tesis de ing. civil

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMA

DE MXICO

FACULTAD DE INGENIERA

EVALUACIN DE LA TECNOLOGA DE TECHOS

VERDES COMO AGENTES AHORRADORES DE

ENERGA EN MXICO

PPROPUESTA DE T E S I S

PARA OBTENER EL TTULO DE:

INGENIERO MECNICO

P R E S E N T A:

TONATIUH BARAHONA SNCHEZ

DIRECTOR DE TESIS: DR. JOS LUIS FERNNDEZ ZAYAS

Ciudad Universitaria, Mxico D.F, marzo de 2011

08 Otoo

1

TABLA DE CONTENIDO

1 Introduccin

2 Antecedentes

2.1 Qu es un Techo Verde?

2.2 Elementos de un Techo Verde

2.3 Tipologa de los Techos Verdes

2.3.1 Techos Verdes Intensivos

2.3.2 Techos verdes Extensivos

2.4 Dnde se pueden instalar?

2.5 Cul es el costo?

2.6 Paredes Verdes

3 Anlisis Trmico de un Techo Verde

3.1 Introduccin

3.2 Conceptos bsicos

3.2.1 Conduccin

3.2.2 Conveccin

3.2.3 Resistencia Trmica

3.3 Modelado

4 Viabilidad del Techo Verde en Mxico

4.1 Casos de Estudio

4.2 Resultados

5 Conclusiones

6 Bibliografa

2

1. INTRODUCCIN

Los techos y paredes verdes (living

roofs and walls) pueden mejorar la

biodiversidad, reducir el riesgo de

inundacin (por medio de la retencin

de agua de lluvia), mejorar el

desempeo trmico de una casa o

edificio, y atenuar as los costos

asociados a energa elctrica, ayudar a

contrarrestar el Efecto de Isla de Calor

Urbana (Urban Heat Island Effect),

apoyar al desarrollo sustentable y

mejorar la apariencia de la ciudad.

El objetivo principal de este trabajo es

proveer un argumento cientfico

sencillo, mediante un anlisis de

transferencia de calor, que demuestre que la implementacin de techos verdes mejora el

desempeo trmico de una edificacin provocando en consecuencia un ahorro

energtico.

Otra meta importante es proponer que los techos verdes se consideren como parte

integral de un edificio, logrando maximizar el uso que se le podra dar a los techos y

azoteas de la ciudad de Mxico, zonas que por lo general se encuentran subutilizadas.

Muse du quai Branly, Paris.

3

Cannon Street Station, Londres.

Utilizar este tipo de tecnologa permitira abrir espacios que acerquen a la naturaleza a la

vida cotidiana, contribuyendo de manera tangible a la proteccin y mejora del medio

ambiente dentro del contexto urbano. Esto sin mencionar el impacto que tendran los

techos verdes en la cultura mexicana hacia la conservacin del medio ambiente y el

desarrollo sustentable, y el gran beneficio esttico que estos son capaces de alcanzar.

4

2. ANTECEDENTES

2.1 QU ES UN TECHO VERDE?

Es un tipo de techo diseado para recrear las condiciones naturales de los substratos del

suelo. Esto permite albergar y sostener distintos tipos de vegetacin, desde arbustos,

cspedes y plantas pequeas, hasta rboles de tamao mediano.

Estructura de Suelo Tpica

Estructura Estratigrfica de un Techo Verde

Suelo superior

Medio de crecimiento

Subsuelo Membrana de Filtro

Roca madre

Elemento de drenaje

Tapete de humedad

Techo convencional (Aislamiento trmico e

impermeabilizante)

5

2.2 ELEMENTOS DE UN TECHO VERDE

1. Vegetacin. Los techos verdes extensivos incluyen principalmente plantas resistentes a la sequa y del gnero Sedum. Los techos intensivos pueden albergar una amplia gama de plantas y arbustos.

2. Medio de Crecimiento o Sustrato. Debe tener una estructura balanceada y peso ligeros. Los valores de pH, nutrientes, porosidad y permeabilidad deben ser adecuados. El tipo y espesor del sustrato determinar el crecimiento de la planta as como la carga estructural impuesta sobre el techo.

3. Filtro. Su funcin es evitar que las partculas del sustrato pasen a la capa de drenaje.

4. Capa de Drenaje. Retiene el agua de lluvia en los perfiles diseados (troughs), inclusive en superficies inclinadas. El exceso de agua es drenado a travs de los canales situados entre los perfiles. Agujeros colocados estratgicamente proveen el flujo de aire necesario para que la humedad se transmita hacia el sustrato.

5. Tapete de Humedad. Hecho de un material que no se degrada, sirve para retener la humedad y nutrientes y para proteger la capa anti-raz y la membrana impermeabilizante.

