Refugio de tierra

Las casas semienterradas suelen construirse pensando en la conservación y el ahorro energético. Los diseños específicos de estas casas permiten maximizar el ahorro. En las construcciones en laderas o enterradas, es común ubicar todos los espacios habitables en el lado de la casa que da al ecuador (o al norte o al este, según la latitud). Esto proporciona la máxima radiación solar a los dormitorios, salas de estar y cocinas. Las habitaciones que no requieren luz natural ni calefacción intensiva, como el baño, el trastero y el lavadero, suelen ubicarse en el lado opuesto (o enterrado) de la casa. Este tipo de distribución también se puede aplicar a una casa de dos plantas, con ambos niveles completamente bajo tierra. Este diseño ofrece la mayor eficiencia energética entre las casas semienterradas debido a su configuración compacta y a que la estructura se encuentra más profundamente enterrada. Esto le confiere una mayor proporción de superficie cubierta por tierra en comparación con una casa de una sola planta.

El tipo de suelo es uno de los factores esenciales durante la planificación del sitio. El suelo debe proporcionar una capacidad portante y un drenaje adecuados , y ayudar a retener el calor. Con respecto al drenaje, el tipo de suelo más adecuado para refugios de tierra es una mezcla de arena y grava . Las gravas bien graduadas tienen una gran capacidad portante (alrededor de 8000 libras por pie cuadrado (39 000 kg/m² ⁾ ) , un drenaje excelente y un bajo potencial de levantamiento por heladas . La arena y la arcilla pueden ser susceptibles a la erosión . Los suelos arcillosos, si bien son los menos susceptibles a la erosión, a menudo no permiten un drenaje adecuado y tienen un mayor potencial de levantamiento por heladas. Los suelos arcillosos son más susceptibles a la contracción y expansión térmica. Estar al tanto del contenido de humedad del suelo y la fluctuación de ese contenido a lo largo del año ayudará a prevenir posibles problemas de calentamiento. El levantamiento por heladas también puede ser problemático en algunos suelos. Los suelos de grano fino retienen mejor la humedad y son los más susceptibles al levantamiento. Algunas maneras de protegerse contra la acción capilar responsable de las heladas son colocar los cimientos por debajo de la zona de congelación o aislar la superficie del suelo alrededor de los cimientos poco profundos, reemplazar los suelos sensibles a las heladas con material granular e interrumpir la absorción capilar de humedad colocando una capa de drenaje de material más grueso en el suelo existente. 

El agua puede dañar los refugios de tierra si se acumula a su alrededor. Es fundamental evitar terrenos con un nivel freático alto . El drenaje, tanto superficial como subterráneo, debe gestionarse adecuadamente. La impermeabilización del edificio es esencial.

Los diseños con atrio presentan un mayor riesgo de inundación, por lo que el terreno circundante debe tener una pendiente que se aleje de la estructura por todos los lados. Un tubo de drenaje en el perímetro del borde del techo puede ayudar a recoger y evacuar el agua sobrante. Para casas con taludes, se recomienda un drenaje interceptor en la cresta del talud, a lo largo del borde del techo. También es útil una cuneta de drenaje interceptor en el centro del talud, o bien se puede aterrazar la parte posterior del talud con muros de contención. En terrenos inclinados, la escorrentía puede causar problemas. Se puede construir una cuneta o barranco de drenaje para desviar el agua alrededor de la casa, o bien se puede instalar una zanja rellena de grava con un tubo de drenaje junto con drenajes en los cimientos.

También debe considerarse la estabilidad del suelo, especialmente al evaluar un terreno inclinado. Si bien estas pendientes pueden ser inherentemente estables en condiciones naturales, la excavación puede comprometer gravemente su estabilidad estructural. Es posible que sea necesario construir muros de contención y rellenos para estabilizar la pendiente antes de la construcción del refugio.

En terrenos relativamente planos, una casa completamente empotrada con un patio abierto es el diseño más apropiado. En un terreno inclinado, la casa se integra directamente en la ladera. La pendiente determinará la ubicación de la pared con ventanas; la orientación más práctica en climas templados a fríos es una pared expuesta orientada al sur en el hemisferio norte (y orientada al norte en el hemisferio sur) debido a los beneficios solares. La orientación más práctica en los trópicos más cercanos al ecuador es orientada al norte hacia el afelio (o quizás al noreste) para moderar las temperaturas extremas. Justo fuera de los trópicos, la forma más práctica de evitar el exceso de calor de la tarde puede ser una casa orientada al este o, si está cerca de la costa oeste, exponer los extremos este y oeste, con los dos lados largos enterrados en la tierra.

Dependiendo de la región y el emplazamiento elegido para la construcción de un refugio subterráneo, los beneficios y objetivos de dicha construcción varían. En climas fríos y templados, los objetivos consisten en retener el calor invernal, evitar la infiltración, recibir la luz solar invernal, aprovechar la masa térmica, proporcionar sombra y ventilación durante el verano, y evitar los vientos invernales y las zonas frías. En climas cálidos y áridos, los objetivos incluyen maximizar la humedad, proporcionar sombra en verano, maximizar la circulación del aire en verano y retener el calor invernal. En climas cálidos y húmedos, los objetivos incluyen evitar la humedad estival, proporcionar ventilación en verano y retener el calor invernal.

