CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS DE LOS MATERIALES

Se trata de definir las características térmicas de los distintos materiales, difusividad y efusividad térmica como clave para la elección de un determinado material en detrimento de otro o viceversa.

Las principales características a tener en cuenta son las siguientes:

  • Conductividad térmica (λ)
  • Densidad (ρ)
  • Calor específico (Cp)
  • Calor específico volumétrico (ρCp)
  • Difusividad térmica (a)
  • Efusividad térmica (b)

 

El proceso de conducción de calor se produce de una manera espontánea entre los cuerpos más calientes y los más fríos, cuando entran en contacto, o dentro de un mismo volumen de la parte más caliente a la más fría.

La relación fundamental que describe el fenómeno de la conducción fue propuesta por Joseph Fourier y se conoce como ley de Fourier: “En cualquier lugar de un medio isótropo, la densidad del flujo térmico instantáneo es proporcional a la conductividad térmica del material y su gradiente de temperatura” (Sacadura, 1982):

φ = –λ grad T

La conductividad térmica (λ) expresa la capacidad de conducción de calor que tiene el material, es por tanto el cociente de la densidad del flujo térmico y el gradiente de temperatura (W/mK). El rango de valores de conductividad en los materiales es muy amplio. Entre los que menos conductividad tienen o aislantes, como es el caso de la espuma de poliuretano (0,026 W/mK), y los más conductores, como el cobre (389 W/mK), existe una relación de 1 a 15.000. Sin embargo, para los denominados como materiales de construcción, incluidos los aislantes, esta relación es sólo del 1 a 135.

 

La densidad (ρ) o masa volumétrica de un material, define el coeficiente entre la cantidad de masa (Kg) que caracteriza el material y el volumen unitario (m³). Su valor se mide en Kg/m³. En este caso el rango de calores, si se incluyen los metales guarda una relación de 1 a 600, bastante menos que en la conductividad. Estos varían desde 5 a 30 Kg/m³ en los aislantes hasta 8900 Kg/m³ en el cobre. En cambio, la relación es de 1 a 170 si se consideran únicamente los materiales de construcción, relación muy cercana a la que se da en la conductividad.

 

El calor específico (Cp) es la característica del material que expresa la cantidad de calor necesario (J) para aumentar un grado (1K) la temperatura de una unidad de masa (Kg); se mide en J/KgK. El calor específico determina la capacidad de un material para acumular calor. Su valor, que depende del material, tiene un rango de variación bastante menor para la mayoría de materiales de construcción de 1 a 4; el rango está comprendido entre 500 y 200J/KgK y pocos materiales salen de este rango. Un caso especial es el del agua, cuyo calor específico es particularmente elevado (4187 J/KgK). Por ello, el agua es utilizada como medio de almacenamiento térmico en una gran variedad de aplicaciones.

 

Las propiedades enunciadas anteriormente son las características elementales de cualquier material desde el punto de vista térmico. El estudio del comportamiento de los materiales cuando están sometidos a cambios cíclicos del clima del lugar obliga a introducir otras características más complejas en combinación con las anteriores características elementales.

  tabla

Imagen: Lista de materiales y sus propiedades térmicas a temperatura ambiente.

Fuente: Arquitecto E. M. González

 

En primer lugar analizaremos el producto del calor específico por la densidad, conocido como el calor específico volumétrico (pCp). Éste determina la capacidad de almacenamiento de calor de un determinado material o su capacidad volumétrica. El calor específico de los materiales no sufre grandes variaciones entre los diferentes materiales, por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de calor está íntimamente ligada a su densidad. Es por esta misma razón por la que cuando hacemos referencia a elementos de alta capacidad de almacenamiento de calor siempre pensamos en grandes muros de piedra, hormigón o ladrillo.

Otras características que cabe remarcar y analizar para comprender el comportamiento de los materiales ante los cambios que se producen en su entorno inmediato son la difusividad térmica y la efusividad térmica.

