Comunicación presentada al V Congreso Edificios Energía Casi Nula
Autor
- Pablo Maroto Millán, Director Marketing, Knauf España y Portugal
Resumen
Comportamiento dinámico de un puente térmico mediante elementos finitos y comparándolo con el procedimiento de cálculo en base al coeficiente de transmitancia lineal que define la norma UNE-EN ISO 10211. Se toma el estudio de un puente térmico en frente de forjado para una solución de fachada aislante ligera denominada Passiv Light Wall System del grupo Knauf. El estudio permite conocer la repercusión de la inercia térmica del forjado de hormigón en los flujos de calor que se producen en periodo de invierno y en periodo de verano. En el primer caso este flujo tiene efecto sobre la demanda de energía de la vivienda, y en el segundo caso, sobre las condiciones de confort debido a sobrecalentamiento. Los resultados del análisis permiten tomar decisiones en la fase de desarrollo del proyecto.
Palabras clave
Aislamiento, Passivhaus, Fachada Ligera, Acústica, Inercia Térmica
Introducción
El presente estudio analiza el comportamiento real de uno de los puentes térmicos más habituales en los edificios multifamiliares.
Sistemas constructivos sometidos a estudio
El sistema de fachada ligera que se ha sometido a estudio es una solución certificada a través del Passivhaus Institut con el certificado número 123cs04 para clima cálido, siendo la primera fachada ligera en la península con esta certificación con un espesor total de 35,6 cm consiguiendo una transmitancia térmica de 0,10 W/m2K.
La fachada Passiv Light Wall System se compone de más de un 95% de aislamiento térmico, formada por placa cementicia Aquapanel, estructura metálica, placa de yeso laminado y aislamiento de lana mineral Naturoll 032. En el caso de este estudio, se ha dimensionado la fachada con un espesor de 29 cm para una una transmitancia térmica de 0,131 W/m2K.
El sistema tradicional se compone de una hoja de fábrica de hormigón, sistema SATE a base de lana mineral Panel Plus y trasdosado interior con placa Knauf y lana mineral Ultracoustic. En total la fachada tiene un espesor de 36 cm consiguiendo una transmitancia térmica de 0,146 W/m2K.Comparativamente la fachada ligera pesa un 75% menos y un 20% menos de espesor.
En el caso de la fachada ligera, se ha sometido a una corrección en la transmitancia térmica del cerramiento para tener en cuenta los puentes térmicos de la estructura metálica del sistema de fachada, aplicando una corrección de la conductividad térmica de la lana mineral, entre otros factores resultado de los ensayos realizados en el Área Térmica del Laboratorio de Control de la Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco. Asímismo, el sistema de fachada ligera permite un refuerzo aislante en el frente de forjado para los diseños más exigentes. Este factor de corrección es del 13,8% quedando la transmitancia térmica en 0,152 W/m2K. Este factor de corrección no se ha realizado en el sistema tradicional por no realizarse las mismas pruebas, no porque no pueda existir ese factor de corrección. Se ha preferido dejar el valor de cálculo teórico, como margen de seguridad adicional.
Las dos soluciones sometidas al estudio, no dejan de ser soluciones con un gran aislamiento térmico, con la diferencia del espesor y del peso.
Tal como se ha indicado anteriormente, en este estudio, la fachada Passiv Light Wall, se compone de varias capas de materiales para garantizar la estanquidad, así como optimizar el aislamiento en un espesor reducido de 29 cm.
Ambas soluciones, están diseñadas para poder soportar en la parte exterior una fachada ventilada o bien acabarlo con un sistema SATE. En el estudio se ha estudiado hasta el aislamiento exterior sin tener en cuenta la fachada ventilada ni los posibles acabados de mortero.
Metodología
En primer lugar, se han analizado los puentes térmicos de ambas soluciones de fachada a través del procedimiento de cálculo estacionario de la norma UNE-EN ISO 10211:2012, definida por el CTE DB-HE. Esto ha permitido una primera comparación mediante el coeficiente de transmitancia lineal (Ψ).
