Islas de calor: Impacto en el cambio climático y posibles soluciones

Autor: Mahbod Shifei. La población urbana aumenta en todo el mundo y, por tanto, la construcción está respondiendo a esta enorme demanda. Las islas de calor son el resultado de la urbanización y la sustitución de la vegetación propia del terreno por edificios, carreteras y demás infraestructuras. Las superficies que una vez fueron permeables y húmedas pasan a ser impermeables y secas. En este fenómeno, las zonas urbanas tienen temperaturas más cálidas que los alrededores rurales. La temperatura media del aire de una ciudad con un millón de habitantes es de 1 ºC a 3ºC más alta que los alrededores. La diferencia de temperatura puede llegar a los 12ºC en una noche despejada. Las zonas de calor son más intensas en verano cuando el cielo está despejado y no hay viento. En cada ciudad, diferentes factores causan la formación de islas de calor. Generalmente, existen parámetros básicos que juegan un papel importante en la formación de islas de calor.

1. Escasa vegetación en áreas urbanas: la vegetación ayuda a mantener la humedad del aire y a reducir el aire con baja temperatura superficial.
2. Las propiedades de los materiales urbanos: la reflexión solar, la emisión de calor y la capacidad calorífica influyen en el desarrollo de islas de calor, ya que determinan cómo se refleja, emite y absorbe la energía solar. La reflexión solar o albedo es el porcentaje de energía solar que refleja una superficie asociado con el color de la superficie. 
3. La geometría urbana: el factor que influye en el desarrollo de las islas de calor, sobre todo por la noche, es la geometría urbana, entendida como las dimensiones y el espacio entre edificios en una ciudad. La geometría urbana influye en la velocidad del viento, la absorción de energía y la capacidad de emitir radiación hacia el espacio. Existen estudios que se centran en un tipo de geometría urbana llamada cañones urbanos, una calle estrecha situada delimitada por edificios altos. Los edificios altos proyectan sombra, reducen la superficie y la temperatura del aire, pero cuando la energía solar alcanza la superficie del cañón, refleja y absorbe levantando muros, reduciendo el albedo del cañón y aumentando la temperatura. Por la noche, los cañones urbanos evitan un enfriamiento ya que los edificios bloquean el calor liberado desde las infraestructuras urbanas.

El impacto de las islas de calor y el cambio climático global son a menudo parecidas. El aumento de las temperaturas en las islas de calor durante el verano afecta al medio ambiente y a la calidad de vida. Este fenómeno incrementa el consumo de energía, la emisión de contaminantes del aire, afecta a la salud humana y daña la calidad del agua. La demanda eléctrica aumenta en el punto máximo de las islas de calor entre un 1.5% y 2% cada 0,6ºC. Esto quiere decir que entre un 5% y un 10% de la población consume electricidad para compensar el impacto de las islas de calor [1].  En esta situación, las centrales eléctricas deben funcionar a una carga más elevada, lo que genera mayores cantidades de emisiones de gases de efecto invernadero, lo que afecta a la salud humana, provoca dificultades respiratorias y agotamiento. Además, las islas de calor degradan la calidad del agua con la contaminación térmica, ya que afectan al metabolismo de las especies acuáticas. 

Modelación y evaluación de las islas de calor

Varios estudios han evaluado distintas islas de calor en todo el mundo para mitigar sus efectos secundarios. Para analizar las islas de calor, los investigadores utilizan métodos directos e indirectos como medidas de teledetección o modelación numérica. En la modelación numérica, la ecuación de balance de la energía urbana muestra información útil para los científicos al equilibrar los flujos de energía entrantes y salientes. Los parámetros de la ecuación de balance ayudan a entender mejor el desarrollo de las islas de calor. Estos parámetros incluyen: 

1. La radiación de onda corta es la luz solar ultravioleta visible. Las superficies urbanas reflejan menos radiación hacia la atmósfera y, en su lugar, la almacenan.
2. El almacenamiento térmico depende de las propiedades térmicas de los materiales de construcción y de la geometría urbana.
3. La radiación o calor de onda larga proviene de edificios u otros objetos y no absorben la radiación de onda corta, sobre todo por la noche.
4. El calor latente que se muestra en la evaporación del agua a humedad, y el calor sensible que se muestra mediante la convección de calor entre las superficies y aire.
5. El calor antropogénico generado por los coches, aire acondicionado, instalaciones industriales y otras fuentes.
6. La geometría urbana en modelación lo define como el factor de visión celeste, el área visible de cielo desde un cualquier punto de la superficie
7. El clima y la localización geográfica tienen un impacto en el fenómeno junto con el viento, la nubosidad y la topografía de la ciudad. Grandes masas de agua pueden generar vientos que moderen las temperaturas.

