Sostenibilidad
Sombras adaptativas ‘Solar Gate’ se inspiran en la naturaleza para impulsar la eficiencia de HVAC
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La crisis climática representa una gran amenaza tanto para nuestro medio ambiente como para nuestras vidas. Esto ha hecho que la reducción de dióxido de carbono (CO2) sea una necesidad global urgente.
El entorno construido es en realidad responsable de aproximadamente 42% de las emisiones globales anuales de CO2. Mientras que las operaciones de los edificios son en su mayor parte responsables de esto, los materiales de construcción e infraestructura también juegan un papel importante aquí.
Esto lo convierte en la fuerza impulsora del cambio climático, cuyos efectos negativos ya pueden verse en eventos climáticos frecuentes y más dañinos.
Por lo tanto, debemos construir no solo fachadas adaptativas que tengan el potencial de reducir la necesidad de calefacción y refrigeración activas, disminuyendo así el consumo de energía y el impacto ambiental de los edificios, sino también una arquitectura más resiliente que pueda soportar los desafíos que presenta el cambio climático.
Para construir esas fachadas adaptativas, los arquitectos deben utilizar estrategias de diseño que incorporen las características ambientales locales únicas. Esto simplemente se traduce en priorizar la arquitectura climáticamente responsiva.
Este tipo de arquitectura se centra en diseñar edificios energéticamente eficientes que se adapten al clima en el que se construyen. Esto requiere tener en cuenta factores como la estacionalidad, la sombra natural, los patrones de lluvia, la humedad, etc.
En lugar de trabajar contra el clima local, los edificios climáticamente responsivos trabajan con las condiciones regionales para proporcionar el máximo confort al ocupante mientras utilizan la menor cantidad de energía posible.
Al adoptar este enfoque de implementar estrategias de diseño pasivo, los pueblos y ciudades pueden construirse para protegerse de la creciente frecuencia y atrocidades de los eventos climáticos severos que son el resultado del cambio climático.
Además de mejorar la resiliencia de los edificios al prepararlos mejor para soportar tanto el clima como los desastres naturales, la arquitectura climáticamente responsiva ofrece los beneficios de reducir los costos operativos al utilizar sistemas naturales y pasivos.
Al usar luz natural y ventilación natural en lugar de sistemas que utilizan electricidad, los costos operativos relacionados con la energía pueden reducirse significativamente. El uso extensivo de estos sistemas pasivos tiene la capacidad de reducir el consumo de energía hasta en un 90%. Estos sistemas pasivos, como el flujo de aire natural, incluso ayudan a mejorar la productividad del ocupante.
Al mejorar la eficiencia energética, reducir las emisiones de carbono y proteger los recursos naturales, esta arquitectura también ayuda a fomentar la sostenibilidad ambiental.
Sin embargo, los edificios climáticamente responsivos también presentan el desafío de costos iniciales elevados debido al uso de materiales sostenibles y al proceso de construcción largo y complejo. Además, existen obstáculos regulatorios.
Claro, los gobiernos están tomando iniciativas, y las regulaciones sobre la eficiencia energética de HVAC y el aislamiento térmico han avanzado mucho, pero aún falta un marco de normas que respalde los diseños climáticamente responsivos. Incrementar la adopción de estas arquitecturas también requiere un enfoque en la educación e inversión en la experiencia relacionada.
A pesar de los desafíos, estamos viendo un creciente interés en estos edificios. Algunos de los elementos clave de un diseño adaptativo incluyen utilizar fuentes naturales para el flujo de aire y ventilación, un diseño solar pasivo que tenga en cuenta la posición del sol, materiales naturalmente sostenibles como la madera y el bambú, y características verdes en techos y paredes.
Sombras adaptativas bioinspiradas y sensibles al clima
Dentro de la arquitectura climáticamente responsiva, los sistemas de sombreado adaptativo son una excelente manera de regular el clima interior de forma más eficiente al cambiar dinámicamente su forma, orientación o propiedades térmicas en respuesta a las condiciones climáticas externas.
Sin embargo, el problema radica en la dependencia de estos sistemas de sombreado cinético de energía operativa para activar dispositivos electromecánicos que mueven múltiples partes. Estos ensamblajes complejos son vulnerables a fallos, lo que requiere reparaciones costosas.
Aunque existen alternativas en forma de vidrio tintado pasivo anti‑sol, estos filtran demasiada luz natural. Entonces, ¿cuál es la solución? Bueno, está en la naturaleza.
Un nuevo estudio1 por investigadores de las Universidades de Freiburg y Stuttgart recurrieron a la naturaleza y descubrieron que ya existen soluciones para la adaptación. Se inspiran en materiales biológicos y responden pasivamente a estímulos externos.
