Conductividad térmica de las cubiertas vegetales

Imaginen si todas las casas y los edificios de su ciudad tuvieran cubiertas vegetales o green roofs. ¿Cómo se vería la ciudad? Imaginen espacios verdes en todas partes, con el canto de las aves y el zumbido de las abejas. En esta publicación hablaremos sobre los beneficios de la cubierta vegetal, centrándonos en su propiedad aislante para los edificios.

edificio con cubierta vegetal en Vancouver, BC
Figura 1. Muestra un edificio con cubierta vegetal en Vancouver, BC.

¿Qué es una cubierta vegetal?

Una cubierta vegetal es una estructura fabricada por el hombre que se compone de plantas, sustratos y otras capas necesarias, colocadas sobre la membrana del techo o integradas al mismo. Puede construirse sobre un edificio o una casa. En términos de estética, puede compararse con un pequeño parque o jardín, pero la construcción es significativamente diferente ya que está elevada y, por ende, no se comunica con la corteza terrestre. Además, las necesidades de mantenimiento de una cubierta vegetal difieren de aquellas de un techo tradicional. En los techos clásicos se coloca asfalto, alquitrán negro o grava (Dowdey, 2007). Las cubiertas vegetales se componen de vegetación, sustrato de crecimiento, membrana filtrante, capa drenante, barrera antiraíz y membrana impermeable (National Park Service, n.d.). Estas seis capas pueden tener un aspecto diferente según el tipo de cubierta vegetal. Las cubiertas vegetales se clasifican en dos tipos principales: la cubierta vegetal extensiva y la cubierta vegetal intensiva.

edificios con cubiertas vegetales intensivas
Figura 2. Muestra edificios con cubiertas vegetales intensivas
casa con una cubierta vegetal extensiva
Figura 3. Muestra una casa con una cubierta vegetal extensiva.
Techos verdes
Figura 4. Muestra un diagrama de las capas de cubiertas vegetales extensivas e intensivas.

La imagen 4 muestra que las cubiertas vegetales intensivas son notablemente más gruesas que las extensivas. Las cubiertas vegetales intensivas son más profundas y contienen sustrato de crecimiento más espeso, a diferencia de las cubiertas vegetales extensivas que son más someras y contienen un sustrato de crecimiento más liviano. El sustrato difiere del que se encuentra en los parques y jardines. Principalmente, está compuesto por agregados minerales y solo una pequeña cantidad de suelo orgánico (National Park Service, n.d.). Algunas cubiertas vegetales combinan las características de ambos tipos y se denominan cubiertas vegetales semiintensivas. Al analizar una cubierta vegetal de forma ascendente, comienza con una capa impermeable, dado que la membrana del techo necesita protección frente al agua de lluvia.

comparación de las propiedades de las cubiertas vegetales intensivas y extensivas
Tabla 1. Muestra una comparación de las propiedades de las cubiertas vegetales intensivas y extensivas.

Mayormente, las cubiertas vegetales se construyen como estructura única. Sin embargo, también existen cubiertas vegetales modulares con bandejas de vegetación combinadas de plástico y metal. Las bandejas con vegetación pueden cultivarse en un invernadero y luego trasplantarse a una cubierta verde. La desventaja de este método es el flujo limitado de humedad entre las bandejas, lo que exacerba las condiciones de suelo húmedo a causa de fuerte precipitaciones y las condiciones de suelo seco por falta de ellas. Esto sucede porque la humedad no cuenta con una gran superficie de sustrato de cubierta vegetal para poder diseminarse en las bandejas individuales (National Park Service, n.d.).

Muestra una cubierta vegetal modular
Figura 7. muestra una cubierta vegetal modular.

