Agustín Torres Rodríguez, David Morillón Gálvez*

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1 Simulación de parámetros que resultan del almacenaje de agua en un techo verde utilizando el software green roof, estudio de caso: casa particular en la delegación Miguel Hidalgo Agustín Torres Rodríguez, David Morillón Gálvez* IE-10 RESUMEN El objetivo del presente trabajo es mostrar la utilización del software green roof (modelo de balance de agua) en un estudio de caso de acuerdo con los parámetros de precipitación pluvial, retención de agua, evapotranspiración potencial y del cultivo, profundidad del sustrato y la demanda evaporativa del techo verde. El estudio se realizo a una casa habitación que cuenta con un techo verde, de tipo extensivo ubicada en la delegación Miguel Hidalgo de la ciudad de México. Los datos climáticos de temperatura exterior, dirección y velocidad del viento del lugar fueron obtenidos de la estación meterológica de Tacubaya de la comisión nacional del agua [I]. Palabras claves: evapotranspiración, programa, parámetros, retención. ABSTRACT The purpose of document present is to show how to use green roof software (water balance model) a case study according to rainfall parameters, water retention, crop and potential evapotranspiration, substrate depth and evaporative demand of green roof. Study was realized a house has a green roof, extensive type which is located in Miguel Hidalgo municipality in Mexico city. Weather data of out temperature, speed and direction wind od place were gotten of Tacubaya metereology station of water national commission. Keywords: evapotranspiration, software, parameters, retention. INTRODUCCIÓN En la actualidad existen diferentes programas que estudian los techos verdes, entre estos tenemos, la hoja de cálculo desarrollada por la Universidad de California en los Estados Unidos de América, denominada Irrigación Básica Horaria (BISm, por sus siglas en inglés), el programa estima la evapotranspiración de referencia (ETo) para datos mensuales climáticos. Otro de los programas que es conveniente señalar es el software desarrollado por la Universidad de Toronto, en Canadá a principios de 1994, llamado Green roof saver que se encuentra en línea y que permite calcular condiciones de evapotranspiración, aislamiento térmico, fenómeno de isla de calor, ahorro de emisiones de CO 2 por concepto de instalar un techo verde, beneficios económicos, etc. Aunque la limitante que tiene este programa es que solo sirve como calculador para techos verdes instalados en Estados Unidos de América y Canadá. Otro programa que permite el estudio de los techos verdes es el desarrollado en marzo de 2000 por los ingenieros del ejército de los Estados Unidos de América, llamado Sistema de Modelado Hidrólógico (HEC-HMS, por sus siglas en inglés). Este programa permite calcular con base en los datos cilmáticos de precipitación pluvial del sitio en estudio, la evapotranspiración de referencia, la cantidad de sobre flujo, almacenaje y pérdida de energía cuando el agua circula sobre el techo del edificio; también se puede realizar una un modelo comparativo entre un techo verde húmedo y uno seco. Por otra parte el programa green roof (techo verde) realiza el cálculo de la cantidad de agua que un techo verde puede almacenar, evapotranspirar, y drenar para un periodo de un día o bien para un periodo de un año (año 2000). El programa [II] cuenta con cuatro tipos de vegetación con diferentes grados de inclinación (0 o, 10º, 20º, 30º y 40º). Finalmente establece resultados que comparan el techo verde que será un techo tipo A y un techo común con impermeabilizante (techo tipo B). CONDICIONES CLIMÁTICAS Antes de realizar el estudio de caso del techo verde se deberán conocer las condiciones climáticas de temperatura de bulbo seco y húmedo, la humedad relativa, la evaporación, precipitación total y velocidad del viento que predominan en el lugar en donde se ubica la casa habitación. En la tabla 1 se muestran estas condiciones tomadas de la estación metereológica de Tacubaya, en el Distrito Federal para el periodo de 1981 a Universidad Nacional Autónoma de México, Postgrado de Ingeniería en Energía e Instituto de Ingeniería, agustin71tr@yahoo.com.mx, damg@pumas.iingen.unam PAGINA 1

