Efecto de las cubiertas ajardinadas sobre el microclima urbano de verano

Resumen

El cambio climático y sus efectos requieren el desarrollo de estrategias capaces de no sólo mitigar pero también adaptarse a los efectos que este fenómeno está provocando a nivel mundial. Las olas de calor más largas y frecuentes, inundaciones y graves sequías aumentan la vulnerabilidad de la población, especialmente en asentamientos urbanos. Este fenómeno y sus soluciones potenciales ha sido extensamente estudiado en las últimas décadas abordándolo desde diferentes perspectivas que van desde el análisis regional de isla de calor a la escala del edificio. Su comprensión requiere el entendimiento dimensional de este fenómeno y un profundo análisis de los factores y las estrategias que pueden corregirlo. En la búsqueda de soluciones a este problema, los elementos de infraestructura natural como son las cubiertas ajardinadas, las fachadas vegetadas y bosques urbanos se presentan como estrategias capaces de proporcionan múltiples servicios al ecosistema urbano y de regular y hacer frente a los efectos del cambio climático. Entre estos servicios se incluyen la gestión de agua de tormentas, el control del efecto isla de calor y mejora de la calidad del aire y agua y la reducción de la huella ecológica de las ciudades. En la última década, se han desarrollado múltiples estudios para evaluar y cuantificar los servicios al ecosistemas proporcionados por las cubiertas ajardinadas, sin embargo, determinados servicios como la regulación microclima urbano y su impacto en la población urbana no se han apenas estudiado. El primer paso de esta investigación ha sido la definición del objeto de estudio a través del análisis y revisión de trabajos tanto teóricos como mpíricos que investigan los efectos de cubiertas ajardinadas en el entorno construido, entendidas como una herramienta para la adaptación y mitigación del impacto del cambio climático en las ciudades . La literatura analizada, revela el gran potencial de los sistemas vegetales como herramientas para el diseño pasivo puesto que no solo son capaces de mejorar las condiciones climáticas y microclimáticas en las ciudades reduciendo su demanda energética, sino también la necesidad de mayor análisis en la escala de calle donde confluyen el clima, las superficies urbanas y materiales y vegetación. Este análisis requiere una metodología donde se integren la respuesta térmica de edificios, las variaciones en los patrones de viento y radiación, y la interacción con la vegetación, por lo que un análisis cuantitativo puede ayudar a definir las estrategias más efectivas para lograr espacios urbanos más habitables. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación ha sido la evaluación cuantitativa del impacto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano a escala de barrio en condiciones de verano en los climas mediterráneos continentales. Para el logro de este objetivo, se han establecido objetivos secundarios que en primer lugar, persiguen identificar los modelos y herramientas de cálculo capaces de capturar el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima, identificar los parámetros que potencian o limitan este efecto a este efecto, y cuantificar los efectos del microclima creado en el consumo de energía de los edificios que rodean el espacio urbano analizado. La hipótesis principal detrás de esta investigación y donde los objetivos anteriores se basan es el siguiente: "una cubierta ajardinada instalada en edificios de mediana altura favorece el establecimiento de microclimas a nivel peatonal y reduce las temperaturas en el entorno urbano donde se encuentra”. Con el fin de verificar la hipótesis anterior y alcanzar los objetivos propuestos se ha seguido la siguiente metodología: • definición de hipótesis y objetivos • definición del alcance y limitaciones • análisis teórico de los parámetros que afectan el efecto de las cubiertas ajaridnadas • análisis experimental; • modelización energética • conclusiones y futuras líneas de trabajo La búsqueda de herramientas adecuadas para cumplir con los objetivos de este análisis ha llevado a ENVI-met v4 como el software más adecuado para esta investigación por su capacidad para cuantificar los fenómenos complejos que determinan el microclima sin requerimientos computacionales y de tiempo privativos. ENVI met es un modelo tridimensional del micro clima diseñado para simular las interacciones superficie-planta-aire en entornos urbanos. Basado en las ecuaciones fundamentales que representa, la masa, conservación de energía y momento, el software tiene la capacidad de representar los complejos fenómenos