Propiedades térmicas de las cubiertas vegetales

Uno de los beneficios propuestos de las cubiertas vegetales es que pueden aumentar la aislación térmica de un edificio; esta propiedad está comprobada. Los resultados de un estudio realizado en 2011 en los Estados Unidos revelaron que las cubiertas extensivas reducían el flujo de calor de un edificio en un 13 % en promedio durante los meses de invierno y un 167 % en promedio durante los meses de verano, lo que aumenta significativamente la aislación térmica de un edificio (K.L. Getter, 2011). Este es el resultado de un experimento y existen muchos otros experimentos que respaldan las propiedades aislantes de las cubiertas vegetales con diferentes valores porcentuales.

Existen 3 factores que hacen de la cubierta vegetal un buen aislante térmico (Mert Eksi, 2017).

  1. La capa de la cubierta vegetal adicional que se coloca por encima de la membrana del techo aumenta el espesor del edificio, lo que aumenta su resistencia: en donde L= espesor (metros), k= el valor de la conductividad térmica conductividad térmicay A= superficie transversal (m²). La profundidad del sustrato de la cubierta vegetal puede influir en la resistencia térmica de un edificio. Las cubiertas vegetales intensivas son más profundas que las extensivas; se aumenta el espesor del edificio más que con las cubiertas vegetales extensivas y, en consecuencia, se obtiene más aislación. Los edificios ubicados en climas que tienen una cubierta de nieve durante los meses más fríos también obtienen una capa adicional de aislación.
  2. El dosel arbóreo da sombra a la superficie del techo y disminuye la absorción de luz. La selección de las plantas es un factor importante que influye en el tamaño de la sombra del dosel. Un estudio del 2010 reveló hallazgos sobre la cubierta vegetal de un edificio en términos de flujo de calor (transferencia de calor), que mostraron un valor de 0  para los arbustos, 15,6 unidad para los árboles, 29,2 unidad  para el césped, 86,6  para el suelo sin plantación y 366,3   para el material clásico utilizado en techos (Diana E. Bowler, 2010). Las plantas con hojas más grandes pueden brindar mayor sombra del dosel, lo que disminuye el flujo de calor en la cubierta.
  3. Las plantas y el sustrato también contribuyen a enfriar la cubierta mediante un proceso denominado evapotranspiración: el proceso por el que la tierra libera vapor de agua a la atmósfera. Las plantas y los sustratos absorben el agua de las precipitaciones y luego liberan sus moléculas en forma de vapor. Este proceso culmina en el enfriamiento del aire circundante. Esta es la razón por la cual los espacios verdes, como los bosques, son esenciales para el enfriamiento de la tierra. La decisión de riego de una cubierta vegetal puede afectar la cantidad de evapotranspiración. Es posible obtener mayor evapotranspiración al aumentar el riego. El riego es una buena estrategia de enfriamiento, en particular, en climas cálidos y secos.
ilustra el proceso de evapotranspiración de una planta
Figura 8 Ilustra el proceso de evapotranspiración de una planta.

Un especialista en cubiertas vegetales puede decidir qué tipo de cubierta desea construir, seleccionar las plantas, elegir los materiales que conforman la capa de sustrato de crecimiento y el método de riego. Una selección estudiada de estos componentes que conformarán la cubierta vegetal dará los resultados más exitosos, con la máxima aislación para los edificios y las casas. Por ejemplo, un sustrato de cubierta vegetal menos denso con espacios de aire brinda una mayor aislación comparado con un sustrato más compacto (Andrea Pianella, 2016). También deben considerarse los valores de conductividad térmica de los materiales que conforman el sustrato de crecimiento.

En resumen, una cubierta vegetal intensiva con una selección de plantas que brinda la máxima extensión de sombra del dosel y un sustrato de crecimiento compuesto por materiales con baja conductividad térmica y baja densidad, debería ofrecer la mejor aislación para un edificio.

A continuación, analizamos dos estudios de caso para explorar otras opciones en el diseño de una cubierta vegetal, que pueden conducir a una mayor aislación térmica.

