Ficha de proyecto presentada al V Congreso de Edificios Consumo Energía Casi Nula
Autores
- Peru Elguezabal Esnarrizaga, División de Construcción Sostenible, Tecnalia
- Beñat Arregi Goikolea, División de Construcción Sostenible, Tecnalia
- Izaskun Álvarez Álava, División de Construcción Sostenible, Tecnalia
Resumen
De interés especial en la mejora energética de los edificios gracias a la mejora en el aislamiento térmico, existe una diferencia entre el comportamiento térmico real y potencial de las fachadas ventiladas debido a la presencia de puentes térmicos, incidiendo de forma directa en el consumo final. El presente estudio plantea soluciones que reducen las mermas en dos elementos clave de las fachadas ventiladas: la perfilería de soporte y los recercados de ventanas. A través de la incorporación de material composite y de diseños específicos, se analizan las solicitaciones térmicas, estructurales y de durabilidad, para plantear un sistema optimizado en términos de reducción de consumo.
Palabras clave
Fachada Ventilada, Composite Polimérico, Puente Térmico, Ahorro Energético
Introducción
El deficiente comportamiento energético actual de los edificios es un problema acuciante, motivo por el que se están promoviendo numerosas iniciativas orientadas a la mejora del parque de edificios. Tal y como indica la Directiva Europea de Eficiencia Energética de edificios EPBD 2010/31/EU, todos los edificios que se construyan a partir del año 2020 en Europa tendrán que ser “edificios de consumo de energía casi nulo (nearly Zero Energy Buildings: nZEB)”. Entre las diversas medidas que se pueden emplear para reducir el impacto, las soluciones que incorporan aislamiento térmico son de gran interés y en el caso de la fachada, los sistemas de fachada ventiladas se emplean asiduamente.
Debido a la forma en la que se fabrican y diseñan las fachadas ventiladas, éstas se resuelven con una hoja exterior, separada del cerramiento por una cámara de aire; una capa aislante adherida al cerramiento, y una hoja interior con esa función de cerramiento. La responsabilidad de soportar y separar las diferentes capas del sistema recae en la subestructura, generalmente de aluminio, a la vez que, para los perfiles de arranque, remates y recercados de huecos, estos se definen habitualmente con sistemas basados en aluminio. De esta forma, en las fachadas ventiladas convencionales la continuidad del aislamiento queda interrumpida tanto en los puntos de anclaje como en todo el contorno de los huecos. Esta serie de puentes térmicos suponen un desaprovechamiento del material aislante debido a las pérdidas de calor que originan (Arregi et al. 2016).
Mejorar el rendimiento energético a través del incremento del aislamiento térmico es una solución eficaz para los edificios de menor consumo y las fachadas ventiladas suponen una solución interesante para tal fin. Pero presentan cierta debilidad en los anclajes y en puntos singulares, debido a los puentes térmicos que se generan en estas zonas. Sistemas que mitiguen o eliminen los puentes térmicos son de especial interés para optimizar estas soluciones.
Desarrollo propuesto: Fachada ventilada con composites
El presente desarrollo surge del proyecto COFAVE, Fachadas ventiladas innovadoras con materiales composites. El principal objetivo del proyecto es la definición de un concepto novedoso de sistema para fachadas ventiladas en el que se consigan prestaciones mejoradas, gracias a la inclusión de componentes resueltos con composites poliméricos. Esta mejora se plantea tanto en términos de ahorro energético, así como en un aumento de la durabilidad de los componentes para un sistema con un comportamiento mecánico equivalente al de los sistemas actuales.
Así, se han analizado los elementos principales de la fachada ventilada y su relación con los puentes térmicos, valorando la posibilidad de resolverlos con perfiles de composite o híbridos metal-composite. De esta forma se persigue una mejora energética de la solución convencional que redunde en un ahorro energético. Sin embargo, la idoneidad de la sustitución de elementos metálicos por perfiles de composite no depende únicamente de la mejora del comportamiento térmico del sistema, por lo que, además, resulta necesario valorar las capacidades mecánicas y la durabilidad, así como realizar una cuantificación del coste económico que supone la incorporación de este nuevo material. Como resultado de este análisis se han identificado dos componentes clave para resolver el nuevo sistema: la perfilería de la subestructura y el recercado de ventanas. El objetivo es por tanto reducir el impacto de los puentes térmicos al sustituir de forma localizada un material con conductividades elevadas (λ = 50-200 W/mK) por un composite polimérico con una conductividad muy inferior (λ = 0,1-0,7 W/mK).