Las regiones con temperaturas extremas diarias y estacionales resaltan el valor de la tierra como masa térmica. Los refugios de tierra son más efectivos en regiones con altas necesidades de refrigeración y calefacción y grandes diferencias de temperatura. En regiones como el sureste de Estados Unidos, los refugios de tierra pueden requerir cuidados adicionales en el mantenimiento y la construcción debido a problemas de condensación relacionados con la alta humedad. La temperatura del suelo de la región puede ser demasiado alta para permitir la refrigeración de la tierra si las temperaturas fluctúan solo ligeramente entre el día y la noche. Preferiblemente, debe haber suficiente radiación solar invernal y medios suficientes para la ventilación natural. El viento es un aspecto crítico a evaluar durante la planificación del sitio, por razones relacionadas con la sensación térmica y la pérdida de calor, así como la ventilación del refugio. En el hemisferio norte, las laderas orientadas al sur tienden a evitar los vientos fríos de invierno que generalmente soplan desde el norte. Los refugios completamente empotrados también ofrecen protección adecuada contra estos fuertes vientos. Sin embargo, los atrios dentro de la estructura pueden causar turbulencias menores dependiendo del tamaño. Es útil aprovechar los vientos predominantes en verano. Debido a la limitada disposición de ventanas en la mayoría de los refugios subterráneos y a la resistencia a la infiltración de aire, el aire dentro de una estructura puede estancarse si no se proporciona una ventilación adecuada. Aprovechando el viento, se puede lograr una ventilación natural sin necesidad de ventiladores ni otros sistemas activos. Conocer la dirección e intensidad de los vientos estacionales es fundamental para favorecer la ventilación cruzada. Para lograr este efecto, se suelen colocar rejillas de ventilación en el techo de los refugios con búnkeres o totalmente empotrados.

La selección de materiales de construcción debe considerar el tipo de estructura, las características del sitio, el clima, el tipo de suelo y el diseño. Se requieren materiales de construcción más resistentes y duraderos para estructuras enterradas a gran profundidad. También se deben utilizar materiales impermeables y aislantes para soportar la presión y la humedad del terreno circundante. Por ejemplo, el hormigón, la mampostería reforzada, la madera y el acero son materiales viables. El hormigón es la opción más común para edificios subterráneos debido a su resistencia, durabilidad y resistencia al fuego. El hormigón vertido in situ se emplea para elementos estructurales no críticos, como cimientos, losas y muros exteriores con menos de 1,8 metros de cobertura de tierra. En cambio, el hormigón armado prefabricado se puede utilizar para pisos, muros y techos. Las unidades de mampostería de hormigón deben tener 200 milímetros o más, y el uso de bloques en forma de "A" o "H" facilita la colocación de las unidades alrededor de las barras de refuerzo verticales, según la integridad estructural requerida. Generalmente se recomienda usar mortero tipo S, lechada con una resistencia mínima de 2000 psi (14 MPa) y una losa de concreto con una resistencia mínima de 2500 psi (17 MPa) y 4 pulgadas (100 mm) de espesor. ^{[ 7 ]} Se puede utilizar mampostería de ladrillo o piedra reforzada con barras de acero para muros que estarán sometidos a presión lateral o vertical de la cubierta de tierra. La mampostería generalmente cuesta menos que el concreto colado in situ. La madera se puede emplear ampliamente en edificios protegidos de la tierra para trabajos estructurales e internos, incluidos pisos, techos y muros exteriores. Sin embargo, los muros de entramado de madera, que deben soportar presión lateral, están limitados a una profundidad de enterramiento de un piso cuando se usan como material estructural. Más allá de esta profundidad, el costo aumentará rápidamente al usar madera como material estructural. Aunque la madera puede ser menos costosa que otros materiales, carece de la resistencia del acero, por lo que podría no ser la opción ideal para material estructural en algunas viviendas protegidas de la tierra, especialmente en tipos de suelo húmedo. El acero se utiliza para vigas, columnas, viguetas y refuerzo de mampostería. La ventaja es que el acero tiene una alta resistencia a la tracción y a la compresión, mientras que la desventaja es que debe protegerse de la corrosión si se expone al aire, al agua u otros productos químicos. Debe utilizarse de forma eficaz porque también es caro. ^{[ 8 ]}     

En la construcción subterránea, a menudo se realizan excavaciones extensas en el terreno. Se excava una superficie varios metros mayor que el perímetro previsto de los muros para permitir el acceso al exterior del muro para su impermeabilización y aislamiento.

Una vez preparado el terreno e instaladas las líneas de servicios públicos, se vierte una cimentación de hormigón armado. A continuación, se instalan los muros. Por lo general, se vierten in situ o se construyen dentro o fuera de la obra y luego se trasladan a su lugar. El hormigón armado es la opción más común. El proceso se repite para la estructura del tejado. Si los muros, el suelo y el tejado se van a verter in situ, es posible realizarlos en una sola colada. Esto puede reducir la probabilidad de que se produzcan grietas o filtraciones en las juntas donde el hormigón ha fraguado en diferentes momentos. Los cimientos de los edificios diseñados por Vetsch se construyen de forma convencional.

