Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 5 (1): e94. Enero-Marzo 2022 https://doi.org/10.37636/recit.v5n1e94.
ISSN: 2594-1925
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Articulo de investigación
Monitoreo térmico de barrera vertical con vegetación, evaluando
el desempeño a través de la experimentación y herramienta de
simulación
Thermal monitoring of vertical barrier with vegetation, evaluating
performance through experimentation and simulation tool
Carmiña Elizabeth Domínguez Cicorio1, Luis Aaron García Solorzano1, Raúl Pavel Ruíz
Torres2
1División de Posgrado e Investigación, Tecnológico Nacional de México, Av. Tecnológico No.1 Villa
de Álvarez, Colima, México
2Facultad de Arquitectura, Universidad Autónoma de Chiapas, Blv. Belisario Domínguez Km. 1081,
Terán, 29050 Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, México
Autor de correspondencia: Carmiña Elizabeth Domínguez Cicorio, División de Posgrado e Investigación, Tecnológico
Nacional de México, Av. Tecnológico No.1 Villa de Álvarez, Colima, México. E-mail: carmidominguez@gmail.com. ORCID:
0000-0001-5512-0657
Recibido: 16 de Abril del 2021 Aceptado: 16 de Diciembre del 2021 Publicado: 7 de Enero del 2022
Resumen. - A consecuencia del calentamiento global y el deterioro ambiental del cual somos víctimas, se considera
necesaria la innovación arquitectónica a través del diseño sostenible, y valorar los efectos térmicos positivos de la
vegetación en la integración a la misma. El propósito de este trabajo fue investigar el uso de la vegetación como barrera
vertical como estrategia bioclimática y evaluar su desempeño en un módulo experimental; la metodología utilizada fue
realizando un monitoreo experimental y utilizando la herramienta de simulación térmica, en ambos casos, para
comprobar el aporte al mejoramiento de la calidad ambiental con la disminución de la temperatura interior. Los
resultados permitieron demostrar la reducción de la temperatura del aire interior, concluyendo que con el resultado
obtenido se busca una alternativa ecológica, promoviendo la renovación y depuración del aire como estrategia
proyectual. Tomando en cuenta que cada acción puede tener consecuencias ambientales y a favor de la disminución del
consumo energético, a causa la climatización artificial. La investigación está apoyada en el beneficio de las
herramientas utilizadas para la simulación térmica, como instrumentos de planificación urbana y arquitectura
sustentable, ya que a través de éstas se pueden evaluar las distintas alternativas de diseño, pronosticando el
comportamiento térmico de zonas ya construidas o no, sin la necesidad de trabajos exhaustivos de campo.
Palabras clave: Barreras verticales; Vegetación; Simulación.
Abstract. - As a result of global warming and the environmental deterioration of which we are victims, architectural
innovation through sustainable design is considered necessary, and the positive thermal effects of vegetation in its
integration are considered necessary. The purpose of this work was to investigate the use of vegetation as a vertical
barrier as a bioclimatic strategy and to evaluate its performance in an experimental module; The methodology used was
carrying out an experimental monitoring and using the thermal simulation tool, in both cases, to verify the contribution
to the improvement of the environmental quality with the decrease of the interior temperature. The results allowed to
demonstrate the reduction of the indoor air temperature, concluding that with the result obtained an ecological
alternative is sought, promoting the renewal and purification of the air as a project strategy. Taking into account that
each action can have environmental consequences and in favor of reducing energy consumption, due to artificial air
conditioning. The research is supported by the benefit of the tools used for thermal simulation, as instruments for urban
planning and sustainable architecture, since through these it is possible to evaluate the different design alternatives,
predicting the thermal behavior of areas already built or not, without the need for extensive field work.
Keywords: Vertical barriers; Vegetation; Simulation.
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1. Introducción
La Guía de la Convención sobre el Cambio
Climático y el Protocolo de Kyoto [1] , señala
que ante la situación actual sobre el cambio
climático, se prevé un incremento en las
temperaturas y condiciones climáticas severas a
nivel mundial. Sumado a lo mencionado Vargas
Robles [2] expresa que es necesidad y prioridad
el diseño de acciones y procesos de adaptación
que posibiliten prepararse ante la incidencia del
cambio climático, ya que la región a la que
pertenece México, presenta preocupantes
procesos de degradación y, considerando lo
expuesto por Peña Barrera [3] México pertenece
a la región de América Latina y el Caribe, la cual
conjunta muchas de las riquezas ecológicas y
ambientales del planeta.
