Introducción

Los techos verdes son una alternativa arquitectónica cada vez más utilizada en el mundo por sus múltiples beneficios. Éstos van desde la preservación de la biodiversidad, la mitigación del efecto isla de calor y de la contaminación del aire en las áreas urbanas, al aislamiento térmico de las viviendas que reduce su carga calórica y consumo energético (^{Berardi et al., 2014}). Este último beneficio toma gran importancia en las zonas cálidas tropicales, donde la insolación diaria es alta la mayor parte del año (^{Hodo-Abalo et al., 2012}).

Un techo verde es una estructura colocada sobre una superficie plana o inclinada, diseñada para soportar vegetación sobre un edificio. Típicamente se compone de: 1) una capa externa de vegetación; 2) una capa de sustrato para el sostén y nutrición de las plantas; 3) membrana filtradora; 4) capa de drenaje; y 5) membrana anti-raíz, que es la capa en contacto con la loza del edificio (^{Oberndorfer et al., 2007}). El enfriamiento pasivo que proveen los techos verdes se induce principalmente por la acción de la capa de vegetación (^{Berardi et al., 2014}); ésta capta la mayor parte de la radiación solar (^{Del Barrio, 1998}; ^{Wong et al., 2003}) y minimiza las fluctuaciones de calor (^{Liu y Baskaran, 2003}).

Del total de radiación solar que llega a la capa vegetal, aproximadamente 27% se refleja, 60% es absorbido por las plantas y el sustrato, y solo 13% se transmite y es absorbida por el techo del edificio (^{Ekaterini y Dimitris, 1998}; ^{Tabares-Velasco y Srebric, 2009}). Se ha determinado que con la implementación de los techos verdes existe una disminución de la temperatura interna de las viviendas de hasta 7.5 ^°C (^{Qin et al., 2012}), aunque su efectividad depende del contenido de humedad de sus capas vegetativa y de sustrato (^{Zinzi y Agnoli, 2012}), y del índice de área foliar de la capa vegetativa (^{Hodo-Abalo et al., 2012}).

Uno de los objetivos de la diminución de temperatura por medio de los techos verdes es brindar un mayor confort térmico a las personas. Éste es definido como aquella condición mental que expresa satisfacción con el ambiente térmico (^{ISO 7730, 1995}). De acuerdo con ^{Kvisgaard (1997)} el confort es usualmente medido por el voto de confort o voto subjetivo (VS), el voto medio predicho (VMP) y el porcentaje de personas a disgusto (PPD). En el VS las personas califican su satisfacción con la temperatura ambiente mediante una escala de sensación térmica de siete puntos, donde los extremos positivo y negativo son caliente y frío, respectivamente, y el cero representa una sensación térmica neutra satisfactoria; típicamente se evalúa en cámaras con control de temperatura, velocidad del viento y humedad relativa. El VMP es un índice objetivo del confort térmico que toma en cuenta factores ambientales y fisiológicos humanos, y predice el valor medio de la sensación humana. En su cálculo intervienen seis variables: la tasa metabólica, el aislamiento de la ropa, la temperatura radiante, así como la temperatura, velocidad de aire y humedad del aire (^{ANSI/ASHRAE, 2004}). Del VMP se desprende el PPD, refiriéndose a la cantidad de personas a disgusto con la temperatura del sitio.

La mayoría de los estudios sobre techos verdes y sus beneficios se han centrado en zonas urbanas de climas templados. No obstante, el aumento de temperatura y pérdida del confort térmico no se restringe a las zonas urbanas, también las zonas rurales presentan problemas de elevación de temperatura dentro de las casas, debido a que los patrones y procesos de calentamiento global están influyendo en las tendencias actuales de temperaturas (^{Currit y Easterling, 2009}). Además, los árboles y arbustos en los solares familiares que protegen las casas de la radiación solar se están perdiendo (^{Mas et al., 2004}), y el tipo de construcción ha pasado de ser casas con techos altos de materiales ligeros y frescos (hojas de palma, lámina de cartón, teja), a techos de poca altura con materiales que absorben el calor (lámina de zinc y concreto), por lo que la implementación de techos verdes puede ser una medida de mitigación calórica. Sin embargo, la pesada estructura de los techos verdes convencionales (^{Köhler, 2003}) los hace difícilmente compatibles con las características de la vivienda rural tropical; es necesario modificar el diseño convencional de los techos verdes a fin de adecuarlos a este tipo de vivienda, y evaluar el desempeño de la nueva propuesta. Por ello, el presente trabajo tuvo como objetivos: 1) proponer un prototipo de techo verde ligero; y 2) evaluar, en condiciones de campo, el confort térmico brindado, bajo la hipótesis de que esta estructura, al reducir la carga calórica sobre el techo de las viviendas, mejora el confort térmico.