Se han utilizado con éxito varios métodos diferentes de construcción de muros externos ( portantes ) en refugios de tierra. Estos incluyen bloques de hormigón (ya sea con mortero convencional o adheridos superficialmente), mampostería de piedra , mampostería de leña , hormigón vertido y madera tratada a presión . ^{[ 9 ]} Las Earthships utilizan clásicamente muros de tierra apisonada hechos con neumáticos, que requieren mucha mano de obra pero reciclan neumáticos usados. ^{[ 9 ]}

Oehler propuso un método de muy bajo presupuesto que denominó "postes, apuntalamiento y polietileno". Este método consiste en postes de madera enterrados que actúan como estructura, apuntalados con tablones, y con una barrera impermeabilizante de lámina de polietileno entre los tablones y el relleno, pero sin cimientos y sin nada en el suelo excepto una lámina de plástico y moqueta. ^{[ 10 ]}

La madera sin tratar en contacto directo con la tierra se pudre a los cinco años de su uso en la construcción de refugios subterráneos, pero puede utilizarse como soporte estructural en una vivienda bien aislada e impermeabilizada. El hormigón armado es el material estructural más común en la construcción de refugios subterráneos. Es resistente y de fácil acceso. El acero también puede utilizarse, pero debe recubrirse con hormigón para evitar el contacto directo con el suelo, que corroe el metal. Los ladrillos y los bloques de hormigón también son opciones viables, pero deben reforzarse para evitar su desplazamiento bajo presión vertical, a menos que la construcción incluya arcos y bóvedas.

Lamentablemente, el hormigón armado no es el material más sostenible desde el punto de vista medioambiental. La industria del hormigón está trabajando en el desarrollo de productos más ecológicos para responder a las demandas de los consumidores. Productos como Grancrete e Hycrete están cada vez más disponibles. Afirman ser ecológicos y reducir o eliminar la necesidad de impermeabilización adicional. Sin embargo, aún no se han utilizado ampliamente en la construcción de refugios subterráneos.

El techo de un refugio de tierra puede no estar cubierto de tierra (solo un terraplén), o puede soportar un techo verde con un espesor mínimo de tierra. Alternativamente, una mayor masa de tierra podría cubrir el techo. Dichos techos deben soportar una carga muerta y una carga viva significativamente mayores (por ejemplo, el aumento del peso del agua en la tierra después de la lluvia o la nieve). Esto requiere una estructura de soporte del techo más fuerte y sustancial. Algunos aconsejan tener el espesor de tierra suficiente en el techo para mantener un techo verde (aproximadamente 15  cm), ya que esto significa menos carga sobre la estructura. Aumentar la cantidad de tierra en el techo más allá de este espesor solo proporciona incrementos modestos en los beneficios, a la vez que aumenta significativamente los costos. ^{[ 9 ]}

A pesar de estar bajo tierra, el drenaje del agua sigue siendo importante. Por lo tanto, los refugios de tierra no suelen tener techos planos. Un techo plano también es menos resistente al peso de la tierra. Es común que los diseños de refugios de tierra tengan arcos y techos abovedados poco profundos, ya que esta forma resiste bien la carga vertical. Un método utiliza metal de malla fina doblado en la forma deseada y soldado a la armadura de soporte. Sobre esta malla se rocía hormigón formando un techo. Terra-Dome (EE. UU.) es una empresa especializada en la construcción de casas con refugio de tierra y vende un sistema modular de cúpulas de hormigón destinadas a ser cubiertas por tierra. ^{[ 11 ]} Otros aconsejan el uso de techos a dos aguas con estructura de madera con una pendiente de al menos 1:12 para promover el drenaje. ^{[ 9 ]} Los techos de las Earthships tienden a ser a una sola pendiente , clásicamente usando vigas .

En la superficie exterior del hormigón, se aplica un sistema de impermeabilización. El sistema más común consiste en una capa de asfalto líquido sobre la que se adhiere una membrana impermeabilizante de alta resistencia, seguida de un sellador líquido final que puede aplicarse mediante pulverización. Es fundamental asegurarse de que todas las juntas estén selladas correctamente. Resulta muy difícil localizar y reparar fugas en el sistema de impermeabilización una vez finalizada la construcción. En la construcción de refugios subterráneos, se utilizan varias capas para la impermeabilización. La primera capa sirve para sellar grietas o poros en los materiales estructurales, y también actúa como adhesivo para la membrana impermeabilizante. Esta membrana suele ser una lámina gruesa y flexible de polietileno, denominada caucho EPDM . El EPDM es el material que se suele utilizar en la construcción de jardines acuáticos, estanques y piscinas. Este material también impide que las raíces penetren en la impermeabilización. El EPDM es muy pesado y puede ser roído por insectos comunes como las hormigas rojas. Además, se fabrica a partir de productos petroquímicos, lo que lo convierte en un material ambientalmente insostenible.

Existen diversos revestimientos similares al cemento que se pueden usar como impermeabilizantes. El producto se rocía directamente sobre la superficie desprotegida. Al secarse, actúa como una gruesa capa cerámica entre la pared y la tierra. El problema de este método es que, si la pared o los cimientos se mueven, se agrietan y el agua puede penetrar fácilmente.

