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). 

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). 

Durante las dos primeras semanas del experimento, los módulos auto-portantes fueron colocados sobre techo losa. Debido al calentamiento de la superficie se modificó la ubicación sobre el techo verde existente a un lado, en el mismo sector. La decisión de colocar en el techo responde a evitar la manipulación de las personas y que no obtuviera sombreamiento de ningún elemento preferentemente constructivo.

Figura 4 Ubicación de los módulos auto-portantes en el Laboratorio Nacional de Vivienda y Comunidades Sustentables. 

- Descripción del modelo físico. Caracterización formal y material:

Módulos auto-portantes: se utilizaron dos módulos auto-portantes con 5 placas de poliestireno expandido de 1 pulgada de espesor y estructura de madera de 40 x 40 cm. Se procedió a la colocación de vegetación (tipo Cissus) en la cara Sur de uno de los módulos, para evaluar el desempeño de la misma en el clima cálido sub-húmedo, mientras que el otro módulo actuó de testigo (sin vegetación en la cara Sur). El registro de datos se realizó mediante registradores de datos (Data Logger) situados en el interior de los módulos.

Figura 5 Estructura de los módulos. Placas de poliestireno expandido con estructura de madera. 

Figura 6 Estructura de alambre recocido Nº 18, colocada a uno de los módulos para la fijación de la vegetación. 

Figura 7 Sensores de temperatura colocados en el interior de cada módulo. 

Vegetación: para generar la barrera vegetal se consideró cubrir una superficie aproximada del 80% de la cara sur de uno de los módulos, por lo que se colocaron 4 plantas del tipo Cissus, proveídas por vivero local.

Figura 8 Vegetación tipo Cissus colocada a uno de los módulos. 

Registradores de datos: fueron colocados equidistantemente en el interior de ambos módulos. Se realizó la medición de los datos, siendo evaluados solamente los de la temperatura interior y temperatura exterior

Figura 9 Registrador de Datos (Data Logger) de uso Interior para Temperatura, Humedad Relativa, Luz y un canal para senrores Externos. 

2.3 Determinación de variables

Por una parte, las variables están determinadas por dos categorías: las condiciones del ambiente natural, que se refieren a los factores climáticos meteorológicos; y, el ambiente artificial urbano-arquitectónico (módulos auto-portantes), que hace referencia al ambiente construido y de la influencia sobre la forma física y material del espacio y su entorno inmediato.

2.4 Técnicas e instrumentos de recolección de datos

El experimento tuvo una duración total de 4 semanas, desde el 10 de noviembre de 2020 al 08 de diciembre de 2020. Cabe resaltar que el periodo de duración responde en gran parte a la pandemia ocasionada por el Covid19 y las restricciones consecuentes como la disponibilidad del uso de instalaciones y equipo de monitoreo.

2.5 Metodología de modelación y simulación

El modelado para proporcionar la estructura de los módulos, a través del diseño 3D, se realizó con el software SketchUp y para la ejecución de la simulación se utilizó el motor de cálculo Energy Plus el cual proporciona los resultados o variables de salida. Ver Tabla 1.

A partir de la configuración física del modelo en SketchUp, el cual fue utilizado en este trabajo para definir la orientación, la geometría, el diseño, la composición y la definición de los espacios y envolventes; se crean con el plugin de EnergyPlus en el mismo, las zonas térmicas configurándose todas las superficies que delimitan la envolvente de los módulos en estudio. Una vez terminado el diseño y guardado con extensión. IDF, el cual es uno de los archivos de entrada para el EnergyPlus, se ingresan el archivo de clima del sector con extensión. EPW y las diferentes variables de entrada en Energy Plus con la determinación de la ubicación geográfica, la caracterización de los materiales, las infiltraciones, las variables de salida, los periodos de simulación, los horarios, entre otros. En la Tabla 2 se especifican los datos de entrada en EnergyPlus.

Finalmente se ejecutó la simulación y se corrigieron errores obteniendo como salida la tabla de datos en formato .CSV. Cabe resaltar que la aplicación de estrategia en el módulo de prueba se realizó considerando el mismo porcentaje cubierto en la experimentación (80%), ya que la herramienta no cuenta con la opción de simular con las propiedades térmicas favorables del efecto de la fotosíntesis de la vegetación. La simulación fue realizada con módulos de 3.00 x 3.00 x 3.00 mts por estar dentro del rango de las dimensiones de un espacio habitable determinado por la CONAVI ¹⁶ y porque las simulaciones realizadas, para este trabajo, con módulos de menores dimensiones a la misma no arrojaron resultados comparables.

Figura 10 Digitalización de módulos de 3.00x3.00x3.00mts. en el programa SketchUp, con el plugin de EnergyPlus. 

3.1 Experimentación

Con relación a la experimentación en campo, las temperaturas obtenidas al interior del módulo auto-portante con barrera vegetal (módulo prueba) fueron menores que las del módulo testigo. En la Tabla 3 se muestran las temperaturas máximas y mínimas al exterior y al interior de ambos dispositivos, durante el periodo total de experimentación.

Se concluye que la diferencia entre las temperaturas ambiente exterior y los módulos testigo y prueba se debe a la radiación solar y el volumen de los módulos, lo que permitió alcanzar las temperaturas obtenidas; cabe resaltar la reducción de temperatura en el módulo con vegetación contra el testigo. Como los módulos no se encuentran con la superficie descubierta o cara abierta expuesta a los vientos dominantes, se produce un estancamiento, por lo que se deduce que las ganancias térmicas por radiación y conducción en el poliestireno generan una convección interior. Es importante considerar factores que generaron condiciones micro climáticas en el interior, como la radiación directa reflejada en el interior de los módulos por las superficies y el calor transferido a pesar de ser un material aislante.