2 Tabla 1.- Condiciones climáticas del techo verde ELEMENTOS ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC ANUAL TEMPERATURA MEDIA NORMAL TEMPERATURA DE BULBO HUMEDO NORMAL HUMEDAD RELATIVA MEDIA PRECIPITACIÓN NORMAL EVAPORACIÓN TOTAL NORMAL VIENTO MÁXIMO DIARIO MAGNITUD MEDIA UNIDADES: Temperatura (oc), humedad relativa (%), precipitación y evaporación (mm) y viento (m/s) CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL TECHO VERDE El techo verde de la casa comprende una superficie promedio de 210 m 2, es de tipo extensivo y esta constituido por una capa de vegetación de diferentes dimensiones por lo que para el uso de la simulación se utilizará un promedio de 5 cm, con una capa de substrato de 10 cm. La precipitación pluvial anual será de mm según lo reportado en la tabla 1. De acuerdo con los datos anteriores de precipitación pluvial anual y de área del techo verde este recibirá L de agua por metro cuadrado. En la figura 1 se muestra una fotografía de la casa con techo verde. PARÁMETROS DEL TECHO VERDE Dentro de los parámetros que se pueden medir con el software se tiene la retención del agua del techo verde, el coeficiente único del cultivo, la evapotranspiración potencial, las características del substrato, la precipitación si se trata de un techo inclinado, la evapotranspiración si se trata de un techo inclinado, y la demanda evaporativa a la atmósfera afectada por la posición que para este caso será un techo verde completamente expuesto. Los parámetros que fueron suministrados al programa se muestran en la tabla 2. Tabla 2.- Parámetros del techo verde Tipo de techo Porcentaje de cubierta de la vegetación Hierbas y pastos Superficie del techo 210 m 2 Profundidad del substrato superficie capa del substrato capa dren Agua almcenada en la malla de retencíon 10 cm 21 litros 4.2 litros 4.2litros 0 litros Figura 1.- Casa habitación con techo verde Total de agua almacenada litros Pendiente 20 o Orientación oeste Posición completamente expuesta PAGINA 2

3 Con los parámetros anteriores el software permite calcular los siguientes valores: - La retención de agua - El coeficiente único del cultivo - La evapotranspiración en porcentaje - Precipitación afectada por la orientación y la inclinación del techo RETENCIÓN DEL AGUA Para la retención del agua el techo acumulará en la capa de vegetación 0.10 litros/m 2, en la capa de substrato 2.50 litros por m 2 por cada centímetro de profundidad, y en la capa dren se tendrán 2 litros por m 2 y en la capa de almacenaje de agua 0.5 litros por m 2. En la tabla 3 se muestran los resultados anteriores. Tabla 3.- Valores del parámetro de retención del agua superficie (techo/vegetación) Techo con bitumen (plano) 0.50 L/m 2 Techo con bitumen (inclinado) 0.20 L/m 2 Techo con teja 0.15 L/m L/m 2 Techo de concreto 0.10 L/m 2 capa de substrato Techo con bitumen 0.00 L/m 2 para una profundidad estándar Techo con teja 0.10 L/m 2 para una profundidad estándar 2.50 L/m 2 por cm de profundidad Techo de concreto 1.00 L/m 2 por cm de profundidad capa dren Capa dren 2.00 L/m 2 Capa de almacenaje de agua 0.50 L/m 2 COEFICIENTE ÚNICO DEL CULTIVO (Kc) La evapotranspiración de cultivo se refiere a la evapotranspiración que se tiene sobre el techo verde en grandes áreas bajo condiciones óptimas de agua en el substrato. Los efectos combinados, tanto de transpiración de la vegetación, como de la evaporación del substrato se integran en un coeficiente único de cultivo. Este coeficiente integra las características de la vegetación y los efectos promedio de la evaporación en el substrato, por lo que constituye una excelente herramienta para la planificación del riego en periodos de tiempo mayores a un día. En la tabla 4 se muestran los resultados obtenidos. Los valores toman como referencia una vegetación estándar con un coeficiente de 1. En este se muestra que el coeficiente de evaporación del agua para la superficie del techo será de 1.20, para la capa de substrato será de 1.10 y para la vegetación que en este caso se considera solo las hierbas y los pastos será de 1.00 Tabla 4.- Coeficiente de cultivo de la vegetación Superficie (techo) Kc Coeficiente de evaporación libre de agua 1.20 Capa de substrato Coeficiente de evaporación (barra) de substrato 1.10 Vegetación Musgos y suculentas 0.40 Suculentas y musgos 0.70 Pastos y suculentas 0.70 Hierbas y pastos 1.00 EVAPOTRANSPIRACIÓN EN PORCENTAJE (p) La evapotranspiración sin restricciones de agua se expresa en porcentaje, por lo que para el agua totalmente evaporada por el techo el software considera un 100%. Los resultados calculados por el software son para un techo evaporará un 100%, con la capa de substrato un 90 evaporará un 90%, y la transpiración de la vegetación sin restricciones de agua para un techo vede con pasto y hierbas será del 50%. Estos valores se observan en la tabla 5 Tabla 5.- Evapotranspiración expresada en porcentaje p (%) Desde la superficie (del techo) libre de agua 100 Desde la capa de substrato (barra) 90 Transpiración de la vegetación Musgos y suculentas 60 Suculentas y musgos 70 Pastos y suculentas 50 Hierbas y pastos 50 PRECIPITACIÓN AFECTADA POR LA ORIENTACIÓN Y LA INCLINACIÓN DEL TECHO La orientación y la inclinación afectan la cantidad de agua retenida en el techo verde. En la figura 2 se muestra que un techo con una orientación oeste y una inclinación de 20º drenará hasta un 10% aproximadamente de la precipitación pluvial del sitio. Los porcentajes para la orientación este serán los mismos que para la orientación oeste pero con valores negativos es decir: -5%, -10%, - 13% y -18% PAGINA 3

