Comunicación presentada al III Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Oscar González Woge, Tesista en Ingeniería Industrial, Centro Universitario UAEM Valle de México
- Carlos Omar González Morán, Profesor investigador, Centro Universitario UAEM Valle de México
- Héctor Herrera Hernández, Profesor Investigador, Centro Universitario UAEM Valle de México
Resumen
En la actualidad las ciudades con gran densidad de población, tienden a afectar el clima del ecosistema, en parte, esto se debe al efecto “Isla de Calor Urbana”, que es un domo invisible que se forma en las ciudades, porque las superficies o cubiertas de los edificios absorben la luz y el calor del sol durante el día y la liberan durante la noche. Para generar una solución eficiente a este problema, es importante mencionar como una propuesta viable la de los techos y paredes verdes, ellos permiten reducir la temperatura en sus alrededores ya que forman una capa aislante térmica, capturan partículas de contaminación, pueden aumentar la vida útil de los materiales que cubren los edificios. El presente trabajo se basa en cuantificar mediante sistemas electrónicos hechos con hardware libre como Arduino una monitorización de las variables que afectan el confort dentro de una habitación, nos basamos en el código open source para generar bases de datos con un sistema automático de adquisición de datos con la finalidad de almacenar información precisa y analizarla mediante estadística y así demostrar las mejoras que se obtienen al instalar los techos y paredes verdes en una cubierta. Después de llevar a cabo el análisis encontramos que había una diferencia sustancial de temperatura que hacía que los sistemas de techos verdes disminuyeran en hasta 12 °C la temperatura en las horas más calientes del día, y aumentando la humedad del aire hasta en un 88%, generando un ambiente de confort en los edificios en donde se instalen.
Palabras clave
Techos Verdes, Paredes Verdes, Arduino
Introducción/Antedecentes
Actualmente las ciudades con gran densidad de población, muestran características que las hacen ser lugares donde ya no es posible contar con las comodidades que proveen los hogares, en parte todo esto es debido al efecto Isla de Calor Urbana, que es, un domo invisible que se forma en las zonas más densamente pobladas, porque la exposición de las superficies o cubiertas de los edificios absorben la luz y calor del sol, durante el día y la liberan durante la noche, generando cambios en el microclima de la ciudad. Por otra parte, un problema de estas características puede ser solucionado con una cubierta vegetal, conocidos como techos y paredes verdes, que tienen la virtud de ser aislantes térmicos, y por lo tanto, no absorber el calor del sol, sino que lo disipa con el mismo tapete vegetal que está en contacto con los rayos solares. Mientras la superficie de materiales como el concreto tienen temperaturas muy altas a ciertas horas del día, la temperatura de una superficie cubierta con pasto o plantas es mucho más baja. Por otro lado, la expansión y contracción del material o superficie que cubre las casas tiende a desgastarse con rapidez, mientras que los techos y paredes verdes reducen el desgaste por enfriamiento y calentamiento de los materiales, actuando como una capa protectora del calor y frío durante las horas más calientes del día y viceversa, lo que aumenta su tiempo de vida.
Para la implementación del proyecto recurrimos a sistemas de ingeniería aplicada a la conservación del confort térmico y el aislamiento de las variaciones del clima externo, nuestro objetivo fue analizar los datos que detectaban los sensores en intervalos regulares, para crear una inmensa base de datos, que contenga las variaciones y que nos permita contestar las hipótesis que tenemos como parámetro del aumento o disminución de temperatura que existe entre un edificio común y uno dotado de los paneles verdes, ya sea en el techo y/o en las paredes, además de las otras variables como humedad relativa, luxes, vibración telúrica y humedad del substrato estos datos se colectaron en un periodo de Agosto a Diciembre. Lo cual nos permitió demostrar que los sistemas de techos verdes son realmente eficientes, si se habla de confort térmico y aislamiento de factores externos que aumentan y/o potencializan las características deseadas de una casa o edificio.
Metodología
Descripción del sistema de monitorización: se diseñó un sistema de monitorización de variables físicas como: temperatura del aire, humedad relativa del ambiente, vibración telúrica, intensidad de luz en cantidad de luxes y humedad del substrato, que tienen como cualidad principal la descripción de las características deseadas en el confort de una habitación. Todos los sensores y detectores son componentes electrónicos, que pueden ser conectados mediante cables o pines, y utilizan voltajes de 5 Volts y corrientes no mayores 100 mA.
Para completar el diseño del circuito tomamos como parte fundamental del sistema, los sensores para acoplarlo en la tarjeta Arduino, ya que su código abierto permite desarrollar múltiples aplicaciones como es el caso de este sistema de monitorización. Para dicho sistema el circuito impreso que integra diferentes sensores que detectan las variables descritas, para crear este circuito impreso prescindimos del software Fritzing y 123d circuits de Autodesk, en el cual permite simular su funcionamiento antes de construirlo. Por otro lado, las variables se capturan en Office Excel 2010 automáticamente gracias a un software denominado PLX-DAQ, que se describirá posteriormente.
