El proyecto WATERCOOL tiene como objetivo desarrollar y analizar soluciones innovadoras para alcanzar el confort térmico en espacios urbanos. El proyecto desarrolla un nuevo concepto de red de agua para refrigeración/calefacción y almacenamiento de agua utilizado en diferentes estancias para generar aire y superficies frías/calientes. Para producir el agua fría y caliente, se emplean técnicas naturales, como por ejemplo, el uso del sistema de película descendente fotovoltaica (referencia: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112550). Estas soluciones han sido desarrolladas (diseñadas y dimensionadas) por el Grupo Termotecnia de la Universidad de Sevilla y son implementadas por EMASESA (líder del proyecto) y el Ayuntamiento de Sevilla. Durante el próximo año, científicos y técnicos probarán y caracterizarán el piloto.
El objetivo principal del control climático en espacios abiertos es el desarrollo de un diseño bioclimático y el acondicionamiento de los principales espacios públicos mediante técnicas de refrigeración natural que mejoren el confort térmico. Estas engloban la reducción de la radiación solar, la reducción de la temperatura superficial y enfriamiento del aire, a través de tecnologías como, cubiertas simples, cubiertas múltiples, cubiertas vegetales, marquesinas, pavimentos fríos, láminas de agua, césped, árboles, micronizadores, pulverizadores, barreras húmedas…
Como ejemplo principal se encuentra la estancia de larga duración: la nueva plaza.
La intervención tiene como objetivo crear un espacio en el centro de la ciudad que promueva la relación de los habitantes con la naturaleza. Además, se logrará un sombreado natural y duradero con beneficios para el medio ambiente, mejorando adicionalmente la habitabilidad de la zona. Con este fin, se ha realizado un estudio sobre cómo sombrear el espacio a través únicamente de la vegetación. Para ello, el número de árboles en la plaza se incrementa en un 300%, agregando cinco nuevas especies para crear un «techo verde».
Es necesario considerar que los árboles se plantan en la primera etapa de su crecimiento, por lo que durante los primeros años, no pueden proporcionar la sombra necesaria para mejorar el confort térmico de la zona. El crecimiento de los árboles está relacionado con las condiciones térmicas del ambiente. Sin embargo, se puede hacer una distinción entre árboles de crecimiento rápido y de crecimiento lento. Las especies de árboles utilizadas en el estudio son todas de rápido crecimiento, requiriendo un promedio de 25 a 35 años para alcanzar su tamaño adulto. Dado que los árboles en la plaza se plantarán a una edad promedio de cinco años, tardarán alrededor de 20 a 30 años en crecer por completo.
Así, hasta que los árboles alcancen un tamaño que proporcione sombra a este espacio urbano, se propone crear un «techo verde artificial», definido como una green-structure (estructura verde). Combinará la vegetación existente, los nuevos árboles pequeños y una pérgola adaptativa temporal. Esta solución artificial debe ser capaz de adaptarse al crecimiento de los árboles y a las estaciones del año, proporcionando sombra en verano y dejando entrar el sol en invierno. El objetivo es que la naturaleza prevalezca y que el prototipo resuelva el problema mientras los árboles crecen. Por lo tanto, de acuerdo con el crecimiento del árbol, la intervención se puede dividir en tiempo en cuatro escenarios (ver Figura 1):
1- Escenario actual: Solo existen unos pocos árboles, sin ningún elemento adicional que proporcione sombra. Casi todo el espacio está al sol.
2- Escenario Green-Structure: Todos los árboles nuevos se plantan en la plaza, pero estos son pequeños. La pérgola artificial proporciona toda la sombra.
3- Escenario Medio: Los árboles han crecido a la mitad de su tamaño adulto, lo que permite que la solución temporal sea parcialmente reemplazada.
4- Escenario final: Los árboles son maduros y tienen el tamaño suficiente para proporcionar sombra a toda la plaza. La estructura verde ya no es necesaria.
Figura 1. Escenarios propuestos para la plaza en estudio
El conjunto de la estructura consiste en elementos individuales que se pueden unir, proporcionando sombra continua consiguiendo a su vez un diseño visualmente atractivo. Las estructuras individuales están diseñadas para parecerse en forma y tamaño a los árboles, básicamente convirtiéndose en un árbol artificial. Así, su altura se define en función de la altura media de las diferentes especies de árboles seleccionadas. Por lo tanto, cada estructura está diseñada con una altura de cinco metros. La forma de cada estructura se asemeja a la copa redonda de los árboles. Sin embargo, para facilitar una composición modular repetible, el ensamblaje y las conexiones entre las estructuras, estas están diseñadas con una forma hexagonal. El diámetro de cada hexágono se determina en 6 metros para reducir el número de estructuras individuales sin exceder las dimensiones que aumentarían la complejidad de las estructuras. Cada hexágono consiste, a su vez, en seis triángulos equiláteros con lados de miden 3 m. La Figura 2 muestra el diseño de cada estructura individual y cómo están conectadas.
