La excesiva dependencia de los combustibles fósiles como energéticos es actualmente, desde el punto de vista de protección ambiental, uno de los aspectos más importantes por resolver. El consumo energético dedicado a controlar el confort ambiental en espacios cerrados a través de sistemas de aire acondicionado constituye una fuerte preocupación ambiental, debido principalmente a los efectos dañinos que ocasionan los gases de efecto invernadero generados, como consecuencia del consumo eléctrico de su operación.

Siendo un país con una variedad climática muy contrastante, con ecosistemas que abarcan desde el bosque y selva tropical hasta el desierto, México enfrenta retos importantes en materia de racionalización del consumo energético destinado a la climatización artificial. Durante primavera y verano, en el noreste, noroeste, sur y sureste de México son frecuentes los días con temperaturas máximas iguales o superiores a 40° C (Figura 1) (1).

La cantidad de energía utilizada en sistemas de climatización en un hogar ubicado en una región con clima extremoso es prácticamente el doble de la consumida en clima templado o cálido (Figura 2). Este gasto representa no sólo una importante erogación para las familias, sino un fuerte impacto ambiental.

Con la finalidad de contrarrestar estos impactos negativos en los últimos años se han desarrollado diversas «estrategias arquitectónicas bioclimáticas», cuyo objetivo básico es generar ambientes con temperaturas que resulten más agradables, empleando elementos que generen, acumulen y transmitan calor (2).

Dentro de estas estrategias el uso de infraestructura verde es cada vez más común, y aunque no existe consenso sobre una clasificación general para ésta, se pueden distinguir cuatro categorías principales: a) la copa de los árboles; b) los espacios abiertos verdes; c) los techos verdes, y d) los sistemas verticales de vegetación (4). A su vez, los sistemas verticales de vegetación pueden agruparse en fachadas verdes con plantas trepadoras o muros verdes con plantas cultivadas sobre estructuras de soporte integradas a las paredes externas del edificio (5). La aplicación de fachadas verdes es una característica establecida del diseño urbano contemporáneo, y puede ofrecer múltiples beneficios ambientales tanto en edificios nuevos como en edificios existentes, además puede ser un enfoque sostenible en términos de ahorro de energía considerando materiales utilizados, nutrientes, agua necesaria y preservación eficiente de edificios (6).

Las barreras verdes son otro tipo de sistemas de vegetación que pueden ser empleados en bioclimatización. Estos sistemas, también llamados barreras vivas, son arreglos lineales para el establecimiento de especies vegetales destinadas a minimizar la velocidad del viento, conservar la humedad, delimitar terrenos, proporcionar sombra y mejorar el paisaje (7). En un principio su función primordial era la protección contra el viento, actualmente también se usan como amortiguadores acústicos. En este trabajo se plantea la posibilidad de aprovechar su capacidad de proporcionar sombra para usarlo como sistemas de amortiguamiento térmico para edificaciones.

Las barreras verdes presentan las desventajas de que, al usar especies vegetales arbóreas y arbustivas, requieren suficiente espacio para su instalación y tardan periodos relativamente largos de tiempo para crecer y proporcionar la protección requerida. Sin embargo, si se eligen especies de pastos de rápido crecimiento, como el bambú o el carrizo, es posible reducir el tiempo de cobertura. Además, en tal caso su geometría más o menos regular contribuye a la reducción del espacio requerido para su instalación.

El presente trabajo propone utilizar, como barrera verde, una especie vegetal conocida como carrizo, caña gigante o falso bambú, cuyo nombre científico es Arundo donax, debido a las ventajas que ofrece en cuanto a tiempo de crecimiento y necesidades de agua y nutrientes para su mantenimiento. Esta especie tiene la capacidad de adaptarse a suelos de baja calidad, tiene tolerancia a suelos ácidos y alcalinos (5 ≤ pH ≤ 8,7), tiene una flexibilidad fisiológica que le permite desarrollarse en áreas con precipitaciones pluviales que van desde los 300 mm hasta los 4.000 mm anuales, y tiene además capacidad para sobrevivir en áreas de alta salinidad (8).

El Arundo donax tiene gran potencial de crecimiento y alta productividad de biomasa, lo que lo posicionan como una de las especies con mayor rango de desarrollo y producción primaria en todo el planeta. Se ha registrado que, en condiciones óptimas, el Arundo donax crece hasta 5 cm por día (8). Además, su gran cantidad de biomasa aérea proporciona aislamiento térmico en invierno (9).

El uso de Arundo donax en construcción se ha limitado a emplear sus tallos en sustitución de madera y, debido a su baja conductividad térmica, actúa como aislante térmico en construcciones rurales tradicionales (10).

