Los techos verdes ahorran energía. Nuevos resultados

Ni el Reglamento de Ahorro Energético (EnEV, siglas en alemán), ni el DIN 4108 Protección Calorífuga y Ahorro Energético en Edificios, tienen en cuenta los efectos que tienen los techos verdes en relación a la protección térmica en verano y en invierno. Por ello en el Centro para la Construcción con Consciencia Ambiental (ZUB, siglas en alemán) de Kassel, se realizaron, entre noviembre de 2007 hasta febrero de 2009, unas mediciones en cinco techos verdes distintos, con el objetivo de determinar sus respectivos comportamientos de aislamiento térmico. El proyecto fue subvencionado por la Fundación Alemana de Medio Ambiente (Minke/Gross 2010).

Los techos verdes tienen la capacidad de reducir considerablemente el calor producido por la radiación solar en verano y la pérdida de calor, por radiación, de los techos en invierno.

Los gráficos 1 y 2 muestran los resultados de las mediciones de temperatura que el autor realizó en Kassel en un techo verde de inclinación leve. Este techo estaba cubierto por una espesa vegetación de pastos silvestres/hierbas silvestres, formando un sustrato ligero de 16 cm de espesor. Con una temperatura al mediodía de unos 30º C en septiembre, la temperatura en la cubierta por debajo de la capa de sustrato ascendía hasta un valor máximo de 17,5º C. Con una temperatura de -14º C en enero, la temperatura bajo tierra (sustrato) no descendió nunca por debajo de 0º C. Las curvas evidencian una reducción particularmente fuerte de las diferencias de temperatura, mostrando así el potencial de su ahorro energético en la climatización del edificio.

Gráfico 1. Forma de la curva de temperatura en un techo verde con 15 cm de sustrato ligero en otoño.

 

Gráfico 2. Forma de la curva de temperatura en un techo verde con 15 cm de sustrato ligero en invierno.

Los ensayos (ver tablas 1, 2 y 3 pág. 35)

El lugar del ensayo se ubicó a unos 14 metros de altura en el centro urbano de Kassel. Consistió en una sala de experimentación climatizada y fuertemente aislada, sobre la cual estaban dispuestos seis campos de pruebas, con una superficie de 1,00 m x 1,20 m cada uno, con su respectivo aislamiento lateral de 25 cm de espesor.

En la cámara climática había una temperatura de 20º C, con una oscilación del 10% de máxima.

Como campo de referencia sirvió un techo equipado con un aislamiento calorífugo (λ = 0,04 W/(m·K) de 20 cm de espesor y con una piel de tejado sintética para la evacuación del agua, sin capa de sustrato ni de vegetación. La tabla 2.8 muestra la disposición de los campos de pruebas. Se eligieron diferentes espesores de sustratos y especies de vegetación para poder registrar, de forma separada, la respectiva influencia del sustrato y de la vegetación.

En cada campo de medición se introdujeron 12 detectores Pt 100, además de una sonda para medir la corriente térmica. Cada 6 minutos se registraron los valores de medición de los respectivos sensores.

Tabla 1. Resumen de los tipos de construcciones de tejado.

Tabla 2. Diferencia proporcional de las pérdidas de calor por transmisión en relación con el campo de referencia.

Tabla 3. Diferencia proporcional de las pérdidas de calor por transmisión del campo V y del campo VI.

La medición de resultados

El gráfico 3 muestra las temperaturas medidas debajo del sustrato (es decir, las temperaturas reinantes en el elemento de construcción) de los cinco techos verdes durante una semana en verano, en comparación con las respectivas temperaturas detectadas por debajo de la impermeabilización de tejados del campo de referencia sin sustrato ni vegetación. Éstas resultaron entre 25º C a 45º C más altas que las de los techos verdes, aunque la temperatura del aire medida por encima del campo de referencia era sólo 7º C (de máxima) más alta, debido a la fuerte radiación solar. En comparación, durante la noche, la temperatura en la superficie del campo de referencia llegó a ser hasta 7º C inferior que la temperatura del aire, lo que demuestra el efecto nocturno de pérdida de calor transmitida en este tipo de techos.

