La familia Jacobs conoce a Frank Lloyd Wright en 1936, fecha en la que se mudan a Madison y encargan a Wright una vivienda modesta, de bajo presupuesto, acorde a su modo de vida. A Wright, reputado arquitecto por proyectos como la casa de la Cascada, le entusiasmó la idea, que le permitió experimentar con su modelo de casa usoniana (5).

Madison se encuentra en Wisconsin, al norte de Estados Unidos (43° 3' 31? N, 89° 26' 29? W). Posee un clima continental húmedo, con temperaturas máximas en verano que oscilan entre 26 y 32º C y en invierno descienden hasta –23º C. Las precipitaciones anuales son de 800 mm, siendo más abundantes en los meses estivales. Los vientos dominantes provienen del SW a NE en invierno y del SE a NW en verano (6), como muestran las Figuras 1a y 1b.

El programa se organiza en una planta con un pequeño sótano para las instalaciones de calefacción y agua caliente sanitaria. La planta baja, con una superficie de 1.550 pies cuadrados (144 m²), se dispone en forma de L, albergando los diferentes usos distribuidos en dos alas. El ala paralela a la vía pública alberga la zona vividera orientada al este con vistas al jardín interior a través de las grandes superficies acristaladas del salón. La otra ala contiene los tres dormitorios, con grandes ventanales orientados al jardín sur y conectados entre sí a través del pasillo norte. La charnela entre las dos alas de la vivienda está integrada por el núcleo de cocina y baño, e instalaciones en el sótano, próximos entre sí para su aprovechamiento (Figuras 2a y 2b).

La vivienda, construida sobre una solera de hormigón, se ubica en la esquina noroeste de la parcela, coincidiendo con la parte más elevada. Sobre la solera se representaron los ejes de una malla constructiva de 2'-0" × 4'-0" (60,9 × 122 cm), que Wright denominó unity system, al cual obedecían todos los elementos constructivos de la vivienda (5).

Los materiales utilizados son ladrillo y madera. La fábrica de ladrillo para el núcleo de la vivienda conforma la chimenea, cocina, baño y el muro sur del salón. Los ladrillos provenían de los descartes de la obra del edificio administrativo de la S. C. Johnson, también en construcción, para disminuir los costes (8). El cerramiento exterior (Figuras 3 y 4) está compuesto por un nuevo sistema diseñado por el arquitecto a base de tableros y listones de madera con un espesor total de 3" (7,6 cm), resultando bastante esbelto.

La cubierta de la vivienda presenta tres niveles diferentes; el ala de dormitorios y garaje abierto con una altura de 7'-0" (213 cm), el salón comedor de 9'-0" (274 cm) y el núcleo central con de 11'-0" (335 cm). La estructura está compuesta por tres vigas de madera de 2 × 4" superpuestas, con un canto total de 12" (27 cm canto final). Respetando el módulo de 2'-0" (60,9 cm), apoyan directamente sobre el muro de fábrica o el cerramiento de madera formando los grandes voladizos tan característicos de Wright, de hasta 4'-0" (122 cm), que disminuyen su espesor a medida que aumenta el vuelo en relación a la fachada.

La diferencia de altura entre los niveles de cubiertas se aprovecha para colocar ventanas que permiten iluminar y ventilar los espacios interiores de la casa (Figura 2b).

La carpintería exterior de madera respeta el módulo existente, estructurándose cada 2'-0" con unos pilares de 2 × 4", coincidiendo con las vigas de cubierta. La carpintería de las fachadas este y sur comprende toda la altura de la vivienda, 7'-0" para los dormitorios y 9'-0" para las puertas del salón, todas practicables, abriéndose completamente a la naturaleza. Sin embargo, las ventanas de las fachadas norte y oeste, con una altura de 1'-0" (30,5 cm) y dispuestas en horizontal con divisiones cada 2'-0", están directamente en contacto con la cubierta. Los vidrios originales de las ventanas provenían de la reutilización de escaparates de locales comerciales, cuidadosamente cortados y limpiados (8), lo cual supuso un ahorro en el coste de ejecución (9).