Por otra parte cabe resaltar y como señala
Hernández [4] , la arquitectura sostenible es la
creación de espacios a partir del diseño y la
edificación, donde deben aplicarse criterios y
condiciones del desarrollo sustentable, por lo
que los recursos naturales, económicos y
humanos se deben manejar de forma a reducir el
daño ambiental, la contaminación del suelo, del
agua (y su consumo) y del aire, mejorando el
confort interno y externo (preferentemente de
manera pasiva). Adicionalmente, Sosa y Siem
[5] señalan que con la ayuda de masas de
vegetación, a través del sombreado de paredes y
techos con arbustos, árboles, pérgolas y otros
elementos, se puede mejorar el microclima de un
espacio, reduciendo las ganancias de calor.
Asimismo, en el Manual de diseño para
edificaciones energéticamente eficientes en el
trópico [5] , se resalta la importancia de la
vegetación que se coloca en elementos verticales
ya que absorbe la radiación solar, aísla
térmicamente, y al mismo tiempo refresca el aire
que circunda, por medio de la transpiración del
vapor de agua que realizan las plantas. Además
de satisfacer la necesidad instintiva de protección
del ser viviente, contribuyen a la mejora del
ambiente físico inmediato. La superficie viscosa
de las hojas de las plantas captura el polvo y
filtran el aire. Del mismo modo, la vegetación
asegura la privacidad visual y disminuye los
efectos del deslumbramiento [6].
Por lo mencionado, en este trabajo se plantea un
enfoque metodológico para la determinación de
temperaturas en los espacios con y sin
vegetación, realizando una comparación
cuantitativa del desempeño entre ambos, a través
de la herramienta de simulación térmica
EnergyPlus y mediante la experimentación con la
construcción de módulos auto-portantes. Se
busca demostrar los cambios de temperaturas que
se pueden producir con la implementación de
vegetación y el diseño sustentable en barreras
verticales, evaluando su desempeño como
regulador térmico y comparando los resultados
obtenidos.
Por lo tanto:
- Primeramente se realizó el diseño y la
construcción de prototipos en campo para la
experimentación; por medio de la elaboración de
dos módulos auto-portantes, uno con la
implementación de vegetación y el otro como
testigo (sin vegetación) a modo de evaluar la
temperatura ambiente promedio de los espacios
interiores y el exterior.
- Simultáneamente se realizó el diseño y la
construcción de prototipos en el software de
simulación Energy Plus, el cual fue seleccionado
por ser de acceso gratuito y por ofrecer la
posibilidad de obtener variables de salida como
la temperatura interna de cada zona y
temperaturas superficiales.
- Y por último la comparación de los resultados
obtenidos de temperaturas, mediante la
experimentación y mediante la simulación.
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Para la elección de la vegetación se tuvieron en
cuenta las especies endémicas de la ciudad de
Colima, a través de la consulta directa a viveros;
además, como menciona Gómez-Azpeitia [7] por
su uso eficiente como control climático en la
misma; y, como señala Fajardo [8] , en base a la
experiencia de los especialistas empíricos, se
desarrolla muy rápido y es altamente resistente al
clima. Por lo mencionado se propone la
elaboración de paneles adaptados a la flora
nativa, con el uso de la especie Cissus, por ser
además una especie de rápido crecimiento y de
geometría regular que contribuye a la reducción
del espacio requerido para su instalación,
condiciones necesarias para el desarrollo del
trabajo propuesto. Estas son plantas trepadoras
que pueden ser cultivadas como enredaderas o
como plantas colgantes, y se pueden encontrar
abundantemente en algunas zonas de México,
especialmente en estados como Chiapas y
Colima; de fácil cultivo y mantenimiento,
generosas en desarrollar hojas y ramas.
Beltrán-Melgarejo et al. [9] realizaron una
investigación sobre el confort térmico de techos
verdes con Cissus verticillata (Vitaceae) en
viviendas tropicales en Veracruz, México, donde
el prototipo disminuyó hasta 4.5° C la
temperatura promedio de las láminas de zinc de
las habitaciones. Las variables utilizadas para
evaluar el confort térmico arrojaron resultados
con una mejora del confort térmico debido al
techo verde. Por otra parte, Fajardo [8] en su tesis
Desempeño costo – beneficio de dos sistemas
pasivos de climatización en cubiertas para
climas cálidos – sub húmedo. Caso Coquimatlán,
Colima, investigó el potencial de la enredadera
Cissus para controlar la ganancia de calor que
pasa a través de las cubiertas para dicha
localidad. El resultado presentó dificultades para
su crecimiento, a pesar de los cuidados y ayuda
especializada para estimular y acelerar su
desarrollo, teniendo un bajo desempeño;
generando como nueva pregunta de
investigación, si fue la forma horizontal o el
material (concreto) de la losa lo que afecto el
crecimiento de Cissus en la cubierta plana.
