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Introducción
Las ciudades son centros vitales para el crecimiento económico ya que contribuyen a cerca del 60 % del pib mundial, pero al mismo tiempo, representan alrededor del 75 % de las emisiones de carbono, el 60 % del uso de recursos y entre el 70-80 % del consumo de energía a nivel global (Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo [PNUD], 2022). El Programa de las Naciones Unidas para los Asentamientos Humanos (UN-Habitat, 2022), en su Informe Mundial de Ciudades 2022, estima que en el 2021 el 56 % de la población mundial se concentraba en zonas urbanas y que este porcentaje aumentará al 68% para el 2050. En consecuencia, dicho crecimiento acelerado genera una serie de desafíos urbanos para el desarrollo sustentable de las ciudades (Shen et al., 2017).
Aunado a la alta concentración de personas, otros factores que dificultan el desarrollo sustentable urbano son la ubicación geográfica, las condiciones climáticas de la zona, el sector socioeconómico y la calidad de las edificaciones, lo cual puede incrementar la vulnerabilidad hacia el cambio climático y los desastres naturales (Novillo, 2018; Duque y Montoya, 2021). Una de las consecuencias que ha generado dicha vulnerabilidad es conocida como el efecto de isla de calor urbano, el cual se puede definir como el aumento de la temperatura ambiental urbana resultado del almacenamiento de energía durante el día por la absorción de radiación solar en las superficies artificiales tales como edificaciones, estructuras de concreto y pavimento (Marincic, 2022).
La isla de calor urbano tiene repercusiones directas en la economía debido al aumento en la demanda de sistemas de enfriamiento como aires acondicionados, y un excesivo consumo energético en las edificaciones (Garnica, 2020); en el ambiente, debido a la modificación de las propiedades de las superficies naturales aumentando la absorción de la radiación solar y disminuyendo la capacidad de evaporación y enfriamiento nocturno (Gunawardena et al., 2017), y también tiene repercusiones directas en el confort, la salud humana y en la calidad de vida al incrementar la temperatura urbana y los golpes de calor (Cuadrat et al., 2022).
Con base en lo anterior, se ha estudiado la eficiencia de varias estrategias para la reducción de las altas temperaturas tales como: la adecuada morfología de los espacios abiertos (Arellano y Roca, 2018), cuerpos de agua (Yang et al., 2022), superficies con mayor albedo (Önder y Akay, 2014), el uso de elementos de sombreado tal como pérgolas que reducen la radiación solar hacia las superficies (Graça et al., 2022), materiales y sistemas que minimicen el impacto térmico al interior de los espacios (Borràs et al., 2022; Chihab et al., 2022), fachadas verdes (Suárez et al., 2020) y estrategias sustentables en azoteas, tal como la doble cubierta ventilada (Kumar et al., 2021).
Asimismo, los techos verdes han demostrado ser un método eficiente en la reducción de la temperatura interior y el consumo energético (Khotbehsara et al., 2019), en contribuir a la economía local y global (Green et al., 2016), y en mejorar la salud física y mental de las personas elevando la calidad de vida urbana (Allen et al., 2018; Delgado, 2018). Un techo verde es cualquier elemento vegetal colocado parcial o totalmente sobre la azotea (Jim, 2017) y se compone de cinco principales componentes: membrana impermeabilizante, elemento drenante, elemento filtrante, sustrato de suelo y cobertura vegetal (dos Santos et al., 2019; Feitosa y Wilkinson, 2020).
Dentro de las investigaciones en sustentabilidad se han estudiado diversas variaciones en los diseños de los techos verdes con el fin de mejorar su rendimiento conforme a las condiciones específicas del proyecto, tal es el caso realizado por La Roche et al. (2020) donde incorporan un techo verde con el sistema de ventilación nocturna y sistema de irrigación. Broekhuizen et al., (2021) estudiaron cuatro diferentes modelos hidrológicos en techos verdes para establecer el mejor control de agua pluvial. Sheng et al. (2011) trabajaron con la integración del techo verde, la recolección de agua pluvial y un sistema fotovoltaico. Aunado a esto, la Tabla 1 muestra estudios que se han realizado en la búsqueda del mejoramiento de confort térmico mediante techos verdes.
