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.

SISTEMAS EVAPORATIVOS DE REFRIGERACIÓN

La evaporación del agua refresca el aire, por lo tanto una solución factible sería utilizar sistemas de captación solar que mediante la acumulación de calor favorezcan la evaporación del agua y por lo tanto una mejora en el ambiente. De manera contradictoria estamos consiguiendo refrigerar utilizando calor, sin embargo esto es muy común en la naturaleza, la vegetación durante el día realiza el mismo proceso, capta la luz durante el proceso de fotosíntesis y expulsa vapor de agua reduciendo la temperatura ambiente.

Utilizando este simple mecanismo encontramos distintas soluciones:

  •   Patios: tradicionalmente utilizados en las zonas más áridas, suponen una ventilación natural incluso en zonas en las que no hay una gran intensidad de viento. Para que su funcionamiento sea el adecuado debe existir vegetación en su interior o agua en movimiento (por ej. una fuente). De ese modo se aprovecha la evaporación que producen las plantas y el agua para reducir la temperatura del aire aumentando la densidad del mismo y creando así en el centro de la edificación una zona de altas presiones, lo que se traduce en una succión del aire que se encuentra encima.

Evaporativos refrigeración

Hay que tener en cuenta que estas soluciones suelen ser recomendables para climas cálidos, ya que un exceso de humedad puede disminuir la sensación de confort y más durante el invierno.

  •   Torres: denominadas “torres evaporativas” o “torres de viento”, se utilizan en climas cálidos y muy secos. En las zonas desérticas la temperatura del suelo es muy alta por lo que éstas torres captan el aire más fresco que se encuentra en la zona superior y lo hacen circular a través de un hueco que discurre a los largo de toda la altura del edificio, este hueco se humedece para lograr así que se reduzca la temperatura del aire que circula por el interior. En algunas soluciones se hace pasar el aire por encima de agua, como por ejemplo por fuentes o piscinas, o incluso utilizan esteras o jarras de cerámica porosas llenas de agua.

 

Es recomendable humedecer los cerramientos pulverizando agua sobre las fachadas o la cubierta, incluso regar el terreno de alrededor de la edificación y plantar vegetación para que se reduzca la temperatura del ambiente y del edificio.

AISLAMIENTO TÉRMICO

Como hemos estudiado, en el cuerpo humano  la piel actúa a modo de barrera o capa protectora que regula la pérdida de energía. La piel se puede equiparar en términos arquitectónicos con la envolvente del edificio, sin embargo, no existe una tecnología comparable a la eficiencia de la piel humana. Existen ciertos mecanismos, que utilizados de manera conjunta podrían regular el intercambio de energía con el exterior de la edificación, el  aislamiento.

Imagen: Prueba aislamiento con lana mineral (Isover). Fuente: Experimento Solar Decathlon

El aislamiento ya sea térmico o acústico, realiza una función de filtro o barrera para evitar que traspase el calor o los ruidos. Ambos aislamientos según exige la normativa se deben contemplar conjuntamente, sin embargo, en este caso se tratará con mayor profundidad la función térmica del aislamiento. No debemos olvidar que para lograr el máximo confort se deben tener muy presentestanto los inconvenientes acústicos como los térmicos.

A continuación, se analizará la utilización del aislamiento térmico en la arquitectura bioclimática nombrando algunos de los materiales más recomendados desde el punto de vista de la sostenibilidad y respeto al medio ambiente.

En primer lugar, lo que se debe tener claro es el lugar donde vamos a colocarlo y cómo va a funcionar en el conjunto de la edificación. Ya conocemos como se transmite el calor (conducción, convección, radiación,…) y además sabemos que los materiales aislantes tienen una conductividad térmica muy baja.  Generalmente los materiales aislantes en su composición contienen algún tipo de gas, normalmente aire, esto es debido a que la propagación del calor en los gases en reposo es muy baja con lo que mejora las características aislantes que posee el material.

A la hora de colocar un material se debe prestar especial atención a los posibles puentes térmicos ya que una mala ejecución o discontinuidades en el mismo supondrían pérdidas de calor nada despreciables. En un cerramiento podemos encontrar sistemas que utilizan fluidos en movimiento, como las cámaras de aire ventiladas, en las que un mal aislamiento en el que se dejan espacios sin cubrir, provoca puentes térmicos que echan por tierra el fin último de esta solución constructiva. Si se realiza de manera correcta es una solución idónea para evitar problemas de humedades.

