CDT Los investigadores afiliados al MIT Concrete Sustainability Hub encontraron que la selección del material de pavimentación podría mitigar el calor extremo y las emisiones de gases de efecto invernadero.
Fuente: MIT Concrete Sustainability Hub
Las aceras son una superficie urbana abundante, que cubre alrededor del 40 por ciento de las ciudades estadounidenses. Pero además de transportar tráfico, también pueden emitir calor.
Debido a lo que se llama el efecto isla de calor urbano, las superficies impermeables densamente construidas como los pavimentos pueden absorber la radiación solar y calentar su entorno al reemitir esa radiación en forma de calor. Este fenómeno representa una seria amenaza para las ciudades. Se aumenta la temperatura del aire hasta por lo menos 7 grados Fahrenheit y contribuye a los riesgos de salud y ambientales – Los riesgos que el cambio climático va a ampliar.
En respuesta, los investigadores del MIT Concrete Sustainability Hub (MIT CSHub) están estudiando cómo una superficie que normalmente aumenta las islas de calor urbano puede, en cambio, disminuir su intensidad. Su investigación se centra en “pavimentos fríos”, que reflejan más radiación solar y emiten menos calor que las superficies de pavimentación convencionales.
Un estudio reciente realizado por un equipo de investigadores actuales y anteriores de MIT CSHub en la revista Environmental Science and Technologydescribe los pavimentos fríos y su implementación. El estudio encontró que podrían reducir la temperatura del aire en Boston y Phoenix hasta en 1,7 grados Celsius (3 F) y 2,1 C (3,7 F), respectivamente. También reducirían las emisiones de gases de efecto invernadero, reduciendo las emisiones totales hasta en un 3 por ciento en Boston y en un 6 por ciento en Phoenix. Sin embargo, lograr estos ahorros requiere que se seleccionen estrategias de pavimento frío de acuerdo con el clima, el tráfico y las configuraciones de los edificios de cada vecindario.
Ciudades como Los Ángeles y Phoenix ya han realizado experimentos considerables con pavimentos fríos, pero la tecnología aún no se ha implementado de forma generalizada. El equipo de CSHub espera que su investigación pueda guiar futuros proyectos de pavimentación fría para ayudar a las ciudades a hacer frente a un clima cambiante.
Raspando la superficie
Es bien sabido que las superficies más oscuras se calientan más a la luz del sol que las más claras. Los científicos del clima utilizan una métrica llamada “albedo” para ayudar a describir este fenómeno.
“El albedo es una medida de la reflectividad de la superficie”, explica Hessam AzariJafari, autor principal del artículo y postdoctorado en el MIT CSHub. “Las superficies con albedo bajo absorben más luz y tienden a ser más oscuras, mientras que las superficies con albedo alto son más brillantes y reflejan más luz”.
Albedo es fundamental para enfriar las aceras. Las superficies de pavimentación típicas, como el asfalto convencional, poseen un albedo bajo y absorben más radiación y emiten más calor. Los pavimentos fríos, sin embargo, tienen materiales más brillantes que reflejan más del triple de radiación y, en consecuencia, reemiten mucho menos calor.
“Podemos construir pavimentos fríos de muchas formas diferentes”, dice Randolph Kirchain, investigador del Laboratorio de Ciencia de Materiales y codirector del Centro de Sostenibilidad del Concreto. “Los materiales más brillantes como el hormigón y los agregados de colores más claros ofrecen un albedo más alto, mientras que los pavimentos de asfalto existentes se pueden enfriar mediante revestimientos reflectantes”.
Los investigadores de CSHub consideraron estas diversas opciones en un estudio de Boston y Phoenix. Su análisis consideró diferentes resultados cuando el concreto, el asfalto reflectante y el concreto reflectante reemplazaron los pavimentos de asfalto convencionales, que constituyen más del 95 por ciento de los pavimentos en todo el mundo.
Conciencia situacional
Para una comprensión completa de los beneficios ambientales de los pavimentos fríos en Boston y Phoenix, los investigadores tuvieron que mirar más allá de los materiales de pavimentación. Esto se debe a que, además de reducir la temperatura del aire, los pavimentos fríos ejercen impactos directos e indirectos sobre el cambio climático.
“El único impacto directo es el forzamiento radiativo”, señala AzariJafari. “Al reflejar la radiación en la atmósfera, los pavimentos fríos ejercen un forzamiento radiativo, lo que significa que cambian el equilibrio energético de la Tierra al enviar más energía fuera de la atmósfera, similar a los casquetes polares”.
Los pavimentos fríos también ejercen impactos indirectos y complejos en el cambio climático al alterar el uso de energía en los edificios adyacentes.
“Por un lado, al bajar las temperaturas, los pavimentos fríos pueden reducir la necesidad de aire acondicionado [aire acondicionado] en el verano y aumentar la demanda de calefacción en el invierno”, dice AzariJafari. “Por el contrario, al reflejar la luz, llamada radiación incidente, en los edificios cercanos, los pavimentos fríos pueden calentar las estructuras, lo que puede aumentar el uso de aire acondicionado en el verano y reducir la demanda de calefacción en el invierno”.
Además, los efectos del albedo son solo una parte de los impactos del ciclo de vida general de un pavimento frío. De hecho, los impactos de la construcción y la extracción de materiales (a los que se hace referencia en conjunto como impactos incorporados) y el uso del pavimento dominan el ciclo de vida. El principal impacto en la fase de uso de un pavimento, además de los efectos del albedo, es el consumo excesivo de combustible: los pavimentos con superficies lisas y estructuras rígidas provocan un menor consumo excesivo de combustible en los vehículos que circulan por ellos.