Tabla 1 Estudios del techo verde para el mejoramiento del comportamiento térmico
| Referencia | CcK | Estudio | Resultados |
|---|---|---|---|
| Aboelata, 2021. | BWh | Evaluar el efecto de los techos verdes en la reducción de la temperatura del aire exterior y la demanda de enfriamiento de los edificios dentro de la zona urbana. | Los techos verdes extensivos demostraron reducir la temperatura del aire de 0.1-1.7 K y la energía para enfriamiento de 3.2-13.3%. |
| Bevilacqua et al., 2020. | Csa | Simulación dinámica mediante el software TRNSYS para el estudio de temperaturas en un techo verde experimental con modelo aislado y no aislado. | Mejoramiento del confort térmico interior en el invierno de 2 kW y una reducción de demanda energética en calefacción de 28.2%. |
| Cai et al., 2019. | Cfa | Investigación experimental y un análisis de simulación numérica en el ahorro energético y beneficios ecológicos de los techos verdes durante el invierno y el verano. | La simulación del consumo energético estimó que los techos verdes por metro cuadrado ahorran 11.53 kWh por año. |
| dos Santos et al., 2019. | BSk | Estudio de la mitigación del confort térmico y escasez de agua mediante un techo verde. | Se obtuvo que en promedio se reduce hasta 0.8 °C al interior del espacio con techo verde. |
| He et al., 2020. | Cfa | Comparación del comportamiento térmico de un techo verde, un techo frío y un techo común en verano e invierno y una simulación con el software THERB. | En verano el techo frío tuvo una reducción de 3.3°C contra 2.9°C del techo verde, sin embargo, en invierno el techo verde tuvo un promedio de 3.3°C. |
| Krebs y Johansson, 2021. | Cfa | Comparación de dos techos verdes bajo dos microclimas distintos mediante la simulación en ENVI-met y Energy Plus para calcular el confort térmico al interior de los espacios. | La reducción de temperatura sin ningún tipo de sombra fue de 2.8 °C, sin embargo, con sombreado de árboles fue de 4.3°C. |
| Mungur et al., 2020. | Aw | Evaluar el efecto del techo verde sobre las fluctuaciones de la temperatura interior, los flujos de calor conductivo y la temperatura interior máxima diaria. | El flujo de calor máximo al día en techo normal varió de 0.4797 - 2.5190 W/m2 mientras que, para el techo verde, varió de 0.2090 - 0.5312 W/m2. |
Notas: CcK-Clasificación climática Köpen, BWh-árido cálido, Csa-Templado mediterráneo cálido, Cfa-Templado húmedo cálido, BSk-Semiári-do frío, Aw-Tropical sabana.
En el presente documento se plasma un estudio de campo donde se analiza el comportamiento de la temperatura bulbo seco, temperatura de superficies de losa y humedad relativa al interior de un prototipo de techo verde en comparación de un módulo base. Los prototipos se localizan en la azotea de una vivienda de un nivel ubicada en Hermosillo, Sonora, la cual es una ciudad con un clima cálido seco (BWh) de acuerdo con la clasificación climática de Köppen, el cual se caracteriza por tener una intensa radiación solar, temperaturas extremadamente altas en verano y escasas precipitaciones (López, 2020). Los prototipos se pusieron a prueba en los días del año con temperaturas más altas, con una temperatura promedio máxima ambiente medida durante el experimento de 42°C.
Diseño metodológico
Este estudio se desarrolló siguiendo las cinco fases que se muestran en la Figura 1, con base en las investigaciones desarrolladas por Ma’bdeh et al. (2022), Abdalazeem et al. (2024), la Roche et al., (2020). Primeramente, en la fase uno se investigó el estado del arte de techos verdes estudiados por medio de prototipos y simulaciones en los últimos 10 años en climas cálidos, donde se resumieron datos geográficos, datos de medición y características principales de los prototipos. En la fase dos, con base en la comparativa del estado del arte y bajo criterio de las características de la zona de estudio, se definió el diseño del prototipo: dimensiones, componentes y materiales, junto con las especificaciones del diseño del método experimental: tipo, cantidad, ubicación y programación de los sensores para la medición de variables. Durante la fase tres se construyeron los módulos y el techo verde en el lugar de estudio, aunado a esto, se programaron y se colocaron los sensores seleccionados y se realizaron pruebas para la verificación de su correcta instalación. Durante la fase cuatro se recolectaron los datos de las variables del 1 al 11 y del 13 al 25 de junio del 2023. Finalmente, en la fase cinco se analizaron los datos obtenidos con respecto al comportamiento térmico del prototipo de techo verde en comparación con el módulo base.