Materiales y métodos

La investigación se realizó de abril a septiembre de 2011 en la comunidad de Angostillo, municipio de Paso de Ovejas, Veracruz, México. El clima del sitio, según la clasificación de Köppen modificada por ^{García (1973)}, es del tipo Aw₀"(w)(i')g, que es el más seco de los cálidos subhúmedos, con lluvias en verano, temperatura media anual de 25 ^°C y precipitación estacional, con una media anual no mayor a 1 000 mm.

Se seleccionaron tres casas semejantes de acuerdo con las siguientes características: 1) techos de lámina zinc; 2)con orientación de este a oeste; 3) cercanas entre ellas; 4) que dispusieran de dos habitaciones separadas pero de dimensiones y orientación semejantes; 5) cuyos propietarios estuvieran de acuerdo en modificar sus casas; y 6) que las personas se comprometieran colaborar con el cuidado de las plantas. Las características específicas de las casas y habitaciones se describen en el Cuadro 1. En cada casa se seleccionó al azar una habitación y sobre ésta se construyó el prototipo de techo verde.

Considerando que la capa vegetal es la principal inductora del enfriamiento pasivo provisto por los techos verdes (^{Berardi et al., 2014}) y que la mayor parte de su peso es debido a las otras capas (^{Köhler, 2003}), el prototipo propuesto difiere de los techos verdes convencionales en que utilizó: 1) una pérgola para el crecimiento del follaje de las plantas; 2) contenedores de sustrato para el crecimiento de las raíces desplazados a los costados de la vivienda; y 3) la planta Cissus verticillata (L.) Nicolson & Jarvis (Vitaceae), especie enredadera nativa, que crece silvestre en la localidad -identificada por la Biol. Lorena P. Sánchez Morales, y los ejemplares herborizados depositados en el herbario del Instituto de Investigaciones Biológicas de la Universidad Veracruzana, Xalapa-.

La pérgola se construyó de PTR liviano y malla para colar de cuadrícula 0.15 * 0.15 m, superpuesta 0.5 m arriba de la lámina de techo de la casa (Figura 1). Las plantas utilizadas en los techos verdes se obtuvieron de la propagación por esquejes de individuos silvestres de la localidad; las plantas se colocaron en macetas de 12 l, con 11 l de sustrato, mezcla peat moss Floraska, tierra y arena del sito (1:1:1); una planta por maceta; dispuestas mediante repisas externas en los costados de la casa, a una altura media para facilitar el riego y fertilización. A cada planta se le colocó un tutor de bambú de 1.1 m, a fin de conducir su crecimiento hacia la pérgola; se regó cada 2 d y se fertilizó con 50 ml de Triton (N 1%, P 1.9%, K 1%), cada 2 d durante el primer mes; posteriormente se aplicaron 20 g de urea por maceta, cada 7 d. Una vez que el follaje cubrió 100% de las pérgolas, se llevó el registro de la temperatura bajo el techo de cada habitación seleccionada, mediante un datalogger marca MC modelo USB-500, colocado a 0.15 m bajo la lámina.

Figura 1 Diseño del techo verde. 

Para evaluar el confort térmico se seleccionaron dos grupos de 10 personas. El grupo llamado “residente” se conformó por los habitantes de las casas y vecinos, de 28- 57 años de edad, seis mujeres y cuatro hombres, y la vestimenta ligera, para el caso de los hombres fue pantalón de vestir, camisa, calcetines y zapatos y para las mujeres, un vestido. El grupo llamado “visitante” se conformó con jóvenes de 20-25 años, cuatro mujeres y seis hombres. La vestimenta de este grupo consistió en pantalón de mezclilla azul claro, camiseta blanca de algodón, calcetas y zapatos de trabajo para ambos sexos. Las evaluaciones por los grupos visitante y residente, se realizaron de 15:00 - 18:00 h, el 20 y 26 de septiembre de 2011, respectivamente.