Hallazgos de dos estudios de caso

Resumen del estudio 1:

Eksi et al. realizaron un experimento para observar las propiedades térmicas de las cubiertas vegetales intensivas comparadas con las extensivas. La extensión completa de cubierta vegetal tenía un tamaño de 232 m2 y se encontraba en el edificio del Molecular Plant Sciences de la Universidad Estatal de Michigan. Se dividió en dos partes: cubierta extensiva somera con plantas sedum y cubierta intensiva profunda con plantas herbáceas. Se colocaron dos partes idénticas de cubierta vegetal en el techo con una diferencia en la profundidad del sustrato y la selección de las plantas. Cada sección contó con riego y fertilización. Michigan tiene un clima templado con estaciones bien definidas; los inviernos son fríos con nieve y los veranos relativamente cálidos. El experimento transcurrió desde junio de 2013 hasta mayo 2014 y los resultados arrojaron que la cubierta extensiva mostró un mayor rango de fluctuación en la temperatura. Dado que el tipo de cubierta intensiva posee un sustrato de crecimiento más profundo, era de esperar que ofreciera más aislación, lo que mayormente sucedió. Sin embargo, durante los meses de invierno la cubierta extensiva tuvo un mejor rendimiento, ya que las plantas herbáceas mantuvieron una mayor cobertura de nieve, lo que aumentó el espesor de la aislación. De esta manera, los investigadores concluyeron que la sombra del dosel y la selección de las plantas podrían ser más importantes que la profundidad del sustrato de crecimiento para lograr la aislación térmica en los edificios (Mert Eksi, 2017).

Resumen del estudio 2:

Hongming et al. analizaron las propiedades térmicas de las combinaciones de los 5 sustratos de suelo más comúnmente utilizados y de las 7 especies de plantas más comúnmente utilizadas en cubiertas vegetales. En total, se simularon 35 casos. Se definió el flujo de calor y la cantidad de radiación solar absorbida como indicadores del rendimiento térmico de la cubierta. Los 5 sustratos de suelo analizados fueron: Avondale, perlita, arcilla, cellar y Norlite. Las 7 especies de plantas analizadas fueron: Sedum Album, Sedum Sexangular, Sedum Hispanicum, Sedum Reflexum, Sedum Spurium D, Sedum Spurium O y especies mixtas de sedum. La combinación de la especie Sedum Album con el sustrato Avondale arrojó el mejor valor aislante (Hongming He, 210).

Es sabido que las cubiertas vegetales brindan beneficios de aislación a los edificios. Es importante aclarar que los hallazgos térmicos de un experimento de cubierta vegetal son aplicables a la región específica en donde se realiza dicho experimento. Si bien hay algunas cuestiones genéricas conocidas al instalar una cubierta vegetal en regiones de distintos climas, se recomienda consultar a un especialista en cubiertas vegetales para cada proyecto individual. La colocación de una cubierta vegetal altamente eficiente requiere de idoneidad y conocimiento sobre el clima y la ecología del sitio en donde se realizará la cubierta.

Beneficios de las cubiertas vegetales

Además de la mayor resistividad térmica de los edificios, las cubiertas vegetales ofrecen muchos otros beneficios. Entre los beneficios ambientales se incluye la preservación de la energía, al ahorrar el combustible que se utilizaría en climatizar los edificios, y brindar un proceso natural de filtración de agua. Otros beneficios para el medioambiente incluyen un aumento de la biodiversidad, dado que se generan corredores ecológicos, se reduce la escorrentía de aguas de lluvia y se minimiza el efecto urbano de isla de calor.

