Los principales efectos reportados de la vegetación sobre la temperatura y la humedad son la reducción de la temperatura ambiente y el aumento en la humedad del aire (Oke T. , 1988). Esto se debe al efecto de la sombra proyectada sobre las diversas superficies vegetadas, pero sobre todo al fenómeno de la evapotranspiración, que es el proceso de evaporación del agua que transpiran las plantas. Otra pequeña contribución se debe a la humedad del suelo. Sin embargo, en elementos vegetales aislados no es muy significativo, ya que desaparece rápidamente debido a los movimientos del aire, ya sea por viento o convección.
Cuando se trata de un microclima aislado de los sistemas atmosféricos predominantes, entonces sí es posible apreciar los efectos de la vegetación. Un ejemplo serían los grandes parques en áreas densamente urbanizadas, rodeados de edificios altos en todos sus costados, o bien los patios interiores de manzana y de los edificios. Oke reportó, en mediciones hechas en distintas ciudades, diferencias de temperatura ambiente de más de 5ºC entre parques urbanos y las zonas edificadas circundantes (Oke T. , 1988). Estudios similares se hicieron en el parque zoológico de Berlín (212 ha de superficie verde en el centro de la ciudad) donde
las diferencias de temperatura fueron de 5-7°C y la humedad relativa variaba un 10% (Hoerbert & Kirchgeorg, 1982).
En menor medida, se han realizado estudios para evaluar el impacto de las cubiertas ajardinadas sobre el nivel de calle. Uno de estos estudios, realizado para la ciudad de Hong Kong, muestra reducciones de temperatura de entre 1 y 2 ºC a nivel de calle en vecindarios residenciales de baja altura modelados con cubiertas ajardinadas (Peng & Jim, 2013). Un estudio experimental realizado en La Rochelle, en Francia, analizó el potencial para reducir el calentamiento de las cubiertas y fachadas vegetales en un modelo a escala de un cañón urbano con una relación de aspecto H/W de 1,2 en condiciones climáticas reales. La cubierta ajardinada instalada en el modelo fue sedum, y las fachadas del cañón urbano estaban orientadas E-O y pintadas de blanco con una reflectividad de 0,64 . En base al radio de aspecto del cañón, el modelo de flujo en su interior se definió como vórtice. Los resultados del análisis experimental mostraron el potencial para reducir el sobrecalentamiento en el cañón urbano de los sistemas vegetales, tanto las fachadas como las cubiertas provocaron un descenso en el sobrecalentamiento de hasta 1ºC por cada 3º de sobrecalentamiento en el caso de la fachada y 1ºC por cada 8ºC de sobrecalentamiento en el caos de la cubierta ajardinada. En ambos casos se registró un aumento de la humedad relativa en torno al 6% (Djedjig, Emmanuel, & Belarbi, 2013).
Los resultados de estos estudios muestran que la temperatura y humedad del aire son parámetros con una influencia limitada por parte de los elementos vegetales, ya que las corrientes de aire dispersan rápidamente cualquier modificación que originen, salvo que se trate de grandes masas arboladas o zonas confinadas. Esquemáticamente, el efecto del elemento vegetal objeto de estudio, la cubierta ajardinada, se puede representar según los diagramas siguientes:
Figura 20 Efecto de la cubierta ajardinada y parámetros influyentes. Fuente: elaboración propia.
El caso a. muestra el efecto teórico que tendría una cubierta ajardinada sobre el microclima del cañón. El aire cálido de verano, al pasar por la vegetación de la cubierta y en función de la densidad de vegetación en ésta (LAD) se ralentiza, se aumentan los intercambios energéticos principalmente por radiación, evaporación y convección. Este aire que pasa por la cubierta vegetal se enfría y se vuelve más denso, tendiendo a descender, y con su movimiento, produciendo el desplazamiento del aire cálido y seco, por un aire más fresco y con mayor humedad relativa, enfriando así el volumen de aire cerca del suelo, la parte habitable del cañón.
Sin embargo, la radiación y el viento dentro del cañón urbano, son los factores que alteran este fenómeno de enfriamiento pasivo, ya que por un lado, el viento cálido puede arrastrar esta masa de aire frio que desciende de la cubierta mitigando así su efecto refrigerante ( Figura 17.b.) y del mismo modo, la radiación de onda larga reemitida por los paramentos de las superficies expuestas a la radiación solar, calientan la capa de aire alrededor del edificio frenando así este aire fresco y no permitiendo que alcance el nivel del suelo ( figura 17.c.).