El sistema de calefacción, al que Wright denominó «Gravity Heat» (Figura 3a), fue el primero por suelo radiante construido en Estados Unidos (5) (10). Se instalaron una serie de circuitos cerrados embebidos en la capa de grava, bajo la solera de hormigón; tres para el ala de dormitorios y cuatro para el salón, compuestos por tuberías de hierro soldadas, de 2" (5 cm) de diámetro, que transportaban vapor de agua calentando la solera y el interior de la vivienda. La fuente de generación de calor del sistema consistía en una caldera de gasóleo situada en el sótano (5) (11) (12).

El diseño y la orientación de la vivienda están fuertemente condicionados por las características climáticas del estado de Wisconsin, como demuestra el tratamiento diferente que Wright otorga a las fachadas (Figuras 5a y 5b):

Además del soleamiento, Wright tuvo en cuenta la dirección de los vientos dominantes para la elección de la orientación y la disposición en L de la vivienda, lo cual representaba grandes ventajas.

Como se aprecia en el esquema de soleamiento del solsticio de invierno (Figura 6a), tanto el ala de la zona vividera como los dormitorios, con orientaciones este y sur, se abren al jardín a través de la fachada acristalada aprovechando las ventajas del sol en cuanto a calefacción e iluminación naturales. Wright tuvo en cuenta la inclinación del sol en invierno para la dimensión y retranqueo de los voladizos, permitiendo, en invierno, la entrada de radiación solar en el interior de las estancias (Figura 6a). La zona de los dormitorios queda protegida de la fachada fría norte mediante el pasillo que los comunica. El sistema de calefacción compuesto por el sol, el sistema «Gravity Heat», la chimenea y el aprovechamiento de la inercia térmica de la solera de hormigón y la fábrica de ladrillo, resultaba uno de los sistemas de calefacción más agradables, según la propietaria, Katherine Jacobs (5), afirmando que el confort interior en días soleados podía alcanzarse con 10º F menos (5,5º C) que en una vivienda convencional. Sin embargo, en los días gélidos de invierno, un jersey y la chimenea eran imprescindibles. En cuanto al jardín Wright planificó una serie de árboles para proteger la vivienda de los fríos vientos invernales, predominantes del SW.

En verano las fachadas este y sur reciben radiación solar durante gran parte del día (Figura 6b). Sin embargo, a medida que el sol se eleva las superficies acristaladas quedan protegidas por los grandes voladizos (Figura 6b). Wright orientó la vivienda en función de los vientos dominantes: en verano, para evitar la acumulación de aire caliente en el interior, todas las ventanas son practicables y a través de la ventilación natural cruzada y nocturna consigue una disminución de temperaturas tanto en el salón como en los dormitorios. Igualmente se sirvió de la inercia térmica de los materiales; la solera de hormigón y la masa de ladrillo del núcleo central se enfrían durante la noche ayudados por la ventilación natural, refrescando el interior de la vivienda durante las primeras horas del día.

La disposición de la cocina abierta al espacio del comedor y conectada visualmente al jardín a través de la ventana corrida suponía una novedad frente a la tipología residencial de cocina cerrada de la época. Aprovechando la diferencia de niveles de las cubiertas, Wright diseña una serie de ventanas altas orientadas al sur y este que aportan iluminación natural y permiten ventilar la cocina y el baño, evitando que el aire viciado llegue al salón.

Este primer análisis demuestra que Wright diseñó la vivienda siguiendo principios de arquitectura bioclimáticos, prediciendo una mejora sobre el confort térmico interior (7). Para poder comprobarlo de forma empírica se ha optado por la modelización y simulación energética (13) (14), empleando los programas Revit (15) para el modelo y Design Builder (16), que utiliza el motor de simulación de Energy Plus (17) (18) (19).

El análisis realizado en el capítulo anterior muestra cómo la orientación original presenta teóricamente ventajas sobre el confort interior, tanto en verano como en invierno. Para comprobarlo se han llevado a cabo simulaciones con 8 orientaciones diferentes, partiendo de la original y girando la vivienda 45º hasta alcanzar de nuevo la posición inicial.