La solución que los investigadores tomaron como modelo fueron los conos de pino, que reaccionan al entorno y cambian su forma a pesar de estar compuestos por sistemas materiales completamente muertos. El cono de pino se abre y se cierra en respuesta a cambios de temperatura y humedad sin consumir energía metabólica.
Usando el cono de pino como modelo, los investigadores desarrollaron un nuevo sistema de fachada energéticamente autónomo que se adapta pasivamente al clima. Denominado “Solar Gate”, el sistema ha sido instalado en la Shell Biomimética livMatS de la Universidad de Freiburg. livMatS, o ‘Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Energéticamente Autónomos’ (livMatS), es un edificio de investigación.
En lugar de depender de “dispositivos técnicos elaborados”, como hacen la mayoría de los intentos de capacidad de respuesta en fachadas arquitectónicas, esta investigación “explora cómo podemos aprovechar la capacidad de respuesta del propio material mediante diseño computacional avanzado y fabricación aditiva”, dijo el profesor Achim Menges, director del Instituto de Diseño Computacional y Construcción (ICD) de la Universidad de Stuttgart.
Según Menges, quien también es el portavoz del Clúster de Excelencia Diseño Computacional Integrativo y Construcción para Arquitectura (IntCDC), su enfoque les ha permitido lograr un sistema de sombreado que se abre y cierra de forma autónoma en respuesta a los cambios climáticos.
Este efecto se logra sin emplear ningún elemento mecatrónico ni energía operativa. Aquí, “la propia estructura biomaterial es la máquina”.
Este sistema de sombreado adaptativo y sensible al clima es el primero que funciona sin energía eléctrica. Además del diseño bioinspirado, los investigadores utilizaron materiales naturales y tecnologías ampliamente accesibles para el “Solar Gate”.
La tecnología utilizada aquí fue la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, que permite la fabricación de formas y estructuras complejas. En este proceso, los objetos tridimensionales se crean a partir de un archivo digital depositando capas sucesivas de material. La impresión 3D permite la creación rápida de prototipos, personalización, ahorro de costos y alta precisión, además de ofrecer libertad de diseño.
El equipo utilizó impresoras 3D estándar para replicar la estructura dependiente de la dirección de la celulosa en los tejidos vegetales.
La celulosa es la biomasa más abundante en la Tierra. También es un material natural, de bajo costo, biodegradable y renovable que, lo más importante, posee características higromórficas inherentes, lo que permite que el sombreado adaptable sea sostenible.
Esta propiedad higromórfica, que representa la hinchazón y contracción con cambios de humedad, se observa frecuentemente en la naturaleza. La apertura y cierre de las escamas de los conos de pino es un ejemplo de ello.
Aprovechando esta propiedad, el equipo diseñó a medida fibras de celulosa de base biológica y luego las imprimió en 4D en una estructura bi‑capa usando las escamas de los conos de pino como inspiración.
Los investigadores también desarrollaron una técnica de fabricación computacional para controlar la extrusión de materiales celulósicos a través de la impresora 3D FFF.
Los sistemas de materiales producidos aquí pueden cambiar su forma de forma autónoma en respuesta a estímulos externos. Los materiales celulósicos absorben humedad y se expanden cuando la humedad es alta, haciendo que los elementos se curvan y se abran. Mientras tanto, en baja humedad, estos materiales liberan humedad y se contraen, haciendo que los elementos impresos se aplanen y cierren.
“Inspirado en los movimientos higroscópicos de las escamas de los conos de pino y las brácteas del cardo plateado, Solar Gate ha logrado traducir no solo la alta funcionalidad y robustez de los modelos biológicos en un sistema de sombreado bioinspirado, sino también la estética de los movimientos de las plantas.”
– Profesor Thomas Speck, portavoz de livMatS y jefe del Grupo de Biomecánica de Plantas Freiburg en la Universidad de Freiburg
El sistema de sombreado adaptativo bioinspirado ya ha sido probado en el mundo real para su funcionalidad y durabilidad. El equipo lo instaló en la claraboya orientada al sur de la Shell Biomimética livMatS, que ayuda a regular el clima interior del edificio.
Durante el período de más de un año, se observó que en invierno, los elementos de sombreado impresos en 4D se abren y permiten el calentamiento natural al dejar entrar la luz solar, y se cierran en verano para reducir la radiación solar.
El ‘Solar Gate’ se alimenta únicamente de los ciclos climáticos y no requiere energía eléctrica, representando una alternativa eficiente en recursos y energéticamente autónoma a los sistemas de sombreado tradicionales. El sistema de sombreado impreso en 4D y bioinspirado también ofrece ventajas de bajo costo, bajo consumo de material, construcción ligera y mayor robustez operativa.