Por otra parte, con relación a la selección del
software de simulación y considerando el estudio
realizado por J. Cárdenas et al. [10] , el cual
expone que la herramienta de simulación
energética con mayor representatividad es
EnergyPlus (34%), y se encuentra validado por la
norma ASHRAE 140 [11] , se opta por la misma
en la etapa de experimentación, debido a las
características de resultados necesarios para la
simulación y el análisis de los módulos auto-
portantes construidos. El software Energy Plus,
como hace mención Casa Arredondo [12] , es un
programa de código abierto y uso gratuito que
permite realizar simulaciones térmicas y
energéticas de las edificaciones, basándose en un
modelo de transferencia de calor dependiente del
tiempo. Por su parte, Flores Condori [13] resalta
entre las posibilidades que permite la
herramienta:
• Soluciones integrales para cada zona térmica.
• Climatización y movimiento de corrientes de
aire simultáneamente en zonas.
• Intervalos de tiempo que se pueden definir por
el propio usuario.
• Cálculo de balances térmicos en las superficies
combinado radiación y convección.
Por lo expuesto y como consecuencia de
búsquedas recientes, el enfoque del trabajo
responde a analizar el desempeño térmico de las
barreras verticales con vegetación, evaluadas a
través de la experimentación en campo y la
simulación, para demostrar su eficiencia en el
mejoramiento de la calidad del ambiente. En este
trabajo se plantea utilizar la vegetación para la
mitigación de la radiación solar y que resulte en
ambientes agradables, junto con la posibilidad de
aprovechar la capacidad de proporcionar sombra
y usarlo como sistema de amortiguamiento
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térmico del edificio próximo; en respuesta a lo
mencionado por Fuentes Freixanet [14], el
sombreado es la primera estrategia de
enfriamiento y es una de las más eficaces para
evitar el sobrecalentamiento de los espacios.
2. Metodología
Se plantea a la metodología de trabajo como
mixta de carácter exploratorio, método analítico
y tipo de estudio comparativo correlacional; que
tiene como propósito medir el grado de relación
que existe entre dos o más conceptos o variables.
La periodicidad de estudio fue transversal,
debido a que los registros de las variables se
hicieron en un momento predeterminado de
tiempo. Para obtener los resultados acordes a los
objetivos del presente trabajo se recurre a los
modelos computacionales que actúan como
simuladores, ya que representan el
comportamiento térmico del espacio ya
construido y delimitado, cuya validez de
resultados del modelo simulado se basa en el
grado de ajuste de predicciones con el
comportamiento del caso real monitoreado.
El proceso metodológico incluye:
- Evaluación experimental para determinar
el desempeño térmico de la barrera con
vegetación, a partir de la construcción de
módulos auto-portantes.
- Evaluación a través de la simulación
aplicada al caso real con la herramienta Energy
Plus.
- Simulación del escenario propuesto según
porcentaje de vegetación y orientación.
- Evaluación y comparación de resultados
obtenidos.
2.1 Área de estudio
- Caracterización climática del sitio y descripción
del área: el área de estudio se ubica en el estado
de Chiapas, dentro de los Estados Unidos
Mexicanos, en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez,
entre las coordenadas 16°45′11″ N, 93°6′56″ W,
dentro de Facultad de Arquitectura de la
Universidad Autónoma de Chiapa.
Figura 1. Ubicación de la UNACH en Tuxtla Gutiérrez (tomado de Google Earth. INEGI 2020).
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El sitio de implantación se ubica en la franja
tropical y se caracteriza por el clima cálido sub
húmedo, Aw en la clasificación de Köppen-
García. Los veranos son mucho más lluviosos
que los inviernos y. la temperatura media anual
oscila los 20 °C. El sitio se ubica dentro del
campus universitario, cuyo entorno presenta baja
densidad de construcción ya que los edificios
alrededor del mismo no superan los 3 pisos de
altura; en una zona de uso educativo, comercial y
residencial.
Figura 2. Clasificación Köppen-García para México (tomado de http://cbtf5.mx.tripod.com/unidad4.htm).
2.2 Población y muestra
El espacio escogido es el exterior, sobre la
cubierta superior de uno de los bloques del
Laboratorio Nacional de Vivienda y
Comunidades Sustentables, el cual fue
seleccionado por las características particulares
que posee las cuales se consideran deseables para
lo establecido en el planteamiento de la
investigación. El mismo tiene techo verde, se
encuentra a una altura de 3 metros y forma parte
del conjunto de espacios abiertos exteriores del
campus, rodeado de bloques de aulas, áreas
verdes con árboles y césped.
Figura 3. Ubicación de los bloques del Laboratorio Nacional de Vivienda y Comunidades Sustentables (tomado de Google Earth. INEGI
2020).