Los procesos que intercambio energético que se dan en la cubierta ajardinada son los siguientes:
El intercambio radiativo se ha explicado en la sección anterior, y está ligado a las propiedades ópticas de la superficie vegetal.
El proceso de evaporación explicado en el capítulo 6 implica grandes cantidades de calor absorbidas y por tanto una reducción de temperatura. La cantidad de líquido evaporado se puede determinas por medio de la ecuación de Sprenger:
Av=A(Pvs-Pa)
Donde es el coeficiente de evaporación, función de la velocidad del aire; A es la superficie de hoja (m2); Pvs es la presión de saturación a temperatura ambiente (Kg/m2); y Pa es la presión atmosférica (Kg/m2).
De acuerdo con la ecuación de Sprenger, la energía consumida en los procesos de evaporación es proporcional a la cantidad de agua evaporada tal y como se define en la ecuación previa:
Q= 666 Av
Donde Q es la energía consumida (W), y Av es la cantidad de agua evaporada (kg).
La evaporación es uno de los fenómenos principales en el enfriamiento del aire en la capa vegetal. Una superficie cubierta por vegetación puede disipar 3 Kwh/m2 de energía por medio de evado-transpiración durante un día soleado en verano, lo que supone un 20% de la energía absorbida solar total por las plantas durante ese periodo de tiempo (Britto-Correa, 2002) ; (Krusche, 1982). La energía disipada por las plantas durante el proceso de evado- transpiración hace que la temperatura en la capa vegetal se vea reducida, lo que resulta en reducciones potenciales entre la temperatura superficial de una cubierta plana común y una cubierta ajardinada de más de 15ºC (Britto-Correa, 2002).
El intercambio convectivo se produce entre las hojas y el aire y entre el sustrato y el aire y depende de la diferencia de temperatura con el aire. Este intercambio es proporcional al coeficiente de convectividad, que depende de la velocidad del aire. Los intercambios convectivos caracterizan el microclima inmediatamente superior a la capa vegetal. La fricción del aire con las hojas reduce la velocidad del aire sobre la superficie del sustrato y por lo tanto los intercambios por convección se reducen sobre esta superficie. Según Palomo del Barrio (1998) el intercambio convectivo en la capa vegetal viene dado por la siguiente expresión de la Ley de Newton:
Qconv, p-a= -Qconv a-p=-2LAIcp/re(Tp-Ta)
Donde es la densidad, cp es el calor específico; re es la resistencia superficial; Tp es la temperatura superficial y Ta es la temperatura del aire.
Los datos experimentales disponibles no son concluyentes acerca de una ecuación capaz de predecir la resistencia superficial (re) de las hojas expuestas a vientos de baja velocidad y con bajas diferencias de temperatura entre ellas y el aire (Stahgellini, 1987) por tanto, re solo se puede hallar experimentalmente en cada análisis.
El objeto de esta investigación se centra en el impacto sobre la temperatura del aire y la humedad relativa con el fin de identificar en qué condiciones la cubierta vegetal puede maximizar la influencia sobre ellos y mejorar las condiciones microclimáticas en el cañón urbano.
MÉTODO DE ANÁLISIS: HERRAMIENTAS Y MODELOS
El análisis de los intercambios energéticos que ocurren en un cañón urbano ha sido analizado por numerosos autores a lo largo de las últimas décadas. Desde los modelos que reproducen las condiciones exteriores y el microclima urbano influenciado por la vegetación, como (Oke T. , 1988), (Robitu, Inard, Groleau, & Musy, 2004) (Sánchez de la Flor & Alvarez Domínguez, 2004), (Santamouris M. , 2012), (Vinet, Raymond, & Inard, 2000) hasta los modelos que evalúan los intercambios energéticos con los edificios que confinan el entorno urbano (Olgyay & Olgyay, 1992) (Nikolopoulou, Baker, & Steemers, 1999).
Esta sección analiza algunos de los modelos más representativos para seleccionar de las herramientas que mejor reproduzcan el efecto de la cubierta ajardinadas desde la óptica de los objetivos propuestos para esta investigación:
- Análisis de las condiciones hidrométricas del microclima afectado por una cubierta ajardinada
- Análisis energético de los edificios afectados por este microclima
Para el desarrollo de estos objetivos se han analizado tres tipos diferentes de herramientas de cálculo. El primer grupo, basado en modelos de análisis climático fundamentados en dinámica de fluidos computacional, el segundo tipo, basado en herramientas de simulación energética a nivel edificio, y en tercer lugar, herramientas mixtas, con capacidad para modelar tanto el ambiente exterior como el interior de los edificios.