Fuente: elaboración propia.
Nota: MB-Módulo base, PV- Prototipo verde
Figura 1 Esquema de la metodología desarrollada en este documento
Área de estudio
El estudio se llevó a cabo en la ciudad de Hermosillo, Sonora, donde hay un clima cálido seco (BWh) y tiene la característica de presentar altas temperaturas en verano, tal como se muestra en la Figura 2, la temporada de altas temperaturas dura aproximadamente cuatro meses: del 22 de mayo al 20 de septiembre y la temperatura máxima promedio diaria es de más de 37°C.
Los prototipos se localizan en la azotea del primer nivel de una vivienda ubicada al norte de la zona urba na como lo muestra la Figura 3, con coordenadas 29° 8’ 24.65’’ N, 110° 58’ 46.70’’ O. Se construyeron y armaron en el sitio de estudio, donde se colocaron de manera estratégica para que recibieran la misma cantidad de radiación solar durante el día sin tener obstáculos que proyectaran sombra sobre ellos.
Diseño experimental y construcción de prototipos
Se realizó una investigación del estado del arte y se elaboró una tabla comparativa de aquellas investigaciones que utilizaron módulos de prueba para estudiar el techo verde en lugares con climas cálidos y áridos. Se recopiló y resumió la información sobre sus componentes, las variables medidas y los instrumentos utilizados, junto con las dimensiones de estos y los materiales utilizados.
En la Tabla 2 se puede observar que las variables medidas por la mayoría de las investigaciones son la temperatura y la humedad relativa mediante termopares y sensores. La altura promedio de los módulos es alrededor de 0.50 m de altura y la mayoría realizó la investigación sobre losas de concreto y muros con aislante térmico.
Tabla 2 Investigaciones de prototipos de techo verde en climas cálidos
| Referencia | Prototipo | Variable | Instrumento | Medidas | Materiales |
|---|---|---|---|---|---|
| Sahagun, 2019 | Techo verde desértico. | Promedio T máx, media y min interior y del ambiente. | Termopar Onset Hobo con precisión de ±0.1ºC sensores tipo TMC6-HD. | 1.81 m x 1.81 m x 0.16 m | Losa 5 cm de concreto armado, muro hoja de yeso, poste metálico y placa de poliestireno pintado blanco. |
| Alvarado et al., 2017 | Cubierta Ecológica. | Temperatura y humedad relativa. | Dickson TH800. | 0.50 m x 0.50 m x 0.30 m | Losa de concreto f'c=200 kg/cm2 y muros de madera de 1 pulgada espesor. |
| García, 2021 | Cuatro techos verdes extensivos. | Temperatura y humedad relativa. | Elitech RC-51H PDF USB. | 1.00 m x 1.00 m x 0.30 m | Losa de concreto. |
| Wang et al., 2017 | Techo verde con sistema de riego. | Temperatura, riego y termografía infrarroja. | Termopar y software Elitech Elitech RC-4 y cámara infrarroja YRH600 | 1.00 m x 0.65 m x 0.30 m | Losa de concreto reforzado de 12.50 mm, muros con marco de polipropileno con 220 mm de profundidad. |
| La Roche y Berardi, 2014 | Cuatro techos verde con aislamiento. | Temperatura. | Sensors Onset Thermistors precisión ±0.5 °C | 1.20 m x 1.20 m x 1.20 m | Losa de concreto de 3.8 cm, muros panel de yeso y madera contrachapada 5 cm de espesor y pintura blanca. |
| Rodríguez, 2017 | Doble cubierta ventilada. | Temperatura y humedad relativa. | 3 data loggers tipo USB marca Ampere modelo EL-USB-2 | 0.80 m x 0.80 m x 0.47 m | Losa de concreto armado 12 cm espesor y muros de MDF 9 mm, placas de 5 cm de poliestireno y pintado de blanco. |
| Jiang y Tang, 2017 | Techo verde extensivo y ventilación Natural. | Temperatura ambiental, suelo, humedad relativa y radiación solar. | Termopar tipo T, Sensor solar Onset S-LIB-M003, Sensor AP471 S2 | 1.30 m x 1.0 m x 0.90 m | Losa de concreto 15 cm espesor, muros de ladrillo 24 x 11.5 x 5 cm con aislamiento de polietileno. |
Fuente: elaboración propia.
