia térmica como las cubiertas frías o con revestimientos reflectantes.

FUENTES DE FINANCIAMIENTO

El desarrollo de la investigación no fue financiado, la concepción y realización de las actividades correspondientes al proceso metodológico nace del interés de los autores por estudiar la isla de calor urbana y las características de las edificaciones, como aporte teórico y práctico para la toma de decisiones proyectuales.

DECLARACIÓN DE CONFLICTO DE INTERÉS

Los autores del documento declaramos que no existe conflicto de interés alguno relacionado a la elaboración del documento.

APORTE DEL ARTÍCULO EN LA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN

La investigación aporta a la variedad de artículos científicos que tiene la revista CienciAmérica en relación a las temáticas de urbanismo y profundiza en un tema clave como la isla de calor urbana en la ciudad, ya que no se cuenta con estudios similares para revisión de otros investigadores. Esta contribución aborda esta problemática y permite que se indague más estos temas en publicaciones futuras.

DECLARACIÓN DE CONTRIBUCIÓN DE CADA AUTOR

La investigación se logró mediante la contribución de cada autor según: Mg. Arq. Luis Deliberto Llacas Vicuña encargado de la convocatoria y organización del equipo de trabajo, del análisis y revisión documental, validación de los resultados, estructuración y redacción del documento. Arq. Nicole Anahi Lara Corea encargada de la recopilación de información mediante herramientas y equipos para la teledetección y observación, y del procesamiento de la información a través de la digitalización y tabulación de los datos y representación gráfica en mapeos.

NOTA BIOGRÁFICA

Luis Deliberto Llacas Vicuña. ORCID iD https://orcid.org/0000-0001-6137-0230 Es investigador de la Universidad Indoamérica. Obtuvo su título de Arquitecto en la Universidad Nacional de Ingeniería en la Facultad de Arquitectura, Urbanismo y Artes en Perú, tiene un Máster en Estudios Avanzados de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Cataluña y un Máster en Ciudad y Urbanismo de la Universidad Abierta de Cataluña. Su línea de investigación está enfocada en el urbanismo y la arquitectura con temas afines a la arquitectura, ciudad, urbanismo y sostenibilidad.

Nicole Anahi Lara Corea. ORCID iD https://orcid.org/0000-0002-4865-1107 Es investigadora de la Universidad Indoamérica. Obtuvo su título de Arquitecta en la Universidad Indoamérica. Su línea de investigación está enfocada en estudios urbanos y territoriales.

Agradecimientos

Nuestro agradecimiento a la Universidad Indoamérica, a su plana docente y a la Arq. Paola Maigua y todos quienes aportaron con sus conocimientos durante el proceso de la investigación.

REFERENCIAS

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