Bituthene (nombre comercial) es muy similar al proceso de capas de tres pasos, pero en un solo paso. Viene pre-capado en láminas y tiene un reverso autoadhesivo. Su aplicación manual es igual que con el método de capas; además, es sensible a la luz solar y debe cubrirse inmediatamente después de su aplicación.

Eco-Flex es una membrana impermeabilizante ecológica que parece funcionar muy bien en cimientos, pero se sabe poco sobre su eficacia en revestimientos de tierra. Pertenece a un grupo de productos impermeabilizantes líquidos que se aplican con brocha. El principal desafío con estos productos es que deben aplicarse con cuidado, asegurándose de cubrir toda el área con el espesor adecuado y de sellar herméticamente cada grieta o hueco.

La arcilla bentonita es una alternativa muy ecológica. Es un material natural con capacidad de autorreparación. Sin embargo, su desventaja radica en su gran peso, la dificultad de instalación para el propietario o constructor y su susceptibilidad a los daños causados ​​por las termitas .

Las bimembranas se han utilizado ampliamente en toda Australia, donde se combinan dos membranas, generalmente con dos capas de epoxi a base de agua como sellador, para evitar que la presión interna del vapor del hormigón húmedo provoque la formación de burbujas de vapor debajo de la membrana al exponerse al sol. La resistencia de la unión del epoxi al hormigón es mayor que la resistencia interna del hormigón, por lo que las membranas no se desprenden de la pared con el sol. Dado que los epoxis son muy frágiles, se combinan con una capa superior de una membrana acrílica flexible a base de agua de alto espesor, aplicada en varias capas de diferentes colores para garantizar una cobertura completa. Esta capa se refuerza con tejido de polipropileno no tejido en las esquinas y los cambios de dirección.

Se añaden una o más capas de paneles o espuma aislantes en el exterior de la impermeabilización. Si el aislamiento elegido es poroso, se añade una capa superior de impermeabilización. A diferencia de la construcción convencional, los refugios subterráneos requieren el aislamiento en el exterior del edificio en lugar de en el interior de la pared. Una razón para esto es que protege la membrana impermeabilizante contra los daños por congelación; otra es que el refugio subterráneo puede mantener mejor la temperatura deseada. Hay dos tipos de aislamiento que se utilizan en la construcción de refugios subterráneos. El primero son láminas de poliestireno extruido de celda cerrada. Generalmente, basta con dos o tres pulgadas pegadas al exterior de la impermeabilización. El segundo tipo de aislamiento es una espuma proyectada (por ejemplo, aislamiento de espuma sólida de poliuretano ). Este funciona muy bien cuando la forma de la estructura es poco convencional, redondeada o de difícil acceso. El aislamiento de espuma requiere una capa protectora superior adicional, como papel de aluminio o un filtro de vellón, para ayudar a resistir la penetración del agua.

En algunos refugios subterráneos de bajo presupuesto, es posible que no se aplique aislamiento a las paredes. Estos métodos se basan en el factor U de la tierra o en la capacidad de almacenamiento de calor térmico por debajo de la capa de congelación. Sin embargo, estos diseños son la excepción y conllevan el riesgo de daños por congelación en climas fríos. La teoría detrás de los diseños sin aislamiento se basa en el uso de la masa térmica de la tierra para almacenar calor, en lugar de depender de estructuras internas pesadas de mampostería o cemento, como las que existen en una casa solar pasiva típica. Esta es la excepción a la regla, y las bajas temperaturas pueden extenderse hacia el interior de la tierra por encima de la línea de congelación, lo que hace necesario el aislamiento para lograr una mayor eficiencia.

Una vez finalizadas las etapas de construcción previas, se rellena con tierra contra los muros exteriores para crear el talud. Dependiendo de las características de drenaje del terreno, puede que no sea adecuado colocarlo en contacto directo con el muro exterior. ^{[ 9 ]} Algunos aconsejan apartar la capa superficial del suelo y el césped de la excavación inicial para utilizarlos en la cubierta vegetal y colocarlos como la capa superior del talud. ^{[ 9 ]}

En las casas de tierra diseñadas por Vetsch, las paredes interiores están revestidas con un enlucido de tierra arcillosa, que proporciona una compensación de humedad superior. El enlucido de tierra arcillosa se recubre finalmente con pintura de cemento blanco cal. ^{[ 12 ]}

En el tipo de terraplén (también llamado "amurallado") ^{[ 2 ]} , la tierra se acumula contra las paredes exteriores, ^{[ 3 ]} inclinándose hacia abajo alejándose del edificio. El terraplén puede ser parcial o total. ^{[ 2 ]} La pared orientada hacia el polo puede tener terraplén, ^{[ 3 ]} dejando la pared orientada hacia el ecuador sin terraplén (en regiones templadas). Por lo general, este tipo de refugio de tierra se construye sobre el nivel del suelo original o ligeramente por debajo de él . ^{[ 13 ]} Debido a que el edificio está por encima del nivel del suelo original, se asocian menos problemas de humedad con el terraplén en comparación con la construcción subterránea/totalmente empotrada, ^{[ 14 ]} y su construcción es menos costosa. ^{[ 9 ]} Según un informe, el terraplén proporcionó entre un 90 y un 95 % de la ventaja energética de una estructura completamente bajo el nivel del suelo. ^{[ 9 ]}

