Mathematical model for the heat balance of a green roof in humid tropic conditions

Modelo matemático para el balance de calor de un techo verde en condiciones de trópico húmedo

Los techos verdes representan una estrategia pasiva eficaz para reducir la transferencia de calor hacia el interior de los edificios, especialmente en climas cálidos y húmedos. En este trabajo se presenta un modelo dinámico unidimensional de balance de calor y masa para evaluar el comportamiento térmico de un techo verde extensivo en condiciones de trópico húmedo. El modelo considera procesos de conducción, convección, radiación y transferencia de humedad, incorporando la evapotranspiración y parámetros de la vegetación dependientes de la especie. La calibración y simulación se realizaron usando datos experimentales obtenidos de una base experimental de techos verde ubicada en Tabasco, México, con las especies Tradescantia spathacea y Tradescantia pallida. El desempeño del sistema se evaluó bajo tres escenarios climáticos representativos: temporada de estiaje, temporada de lluvia y de frente frío. Los resultados muestran que la capa vegetal reduce la transferencia de calor hacia el interior del edificio, además de contribuir a la estabilización térmica del microclima del techo. El análisis de sensibilidad indica que parámetros asociados a la vegetación, en particular el índice de área foliar y la resistencia interna de las hojas, ejercen una influencia dominante en la respuesta del sistema. Aunque el modelo se limita al caso unidimensional y a especies específicas, constituye una herramienta útil para la evaluación del desempeño térmico de techos verdes en climas tropicales húmedos.

Green roofs represent an effective passive strategy to reduce heat transfer through building envelopes, particularly in warm and humid climates. This study presents a one-dimensional dynamic heat and mass balance model to evaluate the thermal behavior of an extensive green roof under humid tropical conditions. The model accounts for conductive, convective, radiative, and moisture-related processes, explicitly incorporating evapotranspiration and vegetation dependent parameters. Model calibration and simulations were performed using experimental data obtained from a green roof experimental platform located in Tabasco, Mexico, planted with Tradescantia spathacea and Tradescantia pallida. System performance was evaluated under three representative climatic scenarios: dry, rainy, and cold-front conditions. Results show that the vegetation layer reduces heat transfer into the building while contributing to thermal stabilization of the microclimate. Sensitivity analysis indicates that vegetation-related parameters, particularly leaf area index and internal leaf resistance, exert a dominant influence on system response. Although limited to a one-dimensional representation and specific species, the model provides a useful framework for assessing green roof performance in humid tropical climates.