Cada persona participante visitó las seis habitaciones en estudio y en cada una de ellas calificó su grado de confort mediante un cuestionario. Las rutas de visita fueron planeadas anticipadamente de manera que no hubiera más de dos personas por habitación al mismo tiempo, y a cada persona participante se le asignó aleatoriamente una ruta distinta. Al entrar en cada habitación, las personas permanecieron sentadas durante 15 min, tras los cuales respondieron un cuestionario de 22 reactivos basado en diferenciales semánticos. El cuestionario se estructuró en tres secciones, las dos primeras (14 reactivos) fueron referentes al ambiente de la habitación y la sensación física de la misma, y la tercera (ocho reactivos) sobre la aceptación y percepción de los techos verdes.

En las dos primeras secciones del cuestionario, cada reactivo se calificó en una escala de 0 a 3, indicando apreciación de total confort o total no confort, respectivamente. Se obtuvo el promedio calificación de los 14 reactivos, el cual es un índice del confort térmico como fue percibido por cada persona, y corresponde al voto subjetivo (VS) observado en cada habitación.

A fin de obtener las variables necesarias para el cálculo del VMP, durante la estancia de cada persona, un termómetro marca Steren modelo TER-100 con dos sensores, registró simultáneamente la temperatura del aire (bulbo seco) y la temperatura de globo, introduciendo el sensor en una esfera elipsoide oscura de plástico, y obtener así la temperatura radiante; la humedad y la velocidad del viento fueron registradas con una estación meteorológica inalámbrica marca Davis, modelo Vantage Pro26152 y un anemómetro marca Smart sensor, modelo AR816; el termómetro, sus sensores, y la estación meteorológica se colocaron al centro de la habitación, sobre una estructura, a 1.20 m del suelo, considerando la altura de una persona sentada.

De acuerdo con la edad y sexo de las personas, se calculó la tasa metabólica y con respecto al tipo de ropa se determinó el aislamiento de la vestimenta por medio de las tablas establecidas por la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE) (^{ANSI/ASHRAE, 2004}). Con los datos antes mencionados, se calculó el voto medio predicho (VMP) y el porcentaje de personas a disgusto (PPD), utilizando el algoritmo de ^{Nilsson y Håkan (2005)} basado en la fórmula determinada por la ASHRAE. Se obtuvo el VMP y el PPD para cada grupo evaluador, y cada habitación evaluada.

La tercera sección del cuestionario evaluó la aceptación de los techos verdes; cada reactivo se calificó del 0 al 8, correspondientes a un completo rechazo o una completa aceptación, respectivamente. Se obtuvo un índice de aceptación por persona utilizando el promedio de sus respuestas en las tres casas.

Los promedios de temperatura bajo la lámina del techo de cada habitación, registrados durante la realización de las evaluaciones del confort térmico, se compararon mediante pruebas de t de una sola cola para muestras pareadas, a fin de determinar si la temperatura bajo la lámina fue menor en las habitaciones con techo verde que en aquellas sin techo verde; estas pruebas se realizaron en Microsoft Excel 2010.

Los VS fueron transformados a rangos mediante el PROC RANK de SAS (^{SAS, 2010}), y sometidos a un análisis de varianza de parcelas divididas en bloques al azar, donde la parcela mayor fue la casa, la parcela menor el tipo de techo, y el factor de bloqueo la persona; se utilizó el PROC MIXED de SAS (^{SAS, 2010}); cada grupo evaluador se analizó por separado. De esta manera se determinó si existieron diferencias significativas debidas a la casa, al tipo de techo o la interacción entre ambos.

Se obtuvo el promedio del VMP y PPD por tipo de techo y se determinó si fueron menores en las habitaciones con techo verde que en aquellas sin techo verde, mediante pruebas de t de una cola para muestras pareadas, utilizando Microsoft Excel 2010; en el caso del PPD, se utilizó la transformación arcoseno, recomendada para la comparación de porcentajes (^{Sokal y Rohlf, 1981}).

Los índices de aceptación por persona fueron transformados a rangos mediante el PROC RANK de SAS (^{SAS, 2010}), y sometidos a un análisis de varianza PROC GLM de SAS (^{SAS, 2010}), para determinar diferencias significativas entre los grupos evaluadores.