que caracterizan el microclima en cañones urbanos, superando el desafío que plantean los requisitos informáticos de un cálculo completo basado en elementos finitos realizados a través de herramientas de dinámica de fluidos computacional tradicional. ENVI-met es un software predictivo, y como primer paso ha requerido la definición de las condiciones iniciales que se utilizan como punto de partida por el software para generar su propio perfil de temperatura y humedad diaria basada en la localización de la construcción, geometría, vegetación y las superficies de características físicas del entorno. La geometría de base utilizada para este primer análisis se ha basado en una estructura típica en cuanto al trazado urbano situada en Madrid. La estructura urbana es una red ortogonal con las calles principales orientadas este-oeste. El Edificio típico definico ocmo bussines as usual (BAU) urbano se ha definido con baldosa de hormigón estándar, considerando el albedo 0.3. Las paredes se han modelado con albedo 0.2 (construcción de muro de ladrillo típico) y adiabático para evitar las posibles interferencias causadas por el intercambio térmico con el ambiente interior del edificio. Para el caso de la cubierta ajardinada, se mantiene la misma geometría y características del edificio con excepción de la cobertura superficial de la azotea. Las baldosas de hormigón se han modificado con una cubierta ajardinada extensiva cubierta con plantas xerófilas, típicas en el clima de Madrid y caracterizado por su LAD. Los escenarios analizados se basan en la variación de la velocidad del viento y el LAD de la azotea. Los resultados han sido registrados bajo condiciones de exposición solar diferentes. Simulaciones fueron funcionadas por los patrones de viento típico de verano, que para Madrid se caracterizan por vientos del suroeste que van desde 3 a 0 m/s. simulaciones fueron funcionadas para 3, 2, 1 y 0 m/s a nivel de dosel urbana. Resultados tomados a 1,4 metros por encima del suelo mostraron que el efecto de techo verde fue más bajo con velocidades de viento más altas y en cualquier caso el efecto de la cubierta verde sobre la temperatura del aire supera reducciones de temperatura de aire superior a 1 º C Humedad relativa había presentada sin variaciones al comparar los diferentes escenarios. Para el análisis a 0m/s, ENVI-met genera error y no se obtuvieron resultados. Distintas simulaciones mostraron que debajo de 0.5 m/s la turbulencia aumentó drásticamente y se convirtió en el modelo inestable e incapaz de producir resultados fiables. Esto es debido al modelo de turbulencia en el software que no es válido para velocidades de viento bajas . También se comprobó el efecto de las densidades de follaje diferente en el modelo. Tres diferentes alternativas fueron comparados contra el hormigón techo: techo verde con LAD 0.3 (hierba típica o sedum), 1.5 (plantas mixtas típicas) y 2.5 (masa del árbol). Los resultados mostraron diferencias de temperatura muy relevante entre las diferentes alternativas LAD analizadas. Los resultados muestran variaciones de temperatura que oscilan entre 3 y 5 º c al comparar el estándar de la azotea concreta con albedo 0, 3 con el techo con vegetación y vegetación densa masa, mostrando la pertinencia del LAD sobre los efectos de los techos verdes en microclima. Esto coincide con los datos reportados en la literatura existente y estudios empíricos y confirma la relevancia del LAD en el efecto de techo sobre el microclima circundante. Los resultados de los análisis teóricos han llegado a las siguientes conclusiones iniciales relacionadas con la herramienta de simulación y los resultados del modelo: En relación con la herramienta ENVI-met, se han observado algunas limitaciones para el análisis. En primer lugar, la estructura rígida de la geometría, las bases de datos y el tamaño de la cuadrícula, limitar la escala y resolución de los análisis no permitiendo el desarrollo de grandes zonas urbanas. Por otro lado la estructura de ENVI-met permite el desarrollo de este tipo de simulación complejo dentro de tiempos razonables y requerimientos computacionales con el propósito de este análisis. Otra limitación es la velocidad de viento, ya que el modelo es incapaz de ejecutar las simulaciones a velocidades del viento por debajo de 0,5 m/s. Incluso a esta velocidad, los resultados no son fiables porque las turbulencias generadas por el modelo hacen imposible la extracción de patrones claros de viento y temperatura que permitan la comparación entre los escenarios de cubierta de hormigón y ajardinada. Además de las limitaciones anteriores, las bases de datos y parámetros de entrada en la versión