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INTRODUCCIÓN
Este estudio se presenta en el marco de un proyecto de investigación denominado "Potencial de la infraestructura verde urbana como estrategia de rehabilitación energética y ambiental de ciudades de zonas áridas. El caso del Área Metropolitana de Mendoza", financiado por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT) de Argentina; llevado adelante en el Instituto de Ambiente, Hábitat y Energía, de Mendoza, Argentina. Aborda el estudio del impacto de la forestación urbana y sus distintas categorías -estructuras verdes tradicionales (parques, plazas, arbolados de alineación y patios) y nuevas tecnologías (techos y paredes verdes)- sobre la calidad energético-ambiental de las ciudades.
El crecimiento urbano implica deterioros sobre el entorno natural asociados a la liberación de CO2 a la atmósfera, recalentamiento de los espacios urbanizados, disminución de áreas destinadas a la producción y un elevado impacto ambiental sobre la biósfera. Además, estas demandan dos tercios de la energía producida en todo el mundo (International Energy Agency [IEA], 2017). En este marco, las urbes latinoamericanas son especialmente vulnerables, dado que el 81 % de la población de esta región vive en ellas (Organización Latinoamericana de Energía [OLADE], 2022). Estos impactos cobran aún más relevancia en contextos de aridez, donde las temperaturas son más extremas. Una estrategia para restablecer el equilibro entre entorno natural y hábitat construido es la incorporación de "infraestructura verde" a las tramas urbanas, con probados beneficios sociales, económicos y ecológicos para las ciudades.
El incremento de las áreas con vegetación es una estrategia eficaz frente al avance del cambio climático (Gill et al., 2007). Por un lado, son versátiles para su incorporación en la trama urbana; por el otro, se muestran efectivas para mitigar el calentamiento excesivo del entorno construido y alcanzar menores cifras de consumo energético. El consumo de energía térmica y la producción de carbono que este provoca se ven afectados principalmente por ineficiencias de las envolventes edilicias. Por lo tanto, una estrategia viable para reducir estos consumos es la utilización de vegetación adosada a la envolvente del edificio -envolventes verdes-.
En términos de variaciones de temperatura de aire interior, distintas investigaciones en el ámbito internacional evalúan ensayos en condiciones controladas con techos y fachadas verdes frente a un muro testigo sin vegetación en clima tropical. La utilización de ambas estrategias muestra temperaturas más elevadas en invierno del orden de 2 °C (Pérez Gallardo et al., 2018) y el uso del verde en cubiertas reduce las temperaturas hasta en un 18 % en verano (Osuna Motta et al., 2017).
Los aportes del ámbito científico en torno al tema de los sistemas de enverdecimiento vertical (SEV) han mostrado un crecimiento sostenido en los últimos años (Bustami et al., 2018; Suárez et al., 2018). Dichas investigaciones muestran la efectividad de estos sistemas en la mitigación térmica a escala microclimática -espacios exteriores- y a escala edilicia -espacios interiores-. Las magnitudes de reducción térmica pueden alcanzar entre 2,1 °C y 3,3 °C en ambientes exteriores (Susorova et al., 2014; Wong et al., 2010), hasta 34 °C en la temperatura de la cara externa de un edificio (Suklje et al., 2016) y hasta 5 °C en ambientes interiores (Haggag et al., 2014). Dichos beneficios varían para un mismo sistema dependiendo de las características del clima del sitio de implantación y la orientación a la cual están expuestos.
Además, se han demostrado beneficios para la conservación de calor en invierno debido a un efecto aislante, donde la aplicación de SEV incrementa de 1 °C hasta 3 °C la temperatura de aire interior en horario nocturno (Xing et al., 2019) y en climas de tipo Cfa (subtropical húmedo).
Entre los SEV, la tecnología denominada Fachadas Verdes Tradicionales (FVT) es de sencilla aplicación en las envolventes edilicias con una baja inversión (figura 1). En relación con el potencial de mitigación térmica de esta tipología, el desarrollo de conocimiento es más acotado y su eficiencia también depende del tipo de clima y su orientación. De modo particular, las FVT colaboran en la conservación de energía asociada a la disminución de las pérdidas o ganancias de calor debido al efecto aislante de la fachada verde. Se recomienda tener una consideración profunda respecto a la elección de la planta, compatible con el diseño del edificio y el clima local, para maximizar los beneficios de la vegetación (Dahanayake et al., 2017). Finalmente, se ha comprobado que algunos parámetros que caracterizan la especie vegetal inciden en la magnitud del impacto, tales como el área de cobertura foliar (Pérez et al., 2022) y espesor de la planta (Li et al., 2019).
