Muro Orgánico Urbano Silvestre Sostenible (MOUSS)

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1 Muro Orgánico Urbano Silvestre Sostenible (MOUSS) Michael Maks Davis 1,*, Francisco Ramirez 2 1 Evolution Engineering, Design and Energy Systems, Cambridge, Reino Unido 2 La Pontificia Universidad Católica del Ecuador, Quito, Ecuador * Autor corresponsal: RESUMEN El Muro Orgánico Urbano Silvestre Sostenible (MOUSS) es el resultado del desarrollo experimental de un jardín vertical, que tiene la capacidad de climatizar un espacio por medio del control de flujos de aire y evapotranspiración de las plantas. El MOUSS es un enfriador por evaporación, de una manera similar a como trabajan las unidades evaporadoras, es decir enfriando y humidificando el aire caliente y seco por medio del contacto con el agua. Para medir el rendimiento del MOUSS se realizaron mediciones en una caja de experimentación diseñada para el efecto. Con el fin de hacer que el jardín funcionara como una unidad evaporadora de climatización, se realizaron tres maneras de hacerle fluir al aire: Por delante de las plantas, entre las hojas y un cristal; Por detrás del sustrato, entre la tierra y la pared; A través del sustrato. Las mediciones realizadas fueron utilizadas para comprobar los modelos matemáticos desarrollados para cuantificar la transpiración de las plantas o la evaporación del sustrato, donde se aplicó la ecuación de Penman-Monteith FAO-56 y formularios estándares para unidades evaporadoras de aire acondicionado. Cuando el aire pasa por delante del jardín, el efecto invernadero disminuye o desaparece por completo el efecto de enfriamiento por transpiración o evaporación. Cuando el aire pasa a través del sustrato solo, aunque enfría y humidifica el aire, la eficiencia es muy baja, y baja aún más con las plantas sembradas. Cuando el aire pasa por detrás del sustrato, primero este aire es protegido de la irradiación solar y el efecto invernadero, y segundo hay una correlación fuerte entre el modelo matemático y las mediciones. PALABRAS CLAVE climatización, jardines verticales, confort, energías renovables, sistemas híbridos. INTRODUCCIÓN La incorporación de un jardín vertical integrado al funcionamiento total del edificio, crea muchos beneficios como: Una gran influencia en la climatización y el confort del espacio interior (Van der Linden, 2008); Una biofiltración del aire del espacio interior (Darlington, 2007); Confort psicológicos para los usuarios del edificio (Fjeld et al., 1998); Fomentar la ecología del edificio. Page1 of8

2 En los climas que se caracterizan por ser calurosos y secos, la transpiración de las plantas tiene un efecto de refrigeración por evaporación; la energía necesaria para evaporar y transpirar agua hace que la temperatura se reduzca, a la vez de producir un aumento de la humedad relativa (Van der Linden, 2008). Este concepto se explica mejor con la ayuda de un diagrama psicométrico. El diagrama psicométrico consiste de un gráfico donde se ve trazado entre otras cosas: temperatura; la humedad relativa (HR); la cantidad de agua que contiene el aire y líneas de entalpía (REF). Tomemos como ejemplo que el clima es caluroso (de 30 C) y seco (de 30% HR). Si se evapora agua al aire, a través de plantas o una fuente, la energía necesaria para convertir el agua de un líquido al vapor tiene el efecto de disminuir la temperatura a la vez de incrementar la humedad relativa (Van der Linden, 2008). Esto se ve en la ilustración de abajo, trazando desde el punto rojo hasta el punto azul. Figura 1: Un diagrama psicométrico donde se ve trazado puntos genéricos del efecto de la evaporación de agua para reducir la temperatura a la vez de incrementar la humedad relativa (Adaptado de Ogawa, 2009) En teoría hay tres maneras de climatizar a través de un jardín vertical. 1. Hacer correr el aire por un espacio delante de las plantas, donde a un incremento en la velocidad del aire, correspondería con un incremento de transpiración. 2. Hacer correr el aire entre el sustrato y la pared por detrás del jardín vertical, donde un incremento en la velocidad del aire correspondería con un incremento de evaporación. 3. Hacer atravesar el aire por el sustrato del jardín vertical, donde el jardín funcionaría de una manera semejante a una unidad de aire acondicionado por evaporación. Figura 2: Las tres maneras de climatizar a través de un jardín vertical Page2 of8