pública del software están limitados y la complejidad de generar nuevos sistemas adecuándolos al edificio/ modelo urbano que se quiera reproducir no es factible salvo en la versión profesional del software. Aparte de las limitaciones anteriores, los patrones de viento y perfiles de temperatura generados por ENVI-met concuerdan con análisis previos en los que se identificaban patrones de variación de viento y temperaturas. Los resultados de ENVI-met muestran resultados similares a otros estudios que tratan los patrones de viento en cañones urbanos, con similares características y relación de aspecto que los tratados en esta investigación. Por lo tanto, el software ha demostrado una buena capacidad para reproducir los efectos del viento en los cañones de la calle y parece capturar el efecto de enfriamiento producido por el techo verde. En relación con el modelo, el resultado revela la influencia del viento, la radiación y el LAD en la temperatura del aire en cañones urbanos con relación de aspecto comprendida entre 0,5 y 1. Siendo el efecto de la cubierta verde más notable en cañones urbanos sombreados con relación de aspecto 1 y velocidades de viento en el nivel de canopy ( por encima de la cubeirta) de 1 m/s. En ningún caso las reducciones en la temperatura del aire excedieron 1 º C, y las variaciones en la humedad relativa no excedieron 1% entre los escenarios estudiados. Una vez que se han identificado los parámetros relevantes, principalmente radiación, la velocidad del viento y el LAD se realizó un análisis experimental para comprobar los resultados obtenidos por el modelo. Para este propósito se identificó una cubierta ajardinada de grandes dimensiones capaz de representar la escala urbana que es el objeto del estudio. El edificio usado para este fin fue el parking de la terminal 4 del aeropuerto internacional de Madrid. Aunque esto no es un área urbana estándar, la escala y la configuración del espacio alrededor del edificio fueron considerados aceptables para el análisis por su similitud con el contexto urbano objeto de estudio. El edificio es un 800 x 200 m, altura 15 m estacionamiento edificio, rodeado de caminos de acceso pavimentado y el edificio terminal. El aparcamiento está cerrado con fachadas que configuran un espacio urbano de tipo cañón, aunque la relación de aspecto es menor que 0,5 y los patrones de viento y velocidad dentro del cañón difieren ligeramente del estudio teórico y se acercan más a los valores a nivel de canopy sobre la cubierta del edificio. El edificio cuenta con la cubierta ajardinada más grande en Europa, 12 Ha cubiertas por con una mezcla de hierbas y sedum y con un valor estiamdo de LAD de 1,5. Los edificios están rodeados por áreas plantadas en las aceras y árboles de sombra en las fachadas del edificio principal. El efecto de la cubierta ajardinada se evaluó mediante el control de temperaturas y humedad relativa en el cañón en un día típico de verano. La selección del día se hizo teniendo en cuenta las predicciones meteorológicas para que fuesen lo más semejantes a las condiciones óptimas para capturar el efecto de la cubierta vegetal sobre el microclima urbano identificadas en el modelo teórico. El 09 de julio de 2014 fue seleccionado para la campaña de medición porque las predicciones mostraban 1 m/s velocidad del viento y cielos despejados, condiciones muy similares a las condiciones climáticas bajo las que el efecto de la cubierta ajardinada era más notorio en el modelo teórico. Las mediciones se registraron cada hora de 9:00 a 19:00 en 09 de julio de 2014. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron en 5 niveles diferentes, en 1.5, 4.5, 7.5, 11.5 y 16 m por encima del suelo y a 0,5 m de distancia de la fachada del edificio. Las mediciones fueron tomadas en tres diferentes escenarios, exposición soleada, exposición la sombra y sombra exposición influenciada por los árboles cercanos y suelo húmedo. Temperatura, humedad relativa y velocidad del viento se registraron con un equipo TESTO 410-2 con una resolución de 0,1 ºC para temperatura, 0,1 m/s en la velocidad del viento y el 0,1% de humedad relativa. Se registraron temperaturas de la superficie usando una cámara infrarroja FLIR E4, con resolución de temperatura 0,15ºC. Distancia mínima a la superficie de 0,5 m y rango de las mediciones de Tª de - 20 º c y 250 º c. Los perfiles de temperatura extraídos de la medición in situ mostraron la influencia de la exposición solar en las variaciones de temperatura a lo largo del día, así como la influencia del calor irradiado por las superficies que habían sido expuestas a la radiación solar así como la influencia de las áreas de jardín