El presente estudio se desarrolla en un clima árido, el Área Metropolitana de Mendoza, Argentina. Desde el punto de vista urbanístico y ecológico, la mancha urbana se ha densificado sin que se haya acompañado por un incremento de los espacios con vegetación. En consecuencia, la reducción de vacíos urbanos limita la posibilidad de incorporar estructuras verdes tradicionales, por lo que surge la necesidad de implementar nuevas estrategias de enverdecimiento, como son los SEV. De modo puntual, las FVT se han desarrollado en forma espontánea en áreas residenciales de baja densidad. En la bibliografía internacional, estudios que abordan el uso de tecnologías verdes de aplicación vertical en contextos de aridez muestran mayor eficiencia térmica y ahorro energético, respecto al uso de dicha tecnología en climas húmedos. Y, finalmente, son eficientes para aumentar el confort ambiental en climas con amplitud térmica (De Lima Junior et al., 2017).
Los beneficios termoenergéticos de las FVT se relacionan con múltiples variables. De modo particular, respecto a la orientación, Othman y Sahidin (2016) establecen que este parámetro es importante en climas con altos niveles de irradiación solar, como es el caso del área de estudio. Diversas investigaciones han demostrado que su efectividad aumenta en orientaciones este y oeste, respecto a orientación sur y norte (Susorova et al., 2013). Esto puede deberse a la mayor incidencia de la radiación solar en dichas orientaciones, que demuestran la importancia de implementar protecciones como las FVT.
El presente trabajo persigue evaluar la respuesta térmica de distintas especies trepadoras perennes incorporadas como FVT en la envolvente edilicia tradicionalmente utilizada en el Área Metropolitana de Mendoza, en orientación oeste por ser la más demandante en la estación estival. A tal fin, se expone la metodología empleada para evaluar las FVT, los resultados obtenidos, su comparación con la literatura científica internacional y las conclusiones que se derivan de esta investigación.
METODOLOGIA
Ensayo experimental
Se diseñó y construyó un experimento controlado en el área destinada a experimentación del CCT-Me CONICET (Argentina) (figura 2). El mismo está compuesto por tres muros de ensayo orientados al oeste (orientación más desfavorable en verano): un muro testigo sin vegetar -MT- y dos muros destinados a evaluar el impacto de distintas FVT compuestas por las siguientes especies: madreselva (Lonicera Japonica) -M1- y bignonia blanca (Pandorea Jasminoides) -M2-. Las especies fueron seleccionadas en función de su adaptabilidad al clima local y desarrolladas en estructuras independientes para su posterior adosamiento a los muros.
En Argentina, el sistema tradicional de construcción masiva continúa siendo de carácter húmedo, es decir, se usa ladrillo con cemento y arena como componentes ligantes. En la ciudad de Mendoza, dicho sistema se configura con estructura de hormigón armado y paredes portantes de ladrillo cocido de 17 cm de espesor, debido al carácter sísmico de la región. En consecuencia, la materialización del ensayo experimental respeta esta tecnología en la construcción de los tres muros, cuyas dimensiones son de 1,3 m de ancho por 2,3 m de alto y 0,17 m de espesor, enmarcados en columnas y vigas de hormigón armado. Estas dimensiones están en el rango de medidas observadas en modelos experimentales similares llevados a cabo en la literatura internacional (Coma et al., 2017; Vox et al., 2018). Los muros se aislaron con 0,05 m de poliestireno expandido de alta densidad, en sus caras N, S y E, y en esta última orientación hay una cámara de aire de 0,10 m de espesor (figura 3).
