Resumen: Colombia tiene un millón cien mil niños que reciben atención en aulas de jardines infantiles que no se adecúan a sus características físicas y psicológicas ni tampoco a las condiciones del clima andino del país. Se busca evaluar de manera integrada la incursión del viento y la iluminación cuando se modifica el tamaño y la altura del sillar del vano de las aulas de los jardines infantiles, así como la longitud del alero, de acuerdo a las condiciones de clima, la topografía y la altura de edificaciones vecinas. Con métodos matemáticos, simulaciones y maquetas se calcula la incursión del viento y la luz natural en 12 vanos de diferentes tamaños en dos modelos teóricos de aulas: una ancha y otra profunda. Se concluye que el tamaño de los vanos y la ausencia de alero representan una incursión más eficiente en el aula profunda y que el sillar alto tiene más incidencia en todos los vanos.
Palabras claves: VanosVanos,aulaaula,ventilación naturalventilación natural,iluminación naturaliluminación natural.
Abstract: Colombia has one million one hundred thousand children who receive care in kindergartens classrooms that do not conform to their physical and psychological characteristics nor the conditions of the Andean climate. It seeks to assess an integrated manner raid wind and lighting when the size and height of ashlar vain classrooms kindergartens modified as well as the length of the overhang, according to the weather conditions, topography and the height of neighboring buildings, one wide and one deep : with mathematical methods , simulations and models incursion wind and natural light in 12 openings of different sizes in two theoretical classrooms is calculated. It is concluded that the size of the openings and the absence of forward presents a more efficient classroom deep incursion and that the high ashlar has more impact on all openings.
Keywords: Vain, classroom, natural ventilation, daylighting.
CON CRITERIO
Evaluación de la incursión* del viento y la iluminación a través de los vanos en aulas de jardines infantiles en Medellín, Colombia**
Evaluation of incursion* of wind and light through the openings in kindergarten classrooms in Medellin, Colombia**
Recepción: 05 Marzo 2016
Aprobación: 09 Mayo 2016
En Colombia las políticas educativas de los años sesenta se concentraron en aumentar el número de aulas para cubrir la demanda de los niños que venían del campo a la ciudad y se asentaban en barrios informales y de crecimiento urbano no planificado. Las escuelas de la época se ubicaron en lotes pequeños, con sistemas constructivos de baja complejidad: mampostería en ladrillo, techos de tejas de fibrocemento, aulas de planta cuadrada y ventanas pequeñas a un metro de altura del piso. En esas escuelas de Medellín no había aulas específicas para los niños del jardín infantil y por lo general se utilizaban espacios sin ninguna adecuación particular. Estas escuelas se alejaron de las propuestas pedagógicas de Froebel 1, Montessori 2 y Decroly 3 quienes proponían aulas para jardines infantiles abiertas, ventiladas e iluminadas, con la posibilidad de acercar a los niños a la naturaleza y el barrio.
Colombia diseñó su política para la primera infancia, CONPES109 4 y la normatividad técnica para la construcción de edificios educativos, norma NTC4595 5 de 2006. Ambos documentos coinciden en la necesidad de adecuar espacios para los niños acordes a sus necesidades físicas y psicológicas dentro de los contextos geográficos y la diversidad étnica y cultural. Las aulas de los jardines infantiles deben procurar la flexibilidad, permitir la exploración, reafirmar la identidad de los niños y estimular la comunicación y el respeto por el entorno social y natural 6. En armonía a esas políticas, las aulas de los jardines infantiles, según Loughliny Suina 7 deben tener flexibilidad para permitir un espacio central para distintas actividades, permitir que el piso del aula se use como plano de trabajo y que la altura de las ventanas permita el vínculo con el paisaje y el clima. Según se ha podido comprobar, es común que los vanos de los jardines en Medellín no se adapten a las condiciones físicas de los niños ni al uso de las aulas. En este artículo se describen los resultados de una investigación que se propuso evaluar de manera integrada la incursión del viento y la luz a través de los vanos de las aulas de los jardines infantiles, de acuerdo a las condiciones del clima, el relieve topográfico y la altura de edificaciones vecinas de la ciudad.
Para lograr el objetivo propuesto, se partió de realizar un estudio teórico con el propósito de definir el sistema de variables de la investigación. Se determinaron como variables independientes aquellas que están relacionadas con las características del aula del jardín infantil y su ubicación, en tanto las variables dependientes se relacionan con el comportamiento del viento y la iluminación en el interior del espacio (Figura 1).