Resultados y discusión

La temperatura media bajo la lámina del techo de las viviendas bajo estudio, observada durante las evaluaciones de confort térmico (20 y 26 de septiembre) fue significativamente menor en las habitaciones con techo verde, que en aquellas sin techo verde (Figura 2); esto es un indicador de que el prototipo de techo verde propuesto efectivamente mitigó la carga calórica de los techos de las habitaciones. Las reducciones en temperatura observadas (3.4 y 4.5 ^°C) son semejantes a las reportadas por ^{Pandey et al. (2013)} en techos verdes convencionales, si bien inferiores a lo obtenido por ^{Liu y Baskaran (2003)} y ^{De Nardo et al. (2005)}, pero superiores a los resultados de ^{Jaffal et al. (2012)}.

Figura 2 Temperatura promedio (+DE) bajo la lámina del techo de la habitación durante las evaluaciones de confort. 

El VS promedio del grupo residente fue de 0.63 y 2.23, para las habitaciones con y sin techo verde, respectivamente, detectándose diferencias significativas debidas al tipo de techo y entre casas (Figura 3); el promedio del VS del grupo visitante fue de 0.94 y 2.44, para las habitaciones con y sin techo verde, respectivamente, siendo esta diferencia estadísticamente significativa (Figura 4). Es posible que, a diferencia del grupo visitante, el residente fue capaz de detectar pequeñas diferencias ambientales entre las casas, por estar más familiarizados con sus viviendas. Asimismo, tanto el VMP como el PPD, correspondientes a los dos grupos evaluadores, fueron significativamente menores en las habitaciones con techo verde, que en aquellas sin éste (Figuras 5 y 6), observándose una falta de confort casi total y unánime, de acuerdo al PPD, en las habitaciones sin techo verde.

Figura 3 Promedio por casa del voto subjetivo del grupo residente (+DE). 

Figura 4 Promedio por casa del voto subjetivo del grupo visitante (+DE). 

Figura 5 Voto medio predicho por tipo de techo (+DE) y grupo evaluador. 

Figura 6 Porcentaje de personas a disgusto (+DE) por tipo de techo y grupo evaluador. 

De acuerdo con el VMP, se esperaba que las personas de ambos grupos expresaran un menor confort que el mostrado por el VS. Al respecto, Nicol (2014) explica que diferencias como ésta, ocurren en parte porque el VMP tiende sobreestimar el no confort en condiciones de altas temperaturas, en habitaciones de temperaturas no controladas mecánicamente, pero principalmente porque la temperatura que las personas encuentran confortable está en relación estrecha con la temperatura media que experimentan cotidianamente. Por ello es que este autor recomienda que siempre se lleven a cabo evaluaciones del VS, especialmente es zonas tropicales.

El índice de aceptación de los techos verdes por el grupo residente fue moderado, con promedio de 4.9 (mínimo de 4.2 y máxima de 6.2), mientras que el del grupo visitante fue alto, con promedio de 6.2 (mínimo de 4.8 y máximo de 7.5); el análisis de varianza mostró que hubo diferencias significativas entre grupos (F= 27.1, p< 0.0001), siendo mayor la aceptación del grupo visitante, lo cual es explicable considerando que el grupo se integró por jóvenes estudiantes. Estos resultados son relevantes pues es conveniente desarrollar propuestas tecnológicas que las personas estén dispuestas a implementar en sus viviendas, como ocurrió en este caso.

De conformidad con el objetivo y la hipótesis planteados, el prototipo de techo verde propuesto en el presente trabajo, al utilizar un diseño de pérgola, resultó más ligero que los techos verdes convencionales y pudo construirse sobre los techos de lámina de viviendas rurales, sin comprometer la estructura de éstas. Es de resaltar que la ausencia de las otras capas características de los techos verdes convencionales (^{Oberndorfer et al., 2007}) no impidió la mitigación significativa de la carga calórica y la mejoría del confort térmico de los habitantes de la vivienda. Los resultados de este estudio indican que en las viviendas rurales tropicales se alcanza un mayor confort térmico mediante el uso de techos verdes como el aquí propuesto.

Conclusiones

El prototipo de techo verde con la enredadera nativa C. verticillata disminuyó hasta 4.5^° C la temperatura de las láminas de zinc de las habitaciones sobre las que fue construido. Las tres variables utilizadas para evaluar el confort térmico (VS, VMP y PPD) evidenciaron una mejoría significativa del confort térmico debido a la presencia del techo verde. La aceptación de los techos verdes por el grupo residente fue moderada, aunque significativamente menor que la aceptación por parte del grupo visitante.