Módulo base
Se diseñaron y construyeron dos módulos con las mismas características para poder comparar el comportamiento térmico de un módulo con techo verde y otro sin techo verde, tal como se observa en la Figura 4. Ambos tienen una dimensión de 0.60 m de ancho, 0.74 m de largo y 0.50 m de altura, con una losa de concreto f’c= 200 kg/cm2, reforzado con malla electrosoldada de 15 cm en ambos sentidos, con dimensión de 0.50 m x 0.60 x 0.07 m de espesor la cual se coló en sitio y se colocó sobre los barrotes de la estructura interna. Los muros son a base de poliestireno expandido de 6 cm de espesor, unidos en las esquinas a barrotes de madera de 5 cm x 5 cm, mediante silicón frío, para soportar la losa de concreto, se colocaron placas de MDF de 3 mm al exterior para evitar la transferencia de calor y proveer de aislamiento contra fenómenos naturales exteriores, sobre este se le aplicó impermeabilizante acrílico a los muros y la losa para impedir la filtración de agua y humedad al interior de los módulos. En la base se colocó una placa de poliestireno expandido de 3 cm de espesor para evitar la transferencia de calor con la azotea de la edificación.
Techo verde
Se procedió a construir el prototipo de techo verde sobre uno de los módulos, como lo muestra la Figura 5, donde se utilizaron dos jabas de plástico de 30 cm de ancho x 50 cm de largo de base. Para la capa filtrante se utilizó malla geotextil dejando fluir el excedente de agua evitando que el sustrato salga por los huecos de las jabas. El sustrato utilizado es a base de humus de lombriz, composta casera y tierra orgánica para un mejor desarrollo de la flora, con un espesor de 10 cm ya que es la característica de un techo verde extensivo donde la flora seleccionada se pueda desarrollar óptimamente. Se escogió utilizar una planta del género kalanchoe conocida también comúnmente como mala madre, por las propiedades que posee adecuadas a las condiciones climáticas de la región, requiere poca agua y poco mantenimiento, lo que la hace un excelente elemento para los techos verdes en climas cálidos. Se decidió hacer un riego manual de 1 litro de agua al día a las 19:00 horas.
Dispositivos de medición
Las variables que se midieron son la temperatura de superficie, temperatura de bulbo seco, humedad relativa mediante distintos sensores desglosados en la Tabla 3, donde se puede observar su resolución y precisión.
Tabla 3 Características de los instrumentos de medición
| Variable | Sensor | Resolución | Precisión | |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Temperatura superficie | 3-Channel Temperature Datalogger Extech SD200 | 0.1 ° C | ± (0.5% + 0.5°C) |
| 2 | Temperatura bulbo seco Humedad relativa |
Elitech RC-4 | 0.1 ° C | ± (0.5% + 0.5°C) |
| 3 | Temperatura de objetos | Cámara termográfica FLIR E5-XT | NA | ±2 °C |
Fuente: elaboración propia.
En la Figura 6 se muestra dónde se colocaron los sensores. Para medir la temperatura de superficie de la losa, se colocó un sensor 3-Channel Temperature Datalogger Extech SD200 en el lecho inferior y otro en el lecho exterior de la losa. Para la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa se utilizaron sensores Elitech RC-4, los cuales se colocaron colgados a 15 cm de la losa al interior de cada prototipo, otro se colocó a la intemperie bajo sombra para conocer la temperatura ambiente y un cuarto sensor se colocó entre las plantas para tener la comparación de esos cuatro escenarios y poder comparar su comportamiento térmico. Las fotos termográficas se tomaron de manera manual desde el exterior.