Figura 2. Composición de la estructura verde
Una de las principales características de la green-structure es la opción de modificar su geometría. Tanto a corto plazo, según la estación del año, como a largo plazo adaptándose al crecimiento de los árboles. Esto es posible porque cada módulo triangular es independiente de los demás y se puede eliminar para cumplir con los dos objetivos. A corto plazo, durante el invierno, se pueden eliminar los módulos para dejar entrar más radiación solar, si es necesario. En los meses de verano, los módulos retirados se pueden volver a colocar para lograr el sombreado requerido en el área. A largo plazo, el sistema de sombreado puede adaptarse al crecimiento de los árboles, eliminando permanentemente los módulos triangulares cuando el árbol crece al tamaño requerido para cubrir el espacio. Los módulos retirados permanentemente podrían ser utilizados en otras partes de la ciudad.
La distribución de cada árbol se muestra en la Figura 3.a. Cada circunferencia corresponde con el diámetro de la corona del árbol cuando está completamente desarrollada. Muestra que la vegetación proporcionará sombra a toda la plaza después de alcanzar la madurez. La ubicación del sombreado artificial viene determinada por el uso del espacio, y por el crecimiento de los árboles. Así, el diseño propuesto se ubica en la parte suroeste de la plaza (ver Figura 3b).
Figura 3. Distribución de los árboles (a) y ubicación de la sombra artificial en la plaza (b)
La Figura 4 muestra la plaza tras la inclusión del sombreado artificial pudiendo observar la evolución del Escenario Green-Structure (ver Figura 4.a) al Escenario Medio (ver Figura 4.b), donde parte del sombreado se ha eliminado a medida que se adapta a los árboles en crecimiento. Conociendo la vegetación utilizada y la ubicación de la estructura verde, se evalúa el impacto en la calidad térmica del espacio de los diferentes escenarios utilizando el software ENVI-Met.
Figura 4. Escenario de estructura verde vs escenario medio
La red de agua (wategrid), como una red de distrito de enfriamiento, pero solo para conectar áreas urbanas, está conectado con el banco. El banco produce aire frío/caliente mediante una unidad de tratamiento de aire (fancoil), mientras que el sistema regula el flujo de aire para garantizar el confort térmico (ver figura 5). Además, la fuente está diseñada como un cortavientos. Este elemento ha sido diseñado para reducir las renovaciones de aire por hora en un 95% y cuando la temperatura del aire es demasiado alta, permite además reducir esta temperatura utilizando micronizadores (ver figura 6).
Figura 5. Estancia de larga duración : refugio por fuente y aire de refrigeración utilizando el banco
Figura 6. Estancia de larga duración : refugio por fuente y aire de refrigeración utilizando el banco
Las soluciones LIFEWATERCOOL se pueden definir como una operación de reciclaje y revitalización urbana, consistente en un conjunto de acciones y elementos que actúan integrados como dinamizadores sociales y de recuperación de espacios abiertos para su uso en condiciones de confort térmico adecuado. Consigue mejorar la accesibilidad y garantizar que las intervenciones sobre la urbanización existente logren reconfigurar la planificación urbana realizada.
Estos sistemas funcionan como soportes abiertos a múltiples actividades elegidas por los usuarios. Se instalan en la “no ciudad” o “ciudad muerta”, como prótesis fijas, lo que eliminará el problema de inactividad y permitirá el acondicionamiento climático. Se trata, por tanto, de una experiencia de diseño urbano innovadora que tiene como objetivo mejorar el confort ambiental, promover el intercambio social y aumentar la sostenibilidad con respecto a los modelos convencionales de crecimiento de la ciudad.
The WATERCOOL project aims to develop and test innovative solutions to achieve thermal comfort in urban spaces. The project develops a new concept of watergrid for cooling/heating and storage water, which is used in different stays to generate cold/heat surfaces and air. Natural techniques produce cold and heat water. For example, by the use of the PV falling film system (reference: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112550). These solutions have been developed (designed and sized) by Grupo Termotecnia of the University of Seville, and they are implemented by EMASESA (leader of the project) and the Seville City Council. During the next year, scientists and technicians will test and characterize the pilot.
The main aim of the climatic control in outdoor space is the development of a bioclimatic design and conditioning of the principal sequence for public spaces by applying natural refrigeration techniques to facilitate thermal comfort outdoors involving (reduction of solar radiation, reduction of surface temperature and cooling the air) (technologies: simple covers, multiple covers, vegetation cover, canopies, cold pavements, water sheets, lawns, trees, micronizers, sprays, wet barriers…)
For example, the stay of long duration: the new square.
The intervention aims to create a city centre space that promotes the inhabitants’ relationship with nature. In addition, long-lasting, natural shading will be achieved with obvious benefits for the environment, eventually improving the habitability of the area. To this end, a study was conducted on how to provide the space with shade from greenery created solely by vegetation. The number of trees in the square was increased by 300%, adding five new species to create a «green roof».