alrededor del edificio. Después de que las medidas fueron tomadas, se llevaron a cabo las siguientes simulaciones para evaluar el impacto de la cubierta ajardinada en el microclima: a. estándar de la azotea: edificio T4 asumiendo un techo de tejas de hormigón con albedo 0.3. b. techo verde de: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con valor bajo del LAD (0.5)-techo de Sedum Simple. c. techo verde de: T4 edificio asumiendo una extensa cubierta verde con alta joven valor 1.5-alfalfa y gramíneas d. verde de la azotea más vegetación nivel calle: edificio T4, LAD 1.5 (Luzerne), incluyendo los árboles existentes a nivel de calle. Este escenario representa las condiciones actuales del edificio. El viento de referencia se fijó a 1 m/s, coincidente con el registro de velocidad de viento en ese nivel durante la campaña de medición. Esta velocidad del viento se mantuvo constante durante toda la campaña. Bajo las condiciones anteriores, los resultados de los modelos muestran un efecto moderado de azoteas verdes en el microclima circundante que van desde 1 º a 2 º C, pero una contribución mayor cuando se combina con vegetación a nivel peatonal. En este caso las reducciones de temperatura alcanzan hasta 4 ºC. La humedad relativa se mantuvo constante. Las temperaturas medidas se compararon con resultados del modelo, mostrando una gran similitud en los perfiles definidos en ambos casos. Esto demuestra la buena capacidad de ENVI para reproducir el efecto de la cubierta ajardinada sobre el microclima y por tanto para el fin de esta investigación. Las diferencias más grandes se registraron en las áreas cercanas a las zonas superiores de las fachadas que estaban más expuestas a la radiación del sol y también el nivel del suelo. Estas diferencias se pudieron causar por las características de los cerramientos en el modelo, que estaban limitados por los datos disponibles en la base de datos de software, y en el edificio real. Una observación importante derivada de este estudio es el aporte de suelo húmedo en el efecto de la cubierta ajardinada en la temperatura del aire. En el escenario de la cubierta ajardinada con los arboles existentes a pie de calle, el efecto del suelo húmedo contribuye a aumentar las reducciones de temperatura hasta 4.5ºC. Se realizó un análisis final después de extraer el perfil de temperatura por horas en el cañón urbano influenciado por el efecto de las cubiertas ajardinadas y los árboles. Con esos perfiles modificados de temperatura y humedad se ha desarrollado un modelo de energía asumiendo un uso simple de oficinas. El software seleccionado para la simulación fue Design Builder, por su capacidad para generar simulaciones horarias y por ser una de las herramientas de simulación energética más reconocidas en el mercado. Los perfiles modificados de temperatura y humedad se insertaron en el año climático tipo y se condujo la simulación horaria para el dia definido, el 9 de Julio, asumiendo que el edificio estaba cerrado y su uso era de oficinas. Para la simulación se dejaron por defecto los valores de conductancia térmica de los cerramientos y la eficiencia de los equipos de acuerdo a los valores que fija el estándar ASHRAE para la zona climática de Madrid, que es la 4. El resultado mostraba reducciones en el consumo de un dia pico de hasta un 14% de reducción en las horas punta. La principal conclusión de este estudio es la confirmación del potencial de las cubiertas ajardinadas como una estrategia para reducir la temperatura del aire y consumo de energía en los edificios, aunque este efecto puede ser limitado por la influencia de los vientos y la radiación. Así mismo, en combinación con los bosques urbanos e incluso más si suave pavimentos húmedos están incluidos en la morfología del cañón urbano, convirtiéndose en una estrategia potencial para adaptar los ecosistemas urbanos el efecto aumento de temperatura derivado del cambio climático. En cuanto a la herramienta, ENVI-met se considera una buena opción para este tipo de análisis dada su capacidad para reproducir de un modo muy cercano a la realidad el efecto de las cubiertas tal y como se ha visto en el caso experimental. A su vez, los resultados y patrones de vientos generados en los cañones urbanos coinciden con otros estudios similares, habiéndose validado esta herramienta con numerosos estudios precedentes. Como líneas de investigación futura, sería necesario entender el efecto de la cubierta ajardinada en el microclima urbano en diferentes zonas climáticas, así como un mayor estudio de otras variables que no se han observado en este análisis, como la temperatura media radiante y los indicadores de confort.