Análisis de la transferencia de calor en azoteas verdes

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1 From the SelectedWorks of Francisco J. Valdes-Parada Spring May 6, 010 Análisis de la transferencia de calor en azoteas verdes Francisco J. Valdes-Parada Verónica Freyre-Fonseca Available at:

2 ANÁLISIS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN ZONAS VERDES V. Freyre-Fonseca y F.J. Valdés Parada Departameto de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, Universidad Autónoma Metropolita Unidad Iztapalapa, México. Resumen El problema de las islas urbanas de calor contribuye a los drásticos cambios climáticos que se sufren en ciudades densamente pobladas. Para atender este problema se tienen diversas alternativas, entre las cuales se contempla incorporar zonas verdes (e.g., paredes y azoteas verdes) en edificaciones que contrarresten los efectos de calentamiento excesivo. En este trabajo se estudia la transferencia de calor en edificaciones típicas de la ciudad de México utilizando diferentes configuraciones de zonas verdes. Los resultados muestran que el utilizar azoteas verdes tiene un efecto estabilizador en los perfiles locales de temperatura; sin embargo a nivel de toda una edificación, son las paredes verdes las que llevan a cambios drásticos de temperatura. Además, se muestra que el análisis del flux interfacial en las edificaciones no proporciona información cuantitativamente relevante sobre diferentes configuraciones de zonas verdes. Los resultados de este trabajo pueden ayudar a mejorar el diseño, análisis y control de edificaciones que involucren zonas verdes como medio de transferencia de calor. Palabras clave: azotea verde, pared verde; transferencia de calor; eficiencia térmica. Introducción En ciudades densamente pobladas las necesidades antropológicas de espacios para diversas actividades provocan que se modifique la superficie del suelo cubriéndolo con materiales que retienen el calor. Este proceso produce el efecto isla urbana de calor que contribuye a cambios climáticos drásticos, como tormentas, huracanes y disminución en la calidad del aire por el incremento de ozono, CO y otros contaminantes [1,5,6]. Es por ello que se ha analizado cuantitativamente la transferencia de energía y las condiciones climáticas a las que se encuentran expuestos diferentes tipos de pavimento []. A partir de estos estudios se ha llegado a la conclusión de que existe una fuerte influencia de la radiación solar incidente y la absorbancia de la superficie en el incremento de temperatura en el pavimento. Ante esta problemática, se ha planteado la posibilidad de cubrir parte de las zonas urbanas con vegetación de diversos tipos. Con esta idea se ha propuesto instalar zonas verdes, tales como azoteas y paredes verdes en edificaciones. Las zonas verdes son capaces de capturar contaminantes y partículas suspendidas, disminuir el efecto isla de calor a través de la absorción del calor y su evaporación, haciendo el clima menos extremoso. Además, estos sistemas pueden retener el agua pluvial para su posterior evaporación; es decir, son medios de reutilización del agua, entre otras ventajas [1, 8]. Existen estudios que evalúan el efecto de las azoteas verdes en la disminución de los contaminantes en zonas urbanas [9], donde se demostró que 19.8 ha de azoteas verdes fueron capaces de disminuir 1675 kg de contaminantes por año. En otros trabajos [1, 3, 4, 6, 8] se ha analizado el efecto de las paredes

