El acceso solar a la escala del tejido urbano : el enfoque morfológico y el método de análisis comparativo aplicados al caso de Barcelona

Abstract

The relationship between the environmental dysfunctions of the planet and the uncontrolled sprawl of the contemporary cities is world-wide recognized and has been studied by different points of view. Research identifies the urgency to replace the fossil fuel exploitation with a model of consumption based on renewable energies. The solar radiation is considered the main natural source, due to its large availability and its high efficiency. The cities have a huge impact on environmental issues, both in terms of energy demand and contamination. Therefore, the development of effective strategies has a top priority in this sector. Defining a different approach and new guidelines for urban planning is definitively required, in order to improve the possibilities of solar energy use. This thesis is framed in the research field regarding solar analysis at the scale of the city. The main purpose is to demonstrate the influence of the actual morphological features on the solar performance of a urban fabric. By this approach, it aims to foster the implementation of concrete actions, related to the urban design, for improving the energy efficiency. The introduction (Chapter 1) explains the reasons that lead to the definition of the thematic frame and of the general approach. The evolution of the city during the last two centuries (Chapter 2) shows how urban debate mainly focused on physical density, while less attention has been paid to the spatial properties of the built environment. The formal organization of the urban fabric is, instead, can really affect the quality and the efficiency of a settlement (Chapter 3). Actually, if the historical urban transformations are analysed, it is observed that the configuration of the settlements has been always related to the supply of the energetic sources. With a similar approach, it seems possible to design contemporary cities according to the opportunities for solar exploitation. The Chapter 4 summarizes the main studies regarding the solar access at urban scale. This review allows to identify two crucial topics: on the one hand, the tendency to deal with abstract or typological models of the urban fabric; on the other hand, the lack of tools for solar analysis which are suitable to be integrated into the design procedure. The experimental part consists in studying and comparing four study cases of similar building intensity identified in the urban area of Barcelona. The solar analysis is carried out by means of a digital simulation process applied to some 3D geometrical models which reproduce the morphological specificities of the selected urban fabrics (Chapter 5). The data proceeding from the solar simulation are discussed and compared in Chapter 6, considering the three main components of the urban envelope: the roofs, the façades and the roads grid. For each element, the solar potential is analysed in terms of energy collection and the effective possibilities to use the solar gains are assessed. Finally, a global evaluation of the four examples is provided and some specific actions to improve the solar capability are proposed for each case. On the whole, the results show that the real morphology of the urban fabric significantly affect its final solar performance and highlight the need to consider the specificities of the spatial structure in its three dimensions. Furthermore, the introduction of some irregular elements in a homogeneous network could also be studied as a possible design solution, aimed at optimizing the solar access. The definition of some indicators of solar use potential demonstrates how the radiation data could be effectively converted in operative tools for urban design. This kind of indexes are also useful to provide a measure of the energy efficiency of a specific urban plot. Final conclusions underline the need of emphasize morphological approach in solar studies and of enhance the development of simple operational methods to be used by architects during the design process

La relación entre las disfunciones medioambientales que afectan al planeta y la expansión de las ciudades contemporáneas es una temática reconocida universalmente y ha sido objeto de numerosos estudios. Las distintas ramas de la investigación coinciden en evidenciar la exigencia de reemplazar el sistema energético centrado en los combustibles fósiles por un nuevo modelo basado en las fuentes renovables. La radiación solar se destaca entre elles al proporcionar la disponibilidad más amplia y el rendimiento más elevado. El sector de la edificación ejerce un impacto determinante, tanto en términos de consumos como de emisiones contaminantes. Es urgente, entonces, intervenir en este ámbito para mejorar las posibilidades de explotación solar, a través de un enfoque diferente y de nuevos criterios para el diseño de las ciudades. La presente tesis se encuadra en el marco de la investigación que concierne el análisis solar a la escala de la ciudad. La finalidad principal es destacar la importancia de las características formales de un entorno urbano en relación a su comportamiento solar, con el fin de promover la implementación de acciones de mejora energética vinculadas con el diseño. En la parte introductoria, se explican las razones que han llevado a la definición del marco temático y del enfoque general. El análisis de la evolución histórica de la ciudad durante los siglos XIX y XX destaca como el debate urbano se ha enfocado básicamente en la densidad física. La estructura formal del tejido, en cambio, no ha sido analizada con la misma atención. Sin embargo, se considera que puede desempeñar un papel muy significativo a efectos de mejorar la eficiencia solar de un asentamiento. Analizando las transformaciones urbanas, se observa que la conformación de los asentamientos ha estado siempre vinculada con el abastecimiento de los recursos energéticos. Según el mismo principio, el diseño de las ciudades contemporáneas podría plantearse en relación a las oportunidades de explotación solar. A partir de esta hipótesis general, se recopilan los estudios más significativos concernientes al acceso solar a la escala urbana, identificando dos asuntos cruciales: por un lado, la propensión a referirse a modelos de tejido urbano tipológicos o abstractos; por el otro, la carencia de herramientas de análisis apropiadas para ser incorporadas en los procesos de planificación y diseño. La parte experimental consiste en el estudio comparativo de cuatro tejidos reales seleccionados en el ámbito de Barcelona y caracterizados por una densidad de edificación muy similar. El análisis solar se lleva a cabo a través de un proceso de simulación digital aplicado sobre unos modelos geométricos que incluyen las especificidades morfológicas de los tejidos. Los datos de la simulación se discuten y se comparan en relación a las tres componentes básicas de la envolvente urbana: cubiertas, fachadas y malla viaria. En cada una de ellas, no se examina solamente el potencial de captación, sino también las posibilidades reales de aprovechamiento de las ganancias solares. Finalmente, se proporciona una valoración global de los casos de estudio y se proponen unas posibles acciones para la mejora del potencial solar. Los resultados confirman que el aspecto morfológico afecta de forma significativa el potencial solar final y evidencian la necesidad de considerar el tejido en sus tres dimensiones. Incluso la presencia de ciertas irregularidades formales en una trama homogénea podría plantearse como una solución de diseño útil para optimizar el acceso de la radiación. La tesis propone, además, la definición de unos indicadores que parecen provechosos para caracterizar un tejido urbano y para convertir los datos de radiación solar en herramientas concretas de proyecto urbano. Finalmente, la investigación concluye evidenciando la necesidad de potenciar el enfoque morfológico y el desarrollo de nuevas metodologías operativas sencillas que sean útiles y accesibles por parte de arquitectos y urbanistas.