Un caso de estudio real y sus resultados

Un estudio investigó los factores clave que causan las islas de calor en Singapur debido a su baja latitud. En este estudio, el flujo de aire en puntos calientes, el efecto de la geometría de los edificios y la localización de condensadores de aire acondicionado en el exterior se investigó con la modelación de la dinámica de fluidos computacional.

La medición directa muestra que las masas de edificios aumenta la capacidad térmica, reduce la velocidad del viento e irradia calor a través de los edificios. Se realiza la modelación del cañón y la capa dosel de la ciudad como una calle larga con edificios altos a ambos lados. El estudio se centra en la modificación de la geometría porque el viento urbano depende del diseño de la ciudad, y la geometría urbana puede causar radiación de onda corta, sobre todo en cañones urbanos. Se establece el modelo con los ratios de altura, longitud y anchura de edificios porque los elementos fundamentales del diseño urbano son la densidad general de las áreas urbanas, la altura de los edificios industriales y la orientación y anchura de las calles. Los resultados muestran que unas cuantas calles de torres altas ayudan a mejorar la velocidad del viento y a reducir la temperatura del interior del cañón cuando el viento fluye en paralelo o perpendicular al cañón. Además, los resultados muestran altas temperaturas en cañones estrechos y bajas temperaturas en los más anchos. También, la geometría de los cañones vecinos aumentan la velocidad del viento y bajan las temperaturas de las calles estrechas.

Los aparatos de aire acondicionado separados por una amplia distancia no contribuyen demasiado al incremento de temperatura en el interior del cañón y las torres de refrigeración cercanas afectan a las inmediaciones y reducen la capacidad de los aparatos de interior al aumentar la temperatura ambiente a su alrededor. Los resultados pueden servir como directrices de diseño para un desarrollo urbano sostenible que asegure una gestión de energía racional y su conservación [2].

Reduciendo el efecto de una isla de calor el Dallas

Varios investigadores estudiaron en 2009 tres formas de reducir de manera efectiva el efecto de una isla de calor en Dallas:

1. Expandir y proteger la cubierta arbórea urbana para ayudar a enfriar la ciudad y mejorar la vegetación de los cañones. Además, la observación de sensores muestra que la temperatura sobre el lago mantiene una temperatura constante día y noche. 
2. Aumentar la reflectividad de los techos mediante techos que reflejen la radiación solar reduzca la demanda energética en edificios con aire acondicionado.
3. Reducir la reflectividad del pavimento mediante pavimentos permeables, ayudando así a reducir las temperaturas del área mediante el aumento de la evaporación, lo que beneficia la calidad del agua al redicr la temperatura y eliminar los contaminantes.

Figura 1: Esta fotografía muestra el efecto de la sombra en las temperaturas de una superficie pavimentada. Las superficies en sombra son entre 30º F y 50º F más frías que las superficies pavimentadas [3].

Figura 2: Este área industrial ilustra el impacto del pavimento y techado que absorbe calor en las temperaturas de las superficies. Las temperaturas de las superficies de las áreas residenciales del suroeste son entre 10º F y 20º F más frías. [3].

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Bibliografía:

[1] Eva Wong. Reduction urban heat islands compendium of strategies. Provided technical and administrative support for the entire compendium and Eastern Research Group, Inc. Developed by the climate protection partnership division in the U.S environmental protection agency office of atmospheric programs. 

[2] Rajagopalan Priyadarsini, Wong nyuk hien. Causes of Urban Heat Island in Singapore, An investigation using fluid dynamics (CFD). School of Architecture & Building, Deakin University, Geelong, Australia and
Department of Building, National University of Singapore, Singapore

[3] Dallas Urban heat Island options. Ways to effectively reduce Urban Heat Island effects. The article is prepared by the Houston Advanced research Center as part of the Dallas sustainable skylines initiatives through the support of the U.S Environmental Protection Agency September 2009.