A partir de los resultados de las temperaturas obtenidas en los módulos, se seleccionó 1 día por semana para un análisis más detallado, y considerar aquel de mayor diferencia de temperaturas entre el módulo testigo y el de prueba como se observa en la Tabla 4 y en la Figura 11.

Figura 11 Comparación de los resultados del experimento en temperaturas máximas obtenidas por semana. 

La diferencia en las máximas temperaturas promedio en general entre los módulos de prueba y el de testigo es de 2ºC (Tabla 3) pero se pueden observar mayores diferencias en días y horas de mayor temperatura ambiental como se puede observar en las figuras 12, 13, 14, 15 y 16.

Figura 12 Comparación de resultados del experimento en el día seleccionado, el 12 de noviembre, de la semana 1. Se observa una diferencia de hasta 6.5ºC entre el testigo y el módulo de prueba a las 12:30 horas, siendo el módulo con vegetación el que presenta menor temperatura. 

Como puede observarse en la Figura 12, es notable las temperaturas del aire que se logran alcanzar en el módulo testigo, siendo una temperatura que supera las temperaturas del ambiente exterior, esto debido al volumen del módulo y la orientación al sur que se colocó la abertura, por tal motivo el módulo capta la radiación solar directa e indirecta influyendo en el aumento de las temperaturas del aire. Lo relevante es que el módulo con barrera vegetal se logra reducir hasta 6.5 °C en la temperatura del aire.

Figura 13 Comparación de resultados del experimento en el día seleccionado, el 21 de noviembre, de la semana 2. Se observa una diferencia de hasta 6.98ºC entre el testigo y el módulo de prueba a las 12:30 horas, siendo el módulo con vegetación el que presenta menor temperatura. 

En la Figura 13, se observa que en el módulo con barrera vegetal, para este día se logró disminuir 6.8°C, cabe mencionar que se trabajaron con gráficas en días con condiciones de cielo despejado, aunque se puede notar que entre las 14 hrs y 15 hrs existió un poco de nubosidad. Esto fue para identificar bajo condiciones críticas el desempeño térmico en el módulo con la barrera vegetal.

Figura 14 Comparación de resultados del experimento en el día seleccionado, el 24 de noviembre, de la semana 2. Se observa una diferencia de hasta 7.7ºC entre el testigo y el módulo de prueba a las 12:30 horas, siendo el módulo con vegetación el que presenta menor temperatura. 

En este caso de la Figura 14, se observa que se logró disminuir hasta 7.7°C, en base a esto podemos ver que la barrera vegetal permite ser una estrategia pasiva que reduce sustancialmente la ganancia por radiación solar directa e indirecta.

Figura 15 Comparación de resultados del experimento en el día seleccionado, el 28 de noviembre, de la semana 3. Se observa una diferencia de hasta 4.5ºC entre el testigo y el módulo de prueba a las 14:00 horas, siendo el módulo con vegetación el que presenta menor temperatura. 

En la Figura 15 aprovechamos en mencionar cómo desde que empieza el amanecer, se observa que la temperatura del aire interior del módulo testigo comienza a elevarse con respecto al módulo testigo, esta es una de las razones que nos permitió inferir que la variable relevante es la radiación solar directa e indirecta, ya que esta diferencia se aprecia sólo durante el día, mientras que en la noche las temperaturas del aire son idénticas entre el módulo testigo, el módulo con barrera vegetal y la temperatura exterior.

Figura 16 Comparación de resultados del experimento en el día seleccionado, el 2 de diciembre, de la semana 4. Se observa una diferencia de hasta 7.8ºC entre el testigo y el módulo de prueba a las 15:00 horas, siendo el módulo con vegetación el que presenta menor temperatura. 

A partir de las figuras presentadas se pueden observar las diferencias de temperatura entre ambos interiores de los días seleccionados, siendo el módulo de prueba con barrera vegetal la más beneficiada, con la disminución de temperatura del aire al interior, especialmente en las horas de mayor temperatura ambiental, entre las 12:00 y 15:00 horas.

3.2 Simulación

Con relación a la simulación, las temperaturas obtenidas al interior de la Zona Testigo fueron mayores que las de la Zona con Estrategia. En la Tabla 5 se muestran las temperaturas máximas y mínimas al exterior y al interior de ambos módulos, durante el periodo total de simulación en correspondencia a la duración de la experimentación como se ha señalado anteriormente.

Se concluye que la diferencia entre las temperaturas ambiente exterior y los módulos se debe también a la radiación y el material simulado, lo que permitió alcanzar las temperaturas obtenidas; cabe resaltar sin embargo la aportación en la reducción de temperatura en el módulo con la implementación de estrategia contra el testigo. Como los módulos no se encuentran con la superficie descubierta o cara abierta expuesta a los vientos dominantes, se produce un estancamiento, por lo que se deduce que las ganancias térmicas por radiación y conducción en el poliestireno generan una convección interior.

A partir de los resultados de las temperaturas obtenidas en la experimentación, se seleccionaron los mismos días tenidos en cuenta en la etapa de la experimentación para un análisis más detallado, como se observa en la Tabla 6.

La diferencia en las máximas temperaturas en general entre los módulos es de 7ºC (Tabla 5), 5ºC más en relación con la experimentación, resaltando ese promedio durante todo el periodo. En la Tabla 7 se puede observar las diferencias de temperaturas en los días seleccionados, entra la experimentación y la simulación.