Toma de datos en los casos de estudio
Con el objeto de evaluar la respuesta térmica de las FVT, se monitorearon durante un mes -03 de febrero al 03 de marzo- de 2021 las siguientes variables: temperatura, humedad, radiación solar y velocidad de viento en el espacio exterior; temperatura y humedad en el interior de la cámara de aire y temperatura en la superficie de la cara externa e interna de muros. Los datos se registraron cada 15 minutos. Los sensores utilizados fueron: termistores y termocuplas -HOBO Onset- y una estación meteorológica -Onset U30-. El equipamiento de medición fue colocado a 1,60 m de altura promedio, de acuerdo con criterios de habitabilidad térmica. Los mismos se calibraron antes del ensayo con el fin de asegurar la fiabilidad de los datos por obtener (figura 4).
Caracterización de la cubierta vegetal
La estructura vegetal fue caracterizada mediante el análisis de dos variables: espesor y cobertura. La evolución temporal del espesor de la cubierta vegetal fue medida con una frecuencia semanal, durante el periodo de medición, en cinco puntos equidistantes, tomando como centro la localización del sensor de temperatura superficial del muro (figura 5). Dichos datos fueron promediados con el objeto de determinar un valor que representara la tendencia de crecimiento de la planta que conforma la FVT.
La cobertura vegetal fue estimada a partir de la toma de imágenes fotográficas semanales, a lo largo del periodo de medición, en horarios de mínima radiación solar. Las imágenes fueron procesadas mediante el software MultiSpec, con el fin de determinar la proporción entre vacíos y llenos que representa el grado de cobertura de la especie evaluada.
Selección de días de análisis
Las tecnologías verdes de aplicación vertical muestran mayor eficiencia para el ahorro de energía en edificios cuanto mayor es el efecto de sombreo (Pérez et al., 2017). Por este motivo, para la selección de días de análisis se consideraron aquellos cuyo rango muestral de temperatura y radiación solar correspondiera a días soleados. Para lo cual, se seleccionaron el 82 % de jornadas cuya curtosis de curva responden a este requerimiento (figura 6a).
Con el fin de obtener parámetros de temperaturas máximas y mínimas de un mes típico de verano en el microclima local, se compararon los datos obtenidos de estas variables para los días seleccionados de febrero de 2021 mediante un análisis de frecuencia. En este se ven reflejadas magnitudes de temperatura máxima diaria entre 36 °C y 38 °C para el 17 % de los días; entre 34 °C y 36 °C para el 9 % de los días; entre 32 °C y 34 °C para el 44 % de los días; entre 30 °C y 32 °C para el 13 % de los días, y entre 28 °C y 30 °C para el 17 % de los días estudiados. En cuanto al análisis de las temperaturas mínimas diarias, de los días considerados se registraron valores entre 18 °C y 20 °C para el 30 % de los días; entre 16 °C y 18 °C para otro 30 % de los días, y entre 14 °C y 16 °C para el 40 % restante de los días analizados.
Con la hipótesis de que los beneficios termoenergéticos de las FVT pueden variar en función de diferentes temperaturas de operación, se eligieron dos conjuntos de días de análisis cuyos rangos corresponden a los que presentaron mayores magnitudes (36 °C a 38 °C) y los que presentaron mayor frecuencia en las máximas (32 °C a 34 °C). En función de ello, se tomaron dos periodos de análisis de cuatro días cada uno -del 4 al 7 de febrero y del 11 al 14 de febrero de 2021- de los cuales se seleccionó para la contrastación térmica el tercer día de cada periodo que corresponde al 6 y al 13 de febrero, respectivamente (figura 6b). Las características de los días evaluados se presentan en la tabla 1.
Nota: Ciclo de medición 3 de febrero al 3 de marzo Primer periodo del 4 al 7 de febrero Segundo periodo del 11 al 14 de febrero
Fuente: elaboración propia (2022).
Figura 6 a) Análisis de frecuencia. (b) Días de análisis. (c) Temperatura ambiente exterior y radiación solar
RESULTDOS
Se presenta el análisis de los resultados asociados a la caracterización de la estructura vegetal y el comportamiento térmico de acuerdo con las siguientes variables: temperatura ambiente exterior, temperatura superficial exterior e interior del muro y temperatura ambiente interior de la cámara de aire. Dicho análisis se realizó en forma comparativa entre el muro desnudo -definido como MT- y los muros cubiertos con FVT -M1 (madreselva) y M2 (bignonia)-; y en términos de diferencia incremental entre las especies analizadas.