Para el caso de la perfilería de la subestructura, se ha considerado que está formada por montantes (perfiles verticales) de sección en T y ménsulas de anclaje de sección en L. Al ser el elemento que traslada las cargas al soporte, además de la prestación térmica también se consideran las solicitaciones mecánicas.
Para el caso de los recercados se ha planteado un diseño específico empleando perfiles pultruidos de composite para formar elementos para cubrir los cuatro planos del hueco, en un sistema que se adapta al fondo del hueco existente y que garantiza la estanqueidad en su encuentro con la nueva fachada cuando se da la rehabilitación. En este caso se analiza tanto el comportamiento térmico como la durabilidad y el acabado estético.
Mejora de la prestación térmica
Se ha llevado a cabo un estudio térmico con el objeto de valorar los ahorros energéticos obtenidos mediante la sustitución del aluminio por composites pultruidos. Como caso de estudio, se ha considerado la renovación de un muro de doble hoja de ladrillo sin aislamiento térmico en la cámara, típico de construcciones anteriores a la década de los 80 (los requisitos de aislamiento térmico no fueron introducidos en España hasta la entrada en vigor de la NBE-CT-79), y su transmitancia térmica se ha calculado en U = 1,03 W/m²K.
Se ha considerado una renovación de este muro mediante una fachada ventilada con aislamiento de lana mineral, estudiándose dos niveles de aislamiento: espesor de 60 mm (U = 0,36 W/m²K) y 120 mm (U = 0,22 W/m²K). Estas transmitancias térmicas, calculadas de acuerdo con el DA DB-HE/1 del CTE, no consideran el impacto de los puentes térmicos, tales como los anclajes de la subestructura o las uniones con forjados, huecos de fachada, etc.
Impacto del material de perfilería
Con el objeto de cuantificar el impacto de los puentes térmicos de la subestructura, se han realizado modelizaciones numéricas mediante elementos finitos, siguiendo la norma UNE-EN ISO 10211. Para ello se ha empleado el software TRISCO v13.0 sobre el modelo tridimensional que se presenta en la Figura 1.
Mediante el cálculo numérico de estos modelos térmicos tridimensionales, se ha evaluado la transmitancia térmica unidimensional equivalente (Ueq) para cada caso, que comprende tanto el flujo de calor unidimensional como el adicional de los puentes térmicos. Estos resultados se muestran gráficamente en la Figura 2.
El cálculo de la transmitancia térmica unidimensional (U) subestima las pérdidas térmicas en todos los casos. Al aumentar el espesor de aislamiento, disminuye la transferencia de calor total, pero cambia su distribución: se reduce la transferencia unidimensional, pero aumenta la transferencia de calor multidimensional a través los anclajes (tanto de manera porcentual como absoluta):
- La subestructura de aluminio tiene el peor comportamiento térmico de entre las opciones consideradas
- Si los montantes (T) se realizan en composite, se consigue mitigar los puentes térmicos, aunque la reducción en el flujo de calor adicional del puente térmico no llega al 50%
- Si las ménsulas (L) se realizan en composite, se consigue reducir el puente térmico de manera considerable (el flujo de calor adicional queda por debajo del 5% respecto al valor unidimensional)
- La realización de la subestructura completa (ménsulas y montantes) en composite no aporta ventajas considerables respecto al caso anterior
Impacto del material de recercado de huecos
Adicionalmente, se ha llevado a cabo un estudio de transferencia térmica con el objeto de cuantificar el impacto del material de recercado de ventanas en la transferencia de calor. Para ello se han realizado modelizaciones numéricas mediante elementos finitos, siguiendo la norma UNE-EN ISO 10211. En este caso se han considerado modelos bidimensionales, empleando el software THERM v6.3. Se ha escogido el detalle de alféizar, modelándose diferentes variantes: espesores de aislamiento térmico de 60 mm/120 mm; con/sin aislamiento térmico (20 mm) bajo la pieza de vierteaguas; aluminio/composite como materiales de recercado. Los modelos bidimensionales se muestran en la Figura 3. Se ha considerado que la ventana está colocada a paño con la superficie interior, y la pieza de alféizar es de hormigón armado. El flujo de calor adicional (sobre la medida unidimensional U) para cada uno de estos modelos se expresa en forma de transmitancia térmica lineal (ψ) en la Tabla I.