A partir de la definición de estas variables se construyó el modelo teórico de un aula, el cual sirvió para estudiar el comportamiento combinado de la iluminación y la ventilación, mediante la aplicación de procedimientos de cálculo y de modelación. Los resultados obtenidos a través de ambos procedimientos se integraron a partir de la aplicación de métodos cualitativos de ponderación. Finalmente, para demostrar la validez de los hallazgos se aplicaron pruebas estadísticas de correlación.
El proceso se dividió en las siguientes etapas: Construcción del modelo teórico, obtención de datos y ponderación cualitativa.
En Medellín hay 74 jardines infantiles, 30 de ellos son casas que fueron adecuadas para tal fin y 44 edificios diseñados y construidos con ese propósito. Cada jardín infantil tiene en promedio 4 aulas con un área promedio por cada aula de 32m2, SICIED 8.
Medellín está ubicada en un valle, el 82% de los jardines infantiles se ubica en sus laderas entre las cotas 1600 y 1800 msnm, sobre un terreno con un ángulo de inclinación promedio de 10º. Todos los edificios se asientan siguiendo las cotas del terreno. El 88% de los jardines infantiles se ubica en barrios con edificaciones circundantes de 1 y 2 niveles. La distancia promedio horizontal (g) entre el jardín infantil y las construcciones vecinas es de 18 m y la altura de las edificaciones vecinas (h) varía entre 1 y 2 pisos. Se encuentra que el 61% de los edificios tienen las aulas agrupadas en forma de tira (crujía), de ese porcentaje el 20% tiene dos tiras paralelas, (Figuras 2 y 3). La razón de este tipo de edificio alargado en el sentido de las cotas de nivel y estrecho en el sentido de la pendiente de la montaña, es la optimización de cimentaciones y la disminución de los cortes y llenos en el terreno. Otra consideración de los edificios en tira es que las aulas se organizan en torno a una circulación cubierta ubicada entre el aula y el talud. La Figura 4 muestra los edificios que presentan otras formas de disposición de las aulas, que no fueron tenidas en cuenta para este análisis:



Para poder calcular el comportamiento combinado de la ventilación y la iluminación y con la información obtenida de los edificios analizados, se definieron dos tipos de perfiles urbanos teóricos:
Perfil tipo 1: Edificio de una sola tira, en los que se evaluaron los vanos de fachada orientados a la base del valle. La Figura 5 muestra el perfil con los vecinos de un piso y dos pisos:

Perfil tipo 2: Edificio de 2 tiras separadas 6 m. En este tipo de perfil se evaluaron los vanos de fachada orientados hacia la parte alta de la montaña. La figura 6 muestra el perfil con los vecinos de un piso y de dos pisos:

La definición del perfil urbano permitió establecer correcciones a la velocidad del viento exterior por cuenta de las condiciones del entorno donde se ubica el jardín infantil. El método matemático empírico del Centro de Energía Solar de la Florida, descrito por Yarke 9 propone coeficientes de corrección del viento exterior antes de ingresar a un espacio:
f1= ángulo de incidencia del viento
f2=rugosidad del terreno
f3= altura de los edificios vecinos
f4=altura de las ventanas.1
La Tabla 1 muestra los criterios y valores de los coeficientes de corrección utilizados para esta investigación.

