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EFECTOS TÉRMICOS DE LOS MATERIALES

Tras analizar anteriormente las principales características de los materiales desde un aspecto más técnico, se trata partiendo del conocimiento de esa base científica de definir los requerimientos que deberán satisfacer en concreto los materiales opacos, para poder equilibrar a través de la humedad y su distribución, la influencia térmica externa de las distintas regiones y exposiciones. Estas características pueden determinarse investigando los procesos y propiedades que permiten el control de la superficie, analizando brevemente los problemas relacionados con la humedad o el deterioro y examinando en detalle los factores de transmisión de calor y acumulación.

 

La opacidad de los materiales y el equilibrio de la temperatura interior se puede comprobar mediante la manera en que el calor penetra a través de la fachada, puede compararse con la forma en que un material poroso absorbe la humedad; las sucesivas capas de la fachada se van “saturando” de calor hasta que finalmente, el efecto de esta radiación es perceptible en la superficie interior de la fachada. Las cargas de temperatura diaria, cuyas fluctuaciones son más o menos sinusoidales, se retardan y experimentan distorsiones en su amplitud para filtrarse a través de los elementos de la fachada. Estas dos funciones, propias del material, pueden ser utilizadas de forma muy favorable para conseguir el equilibrio de las condiciones existentes en el interior de una edificación. Es importante saber que todos los impactos caloríficos externos deberían traspasar la fachada del edificio antes de afectar a las condiciones de temperatura del interior.

 

Un claro ejemplo es la sensación térmica que se tiene dentro de un edificio construido en piedra, como puede ser una iglesia, en un día caluroso en su interior la temperatura es más baja y la sensación de frescor es obvia. Este tipo de construcciones utilizan un material con una gran masa para su envolvente, ésta absorbe durante la noche el fresco y posteriormente durante el día lo emite obteniendo una temperatura próxima a la media estacional. Comparando este sistema con las envolventes de las construcciones actuales, extremadamente ligeras y delgadas, en las que la temperatura emerge de una forma más evidente, se podría afirmar que bajo ciertas condiciones, este tipo de edificación tan liviana no es la más apropiada, ya que se encuentra a merced de las inclemencias externas. Sin embargo la finalidad de este tipo de sistemas constructivos es el aprovechamiento máximo de la superficie útil, por lo que una combinación de materiales con gran masa y una menor dimensión podría ser una solución optima para una mejora de la eficiencia térmica de las edificaciones actuales.

 

La penetración del calor a través de la superficie surge a causa de las fuerzas térmicas que actúan en el exterior de la edificación, que son una combinación de los fenómenos de convección y radiación, explicados anteriormente. La radiación solar está compuesta por la propia radiación incidente y el intercambio de calor con la temperatura del aire del entorno, de modo que el impacto calorífico por convección irá en función del intercambio con la temperatura del aire circundante, pudiendo acelerarse a través del movimiento del aire.

 

La potencia calorífica predominará bajo condiciones de calor y asoleo; mientras que durante las noches de los periodos fríos o en superficies que se encuentren rodeadas por objetos a baja temperatura el intercambio de calor trabajara negativamente produciéndose una perdida calorífica de la superficie expuesta.

 

Otro factor importante es el control de la entrada de calor. Podemos afirmar que la primera capa de control de calor se encuentra en la superficie. Los movimientos del aire alrededor de la superficie del material en cuestión reducirán el efecto de la radiación en el exterior y serán especialmente beneficiosos en condiciones de calor extremo. La temperatura superficial de un material expuesto al asoleo directo será mayor que la del aire que lo rodea. El efecto de intercambio puede incrementarse distribuyendo la radiación sobre una mayor superficie, es decir, introduciendo superficies curvas, corrugadas o desiguales (alternando capas retranqueadas de ladrillos), que incrementaran simultáneamente el índice de transferencia por convección.

 

En condiciones calurosas las características selectivas de absorción y emisión constituyen otra defensa eficaz contra los impactos de la radiación, y adquieren una especial importancia. Aquellos materiales que reflejan más la radiación que absorben, y que repelen rápidamente la cantidad absorbida en forma de radiación térmica, producirán temperaturas más bajas dentro de la edificación.

