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.

Los materiales en la Arquitectura Bioclimática

Antes de nada y a modo de breve comentario, recordar que la arquitectura bioclimática es una arquitectura que diseña con el fin de conseguir unas condiciones de bienestar interior, aumentando notablemente el confort y la eficiencia energética de las edificaciones. Esto se consigue aprovechando las condiciones del entorno, donde el clima, el microclima, la orientación, los vientos, la humedad, las aguas subterráneas, las corrientes telúricas, los campos electromagnéticos y por supuesto una buena elección de materiales nos dan como resultado una solución particularizada consiguiendo una casa más integrada con el entorno, más agradable, económica y sobre todo sana.

La elección de los materiales pasa por todo un análisis, teniendo en cuenta, no solo su disposición sino su comportamiento y su ciclo completo de vida. Tanto desde el punto de vista económico, como desde el ecológico, es interesante saber cómo se desarrolla la vida de un material desde su origen como se produce, como vive, como muere y como se incorporan de nuevo a la naturaleza.

Con la propia arquitectura y sin necesidad de utilizar sistemas complejos, podemos conseguir un nivel de confort que en muchos lugares sería suficiente para mantener una temperatura confortable sin tener que usar fuentes de energía convencional, o preferiblemente alternativas.

La arquitectura bioclimática, como luego veremos no es solo gestión energética, sino que es un concepto más amplio y profundo que abarca desde el uso sostenible de los materiales al tratamiento del sol y el viento, pasando también por la integración medioambiental.

Los materiales, en la mencionada anteriormente arquitectura popular, debían responder de una forma muy evidente al uso sostenible de sus recursos, pero a su vez, de modo más sutil, debían servir para la correcta gestión de la energía, su captación acumulación y aprovechamiento, y para hacer más confortables y habitables los espacios interiores.

Allí donde los recursos son mínimos la arquitectura debe buscar en la imaginación y en la intuición, más que en la naturaleza, los medios materiales para realizarse. Por ejemplo, en Islandia donde falta la madera, los muros se hacen con bloques de pasto, aprovechando su ligereza como aislante; los “inuit” realizan sus iglús con el único material del que disponen, el hielo que les rodea, y de un modo tan eficaz que se acondicionan con la poca energía que proporciona una lamparilla de aceite y el calor del propio cuerpo; en el desierto, donde las tribus nómadas fabrican los tejidos de sus “jaimas” con la lana de sus cabras. En todos estos casos el uso de los materiales ha sido el resultado de la aplicación de los recursos más inmediatos de los que disponían para construir, pero nunca ha sido el motivo exclusivo ya que los materiales siempre han estado en sintonía con la gestión de la energía necesaria para el acondicionamiento.

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En este sentido podríamos decir que los materiales responden a tres situaciones posibles: climas favorables donde las condiciones exteriores ya respetan el bienestar, climas con condiciones extremas pero donde los recursos energéticos naturales permiten el acondicionamiento pasivo y climas donde lo anterior ya no es posible.

En España, el conjunto de climas y microclimas del que disfrutamos responden a la segunda de las situaciones. En este caso, para alcanzar las condiciones de bienestar es necesario aprovechar el calor que nos proporciona la radiación solar o el aire frío nocturno. Pero surge un problema, debido a que estos fenómenos son erráticos, irregulares en el tiempo, día-noche, verano-invierno, y se ven alterados ocasionalmente, días nublados, de lluvia, particularmente calurosos o fríos. Para alcanzar el aprovechamiento máximo es necesario acumular la energía que nos llega para distribuirla durante el resto de las horas del día. Y contado con que estos fenómenos en general son breves esa acumulación se debe hacer rápidamente: por ejemplo, en invierno podemos aprovechar la radiación solar en una fachada orientada al sur durante escasamente cuatro horas, y esa energía nos debe durar las veinte restantes.

Dicho esto, los materiales que configuren el edificio bioclimático deberán tener una gran capacidad para acumular la energía, calor o frío. Los materiales que más energía acumulan son los que mayor inercia tienen, es decir, los más densos y con mayor calor específico; entre estos se encuentran los metales, las piedras, las cerámicas y las tierras. Pero quizá lo más importante es que deben acumular esa energía rápidamente. Si lo hacen lentamente, la energía que pretendemos aprovechar permanecerá en el aire y se eliminara rápidamente con la ventilación, sin embargo, si se acumula en la construcción, en sus materiales, la podremos disfrutar durante mucho más tiempo conservándola en ellos, esta propiedad térmica es de crucial importancia, es por ello por lo que en las entradas o post siguientes se ha considerado de manera prioritaria.

Es importante saber que en los materiales, la propiedad física que nos indica la rapidez con la que estos se calientan es su difusividad térmica. Los materiales con altas difusividades térmicas son materiales de calentamiento rápido, mientras que los que tienen una difusividad térmica baja se calientan más lentamente. Los materiales de calentamiento más rápido son los metales, y en segundo lugar las piedras, tierras y cerámicas. Por su parte, los que más lentamente se calientan son las maderas. Los materiales de calentamiento rápido distribuyen la energía entre toda su masa con rapidez, ofreciendo una temperatura superficial baja; son materiales fríos al tacto. Mientras que los materiales de calentamiento lento dejan que la energía se acumule solo en la superficie; son los materiales cálidos al tacto.