En segundo lugar, se han modelado ambos puentes térmicos mediante un software de dinámica de fluidos computacional (computational fluid dynamics, CFD) para simular su comportamiento dinámico. Los cálculos se han realizado para una climatología fría de la península, Burgos, y para un clima con doble condición frío-calor, como es Madrid. Se ha simulado con un time step de 15 minutos durante un periodo de 11 días de invierno y 11 días de verano. Como resultado, se han obtenido las temperaturas interiores y los flujos de calor de ambas soluciones de fachada. El análisis evalúa la incidencia de la inercia térmica de los materiales de fachada en las pérdidas de calor en invierno y en el confort térmico en verano.
Resultados y discusión
Cálculo de la transmitancia térmica lineal: Ψ
Como punto de partida, se ha calculado la transmitancia térmica lineal, Ψ [W/mK], del puente térmico de frente de forjado tal y como establece el CTE, siendo los resultados siguientes:
Cabe destacar que el puente térmico Ψ es un 70% menor en el sistema ligero, de 0,040 W/mK a 0,012 W/mK. Aunque ambas soluciones tienen valores de puente térmico muy reducidos, lo interesante es ver cómo afecta estos puentes térmicos en régimen dinámico, así como la propia inercia de ambas fachadas en los flujos de calor que se producen en periodo de invierno y en periodo de verano.
Cálculo del comportamiento dinámico CFD
Importancia de la inercia térmica en fachadas pesadas y ligeras
Sabemos que la inercia térmica, puede influir de manera importante en el confort de un recinto. No obstante, ¿en qué medida puede ser eficiente en cerramientos para EECN?
Un cerramiento ligero y un cerramiento pesado, diferentes en composición pero con un valor U similar, no tienen por qué comportarse térmicamente de la misma forma frente a las temperatura exteriores cambiantes, básicamente porque la capacidad de almacenamiento de energía que tienen ambos cerramientos está relacionada con la masa y el calor específico de los materiales que lo componen. De esta manera la transferencia de calor del exterior al interior y viceversa dependerá de los cambios de temperatura exterior-interior y de la propia energía almacenada en el cerramiento. A más masa y calor específico, mayor será la modulación de la transferencia de calor entre el edificio y el aire exterior.
Esta aportación que puede ofrecer el cerramiento pesado puede ser interesante dependiendo del grado de modulación, que podemos definir según el amortiguamiento y el desfase que produzca. En verano puede ser un problema este desfase, si esa aportación de calor captada por todo el día, se transmite por la noche cuando la temperatura desciende, teniendo que ventilar para evitar que se sobrecaliente el recinto. En invierno, puede ser una ventaja esa transferencia de calor nocturna.
En los casos de edificios de energía casi nula EECN, o bien en los edificios con parámetros Passivhaus, donde la ventilación y refrigeración puede ser determinante en verano, la inercia térmica puede ser menos eficiente. En elementos ligeros con un gran aislamiento térmico, en zonas cálidas, no es tan obvio que la inercia térmica sea relevante, si tenemos en cuenta la combinación de una ventilación natural nocturna y una buena protección solar.
Estudio del comportamiento de ambas fachadas
Las dos fachadas se han simulado para dos climas diferenciados, Burgos y Madrid, tanto en invierno como en verano. Para poder visualizar el comportamiento de ambas soluciones frente a las condiciones cambiantes, se han seleccionado unos días tipo donde se muestran los flujos de calor en régimen dinámico a través del cerramiento con la contribución del puente térmico de canto forjado. Los resultados se muestran en la Figura 5.
Se obtiene un comportamiento similar a nivel de flujos netos de calor intercambiados por la fachada para ambas soluciones. Pero si se analiza la temperatura interior de forjado, como se muestra en la Figura 6, para el caso de la fachada con hoja pesada, la temperatura es inferior para invierno y superior para verano respecto a la solución con fachada ligera. Esto tiene una repercusión importante, ya que en la simulación se ha considerado temperatura constante en el interior de la vivienda durante todo el estudio, siendo de 20°C para invierno y de 25°C para verano, lo que condiciona un poco el estudio. Es decir, para el caso del sistema con fachada pesada el comportamiento real para una vivienda con poca climatización, como es el caso de viviendas de bajo consumo, la temperatura interior de la estructura seguiría descendiendo, absorbiendo más calor del interior de la vivienda, de la que la separa únicamente la capa de aislamiento trasdosada por el interior. Y para verano el proceso sería el inverso, la temperatura del interior de la fachada aumentaría con las ganancias diarias de soleamiento exterior y generaría un flujo hacia el interior que aumentaría la temperatura del ambiente de la vivienda. En el caso del sistema ligero, este efecto se reduce únicamente al forjado, ya que la hoja de fachada no presenta acumulación de calor.
