¿Cuáles son las propiedades claves de los materiales?
En un artículo anterior, se trató el tema del uso de la inercia térmica para desacelerar el flujo de calor a través de una instalación de techo. En aquellos edificios donde lo que predomina son los costos del aire acondicionado y el uso de la calefacción es relativamente bajo, los ensamblajes con mayor inercia térmica potencialmente pueden mejorar la eficiencia energética. Esto ocurre particularmente en edificios tales como los de oficinas, que solo están ocupados durante el horario diurno. La inercia térmica podría demorar la transmisión de calor hacia un edificio al final del día, lo que aumenta la comodidad térmica y permite que los gerentes de las instalaciones reduzcan el enfriamento durante el día.
En el artículo anterior, se realizó una introducción a la inercia térmica y sus posibles beneficios, pero no se abordó el origen de la propiedad. Además, los términos "inercia térmica" y "masa térmica", aunque son diferentes, están relacionados y se usaron prácticamente de manera indistinta.
En este artículo se describen las propiedades de los materiales que contribuyen a la inercia térmica y se ofrece una base para la selección de materiales cuando se pretende una mayor inercia térmica.
Introducción
Un cerramiento de un edificio con una inercia térmica elevada retrasará la transmisión de calor. Este efecto se utiliza tradicionalmente en el Mediterráneo y con otros climas templados para mejorar el confort térmico durante el verano. A medida que la superficie exterior de la construcción se calentaba a primeras horas de la tarde, la inercia térmica elevada reducía la transmisión de calor al interior. Esto resultaba muy beneficioso en los tiempos previos al aire acondicionado. Hoy en día, los diseños con una inercia térmica más elevada, como se describe en la primera parte de esta serie, podrían mejorar la eficiencia energética en ciertas situaciones:
- Edificios ubicados en áreas en las que los principales costos de energía se deben al aire acondicionado.
- Edificios que solo se usan durante el día y no las 24 horas. La inercia térmica puede desplazar las cargas de calor al atardecer, lo que permite aumentar el ajuste de temperatura o bajar la velocidad de los ventiladores del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).
- Para que el efecto de la alta inercia térmica de la instalación del techo sea significativo, lo ideal sería edificios con una altura baja a moderada con mayor impacto.
Efectos de la inercia térmica
Existen dos características clave de la inercia térmica: el factor de reducción y el retraso del tiempo; ambos se pueden modelar y verificar en forma experimental. A continuación, se observa un esquema de esto.
El retraso del tiempo se calcula de la siguiente manera:
Φ = t[Text.(máx.)] - t[Tint.(máx.)]
Donde t[Text.(máx.)] y t[Tint.(máx.)] significan el momento del día en el que las temperaturas de la superficie interior y la exterior alcanzan su nivel máximo. El factor de reducción, Fr, se calcula a partir de lo siguiente:
Fr = (Tint.(máx.) - Tint.(mín.)) / (Text.(máx.) - Text.(mín.))
- Los diseñadores y operadores de edificios podrían usar el retraso del tiempo y el factor de reducción para optimizar la especificación del termostato, el uso de HVAC y los horarios de las temperaturas. Como se observó anteriormente, un gran retraso del tiempo podría reducir, a diario y de manera significativa, la demanda de refrigeración por aire acondicionado en los edificios de oficinas.
- Los mayores factores de reducción pueden mejorar el confort térmico de los ocupantes. Las oscilaciones de la temperatura se reducen y, a su vez, se reducen los ciclos de HVAC.
- Lo más importante es que una alta inercia térmica no reducirá la energía que llega al interior, solo retrasa la transmisión. Esto podría hacer que una mayor inercia térmica forme parte de una estrategia para mejorar la eficiencia energética en edificios ocupados durante el día, pero no necesariamente los que estén ocupados las 24 horas del día.