Espesor
Los resultados obtenidos correspondientes al espesor del follaje promedio entre los cinco puntos considerados mostraron valores semejantes del orden de: 0,26 m para madreselva -M1- y 0,24 m para bignonia -M2-. La madreselva tuvo un crecimiento levemente decreciente al inicio del periodo medido, que se revirtió con una tendencia clara al crecimiento hacia el final del periodo. En el caso de la bignonia, se observó que el espesor se mantuvo constante al comienzo y crecimiento hacia el final (figura 7). Sin embargo, en los dos periodos considerados para evaluar el comportamiento térmico de las FVT -temperaturas altas y moderadas- no se observaron diferencias significativas en el espesor de las especies.
Cobertura vegetal
Del seguimiento y procesamiento de las imágenes tomadas durante ambos periodos seleccionados de análisis, se observó que las trepadoras tuvieron índices diferentes de cobertura. Para el primer periodo -altas temperaturas-, los porcentajes de cobertura fueron del orden del 48,7 % (madreselva) y del 65,2 % (bignonia). En el segundo periodo -temperaturas moderadas-, los porcentajes variaron levemente, alcanzando valores entre el 46,9 % (madreselva) y el 66,8 % (bignonia) (figura 8). Entre el primer y el segundo periodo, las diferencias entre especies se ubicaron en un porcentaje de cobertura del 16,5 % y el 20 %, respectivamente.
Temperatura ambiente exterior mediata
A partir de la comparación de las temperaturas ambiente exteriores entre el muro testigo y los muros con FVT, monitoreadas a 0,30 m de follaje y pared, respectivamente, se observó que la máxima reducción de temperatura ambiente exterior correspondió a FVT con madreselva, con una magnitud de 3,5 °C a las 18:30 h del periodo de altas temperaturas y de 2,6 °C a las 19:15 h en el periodo de temperaturas moderadas (figura 9).
De lo descrito se desprende que las FVT reducen la temperatura ambiente exterior mediata, y que el tipo de especie empleada tiene efecto sobre la magnitud de la diferencia alcanzada (figura 10). Estas diferencias son del orden de 2,5 °C y 3,5 °C para el periodo de altas temperaturas y el periodo de temperaturas moderadas, respectivamente. Este comportamiento se debe probablemente a las características propias de las plantas trepadoras evaluadas.
Temperatura superficial exterior
Los resultados de la comparación de las temperaturas superficiales exteriores entre FVT y muro testigo determinaron una máxima reducción de 17,8 °C en el periodo de altas temperaturas y de 14,5 °C en el periodo de temperaturas moderadas a las 18:30 h para ambas especies evaluadas. Las diferencias observadas entre los dos periodos analizados reflejan que frente a un incremento de la temperatura ambiente exterior del 11,5 %, la diferencia de temperatura superficial exterior aumentó un 18,5 %. Es decir, al incrementar la temperatura ambiente exterior, es mayor el impacto de la FVT (figura 11).
Si se comparan los muros con FVT entre sí, se observan diferencias que alcanzan máximas magnitudes de 2,0 °C para ambos periodos medidos, donde la FVT con mayor espesor -madreselva- disminuye y aumenta su temperatura más lentamente durante los periodos de enfriamiento y calentamiento, respectivamente (figura 12). Esto parecería indicar que el espesor de la planta tiene incidencia sobre la mitigación de las temperaturas superficiales exteriores edilicias.
Temperatura superficial interior
Los resultados de la comparación de las temperaturas superficiales interiores muestran una máxima reducción de 7,5 °C a las 21:30 h en el periodo de altas temperaturas, y de 6,5 °C a las 21:45 h del periodo de temperaturas moderadas para el caso de FVT con bignonia respecto del caso testigo. Al igual que se observó en las curvas de temperatura superficial exterior, las diferencias entre los dos periodos analizados reflejan que frente a un incremento de la temperatura exterior del orden del 11,5 %, la diferencia de temperatura superficial interior aumentó; aunque el porcentaje de incremento es levemente menor (13,5 %). Sin embargo, en ambos casos es positivo el impacto en la reducción de la temperatura superficial interior del muro (figura 13).