La construcción en ladera (también denominada "cubierta de tierra" ^{[ 3 ]} o "de elevación") ^{[ 5 ]} consiste en que el refugio de tierra se asienta en una pendiente o ladera, y la tierra cubre el techo además de las paredes. ^{[ 3 ]} La aplicación más práctica es utilizar una ladera orientada hacia el ecuador (sur en el hemisferio norte y norte en el hemisferio sur ), hacia el afelio (norte) en los trópicos , o hacia el este justo fuera de los trópicos. En este tipo de refugio de tierra, solo hay una pared expuesta, la que da hacia afuera de la ladera; todas las demás paredes están enterradas en la tierra/ladera. Esta es la forma más popular y energéticamente eficiente de refugio de tierra en climas fríos y templados. ^{[ 6 ] [ 15 ]}

El verdadero refugio subterráneo (también llamado "de cámara" o "subterráneo") describe una vivienda donde el terreno se excava y la casa se ubica bajo tierra. Pueden incluir un atrio o patio ^{[ 16 ]} construido en el centro del refugio para proporcionar luz y ventilación adecuadas. El atrio no siempre está completamente cerrado por terreno elevado; a veces se utiliza un atrio en forma de U, abierto por un lado. ^{[ 15 ]}

En un refugio subterráneo con atrio, los espacios habitables suelen ubicarse alrededor del mismo. La disposición del atrio ofrece una planta mucho menos compacta que la de un diseño de una o dos plantas en ladera; por lo tanto, suele ser menos eficiente energéticamente en términos de necesidades de calefacción. En consecuencia, los diseños con atrio se encuentran principalmente en climas cálidos. ^{[ 15 ]} Sin embargo, el atrio tiende a atrapar el aire en su interior, que luego se calienta con el sol y ayuda a reducir la pérdida de calor. Los diseños con atrio son adecuados para terrenos llanos y son bastante comunes. ^{[ 15 ]}

Dependiendo de la definición de refugio subterráneo que se utilice, a veces se incluyen otros tipos. En las casas de alcantarilla ("Corte y Cubierta"), los contenedores de hormigón prefabricado y las tuberías de gran diámetro se disponen en un diseño conectado para formar un espacio habitable y luego se rellenan con tierra. ^{[ 5 ]} Un diseño de construcción experimental de la década de 1980 de Japón, denominado " Ciudad Alice ", proponía utilizar un pozo cilíndrico ancho y profundo hundido en la tierra, con un techo de tragaluz abovedado. ^{[ 5 ]} Se pueden construir cuevas artificiales haciendo un túnel en la tierra. ^{[ 5 ]} También se ha especulado sobre la construcción de invernaderos subterráneos. ^{[ 17 ]} Se podrían construir escuelas, centros comerciales, edificios gubernamentales y otros edificios bajo tierra. ^{[ 16 ]}

Los refugios subterráneos suelen combinarse con sistemas de calefacción solar. Generalmente, se emplean técnicas de diseño solar pasivo en estos refugios. En la mayor parte del hemisferio norte, una estructura orientada al sur, con los lados norte, este y oeste cubiertos de tierra, es la aplicación más eficaz para los sistemas solares pasivos . Una gran ventana de doble acristalamiento, o triple acristalamiento, que abarque casi toda la longitud de la pared sur, es fundamental para la captación de calor solar. Es recomendable complementar la ventana con cortinas aislantes para evitar la pérdida de calor durante la noche. Asimismo, durante los meses de verano, se utiliza un voladizo o algún tipo de dispositivo de sombreado para bloquear el exceso de radiación solar.

El almacenamiento térmico anual pasivo es un concepto constructivo que, según la teoría, crea una temperatura constante durante todo el año en un refugio subterráneo mediante la captación directa de calor solar pasivo y un efecto de batería térmica que dura varios meses. Se afirma que un refugio subterráneo diseñado según estos principios almacenaría el calor del sol en verano y lo liberaría lentamente durante los meses de invierno sin necesidad de otras formas de calefacción. Este método fue descrito por primera vez por el inventor y físico John Hait en su libro de 1983. ^{[ 18 ]} Su componente principal es una "paraguas" aislada e impermeable que se extiende varios metros desde el refugio subterráneo en todas direcciones. De ahí el término "casa paraguas". La tierra bajo esta sombrilla se mantiene cálida y seca en relación con la tierra circundante, que está sujeta a constantes cambios de temperatura diarios y estacionales. Esto crea una gran área de almacenamiento de calor en la tierra, que constituye una enorme masa térmica. El calor se capta mediante energía solar pasiva en el refugio subterráneo y se transfiere a la tierra circundante por conducción. Así, cuando la temperatura en el refugio subterráneo desciende por debajo de la temperatura de la tierra circundante, el calor regresa al refugio. Después de un tiempo, se alcanza una temperatura estable que es el promedio de las variaciones anuales de calor en el ambiente externo. Algunos critican la técnica (junto con la técnica de refugio subterráneo en general), señalando preocupaciones como la dificultad y el costo de la construcción, la humedad y la falta de evidencia. ^{[ 19 ]}

Otro diseño destinado al almacenamiento pasivo de energía estacional, la energía geotérmica anualizada, se aplica a veces a refugios subterráneos.