6. Capa Anti-Raz. Impide que las races daen la membrana impermeabilizante.

7. Membrana Impermeabilizante. Se recomienda el uso de membranas especialmente manufacturadas para este tipo de techos.

8. Aislante Trmico. Situado por debajo de la membrana impermeabilizante para formar una construccin tipo warm roof.

9. Capa de Control de Vapor. Situada entre el nivel estructural del techo y el aislante trmico para evitar la condensacin.

10. Nivel estructural del Techo. Debe ser diseado para soportar el peso del techo verde y cualquier carga viva.

6

2.3 TIPOLOGA DE LOS TECHOS VERDES

La siguiente clasificacin se basa principalmente en la construccin y el uso que se le da a

los techos verdes as como en los beneficios hacia el individuo y la sociedad. Esta

clasificacin se divide en techos verdes intensivos y extensivos.

2.3.1 Techos Verdes Intensivos

Este tipo de techos est diseado para amenizar y normalmente son accesibles para usos

recreativos. En ocasiones se refieren a ellos como roof gardens.

Por lo general los techos verdes

intensivos comprenden una

vegetacin exuberante y son

sembrados sobre un substrato

profundo y rico en nutrientes.

Por el tipo de vegetacin que albergan

estos techos es necesario un

mantenimiento regular, as como el

riego y aplicacin de fertilizante.

Debido al tipo de vegetacin usada y la combinacin de propiedades de crecimiento y

drenaje del substrato, el peso de un sistema de techo verde intensivo puede ser

considerable. Generalmente se requiere un refuerzo sustancial a una estructura de techo

existente o la inclusin de soporte estructural adicional.

En la figura que se muestra a continuacin se puede apreciar la estructura convencional

de los techos verdes intensivos, as como el peso y profundidad de las capas que lo

constituyen.

7

2.3.2 Techos Verdes Extensivos.

Los techos verdes extensivos proveen

generalmente una mayor biodiversidad que

los techos verdes intensivos, pero son

considerados menos apropiados para

amenizar y dar beneficios recreativos. En la

mayora de los casos son plantados con, o

colonizados por, musgos, flores silvestres y

Fig. 1 Estructura convencional de un techo verde intensivo.

8

pastos capaces de sobrevivir en substratos bajos en nutrientes y poco profundos. Reciben

mantenimiento mnimo y no necesitan irrigacin o fertilizantes. Usualmente son ms

baratos de instalar que los techos verdes intensivos y es menos costoso mantenerlos.

Los dos principales tipos de techos verdes extensivos son:

Los sistemas tipo tapete tienen suelos poco profundos, tpicamente entre 20-40 mm,

estn previamente sembrados para proporcionar cobertura instantnea del 100% y

generalmente consisten de especies del gnero Sedum (plantas adaptadas a la sequa

debido a su capacidad para retener agua). El suelo poco profundo de este tipo de sistemas

retiene menos agua de lluvia y ofrece ventajas limitadas para la biodiversidad.

Los sistemas estn basados en sustratos se encuentran entre los 75mm y 150mm de

profundidad y estn constituidos por un medio poroso. Se pueden plantar especies del

tipo Sedum y flores silvestres. Este sistema puede albergar una mayor cantidad de

especies, retener mucha mayor cantidad de agua de lluvia y tener mejores propiedades de

evapotranspiracin. Una desventaja potencial es que son ms pesados que los sistemas

tipo tapete y les toma tiempo cubrir de vegetacin el 100% de la superficie.

Los techos verdes extensivos son apropiados para techos de altos niveles en los nuevos

desarrollos o para la modernizacin (retrofitting) de edificios existentes.

Fig. 2 Estructura convencional de un techo verde extensivo.

9

2.4 DNDE SE PUEDEN INSTALAR?

Se pueden instalar techos verdes casi en cualquier superficie de entrepiso o azotea, ya sea

plana o inclinada; sin embargo es muy importante que se haga una revisin de la

estructura para asegurarse que el techo pueda resistir el peso de las diferentes capas,

sustrato (medio de crecimiento) y vegetacin que un techo verde implica. Las cargas

estructurales promedio para los tres tipos de techo verde se muestran en la siguiente

tabla.

Tipo de Techo Carga

Extensivo (tapete sedum) 60 90 Kg/m2

Extensivo (sustrato) 80 150 Kg/m2

Intensivo 200 500 Kg/m2

Dentro del orden jurdico, las normas de diseo y construccin indican que la carga

mnima que debe resistir un techo convencional es de 200 500 Kg/m2 , dependiendo del

tipo de ocupacin. Por ejemplo, para una ocupacin residencial, escuela o de oficina la

carga mnima es de 200 Kg/m2.

Como se puede apreciar la sobrecarga que representan los techos verdes extensivos se

encuentra dentro de un rango aceptable y seguro. Los de tipo intensivo requerirn un

refuerzo estructural adicional si se desean implementar sobre edificaciones ya existentes.

Estos valores de carga mnima dejan en claro que adoptar un techo verde es un proyecto

viable que no necesariamente requiere de una inversin adicional para reforzar la

estructura ya existente.