El modelo de barrera verde de Arundo donax puede aportar mayores beneficios que las fachadas verdes y los muros vivos. Las fachadas verdes, en su mayoría, requieren de varios años para cubrir completamente la superficie de las paredes, y algunas especies pueden dañar los muros con la intrusión de sus raíces; otras especies requieren estructura de sostén. Los muros vivos requieren la instalación de materiales de sustrato, estructura de sostén e instalaciones para riego que incrementan los costos de instalación y mantenimiento, así como el impacto ambiental derivado del uso de recursos materiales, energéticos y agua. En ambos casos el espesor de la vegetación está limitado por el crecimiento propio de las especies utilizadas y por el peso que puede soportar el edificio o la estructura donde se instale.

Adicionalmente, el Arundo donax es una especie ampliamente utilizada en humedales artificiales (11) (12) (13) (14). Es tolerante a cargas orgánicas y nutrientes elevados, posee raíces y rizomas bien desarrollados, que ofrecen sustrato a las bacterias adheridas y oxigenación a las zonas adyacentes (9). Estudios previos demuestran que la tasa de producción de biomasa del Arundo donax se incrementa al regarse con agua residual (15) (16).

En este trabajo se plantea la posibilidad de, aprovechando las características antes descritas, usar la barrera verde de Arundo donax para amortiguamiento térmico en edificios, como estrategia alternativa que permita disminuir el consumo energético asociado a la necesidad de climatización de los edificios, al mismo tiempo que contribuye a la fijación de carbono en la biomasa y aprovechamiento del agua residual para su crecimiento.

Lo anterior derivado de que el uso de sistemas de vegetación vertical, como elementos de bioclimatización, es cada vez más común en la arquitectura moderna (5). Como parte de estos sistemas las fachadas verdes influyen positivamente en la sostenibilidad de los edificios y en el ahorro energético, pues disminuyen el efecto de calentamiento y mitigan la radiación solar (17). Sin embargo, existe una escasez de información sobre su contribución en entornos de edificios y el rendimiento energético en climas secos (18).

Hasta ahora el conocimiento sobre el efecto de sistemas de vegetación vertical sobre el comportamiento térmico de las fachadas aisladas es limitado (19). No se encontró reportada alguna metodología específica para determinar el amortiguamiento térmico por barreras verdes, ya que las identificadas se enfocan en muros vivos, fachadas verdes (17) y techos verdes (20). Un enfoque metodológico encontrado en los estudios de fachadas y muros verdes es la determinación de las temperaturas superficiales de los muros con y sin vegetación (5) (21) (22) y realizar una comparación entre ambos (23). Otros incluyen adicional a las mediciones de temperaturas la determinación de la transpiración, tal es el caso de un estudio realizado en tres fachadas de edificios en Berlín, Alemania, en el cual se determinaron las tasas de transpiración y las temperaturas superficiales de las paredes verdes y desnudas en periodos calurosos de verano (24).

En cuanto a las especies estudiadas destacan las plantas trepadoras Fuchsia, Jasminum y Lonicera (25), Parthenocissus tricuspidata, Hedera helix y Fallopia baldschuanica (24), Pueraria lobata (26), usadas tradicionalmente en fachadas verdes. No se encontraron datos acerca de Arundo donax o especies semejantes.

Respecto a las características del sitio donde se han realizado los estudios, se identificaron dos tendencias, la primera se refiere a edificios reales con fachadas verdes (22) (27) (28), y la segunda es mediante la implementación de cubículos o edificios prototipos en los que se instala el sistema de vegetación vertical específicamente para el estudio (5) (19) (29) (30) (31).

Derivado de lo anterior, en la presente investigación se realizó la medición de temperatura interior (ti), temperatura exterior (Te), masa aérea húmeda de la barrera verde, volumen aéreo de la barrera verde y superficie foliar de la barrera verde, para determinar el amortiguamiento térmico (Te – ti), y transpiración de una barrera verde de Arundo donax tipo. Para lo cual se utilizaron calorímetros prototipo construidos dentro de un invernadero ubicado en México en el Ejido de San José el Vidrio, Municipio de Nicolás Romero, Estado de México, coordenadas 19º 38’ 58.93” N, 99º 20’ 45.73” W y 2.517 metros sobre el nivel del mar, y la cámara de condiciones controladas del laboratorio de termofluidos de la Universidad Autónoma Metropolitana, campus Atzcapotzalco.

