Planificación urbana en ciudades dispersas de clima desértico: la densificación vertical como estrategia para la mejora ambiental : el caso de Hermosillo (México)

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2019-2020, àmbit d'Arquitectura, Urbanisme i EdificacióBy 2050, the world's population will have doubled and will be mainly urban. This perspective generates the need to think about the present and the future of cities, especially those located in mid-latitudes, where a large part of that population accumulates. Many of these cities are in regions with hot semi-arid and hot-dry climates. Traditionally, desert cities were designed in compact shapes in response to various climatic factors. Today, these cities have adopted the dispersed city model, driven by car use, the emergence of cooling systems, and a steady decline in energy costs. This form of growth raises a series of problems from an environmental point of view: poor habitability of the public space, long distances, an elevated land use, high demand for cooling. The goal of this thesis is to evaluate the energy repercussions of the increase in urban density in dispersed and low-density cities with a hot-dry climate in the northwestern region of Mexico. The city of Hermosillo in Sonora, a medium-sized city in expansion, is taken as a case study. This thesis analyzes the effects of urban densification on three different scales: city, neighborhood, and building. Based on a city-scale cartographic analysis, this thesis shows that Hermosillo presents a dispersed pattern of low-density growth with two main characteristics: low centrality and high fragmentation. The low centrality is due to the loss of population and economic weight of the urban center in favor of the periphery. The urban fragmentation is a result of the existence of a large number of vacant lots (35% of the urban area). Therefore, two urban strategies are identified and could be followed to slow down the growth of the urban area: the infill of vacant lots and the densification of existing fabrics (stacking) for the creation of high-density sub-centers. The historic center of Hermosillo is selected to carry out the analysis on a neighborhood scale. The impact that a densification process of an existing urban fabric has on the habitability of the urban space is assessed. Currently, this fabric has a high pedestrian potential, but low population and building density, and high levels of solar radiation. In this thesis, the study area is rethought through a densification process employing the mixed-use lot and the stacking of houses. It is shown that by following the current regulations is possible to achieve building density values similar to those of urban centers and tissue of cities with compact morphology. Also, by allowing an increase in density allows achieving streets with an aspect ratio of around h/w= 1, a ratio that, at this latitude, permits the creation of "shadow corridors" spaces protected from radiation. Finally, the impact of stacking on energy performance at the building scale is analyzed using dynamic thermal simulations. To this end, this thesis compares the thermal behavior of free-running homes and the energy demand for cooling during the hot season of isolated single-family homes and multi-family homes in height. The conclusion is that the higher the stacking level, the better the thermal and energy performance. Furthermore, this study demonstrates that in homes without refrigeration, the use of solar protection on windows achieves a slightly superior improvement than that of thermal insulation. Therefore, this thesis allows us to demonstrate that an increase in density (building and population) has advantages at different scales, especially in cities with a hot-desert climate. Stacking allows the creation of shade in the public space and, at the same time, an improvement in the internal energy consumption of refrigerated homes.Para el año 2050, la población mundial se habrá duplicado y será mayoritariamente urbana. Esta perspectiva genera la necesidad de pensar el presente y el futuro de las ciudades, especialmente de las localizadas en latitudes medias, donde se acumula una gran parte de esa población. Muchas de estas ciudades se encuentran en regiones con climas semiárido-cálido y cálido-seco. Tradicionalmente, las ciudades del desierto eran diseñadas con formas compactas en respuesta a diversos factores climáticos. En la actualidad, estas ciudades han adoptado el modelo de ciudad dispersa, impulsadas por el uso del automóvil, la aparición de sistemas de refrigeración y una constante bajada en los costos de la energía. Esta forma de crecimiento plantea una serie de problemas desde un punto de vista ambiental: poca habitabilidad del espacio público, grandes distancias, elevado consumo de suelo, una alta demanda de refrigeración. El objetivo de esta tesis es evaluar las repercusiones energéticas del aumento de la densidad urbana en ciudades poco densas y dispersas con clima cálido-seco de la región noroeste de México. Se toma como caso de estudio la ciudad de Hermosillo en Sonora, una ciudad de tamaño medio en expansión. Esta tesis analiza los efectos de la densificación urbana en tres escalas diferentes: de ciudad, de barrio y de edificio. Con base a un análisis cartográfico a escala de ciudad, esta tesis muestra que Hermosillo presenta un patrón disperso de crecimiento de baja densidad con dos características principales: baja centralidad y alta fragmentación. La baja centralidad se debe a la pérdida de peso poblacional y económico del centro urbano en favor de la periferia. La fragmentación urbana, a la existencia de un gran número de lotes baldíos (35% del área urbana). Por lo tanto, se identifican dos estrategias urbanas a seguir para desacelerar el crecimiento de la mancha urbana: el infill de lotes baldíos y la densificación de tejidos existentes (apilamiento) para la creación de subcentros de alta densidad. A escala de barrio, se selecciona el centro histórico de Hermosillo para analizar el impacto de la densificación de un tejido urbano existente sobre la habitabilidad del espacio urbano. Actualmente, este tejido presenta un alto potencial peatonal, pero baja densidad poblacional y edificatoria, y elevados índices de radiación solar. En esta tesis se ha replanteado el área de estudio a través de un proceso de densificación, mediante el lote de uso mixto y el apilamiento de viviendas. Se muestra que, respetando la normativa actual, es posible alcanzar valores de densidad edificatoria similares a los de centros urbanos y tejidos de ciudades de morfología compacta. Además, de permitir un aumento en la densidad, permite conseguir calles con una relación de aspecto de alrededor de h/w=1, una relación que, en esta latitud, permite la creación de «corredores de sombra», espacios protegidos de la radiación. Por último, se analiza el impacto del apilamiento sobre el comportamiento energético a escala de edificio mediante simulaciones térmicas dinámicas. Para ello, se compara el comportamiento térmico de las viviendas en régimen libre y la demanda de refrigeración durante la temporada de calor de viviendas unifamiliares aisladas y las viviendas plurifamiliares en altura. Se concluye que a mayor nivel de apilamiento mejor desempeño térmico y energético. Se muestra además que, en viviendas sin refrigeración, el uso de protección solar en las ventanas logra una mejora ligeramente superior a la del aislamiento térmico. Por lo tanto, esta tesis permite demostrar que un aumento de la densidad (edificatoria y poblacional) tiene ventajas a diferentes escalas, sobre todo en ciudades de clima cálido-seco. El apilamiento permite la creación de sombra en el espacio público, y al mismo tiempo una mejora en el consumo energético interior de las viviendas refrigeradas.Award-winningPostprint (published version