 

La difusividad y la efusividad térmica son parámetros complejos que se obtienen a partir de los anteriores parámetros simples (λ, pCp) y dependen de su combinación correctamente definida y expresando cada uno una propiedad física característica:

 

  • Difusividad térmica (a): Expresa la capacidad de un material para transmitir una variación de temperatura.

a = λ/ρCp

  • Efusividad térmica (b): Expresa la capacidad de un material para absorber o restituir un flujo de calor o potencia térmica (Lavigne, 1994).

b = (λρCp)½

A diferencia de la densidad (ρ) y el calor específico volumétrico (ρCp), que expresan la capacidad de almacenamiento de un material, la difusividad térmica expresa lo que se denomina como velocidad de difusión de la temperatura de determinado material. Si se somete a un cambio de temperatura a dicho material su temperatura variara en mayor o menor medida, cuanto mayor sea la variación mayor será su difusividad térmica. Considerando un intervalo de temperatura reducido, es decir, una conductividad térmica (λ) constante la ecuación de conservación de energía en conducción pura será:

ρCp(dT/dt) = λΔT

dT/dt = aΔT, donde el coeficiente: a = λ/ρCp es el denominado como difusividad térmica, medida en m²/s.

 

Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la difusividad térmica será mayor con el aumento de la conductividad y con una disminución del calor especifico volumétrico. El rango de variación de la difusividad térmica será aproximadamente de 1 a 12 para los materiales de construcción, incluyendo los aislantes, salvo en algunos casos especiales.

En la tabla que se adjunta anteriormente podemos comprobar las semejanzas de materiales que son completamente distintos en su composición pero que tienen una gran semejanza en cuanto al comportamiento en relación con la variación de la temperatura interna de los materiales cuando los sometemos a un cambio semejante de temperatura.

 

La efusividad térmica determina el flujo de calor que el material absorbe de acuerdo a su estado térmico, es decir, la efusión de una potencia térmica dentro de un material.

 

Consideremos un material de dimensión semi-infinita a una temperatura uniforme T0. La superficie del material es llevada bruscamente a una temperatura T1. El cálculo de la densidad de flujo que pasa a través de la superficie puede hacerse a partir de la Ley de Fourier (Sacadura 1982):

 

φ0 = −λ(dT/dt)x=0 = (T1-T0)(λρCp/πt)½= b (T1-T0/(πt)1/2), donde b = (λρCp)½ es la efusividad térmica del material en (J/m²Ks½).

 

La densidad de flujo (flujo térmico por unidad de área, W/m²) que penetra en el material es proporcional a su efusividad.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES

Para plantear correctamente el diseño de los componentes constructivos de una edificación se requiere, no solo de consideraciones estéticas, acústicas, estructurales o económicas, entre otras, sino también de consideraciones térmicas. Las características termo-físicas de los materiales a utilizar para disminuir la carga térmica en los climas cálidos y lograr condiciones de confort, así como el régimen de ventilación de una casa, deben ser decididas siempre en relación al contexto micro-climático y en función del uso que se le va a dar a la edificación.

En una edificación concretamente en un local, en general la temperatura interior es la resultante del equilibrio entre los aportes y las pérdidas de calor del mismo. En ausencia de un sistema de climatización, la evolución de la temperatura interna depende, en buena medida, de los flujos de calor que por conducción son transferidos a través de los paramentos (techos, paredes y suelo). La conductividad térmica y el calor específico volumétrico de los materiales, además de las características superficiales de los cerramientos, determinan la ganancia de calor en el interior del recinto a través de ellos. La edificación está sometida al efecto periódico de la radiación solar incidente y de la temperatura exterior. Bajo estas condiciones exteriores variables, los materiales utilizados regulan la entrada y la salida de calor de acuerdo con dos parámetros de cierta complejidad que determinan las características de todo material: la difusividad y efusividad térmica.

Su comprensión resulta de gran importancia para conocer el comportamiento térmico de cada material, especialmente, bajo un enfoque bioclimático, cuando se busca obtener el máximo rendimiento de la envolvente del edificio.