 

En una edificación, cuando la energía solar incide ya ha sido “filtrada” por la atmosfera y llega a través de diferentes canales. La radiación solar está constituida por la radiación visible (con una longitud de onda de 0,3 a 0,7 micras) y por los rayos infrarrojos (1,7 a 2,5 micras). Esta energía se concentra cerca de la parte visible del espectro, por lo tanto el criterio de reflexión se encuentra en relación a los colores. Es por ello que los materiales blancos son capaces de reflejar más del 90% de la radiación que reciben y los colores oscuros y en concreto el negro menos del 15%.

 

Por otra parte, el intercambio térmico con el entorno se realiza a través de longitudes de onda infrarrojas mayores (por encima de 2,5 generalmente entre 5 y 20 micras). Las características de los materiales desde el punto de vista de la reflexión del calor a través de longitudes de onda infrarrojas depende más de la densidad de su superficie y de su composición celular que del color.

 

El efecto de la humedad es un factor determinante en las características térmicas de los materiales ya que con un alto contenido de humedad, los materiales presentan una capacidad de transmisión del calor mayor, esto es debido a la relativamente alta conductividad del agua. Los materiales absorben la humedad según sus cualidades higroscópicas, las sustancias orgánicas tienen mayores propiedades absorbentes que las inorgánicas. Diferentes estudios muestran el efecto de la humedad higroscópica en la conductividad térmica de materiales inorgánicos en relación a su volumen, y de materiales orgánicos en proporción directa a su peso.

 

Un problema relacionado con la humedad, y que se considera independiente de su comportamiento térmico, consiste en la creación de condiciones críticas producidas por el efecto de la condensación. El aire con alto contenido en vapor de agua penetra a través de los materiales o de las discontinuidades de la edificación hacia las zonas con una presión de vapor baja. Los flujos de calor, ya sean desde el interior cálido hacia el frío exterior o viceversa pueden provocar condensaciones cuando el aire húmedo alcanza el punto de rocío.  Existen diversos métodos para eliminar condensaciones en la edificación entre los que caben destacar:

 

  • Reducir el contenido de humedad del interior.

 

  • Colocar una “barrera de vapor” o superficie resistente al vapor en el lado más cálido.

 

  • Conectar el lado frío con el aire exterior.

 

  • Utilizar en el lado frío materiales que sean al menos 5 veces más porosos que los empleados en el lado cálido.

 

El deterioro de los materiales producido por agentes externos generalmente atmosféricos, es un factor importante en cuanto a la respuesta que nos ofrecerá el material durante su vida útil. Entre los distintos factores relacionados con este inconveniente, el proceso de deterioro químico es de reseñable importancia, depende principalmente del agua, la lluvia y la humedad relativa. En zonas más frías la temperatura y a baja temperatura este factor origina el efecto escarcha, mientras que en las zonas cálidas, con altas temperaturas produce las anteriormente descritas condensaciones. Las variaciones de temperatura afectan en su mayor medida al aspecto físico de los materiales constructivos, produciendo variaciones en su dimensión, aumento y reducción de tamaño, provocando su agrietamiento. El desgaste producido por la radiación solar, al margen de la dilatación y contracción del material debido a la acción fotoquímica de los rayos solares provoca un deterioro de los materiales más expuestos a dicha radiación, por ejemplo en la madera se produce un efecto conocido como “meteorizado” en combinación con la humedad. Al margen de este tipo de desperfectos en los materiales íntimamente ligados a la acción del sol, se encuentran los agentes biológicos, siendo una de las causas más comunes en el deterioro de los materiales ya sean hongos, bacterias o insectos causantes de severas patologías en la edificación.

 

Por último, destacar la importancia de un aislamiento equilibrado, las propiedades aislantes de un material son de gran importancia ya que a través de él conseguimos reducir el flujo de calor. La cantidad de aislamiento que se requiere va en relación a la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior y a los distintos requerimientos de control. Esta relación puede basarse en los diferentes niveles de temperatura de las distintas zonas geográficas y expresarse como un “índice de aislamiento”. Sin embargo, distintos grados de exposición al sol y al aire pueden producir distintos impactos de temperatura, incrementando o reduciendo la carga térmica calorífica. Si se utilizan los valores de aislamiento equilibrados para amortiguar estas diferencias, es posible compensar las condiciones térmicas del interior de la edificación.