Medición de variables
Las mediciones se tomaron a cada 10 minutos, los cuales después se promediaron por hora, estas se realizaron en dos etapas: del 01 al 11 y del 13 al 25 de junio del 2023. Estas fechas son días completos de 24 horas por lo que el inicio de las mediciones se realizó el 31 de mayo hasta el 12 de junio en la primera etapa y del 12 de junio al 26 de junio del mismo año. Dos veces al día se realizaban chequeos de que los sensores estuvieran recopilando datos y tuvieran la misma cantidad de mediciones. Durante el periodo del 01 al 11 de junio, a las 15:00 horas, se tomaron dos fotografías con la Cámara FLIR E5-XT, la cual con la termografía infrarroja detecta la radiación infrarroja emitida por los objetos y la convierte en una imagen térmica visible mostrando las variaciones de temperatura en diferentes colores, las áreas más calientes en colores cálidos y las áreas frías en colores fríos como el azul.
RESULTADOS
Temperatura Bulbo seco y humedad relativa
Los sensores Elitech RC-4 registraron mediciones a cada 10 minutos, sumando 3,456 mediciones por sensor. Para un mejor análisis del comportamiento general, se calcularon los promedios diarios de temperatura y humedad relativa de cada sensor, estos datos se presentan de manera concisa en la Figura 7, donde se observa el comportamiento del promedio diario de la temperatura bulbo seco y la humedad relativa dentro del módulo base y del prototipo verde, así como debajo de las plantas y las condiciones ambientales exteriores. Además, se observa que la temperatura dentro del módulo base es superior a la temperatura ambiente, indicando una acumulación de calor que no se disipa adecuadamente. Aunado a esto, se observa un decremento en la humedad relativa los últimos siete días de mediciones, lo cual concuerda con el aumento de la temperatura registrada. Los promedios diarios de temperatura de bulbo seco del módulo base y el prototipo verde fueron sometidos a ANOVA y una prueba t de student resultando una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de los dos grupos de datos a p <0.05.
Tabla 4 Abreviaturas utilizadas
| Abreviatura | Significado |
|---|---|
| AE-BS-Prom | Promedio de temperatura bulbo seco de ambiente exterior |
| MB-BS-Prom | Promedio de temperatura bulbo seco del módulo base |
| MB-SI-Prom | Promedio de temperatura superficie interior de losa del módulo base |
| MB-SE-Prom | Promedio de temperatura superficie exterior de losa del módulo base |
| PV-BS-Prom | Promedio de temperatura bulbo seco del prototipo verde |
| PV-SI-Prom | Promedio de temperatura superficie interior de losa del prototipo verde |
| PV-SE-Prom | Promedio de temperatura superficie exterior de losa del prototipo verde |
| AP-BS-Prom | Promedio de temperatura bulbo seco del área plantas |
| AE-HR-Prom | Promedio humedad relativa de ambiente exterior |
| MB-HR-Prom | Promedio humedad relativa del módulo base |
| PV-HR-Prom | Promedio humedad relativa del prototipo verde |
| HSCT-MB | Horas sin confort térmico módulo base |
| HSCT-PV | Horas sin confort térmico prototipo verde |
| TSI-MB-Max | Temperatura superficie interior losa máxima del módulo base |
| TSI-PV-Max | Temperatura superficie interior losa máxima del prototipo verde |
| TAE-MAX | Temperatura ambiente exterior máxima |
Fuente: elaboración propia.
Se obtuvo una diferencia de hasta 5°C entre el módulo base y el prototipo con techo verde en el promedio diario, el cual concuerda con la investigación realizada por Jiang y Tang (2017), donde obtuvo una disminución de 5.7°C al estudiar techos verdes extensivos con ventilación nocturna mecánica y 5.0°C con ventilación natural en comparación a su prototipo de prueba y al resultado obtenido por He et al. (2016), donde obtuvo hasta una disminución de 5°C en el interior del techo verde. Sin embargo, este resultado es mucho mayor a la conclusión realizada por Jamei et al. (2023) donde en su trabajo de investigación de la literatura de techos verdes, destacan una reducción de 2.5°C de temperatura interior mediante la implementación de techos verdes extensivos que fue el aplicado en esta investigación.
Para una mayor apreciación de los cambios de temperatura y humedad relativa durante las 24 horas del día, se realizó la gráfica de la Figura 8, donde se representa el comportamiento de temperatura de bulbo seco durante cinco días, del 21 al 25 de junio, allí se observa como el comportamiento al interior del prototipo verde mantiene un rango entre 28°C y 42°C como máxima, mientras que el módulo base alcanzó mínimas de 26°C, pero con máximas de 55°C.