Este sistema, según los investigadores, tiene implicaciones mucho más amplias que solo las fachadas de edificios. Escribieron que también puede impactar áreas más amplias de la arquitectura, la ingeniería y la construcción.
En trabajos futuros, los investigadores profundizarán en la degradación inducida por UV y sus efectos a largo plazo, junto con el desgaste mecánico del Solar Gate, y cuantificarán la mejora de la regulación del clima interior.
Tejas de techo adaptativas
En el pasado, también cubrimos cómo scientíficos en la Universidad de California, Santa Barbara, desarrollaron tejas de techo adaptativas. Estas tejas podrían reducir los costos de energía de manera significativa. Su secreto es un “interruptor radiante” que cambia entre modos de calefacción y refrigeración, reaccionando a la temperatura exterior. Las tejas se ajustan dentro de 3 grados Celsius del objetivo. Y comparado con los sistemas regulares, son más de 2,5 veces más eficientes. El resultado son facturas más bajas y menos dependencia de los combustibles fósiles.
En el núcleo de esta innovación hay un pequeño dispositivo cuadrado de 4 pulgadas. Ajusta la cantidad de calor que irradia según el clima. El objetivo es mantener las temperaturas interiores estables—alrededor de 65°F (18°C) sin necesidad de energía constante. Sin embargo, esta tecnología aún no está en el mercado, pero cuando lo esté, podrá ahorrar energía, reducir costos y ayudar a que los edificios sean más ecológicos.
Empresas
Ahora, echemos un vistazo a un par de empresas públicas que están involucradas en arquitectura adaptativa a través de su enfoque en soluciones innovadoras para la eficiencia energética, la sostenibilidad de los edificios y el rendimiento de los materiales.
1. Johnson Controls International
Johnson Controls ofrece la mayor cartera de equipos y controles HVAC para entornos de edificios más cómodos, saludables y sostenibles. Las soluciones HVAC de la compañía pueden proporcionar aire visiblemente limpio y ofrecer un control climático total. Sus servicios predictivos y de diagnóstico, mientras tanto, detectan problemas estructurales antes de que ocurra el daño por problemas sísmicos. Además, ofrece mantenimiento planificado y preventivo y gestión remota de edificios.
Con la carrera hacia la descarbonización en marcha, Johnson Controls garantiza la sostenibilidad a través de sus sistemas de calefacción y refrigeración eficientes que proporcionan un control climático eficaz junto con un uso optimizado de energía. La cartera de equipos HVAC de la compañía está diseñada para maximizar la eficiencia energética.
Además de los HVAC, la compañía también ofrece una plataforma IoT, OpenBlue, que permite una operación y optimización inteligente y proactiva. La plataforma puede procesar un millón de puntos de datos por minuto y tiene como objetivo hacer los edificios más inteligentes y eficientes.
Johnson Control también está haciendo un uso intensivo de IA en sus soluciones de seguridad para entornos empresariales, comerciales y residenciales. La compañía ha ampliado aún más sus capacidades de IA en su OpenBlue Enterprise Manager, con el objetivo de llevar los conocimientos de datos al siguiente nivel. Estas mejoras, junto con actualizaciones de equipos y servicios proactivos, están ofreciendo a los clientes una reducción de hasta el 30% en el gasto energético, hasta un 20% en el gasto de mantenimiento y un 10% más de optimización del uso del espacio.
“Estas nuevas funciones impulsadas por IA no solo mejoran la eficiencia operativa y la sostenibilidad, sino que también empoderan a los propietarios y operadores de edificios con niveles sin precedentes de información y control. Estamos comprometidos a liderar innovaciones que impulsen la automatización y creen entornos más inteligentes y responsivos para nuestros clientes.”
– CTO Vijay Sankaran
Al momento de escribir, las acciones de JCI cotizan a $82.10, con un aumento del 4.02% en lo que va del año, y una capitalización de mercado de $54.19 mil millones. Johnson Controls tiene un EPS (TTM) de 2.09, mientras que su ratio P/E (TTM) es 39.27. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 1.80%.
JCI Gráfico de precios
Para su último trimestre reportado, es decir, el Q3 2024, los ingresos de Johnson Controls estuvieron por debajo de las expectativas, alcanzando $6.25 mil millones. Sin embargo, su beneficio no GAAP de $1.28 por acción superó las estimaciones de consenso de los analistas en un 2.6%. El CEO y presidente George Oliver, en ese momento, comentó que estaban “muy satisfechos” por haber logrado “un crecimiento orgánico de ventas de dos dígitos y una robusta expansión de márgenes”.
