Multiprestacionalidad de las soluciones constructivas en base hormigón

Comunicación presentada al IV Congreso Edificios Energía Casi Nula:

Autor

• César Bartolomé Muñoz, Dtor. Área Innovación, IECA (Instituto Español Cemento y Aplicaciones)
• Arturo Alarcón Barrio, Jefe Área Sostenibilidad, IECA
• José Antonio Tenorio Ríos, Científico Titular, ‎Instituto Ciencias Construcción Eduardo Torroja-CSIC
• Alejandro López Vidal, Director Técnico, ANDECE (Asociación Nacional Industria Prefabricado Hormigón)

Resumen

La consecución de los edificios de consumo de energía casi nulo requiere la combinación de distintas estrategias de diseño: orientación, ventilación, aislamiento o inercia térmica entre otras. En este sentido, el hormigón, además de su resistencia al fuego, aislamiento acústico, fiabilidad estructural o rapidez constructiva (especialmente en el caso de soluciones prefabricadas), mejora, gracias a su masa térmica, el comportamiento energético de los edificios al amortiguar la variación y permitir un cierto desfase de la temperatura interior respecto a la exterior. Además, su carácter masivo permite la activación térmica de la estructura y el almacenamiento de energía en la misma. Por lo tanto, la utilización de estructuras termoactivas de hormigón transforma los edificios en auténticas baterías que ceden o absorben calor según las necesidades del edificio y de los usuarios, facilitando la gestión de la demanda tanto desde el punto de vista de la gestión de la redes de suministro y de los sistemas integrados en el edificio. Se presenta el proyecto INPHASE, que tiene como objetivo la integración de materiales de cambio de fase (PCMs) para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía de las estructuras de hormigón, potenciando las propiedades de mejora en la gestión de la red eléctrica y del uso de energías renovables en el edificio.

Palabras clave

Inercia Térmica, PCMs, Estructuras Termoactivas, Hormigón, Prefabricados

La inercia térmica. Estructuras activadas térmicamente

El diseño de los edificios de consumo de energía casi nulo, requiere reducir la demanda de energía del edificio mediante sistemas pasivos de aislamiento, si bien, es imprescindible complementar esta estrategia con sistemas capaces de acumular y devolver calor en régimen dinámico. Este tipo de sistemas requieren de un material con una elevada inercia térmica que permita dicha acumulación de calor, como es el caso del hormigón.

Concepto de inercia térmica

La inercia térmica se define como la capacidad que tiene una masa para conservar la energía térmica recibida e ir liberándola progresivamente. La inercia térmica mejora el comportamiento energético de los edificios porque permite la amortiguación en la variación de las temperaturas y el desfase en el tiempo de la temperatura interior respecto a la exterior, con la consecuente reducción de consumo energético y de emisiones contaminantes. En el caso de una situación con elevada temperatura exterior y radiación solar, la temperatura exterior se eleva produciéndose una transferencia de calor hacia el interior del edificio. La evolución de la temperatura de la cara exterior presenta un máximo (máxima amplitud) en un momento en concreto del día en función de la ubicación y orientación del edifico. Esta onda de temperatura exterior se ve amortiguada, en cuanto a amplitud, al atravesar el cerramiento, surgiendo además un desfase entre los instantes en los que se produce un pico de temperatura. El efecto de desfase y amortiguamiento permite que el edificio permanezca más tiempo en la zona de confort sin necesidad de gasto energético adicional lo que permite ahorros de manera gratuita ya que son inherentes al material.

Desde el punto de vista del consumo, las dos principales ventajas de este tipo de sistemas son:

• La acumulación de energía se hace de manera constante, eliminando picos y, por lo tanto, reduciendo el tamaño y la potencia de los equipos de climatización, por lo que se reduce el consumo.
• La acumulación de energía se hace durante las horas valle, cuando el coste de la energía es menor. Esto imposibilita la gestión de la demanda de energía del edificio apoyándonos en soluciones arquitectónicas adecuadas.