4 Porcentaje (%) UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Tabla 7.- Retención de agua, evapotranspiración y agua drenada para el año 2000 del techo verde Pendiente en grados Oeste, 18 Sur, 2 Norte, 0 Oeste Sur Norte Figura 2.- Precipitación pluvial afectada por la orientación y la pendiente del techo verde RESULTADOS Los resultados anteriores son resumidos por el programa en una serie de cálculos del agua retenida, la evapotranspiración, el agua almacenada y el agua drenada del techo verde para un periodo de un día o bien para un periodo de 365 días. En este caso para el techo tipo A que es el techo en estudio se muestra que el día 1 de enero del año 2000 el techo inicialmente habrá almacenado 2.1 litros, se deben tener por concepto de riego o de precipitación pluvial 85.9 litros, de los cuales se evapotranspiran 29.4 litros (33%), se almacenan 0 litros (0%), se retienen 29.8 litros que son necesarios para la evapotranspiración, y se drenan para su reciclado 56.8 litros (67%). Estos resultados se muestran en la tabla 6. Tabla 6.- Retención de agua, evapotranspiración y agua drenada para el primero de enero del techo verde Porcentaje Periodo 1 día Tipo de techo A Agua almacenada 2.1 Litros Riego o precipitación pluvial 85.9 Litros Evapotranspiración 29.4 Litros 33 Almacenamiento 0 Litros 0 Agua reciclada 56.8 Litros 67 El programa permite calcular los parámetros anteriores para el año 2000 que muestran que para una precipitación pluvial promedio máxima de mm/año y una evapotranspiración promedio máxima de mm/año se tendrán 182,968.2 litros de agua/año de los cuales se evapotranspirarán aproximadamente un 4% (6, litros/año) y se drenaran 176, litros/año. Estos resultados se muestran en la tabla 7. Periodo 365 días Tipo de techo A Agua almacenada inicial 2.1 Litros Porcentaje Riego o precipitación pluvial 182, Litros Evapotranspiración 6, Litros 4 Almacenamiento 0 Litros 0 Agua reciclada 176, Litros 96 CONCLUSIONES Dentro de la gran variedad de programas que existen para el cálculo de diversos parámetros que se tienen en los techos verdes el software green roof realiza una aproximación de los valores de la evapotranspiración de referencia, de la cantidad de agua que puede almacenar y drenar, pero para el año 2000 por lo que realizar simulaciones para otros años no se pueden realizar con este programa, lo que constituye una limitante. Pero una ventaja que tiene este programa es que realiza una comparación entre el techo y verde y un techo común de losa de concreto con impermeabilizante, resaltando la importancia de tener el techo verde. Para futuros trabajos conviene realizar más simulaciones a otros techos verdes ubicados en la ciudad de México para analizar las variantes que se presenten. Por otra parte se pueden comparar los resultados obtenidos con el programa Green roof saver teniendo en cuenta que este último no tiene base de datos para el caso mexicano. Finalmente esta simulación constituye una de las primeras que se realizan para el caso de techos verdes ubicados en México y sientan las bases para desarrollar un software que se aplique en nuestro país. Para ello se tienen modelos matemáticos como el de Penman-Monteith que permitirán calcular parámetros como el de la evapotranspiración en conjunto con las condiciones climáticas y los coeficientes de cultivo para los cuales ya se tienen algunos datos. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA [I] [II] INFORMACIÓN ACADÉMICA Dr. David Morillón Gálvez: Ingeniero civil egresado de la Universidad de Guadalajara en Obtuvo el grado de Maestría en diseño bioclimático en 1990 en la Universidad de Colima y Doctorado en ingeniería por la Universidad Autónoma de México en Ha sido autor de diversos artículos científicos y ha sido presidente de la Asociación Nacional de Energía Solar en el periodo comprendido entre el 2004 y el Actualmente es PAGINA 4

5 investigador de tiempo completo en el instituto de ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. M.I Agustín Torres Rodríguez: Ingeniero mecánico electricista por la Facultad de Estudios Superiores Aragón en Maestro en ingeniería en el área de energía con especialidad en diseño bioclimático, por la Facultad de ingeniería de la UNAM en UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO PAGINA 5