Según Statista, Johnson Controls generó ventas netas globales de casi $26.8 mil millones en el año fiscal 2023, un aumento de casi el 6% en comparación con el año anterior.
Recientemente, la compañía adquirió Webeasy, con sede en los Países Bajos, un proveedor de automatización y controles de edificios que se alineará con la misión de Johnson Controls de innovar soluciones de edificios energéticamente eficientes y sostenibles.
2. Owens Corning
Proveedor de materiales de construcción, Owens Corning (OC ) tiene cuatro líneas de negocio: techos, puertas, compuestos y aislamiento.
Las soluciones de aislamiento de la compañía son para prácticamente cualquier situación de construcción, cubriendo paredes exteriores, sistemas de techado y HVAC. Sus soluciones de construcción ofrecen cumplimiento energético y de códigos de construcción, alto rendimiento térmico, resistencia al aire/agua, control de humedad y rendimiento acústico.
Los usuarios prefieren los servicios de aislamiento de la compañía por su eficiencia energética, durabilidad, rendimiento a largo plazo, facilidad de instalación y mantenimiento mínimo.
OC Gráfico de precios
Al momento de escribir, las acciones de OC cotizan a $187.57, con un aumento del 10.13% en lo que va del año, y una capitalización de mercado de $16.09 mil millones. Owens Corning tiene un EPS (TTM) de 11.76, mientras que su ratio P/E (TTM) es 15.96. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 1.47%.
En cuanto a las finanzas de la compañía, para el tercer trimestre de 2024, reportó ventas netas de $3 mil millones, lo que representó un aumento del 23% respecto al año anterior. Su negocio de puertas recién adquirido contribuyó con más de medio mil millones de dólares a esto. El EPS diluido entregado por la compañía fue de $3.65 y el EPS diluido ajustado fue de $4.38. El flujo de caja libre durante este período fue de $558 millones.
Owens Corning devolvió un total de $252 millones a sus accionistas mediante dividendos y recompras de acciones. Hablando de su fortaleza financiera, el Director Financiero Todd Fister dijo:
“Demostramos el fuerte poder de ganancias y el potencial de generación de efectivo de la empresa. Nuestro equipo entregó crecimiento en la línea superior e inferior como resultado de una ejecución comercial y operativa de primera clase.”
En cuanto a los esfuerzos de sostenibilidad de la compañía, la cartera de productos de Owens Corning ayuda a sus clientes a ahorrar energía y reducir emisiones. Durante su informe de sostenibilidad 2023, Owens Corning tuvo 14 de sus productos certificados como fabricados con 100% de electricidad renovable, lo que representó una cuarta parte de los ingresos totales de la compañía.
La compañía también informó haber logrado una reducción del 28% en las emisiones de Alcance 1 y 2 respecto a una línea base de 2018, acercándola a su objetivo de reducir en un 50% las emisiones de gases de efecto invernadero para 2030. También se ha avanzado en los esfuerzos de Owens Corning para reciclar dos millones de toneladas de tejas al año en EE. UU. para finales de esta década.
La empresa de materiales de construcción también ha invertido en una instalación de fabricación de tapetes de vidrio de 52,000 metros cuadrados para suministrar a la industria materiales de construcción sostenibles y más resistentes.
Conclusión
Las emisiones globales de carbono están aumentando a un ritmo rápido, provocando que la temperatura de la Tierra suba y conduzca a fenómenos climáticos extremos, incendios forestales incrementados y interrupciones en el suministro de alimentos. Con los edificios representando una proporción considerable de las emisiones globales de carbono, es extremadamente importante que reduzcamos la energía requerida para calefacción, refrigeración y ventilación. Al mismo tiempo, las estructuras deben ser capaces de soportar desastres climáticos.
La respuesta a ambas necesidades es la arquitectura climáticamente responsiva, que requiere prestar atención e incorporar el clima local y las características geográficas de la región en los diseños de edificios. Dada la alta capacidad de la arquitectura climáticamente responsiva para reducir las emisiones globales de carbono en el sector y limitar la producción de residuos, se necesita apoyo regulatorio y, por supuesto, innovación constante.
Estudios como el “Solar Gate” aportan soluciones prometedoras al problema que pueden abordar los desafíos ambientales y satisfacer las necesidades funcionales del entorno construido. Además, resaltan el potencial de tecnologías accesibles como la fabricación aditiva y materiales abundantes y renovables como la celulosa para contribuir a soluciones arquitectónicas sostenibles.
¡Al adoptar materiales naturales y diseños bioinspirados y utilizar técnicas de fabricación digital, podemos construir estructuras seguras, duraderas y un futuro resiliente!
Referencia del estudio:
1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Sombras adaptativas sensibles al clima mediante materiales biobasados y bioinspirados higromórficos. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8