10

2.5 CUL ES EL COSTO?

Costos indicativos para Techos Verdes

Tapete Sedum $700800/m

Tapete Sedum con capa de drenaje y filtro $9001300/m

Tapete Sedum con filtro y capa de drenaje, capa de control de vapor y capa de aislamiento $1600-2300/m

Medio de crecimiento de 250 mm de espesor con capa de drenaje, membranas antiraz y

capa aislante $17002000/m

Medio de crecimiento de 600 mm (intensivo) de espesor con capa de drenaje, membranas

antiraz y capa aislante $28003200/m

2.6 QU ES UNA PARED VERDE?

Las paredes verdes son aquellas que

estn cubiertas por vegetacin.

Usualmente comprenden plantas

trepadoras de algn tipo, y estn

diseadas para soportar dicha

vegetacin. De una manera ms

reciente, las paredes verdes se

construyen para proveer estructura

adicional en la que es posible plantar

vegetacin. Dependiendo de las

especies utilizadas en las paredes verdes

estas pueden proporcionar beneficios

ambientales en la forma de biodiversidad, aislamiento trmico y atenuacin de ruido.

El beneficio ambiental y econmico de los techos y paredes verdes es difcil de ignorar. Un

ejemplo del desarrollo e implementacin de estas soluciones de bioingeniera son los

proyectos y las polticas que estn siendo adoptados en la ciudad de Londres. La

Paradise Park, Londres.

11

Autoridad Gubernamental de Londres (GLA) estima que los edificios cubren una superficie

de 24,000 hectreas o 16% de la ciudad de Londres1. Clculos aproximados del potencial

para techos verdes en cuatro reas del centro de Londres sugieren que de una superficie

de 10 millones de m2, 3.2 millones de m2 tienen el potencial para implementar estos tipo

de techumbres. Esto representara un ahorro potencial de 19,200 MWh por ao, que

equivale a dejar de emitir 8,256 toneladas de CO2, y una capacidad para almacenar agua

de lluvia de 80,000 m3, cantidad necesaria para llenar aproximadamente 35 albercas

olmpicas. Existen muchas variables que puedan alterar estos clculos de una forma u

otra, pero no hay duda de que la contribucin de los techos y paredes verdes a este

respecto sera abrumadoramente positiva y sustancial.

En los captulos siguientes se explicarn de manera ms detallada las caractersticas de los

beneficios ms importantes.

1 Mayor of London, Connecting with Londons nature the Mayors Draft Biodiversity Strategy. Greater London Authority 2001.

12

3. ANLISIS TRMICO 3.1 INTRODUCCIN Como se mencion con anterioridad, el objetivo principal de este trabajo es llevar a cabo un anlisis trmico de los techos verdes con el fin de demostrar que este tipo de tecnologa provee un ahorro energtico sobre las edificaciones en las que se implemente. Para hacer el anlisis trmico es necesario revisar conceptos bsicos de transferencia de calor y revisar las condiciones de modelado. Este anlisis est conformado por dos partes. La primera es el modelado de todas las capas de los techos verdes como una red de resistencias trmicas. La segunda es un anlisis breve de las variables a tomar en cuenta en el balance energtico de los techos verdes, con especial atencin en la capa de vegetacin, y el impacto que estas variables tienen sobre el desempeo trmico de estos techos. El anlisis aqu propuesto es sencillo y no tan profundo como podra hacerse. Consiste, en esencia, en una recopilacin de distintos trabajos hechos con anterioridad alrededor de este tema y disponibles para quien desee profundizar en este asunto. 3.2 CONCEPTOS BSICOS El calor es la forma de energa que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. Un anlisis termodinmico se interesa en la cantidad de trasferencia de calor conforme un sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro. La transferencia de calor siempre se produce del medio que tiene la temperatura ms elevada hacia el de temperatura ms baja, y la transferencia de calor se detiene cuando los dos medios alcanzan la misma temperatura. El calor se puede transferir de tres modos diferentes: conduccin, convencin y radiacin. Todos los modos de transferencia de calor requieren una diferencia de

13

temperatura. A continuacin se har una descripcin del modo de trasferencia de calor que ms interesa dentro del tema de los techos verdes.

3.2.1 Conduccin. La conduccin es la trasferencia de energa obtenida por las interacciones entre partculas adyacentes de una sustancia. La conduccin puede tener lugar en los slidos lquidos o gases. Por ejemplo, si calentramos una placa de metal y despus de unos momentos se pusiera esta sobre una mesa, llegara el momento en que la placa y la mesa alcanzaran el equilibrio trmico como resultado de la transferencia de calor por conduccin, de la placa hacia la mesa, a travs del grosor del material del que este hecha la placa. La rapidez o razn de la conduccin de calor a travs de un medio depende de la configuracin geomtrica de este, su espesor y el material del que est hecho, as como la diferencia de temperatura a travs de l. Considere una conduccin de estado estacionario de calor a travs de una capa plana grande de espesor y rea A, como se muestra en la figura. La diferencia de temperatura de uno a otro lado de la capa es . Los experimentos han demostrado que la razn de la transferencia de calor a travs de una capa plana, , es proporcional a la diferencia de temperatura a travs de sta y el rea de transferencia de calor, pero inversamente proporcional al espesor de la capa, es decir, [W] En el caso lmite de , la ecuacin que acaba de expresarse se reduce a la forma diferencial [W] la cual se llama Ley de Fourier de la conduccin de calor.