Fuente: elaboración propia.
Figura 8 Promedios horarios de temperatura de bulbo seco y humedad relativa
Se realizó un gráfico de dispersión para mostrar la relación entre la temperatura exterior ambiental promedio diaria y la temperatura al interior promedio diaria de los dos prototipos. La Figura 9 presenta una correlación fuerte entre las variables dependiente e independiente, donde el coeficiente de correlación más fuerte es de 0.9803 del módulo base con respecto a la temperatura ambiental, seguido por el prototipo verde con un coeficiente de 0.963 y entre plantas de 0.8564. Se observa que las pendientes presentan un comportamiento similar, sin embargo, la pendiente es mayor en el módulo base en comparación con el prototipo verde. Esto sugiere que las variaciones de la temperatura exterior promedio diaria influyen de manera similar en las variaciones de la temperatura interior de los dos prototipos.
Temperatura de superficies
En la Figura 10 se observan los promedios diarios de la temperatura de superficie de la losa medidos por los sensores 3-Channel Temperature Datalogger Extech SD200, junto con la temperatura ambiental externa. En donde se puede observar una significativa diferencia en el comportamiento térmico entre el módulo base y el prototipo verde, obteniendo hasta 4°C menos de diferencia entre ambos, añadiendo que el módulo base tuvo un comportamiento térmico similar a la temperatura ambiental externa. Los promedios diarios de temperatura de superficie de la losa del módulo base y el prototipo verde fueron sometidos a ANOVA y una prueba t de student resultando una diferencia estadísticamente significativa entre las medias de los dos grupos de datos a p <0.05.
Con el fin de profundizar en el análisis de las fluctuaciones de temperatura, se ha elaborado la Figura 11 que presenta el comportamiento térmico de las dos losas en su interior, contrastándolo con la temperatura ambiente exterior durante un periodo de cinco días, del 21 al 25 de junio. Esta representación visual revela que el techo verde logra reducir significativamente la temperatura de la superficie en comparación con el entorno exterior.
Además, se aprecia un marcado descenso en relación con la temperatura registrada en el interior de la losa del módulo base, lo que indica menor acumulación de calor al interior y, por ende, un mayor nivel de confort térmico. Resaltando que durante el horario nocturno se obtuvo una menor temperatura al interior del módulo base en comparación al prototipo verde, este comportamiento también se observa en los resultados obtenidos por García (2021), lo que sustenta la capacidad del techo verde para mantener la temperatura interior dentro de un rango de confort.
Al igual que en el caso de la temperatura ambiente, se ha elaborado un gráfico de dispersión para explorar la relación entre la temperatura ambiental externa promedio diaria y la temperatura inferior promedio diaria de las dos losas. En la Figura 12 se presentan las líneas de tendencia junto con los coeficientes de correlación correspondientes, y aunque los coeficientes son inferiores a los de la temperatura de bulbo seco, aún indican una correlación fuerte entre las variables dependiente e independiente. En detalle, se observa un coeficiente de correlación de 0.9627 para el módulo base y de 0.9341 para el prototipo verde, lo que sugiere una relación significativa entre la temperatura ambiental exterior y la temperatura en el interior de las losas.
Resultados generales de temperatura y humedad relativa
A partir de los resultados obtenidos, se ha generado la Tabla 5 para resumir el comportamiento tanto del módulo base como del prototipo verde en relación con el ambiente externo. En esta tabla, se destaca una mayor estabilidad en la desviación estándar de la temperatura promedio del prototipo verde en comparación con el módulo base.
Tabla 5 Resumen de datos obtenidos
| Análisis estadístico | AE | MB-BS | MB-SI | MB-SE | PV-BS | PV-SI | PV-SE |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Temperatura promedio (°C) | 32.46 | 34.68 | 32.84 | 33.01 | 30.65 | 29.26 | 28.68 |
| Desviación estándar de temperatura prom. | 3.49 | 3.15 | 3.29 | 3.43 | 2.69 | 2.59 | 2.61 |
| Temperatura prom. de las mínimas (°C) | 24.02 | 24.13 | 20.94 | 20.67 | 25.84 | 23.81 | 24.14 |
| Temperatura prom. de las máximas (°C) | 41.99 | 47.47 | 48.34 | 49.81 | 35.74 | 34.18 | 32.78 |
| Humedad relativa promedio (%) | 23.28 | 20.71 | - | - | 20.61 | - | - |
| Humedad relativa prom. de las min. (%) | 11.36 | 10.91 | - | - | 10.59 | - | - |
| Humedad relativa prom. de las máx. (%) | 41.06 | 34.99 | - | - | 35.83 | - | - |
| Factor de decremento temperatura prom. | - | 1.30 | 1.53 | - | 0.55 | 0.58 | - |
| Tiempo de retardo de temperatura máx. (h) | - | 1.83 | 1.16 | - | 4.16 | 4.86 | - |
Fuente: elaboración propia.