 

Actualmente entre las recomendaciones relativas a los distintos tipos de materiales a utilizar en la edificación, dependiendo siempre del tipo de clima, únicamente se hace referencia a una de sus características térmicas. Se recomienda la utilización de materiales aislantes, livianos o pesados, de alta o baja capacidad térmica, son algunas de las características más utilizadas. Estas referencias no deben ser únicamente respecto a una de sus propiedades térmicas, de forma independiente, ya que todo material posee esas propiedades y éstas están interrelacionadas. Un material aislante que tiene baja conductividad térmica, tiene también determinados valores de densidad y de calor específico, que lo pueden diferenciar de otro material con las mismas características aislantes o similares respecto a su conductividad térmica; basta que la densidad de ambos materiales sea distinta para que el comportamiento de ambos materiales con semejante conductividad sea diferente. Por esta razón, es necesario ser más preciso cuando se recomienda el uso de un determinado material, teniendo en cuenta el global de sus características técnicas. La correlación entre difusividad y efusividad térmica de los distintos materiales puede ser una herramienta de ayuda para la selección de los materiales durante la fase de proyecto.

COGENERACIÓN

La cogeneración es un sistema de producción de energía basado en el aprovechamiento del calor generado durante un proceso, el principio de su funcionamiento es básico; La generación de energía convencional tiene una eficiencia del 35% mientras que se pierde el 65% de la energía en forma de calor residual. Actualmente mediante la generación de ciclo combinado se puede lograr un 55% de eficiencia teniendo en cuenta las pérdidas por transmisión y distribución de la electricidad. La cogeneración reduce estas pérdidas utilizando el calor residual generado por edificaciones industriales, comerciales y los sistemas de calefacción y refrigeración de los edificios de uso residencial. Por lo tanto, la cogeneración consiste en la generación simultánea de calor y energía térmica (vapor, agua caliente, agua fría para refrigeración, etc.), en los que ambos son aprovechados. Abarca un amplio abanico de sistemas, siempre incluyendo la electricidad como generadora de energía y un sistema de recuperación de calor.

De modo que un sistema de cogeneración va ligado a un centro consumidor de la energía térmica que se produce. Gracias a la reducción de las pérdidas, la cogeneración consigue mejorar la eficiencia energética de los sistemas, así como reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Al producir energía junto al punto en el que será consumida supone una reducción de la perdida energética que pueda suponer el transporte (“Efecto Joule”, aprox. 25 y 30%).

Estos sistemas generalmente son utilizados a gran escala en forma de plantas de cogeneración pero tienen otro tipo de aplicaciones principalmente industriales y en edificaciones de grandes dimensiones en los que se emplean aprovechando el calor para el calentamiento de agua sanitaria, calefacción o refrigeración (sistemas de absorción).

Se aprovecha mucho más la energía en grandes volúmenes que en su aplicación en viviendas residenciales de menor tamaño. Sin embargo, en algunos países del norte de Europa su uso es más generalizado mediante sistemas de micro-cogeneración.

Estos sistemas se pueden aplicar en:

  •        Dimensionamiento ACS
  •        Dimensionamiento ACS + Calefacción
  •        Enfriadora absorción (Frío solar)

 

Por lo tanto, este sistema es capaz de desempeñar simultáneamente funciones de generación de energía eléctrica y energía térmica en forma de vapor o para calentar agua, si además se utiliza para la producción de frio se denomina trigeneración.

No debemos olvidar que este tipo de sistemas a diferencia de los anteriores, durante su uso general aplicado a sistemas de energía convencionales, siguen produciendo emisiones de CO₂, aunque se reduzcan. Debido a que no se trata de un sistema independiente en sí, esto quiere decir que requiere de otro sistema que lo alimente, éstas emisiones pueden ser eliminadas si se combina con otras instalaciones basadas en fuentes de energía renovables, como es el caso de motores de biomasa o biogás.