  1. El menor consumo de energía se logra a raíz de la mayor aislación térmica de un edificio que posee cubierta vegetal.
  2. Una cubierta vegetal puede ofrecer un sistema de filtración de agua sin consumo de energía. Se limpia el agua de lluvia a medida que pasa por las plantas y el sustrato de crecimiento. Algunos edificios dependen de este proceso de filtración para reutilizar el agua de lluvia para satisfacer los requisitos hídricos del edificio.
  3. Las cubiertas vegetales aumentan la biodiversidad con una variación de especies de plantas y los animales que son atraídos hacia la misma.
  4. Las cubiertas vegetales ubicadas en áreas urbanas pueden actuar como corredores ecológicos para la vida silvestre que atraviesa dichas zonas. Por ejemplo, los animales migratorios como las aves pueden utilizar cubiertas vegetales como parada de descanso.
  5. La acumulación del agua de lluvia en los techos convencionales puede generar el desborde de los sistemas cloacales, lo que provocaría una inundación por la falta de impermeabilidad de las superficies de esos techos. Las cubiertas vegetales pueden ser útiles para reducir la cantidad de escorrentía de agua de lluvia, al absorber parte de ella y liberarla mediante evapotranspiración.
  6. El efecto urbano de isla de calor se define como las temperaturas significativamente más altas observadas en las áreas urbanas comparadas con aquellas de las áreas rurales circundantes. Este es el resultado de la menor cantidad de espacios verdes y las actividades humanas. Las cubiertas vegetales pueden contribuir a contrarrestar este efecto aumentando el espacio verde en las áreas urbanas que, en definitiva, disminuirá la temperatura y aumentará la calidad del aire.
figura 9. Muestra un gráfico de las variaciones de temperatura con un pico en el centro de la ciudad.

Al agregar una cubierta vegetal es posible aumentar la calificación LEED de un edificio: sistema de certificación de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental.

Las cubiertas vegetales también tienen beneficios directos para las personas. Ofrecen una sensación de bienestar, en términos psicológicos, como resultado de un mayor espacio verde y biodiversidad. Se puede aprovechar para la agricultura y la generación de empleo local, dado que requiere mantenimiento. También puede emplearse para fines educativos para las ciencias biológicas y el diseño arquitectónico. Las cubiertas vegetales brindan una mayor aislación a los edificios, contrarrestan los factores de estrés ambiental y ofrecen beneficios directos para las personas.

Bibliografía

Andrea Pianella, R. E. (1 de November de 2016). Steady-state and transient thermal measurements of green roof substrates. Energy and Buildings, 131, 123-132.

Diana E. Bowler, L. B.-A. (13 de September de 2010). Urban greening to cool towns and cities: a systematic review of the empirical evidence, Landscape Urban Plan. Landscape and Urban Planning, 97(3), 147-155.

Dowdey, S. (11 de July de 2007). What is a Green Roof ? . Obtenido de How Stuff Works: https://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/green-rooftop.htm

Hongming He, C. J. (29 de September de 210). Simulation of thermodynamic transmission in green roof ecosystem. Ecological Modelling, 221, 2949–2958.

K.L. Getter, D. R. (December de 2011). Seasonal heat flux properties of an extensive green roof in a Midwestern U.S. climate, Energy Build. Energy and Buildings, 43, 3548–3557.

Mert Eksi, D. B. (10 de April de 2017). Effect of substrate depth, vegetation type, and season on green roof thermal properties. Energy and Buildings, 174-187.

National Park Service. (s.f.). What is a Green Roof ? Obtenido de Technical Preservation Services: https://www.nps.gov/tps/sustainability/new-technology/green-roofs/define.htm

Fuente de las imágenes:

https://www.flickr.com/photos/nnecapa/2830785109

https://www.pxfuel.com/en/free-photo-qgqzm

https://www.wallpaperflare.com/iceland-hafnar-holmi-grass-roof-house-building-exterior-wallpaper-gayxb

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Intensive_extensive_green_roofs.png

https://www.needpix.com/photo/643579/roof-terrace-roof-garden-architecture-paris-roofs-building-homes-house-roof-city

https://www.needpix.com/photo/1039699/architecture-building-residences-rooftop-green-field-grass-aerial-court

https://www.afspc.af.mil/News/Photos/igphoto/2000229325/

https://climatekids.nasa.gov/heat-islands/

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Urban_heat_island_(Celsius).png