Temperatura promedio de las mínimas y de las máximas
Se observa que el prototipo con techo verde registra una temperatura promedio de las máximas más baja que el módulo base, lo que indica una menor transferencia de calor hacia el interior del prototipo verde resultando en mayor estabilidad de las temperaturas internas. Sin embargo, también se aprecia un promedio de las temperaturas mínimas más elevado en el prototipo verde, lo que sugiere que el techo verde impide el enfriamiento radiactivo nocturno, es decir, cuando se tienen cielos despejados, el techo verde impide a la losa de concreto radiar hacia el cielo. Estos hallazgos reflejan la efectividad del techo verde para regular la temperatura interna, tener rangos más estables y reducir la transferencia de calor en comparación con el módulo base.
Humedad relativa promedio de las mínimas y de las máximas
Los promedios de las mínimas obtenidos de la humedad relativa fueron muy similares entre el ambiente externo, dentro del módulo base y dentro del prototipo verde, lo que es representante del clima cálido seco donde se ubica el estudio. Por otro lado, el ambiente externo presentó variaciones más amplias de humedad relativa, con un pico máximo significativamente más alto que el módulo base y el prototipo verde, los cuales mostraron humedades máximas cercanas entre sí, con el prototipo verde ligeramente superior. Estas observaciones sugieren que componentes de los prototipos moderan las variaciones de la humedad relativa del exterior, siendo el techo verde una opción efectiva para mantener un nivel de humedad más estable.
Factor de decremento de temperatura promedio
El factor de decremento (FD) de las temperaturas promedio se calcula mediante la diferencia entre la temperatura máxima (Tmax) y la temperatura mínima (Tmin) dividida por la diferencia entre la temperatura máxima ambiental (TmaxAE) y la temperatura mínima ambiental (TminAE) diaria (1), este factor proporciona una medida de cómo varían las temperaturas con el tiempo (Kontoleon y Bikas, 2007). Como se muestra en la Figura 13, el módulo base, con un FD de 1.3 en comparación con el valor de 0.55 del prototipo verde, indica que la temperatura dentro del módulo base se ajusta más rápidamente a los cambios en la temperatura ambiente, mientras que el prototipo verde muestra un ajuste más lento. Resultando en temperaturas mínimas interiores ligeramente mayores que las mínimas exteriores, y temperaturas máximas interiores significativamente inferiores a las máximas exteriores, lo que se puede observar en la investigación realizada por La Roche y Berardi (2014), donde concluye que el aislamiento que provee el techo verde limitó las fluctuaciones de temperatura durante la noche, obteniendo una temperatura de 2°C más cálido.
Tiempo de retardo de temperatura máxima
Además, se calculó el tiempo de retardo para alcanzar la temperatura máxima promedio en horas. Se observó que el módulo base tarda aproximadamente 1.83 horas en alcanzar su temperatura bulbo seco interior máxima en comparación con la temperatura máxima ambiental externa registrada. En contraste, el techo verde presenta un tiempo de retardo de aproximadamente 4.16 horas para alcanzar su punto máximo. Con respecto a las temperaturas superficiales de la losa, como se muestra en la Figura 14, se obtuvo una temperatura máxima en la superficie interior de la losa del módulo base cerca de las 13:00 con un retardo de 1.16 horas, mientras que, en la superficie interior de la losa del prototipo verde, la temperatura máxima sucedió alrededor de 17:00 con un tiempo de retardo de 4.86 horas. Lo que representa una diferencia en el comportamiento térmico, ampliando el rango de confort térmico dentro del prototipo verde. Este resultado se puede comparar con los obtenidos por Rodríguez (2017) donde obtuvo la temperatura promedio máxima de la superficie interior con techo verde a las 17:00 horas.