14

En donde la constante de proporcionalidad k es la conductividad trmica del material, que es una medida de la capacidad de un material para conducir calor. Un valor elevado para la conductividad trmica indica que el material es un buen conductor de calor y un valor bajo indica que es un material aislante o mal conductor de calor. En la siguiente figura se muestra la clasificacin de distintos materiales en funcin de su conductividad trmica.

Debido a que los techos verdes estn sujetos a las condiciones ambientales del lugar donde se encuentran es prudente tambin revisar el concepto de trasferencia de calor por convencin ya que la velocidad del viento y temperatura del aire son factores a tomar en cuenta.

Fig. 3. Rango de la conductividad trmica de distintos materiales a temperatura ambiente.

15

3.2.2 Conveccin. La conveccin es el modo de transferencia de energa entre una superficie slida y el lquido o gas adyacentes que estn en movimiento y comprende los efectos combinados de la conduccin y el movimiento de fluidos. Entre ms rpido es el movimiento de un fluido, mayor es la transferencia de calor por conveccin. A pesar de la complejidad de la conveccin, la rapidez de transferencia de calor por esta forma es proporcional a la diferencia de temperatura y se expresa de forma conveniente por la ley de Newton del enfriamiento como: [W] en donde h es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin, en [W/m2C], AS es el rea superficial a travs de la cual tiene lugar la transferencia de calor por conveccin, TS es la temperatura de la superficie y T es la temperatura del fluido suficientemente alejado de esta superficie. El coeficiente de transferencia de calor por conveccin h no es una propiedad del fluido. Es un parmetro que se determina en forma experimental y cuyo valor depende de toda las variables que influyen sobre la conveccin. 3.2.3 Resistencia trmica La ley de Fourier de la conduccin de calor para una pared plana de espesor L se puede expresar como [W] Al integrar la ecuacin anterior

16

Se obtiene [W] Que tambin es posible reacomodar para la conduccin a travs de una pared plana como [W]; donde [C/W] Es la resistencia trmica de la pared en contra de la conduccin de calor o, simplemente, la resistencia a la conduccin. Se puede hacer lo mismo para obtener la resistencia trmica a la conveccin partiendo de la ley de enfriamiento de Newton, [W] Obteniendo as [W] donde [C/W] Es la resistencia a la conveccin. Estas dos resistencias permiten modelar una buena parte de la transferencia de calor a travs de los techos verdes mediante una red de resistencias trmicas. Como se vio en la introduccin, los techos verdes estn constituidos por distintas capas de materiales. Desde el suelo o medio de crecimiento y la vegetacin, hasta las capas anti-raz y de impermeabilizado. A continuacin se muestra, en la figura 4, cmo sera el modelado de una red de resistencias trmicas para la transferencia de calor a travs de una pared plana sujeta a conveccin por ambos lados.

17

Como se muestra a continuacin en la figura 5 se puede aplicar el concepto de resistencia trmica a ms de una capa.

Fig. 4. Red de resistencias trmicas y su analoga elctrica.

Fig. 5. Red de resistencias trmicas para la transferencia de calor a travs de una pared plana de dos capas sujeta a convencin por ambos lados.

18

3.3 Modelado

Apliquemos ahora todo lo que hemos visto para dar forma a un modelo sencillo que nos explique la trayectoria del flujo de calor a travs de un techo verde. Es importante mencionar que gran parte del ahorro energtico que proveen los techos verdes se debe a que sus distintos componentes desempean el papel de resistencias trmicas. Esta funcin es la de mayor impacto y por lo tanto es a la que ms atencin se le debe dedicar durante el modelado. Se expondr, asimismo, las ecuaciones que modelan la transferencia de calor en la capa de vegetacin. Dichas ecuaciones son la base del motor de clculo que utiliza el software de simulacin que se implement en la ltima parte de este trabajo. El software de simulacin se sirvi para proyectar distintos escenarios y oportunidades en donde pudieran utilizarse las azoteas verdes en Mxico. Para modelar lo que sucede en el suelo y los efectos sobre la transferencia de calor por conduccin, cada capa del techo verde ser modelada como una resistencia trmica. Esto expresado en un esquema quedara de la siguiente manera:

19

Podemos ahora expresar el flujo de calor a travs de estas capas de la siguiente manera [W] Donde es la suma de todas las resistencias trmicas. Como se puede apreciar en el esquema, el calor encontrar dificultades para fluir de un extremo a otro debido a la cantidad de materiales que conforman un techo verde. Adems estos materiales tienen bajas conductividades trmicas lo que provocar que el paso del calor sea an ms lento. Para este modelado no tom en cuenta la resistencia a la conveccin en la parte exterior ni la transferencia de calor en la primera capa del techo verde porque, como se ver ms adelante, lo que sucede a nivel del follaje o vegetacin es regido principalmente por la radiacin solar.