Además, desde el punto de vista del confort térmico de los usuarios, estos sistemas proporcionan paramentos fríos o cálidos, mucho más agradables que las corrientes de aire procedentes de otros sistemas de climatización.

Aplicación de la inercia térmica en los edificios

Esta propiedad se utiliza en construcción de manera pasiva para conservar la temperatura del interior de los edificios más estable a lo largo del día, mediante muros y forjados de gran masa. En invierno, se calientan durante el día, y por la noche, más fría, van cediendo el calor al interior. En verano, por la noche se enfrían, para ceder este frío al ambiente a lo largo del día siguiente.

Existe también la posibilidad técnica de activar la inercia térmica del hormigón mediante un sistema embebido de tubos por los que se circula agua conectado a su vez a una fuente o sumidero de calor. En estos sistemas habituales de algunos elementos prefabricados que implican un grado de industrialización máxima (elemento estructural e instalación integrada desde fábrica), se acumula energía en la estructura, generalmente los forjados aunque también es posible en cerramientos, para calentar o enfriar las estancias según la demanda.

Entre las reglamentaciones de los distintos países europeos que mantienen un esquema similar a la transposición de la Directiva Europea de Eficiencia Energética de Edificios, el Código Técnico de la Edificación español (CTE) en su Documento Básico Ahorro de energía DB-HE-1 presenta a la inercia térmica como una característica a tener en cuenta. Sin embargo, la inercia térmica implica un cálculo dinámico complejo (flujo de calor por convección y radiación) del que no hay métodos de estimación suficientemente extendidos, lo que deriva en que sea una propiedad que muy pocas veces acaba siendo valorada y cuantificada en la fase de diseño.

La gestión de energías renovables

Además de las exigencias en lo relativo al consumo, otro de los requisitos de los ECCN es la utilización de fuentes de energía exclusivamente renovables para cubrir su consumo (que debe ser bajo). Sin embargo, las energías renovables presentan una incertidumbre habiendo normalmente un desajuste entre cuándo se genera esta energía y cuándo se necesita, lo que limita su gestión dentro del sistema eléctrico.

El almacenamiento de energía a nivel de red mediante baterías situadas en las centrales es prácticamente irrealizable a gran escala. Para ponerlo en contexto, la batería más grande de este tipo está en China, ocupa el mismo espacio que un campo de fútbol y almacena 36 MW·h, lo suficiente para alimentar sólo 12.000 hogares durante sólo una hora. La hibridación en centrales termosolares con almacenamiento de sales fundidas consigue llegar a ciclos de medio día en los mejores casos.

La opción más interesante podría ser guardar la energía de forma distribuida en baterías eléctricas en los hogares y su entorno cercano o utilizar los sistemas inerciales de la estructura de los edificios como baterías alternativas. Se puede alcanzar con lo que se conoce como respuesta de demanda activada (ADR), donde los controles inteligentes y el almacenamiento de energía ayudan a equilibrar la red eléctrica. La capacidad de almacenamiento de energía térmica en la estructura de un edificio pesado tiene un enorme potencial, ya que no requeriría un coste adicional de inversión a diferencia de otros sistemas de almacenamiento. Mediante pre-calentamiento activo o pre-enfriamiento del edificio durante las horas pico (por ejemplo, a primera hora de la mañana), la energía se absorbe y se almacena en el edificio, y se libera en el transcurso de las horas siguientes.

De hecho, ya existe una experiencia piloto en la que el Instituto Austríaco del Cemento analizó la posibilidad de cubrir la demanda energética de climatización de un edificio de hormigón únicamente con energía eólica, utilizando los forjados de la vivienda como baterías. Se trata de una vivienda unifamiliar de dos plantas en la que los forjados estaban activados térmicamente mediante bombas de calor y frío alimentadas exclusivamente con energía eólica. Los resultados fueron, con carácter general, muy satisfactorios, si bien existían varias ventanas de 5-6 días de duración en las cuales la demanda del edificio no se pudo cubrir únicamente con energía eólica y fue necesario recurrir a fuentes alternativas.