3 verdes en el decremento de la temperatura en edificios urbanos, mediante software comercial. Sin embargo algunos de estos estudios utilizaron modelos de parámetros matemáticos simplificados [3, 6] y no consideraron nodos climáticos como la humedad relativa y la temperatura del aire. Por ello, recientemente se han realizado estudios [1, 4, 8] tomando en cuenta los cambios climáticos y se ha encontrado que la temperatura del aire disminuye entre la superficie de la vegetación desde 6 C hasta 1.6 C en promedio durante el día. Asimismo se encontró que dichos cambios se deben a la geometría de los vegetales y la humedad que éstos promueven [1, 8], así como los procesos fotosintéticos [4]. De esta manera, se ha demostrado que una pequeña capa de suelo funciona como un aislante térmico para los interiores de los edificios. Las azoteas verdes funcionan incrementando el aislamiento y reduciendo la demanda de aire acondicionado y calentadores. Por lo tanto, se reducen las necesidades de energía en tiempos de calor o de frío [8]. A pesar de que existen varios estudios que prueben la eficiencia térmica de las paredes y azoteas verdes por separado, pocos estudios analizan los efectos de considerar configuraciones involucrando combinaciones de paredes y azoteas verdes. El objetivo de este trabajo es estudiar la dinámica de transporte de calor en edificaciones que incorporen zonas verdes. Esto permitirá determinar el tipo de configuraciones que proporcionen cambios considerables de temperatura a lo largo del día y así mejorar actividades de diseño, planeación, análisis y control de temperatura en edificaciones urbanas. Metodología y resultados Como primera aproximación se propone como sistema un edificio cuyas dimensiones (6m x 8m x 1m) corresponden a las típicamente encontradas en unidades habitacionales del Distrito Federal. De esta forma, la ecuación de energía térmica se reduce a T Cp k T (1) t 3 Suponiendo que la mayor parte del sistema está hecho de concreto, se tomaron 400 kg/m, Cp 880J/kgK y k 1.7W/mK. La base del edificio se supuso aislada, mientras que en la interfase pared-aire A pa se impone como condición de frontera la ley de enfriamiento de Newton n k T h T T, en A () i a pa donde h i denota el coeficiente de película, el cual para el concreto es hc 1.9W/m K, mientras que para una pared verde se tomó como hc 17.44W/m K [9]. Cabe hacer notar que en la Ec. () se ha supuesto que la transferencia de calor se da en estado cuasiestacionario, respecto al transporte en el resto del sistema, lo cual es razonable siempre y cuando el ancho de las paredes sea considerablemente menor que la longitud característica del edificio. Esta suposición es razonable incluso para paredes y azoteas verdes, dado que su longitud característica es del orden de m, mientras que la distancia característica del edificio es dos órdenes de magnitud mayor. En la Ec. (), T a es la temperatura ambiente, la cual, debido a la radiación, cambia considerablemente a lo largo del día en las distintas estaciones del año [10]. Ajustando estadísticamente los datos reportados por Varela y col. [10], se obtiene, para la primavera, la siguiente expresión

4 .5z Ta Tmin Ae a3 a a3 6 4 y0 1 z z 3 z 6z 3 z 15z 45z 15 ; Tmax Tmin w 3! 4! 6! t xc z w donde T min y T max representan las temperaturas máxima y mínima a lo largo del día; y , xc h, w h, A , a y a Para evitar limitar los cálculos a un conjunto particular de temperaturas máxima y mínima, se maneja de aquí en adelante la temperatura adimensional T Tmin (4) T T max La temperatura inicial del sistema se tomó idéntica a a a las cero horas. Con el fin de analizar la influencia de incluir paredes y/o azoteas verdes en una edificación, se consideran las configuraciones listadas en la Tabla 1. Las ecuaciones de transporte se resolvió numéricamente en un dominio tridimensional usando el programa de elemento finito Comsol Multiphysics 3.5a. En la Fig. 1, se muestra un ejemplo de la dinámica de los perfiles de temperatura para el caso en que sólo exista una pared verde (Modelo-p) y cuando se tiene una pared y azotea verde (Modelo pt). Como puede notarse, la influencia de incluir zonas verdes tiene una repercusión directa en las inmediaciones de la frontera correspondiente. Por ello, el incluir una azotea verde puede favorecer a mantener un determinado tipo de perfil de temperatura a lo largo de todo el sistema. En otras palabras, las azoteas verdes tienen un efecto estabilizador sobre los gradientes de temperatura inducidos por las paredes verdes, cuya área superficial es mayor. En la Fig., se muestra la dependencia temporal de la temperatura promedio (en volumen) del sistema,, para las configuraciones presentadas en la Tabla 1. Como puede notarse, si no se utilizan paredes verdes la temperatura promedio cambia sólo alrededor del 10% a lo largo del día, mientras que si se utilizan paredes y/o azoteas verdes, la disminución puede llegar a ser del 40%. Los resultados para el Modelo-p exhiben una dependencia temporal similar a la reportada en la literatura [1]. Por otro lado, es de notar que el incluir azoteas verdes no lleva a decrementos drásticos de temperatura en el sistema. Como es de esperarse, son las paredes verdes las que llevan a diferencias relevantes de temperatura debido al aumento del área superficial de influencia. Para tener una idea más concreta de estos cambios de temperatura, en la Tabla se reportan los valores mínimos de temperatura promedio para las diversas configuraciones de la Tabla 1 tomando Tmin C y Tmax 6.75 C. Tabla 1. Relación de modelos y configuraciones Nombre Configuración Modelo-0 Sin paredes ni azotea verdes Modelo-p Una pared verde Modelo-pt Una pared y azotea verdes Modelo-pp Dos paredes verdes paralelas Modelo-ptp Dos paredes verdes paralelas y una azotea verde min (3)