Para crear una comparativa entre las condiciones del clima y de las condiciones de la maqueta (monitoreo externo e interno respectivamente), se crearon dos sistemas de monitorización, el externo solo mide temperatura, humedad y luxes y el interno que mide temperatura, humedad relativa, luxes, vibración telúrica y cantidad de humedad en el substrato, este se instaló en el interior de la maqueta. Durante las pruebas para detectar y corregir errores en los circuitos y los códigos de programación en la tarjeta Arduino, se hiso una primera prueba que consistió en monitorizar las variables descritas anteriormente, pero en el interior del edificio de nuestro espacio a evaluar y que analizamos para verificar la eficiencia de los techos y paredes verdes. Una vez que se completó el análisis se vio una gran viabilidad para implementar el experimento.
Sensores para el sistema de monitorización
Para el sistema de monitorización de la maqueta, se cuenta con 4 componentes electrónicos que son; sensor DHT 11 (temperatura y humedad relativa), sensor LDR (cantidad de luxes), sensor CNY 70 (detector de proximidad), sensor capacitivo de placas paralelas (humedad del substrato), todos ellos fueron dispuestos de tal forma que registran las variables físicas y se registran en una hoja de cálculo de Excel para archivar y ordenar para su análisis, a los datos se les aplicaron diversas técnicas matemáticas con funciones estadísticas como: el promedio, media, desviación estándar y distribución normal, además de sus gráficas.
Ambos sistemas se activan al mismo tiempo para generar una muestra cuantitativa. En promedio, el sistema interno, captura 11,000 datos numéricos en Excel distribuidas en 5 columnas, (una para cada variable), y en el caso del sistema de monitorización externo, captura 11,000 datos al día con 3 columnas una para cada variable, generando una cantidad de 88000 datos diarios durante 2 meses de monitoreo como se muestra en la Figura 2.
Construcción de la maqueta para simulación
Para construir la maqueta, ocupamos materiales comunes en la industria de la construcción, para las paredes; paneles de tablaroca, para la estructura de la maqueta; vigas de madera, para la base y el techo; triplay de madera y para aislar el complejo; se utilizaron tapetes asfálticos que lo protegen de la humedad, con todos estos elementos construimos la maqueta para simular las condiciones de una casa que implementa la tecnología de techos verdes. Así procedemos a introducir el sistema de monitorización de variables físicas y conectarlo a la computadora con un cable USB. Para después cargar el código libre que integre todas las variables y los datos que recojan los sensores y los mande a Excel.
Resultados/Discusión de éstos
Los datos que recogimos fueron analizados, la temperatura en los interiores de los techos y paredes verdes muestra una variabilidad medida en una varianza de 3.2884, mientras que, en los exteriores, la variabilidad de los datos es de una varianza de 25.9427, esto significa que la desviación de los datos es mayor para el caso del monitoreo externo dando como resultado su cambio térmico se reduce considerablemente ya que su frecuencia de calentamiento y enfriamiento es menor.
La variable de humedad relativa, mostró un aumento en promedio de un 70%, cuando se trataba de los techos y paredes verdes, estos datos demostraron la eficiencia del sistema de techos verdes para aumentar el confort de un hogar, el mes más húmedo fue diciembre, incluso llego hasta 88%. Pero para casos extremos de humedad se puede disminuir con un deshumidificador, que pueden ser mecánicos o químicos.
Gráficas de dispersión, mediante la distribución normal
En el interior del edificio (sin sistemas de techos o paredes verdes), se mostró una variabilidad menor que en los interiores de techos y/o paredes verdes, pero salían mucho de la especificación, ver Figura 4.
Nótese en las campanas de gauss (gráficas estadísticas) que esquematizan las temperaturas internas del edificio (color azul), casi todas ellas son asimétricas y que su altura es mayor que las curvas de los techos verdes (color rojo), lo que indica que sus temperaturas varían menos que las temperaturas en los interiores de los techos verdes.
Las curvas de distribución normal de los datos registrados, indican que; los datos se agrupan en campanas altas para las temperaturas en interiores de techos verdes. Los datos se agrupan en curvas llanas para el caso de las temperaturas de los exteriores. Para mostrar un confort en los edificios, delimitamos el rango de temperatura que especifican los límites superior e inferior para que sea considerado como confort térmico, véase en Figura 5.
Como puede verse en la Figura 2, la mayor parte de las campanas de gauss se agrupan dentro de los límites de control, las gráficas en rojo son del interior de la maqueta, pero para las curvas hechas con los datos que captaron las condiciones térmicas en los exteriores (color negro), gran parte de su área bajo la curva, salen de la especificación. La temperatura tuvo una disminución en promedio de 10.5°C en el interior de la maqueta. Para el área bajo la curva de los datos que incluyen las temperaturas en los techos verdes, sus áreas coinciden en un 85% dentro de la especificación de gráfica. Las campanas que fueron dibujadas con los datos del clima externo a la maqueta, muestran áreas bajo la curva que en gran parte salen de la especificación de la gráfica, lo cual da como resultado que las curvas de datos que fueron trazadas con datos de temperaturas en el interior de la maqueta tienen más posibilidad de demostrar cual confortables son en términos de temperatura. Estos datos proporcionan información importante para demostrar que los paneles verdes son útiles para cualquier edificio, ya sea casa, oficina, industria o comercio. De acuerdo con la certificación EnerPHit (casas pasivas) [], en los lapsos de tiempo de monitoreo de la temperatura el 90% de ese lapso se conserva la temperatura de 25 °C y el 10% restante puede salir del rango de 25 °C.