Confort térmico
Para definir los límites de la zona de confort térmico, se utilizó la investigación de Marincic (2012), en la cual establece para la ciudad de Hermosillo, Sonora, una temperatura de neutralidad de 32.2°C y un rango de confort térmico de 29.7°C para el límite inferior y 34.7°C para el límite superior durante el verano. A partir de los 576 promedios horarios obtenidos por hora de la temperatura de bulbo seco en los prototipos, se elaboró el gráfico de la Figura 15 para representar los resultados obtenidos en el módulo base y el prototipo verde en términos de horas dentro del rango de confort térmico.
Se observó que el módulo base registró un 18.75 % de tiempo dentro del rango, mientras que un 35.42 % estuvo por debajo y un 45.83 % por encima de este rango. En contraste, el prototipo verde demostró tener un 42.71 % de tiempo dentro del rango de confort térmico, un 40.45 % por debajo de este y un 16.84 % por encima del límite superior. Estos resultados evidencian la capacidad del techo verde para mejorar el confort térmico de una edificación en una ciudad con clima cálido y seco, incluso en temporadas con temperaturas máximas por encima de los 40°C.
Cámara Termográfica
Se ha incluido la Figura 16, que muestra dos imágenes capturadas con una cámara termográfica FLIR E5-XT. En la primera imagen, el foco con la temperatura máxima se sitúa sobre la losa del módulo base, registrando una temperatura de 59.2°C. En la segunda imagen, el foco con la temperatura mínima se encuentra debajo del prototipo de techo verde, con una temperatura de 40.1°C. Estas fotografías fueron tomadas a las 15:00 el 25 de junio de 2023 y proporcionan una representación visual clara de las diferencias de temperatura.
Como se observa, las cámaras termográficas no solo revelan las diferencias de temperatura entre las superficies y los distintos materiales, sino que proporcionan información cuantitativa y visual para el análisis del rendimiento térmico de distintos sistemas y elementos para la mejora continua del diseño arquitectónico. Esta capacidad de detectar de manera simultánea las temperaturas de las superficies capturadas por la cámara permite entender más claramente los fenómenos de transferencia de calor que se dan a través de la envolvente térmica, abriendo nuevas posibilidades para la investigación futura sobre los temas de confort térmico, eficiencia energética y sustentabilidad.
Conclusiones
La evaluación del comportamiento térmico del prototipo verde en comparación del módulo base demostró que el techo verde puede contribuir al confort térmico dentro de las edificaciones en condiciones de calor extremo. El análisis estadístico (ANOVA y t de student) valida los datos que indican que el techo verde disminuyó la temperatura promedio diaria de bulbo seco 4.03 °C en promedio, la temperatura interior promedio diaria de la losa es 3.6 °C en promedio y la temperatura de bulbo seco máxima diaria 13 °C en promedio respecto al módulo base. Los resultados muestran que el techo verde no solo ayuda a mantener temperaturas interiores estables y más bajas, sino que también retrasa el tiempo en que se da la temperatura máxima en la superficie interior de la losa hasta por 4 horas y 10 minutos, amortiguando las fluctuaciones térmicas durante el día, con un factor de decremento de 0.552, proporcionando una estabilidad de las variaciones de temperatura del ambiente externo dentro del prototipo con techo verde, reduciendo un 63.25% el tiempo que se tuvo una temperatura mayor a 34.7°C.
Los resultados dan sustento a la eficacia del techo verde en la reducción de la transferencia de calor y en la mejora del confort térmico, lo cual es especialmente relevante en climas calurosos extremos, ya que mediante la disminución de temperatura mediante la implementación de techo verde repercute directamente al confort térmico al interior de los espacios, lo que se refleja en un menor uso de sistemas de aire acondicionado y, por consiguiente, un ahorro energético y una disminución en la contribución al fenómeno de isla de calor urbano. Sin embargo, se reconoce la limitación del estudio realizado bajo condiciones extremas de verano, lo que sugiere la necesidad de realizar mediciones adicionales durante las cuatro estaciones para obtener una evaluación más completa. Lo que resulta como área clave para futuras investigaciones en la aplicación y mejora de techos verdes como estrategia de mitigación térmica en clima cálido seco.