Si se comparan los muros con FVT en ambos periodos medidos durante las horas de enfriamiento, la temperatura del muro con bignonia se encuentra hasta 1 °C y 1,5 °C más fresca que el muro con madreselva para el periodo de altas y moderadas temperaturas, respectivamente. Durante las horas de calentamiento, la temperatura del muro con bignonia se mantiene hasta 0,5 °C y 1,0 °C más caliente que el muro con madreselva para el periodo de altas y moderadas temperaturas, respectivamente (figura 14). Lo observado parece indicar que la temperatura superficial interior está comandada por el mayor porcentaje de cobertura de la especie (bignonia 65,2 % y madreselva 48,7 %).
Temperatura ambiente interior
Las magnitudes de reducción de temperatura ambiente interior -por efecto del uso de FVT-, entre muro con FVT y muro testigo, alcanzan una diferencia máxima de 6,2 °C a las 21:30 h del periodo de altas temperaturas y 5,8 °C a las 20:45 h del periodo de temperaturas moderadas para el muro cubierto con bignonia. Del mismo modo que en el análisis de la temperatura superficial interior, se verifica que, frente a temperaturas mínimas más bajas, la temperatura ambiente interior de los muros con FVT en horarios nocturnos son mayores que las del muro desnudo, evidenciando el efecto de conservación de las plantas -periodo de temperaturas moderadas- (figura 15).
En términos de diferencias entre las especies de FVT durante el periodo de enfriamiento, la FVT con madreselva -menor cobertura- se encuentra hasta 0,8 °C más fresca que la FVT con bignonia para el periodo de temperaturas moderadas. Durante las horas de calentamiento, la temperatura del muro con madreselva se mantiene entre 1 °C y 1,2 °C más caliente que el muro con bignonia en el periodo de temperaturas altas y moderadas, respectivamente (figura 16). El menor porcentaje de cobertura de la madreselva incrementa las posibilidades de enfriamiento durante las horas de la noche e impacta en una mayor ganancia solar durante las horas de calentamiento.
Discusión
El presente trabajo explora los beneficios de la aplicación de una tecnología de enverdecimiento de envolventes edilicias en ciudades emplazadas en contextos áridos. Los resultados obtenidos muestran valores de reducción de temperatura exterior e interior, cuyas magnitudes son superiores a las halladas en la bibliografía internacional. Esto se debe a que el efecto de sombra y aislamiento de las FVT impacta en mayor medida en climas caracterizados por elevadas temperaturas en verano, la predominancia de días claros y la intensidad de radiación solar -BWk Köppen-Geiger-, ámbito en el cual se ha desarrollado el presente estudio.
Hacia el exterior, en términos de temperatura del aire, Zhang et al. (2019) hallan reducciones de hasta 1,9 °C para un día cálido a 0,30 m del follaje de una FV en orientación oeste respecto de un muro testigo en contexto de clima Cfa (subtropical); y de hasta 3,0 °C en verano a 0,08 m del follaje de una FV -hiedra- en orientación sur -hemisferio norte- respecto a muro testigo en clima Cfb (oceánico) (Cameron et al., 2014). En términos de temperatura superficial externa de la pared, Vox et al. (2018) y Hoelscher et al. (2016) reportan reducciones de hasta 9,0 °C y 15,5 °C para FVT orientadas al norte (clima Csa, mediterráneo) y al noroeste (clima Dfb, continental), respectivamente. En el presente estudio se determinan magnitudes mayores, del orden de 3,5 °C a 0,30 m del follaje para la temperatura del aire exterior y de 17,8 °C para la temperatura superficial exterior. El mayor beneficio por el uso de las FVT en clima árido se debe a que, en la primera, la temperatura radiante promedio de la pared sin cobertura es más alta respecto a la del vegetal y, la segunda, debido al bloqueo de mayor radiación solar incidente en la cara externa del muro producido por la cobertura foliar de la FVT.
Hacia el interior, en relación con la temperatura superficial, Hoelscher et al. (2016) y Susorova et al. (2013) hallan magnitudes de reducción de hasta 1,7 °C y 2,0 °C para FVT orientadas al oeste (clima del tipo Dfb, continental) y al norte (clima del tipo Dfa, templado cálido), respectivamente. Finalmente, y asociado a la temperatura de aire interna en una cámara de aire, Kontoleon y Eumorfopoulou (2010) registran reducciones de hasta 0,5 °C para FVT orientadas al este (clima del tipo Cfb, oceánico). En este trabajo, las magnitudes encontradas son mayores, del orden de 7,5 °C para la temperatura superficial interior y de 6,2 °C para la temperatura ambiente en la cámara de aire. Los mayores valores encontrados en las temperaturas internas, respecto a la bibliografía internacional, se deben a que estas son la resultante de un efecto combinado de sombra y aislamiento que, como se observó, tienen mayor impacto en este tipo de clima. Esto incide en una mayor disminución en la transferencia de calor desde el exterior del muro másico hacia el interior.