Gráfico 3. Temperaturas en el elemento de construcción de todos los campos, además de la temperatura del aire exterior en la semana de verano de 2008.

 

Comparando los campos V y VI, se constató que el sustrato de 15 cm de espesor, en el campo V, con una densa vegetación de variedades de pasto, producen una mayor disminución en el rango de las temperaturas, que en el campo VI, cuyo sustrato tenía sólo 8 cm de espesor, y cuya cubierta de vegetación era, sobre todo, de Sedum (véase el gráfico 3), además demuestra que, debido al efecto del techo verde, las oscilaciones de las temperaturas exteriores se reducen un promedio de 50%, en el campo IV y de 70%, en el campo V.

Gráfico 4 Temperaturas en el elemento de construcción de todos los campos, además de la temperatura del aire exterior en la semana de invierno de 2009.

Resulta particularmente efectiva la reducción de las oscilaciones de temperatura debido a los techos verdes en invierno, tal como demuestran los valores medidos en la cubierta (véase la tabla 3). Durante la semana de enero, el valor máximo de la temperatura del aire exterior fue de 18º C, y la correspondiente máxima del campo de referencia ascendió a 15º C. Mientras tanto, en los campos con un sustrato de 15 cm de espesor no se registraron oscilaciones, mientras que en los campos con un sustrato de 8 cm de espesor se dieron unas oscilaciones máximas de sólo 3º C. En tiempos en que la temperatura del aire estaba continuamente por debajo de 0º C, bajando incluso hasta -18º C, lo que hacía oscilar las temperaturas en el campo de referencia entre +3º y –12º C, la temperatura en los campos con un sustrato de 15 cm nunca fue inferior al punto de congelación. Sin embargo, en el campo con un sustrato de 8 cm de espesor, la tierra llegó a congelarse.

El gráfico 5 muestra la pérdida (o la ganancia) mensual de calor por transmisión de los cuatro campos con un aislamiento calorífugo de 20 cm de espesor durante el año 2008. Con ello se evidencia que el campo de referencia en los tres meses de verano sufre un considerable aumento de calor, el cual ascendió a 960 Wh/m2 en el mes de junio, mientras que, en los demás campos, solamente alcanzó la quinta parte de este valor. En el gráfico 6 queda representada la pérdida (o la ganancia) mensual de calor por transmisión durante los meses de junio a agosto de 2008.

Gráfico 5. Pérdida mensual de calor, además del registro de calor para el campo de referencia, el campo II, el campo III y el campo IV. Se considera el período entre enero de 2008 y agosto de 2008.

A pesar de que, durante la semana de invierno del 2 al 8 de enero de 2009, reinaban continuamente unas temperaturas del aire de 0º C a -17º C, la temperatura por debajo del sustrato, de 15 cm de espesor, del techo verde cubierto con pastos se mantuvo constantemente en +1º C. Este hecho puede ser explicado, sobre todo, por el efecto de almacenamiento de calor latente por la humedad del sustrato.

De la tabla 2 se deduce que, en comparación con el techo de referencia, las pérdidas de calor invernales, en el caso del techo con un sustrato de 15 cm de pastos, fueron 25% menores en diciembre, alcanzando una reducción de 18,2% de promedio, durante todo el período de calefacción.

La tabla 3 muestra que el techo con una vegetación de pastos y con un sustrato de 15 cm de espesor mostró 10% menos de pérdida de calor durante el período de calefacción en comparación con los correspondientes valores del techo equipado con un sustrato de sólo 8 cm de espesor y con una vegetación de Sedum.

Los resultados de la prueba confirman que, incluso en comparación con un aislamiento calorífugo de 20 cm de espesor, el techo verde presenta una considerable protección calorífuga en verano, e, igualmente, un considerable efecto adicional de aislamiento térmico durante todo el período de calefacción. Además, resultó obvio que es recomendable emplear una espesa vegetación de pastos silvestres, con un sustrato ligero de 15 cm de espesor, en vez de una vegetación de Sedum, menos espesa, con un sustrato ligero de solamente 8 cm de espesor. Únicamente habrá que tomar en consideración que los 7 cm adicionales de sustrato ligero se traducen, en su estado saturado de agua, en un aumento de peso de unos 70 – 80 kg/m2.