Esto quiere decir que cuando queremos aprovechar la radiación solar no es suficiente con colocar gran cantidad de huecos acristalados orientados adecuadamente, sino que hay que construir interiormente el espacio con materiales que se calienten rápidamente y que se acumulen grandes cantidades de energía. Descartando los metales, por tratarse de materiales poco habituales como acabados interiores, los más adecuados son las piedras, tierras y cerámicas, es decir, lo que tradicionalmente se ha utilizado en los climas españoles. Por el contrario, los que resultan completamente inadecuados son las maderas, por ser materiales de calentamiento lento y con poquísima inercia térmica.

Hay una gran diversidad de opiniones en este tema, sobre todo respecto a la madera, pero lo que sí está claro es que la madera se utiliza en aquellos climas donde no es posible el calentamiento solar, por la escasa intensidad de la radiación solar o por las pocas horas de sol, y donde lo importante es la capacidad aislante del material, aspecto en el que la madera es mucho mejor que otros materiales. Por eso, en los países nórdicos, repletos de bosque, en los que durante el invierno reina la noche perpetua, y en los que cuando luce el sol lo hace débilmente, la madera es el material por excelencia.

De esto sacamos una conclusión importante, y es que generalmente, los materiales bioclimáticos, no son los mismos aquí que en otro lugar del mundo, hay que tener en cuenta varios factores, en los que se profundizará en los próximos capítulos.

En esos climas, donde no puede haber calentamiento pasivo, lo que debe hacer la arquitectura bioclimática es gestionar eficazmente el consumo de energía convencional, y eso se consigue con acabados de madera que, al no acumular calor, conforman espacios donde cualquier pequeña cantidad de energía convencional calienta el aire; el ejemplo perfecto es la sauna finlandesa.

En los climas donde las condiciones son tan benignas que no hace falta ninguna captación, ni ningún consumo de energía convencional, los materiales tienen menor importancia, ya que la estrategia bioclimática que predomina es la ventilación.

La bioconstrucción ofrece otra visión del empleo de los materiales, ésta es una rama del bioclimatísmo que hace particular hincapié en el espacio saludable y está vinculada a la geobiología y a la selección de materiales y sistemas constructivos sanos. No se preocupa tanto de otros aspectos bioclimáticos como el aprovechamiento y captación de energía pasiva.

En este punto es donde surge la disparidad entre la arquitectura bioclimática, en el sentido más amplio, y la bioconstrucción, no tanto por cuestiones básicas, sino por cuestiones de prioridad a la hora de tomar ciertas decisiones, más especificas.

Es importante comprender estas diferencias, para entender el buen uso de la madera; si en los edificios de alta eficiencia energética lo único que preocupa es la energía, sin dar mayor trascendencia al ambiente saludable, a la bioconstrucción básicamente le ocupa el ambiente sano. Por ello es tan frecuente ver como se promueven en estos edificios, el empleo de la madera como material estructural y de recubrimiento básico, sin dar importancia al aprovechamiento de la energía natural del sol o del viento.

Por último, la edificación sostenible contempla un uso racional de suelo, de los materiales, de la energía que consume, de la gran cantidad de agua que utiliza y una reducción de los residuos que genera.

Los materiales para una arquitectura bioclimática surgen debido a que la mayor parte de los edificios están construidos con materiales que respetan muy poco o nada el medio ambiente. Materiales altamente tóxicos, en cuanto a su fabricación y combustión. Otros materiales proceden de las pinturas y barnices que son productos derivados del petróleo y en cuyo origen se incluyen elementos volátiles tóxicos como el xileno, cetonas, toluenos, etc. Son materiales que requieren un alto consumo de combustibles fósiles para su producción, que además de ser cada vez más escasos y costosos, aumentan la contaminación porque en su combustión emiten grandes volúmenes de gases nocivos contaminantes.

Pero frente a este tipo de materiales existen alternativas, que pueden parecer más caras, pero cuyo uso a largo plazo resulta más rentable porque proporcionan un importante ahorro energético, con lo que se obtiene la construcción de viviendas de mayor calidad, y una calidad respetuosa con el medio ambiente.

También se elaboran materiales ecológicos a partir de escombros y de residuos sólidos industriales, que sustituyen el consumo creciente de materias primas, escasas o ubicadas en lugares distantes, reduciendo el incremento de costos y resultando más económicos que los materiales tradicionales de construcción. Podemos citar como ejemplo sistemas de ahorro de agua y autoabastecimiento con energía solar y/o eólica.

No obstante, de poco sirve utilizar materiales ecológicos si los edificios no están bien diseñados, fallando por ejemplo la orientación lo cual supondrían un gran gasto energético para calentar el ambiente, generalmente éste se hace mediante combustibles fósiles emitiendo diariamente grandes cantidades de CO₂ a la atmosfera.

Por lo tanto, se deben tener en cuenta tanto la respuesta deseada de los materiales que son más adecuados para cada caso concreto, como la zona climática y las diferentes consideraciones a la hora de realizar una edificación, no solo en la aplicación de sus sistemas constructivos sino durante su gestación y la posterior concepción del edificio en cuestión. Consideraciones previas, sistemas constructivos y características de los materiales que analizaremos más detenidamente en próximas entradas…