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RADIACIÓN DIRECTA, DIFUSA Y REFLEJADA

La energía solar que incide sobre la superficie de nuestro planeta se manifiesta de las siguientes maneras:

Imagen: Componentes de la radiación solar terrestre. Fuente: monografías.com 

  • La radiación directa: es aquella que proviene directamente del sol.
  • La radiación difusa: es aquella que proviene de la atmosfera, por dispersión de parte de la radiación solar en ella. En los días más soleados sin presencia de nubosidades este tipo de radiación puede suponer aproximadamente el 15% del global, pero en los días nublados en los que se reduce la cantidad de radiación directa este tipo de radiación aumenta de manera considerable.

En cuanto a las edificaciones se puede afirmar que los cerramientos verticales reciben la mitad de la radiación solar que pueden recibir los horizontales. Por esta razón, más adelante estudiaremos formas de controlar la sobreexposición solar que sufre este cerramiento, en concreto los aislamientos de las cubiertas.

  • La radiación reflejada es aquella que proviene “rebotada” de la superficie terrestre. La cantidad de este tipo de radiación depende del llamado coeficiente de reflexión de la superficie o “albedo”. Son únicamente las superficies verticales (perpendiculares a la superficie terrestre) las que reciben esta radiación.

UBICACIÓN Y MICRO-CLIMA

La ubicación es determinante para conocer mejor las condiciones climáticas a las que va a ser sometida la edificación. Hay que distinguir entre las condiciones macro-climáticas y micro-climáticas.

Cuando hablamos de condiciones macro-climáticas se hace referencia a aquellas que afectan a nuestra edificación como consecuencia de la zona climática en la que se encuentre. Dependiendo de la región o latitud en la que se encuentre tendremos unas temperaturas u otras. Los principales factores que determinan estas condiciones son:

  • La temperatura. Media, máxima y mínima.
  • Las lluvias. Pluviometría.
  • Las horas de sol, medidas según la radiación solar incidente.
  • El viento. Vientos dominantes y su velocidad media.

En cuanto a las condiciones micro-climáticas, se entienden como las peculiaridades que existen en el entorno más inmediato a nuestra edificación, por ejemplo, posibles accidentes geográficos que supongan un cambio en las condiciones generales del clima del lugar.

Estos cambios suelen ser producidos por diferentes factores, la existencia de edificios próximos o elevaciones cercanas pueden producir una barrera frente al viento o interrumpir la captación solar de nuestra edificación.

Otros factores importantes son la pendiente del terreno, lo que limita la orientación de nuestra edificación, y la existencia de masas boscosas o aguas cercanas que producen variaciones de temperatura considerables incrementando la humedad del aire.

Por lo tanto la correcta elección de la ubicación, es la clave en el proceso del diseño bioclimático, siendo el punto de partida para el correcto diseño de los sistemas constructivos que mejor se adapten a las necesidades concretas del lugar. Hay que tener también presente la corrección del entorno, procurando la menor huella o impacto ambiental, que se pueda producir, ya que esto modificaría las condiciones micro-climáticas existentes.

Por otro lado, cabe destacar el llamado efecto isla de calor, producido en las grandes ciudades donde la densidad urbana afecta a la temperatura de la zona, aumentándola durante el día.

Imagen: Diagrama de la temperatura a última hora de la tarde. Fuente: new-learn.info

 Como hemos visto, el comportamiento climático de una edificación no solo depende de su diseño, la ubicación influye de manera directa. La existencia de accidentes naturales o artificiales crea un microclima que determina el viento, la radiación solar o la humedad que es percibida por la edificación. Debido a esto, para lograr una edificación basada en los conceptos de la arquitectura bioclimática en un primer momento se debe realizar un estudio de las condiciones climáticas del lugar y después de las condiciones micro-climáticas de la ubicación concreta.