Esta limitación en la gestión de las energías renovables se debe a la capacidad limitada de almacenamiento de los forjados activados térmicamente. Esta limitación puede superarse mediante la activación de otros elementos estructurales, como los cerramientos o mediante la utilización de materiales innovadores que se integren en la estructura y permitan incrementar la capacidad de almacenamiento natural del hormigón.

Los materiales de cambio de fase. Proyecto INPHASE

Los materiales de cambio de fase, o PCMs por sus siglas en inglés, son una tecnología madura que permite el almacenamiento de energía en forma de calor latente aprovechando el elevado valor de la entalpía del cambio de fase. Existen diferentes tipos, siendo su capacidad de almacenamiento de energía del orden de quince veces superior a la capacidad de almacenamiento del hormigón (ver Tabla I).

Los beneficios que aportan este tipo de materiales en soluciones constructivas para edificación se han demostrado en diferentes proyectos de investigación. Sin embargo, dichas investigaciones han tenido una aplicación práctica en el mercado muy reducida, y prácticamente nula en el caso de soluciones constructivas en hormigón, principalmente porque no se ha logrado todavía su industrialización.

En el ámbito del hormigón existen investigaciones, en general no comerciales, sobre la integración de PCMs. La incorporación de los PCMs en el hormigón tiene efectos sobre sus prestaciones: reducción de la resistencia, disminución de la densidad, menor conductividad térmica, etc.

La disminución de la resistencia que se produce con la inclusión de PCMs es una desventaja, pero no significativa, ya que este tipo de material se utiliza por sus prestaciones térmicas y no mecánicas. Además, como se trata de un material de alto valor añadido y coste elevado, se busca que su utilización sea específica y no masiva, pudiéndose combinar en un mismo elemento hormigón con fines estructurales y hormigón con PCMs en el que se aprovechas sus capacidades térmicas.

Sin embargo, la modificación de las variables energéticas del hormigón debido a la utilización de los PCMs sí supone un reto tecnológico. La disminución de la densidad y de la conductividad térmica provoca que el comportamiento de este material sea ligeramente diferente al del hormigón tradicional. Las principales características de este material son:

• El material tiene una mayor capacidad de almacenamiento que el hormigón tradicional.
• Su baja densidad y menor conductividad térmica hace que su activación mediante ventilación sea muy complicada. Es necesaria su activación mediante tubos de agua.
• Los ciclos de carga y descarga del material se alargan en el tiempo.

En el proyecto INPHASE se han analizado estas propiedades en función del porcentaje de PCMs dosificados en peso con respecto al peso total del hormigón, desde un 5% hasta un 20%, para su utilización en cerramientos prefabricados de hormigón para fachadas. El objetivo del proyecto es desarrollar un nuevo panel prefabricado para fachadas de edificios residenciales (viviendas, hoteles, residencias universitarias, residencias de ancianos, etc.) ejecutado de forma industrializada con sistemas convencionales que presente una elevada inercia térmica mediante la integración de hormigón y materiales de cambio de fase (PCMs), que reduzca la demanda energética de dichos edificios, consiguiendo así, sin necesidad de aplicar medidas adicionales, un cerramiento orientado a utilizarse en los nuevos edificios de consumo de energía casi nulo.

Adicionalmente al estudio del material, se ha modelizado su comportamiento térmico mediante CFDs.

La principal conclusión obtenida es que las características del material permiten alargar los ciclos de carga y descarga, de manera que es posible pasar de un ciclo diario a un ciclo que podría llegar a ser semanal, cubriendo totalmente las demandas de calefacción y de refrigeración del edificio sin necesidad de sistemas adicionales. A priori, esta tecnología permitiría que tanto la carga como la descarga del material se hicieran exclusivamente con energía renovable, superando las limitaciones que presenta un hormigón tradicional y eliminando las posibles incertidumbres en la generación que pudieran existir.