CONCLUSIONES
Este trabajo evalúa la incidencia de la aplicación de FVT, en muros de orientación oeste en verano, sobre las magnitudes de temperaturas ambiente y superficiales, exteriores e interiores, en un ensayo en condiciones controladas desarrollado en clima seco-desértico del Área Metropolitana de Mendoza -BWk-, en días representativos de esta estación.
Se observa una máxima disminución de la temperatura ambiente exterior mediata a las FVT del orden de 3,5 °C entre el muro testigo y el muro con trepadoras. A su vez, se registran diferencias de hasta 2,0 °C entre las FVT con distintas especies vegetales. Es decir, la magnitud del impacto de la estrategia está asociado a las características intrínsecas de las plantas. Esto pone de manifiesto que la correcta selección de especies incide en el potencial de las FVT para reducir la temperatura ambiente exterior mediata.
Los muros con cobertura vegetal alcanzan una máxima reducción de temperatura superficial exterior de 17,8 °C. Este beneficio se debe al sombreo que produce la especie trepadora respecto al caso testigo con total exposición solar. Además, se observan diferencias entre el desempeño de las FVT en relación con el espesor de la planta. En este sentido, esta variable impacta en la capacidad conservativa de la envolvente, mejorando su desempeño térmico para mantener temperaturas de confort en las estaciones extremas con su consecuente ahorro de energía auxiliar.
En relación con las variables interiores, se encontró una magnitud de máxima reducción de temperatura superficial de 7,5 °C y una magnitud de máxima reducción de temperatura ambiente de 6,2 °C. Las temperaturas más cercanas a las de confort están asociadas a la especie vegetal que muestra mayor cobertura, dado que esta variable impacta en una menor ganancia solar durante las horas de calentamiento y limita las posibilidades de enfriamiento durante las horas de la noche.
En comparación con las magnitudes encontradas por otros autores, en climas diferentes al estudiado y en ensayos similares, se observan mejores rendimientos térmicos dados por el uso de la estrategia de FVT en condiciones de aridez.
Si se relacionan las diferencias halladas con las variaciones térmicas entre ambos periodos analizados -altas y moderadas temperaturas-, se observa que el impacto de la implementación de FVT en relación con el muro testigo es mayor en periodos de altas temperaturas. Mientras que el impacto de la selección de las especies es más evidente en periodos de temperaturas moderadas.
Finalmente, este estudio es un aporte al avance del conocimiento en torno al uso de FVT en envolventes edilicias del tipo másico, emplazadas en climas de condición árida. En los resultados queda demostrada la eficiencia de una de las estrategias de enverdecimiento vertical para disminuir temperaturas interiores y exteriores de las envolventes y para contribuir en la reducción de las temperaturas medias radiantes de las envolventes exteriores, mejorando la sensación de confort de las personas que habitan los espacios adyacentes. Además, es eficaz para reducir la temperatura ambiente exterior con el consecuente beneficio sobre la calidad ambiental del espacio urbano.
Durante el desarrollo del estudio se presentaron limitaciones asociadas a recursos económicos insuficientes para adquirir otros tipos de instrumentos de medición, necesarios para la evaluación de variables distintas a las presentadas. Además, cambios imprevistos de las condiciones meteorológicas forzaron a reiterar los periodos de medición, con los consecuentes desvíos en los plazos iniciales establecidos para la finalización del monitoreo experimental.
En futuras etapas, se prevé evaluar mediante simulación computacional el desempeño de la estrategia vinculado a otros sistemas constructivos, con diferentes especies para conformar FVT y mayores escalas de implementación. Se plantea, como objetivo mayor, incrementar los estudios en torno a la temática, estandarizar resultados y desarrollar pautas de diseño que permitan hacer un uso eficiente de FVT para mitigar el aumento de las temperaturas en el hábitat construido tanto a escala de edificación como a nivel urbano y global.