3 MÉTODOS La caja de experimentación Este objeto diseñado para el efecto, permite conocer la interacción del aire con el sustrato, permitiendo medir y cuantificar la velocidad, temperatura y radiación que experimentan ambos bajo diferentes condiciones de interacción: Con el aire circulando por detrás del sustrato. Con el aire circulando por delante del sustrato. Con el aire atravesando el sustrato. La caja fue construida con el fin de comprobar los efectos de ambientación que diferentes tipos de sustratos y especies vegetales pueden tener sobre el aire que circula en ellos. Los factores tomados en cuenta para la medición de dichos efectos son: Temperatura ambiental el momento de la experimentación. Temperatura de entrada del aire en la caja. Temperatura del aire en diferentes secciones del recorrido. Temperatura de salida del aire de la caja. Velocidad de entrada del aire. Velocidad de salida del aire. Radiación promedio durante.el momento de la experimentación. Radiación sobre el muro en diferentes secciones. Como parámetros comunes para todas las mediciones, la caja se encuentra marcada en su ancho por cuatro guías que sirven para crear una matriz del comportamiento dentro de ella: A, B, C y D. En su altura la caja está marcada por tres secciones que tienen la misma función que las guías verticales: Arriba, Medio y Fondo. Figura 3: Guías para las mediciones y diseño de la caja de experimentación. La ecuación Penman-Monteith, FAO-56 Para medir el rendimiento del jardín vertical como unidad activa para controlar la temperatura, se aplica la ecuación de Penman-Monteith, FAO-56. Aquí se puede cuantificar la transpiración de las plantas o evaporación del sustrato (Allen et al, 1998), y por lo tanto su efecto ambiental (Van der Linden, 2008). ( ) ( ) ( ) ( ) (1) Page3 of8

4 Donde, ET 0 = evapotranspiración [kg s -1 ], Δ = índice de la curvatura de la presión de vapor [kpa C -1 ], R n = radiación [MJ m -2 day -1 ], G = densidad del flujo de calor de la tierra [MJ m -2 day -1 ], γ = la constante psicométrico [kpa C -1 ], T = temperatura [ C], U = velocidad del viento [m s -1 ], e 0 y e a = elementos relacionados con la humedad relativa. El aire por delante de las plantas Aquí el aire corre entre la superficie de las hojas de las plantas y un cristal. Para medir con exactitud, el modelo divide el jardín en 10 secciones, calculando el cambio en la temperatura y la humedad relativa para cada sección. Los pasos para calcular la reducción de la temperatura y el incremento de la humedad relativa para cada sección son los siguientes: 1. Entre los parámetros iníciales para el clima están: la presión del vapor, la atmosfera, el aire y agua, y por último del tamaño del jardín vertical. 2. Calcula la transpiración de las hojas de las plantas, ET 0 a base de la ecuación Penman- Monteith (1). 3. Calcula el incremento en la cantidad de la humedad en el aire y la humedad relativa, además de los cambios en los parámetros de la presión del vapor. 4. Calcula la reducción de la temperatura a través de la ecuación de equilibrio energético: (2) Donde, T = reducción de la temperatura [ C], ET sustrato = evapotranspiración del sustrato de la sección entera por detrás del jardín [kg s -1 ], = calor latente del agua [J kg -1 ], Q = flujo del aire por detrás del jardín vertical [m 3 s -1 ], = densidad del aire [kg m -3 ], c = calor especifico del aire [J kg -1 C -1 ] (Van der Linden, 2007). 5. Con los nuevos parámetros para el clima y la presión del vapor, repite los pasos 1-4 para cada sección del jardín vertical. El aire por detrás del sustrato Aquí el aire fluye por el espacio posterior del sustrato. En este caso, por una parte, el índice de transpiración se reduce en razón de que no hay el componente de irradiación solar que propicia la transpiración de agua. Por otra parte, la superficie de un sustrato húmedo evapora 1.15 veces más agua, que una superficie de plantas transpirando (Allen et al, 1998). Como conclusión el modelo matemático nos muestra que en teoría, a pesar de la falta de irradiación solar, el jardín vertical, con el aire fluyendo por detrás, sigue teniendo un efecto de refrigeración por evaporación muy potente. Adicionalmente, evitamos el problema del calentamiento del aire por un efecto invernadero. Procedemos de la misma manera anterior, se divide el jardín en 10 secciones, calculando el cambio en la temperatura y la humedad relativa para cada sección. Los pasos para calcular la Page4 of8