Se estimaron los coeficientes de corrección a la velocidad del viento exterior promedio tomada de las rosas del viento (Figura 7) y se aplicaron a los perfiles 1 y 2 ya definidos (Figuras 5 y 6).

Con los perfiles urbanos determinados anteriormente, se procedió a definir el modelo teórico de un aula: Los 44 edificios evaluados tienen 176 aulas, el 68% de ellas tienen planta rectangular, 22% de planta cuadrada y el 10% restante con otras formas en planta. Las aulas rectangulares tienen una proporción promedio entre el ancho y el largo de 1 a 1,5 veces. El 57% de ellas tienen los vanos en la fachada más corta, y se denominaron aulas profundas, mientras que el 43% restante tienen los vanos en la fachada más larga, denominándose aulas anchas.
El programa de gobierno municipal, Buen Comienzo2 recomienda una capacidad entre 20 y 25 niños por aula a razón de 1,5m2 por niño, de ahí que se asumiera un tamaño de aula para el modelo teórico con dos tipos de orientaciones: aula ancha de 7,2m x 4,8m y aula profunda de 4,8m x 7,2m. Estas dimensiones son múltiplos de los ladrillos usados en la ciudad. La primera dimensión se refiere a la fachada donde se ubica el vano a evaluar.
Se partió de suponer que las aulas tienen ventilación cruzada y como única dirección del viento se consideró la perpendicular al vano, dada la reducida velocidad promedio que se presenta en la ciudad, con valores entre 3,4m/s y 5,4m/s 10. Considerar otras direcciones reduciría el valor del factor f1 por debajo de 0,2 lo que causaría que la velocidad del viento interior fuera inferior a 0,1m/s, velocidad mínima encontrada en las aulas de los jardines infantiles por el proyecto SICIED. Se consideró que el aula del modelo teórico está en medio de otras aulas para controlar los efectos de los cambios de presión, ya que en la mitad de la fachada la presión es menor que en los extremos. Cuando el viento es perpendicular a la fachada, los coeficientes de presión (cp) producen succiones en los laterales que modifican el patrón de la ventilación, ASHRAE 11.
Teniendo definidos los tamaños y las orientaciones de las aulas, se procedió a determinar las características de los vanos: El 68% de las aulas tiene vanos horizontales, el 63% de los vanos de las aulas tienen un sillar a 80cm de altura y un dintel a 220cm. A partir de las referencias antropométricas utilizadas 12, se decidió evaluar también el sillar a 40 cm, que coincide con la altura de los codos de los niños de 5 años, percentil 50. Los anchos de los vanos varían en 1/2, 1/3 y 2/3 la longitud de la fachada, que son las proporciones predominantes en las aulas y coinciden con los anchos de los vanos estudiados por Melaragno 13 para describir el efecto en la velocidad del viento interior de un espacio según el tamaño del vano. Con esa información se determinaron las siguientes combinaciones de vanos para el modelo teórico del aula:
Aula ancha sillar a 40cm: 240 x 180cm - 360 x 180cm - 480 x 180cm
Aula ancha sillar a 80cm: 240 x 140cm - 360 x 140cm - 480 x 140cm
Aula profunda sillar a 40cm: 160 x 180cm - 240 x 180cm - 320 x 180cm
Aula profunda sillar a 80cm: 160 x 140cm - 240 x 140cm - 320 x 140cm
Con alturas de los sillares a 40cm y 80cm y la trayectoria solar para Medellín, latitud 6,25ºN, se requiere del control solar para las fachadas orientadas a este y oeste, que deben obstruir ángulos de altura solar entre 37,5º y 44º para las 9;00 am y 3:00 pm en diciembre y junio respectivamente. La relación geométrica entre altura de sillar y ángulo de altura solar es (Figura 8):

Para sillar de 40cm: longitud de alero de 1,50m
Para sillar de 80cm: longitud de alero de 1,00m
Para vanos al sur y al norte: sin alero.
La Tabla 2 muestra las combinaciones de análisis de los 12 vanos según el perfil urbano, la altura de los edificios vecinos, el tipo de aula, la altura del sillar y la longitud del alero.