Refrigeración pasiva que extrae aire mediante un ventilador o convección desde una temperatura casi constante hacia tubos de refrigeración subterráneos y luego hacia el espacio habitable de la vivienda. Esto también proporciona aire fresco a los ocupantes y el intercambio de aire requerido por ASHRAE .

La construcción bajo tierra es una de las formas de construcción más antiguas. ^{[ 20 ]} Se cree que desde aproximadamente el 15 000 a. C., los cazadores migratorios en Europa usaban turba y tierra para aislar sencillas chozas redondas que también estaban enterradas en el suelo. ^{[ 21 ]} El uso de alguna forma de construcción bajo tierra se encuentra en muchas culturas a lo largo de la historia, distribuidas ampliamente por todo el mundo. ^{[ 16 ]} Normalmente, estos ejemplos de culturas que usan edificios bajo tierra ocurren sin ningún conocimiento del método de construcción en otros lugares. ^{[ 16 ]} Estas estructuras tienen muchas formas diferentes y se las conoce con muchos nombres diferentes. Los términos generales incluyen casa-pozo y excavación .

Uno de los ejemplos más antiguos de construcción de terraplenes , que data de hace unos 5000 años, se encuentra en Skara Brae, en las islas Orcadas, al norte de Escocia . Otro ejemplo histórico de refugios de tierra en laderas es Mesa Verde , en el suroeste de Estados Unidos. Estas construcciones se edifican directamente sobre las cornisas y cuevas de los acantilados. El muro frontal se construye con piedra y tierra de la zona para cerrar la estructura.

En Norteamérica, casi todos los grupos nativos americanos utilizaron estructuras de tierra en mayor o menor medida. ^{[ 4 ]} Estas estructuras se han denominado « casas de tierra » (véase también: Barbara ). Cuando los europeos colonizaron Norteamérica, las casas de césped («soddies») eran comunes en las Grandes Llanuras . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

En China, las viviendas excavadas en cuevas se han utilizado como refugio desde el año 2000 a. C. En ciertas zonas del norte de China, como las provincias de Shaanxi y Shanxi, debido a que la tierra de loess es estructuralmente uniforme y compacta, lo que facilita el acceso a materiales de construcción de buena calidad con una estructura estable, las viviendas subterráneas se han utilizado durante siglos. ^{[ 23 ]}

La crisis del petróleo de 1973 provocó un aumento drástico del precio del petróleo, lo que influyó en profundos cambios sociales, económicos y políticos a nivel mundial. ^{[ 16 ]} Junto con el creciente interés en estilos de vida alternativos y el movimiento de regreso a la tierra , el público de Estados Unidos y otros lugares se interesó cada vez más en ahorrar energía y proteger el medio ambiente. ^{[ 24 ] [ 4 ]}

Ya en la década de 1960 en Estados Unidos, algunos innovadores diseñaban refugios subterráneos contemporáneos. ^{[ 16 ]} Después de la crisis del petróleo y hasta principios de la década de 1980 hubo un nuevo resurgimiento del interés por la construcción de refugios subterráneos, ^{[ 4 ]} que se ha denominado la primera ola de viviendas cubiertas de tierra. ^{[ 16 ]} El arquitecto Arthur Quarmby terminó un edificio con refugio subterráneo en Holme, Inglaterra, en 1975. Llamado " Underhill ", está registrado en el Libro Guinness de los Récords como la "primera casa subterránea" en el Reino Unido. ^{[ 2 ]}

La mayoría de las publicaciones sobre refugios subterráneos datan de este período, con docenas de libros dedicados al tema publicados en los años previos a 1983. ^{[ 16 ]} La primera Conferencia Internacional sobre Edificios Subterráneos se celebró en Sídney, Australia, en 1983. ^{[ 16 ]} Se planeó una segunda conferencia para 1986 en Minneapolis, EE. UU. ^{[ 16 ]}

Otros defensores destacados de la construcción de refugios subterráneos que estuvieron activos en esta época incluyen a Mike Oehler , Rob Roy, John Hait, Malcolm Wells , Peter Vetsch , Ken Kern y otros.

Desde finales de la década de 1980, las viviendas subterráneas se han vuelto cada vez más populares. ^{[ 5 ]} Esta técnica es más común en Rusia, China y Japón. ^{[ 5 ]} Es posible que el norte de China tenga más viviendas subterráneas que cualquier otra región. ^{[ 16 ]} En 1987, aproximadamente 10 millones de personas vivían en viviendas subterráneas en la región. ^{[ 16 ]}

Algunos afirman que miles de personas viven bajo tierra en Europa y América. ^{[ 5 ]} Ejemplos europeos notables son las "Casas de Tierra" del arquitecto suizo Peter Vetsch . Hay alrededor de 50 de estos refugios de tierra en Suiza, incluyendo un conjunto residencial de nueve refugios de tierra (Lättenstrasse en Dietikon ). En otras partes de Europa, como el Reino Unido, los refugios de tierra son menos comunes. ^{[ 5 ]} Posiblemente los ejemplos más conocidos de refugios de tierra modernos en el mundo de habla inglesa son las Earthships , la marca de refugios solares pasivos de tierra vendidos por Earthship Biotecture. Las Earthships se concentran en Nuevo México, EE. UU.