5 reducción de la temperatura y el incremento de la humedad relativa para cada sección son los siguientes: 1. Entre los parámetros iníciales para el clima están: la presión del vapor, la atmosfera, el aire y agua, y por último del tamaño del jardín vertical. 2. Se calcula la evapotranspiración del sustrato de la primera sección, Hay que notar que para los cálculos de ET 0 no hay irradiación solar por detrás del jardín vertical, y por lo tanto la ecuación (1) se transforma en: ( ) ( ) (3) 3. Calcular el incremento en la cantidad de la humedad en el aire y la humedad relativa, además de los cambios en los parámetros de la presión del vapor. 4. Calcula la reducción de la temperatura a través de la ecuación de equilibrio energético mediante la ecuación (2). 5. Con los nuevos parámetros para el clima y la presión del vapor, repite los pasos 1-4 para cada sección del jardín vertical. El aire atravesando el sustrato La tercera opción es hacer que el aire atraviese el sustrato. En este caso, el jardín vertical funciona de una manera parecida a un enfriador por evaporación. Este sencillo enfriador por evaporación, hace que el aire pase por un medio mojado/húmedo, bajando la temperatura del aire a través del calor latente de evaporación (California Energy Commission, 2004). Esto quiere decir que al pasar por el medio mojado/húmedo, la temperatura del aire baja a la vez que la de la humedad relativa sube. La relación entre la disminución de la temperatura del aire y el incremento de la humedad relativa, depende de varios parámetros del aire y del enfriador por evaporación: Parámetros del aire: La temperatura del bulbo seco; La temperatura del bulbo húmedo; La humedad relativa del aire. Parámetros del enfriador por evaporación: La eficiencia del enfriador por evaporación Las mediciones tomadas durante el experimento fueron usadas para la temperatura del bulbo seco (la temperatura medida con un termómetro convencional) y del bulbo húmedo (la temperatura medida con un termómetro convencional cubierto de un algodón mojado. La eficiencia fue calculado a base de: (4) Donde: E = Eficiencia (-) T bs = temperatura del bulbo seco ( C) T f = temperatura del bulbo seco final ( C) T bh = temperatura del bulbo húmedo ( C) Page5 of8

6 Temperatura ( C) Temperatura ( C) Temperatura ( C) Temperatura ( C) RESULTADOS El aire fluyendo por delante de las plantas En teoría, al pasar el aire entre las hojas y el cristal, la transpiración de las plantas se incrementa, lo cual enfría y humidifica el aire. Sin embargo, fue observado que con el sustrato solo, la temperatura del aire aumentó, y con las plantas sembradas, bajó acaso un grado. Esto fue mucho menor de lo que se supondría, basado en el modelo matemático. Se puedo concluir, que es muy probable que el efecto de calentamiento por la irradiación solar del aire, tenga una influencia mucho más grande que la del enfriamiento del aire por la evaporación o transpiración. En total existe un efecto invernadero. Aire Adelante con Sustrato Solo Aire Adelante con Plantas Sembradas Figura 4: Gráficos de los resultados del aire por delante de las plantas El aire fluyendo por detrás del sustrato Cuando al aire se le hizo fluir por detrás de las plantas, estaba protegido de la irradiación solar, y por lo tanto no hubo el efecto invernadero que se observó cuando el aire pasaba por delante. Además, parece haber una fuerte correlación entre el modelo matemático y las mediciones del experimento. En este caso, la humedad relativa tuvo que ser estimada a base de datos de la temperatura húmeda y datos climáticos de Quito. Sin embargo los resultados son favorables, lo cual indica que merece la pena investigarse más profundamente, a futuro, con mediciones directas de la humedad relativa. 23,00 22,00 21,00 20,00 Aire por Detrás con Sustrato Solo Aire por Detrás con las Plantas Sembradas 23,00 22,00 21,00 20,00 Mediciones del experimento Estimaciones del modelo matemático Mediciones del experimento Estimaciones del modelo matematico Figura 5: Gráficos de los resultados del aire fluyendo por detrás del sustrato. Page6 of8