A partir del modelo teórico descrito arriba, se procedió a la obtención de los datos de iluminación y ventilación del interior del aula, mediante la aplicación de cálculos, simulaciones y modelaciones.
Medellín está ubicada en un valle alargado de norte a sur, entre los 1500 y los 2000msnm, con un clima promedio entre los 18ºC y los 29ºC y humedades relativas promedio entre 40% y 70%.3 Por las características del relieve los barrios se asientan en las laderas este y oeste en las que el viento por convección asciende y desciende. La figura 8 muestra el comportamiento del viento en la estación meteorológica San Javier a 1800 msnm 14 en la que se observa que todas las direcciones provienen desde el este u oeste, direcciones que coinciden con la orientación de las laderas del valle:
Para saber el porcentaje de viento que llega directamente a los vanos de los perfiles tipo analizados, se usó la fórmula del ASHRAE (Figura 9)


La Tabla 3 muestra la longitud de las sombras de viento obtenidas.

Con la sombra de viento y las simulaciones en CFD 15 se pudo establecer que los vanos del perfil 2 están en turbulencia o recirculación y que la reducción de la velocidad del viento es aproximadamente del 50% comparada con la velocidad del viento que ingresa por el perfil 1.
Con la velocidad del viento corregida se usó la fórmula empírica de Givoni 16 para calcular la velocidad del aire interior4.

Para establecer los rangos de calificación de esta variable se usó el PMV incluido en la norma ISO 7730 17 como parámetro de referencia. Fabbri 18 y YunHyunjun, Naminsick 19 en sus trabajos hacen ajustes a la metodología para usarla en niños de cinco años. Con esos ajustes se estableció que para la velocidad del aire interior del aula igual o superior a 0,45m/s, el PMV 17 se clasifica en confort y velocidades por debajo de 0,30m/s califican el PMV como ligeramente caluroso.
Los resultados de la velocidad del viento en el interior de las aulas de los jardines infantiles se deben complementar con simulaciones por computador que permiten evaluar los patrones de propagación del aire y la cantidad del área del aula que esta ventilada. El aula definida en el modelo teórico se simuló en el programa CFD. La Figura 10 presenta los resultados de la distribución del viento en un plano paralelo al piso del aula a una altura de 40cm. Se entiende por área ventilada aquella que tiene velocidades por encima de 0,3 m/seg.

Para una altura de 40cm del piso si el 80% del área del aula tiene una velocidad del viento igual a superior a 0,3m/s se considera una condición óptima, si el área con esa velocidad está entre 60 y 79% es aceptable y por debajo de 60% deficiente. Con los dos procesos descritos se logró obtener la velocidad del viento y el porcentaje del aula ventilada de cada una de las combinaciones de los 12 vanos.
Tomando como referencia el Factor Luz Día, fue necesario conocer el comportamiento de los componentes directo y reflejado exterior que ingresan por los vanos a las aulas de los jardines infantiles. Para los cálculos y las simulaciones el componente reflejado interior usa los coeficientes de reflexión lumínica que indica la norma NTC4595. La Figura 11 muestra las simulaciones de las iluminancias para un plano de trabajo de 40cm, a las 12m, en el mes de abril.

Para controlar los resultados de las simulaciones se construyeron maquetas a escala 1:20 que reproducen las condiciones de los perfiles urbanos tipo 1 y 2 y el cielo de la ciudad. La Figura 12 muestra los modelos y la localización de los sensores, dataloger calibrados.

Este trabajo con las maquetas permitió comprobar que el componente reflejado exterior aporta un porcentaje adicional a las iluminancias del aula (Tabla 4).