5 Fig. 1: Evolución de la distribución de temperaturas en edificaciones que involucran una pared verde (Modelo-p) y una pared con azotea verde (Modelo-pt) para a) 6h, b) 1h y c) 4h. Fig. : Respuesta de la temperatura promedio del sistema para las diferentes configuraciones de las zonas verdes. Por último, en la Fig. 3, se presenta la evolución temporal del flux interfacial promediado en el área para las configuraciones de la Tabla 1. Interesantemente, en este caso la única diferencia apreciable en los resultados se encuentra entre la configuración con una sola pared verde y el resto. Esto se debe a que, de acuerdo a la Fig., el Modelo 1 conduce a las menores desviaciones de la temperatura respecto

6 al Modelo-0. Esta observación es relevante pues en la literatura [1] se suele tomar en ocasiones al flux interfacial como parámetro para definir la eficiencia del sistema. De acuerdo a los resultados de la Fig. 3, este criterio es sólo informativo en un sentido cualitativo pero no cuantitativo pues no permite distinguir entre las distintas configuraciones utilizadas. Tabla. Temperaturas promedio mínimas alcanzadas en las simulaciones tomando T C y Tmax 6.75 C. min Nombre Temperatura mínima ( C) Modelo Modelo-p Modelo-pt Modelo-pp Modelo-ptp Fig. 3: Respuesta del promedio del flux interfacial para las diferentes configuraciones de las zonas verde. Conclusiones En este trabajo se estudió la dinámica de la transferencia de calor en edificaciones que involucren zonas verdes tales como paredes y/o azoteas verdes. El análisis se centró en una edificación característica de unidades habitacionales de la ciudad de México. Los efectos del cambio de la temperatura ambiental por la radiación solar a lo largo del día se tomaron en cuenta a partir de datos experimentales de la literatura [10]. Los resultados de las simulaciones numéricas muestran que la temperatura,, puede cambiar hasta en un 40% respecto a su valor inicial al considerar zonas verdes. El análisis muestra que, aunque el incorporar azoteas verdes, no se traduce en cambios drásticos de la temperatura promedio a lo largo del día; este tipo de sistemas tiene un efecto estabilizador en los perfiles locales, lo cual se traduce en una mayor uniformidad de temperatura en la edificación. Además se mostró que el flux de calor interfacial no proporciona información cuantitativa relevante que permita analizar diferentes configuraciones de zonas verdes. Para cumplir dicho objetivo es más adecuado estudiar las distribuciones de temperatura dentro del sistema.

7 Referencias 1. Alexandri E., Jones P. (008). Temperature decreases in an urban canyon due to green walls and green roofs in diverse climates. Building and Environment 43, Correa E.N., Flores Larsen S. y Lesino G. (003). Isla de calor urbana, efecto de los pavimentos informe de avance. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente 7, del Barrio E.P. (1998). Analysis of the green roofs cooling potential in buildings. Energy and Buildings 7, Feng C.; Meng Q., Zhang Y. (010), Theoretical and experimental analysis of the energy balance of extensive green roofs. Energy and Buildings,doi: /l.enbuild Imyunku (009). Learning About Urban Heat Islands. Pusan National University. Retrieved Kumar R, Kaushik S.C. (005). Performance evaluation green roof and shading for thermal protection of buildings. Building and Environment 40, Yang J., Yu Q., Gong P. (008). Quantifying air pollution removal by green roofs in Chicago. Atmospheric Environment 4, Sailor D.J. (008) A green roof model for building energy simulation programs. Energy and Buildings 40, Linacre E.T. (1963). Determinations of the heat transfer coefficient of a leaf. Plant Physiology 39, Varela-Ham J.R., Mora M.A., Ogarrio J. (009). Análisis de la evolución temporal de cajas fotoquímicas. Memorias del XXX Encuentro Nacional de la AMIDIQ, Mazatlán Sinaloa, México.