7 Temperatura ( C) Temperatura ( C) El aire atravesando el sustrato En este caso el jardín vertical funciona exactamente igual que una unidad evaporadora. La baja de temperatura en una unidad evaporadora, se basa en la eficiencia de la unidad, y la velocidad del viento que atraviesa el material húmedo de la unidad. En este caso, se supone que el aire fluye de una forma uniforme por toda la superficie del jardín vertical. El modelo matemático nos dice que la eficiencia del jardín vertical: 22% para el sustrato solo; 7% con las plantas sembradas Estas son eficiencias muy bajas, comparado con el promedio de entre 80% a 90% que es típico de una unidad evaporadora Aire Atravesado Sustrato Solo Aire Atravesado Plantas Sembradas Figura 6: Gráficos de los resultados del aire atravesando el sustrato. DISCUSIONES Los resultados del experimento han sido muy importantes. De las tres maneras de enfriar y humidificar el aire para un jardín vertical se active, parece ser que la metodología de hacer fluir el aire por detrás del jardín, ha sido el más exitoso. Cuando el aire fluye por delante del jardín, el efecto invernadero disminuye o cancela por complete el efecto de enfriamiento por transpiración o evaporación. Cuando el aire pasa a través del sustrato, aunque enfría y humidifica el aire, la eficiencia es muy baja con el sustrato solo, y aún más baja con las plantas sembradas. Por el otro lado cuando el aire pasa por detrás del sustrato, primero es protegido de la irradiación solar y el efecto invernadero, y segundo hay una correlación fuerte entre el modelo matemático y las mediciones. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Para concluir, se puede decir con confianza que es factible realizar un jardín vertical que funcione como una unidad de aire acondicionado por evaporación, donde el hacer fluir el aire por entre el sustrato y la pared detrás del jardín, tiene más éxito. Se recomienda seguir la investigación más profundamente, con mediciones exactas de la humedad relativa para poder afinar el modelo matemático. También se podría repetir el experimento, donde el aire atraviesa el jardín con un sustrato compuesto por una mezcla de carbón activado y pellets de arcilla, y tomar medidas de presencia de contaminantes del aire antes y después de pasar por el jardín vertical. Esto haría que la opción de hacer que el aire atraviese el sustrato, vuelva a ser interesante, a pesar de su baja eficiencia para la climatización de espacios. Page7 of8

8 RECONOCIMIENTOS (AGRADECIMIENTOS) Los autores quieren agradecer el auspicio, financiamiento y apoyo, de la Pontificia Universidad Católica del Ecuador, para esta investigación. REFERENCIAS Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D. & Smith, M. (1998). Crop evaporotranspiracion Guildelines for computing crop wáter requirements FAO irrigation and drainage paper 56, Food and Agriculture Organisation of the United Nations (Rome) [Online]. Disponible en: (Recuperado 10/08/2010). California Energy Commission, (2004). Advanced Evaporative Cooling White Paper. [Online]. Disponible en: 016_AT1.PDF (Recuperado 10/09/2009) Darlington, A., Munz, G. & Dixon, M. (2004). The Removal of Carbon Monoxide by Botanical Systems, [Online]. Disponible en: (Recuperado 14/09/2007). Fjeld et al. (1998). The Effect of Indoor Foliage Plants on Health and Discomfort Symptoms among Office Workers. KARGER, Indoor and Built Environment. 7(4), p Owaga, A. (2009). Psychrometric Chart for Sea-level pressure using SI units. GNU Free Documentation License. Van der Linden, A.C. (2008). Conversación sobre el confort termal y la transpiración de plantas, Comunicación personal (02/03/2008). Page8 of8

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