Gráfico 6. Pérdida total de calor, además del registro de calor para el campo de referencia, el campo II, el campo III y el campo IV. Se considera el período entre junio de 2008 y agosto de 2008.

Conclusiones

Los efectos térmicos de techos verdes se deben  a los siguientes fenómenos:

  • Se da una protección térmica adicional en verano porque, debido a la sombra producida por la vegetación, los rayos solares no alcanzan la tierra y, además, la energía solar en el colchón vegetal es, casi completamente, consumida por la reflexión y por su absorción para la fotosíntesis.
  • El colchón de aire encerrado actúa como una capa de aislamiento térmico. Dürr parte del hecho de que un colchón denso de pastos muestra un λ de 0,17 W/(m·K), mientras que un sustrato húmedo como la tierra muestra un λ de 0,6 W/(m·K) [Dürr 1995], véase también [Umweltbundesamt 1987].
  • Un colchón vegetal espeso protege la superficie del sustrato contra el viento. Debido a que así no se registra casi ningún movimiento de aire, la pérdida de calor por el efecto del viento tiende a cero.
  • En la madrugada, cuando la temperatura del aire exterior llega a su punto más bajo de la noche, normalmente se produce rocío en la vegetación. Este rocío matinal aumenta la temperatura en la capa de vegetación, debido a que la condensación de 1 g de agua hace liberar alrededor de unas 530 calorías térmicas. De esta manera, se reduce en parte la pérdida de calor por transmisión.
  • La masa térmica de la capa del sustrato, además del agua almacenada en las plantas y en el sustrato, producen una reducción en el rango de temperaturas.
  • A través de la respiración por las raíces se da una ganancia de calor – aunque sea muy leve – en la tierra. En invierno, esta ganancia de calor contribuye a que la tierra se congele con menos frecuencia.

Además, la fotosíntesis y la respiración ayudan a que se suavicen las oscilaciones de temperatura entre el día y la noche:

  • En la fotosíntesis, para cada molécula producida de C6H12O6 (glucosa) se consumen 2,83 kJ de energía. En días de verano, cuando prevalece la fotosíntesis, se produce un efecto de refrigeración. De noche, cuando ya no se da ningún proceso de fotosíntesis, se produce calor debido a la respiración.
  • El efecto de almacenamiento del calor latente en el sustrato ligero, hace que se amortigüen las diferencias de temperatura: cuando el agua en la capa superior del sustrato se congela, la transformación de un gramo de agua a un gramo de hielo hace que se liberen alrededor de unas 80 calorías térmicas. El sustrato en proceso de congelación permanece por un tiempo muy prolongado a una temperatura de 0º C, aunque la temperatura exterior sea bastante inferior. Durante la descongelación del hielo se consume otra vez la correspondiente cantidad de energía de unos 80 cal/g del hielo para la transformación del estado de agregación; sin embargo, casi toda esta energía se extrae del aire. Analizando el proceso en su totalidad, el efecto de almacenamiento del calor latente conduce a una ganancia térmica para el tejado.

En viviendas de construcción antigua y en oficinas en altillos, la protección térmica en verano conseguida por los techos verdes es de notable importancia. En edificios ubicados en Kassel, en varios casos se verificó que, con unas temperaturas exteriores de 30º C, la temperatura por debajo de la capa de tierra del techo verde nunca fue superior a 20º C (véase también el gráfico 2.6), y que la temperatura interior no superó nunca los 25º C. La fotografía  muestra el ejemplo de Berlín-Kreuzberg donde, gracias a la ampliación sobre la azotea, se ganó un local habitable adicional. Bajo el techo ajardinado se creó un clima confortable.

 

Techos Verdes

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