El recercado de composite resulta en un mejor comportamiento térmico que el aluminio en todos los casos. El impacto del espesor de aislamiento (60 mm/120 mm) no es muy significativo, dado que el puente térmico se concentra en el contacto de la pieza de alféizar y el marco de la ventana. La mejora resultante de emplear aislamiento bajo el goterón es más efectiva cuando el material de recercado es composite, en contraposición al aluminio.
Impacto sobre el consumo energético de los edificios
Para poner en contexto las mejoras obtenidas mediante el uso de composites sustituyendo al aluminio en anclajes y recercados, se han realizado simulaciones a nivel de edificio completo empleando un método de balance de energía basado en la norma UNE-EN 832. Se han considerado dos variantes para la tipología y dimensiones del edificio:
- Un bloque de vivienda colectiva de 6 viviendas (3 plantas con 2 viviendas por planta), con unas dimensiones exteriores de 20 m de longitud y 10 m de fondo, con una superficie útil de 86 m² por vivienda
- Un edificio con dos viviendas adosadas, con una superficie útil de 110 m² por vivienda, con dos plantas de altura (escalera interior en cada vivienda dúplex) y unas dimensiones exteriores de 15 m de longitud y 10 m de fondo
Las dimensiones escogidas corresponden a las viviendas tipo para España (Elguezabal et al. 2018). En ambos casos, se ha considerado que las fachadas más largas están orientadas a norte/sur. En cuanto a la disposición de huecos, se ha considerado que están distribuidos uniformemente y su superficie cubre un 25% de la fachada. Se han considerado ventanas con transmitancia térmica de U = 1,4 W/m²K y factor solar g = 0,58.
Se han considerado dos climas exteriores: cornisa cantábrica (zona climática C1 en CTE) e interior de península ibérica (zona climática D3 en CTE). Los resultados de las simulaciones a nivel de edificio se detallan en la Tabla II.
Se estima que los anclajes de composite consiguen un ahorro cercano al 3% en la demanda total de calefacción de los edificios analizados, mientras que de los recercados de composite puede conseguirse un ahorro del orden de un 20%. Hay que apuntar que para estos cálculos se ha extrapolado la transmisión térmica de un tipo específico de alféizar a las mochetas de todas las ventanas. Esto introduce cierta incertidumbre respecto a los porcentajes de ahorro estimados, si bien se ha demostrado que los ahorros posibles son muy significativos. A futuro, cabría realizar un análisis más detallado, incluyendo el cálculo de detalles de jamba y dintel, en función de la posición de las ventanas y las soluciones específicas adoptadas para los encuentros.
Otras consideraciones en cuanto a la competitividad del sistema
Además del impacto en términos energéticos, se han considerado también aspectos asociados al análisis mecánico, a la durabilidad y al coste del sistema.
Análisis mecánico
Las conclusiones del estudio térmico realizado para el sistema de perfilería en el que se ha demostrado una cierta mejora, justifican un análisis mecánico preliminar con el objeto de realizar una aproximación de la sección requerida. Para el caso del recercado, no se valora este aspecto puesto que es un elemento al que no se le exige una prestación mecánica. Por tanto, para analizar los montantes y ménsulas de composite se han considerado unas cargas de referencia y un edificio objetivo sobre el que analizar la repercusión de la sustitución de los elementos de aluminio por perfiles de composite pultruido. Los cálculos se han llevado a cabo mediante la modelización a través del programa de cálculo de estructuras TRICALC y modelización por elementos finitos ANSYS (FEM). Para todos los casos el aluminio considerado es un EN-AW 6063 T5. Para la sección del montante en aluminio T 3876_4.7 se ha calculado un perfil equivalente en composite de T 8080_6.4. Para el caso de la ménsula, una sección de aluminio L 100x45x4 (h75) podría sustituirse por un elemento de composite de sección equivalente 2L 100x45x4 (h75).
Sin embargo, una validación mecánica definitiva requerirá de la realización de ensayos en laboratorio que certifiquen la capacidad de los elementos evaluados. Esto es una consecuencia directa del carácter ortotrópico de los composites pultruidos sumado a la ausencia de regulación que homogeneice el mercado de este tipo de perfilería.