Ese aporte se denomina factor de corrección que se aplicó a cada zona del aula según los porcentajes ilustrados en la Figura 11.
Se obtuvieron las distribuciones de las iluminancias en cada una de las combinaciones de los 12 vanos con lo que fue posible calcular la uniformidad lumínica y los rangos de iluminancias.
La NTC4595 recomienda en el numeral 7.2.12 una uniformidad lumínica no inferior a 0,6 medida a 70 centímetros del piso. Como los niños de los jardines infantiles trabajan a una altura de 40cm del piso la cantidad de iluminación que proviene del exterior es mayor en la zona central del aula y menor en las zonas junto a las fachadas, por lo que la uniformidad también disminuye. Se establece que uniformidades lumínicas iguales o mayores a 0,4 son óptimas y por debajo de ese valor deficientes de acuerdo a las simulaciones realizadas a 40cm del piso.
La norma ISO 8995 20 recomienda para las aulas un rango de iluminancias entre 300 y 700lx, a una altura de 70cm del piso. Con las simulaciones realizadas en Dialux 4.12 se identificó que para un plano de trabajo a 40cm los rangos se aumentan entre 200 y 1200 lx, por lo que se establecen los siguientes rangos de valoración de las iluminancias: Óptimo para un rango de la norma entre 300 y 700 lx, aceptable para un rango obtenido de las simulaciones a 40cm del piso entre 200 y 1200 lx y deficiente para los rangos que excedan más de 1000 lx de diferencia entre las iluminancias.
Conocidos los datos cuantitativos del viento y la iluminación se hizo una ponderación para calcular las incursiones y una calificación de las incursiones para establecer su eficiencia. Con respecto a la ponderación se usó la metodología Delphi 215 de mesa de expertos. Landeta 22 explica que el propósito de la mesa de expertos es llegar a la concurrencia de los criterios sobre la situación analizada. En ese caso se buscaba la concurrencia sobre las valoraciones porcentuales que deben tener las variables dependientes calculadas, asumiendo que la suma de todas es 100%. La metodología se hace por medio de rondas de preguntas hasta lograr la concurrencia de criterios que a su vez se validan con pruebas estadísticas paramétricas multivariadas: Coeficiente de correlación de Pearson y el coeficiente de determinación R2.
Se preguntó a los expertos sobre: 1. La calificación en porcentaje que tiene la ventilación y la iluminación en un aula para un jardín infantil. 2. Porcentualmente qué valor tiene la cantidad de viento e iluminación que ingresa al aula sobre la distribución de los mismos en el aula. 3. Cuáles son los rangos para calificar las incursiones en términos de óptimo, aceptable y deficiente.
Para dar validez a las respuestas de los expertos fue necesario calificar su idoneidad mediante el coeficiente de competencia6; La Tabla 5 presenta los coeficientes de competencia de los expertos según los procedimientos descritos. El 30 % de ellos demostró competencia media y el 70% competencia alta. Después de dos rondas de preguntas se obtuvieron las ponderaciones finales de los expertos que se presentan en la Tabla 6. La Tabla 7 muestra la calificación de cada indicador y la ponderación que los expertos le asignaron a cada variable dependiente.



Con las incursiones calculadas, calificadas y ponderadas se estimó necesario asegurar la validez estadística entre las variables. Se usaron las pruebas paramétricas de coeficiente de correlación de Pearson y el coeficiente de determinación R2. Arriaza 23.
La Tablas 8 y 9 presentan los cálculos de las incursiones integrales para aulas anchas en el perfil 1 y el perfil 2 respectivamente. Las Tablas 10 y 11 muestran los cálculos de las incursiones integrales para aulas profundas en los perfiles 1 y 2 respectivamente y la Tabla 12 presenta los cálculos de las incursiones integrales para todas las aulas según la altura del sillar.