Para observar mejor el efecto mecionado, en la Figura 7 se muestran los perfiles de temperatura para las 12h del mediodía en un día tipo de invierno en Madrid. Se puede ver como en el sistema ligero la fachada está desacoplada del forjado, de forma que la onda de bajas temperaturas que viene de la noche no llega a atravesar el espesor de aislamiento y ya comienza a calentarse la fachada con la incidencia solar por el exterior. Sin embargo, en el sistema pesado, la fachada y el forjado están conectados térmicamente generando una contínuidad que toda la incercia térmica del edificio esté conectada, esto repercute en que la onda de bajas temperaturas llegue a atravesar el espesor total de fachada.
Conclusiones
Los modelos actuales de cálculo de puente térmico bajo el paraguas normativo son en régimen estático, y por tanto es complejo determinar el comportamiento real de ese puente térmico en los cambios de temperatura exterior.
La tendencia de conseguir edificios de energía casi nula o bien con criterios de Passivhaus, hacen que las fachadas cada vez sean más aislantes haciendo que los puentes térmicos se manifiesten más si no están bien resueltos. A esta situación hay que sumarle el estudio del efecto de la inercia térmica de la estructura del edificio y de la solución de la fachada. Como se ha podido ver en el presente documento, dicha inercia térmica puede actuar de forma inesperada acumulando calor durante el periodo de verano lo que generará un aumento de las temperaturas del interior de la vivienda y el consecuente disconfort o gasto en climatización. Y para invierno, el efecto se invierte, reduciendo la temperatura del ambiente interior y generando una mayor demanda de calefacción frente a la estimada en diseño si se consideran las herramientas de cálculo en condiciones estáticas. Una solución ligera de fachada, permite desacoplar la inercia de la estructura del edificio, lo que repercute en un mejor control de la climatización y consumos del edificio. Este análisis se ha obtenido para un tipo concreto de puente térmico, como es el caso del frente de forjado y con una configuración determinada de estructura de hormigón, y por tanto las conclusiones no pueden ser estrapoladas directamente a otras soluciones, sin realizar un estudio similar y específico de cada caso.
Agradecimientos
Agradecimientos a la ayuda por parte del Área Térmica del Laboratrio de Control de la Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco por el estudio matemático realizado, concretamente a: César Escudero Revilla, Doctor Ingenieria Térmica e ngeniero industrial y profesor en la EHU/UPV; y a Juan Mari Hidalgo Doctor Ingenieria Térmica y arquitecto, técnico del Laboratorio de Control de la Calidad en la Edificación del Gobierno Vasco
Referencias
- Koldo Martín, César Escudero, Aitor Erkoreka, Iván Flores, José María Sala, (2012) “Equivalent wall method for dynamic characterization of thermal bridges” Energy and Building, Vol. 55, pp. 704-714.
- Koldo Martín, Alvaro Campos, César Escudero, Iñaki Gómez José María Sala, (2012) “Analysis of a thermal bridge in a guarded hot box testing facility” Energy and Building, Vol. 50, pp. 139-149.
- Passive House Planning Package 2012 por Feist W., Pfluger R., Schnieders J., Kaufmann B., Kah O., Krick B., Ebel, Bastian Z.
- Guia del estándar Passihaus. Edificios de consumo energético casi nulo. FENERCOM
- Passive House in different Climates. The Path to Net Zero. Mary James and James Bill
- https://passivehouse.com/ 2018
- http://www.knauf.es/sistemas/fachada/fachada-ligera-passivhaus.html