Evaluar los impactos del cambio climático de los pavimentos fríos, entonces, es un proceso intrincado, uno que involucra muchas compensaciones. En su estudio, los investigadores buscaron analizarlos y medirlos.
Un reflejo completo
Para determinar la implementación ideal de pavimentos fríos en Boston y Phoenix, los investigadores investigaron los impactos del ciclo de vida del cambio de pavimentos de asfalto convencionales a tres opciones de pavimentos fríos: asfalto reflectante, hormigón y hormigón reflectante.
Para hacer esto, utilizaron simulaciones físicas acopladas para modelar edificios en miles de vecindarios hipotéticos. Con estos datos, entrenaron un modelo de red neuronal para predecir los impactos en función de las características del edificio y el vecindario. Con esta herramienta en su lugar, fue posible estimar el impacto de los pavimentos fríos para cada una de las miles de carreteras y cientos de miles de edificios en Boston y Phoenix.
Además de los efectos del albedo, también analizaron los impactos incorporados para todos los tipos de pavimento y el efecto del tipo de pavimento en el consumo excesivo de combustible del vehículo debido a las cualidades de la superficie, la rigidez y la tasa de deterioro.
Después de evaluar los impactos del ciclo de vida de cada tipo de pavimento frío, los investigadores calcularon qué material (asfalto convencional, asfalto reflectante, concreto y concreto reflectante) beneficiaba más a cada vecindario. Descubrieron que, si bien los pavimentos fríos eran ventajosos en Boston y Phoenix en general, los materiales ideales variaban mucho dentro y entre ambas ciudades.
“Un beneficio que fue universal en todo tipo de vecindario y material de pavimentación fue el impacto del forzamiento radiativo”, señala AzariJafari. “Este fue particularmente el caso en áreas con edificios más cortos y menos densos, donde el efecto fue más pronunciado”.
Sin embargo, a diferencia del forzamiento radiativo, los cambios en la demanda de energía de los edificios diferían según la ubicación. En Boston, los pavimentos fríos redujeron la demanda de energía con tanta frecuencia como la aumentaron en todos los vecindarios. En Phoenix, los pavimentos fríos tuvieron un impacto negativo en la demanda de energía en la mayoría de las áreas censales debido a la radiación incidente. Sin embargo, al tener en cuenta el forzamiento radiativo, los pavimentos fríos finalmente tuvieron un beneficio neto.
Solo después de considerar las emisiones incorporadas y los impactos en el consumo de combustible, se manifestó el tipo de pavimento ideal para cada vecindario. Una vez que tuvieron en cuenta la incertidumbre sobre el ciclo de vida, los investigadores encontraron que los pavimentos de concreto reflectante tenían los mejores resultados, demostrando ser óptimos en el 53 por ciento y el 73 por ciento de los vecindarios de Boston y Phoenix, respectivamente.
Una vez más, se identificaron incertidumbres y variaciones. En Boston, siempre se prefirió reemplazar los pavimentos de asfalto convencionales con una opción fría, mientras que en Phoenix los pavimentos de concreto, reflectantes o no, tuvieron mejores resultados debido a la rigidez a altas temperaturas que minimizaban el consumo de combustible del vehículo. Y a pesar del predominio del concreto en Phoenix, en el 17 por ciento de sus vecindarios todas las opciones de pavimentación reflectante resultaron más o menos tan efectivas, mientras que en el 1 por ciento de los casos, los pavimentos convencionales fueron en realidad superiores.
“Aunque los impactos del cambio climático que estudiamos han demostrado ser numerosos y, a menudo, contrarios entre sí, nuestras conclusiones son inequívocas: los pavimentos fríos podrían ofrecer inmensos beneficios de mitigación del cambio climático para ambas ciudades”, dice Kirchain.
Las mejoras en la temperatura del aire serían notables: el equipo descubrió que los pavimentos fríos reducirían las temperaturas máximas del aire de verano en Boston en 1,7 C (3 F) y en Phoenix en 2,1 C (3,7 F). Las reducciones de emisiones de dióxido de carbono también serían impresionantes. Boston disminuiría sus emisiones de dióxido de carbono hasta en un 3 por ciento durante 50 años, mientras que las reducciones en Phoenix alcanzarían el 6 por ciento durante el mismo período.
Este análisis es uno de los estudios más completos de pavimentos fríos hasta la fecha, pero hay más por investigar. Al igual que con los pavimentos, también es posible ajustar el albedo del edificio, lo que puede provocar cambios en la demanda de energía del edificio. La descarbonización intensiva de la red y la introducción de mezclas de hormigón bajas en carbono también pueden alterar las emisiones generadas por los pavimentos fríos.
Todavía queda mucho camino por recorrer para el equipo de CSHub. Pero al estudiar los pavimentos fríos, han elevado una brillante solución al cambio climático y han abierto vías para futuras investigaciones y mitigación en el futuro.
El MIT Concrete Sustainability Hub es un equipo de investigadores de varios departamentos del MIT que trabajan en ciencia, ingeniería y economía del hormigón y la infraestructura. Su investigación es apoyada por la Portland Cement Association y la Ready Mixed Concrete Research and Education Foundation.
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