Mientras que las variables de humedad relativa del aire, los datos muestran que la simulación del sistema de techos y paredes verdes, conserva la humedad en el interior del recinto. Para los exteriores la humedad relativa muestra una variabilidad mucho menor con campanas que llegan a ser del cuádruple o más de la altura que las del interior de la maqueta, ver figura 6.
Observando las gráficas, muestran en el eje horizontal o de porcentaje de humedad relativa ambiental, una extensa variación, ellas fueron registradas por el sensor ubicado en el interior de la maqueta, las campanas que fueron hechas con los datos que registro el sensor externo, son las que están en el extremo de la izquierda de la Figura 6, sus varianzas indican que sus variaciones fueron menores. Para el eje y, las curvas de los datos del sensor interno de la maqueta, sus niveles de frecuencia son más bajos. Para las campanas que fueron hechas con los datos del sensor externos, al menos dos de las gráficas tienen niveles de frecuencia de muestreo, que superan a las de la maqueta.
Es pertinente mencionar que las humedades relativas en la maqueta fueron mayores que en cualquiera de los otros ambientes en donde se monitorizaron, como se entiende por medio de las gráficas de dispersión de datos. Los valores de desviación estándar van de 13.101 hasta 1.873, mientras que en el edificio, sus desviaciones estándar son desde 6.164 hasta 0.449. Dándonos como resultado que las varianzas o desviaciones estándar elevadas al cuadrado, son más grandes para los datos de los sensores instalados en la maqueta, demostrando con esto que su variabilidad fue mayor. Mientras que las amplitudes de rango en la maqueta fueron bastante amplias, dándonos una amplitud de rango de 70% y para la maqueta cuenta con 82% del ancho de la campana.
Para la intensidad de luz determinada en luxes se registraron niveles de luz que iban disminuyendo conforme las horas iban pasando, en las gráficas 3D, se puede apreciar el decremento de los luxes por unidades para el eje rotulado como cantidad de datos.
Conclusiones
Gracias a los datos recogidos por los sistemas de monitorización, hemos llegado a la conclusión de que los techos y paredes verdes, son un sistema de aislamiento eficiente, tanto de la temperatura, cantidad de luxes, vibraciones telúricas, etc. Por lo cual el confort en una habitación llega a aumentarse de manera significativa, por lo que es muy importante darle suficiente importancia a los sistemas de techos verdes, ya que pueden ser instalados en cualquier edificio sin necesidad de modificar la estructura interna del mismo, simplemente añadiendo elementos aislantes de la humedad y de los elementos del clima exterior, como los fenómenos meteorológicos; velocidad del aire, punto de rocío, presión atmosférica, etc. Dando como resultado un sistema de tecnología aplicada a la conservación del confort térmico dentro de los edificios en donde se instalen, y sin necesidad de un mantenimiento estricto, e incluso llegar a reducir el consumo de energía eléctrica dentro de las casas, todo esto, mediante la reducción de la temperatura en climas cálidos y la conservación del calor en climas fríos, llegando a actuar como una capa inteligente que regula las variaciones de la temperatura para que el interior del edificio sea más cómodo que el exterior y que los edificios comunes. Nuestras gráficas demuestran que los sistemas de techos verdes bien cumplen y exceden la norma EnerPhit, ninguna de las curvas de los datos con las que fueron construidas superan nunca en su temperatura máxima los 23 °C, y sus temperaturas se mantuvieron siempre estables sin cambiar demasiado las amplitudes de sus rangos. Por otro lado, mediante el análisis de los datos de las monitorizaciones, se demostró que la humedad relativa del ambiente dentro de la maqueta es mayor en cuanto a porcentaje que la del interior del edificio, lo cual podemos atribuir a las cubiertas vegetales que son las que potencializan la humedad relativa del aire. Es notoria, la frecuencia media de humedad relativa es mayor en el edificio, ya que sus curvas superan en altura a las de la maqueta. No es una frecuencia tan repetida como la que se registró en el exterior de las instalaciones de la universidad, lo que indica que es variable en cuanto a porcentaje de humedad relativa, ya que es un ambiente más seco.
Referencias
- Krajewski et. al, 2013, Admón. De operaciones, Pearson, México.
- Varios autores, Guía del estándar PassivHaus, 2011, España.
- Varios autores, Cambio Climático: Plan de Acción Buenos Aires Argentina 2030, 2010, Argentina.
- Hurtado, Enrique Alberto, Estadística: Descriptiva y Analítica, 1998, Colombia.