It is necessary to consider that the trees were planted in the early stages of growth, so during the first few years, they cannot provide the shade required to improve the thermal comfort of the area. The growth of the trees is related to the thermal conditions of the environment [22]. However, a distinction can be made between fast- and slow-growing trees. The tree species used in the study are all fast-growing, requiring an average of 25 to 35 years to reach their adult size. Since the trees in the square will be planted at an average age of five, they will take around 20 to 30 years to become fully grown.
Thus, until the trees reach a size to provide this urban space with shade, creating an «artificial green roof» is proposed, defined as a green structure. It will combine the existing vegetation, the new small trees and a temporary adaptive pergola. This artificial solution must be able to adapt to the growing trees and the seasons of the year, providing shade in the summer and letting in the sun in the winter. The aim is for nature to prevail eventually and for the prototype to resolve the problem while the trees grow. Therefore, according to the tree growth, the intervention can be divided in time into four scenarios (see Figure 1):
1- Current Scenario: Only a few trees exist, with no additional element providing shade. Nearly the whole space is in the sun.
2- Green Structure Scenario: All the new trees are planted in the square, but these are small. The artificial pergola provides all the shade.
3- Medium Scenario: The trees have grown to half their adult size, allowing the temporary solution to be partially replaced.
4- Final Scenario: The trees are mature and sized enough to provide shade for the whole square. The green structure is no longer necessary.
Figure 1. Scenarios proposed for the square under study
The green structure assembly consists of individual structures that can be joined together, providing continuous shade while creating visually attractive layouts. The individual structures are designed to resemble in shape and size the trees that they are temporarily standing in for, basically becoming an artificial tree. Thus, their height is defined according to the mean height of the different species of trees selected. Therefore, each structure is designed with a height of five metres. The shape of each structure resembles the round crown of trees. However, to facilitate a repeatable modular composition, assembly, and connections between the structures, these are designed with a hexagonal shape. The diameter of each hexagon is determined to be 6 metres to reduce the number of individual structures without exceeding dimensions that increase the structures’ complexity. Each hexagon consists, in turn, of six equilateral triangles with sides measuring 3m. Figure 2 shows the design of each individual structure and how they are connected.
Figure 2. Composition of the green structure
One of the main characteristics of each part of the green structure is the option of modifying its geometry. It can be in the short term according to the season of the year and in the long term depending on the growth of the trees. This is possible because each triangular module is independent of the others and can be removed to comply with the two objectives. In the short term, they can be removed in the winter to let in more solar radiation, if this is necessary. In the summer months, the modules removed can be put back to achieve the shading required in the area. In the long term, the shading system can adapt to the growth of the trees, permanently eliminating the triangular modules when the tree grows to the size required to cover the space. The permanently removed modules could be used in other parts of the city
The distribution of each tree is shown in Figure 3.a. Each circumference is the diameter of the crown when fully grown. It shows that the vegetation will provide shade for the whole square after reaching maturity. The location of the artificial shading is decided by how the space is used, as mentioned above, and by the growth of the trees. Thus, the design proposed is located in the southwest part of the square (see Figure 3b).
Figure 3. Distribution of the trees (1a) and location of the artificial shading in the square (2b)
Figure 4 shows the square after including the artificial shading and the evolution from the Green Structure Scenario (see Figure 4.a) to the Medium Scenario (see Figure 4.b), where part of the shading has been removed as it adapts to the growing trees. Knowing the vegetation used and the location of the green structure, the impact on the thermal quality of the space is assessed of the different scenarios using ENVI-Met software.
Figure 4. Green Structure Scenario vs Medium scenario
The wategrid (as a cooling district grid but only to connect urban areas) is connected with the bench. Bench produces cold/heat air by an air treatment unit (fancoil), and system regulates the airflow to guarantee thermal comfort (see figure 5). Also, the font is designed as a shelter or windbreak. This element has been designed to reduce the air change per hour 95% and when the air temperature is too high, it allows to reduce this temperature using micronizers (see figure 6).
Figure 5. Long duration stay – sheltering by font and cooling air using the bench
Figure 6. Long duration stay – sheltering by font and cooling air using the bench
LIFEWATERCOOL solutions can be defined as arecycling and urban revitalizing operation, which consists of a set of actions and elements that integrated actas social dynamizers and recovery of open spaces for use in conditions of adequate thermal comfort. Thisis to improve universal accessibility and ensure that superficial interventions on existing urbanisation succeed in reconfiguring the urban planning carried out.
These systems function as open supports to multiple activities chosen by users. They are installed in the non-city or dead city, as fixed prostheses , which will eliminate the tare of inactivity and climatic deconditioning. It is, therefore, an innovative urban design experience that aims to improve environmental comfort, promote social exchange and be more sustainable than conventional models of city growth.
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