Configuraciones y propiedades térmicas del techo
Los diseñadores de edificios y los profesionales de la construcción conocen bien la propiedad de resistencia térmica, que es la manera de medir hasta qué nivel un material impide o resiste la transferencia de calor. Se expresa como valor R o valor U, que son las descripciones numéricas del límite en que un material puede resistir el flujo de calor.
No obstante, existe mucho menos conocimiento del retraso del tiempo de la transferencia de calor o el límite en el que un material reduce o retrasa la transferencia de calor. Como se verá más adelante, un material puede tener una resistencia térmica baja, pero retrasar la transferencia de calor. Este es el punto crucial de las propiedades subyacentes "difusividad térmica", "masa térmica" e "inercia térmica".
Propiedades termofísicas fundamentales
Existen tres propiedades termofísicas de los materiales que son los componentes de la difusividad térmica, la inercia térmica y la masa térmica. Son la conductividad térmica, la densidad y la capacidad de calor específica.
Conductividad térmica
Los profesionales de diseño de edificios conocen mucho acerca de la conductividad térmica, k, que se mide en vatios por metro por Kelvin (W/(m.K)). Por lo general, se usa para caracterizar los materiales individuales, por ejemplo, la espuma de poliisocianurato, y es una medida del flujo de calor a través de un material cuando se aplica un gradiente de temperatura de 1K (es decir, 1 °C).
Un término relacionado, el factor U, se utiliza para describir la conductividad térmica de un sistema. Podría ser una ventana, es decir, una combinación de vidrio, espacio de aire y marco, etc.
La conductividad térmica se mide cuando se equilibra el flujo de calor y no incluye ningún retraso.
Densidad
La densidad es una medida de la masa por volumen de unidad, ρ=m/v. Aunque esto es sencillo para muchos materiales, los productos como el poliisocianurato pueden ser más difíciles de definir. Están las placas y un gradiente de densidad pequeño dentro de la espuma. Más adelante, a medida que se mencionen los valores, las placas se ignorarán y la densidad de la espuma se considerará como un promedio.
Capacidad de calor específica
La capacidad de calor específica se define como la cantidad de calor que se requiere para elevar la temperatura de 1 kilogramo de una sustancia por 1 kelvin o Cp = J/(kg.K). Cabe destacar el diagrama simple anterior, en el que se observa la medición de la conductividad térmica. En un principio, el flujo de calor a través del material se retrasa por su capacidad de calor específica. Se requiere energía para elevar la temperatura, una acción que se necesita antes de que se pueda transmitir el calor.
Propiedades termofísicas derivadas
Como se mencionó, las propiedades fundamentales que se describieron anteriormente se miden en equilibrio y no incluyen ninguna demora ni retraso del tiempo. Por ese motivo, se deben considerar las siguientes propiedades derivadas
Difusividad térmica
La difusividad térmica es una medida del índice al que se propaga la temperatura desde un punto a otro en un material. Es el índice de transferencia de calor desde un lugar caliente a uno frío y se calcula de la siguiente manera:
En una sustancia con alta difusividad térmica, el calor se desplaza de manera rápida a través de esta, porque la sustancia conduce calor relativamente rápido a su capacidad de calor volumétrica o "masa térmica". De alguna manera, la difusividad térmica es lo que se quiere decir cuando se habla de inercia térmica en términos informales.
Inercia térmica
La inercia térmica es la lentitud con la que la temperatura de un material alcanza la de su entorno. Es el producto de la conductividad térmica, la densidad y la capacidad de calor específica. Desde el punto de vista del cerramiento de un edificio, se podría considerar el índice al que la superficie interior puede suministrar calor al interior, suponiendo que el clima sea templado.
Hay opiniones encontradas acerca de que la inercia térmica no es la mejor propiedad para usar a la hora de caracterizar un componente de un cerramiento de un edificio en términos de retraso térmico.