Fig. 6. Red de resistencias trmicas para la transferencia de calor a travs de un techo verde.

20

Podemos concluir entonces que la dificultad con la que el calor puede fluir del medio ambiente al interior de una edificacin se debe en gran parte a la resistencia que este encuentre a su paso. Una manera de expresar esta dificultad es a travs del coeficiente de transferencia de calor. Este coeficiente es el recproco de la resistencia total y puede variar dependiendo del tipo de armado del techo verde, donde el factor ms influyente es la profundidad del sustrato. Mientras ms profunda sea la capa del sustrato mayor ser la resistencia trmica y ms pequeo ser el coeficiente de transferencia de calor. Como se mencion, se expondrn las ecuaciones que rigen la transferencia de calor en la capa de vegetacin. Se empezar con una introduccin sencilla al trabajo desarrollado por D. J. Sailor titulado A green roof model for building energy simulation programs (Salior, 2008). El modelo matemtico propuesto en este trabajo es el motor de clculo sobre el cual opera un software de simulacin que se utiliz para la parte final de esta tesis. Este modelado toma en consideracin el intercambio que se lleva a cabo por radiacin de onda larga y onda corta bajo la cobertura o sombra que crean las plantas; Los efectos de esta cobertura en la transferencia de calor por conveccin; evapotranspiracin del suelo y vegetacin; y finalmente, conduccin y almacenamiento de calor en la capa del suelo (por suelo entindase todas las capas que conforman un techo verde a excepcin de la capa de vegetacin). Las caractersticas ms importantes de la capa de vegetacin desde el punto de vista de los impactos en la transferencia de calor a travs del techo son: altura, ndice de rea de hoja (leaf area index o LAI), fraccin de cobertura, albedo y resistencia de estoma. El ndice de rea de hoja (LAI) es una representacin del rea de cobertura de las hojas en forma plana. Si en promedio la superficie de una parcela de techo se encuentra debajo de dos hojas el correspondiente LAI es 2. Los valores de este ndice para techos verdes varan dependiendo del tipo de planta, sin embargo oscilan en el rango de 0.5 5.0. La fraccin de cobertura esta relacionada con el ndice de rea de

21

hoja, pero es distinto de este. Especficamente representa la fraccin de la superficie del techo que se encuentra directamente cubierta por una o ms hojas. Es importante ya que dicta el rol de las caractersticas de radiacin del sustrato en el balance energtico de la superficie. El albedo es la reflectividad de la superficie. Finalmente, la resistencia de estoma es un parmetro biofsico que gobierna la tasa en la que la planta puede transpirar humedad a travs de su estoma para condiciones ambientales dadas. Como en un techo convencional, el balance energtico de un techo verde esta gobernado por la radiacin solar. Este balance energtico se divide en flujo de calor sensible (conveccin) y latente (evaporacin) de las superficies del suelo y las plantas, y la conduccin de calor hacia el sustrato y radiacin de onda larga de las superficies del suelo y hojas. Este balance se puede apreciar en la figura 7.

Donde: es el flujo latente de calor y el flujo de calor sensible en [W/m2]; es la radiacin entrante de onda corta e es la radiacin entrante de onda larga en

Fig. 7. Esquema del balance energtico para un techo verde

22

[W/m2]; y es la radiacin de onda larga bajo la cobertura o sombra de la vegetacin. es la fraccin de cobertura; representa el albedo; es la temperatura del suelo; y la emisividad de la superficie del suelo. Los subndices f y g se refieren a las capas de follaje (foliage layer) y suelo (ground layer) respectivamente. Como lo indican los subndices, el balance energtico se divide en dos partes. Una para la capa del follaje o vegetacin y otra para la capa del suelo. Para la capa de vegetacin el balance energtico queda de la siguiente manera, Adems de la transferencia de calor por conveccin y flujo de calor sensible, esta ecuacin toma en cuenta la radiacin de onda corta y larga absorbida por la vegetacin, incluyendo los efectos por reflexiones mltiples. Para el suelo el balance energtico queda como,

En donde, para ambas ecuaciones y es la constante de Stefan-Boltzmann. Los trminos de flujo de calor sensible y latente (H y L) de ambas ecuaciones as como la solucin del balance de energa es complicado ya que contiene trminos no lineales y no se explicaran en este trabajo. Como se puede apreciar, el trabajo innovador de Sailor (2008) permite establecer un modelo matemtico que integra en su anlisis la resistencia al flujo del calor que la capa de la vegetacin implica. La inclusin de la radiacin solar como factor

