Modelo de balance energético de cubiertas vegetales extensivas heterogéneas

• Autores: Maria Luisa Vilar Guerrero
• Directores de la Tesis: César Bedoya Frutos (dir. tes.), Lourdes Tello del Castillo (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Javier Neila González (presid.), Juan Francisco Padial (secret.), María Pilar Luisa Chías Navarro (voc.), Beatriz Urbano López de Meneses (voc.), Jesús Ildefonso Díaz Díaz (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Construcción y Tecnología Arquitectónicas por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
    • Tecnología energética
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Las cubiertas vegetales hoy en día siguen siendo un sistema constructivo poco extendido, a pesar de existir desde hace siglos. Esta investigación comienza con un breve recorrido por la historia de las cubiertas vegetales, para entender que es una solución de cubierta con una larga trayectoria a lo largo de la historia. Así mismo, son muy numerosos los estudios que existen acerca de los múltiples beneficios que aportan las cubiertas vegetales. De entre todos ellos, esta tesis se engloba dentro de la línea de investigación que desarrolla el beneficio que aporta la cubierta vegetal a la reducción de consumos energéticos del edificio para su acondicionamiento ambiental. En esta línea, se han desarrollado numerosos estudios experimentales de cubiertas vegetales monitorizadas y, de igual manera, se han desarrollado múltiples modelos de balance energético de cubiertas vegetales. Analizando los modelos de balance energético de cubiertas vegetales existentes se detecta que, debido a la complejidad de los mismos, se hace necesario hacer simplificaciones. Los modelos coinciden en suponer la cubierta homogénea como simplificación. Esta queda reducida a un único punto, en el que se estudia la variación de temperaturas en profundidad. De este modo, no se tiene en cuenta la influencia que tiene en el balance energético, las variaciones superficiales que aporta una cubierta heterogénea (entendiendo esta heterogeneidad como zonas con diferentes tipos de vegetación, zonas donde la vegetación se ha desarrollado de manera diferente o zonas de sol y de sombra, por ejemplo). Una vez definida esta nueva línea de investigación, se propone construir un modelo de balance energético de cubiertas vegetales extensivas heterogéneas, para poder estudiar la influencia que tiene esta heterogeneidad en el balance energético de la cubierta. Dicho modelo ha de ser dinámico y calcular las variaciones de temperatura que se producen a lo largo de la cubierta en las capas vegetal y sustrato. El primer paso para construir el modelo es modelizar los distintos procesos que intervienen en el balance energético; especialmente la evapotranspiración, al ser el proceso más complejo. Éste es la combinación de la evaporación del agua del suelo y la transpiración de las plantas. La información existente acerca de la modelización, publicada en revistas especializadas, es numerosa. Se ha considerado necesario reunirla aquí de forma ordenada. Primero se han incluido todas la ecuaciones de cada proceso que forma parte de los términos de balance, explicando detalladamente el origen de cada una. A continuación, se ha reunido junta toda la formulación de los términos de balance de ambas capas (vegetación y sustrato). Para terminar con la modelización, se ha incluido la lista de los 76 parámetros que intervienen en el balance, con una explicación detallada de cada uno de ellos. Se incluye aquí, una nueva propuesta de modelización de la resistencia estomática de las plantas de metabolismo ácido de las crasuláceas (plantas CAM), al haber observado que las ecuaciones que modelizan dicho parámetro no se adaptan bien al funcionamiento de estas plantas (cuyo uso está muy extendido en las cubiertas vegetales extensivas, debido a su fácil adaptación y bajo mantenimiento). Para poder llevar a cabo la simulación numérica del modelo, seguidamente se desarrolla el método matemático elegido: el método de los volúmenes finitos. Una de las mejoras que aporta es que no necesita linealizar los términos no lineales (proceso que sí se utiliza al aplicar las CTF, conduction transfer functions). Se consigue de este modo una mayor precisión en la solución, evitando los errores que conlleva la aproximación producida por la linealización y, además, permitiendo la influencia no lineal de unos componentes del balance sobre otros. Para codificar el modelo se ha utilizado el lenguaje de Matlab. Se ha creado así, un programa que permite introducir las distintas características de las cubiertas heterogéneas, para simular las temperaturas de las capas vegetal y sustrato a lo largo de la cubierta en cada instante de tiempo. El modelo se ha validado de dos maneras: mediante la validación del método matemático, utilizando un problema auxiliar de solución conocida; y mediante la validación con datos experimentales de una cubierta vegetal monitorizada. En ambos casos se han utilizado gráficas y el cálculo del error cuadrático medio. Con el modelo construido se han llevado a cabo simulaciones, clasificándolas en dos tipos: simulaciones de cubiertas vegetales homogéneas (para analizar la influencia que los parámetros relacionados con la vegetación y con el sustrato tienen en el balance energético de la cubierta) y simulaciones de cubiertas vegetales heterogéneas (para estudiar la influencia que tiene la heterogeneidad en el balance energético de la cubierta). En las primeras simulaciones se han determinado los parámetros que tienen una mayor influencia en el balance energético y cómo es esta influencia, y se ha concluido que las variaciones de temperatura producidas por cambios en los parámetros son más notables en el periodo de verano y en la capa vegetal. En las simulaciones de cubiertas heterogéneas, se ha podido comprobar que la heterogeneidad influye en el balance energético, siendo esta influencia más relevante en la capa sustrato y en los momentos de menor temperatura del día. En esta tesis, se ha construido un nuevo modelo de balance energético de cubiertas vegetales extensivas heterogéneas; se ha incluido la descripción detallada de todo el desarrollo del modelo, para que pueda servir a futuros investigadores; y se ha incluido el código en el anexo, para que el modelo pueda ser utilizado como herramienta de simulación del balance energético de cubiertas vegetales extensivas heterogéneas.