Análisis de durabilidad
Dadas las características de la resina y fibra que componen los perfiles pultruidos y la respuesta asociada ante los fenómenos y procesos a los que va a estar sometido como elemento integrante de los sistemas de fachadas ventiladas, se han identificado principalmente dos requisitos para garantizar la durabilidad de estos elementos: la resistencia a la radiación y la resistencia al rayado superficial. Este análisis se ha focalizado exclusivamente en los recercados. En los montantes y ménsulas no aplica ninguno de estos dos requerimientos al quedar ocultos por el revestimiento de fachada. La exposición continuada a los rayos UVA combinada con ciclos de lluvia provoca que los perfiles pultruidos de composite sin tratamiento específico sufran el deterioro de la capa superficial y envejecimiento prematuro de la resina, que se traduce en alteraciones de color, brillo, agrietamiento y finalmente en la aparición de las fibras superficiales. Existen dos posibles tratamientos para garantizar la durabilidad en este sentido; pintado posterior al proceso de pultrusión a través de pinturas en base poliuretano o epoxy (este proceso puede suponer un incremento significativo del coste final del producto) o reformular la composición de la resina mediante aditivos.
Por otro lado, el acopio y manipulación en obra provoca en numerosas ocasiones rayones superficiales en los recercados metálicos convencionales que obliga a sustituirlos. Los recercados de composite plástico pueden fabricarse con resinas tintadas de color similar a la de la pintura de acabado, minimizando de este modo el impacto visual del daño.
Análisis de coste
Finalmente se ha analizado la repercusión económica que supondría la sustitución de los subestructura y recercados metálicos de los sistemas convencionales de fachadas ventiladas por perfilería de composite pultruido. Los resultados se muestran en la Tabla III. La estimación realizada indica que el coste del sistema en composite resulta algo superior para los montantes y los recercados pero es más económico para las ménsulas. Este sobrecoste en la inversión se puede compensar gracias a los importantes ahorros energéticos que se obtendrían al reducir el consumo del edificio.
Conclusiones
Con el fin de proporcionar una solución que mejore el comportamiento energético de las fachadas ventiladas, se ha planteado un sistema orientado a dos elementos: la perfilería y los recercados. Tal y como se ha demostrado con el estudio basado en simulaciones, sustituir parcialmente el metal por perfiles pultruidos de composite supone una reducción significativa de los puentes térmicos que repercuten directamente en el consumo del edificio. La solución de perfilería en composite tiene un impacto en el consumo, si bien no es tan significativo como el de los recercados. En cualquier caso, el resultado es muy dependiente del escenario de cálculo y de la tipología constructiva específica, para lo que se ha considerado una construcción típica de nuestro entorno. No obstante, el elevado ahorro que se ha calculado confirma que el margen es suficientemente amplio como para plantear sistemas que incorporen estos elementos, y obtener un resultado final que reduzca significativamente el consumo del edificio gracias a la inclusión de los composites en un sistema de fachada ventilada como el propuesto.
Además de la prestación térmica se ha valorado el comportamiento mecánico para la perfilería y la durabilidad para los recercados, proponiendo una solución equivalente en el caso de los perfiles y con una durabilidad mejorada para los recercados. Finalmente, el análisis de costes indica que actualmente existe un cierto sobrecoste para los elementos en composite, siendo más acusado para el caso de los recercados, incremento que se amortizaría en un plazo breve gracias a los ahorros obtenidos.
Agradecimientos
Los autores desean agradecer la información proporcionada por las empresas participantes en el proyecto COFAVE, Fachadas Ventiladas innovadoras con materiales composites. De forma específica a Efeuve (www.efeuve.es) en el ámbito de las fachadas ventiladas y a Abeki (www.abeki.com) en lo concerniente a los composites. Este proyecto ha sido financiado por la Diputación Foral de Bizkaia dentro del Programa para el fomento de la Innovación en Cooperación Elkarlanean 2017.
Referencias
- Rarregi, B. et al, 2016, Estudio de transferencia de calor en los puntos de anclaje a forjado de una subestructura de fachada ventilada, III Congreso EECN, Madrid (pp. 114-119).
- Elguezabal, P. et al, 2018, Review of the European Building Stock and its potential for retrofit interventions using solar-assisted heating and cooling, REHABEND 2018, Cáceres (pp. 1780-1791).
- EPDB 2010/31/EU. Directiva 2010/31/UE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 19 de mayo de 2010 , relativa a la eficiencia energética de los edificios.
- UNE-EN 832:2000. Comportamiento térmico de los edificios. Cálculo de las necesidades energéticas para calefacción. Edificios residenciales.
- UNE-EN ISO 10211:2012. Puentes térmicos en edificación. Flujos de calor y temperaturas superficiales. Cálculos detallados.