La temperatura promedio en el dispositivo con barrera verde (21,2º C) se encuentra dentro del intervalo considerado de confort, 20-24º C de acuerdo con la localización geográfica y el clima de la zona (33), no así el dispositivo sin barrera verde y el exterior, ambos con valores por encima del confort (Tabla 1a). En el dispositivo con barrera verde la variación de temperatura (Tmax – Tmin) es menor que en el dispositivo sin barrera verde y en el exterior. En promedio, el amortiguamiento térmico en el dispositivo con barrera verde es mayor que en el dispositivo sin barrera verde. La diferencia mayor en el horario de las 13:30 horas demuestra la capacidad de la barrera verde de modificar el nivel de amortiguamiento de acuerdo con la situación ambiental en la que se encuentre.

En la comparación con los resultados de otros estudios (ver Tabla 2) se observa que con la barrera verde de Arundo donax se obtuvieron valores de disminución de temperatura ligeramente superiores a los encontrados con las especies Hedera (7,0º C) y Prunus laurocerasus, la cual, también proporcionó un enfriamiento significativo de la pared en ambientes controlados (6,3° C) (25). Es importante resaltar esta última, ya que, al tratarse de una especie arbustiva, este sistema de vegetación vertical es el que más se asemeja con el sistema de barrera verde empleado en el presente estudio.

En cuanto a los mecanismos para proporcionar el enfriamiento de las paredes éstos varían entre las diferentes especies (25). Dentro de los más importantes se puede distinguir la refrigeración por sombreamiento y la refrigeración por transpiración. Esta última depende de factores ambientales como humedad de la planta, temperatura ambiente, humedad del ambiente, velocidad del viento y radiación (34). También intervienen factores inherentes a la planta tales como la fisiología, el área foliar y la morfología foliar, los cuales deben ser considerados al seleccionar especies para maximizar el enfriamiento en aplicaciones de muros verdes (25). La superficie foliar está directamente ligada al suministro de agua, es decir, cuando existen restricciones de riego el mecanismo de la planta es evitar la transpiración deshaciéndose de las hojas (ver Tabla 3). Garantizar el abasto de agua dará como consecuencia una mayor cantidad de hojas, que en condiciones de temperaturas elevadas y valores de humedad relativa bajos promoverán la transpiración.

En el caso del Arundo donax al ser la transpiración determinada en condiciones ambientales extremas se observó un gran potencial para emplear esta especie en sitios con clima cálido seco, donde las necesidades de riego dificultarían el uso de otras especies. La ventaja de esta especie radica en la posibilidad de ser regada con agua residual gris proveniente de descargas domésticas.

En cuanto al efecto de refrigeración por sombreamiento, éste puede ser aprovechado para diversos tipos de clima mediante la combinación de las variables: orientación del edificio, altura del edificio, ubicación de la barrera verde y altura de la misma. En la Figura 8 se muestra una configuración que puede ser utilizada en un clima cálido seco, en el cual los beneficios del sistema consisten en máximo de horas de sombra en la mañana y en la tarde, y pocas horas de sol al medio día sólo en el techo.

El sistema de barrera verde de Arundo donax posee características térmicas susceptibles de ser aprovechadas para contribuir a la eficiencia energética de los edificios tales como la estrategia pasiva de refrigeración por sombreamiento, además de la estrategia dinámica de refrigeración por transpiración, propia de los organismos vegetales.

La barrera verde puede tener una utilidad importante en diversas regiones de México, con climas extremosos, especialmente en el norte del país donde los climas son secos. La baja humedad en el ambiente propicia la transpiración de las plantas y con esto la refrigeración por transpiración. Debido a que la barrera verde emplea agua residual para su mantenimiento, aporta una ventaja adicional al no consumir agua potable y evitar la contaminación derivada de la descarga del agua residual sin tratamiento. Asimismo conlleva el ahorro de energía por concepto de climatización y se captura carbono en la biomasa de la barrera verde. Por otra parte, una limitación que presenta este sistema es la altura del edificio que puede proteger, ya que el Arundo donax, en condiciones climáticas favorables, puede alcanzar 9-10 m de altura, sin embargo, se le encuentra mayormente con altura de 5-6 m. Además se debe tener en cuenta la necesidad de poda regular debido a su alta productividad de biomasa.

Por todo ello, además de ser un elemento bioclimático, la barrera verde de Arundo donax puede representar una alternativa integral para disminuir el impacto ambiental derivado de la operación de edificios residenciales por la generación de agua residual gris y la emisión de gases de efecto invernadero.

Dada la importancia de la transpiración en el comportamiento térmico de la barrera verde se identificó la necesidad de realizar investigaciones posteriores enfocadas a establecer la contribución individual de cada mecanismo de refrigeración (sombreamiento y transpiración). Lo anterior permitirá determinar con mayor precisión las regiones y los periodos estacionales donde la implementación de este modelo de barrera verde puede ser de mayor utilidad.