23

determinante (sino es que fuerza impulsora) en este anlisis invita a pensar que con un debido esfuerzo matemtico y experimental podra llegar a formularse un equivalente a una resistencia trmica por radiacin (para techos verdes) que permita relacionar los efectos de la radiacin solar y vegetacin directamente con las dos resistencias trmicas clsicas (conduccin y conveccin). Esto permitira una simplificacin en los clculos de transferencia de calor haciendo que la adopcin de este tipo de tecnologa verde se diera en menor tiempo. La aplicacin del concepto de resistencia trmica al modelado de los techos verdes es importantsima porque ofrece muchas ventajas y facilita la cuantificacin de los beneficios que estos techos ofrecen. Inclusive el modelo matemtico propuesto por D. J. Sailor se puede ver desde esa perspectiva, facilitando an ms el clculo de los beneficios en el rubro de ahorro energtico. Los efectos de otras variables, como el tipo de vegetacin utilizado, contribuyen tambin al ahorro energtico pero en menor medida. El aumento o disminucin en el grosor de las capas que conforman un techo verde y por ende el aumento o disminucin de la resistencia trmica total es nuestra variable de mayor inters.

24

4. VIABILIDAD DEL TECHO VERDE EN MXICO

4.1 CASOS DE ESTUDIO

En este ltimo captulo se revisarn una serie de casos que involucran a los techos verdes

como agentes de ahorro energtico y se analizar su desempeo, con el objetivo de

obtener resultados que permitan determinar que tan viable sera incorporar esta

tecnologa verde, de manera ms entusiasta, en Mxico.

Para hacer esto lo que se hizo fue disear un edificio convencional y someterlo a distintas

condiciones ambientales con y sin el uso de los techos verdes. Las simulaciones que se

llevaron a cabo fueron en periodos de un ao con el objetivo de poder contar con la

mayor cantidad de informacin posible, as como con resultados representativos para las

distintas estaciones del ao.

Se quiso encontrar en este modelado algn tipo de circunstancia en donde se pudiera

explotar al mximo los beneficios trmicos que brindan los techos verdes. Esto llev a

pensar en los supermercados porque son edificaciones que cuentan con una gran

superficie para la instalacin de techos verdes y una demanda energtica importante para

mantener una temperatura de confort hacia el interior.

A continuacin se muestran dos imgenes del modelo en 3D.

25

Este modelo se elabor utilizando Energy Plus y Design Builder, que son plataformas

especializadas en la simulacin del desempeo energtico de edificaciones. Se escogieron

estas plataformas porque tienen la capacidad de modelar el consumo de energa, en

intervalos de hasta 15 minutos, de un edificio sujeto a las distintas especificaciones de

construccin, climticas y tipo de uso. Estas plataformas de simulacin permiten calcular

y obtener informacin confiable, ya que utiliza bases de datos climatolgicas de

instituciones como la NASA, sobre el desempeo energtico del modelo propuesto.

El modelo cuenta con una superficie de 1250 m2 y utiliza un sistema de aire acondicionado

del tipo volumen constante DX (direct expansion). El tipo de actividad es de supermercado

con una ocupacin de 5 personas/100 m2. El techo verde utilizado es semi-extensivo con

una profundidad de sustrato de 150 mm, una conductividad trmica de 0.3 [W/mK] y un

calor especfico de 1000 [J/kgK]. La temperatura de confort se estableci en 25 C. Se

consider, para el edificio de control, una techumbre sin aislamiento, lo ms parecido a

una losa estndar. La incorporacin de los techos verdes se simul como si se hubieran

instalado sobre un edificio existente. En otras palabras, se colocaron sobre el techo

diseado para el edificio de control.

Adems se consideraron 3 lugares con condiciones climticas diferentes con el objetivo de

observar el desempeo de las techos verdes y poder concluir si existe algn tipo de clima

26

que favorezca la incorporacin de dicha tecnologa. Los lugares fueron La ciudad de

Mxico, Tijuana y Cancn.

4.2 RESULTADOS.

Los datos ms relevantes para el presente trabajo tienen que ver con la demanda

energtica del edificio para satisfacer sus necesidades operativas y de confort. Esa

informacin nos permite calcular el ahorro energtico obtenido por la implementacin de

los techos verdes en cada caso.

En la ciudad de Mxico se obtuvo una diferencia en el consumo elctrico de 45,000 KWh,

que representa un ahorro de 17%. En Tijuana fue del orden de 39600 KWh, esto significa

un ahorro del 15.6 %. Finalmente en Cancn el ahorro alcanz a ser de 76700 KWh, es

decir, un 10%.

710

720

730

740

750

760

770

780

790

Green Roof Non Green Roof

Co

nsu

mo

En

erg

ti

co A

nu

al

[MW

h]

Cd. de Mxico

710

720

730

740

750

760

770

780


Co

nsu

mo

En

erg

ti

co A

nu

al

[MW

h]

Tijuana

27

Con la informacin generada por las simulaciones tambin fue posible hacer una

comparacin de las ganancias internas de nuestro sistema, es decir, el edificio. Como se

muestra a continuacin, puede verse que la nica variable que presenta una reduccin

para las tres ciudades es el enfriamiento sensible. Esto slo confirma que, efectivamente,

los techos verdes desempean el rol de aislantes trmicos. De esta manera se comprueba

la propuesta de percibir al techo verde como una muy buena resistencia trmica dentro

del rubro de los recubrimientos para edificios.