La construcción de refugios subterráneos suele ser vista por arquitectos, ingenieros y el público en general como un método de construcción poco convencional. Las técnicas de construcción de refugios subterráneos no son de conocimiento general, y gran parte de la sociedad desconoce este tipo de construcción. En términos generales, el costo de la excavación, la mayor necesidad de impermeabilización y el requisito de que la estructura soporte un mayor peso en comparación con las casas sobre el nivel del suelo hacen que los refugios subterráneos sigan siendo relativamente raros. En este sentido, el estándar de eficiencia energética PassivHaus ( Casa Pasiva ), aplicado a edificios sobre el nivel del suelo herméticos, superaislados y de bajas o cero emisiones de carbono , ha tenido una adopción mucho mayor en los tiempos modernos. Se han construido más de 20 000 edificios certificados según los estándares PassivHaus en el norte de Europa. ^{[ 25 ]} Algunos postulan que, con el tiempo, la menor disponibilidad de espacio edificable y la creciente necesidad e interés por viviendas respetuosas con el medio ambiente harán que los refugios subterráneos sean más comunes. ^{[ 5 ]}

Se estima que entre 30 y 40 millones de chinos aún viven en este tipo de casas de tierra, principalmente a lo largo del río Amarillo en el norte de China. Existen principalmente dos tipos de casas de tierra en la zona. El primer tipo son las viviendas en cuevas subterráneas. ^{[ 23 ]} Por lo general, se excava un patio hundido, que es un pozo subterráneo rectangular de unos 10 metros de profundidad, y luego se disponen habitaciones excavadas alrededor del patio principal. El segundo tipo son espacios habitacionales excavados en acantilados de tierra, a menudo orientados al sur, y cuyas fachadas a veces están revestidas de ladrillos o piedra. Suelen tener patios más grandes, ya que no requieren excavación.

En 1981, Oehler promovió su diseño de construcción de bajo presupuesto (un simple agujero en el suelo con paredes de tablones de madera revestidas con láminas de plástico) afirmando que no necesitaba cimientos, utilizaba menos material de construcción y mano de obra, requería menos mantenimiento, era estéticamente agradable, tenía una tasa impositiva más baja en los EE. UU. en ese momento, costaba menos regular la temperatura, se veía menos afectado por las tormentas, tenía tuberías que no se congelaban al entrar en la casa, era "ecológicamente sostenible", relativamente ignífugo, insonorizado y tenía un mayor espacio de jardín en comparación con una casa normal en un terreno de tamaño similar. ^{[ 10 ]}

También afirmó que la vista desde una ventana bajo tierra era mejor que la de otras ventanas, y que el suelo que utilizaba en su casa subterránea (láminas de plástico sobre tierra desnuda) era "superior" a lo que se encuentra disponible en otros lugares. ^{[ 10 ]}

Afirmó que incluiría un invernadero incorporado en el diseño. ^{[ 10 ]}

Afirmó que sus casas podrían usarse como refugios antinucleares en caso de guerras nucleares y también sostuvo que, en caso de un colapso social total, su diseño sería más defendible que una casa común ante ataques aleatorios, además de estar mejor oculto de posibles hostiles (sin mapa y sin conocer la zona). Creía que, bajo tierra, los habitantes estarían mejor protegidos de la radiación atmosférica ( lluvia radiactiva ). Dado que su diseño no era impermeable, uno estaría más cerca de una fuente de agua y podría simplemente cavar un pozo en medio de la habitación. ^{[ 10 ]}

Además, afirmó que cualquiera podía construir uno de sus diseños, independientemente de su habilidad o capacidad, por solo 50 dólares. ^{[ 10 ]}

Calefacción y refrigeración pasivas

Debido a su densidad, la tierra compactada actúa como masa térmica , ^{[ 9 ]} lo que significa que almacena calor y lo libera lentamente. El suelo compactado es más un conductor de calor que un aislante. Se afirma que el suelo tiene un valor R de aproximadamente 0,65-R por centímetro (0,08-R por 1 pulgada), ^{[ 18 ]} o 0,25-R por 1 pulgada. ^{[ 9 ]} Las variaciones en el valor R del suelo pueden atribuirse a diferentes niveles de humedad del suelo, con valores R más bajos a medida que aumenta el nivel de humedad. ^{[ 18 ]} La capa más superficial de la tierra suele ser menos densa y contiene los sistemas radiculares de muchas plantas diferentes, actuando así más como un aislamiento térmico , ^{[ 9 ]} lo que significa que reduce la velocidad de flujo de temperatura a través de ella.