Potencial de aplicación

Las investigaciones realizadas durante el proyecto INPHASE han permitido desarrollar un material con un gran potencial de aplicación tanto en obra nueva como en rehabilitación. Al tratarse de un producto específico que necesita poco volumen, no incrementa significativamente las cargas muertas de la estructura, por lo que no penaliza el coste global de la misma. Por este motivo, su utilización es idónea en el caso de obras de rehabilitación energética, ya que se puede incorporar a los forjados tradicionales de vigueta y bovedilla, incrementando considerablemente la inercia térmica de estructuras que carecen de esta propiedad y permitiendo la utilización de tecnologías basadas en la activación térmica de elementos mediante energías renovables. Además, su versatilidad permite su uso tanto en cerramientos como en forjados térmicamente activados e incluso la combinación con tecnologías complementarias como pueden ser los suelos radiantes.

Pero el verdadero potencial de este material radica en su elevada capacidad de almacenamiento y en la extensión de los ciclos de carga y descarga de un intervalo diario a un intervalo de 3 ó 4 días e incluso semanal, en función de la dosificación. Esta característica, en combinación con sistemas inteligentes de gestión basados en el desarrollo de las TICs y de la gestión de datos (“Big Data”), que tengan en cuenta la generación de energías renovables en el propio edificio, el coste de la energía de la red, la predicción meteorológica, el comportamiento y preferencias del usuario,… permitirá realizar una gestión de la demanda integral superando las limitaciones del experimento austríaco y cubrir la demanda de climatización de cualquier tipo de edificio con energías estrictamente renovables, ayudando a la consecución de los objetivos europeos en materia de eficiencia energética en edificación.

Conclusiones

La inercia térmica del hormigón tradicional se ha demostrado como una herramienta de diseño muy potente para mejorar la eficiencia energética de los edificios. Además, los hormigones, tanto in situ como en elementos prefabricados, y morteros con PCMs, multiplican la capacidad de almacenamiento del hormigón tradicional y permiten una gestión completa de las energías renovables siempre y cuando se combinen con sistemas inteligentes de gestión que tengan en cuenta las principales variables que afectan al comportamiento energético del edificio.

Por otro lado, la utilización de sistemas inerciales no solo aporta beneficios a los usuarios de los edificios donde se implementan, sino que beneficia al sistema en su conjunto. La utilización de edificios como baterías de almacenamiento, aplana la curva, eliminando los picos de demanda y, por lo tanto, también de producción. Este tipo de sistemas evitan el sobredimensionamiento del sistema de generación para momentos puntuales y, además, permite aprovechar la sobreproducción existente en las horas valle.

Las empresas de generación eléctrica deberían demandar este tipo de tecnología, puesto que les permitiría una mejor explotación de la capacidad instalada, con un mayor uso anual de las instalaciones que ahora mismo únicamente se utilizan para cubrir ciertos picos de demanda. De esta manera, serían capaces de satisfacer las necesidades futuras de energía sin acometer nuevas y costosísimas inversiones. De hecho, en países como Suecia, las compañías de generación eléctrica han iniciado un proceso de análisis de los beneficios que los edificios de elevada inercia térmica tendrían para ellas. Por este motivo, parece razonable que las administraciones públicas, en cooperación con las compañías de generación eléctrica, incentiven la utilización de sistemas inerciales en edificios nuevos y existentes mediante bonificaciones tarifarias u otros instrumentos financieros que ayuden a generalizar este tipo de tecnologías.

Referencias

• FENERCOM, 2014, «Guía sobre estructuras termoactivas y sistemas inerciales en la climatización de edificios».
• López, A. & Tenorio, J.A., 2016, «Una característica no aprovechada en los elementos prefabricados de hormigón: la masa térmica», Revista Cemento Hormigón
• Plataforma Tecnológica Española del Hormigón, 2008, «Hormigón para edificios energéticamente eficientes. Los beneficios de la inercia térmica», Revista Cemento Hormigón.
• Tenorio, J.A., 2010, «Los requisitos del Código Técnico de la Edificación. Eficiencia energética e incremento de la sostenibilidad. Aplicación a los edificios de hormigón», Revista Cemento Hormigón.