1160

1180

1200

1220

1240

1260

1280

1300


Co

nsu

mo

En

erg

ti

co A

nu

al [

MW

h] Cancn

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

Dic Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov

Gan

anci

as In

tern

as [

MW

h]

Tijuana

28

Basndose en el hecho de que el enfriamiento sensible es el nico factor variable hacia

adentro del edificio y sabiendo que los techos verdes actan como resistencia trmica se

puede decir con absoluta certeza que la utilizacin de estos techos reducir el consumo

elctrico de las unidades de aire acondicionado.

-70.00

-60.00

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00


Gan

anci

as in

tern

as [

Mw

h]

Cancn

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00


Gan

anci

as In

tern

as [

MW

h]

Cd. de Mxico

Ocupacin Green Roof Ocupacin Non Green Roofiluminacin Green Roof iluminacin Non Green RoofVentanas Green Roof Ventanas Non Green RoofEnfriamiento sensible Green Roof Enfriamiento sensible Non Green Roof

29

Como se puede observar para los tres casos existe una reduccin clara en el consumo

elctrico de las unidades de aire acondicionado. Esto se debe en definitiva a que el edificio

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00


Co

nsu

mo

El

ctri

co p

or

con

cep

to

de

AC

[M

Wh

]

Tijuana

Green Roof

Non Green Roof

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90


Co

nsu

mo

El

ctri

co p

or

con

cep

to d

e

AC

[M

Wh

]

Cancn

Green Roof

Non Green Roof

0

5

10

15

20

25

30


Co

nsu

mo

El

ctri

co p

or

con

cep

to d

e

AC

[M

Wh

]

Cd. de Mxico

Green Roof

Non Green Roof

30

encuentra un mejor aislamiento trmico en los techos verdes que en su recubrimiento

estndar.

Con toda esta informacin se pudo hacer un anlisis comparativo entre los tres distintos

escenarios.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000


Ah

orr

o E

ne

rg

tico

Me

nsu

al [

kWh

]

Ahorro de Energa Mensual Tijuana

Ahorro de Energa Mensual Cancn

Ahorro de Energa Mensual CD. de Mxico

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

Tijuana CD. de Mxico Cancn

Ah

orr

o E

ne

rg

tico

An

ual

[kW

h]

31

Como se puede observar en el desglose mensual, el mayor ahorro se presenta entre los

meses de abril y agosto, es decir, en las estaciones de primavera y verano. Para el caso de

Tijuana y la Cd. de Mxico los techos verdes no son tan efectivos durante los meses de

invierno. Esto quiere decir que para las pocas fras los beneficios de las azoteas verdes se

ven disminuidos. Es importante mencionar que esto sucede en zonas donde los inviernos

no son tan extremos, como es el caso de nuestro pas. En lugares donde los inviernos son

ms fros, como sera el caso de E.U., Canad y la mayora de los pases europeos, los

techos verdes desempean, en las pocas fras, un buen mtodo para ahorrar

combustible para calefaccin.

Tambin es importante hacer notar que, a pesar de que los tres casos presentan un

porcentaje de ahorro similar respecto al edificio de control (entre 10% y 15%), el ahorro

mayor (76700 kWh) se da para el escenario del sureste mexicano, Cancn. Esto invita a

pensar que para esa zona del pas los techos verdes pueden convertirse en proyectos con

un retorno de inversin atractivo.

32

5. CONCLUSIONES

Con los resultados obtenidos se puede confirmar que, en efecto, los techos verdes pueden

ser percibidos y funcionan como una resistencia trmica. En consecuencia, la

implementacin de dichos techos acarrea consigo un beneficio que cada vez es ms

importante y tomado en cuenta en proyectos de construccin, el desempeo energtico.

De manera muy clara, para los tres diferentes lugares (Cd. de Mxico, Cancn y Tijuana),

se encontr una reduccin en el consumo energtico entre un 10% y 15%.

Tambin pudo hacerse un anlisis comparativo entre los tres distintos lugares para los

cuales se realizaron las simulaciones. Se puede observar, basndose en los resultados

obtenidos para Cancn, que los climas tropicales son zonas atractivas para la instalacin

de los techos verdes porque ofrecen un alcance mayor de ahorro en el rubro del consumo

elctrico de los sistemas de aire acondicionado. Esto se debe a la reduccin de las cargas

de enfriamiento para dichos sistemas. Otro beneficio es que el tipo de clima del sureste de

Mxico es generoso y permite el desarrollo abundante de toda clase de vegetacin,

haciendo an ms fcil adoptar este tipo de techumbres.