Según los objetivos declarados, el primer análisis corresponde a la relación entre las características de los vanos estudiadas (tamaño, altura de sillar y longitud del alero) y la incursión integrada.
Con respecto al tamaño de los vanos todas las combinaciones analizadas muestran una relación R2 por encima de 0,59 que se puede interpretar como aumento de la eficiencia de la incursión con el aumento del área del vano. Cuando se revisan los resultados por tipología de aula, los valores promedio de R2 son 11% más altos para las aulas profundas que para las aulas anchas, todos valores por encima de 0,59. Cuando se analiza por perfiles urbanos el perfil 1, de vecinos bajos, presenta un R2 10,5% más alto que el perfil 2. En ese sentido el valor R2 más alto es para las aula profundas en el perfil 1 (0,73).
El efecto más significativo por cuenta del tamaño del vano es para aulas profundas, ubicadas hacia la base del valle y con vecinos de un solo piso.
En cuanto a la altura del sillar, el comportamiento de la incursión se relaciona de manera alta y positiva con el perfil 1, con un promedio de R2 de 0,73 contra un R2 promedio para el perfil 2 de 0,115, lo que indica que la altura del sillar nada tiene que ver con la eficiencia de incursión integrada.
La relación mayor se presenta para los sillares altos, a 80cm del piso, cuando los vanos están en el perfil 1, lo que significa que cuando los vanos están ubicados hacia la base del valle los sillares a 80cm tienen mayor eficiencia en la incursión.
Con respecto a la longitud del alero el comportamiento de las incursiones es inconsistente pues mientras para el comportamiento de los vanos sin alero es alto y positivo con un R2 promedio de 0,78, para los aleros de 1m de longitud el valor R2 promedio cae a 0,46 y se vuelve a elevar para los aleros de 1,5m con un valor promedio de 0,55. Cuando se discriminan los resultados el comportamiento más alto y positivo promedio es para los vanos sin alero en aulas profundas y ambos perfiles. La relación absoluta más alta es para el aula profunda sin alero en el perfil 1, R2=0,91.
Sobre las implicaciones de los resultados se destaca que el perfil urbano 1 y el aula profunda son más sensibles a las incursiones combinadas. Lo que indica que las condiciones del relieve, la densidad urbana y la forma del aula son elementos integrales de las condiciones de los vanos.
La investigación estuvo limitada por la forma del aula, los tipos de perfiles urbanos, el ángulo de incursión del viento, variables que pueden dar mayor precisión a los resultados obtenidos. Los expertos tuvieron coincidencia en las valoraciones y los argumentos para otorgar menos importancia porcentual a la iluminación, ya que es susceptible de ser controlada por la iluminación artificial y los acabados del aula, lo que no ocurre con la ventilación. Advierten que las valoraciones pueden tener variaciones cuando se trata de aulas para otros grupos de edades, lo que indica el valor que los expertos le otorgan al usuario para adecuar las condiciones de los espacios.
En términos de las incursiones combinadas de ventilación e iluminación, se encontró que: el tamaño de los vanos se relaciona con la forma del aula; la altura del sillar con el perfil urbano y la longitud del alero con la forma del aula.
El perfil urbano 1, que se definió en el modelo teórico del aula como: edificio de una sola crujía, con los vanos hacia la base del valle y sometida las corrientes ascendentes, es más sensible a la incursión combinada.
La forma del aula profunda resulta ser una condición sensible a la valoración combinada de la ventilación y la iluminación.
La incursión integral arroja evidencias de que las valoraciones integrales matizan las recomendaciones consideradas como adecuadas cuando los aspectos se analizan por separado. En ese sentido es necesario profundizar en la búsqueda de factores de incursiones que incluyan otros elementos, tales como el sonido.
*Ader Augusto García Cardona, Arquitecto, Máster en Ciencias Profesor de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín. Estudiante de Doctorado de la Facultad de Arquitectura del Instituto Superior Politécnico “José Antonio Echeverría”, La Habana, Cuba. E-mail: agarcia@unal.edu.co