Cogeneración

Imagen: Planta de cogeneración con biomasa en Vizacaya. Fuente: energías-renovables.com

Dicho esto, la cogeneración es compatible con:

  •        Fotovoltaica
  •        Eólica
  •        Geotermia
  •        Biomasa
  •        Enfriadora por absorción – trigeneración

Es incompatible con:

  •        Solar térmica

Dimensionar la cogeneración para cubrir ACS maximizando el número de horas de funcionamiento, cargas bajas y acumulación energética. Si se quiere incrementar su uso, calefacción + trigeneración.

GEOTERMIA

La energía geotérmica es aquella producida a partir del calor del interior de la Tierra. Consiste en perforar y posteriormente canalizar el agua y el vapor, que se encuentran a elevada temperatura a presión, para ello se utiliza una turbina conectada a un generador, con el que se produce finalmente la energía. Existen diversos tipos de energía geotérmica, según su mayor o menor temperatura, que van desde las de alta temperatura (150 y 400°C), pasando por las de media y baja temperatura (70 a 150°C y de 50 a 70°C respectivamente), son las utilizadas en las centrales eléctricas y se suelen ubicar en zonas activas de la corteza terrestre y cuencas sedimentarias aprovechando así el gradiente geotérmico.

Por último se encuentran las de muy baja temperatura, utilizadas para cubrir las necesidades de las edificaciones, ya sea en uso residencial, agrícola o urbano. Centrándonos en éstas últimas, las temperaturas que los fluidos pueden alcanzar rondan entre los 20 y 50°C y su uso más extendido es el de generación de electricidad o aprovechamiento del calor, como refrigeración por absorción y como calefacción o aire acondicionado.

Los sistemas de geotermia destinados a la edificación, en los que se aprovecha el calor del subsuelo que se mantiene homogéneo durante todo el año, con independencia de las condiciones meteorológicas externas, consisten en la perforación o excavación de la Tierra hasta una profundidad en la que su temperatura sea constante. En el caso del invierno, y debido a que la temperatura media del subsuelo es aproximadamente de unos 17°C, resulta más sencillo conseguir un confort térmico adecuado en nuestra edificación, mucho más asequible energéticamente hablando que si tuviéramos que lidiar con temperaturas muchos más bajas y también de manera inversa, si en el exterior la temperatura es de 30 a 40°C supondría un menor esfuerzo para la instalación reducir esa temperatura hasta una temperatura adecuada.

Este aprovechamiento energético se realiza mediante una bomba de calor geotérmica que se encuentra conectada a un circuito de intercambio de calor con el terreno y otro con la edificación, según de donde proceda se pueden distinguir dos tipos principales, las que aprovechan la energía del suelo o de lazo cerrado y las que utilizan las aguas freáticas conocidas como de lazo abierto.  La principal diferencia radica en que estas últimas no utilizan el mismo fluido y requieren de un pozo, que tenga el mismo sentido que el del flujo de la capa freática, de manera que se pueda devolver el agua después de su utilización.

Instalación geotérmica

Imagen: Instalación geotérmica uso de suelo, horizontal, vertical y suelo radiante. Fuente: soliclima.com

En la imagen superior pueden apreciarse las distintas soluciones que se pueden realizar con estos sistemas. Podemos encontrar instalaciones de lazo cerrado, en las que las sondas por donde circula el fluido transportador, por ejemplo agua y anticongelante, se entierran en contacto con la tierra. En el caso de los sistemas verticales se debe alcanzar una profundidad mayor (cimientos geotérmicos), sin embargo en el caso de los sistemas horizontales se requiere una superficie mayor pero no requieren de una gran profundidad de excavación. Su disfrute final puede aplicarse a los sistemas convencionales de calefacción o ACS, así como a los sistemas de suelos radiantes.

 

La Geotermia es compatible con:

  •        Dimensionamiento para cargas base de calefacción y refrigeración.
  •        Puede convivir con todas las tecnologías asegurándose un balance neutro energético en el terreno.
  •        Se adapta muy bien a sistemas radiantes (techos fríos, suelos refrescantes y radiantes) o radiadores de baja temperatura.