Como complemento a este trabajo se consider necesario hacer un prctico anlisis

econmico con el objetivo de evaluar la viabilidad del proyecto presentado en estas

pginas y de manera secundaria, poder obtener una perspectiva que permita identificar

las oportunidades de crecimiento dentro de los marcos poltico-econmicos y de

manufactura para que los techos y paredes verdes se puedan adoptar a un ritmo ms

acelerado.

33

El valor neto de inversin se calcul utilizando un costo aproximado de $2770/m2

instalado de techo verde. Este costo fue el ms adecuado bajo las a las condiciones de

diseo de nuestra techumbre.

Quiero hacer nfasis en que este anlisis es slo una primera aproximacin y sus

resultados habra que tomarlos con un grano de sal, es decir, pueden tener un margen de

error importante. Sin embargo s presentan indicios interesantes. El primero que resalta es

que de los tres lugares, la ciudad de Cancn es la ms atractiva para implementar techos

verdes. Cancn presenta el tiempo de retorno simple ms bajo, en otras palabras, es el

caso en el que se recupera la inversin ms rpido, aproximadamente en 19 aos. Los

siguientes 31 aos de vida til generaran una ganancia.

A pesar de que los otros dos casos no se ven tan alentadores es importante resaltar que la

inversin en la instalacin de una azotea verde se paga sola. Al final de la vida til del

techo verde, ste se habr pagado a s mismo.

Esto deja pensar que an cuando los costos son elevados en la actualidad, invertir en este

tipo de tecnologa garantiza un retorno de la inversin. Sin mencionar que se gozaran de

muchos otros beneficios como el atenuamiento del efecto de isla de calor urbana,

reduccin de la descarga de agua de lluvia al drenaje de la zona, disminucin del ruido

exterior y los beneficios estticos que trae consigo la naturaleza.

La mas clara oportunidad para incrementar la utilizacin e implementacin de las azoteas

verdes es la reduccin de costos de manufactura e instalacin. Esto permitira un tiempo

34

de retorno de inversin ms rpido, convirtiendo a proyectos de retrofiting en inversiones

atractivas capaces de generar una ganancia importante despus de un determinado

tiempo.

La competencia en el mercado (generando una reduccin en los costos) y polticas que

patrocinen total o parcialmente este tipo de proyectos son maneras reales y tangibles

mediante las cuales se puede contribuir al crecimiento de la cultura de los techos verdes.

Es importante mencionar que este trabajo es slo una de las muchas oportunidades de

investigacin dentro del tema de las azoteas verdes. Los parmetros utilizados para las

simulaciones se mantuvieron fijos a excepcin de los lugares. En un trabajo futuro podra

buscarse variar los parmetros de un techo verde, como profundidad y conductividad

trmica del sustrato o ndice de rea de hoja, con el objetivo de encontrar una

configuracin de techo verde que maximice los beneficios.

En conclusin, todo el trabajo realizado permite asegurar que los techos verdes tienen un

efecto trmico positivo en el desempeo energtico de edificios cuya superficie es

considerable, como la de un supermercado.

Tambin se propuso visualizar al techo verde como una resistencia trmica, con el

objetivo de facilitar y explicar el porqu es que son elementos que llevan a un mejor

desempeo energtico en edificaciones, dejando en claro el rol protagnico que pueden

tener como aislantes dentro del rubro de los recubrimientos para edificios.

35

6. BIBLIOGRAFA

Mayor of London, Connecting with Londons nature the Mayors Draft Biodiversity

Strategy. Greater London Authority 2001.

D. J. Sailor, A green roof model for building energy simulations programs, Department of

Mechanical and Materiasl Engineering, Portland State University, Portland, OR, E.U., 2008.

Alar Teemusk, lo Mander, Temperature regime of planted roofs compared with

conventional roofing Systems, Department of Geography, Institute of Ecology and Earth

Sciences, University of Tartu, Estonia.

http://www.building.co.uk/data/sustainability-green-roofs/3069718.article

http://www.cfe.gob.mx/negocio/conocetarifa/Paginas/Tarifas.aspx

http://www.alumascwaterproofing.co.uk/green-roofing.aspx?id=1&sub=0&sect=4

http://www.alumascwaterproofing.co.uk/system-components.aspx?&sub=0&id=1&sect=6

Yunus A. engel, Transferencia de Calor y Masa. Un enfoque prctico, Mc Graw Hill, 3

Edicin, Mexico, pp 17-26, 133-137.

www.elsevier.com/locate/enbuild

http://www.ordenjuridico.gob.mx/Estatal/DISTRITO%20FEDERAL/Normas/DFNORM14.pdf

http://www.crid.or.cr/cd/CD_Asentamientos_Humanos/pdf/spa/doc13829/doc13829-

1a.pdf

http://www.designbuilder.co.uk/

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/

http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data.cfm

A1.pdfA2A3A5A6A7A8A9

tesis de ing. civil

Documents