Aproximadamente el 50% del calor del Sol se absorbe en la superficie. ^{[ 26 ]} En consecuencia, la temperatura en la superficie puede variar considerablemente según el ciclo día/noche, el clima y, en particular, la estación del año. Bajo tierra, estos cambios de temperatura se atenúan y se retrasan, fenómeno conocido como desfase térmico . Por lo tanto, las propiedades térmicas de la Tierra implican que en invierno la temperatura bajo la superficie será superior a la del aire superficial, y viceversa, en verano la temperatura de la Tierra será inferior a la del aire superficial.

De hecho, a una profundidad suficiente bajo tierra, la temperatura permanece constante durante todo el año, y esta temperatura es aproximadamente la media de las temperaturas de verano e invierno. ^{[ 26 ] [ 18 ]} Las fuentes varían en sus valores declarados para esta temperatura constante de la tierra profunda (también denominada factor de corrección de amplitud). Los valores reportados incluyen 5–6 m (16–20 pies) , ^{[ 25 ]} 6 m (20 pies) , ^{[ 18 ]} 15 m (49 pies) , ^{[ 26 ]} 4,25 m (13,9 pies) para suelo seco, y 6,7 m (22 pies) para suelo húmedo. ^{[ 27 ]} Por debajo de este nivel, la temperatura aumenta en promedio 2,6 °C (5 °F) cada 100 m (330 pies) debido al calor que asciende desde el interior de la Tierra. ^{[ 26 ]}              

Las variaciones de temperatura diurnas entre las temperaturas máximas y mínimas pueden modelarse como una onda, al igual que las variaciones estacionales de temperatura (véase el diagrama). En arquitectura, la relación entre las fluctuaciones máximas de la temperatura externa y la temperatura interna se denomina amortiguación de amplitud (o factor de amplitud de temperatura). ^{[ 25 ]} El desfase es el tiempo que tarda la temperatura externa mínima en alcanzar el interior. ^{[ 25 ]}

Cubrir parcialmente un edificio con tierra aumenta la masa térmica de la estructura. ^{[ 25 ]} Combinado con el aislamiento, esto produce tanto amortiguación de amplitud como desplazamiento de fase. En otras palabras, las estructuras protegidas con tierra reciben cierto grado de refrigeración en verano y calefacción en invierno. ^{[ 25 ]} Esto reduce la necesidad de otras medidas de calefacción y refrigeración, ahorrando energía. ^{[ 4 ]} Una desventaja potencial de un edificio térmicamente masivo en climas fríos es que, después de un período prolongado de frío, cuando la temperatura exterior vuelve a subir, la temperatura interior de las estructuras tiende a retrasarse y tarda más en calentarse (suponiendo que no haya otra forma de calefacción).

La reducción de la infiltración de aire en un refugio subterráneo puede ser ventajosa. Dado que tres de las paredes de la estructura están rodeadas principalmente de tierra, la superficie expuesta al aire exterior es mínima. Esto evita que el aire caliente se escape por las rendijas alrededor de las ventanas y la puerta. Además, las paredes de tierra protegen contra los fríos vientos invernales que, de otro modo, podrían penetrar por estas rendijas. Sin embargo, esto también puede convertirse en un problema potencial para la calidad del aire interior. Una buena circulación del aire es fundamental.

Gracias a la mayor masa térmica de la estructura, el aislamiento térmico del terreno, la protección contra la infiltración de aire no deseada y el uso combinado de técnicas solares pasivas, la necesidad de calefacción y refrigeración adicionales es mínima. Por lo tanto, se produce una drástica reducción en el consumo energético de la vivienda en comparación con las viviendas de construcción tradicional.

• Coober Pedy , Australia Meridional. Pueblo minero con muchos refugios subterráneos. ^{[ 3 ]}
• Cresta relámpago

• Finca Lättenstrasse ("Casas de la Tierra") en Dietikon , de Peter Vetsch.

• Underhill, Holme , West Yorkshire. El primer edificio moderno subterráneo del Reino Unido.
• Proyecto de Viviendas Hockerton , una comunidad de 5 viviendas en Nottinghamshire , Inglaterra . ^{[ 33 ]}
• "The Burrow" en Canterbury , Reino Unido, diseñada por Patrick Kennedy-Sanigar. ^{[ 34 ]}
• En el Reino Unido existen dos casas ecológicas tipo Earthship: una en Fife , Escocia, y la Earthship Brighton en Inglaterra.
• "La Casa Subterránea" en Great Ormside, Cumbria. Refugio de tierra de dos plantas construido en una cantera en desuso. ^{[ 31 ]}
• Malator , Pembrokeshire. Construida para el exdiputado laborista Bob Marshall-Andrews en 1998.
• Undermill , Bushey Heath Watford, Hertfordshire, Edificio moderno subterráneo construido en 1996, 4 dormitorios, 170 m2 en el Reino Unido. ^{[ 35 ]}

• La casa de Bill Gates , a orillas del lago Washington (Medina, Washington, EE. UU.). Este es un ejemplo muy conocido de una casa semienterrada.
• Jardines subterráneos de Forestiere en Fresno, California .
• Underground House Colorado, en Ward, Colorado , era una vivienda subterránea conocida por su diseño arquitectónico.
• Underground House Las Vegas, en Las Vegas , está basado en los diseños de Jay Swayze .
• Underground World Home fue una casa diseñada para la Feria Mundial de Nueva York de 1964 por el arquitecto Jay Swayze .