Masa térmica
Es común que se considere que la masa térmica es esencialmente equivalente a la masa gravimétrica. Desde lo conceptual, esto alimenta la creencia de que cuanto más maciza es una construcción, mejor es. No obstante, piensa en dos bloques, uno de acero y otro de concreto, cada uno con la misma masa gravimétrica. Los dos materiales tienen distintas capacidades específicas de calor y no son equivalentes en términos de propiedades térmicas. Además, el acero tiene una conductividad térmica significativamente superior en comparación con el concreto.
La masa térmica es una propiedad de un material que permite que se almacene el calor, y es el producto de la densidad y la capacidad específica de calor:
Es importante destacar que la masa térmica no describe por completo el retraso térmico. La masa térmica alta cambiaría el factor de reducción, lo cual disminuiría la transmisión de calor, pero solo está indirectamente relacionada con el retraso térmico.
Propiedades térmicas de los componentes de un techo
Dos tipos de plataformas base predominan en las construcciones estadounidenses de la arquitectura "tipo hipermercado": acero y concreto. A continuación, se muestran dos instalaciones de techos posibles idealizadas, de acuerdo con los dos tipos de cubiertas del techo:
- Ambos sistemas tienen la mayoría de las capas de la instalación del techo adheridas. El sistema de plataforma base de acero tiene una primera capa de tablero de yeso mecánicamente adherida que actúa como sustrato para la primera capa de poliisocianurato adherida.
- Los puentes térmicos son mínimos en el sistema de plataforma base de acero o nulos en el sistema de plataforma base de concreto (no se tiene en cuenta ninguna penetración real).
- La primera capa de tablero de yeso en el caso de la plataforma base de acero se podría usar como sustrato para una barrera de vapor.
La membrana, las capas adhesivas y la plataforma base de acero son relativamente delgadas y no tienen propiedades aislantes significativas. La siguiente tabla muestra las propiedades termofísicas fundamentales y derivadas de los otros componentes:
- Los valores térmicos específicos de poliisocianurato y poliisocianurato de alta densidad son estimados.
- Las propiedades del concreto dependen mucho del tipo de agregado y el nivel de humedad. Los datos que se observan representan los valores promedio para el concreto seco.
Como era de esperar, los datos demuestran que el concreto tiene una masa térmica e inercia significativamente superiores frente a otros materiales que se comparan en la tabla. Como se mencionó en la primera parte de la serie, es mejor colocar el aislante más cerca del exterior del edificio y los materiales térmicamente macizos más cerca del interior. En la región del sudeste se suelen usar más plataformas base de concreto que en muchas otras regiones de los EE. UU., en gran medida para mejorar la resistencia de la cubierta del techo. Esto podría también significar que, en especial para los edificios ocupados solo durante el día, como las oficinas, las escuelas y otros, tienen más oportunidad de obtener beneficios de eficiencia energética con sistemas de aislantes para techos bien diseñados.
Conclusiones
- Los datos de las propiedades térmicas se podrían usar en ejercicios de modelado para comprender mejor cómo diseñar y optimizar los edificios con eficiencia energética.
- Evidentemente, el concreto tiene una masa e inercia térmicas mucho mayores que otros materiales que se suelen usar en las instalaciones de techos.
- Los tableros de yeso y de concreto muy livianos tienen masa térmica, inercia térmica y densidad muy similares, pero tienen propiedades notablemente diferentes para la difusividad y conductividad térmicas.
Los datos de propiedad térmica son fundamentales para los materiales que se usan en instalaciones de techo de pendiente baja. No obstante, se deben convertir en valores específicos de acuerdo con el grosor y el peso de los productos para techo reales. Ese será un tema de la próxima parte de esta serie.
Fuentes consultadas
- Verbeke, S., Thermal inertia in dwellings. Quantifying the relative effects of building thermal mass on energy use and overheating risk in a temperate climate. PhD Thesis, University of Antwerp, 2017.
- Balaji, N. C., Mani, M., and Venkatarama, R. B. V., Thermal performance of building walls. 1st IBPSA Italy Conference, Building Simulation, 2013, pp. 151 – 159.