El primer análisis concluye que la dimensión y disposición de los voladizos favorece el confort interior en los meses calurosos de verano, sin detrimento en invierno. Para analizar este supuesto y medir su influencia sobre la temperatura interior se han realizado simulaciones con y sin voladizos, en verano y en invierno.

La Gráfica 3 muestra que la temperatura interior de la vivienda con voladizos presenta siempre datos más bajos, alcanzando una diferencia máxima de 2,50º C el día 3 a las 12:00 h.

Los resultados de las simulaciones de invierno con y sin voladizos son prácticamente iguales, demostrando que su situación y dimensión no presenta un efecto negativo sobre la temperatura interior, y permite que la vivienda se beneficie de la radiación solar durante el día.

A priori, se ha supuesto que la inercia térmica de los materiales empleados por Wright, la fábrica de ladrillo de la chimenea y los muros de cerramiento, junto con el hormigón de la solera, disminuye el impacto de la fluctuación térmica exterior. Para medir su influencia sobre la temperatura interior y basándose en los estudios de Givoni (22), se han realizado tres simulaciones: estado original de la vivienda, un modelo con menor inercia térmica con todos los cerramientos exteriores y el forjado de planta baja de madera, y, por último, la opción de mayor inercia térmica sustituyendo los cerramientos originales de madera por fábrica de ladrillo (Tabla 2). Design Builder considera las propiedades térmicas de los materiales para las simulaciones, como conductividad, calor específico y emisividad (16).

En la Gráfica 4a se observa que la opción de vivienda con mayor inercia térmica presenta las menores temperaturas máximas y la menor oscilación día-noche. Mientras la vivienda de madera con menor inercia térmica presenta una mayor oscilación de temperaturas y las máximas más elevadas, con una diferencia con el estado original de hasta 2,80º C y con la opción de mayor inercia térmica de 4º C. Las temperaturas del estado original son ligeramente más elevadas que las de la vivienda de ladrillo, alcanzando una diferencia máxima de hasta 1,20º C, día 5 a las 15:00 h, siendo la temperatura exterior de 33,85º C. En estas dos opciones el desfase de la onda térmica es de 4 horas en los días 5 y 6 más calurosos, sumado al efecto positivo de la ventilación natural consiguen reducir la temperatura máxima interior.

En la Gráfica 4b se observa que la opción de mayor inercia térmica presenta las temperaturas máximas menores con una diferencia máxima de 1,6º C en relación con la vivienda original y de 4º C con la opción de menor inercia térmica. Sin embargo, presenta las mínimas más elevadas; de nuevo, menor oscilación. La opción con menor inercia térmica, gracias a la chimenea, alcanzando las temperaturas máximas más elevadas, con una diferencia máxima con la vivienda original de 2,5º C, sin embargo, presenta las mínimas menores, siendo la oscilación térmica mayor. La gráfica de temperaturas del estado original, al igual que en verano, permanece entre las dos opciones. Hay que considerar que el consumo energético en calefacción es el mismo para las tres simulaciones.

Si bien en verano la vivienda de ladrillo podría considerarse la más favorable, en invierno presenta los datos más desfavorables. La opción con menor inercia térmica, favorecida por el efecto de la chimenea, presenta las temperaturas máximas más elevadas en invierno pero también en verano. La vivienda en su estado original, combinando de forma inteligente madera y ladrillo (Figura 9) presenta resultados medios, aprovechando las ventajas de los materiales tanto en verano como en invierno. La masa de ladrillo del núcleo central almacena el calor de la chimenea y lo cede al ambiente incluso cuando ésta se apaga. Los muros sur y la solera de hormigon, por su orientación, reciben radiación del sol en invierno prácticamente todo el día, emitiéndolo al interior durante el atardecer. En verano el núcleo central en el interior de la vivienda no recibe radiación solar, y los voladizos protegen los muros sur y la solera. Durante la noche estos elementos, que no se han sobrecalentado, se enfrían gracias a la ventilación nocturna, refrescando la vivienda durante la mañana.

A continuación se presenta la Tabla 3 con los resultados más representativos de cada simulación. Se ha señalado la diferencia de temperatura interior de las variables analizadas, destacando la acción de la ventilación natural sobre la temperatura interior que supone un descenso de hasta 4,5º en los días calurosos de verano.