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ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE LOS MATERIALES

A la hora de seleccionar un material, lo primero que debemos tener en cuenta es la utilización que se le va a dar a dicho material. No tendrá la misma exigencia de durabilidad para una estructura, que por ejemplo un acabado.

Hay que tener en cuenta la vida útil de un material con respecto a otro si van a formar parte del mismo sistema constructivo ya que la “muerte” de uno de ellos puede suponer el mismo final para el otro, si se deteriora uno debemos reemplazar ambos. Por lo tanto cuando se sabe la vida útil de un sistema constructivo, una durabilidad mayor en un determinado material, no tiene por qué valorarse positivamente en su selección.

Para la elección de materiales debemos seguir una estrategia proporcionada a la envergadura de la obra que vamos a ejecutar y la función que van a desempeñar en el conjunto de la edificación, siempre teniendo en cuenta estas directrices básicas.

En concreto durante este proceso de selección, nos centraremos en los componentes principales de la envolvente del edificio.

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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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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.

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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.