Uno de los principales problemas en los cerramientos es la transmisión de calor por cambio de estado que se puede producir en su interior. Cuando penetra la humedad, el agua se evapora al calentarse y se enfrían. Existen diferentes fenómenos que provocan las humedades entre los que caben destacar:

  • Punto de rocío: se deberá calcular de manera que coincida con la parte exterior del aislamiento, evitando que su evaporación enfríe el interior de la edificación.
  • Humedades ascendentes por capilaridad: este tipo de humedades provienen del subsuelo por lo que se debe utilizar una barrera continua de impermeabilizante.
  • Agua de lluvia: en lugares en las que las precipitaciones son abundantes se pueden utilizar la solución mencionada de la cámara de aire o utilizar materiales que favorezcan la evaporación como los revestimientos de mortero de cal.

También se debe tener en cuenta cuando construimos por ejemplo en zonas de montaña, el agua que discurre por las laderas, drenándola y alejándola del edificio para evitar posibles inconvenientes.

Anteriormente estudiamos el comportamiento que tiene la radiación solar, ésta no necesita un medio material para transmitirse ya que es capaz de hacerlo en el vacío, sin embargo y ahí es donde se presentan las mayores discordancias en el planteamiento constructivo de la arquitectura bioclimática, se pueden utilizar elementos con masa térmica en el exterior de los muros o por el contrario que sea el aislamiento lo que actúe como soporte material para el calor por radiación.

Básicamente lo que se cuestiona es si el aislamiento térmico debe ir colocado hacia el interior o hacia el exterior de los cerramientos. A continuación, se analizarán ambas opciones para intentar comprender mejor su funcionamiento.

En el caso de colocar el aislamiento térmico en la parte interior del muro desaprovecharíamos la masa térmica del resto de los materiales, poniéndonos en el caso de que en su parte interior hubiese una fuente de calor, el aislamiento interior evitaría que se transmita al resto de las capas del cerramiento, lo que impediría la acumulación de calor traduciéndose en un enfriamiento más rápido si se corta el flujo de calor interior. Para evitarlo, se pueden utilizar diferentes sistemas como veremos más adelante, como captadores de energía solar, cerramientos ligeros, muros trombe o depósitos acumuladores (por ej. agua) que actúen como sistemas radiantes.

En verano un edificio que tenga una masa térmica muy baja requiere un sistema de ventilación adecuado, si no existe ningún sistema de regulación y la energía captada por la radiación que atraviesa los huecos se acumula en el interior puede hacer que la temperatura interior aumente rápidamente. Además en verano se producirá el efecto contrario, al tener una inercia térmica baja, la temperatura se reducirá de manera excesiva requiriendo en ambos casos un sistema adecuado de climatización (refrigeración o calefacción).

Por lo tanto, esta solución sería recomendable para edificaciones de uso intermitente, en las que no será necesario calentar o enfriar toda la envolvente, sino que este aporte energético sea apreciable durante el corto periodo de tiempo en el que se desarrolle la actividad en el mismo, por ejemplo en los teatros.

De esto podemos deducir que la colocación del aislamiento térmico hacia el exterior es más indicada para el uso residencial o edificaciones de uso habitual. La utilización de materiales cerámicos que tengan un espesor suficiente para acumular el calor lentamente y posteriormente cederlo de la misma forma consiguiendo un acondicionamiento térmico excelente. Para lograr mantener la temperatura interior constante, disponer de una envolvente con gran masa térmica situada dentro del aislamiento sirve para conseguir almacenar la energía. De este modo, el calor se acumula durante los días más calurosos y es cedido al ambiente cuando se enfrían los cerramientos, durante las noches o incluso los días con menos radiación solar en los que la variación de temperatura es mucho menor apenas 2 °C después de varios días sin radiación solar directa. 

Es importante aislar correctamente las carpinterías ya que suponen durante el día y la principal fuente de captación solar, sin embargo por la noche se convierten en auténticos sumideros a través de los que se producen grandes pérdidas energéticas. Un doble acristalamiento o aislamientos móviles como pueden ser persianas, contraventanas, etc., evitan que las pérdidas sean tan elevadas. Si además de aplicar estas soluciones constructivas, las combinásemos con otras en las que la edificación estuviese enterrada o semienterrada conseguiríamos una amortiguación en la variación de las temperaturas. Estas soluciones son las más indicadas para mantener la temperatura constante y lograr un aislamiento excepcional, además de proteger a la vivienda de las inclemencias externas. Nunca se debe olvidar aislar convenientemente la solera de la edificación, especialmente en este tipo de edificaciones y en los lugares en los que tengamos un nivel freático alto.