Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:
Autor
- Luis Grau Molist, Arquitecto
Resumen
Estrategia basada en el uso de la inercia térmica interior para la ejecución de EECN en climas templados donde hay que ocuparse tanto del frío como del calor a lo largo del año con puntas de temperatura extremas. Jerarquización en pasos diversos, economía, adaptación a climas con más calor que frío y a la inversa y a las condiciones socio-económicas de la ubicación (importante cuando se trabaja en la piel del edificio). Gestión con espesores mínimos, compatible con un gran número de energías renovables aún las discontinuas; de gran eficiencia en la transmisión del calor (tanto en sentido positivo en invierno como negativo en verano) y de gran confort y respeto a la salud de los usuarios.
En un contexto físico en el que la edificación debe proporcionar calor en la estación fría y eliminarlo en la estación cálida, es decir, que no hay una estación que provoque un stress térmico determinante y un contexto socioeconómico que impone un alto coste de suelo que obliga a optimizar la relación entre la superficie construida y la superficie útil de los edificios y que mediatiza, a la baja, los costes de construcción nos conduce a proponer que:
El principal criterio constructivo a implementar en la arquitectura sostenible en climas templados es el uso de la inercia térmica para la consecución del confort higrotérmico interior durante todo el año, en el marco de un sistema jerarquizado de un conjunto de criterios de mayor a menor importancia.
De todos los sistemas pasivos de posible implementación se toma como principal, a complementar, el uso de una característica que, en menor o mayor cuantía, siempre aportan los elementos constructivos de un edificio (estructura, cerramientos, divisorias, materiales de acabado, etc.), el mobiliario e incluso los usuarios. Esta característica llamada inercia térmica puede ser definida como la propiedad de los materiales de absorber calor sin aumentar su temperatura superficial y depende de su Capacidad Calorífica, de su Conductividad Térmica, su Densidad y de su Espesor.
Se propone, pues, el aprovechamiento de las cualidades descritas que aportan materiales de construcción de uso común y naturaleza pétrea (piedra, cerámica, hormigón, tierra-cemento, yeso, etc.), en todas sus variantes o derivados, que conforman las partes fijas e inamovibles de la edificación para que aporten la mayor parte de la inercia que se complementará con la aportada por las partes más cambiantes.
Se considera que la inercia térmica correspondiente a una masa interior de 500 Kg/m3 se aproxima al óptimo para que, pueda reducir la potencia de climatización un 40%. Usuarios y mobiliario se considera que aportan unos 20 kg/m3, por tanto, los elementos constructivos deberían aportar unos 480 kg/m3.
Se trataría de convertir a la inercia ubicada en un interior en una especie de “pulmón térmico” capaz de almacenar las ganancias térmicas en invierno y cederlas cuando haga falta ejerciendo de principal sumidero de las ganancias no deseadas en verano.
Los materiales antes citados están caracterizados por su alta Capacidad Calorífica –es decir, por la dificultad que presentan para cambiar de temperatura cuando son expuestos a fuentes de calor- cifrada en un mínimo de 300 kcal / m3 K y por su mediana Conductividad Térmica – es decir, por su dificultad intrínseca de transmitir el calor a través de sí mismos- cifrada entre 3 y 0,60 kcal/h m K.
Los materiales antes citados también se caracterizan por su alta densidad (mínimo 700 kg/m3) de los que se excluyen los metales por su alta conductividad térmica. Su densidad marca la capacidad de amortiguamiento de las temperaturas y su espesor marcará el desfase de onda temporal.
La conjunción de las características descritas convierte a estos materiales en muy estables térmicamente y capaces de mantener unas condiciones térmicas sostenidas en el interior con independencia de las condiciones exteriores.
Para que la inercia pueda ejercer su función en la forma deseada debe acompañarse de otras acciones en la edificación, de carácter también pasivo y previo a ella. Es el diseño general de la edificación en función de las condiciones exteriores: orientación, vientos dominantes, etc. En general interesará una edificación de forma alargada con la dimensión mayor orientada a S, dispuesta en diversas plantas y con una buena relación entre la superficie exterior y el volumen interior.
Una parte de la optimización del intercambio térmico entre exterior e interior para conseguir el nivel de confort deseado seria el del control de la relación entre la superficie que encierra un volumen construido (m2) y el propio volumen (m3) y que llamamos Coeficiente de Forma (CdF): Sup / V (m-1).
Este intercambio térmico será menor cuanto menor sea el CdF, es decir, el edificio intercambiará, a igual calidad constructiva respecto de otro edificio con mayor CdF, menos energía. Esto conviene tanto más cuanto más extremos sea el clima (frío o cálido). Para la aplicación del uso de la inercia térmica interior para la climatización se tenderá a usar edificios con bajos CdF (< 0,4 m-1) al facilitar el control del comportamiento de los elementos que aportan la inercia térmica interior y resultar, en general, más fácil la captación de ganancias térmicas que su disipación.
Al tratarse de cuerpos sólidos su cesión –o absorción- de calor se efectuará por el sistema de Radiación, es decir, que la transmisión del calor dependerá de las temperaturas de cada uno de los elementos entre los que se establezca y que tenderán a igualarse y de las superficies expuestas de cada uno. El intercambio térmico por radiación se optimiza a medida que se aumentan las superficies expuestas al necesitar unas temperaturas más similares y, por tanto, una menor aportación energética a la superficie radiante.
La relación de superficie de los elementos radiantes y la de la superficie útil variará entre 1 y 3,5 (especialmente importante si debe ponerse énfasis en la refrigeración).
La masa térmica deberá distribuirse tan uniformemente como sea posible en el espacio interior y exponerse, tanto como se pueda, a la radiación solar directa y no deben considerarse espesores útiles, a efectos de climatización, superiores a 15 cm.
El segundo paso es conseguir que la inercia trabaje solo con los interiores y conseguiremos lo propuesto con cerramiento ventilado y aislamiento. Es fundamental que tanto en cubiertas como en la parte opaca de las fachadas el aislamiento se coloque por la cara exterior de la hoja pesada del cerramiento para que la inercia de esta trabaje para el interior evitando los puentes térmicos.
El aislante será cualquier material de baja densidad (< 100 Kg/m3), baja capacidad calorífica (< 35 Kcal/m3 K) y muy baja conductividad térmica (< 0.05 kcal/h m K) fijado a la hoja interior.
El aislante se protegerá exteriormente con un capa también fijada mecánicamente a la hoja interior del cerramiento y conformando una cámara de aire ventilada entre sí mismo y el aislante. Este material deberá resistir a los agentes climáticos más extremos (radiación solar intensa, granizo, viento fuerte, etc.). Debería poderse graduar el nivel de ventilación de la cámara de aire. En la estación fría conviene que el nivel de ventilación de la cámara sea mínimo para inmovilizar, en gran parte, el aire caliente existente en ella y disminuir las perdidas. En la estación cálida la cámara deberá ventilarse intensamente de forma que se disipe el calor en ella generado. El aislante impedirá que este calor pase al interior. No respetar la colocación de la cámara de aire significará, con toda probabilidad, que en verano el calor penetrará en el interior con independencia del espesor del aislante.
La estrategia general para un funcionamiento ajustado a las necesidades consistirá en añadir a su resistencia característica al cambio de temperatura y su capacidad de almacenamiento la acción de su Activación que, en líneas generales, consistirá hacerle llegar las ganancias energéticas en la estación fría e impedir su llegada en la estación cálida y convertirla, además, en el sumidero por el que se disipen las aportaciones indeseadas.
De nuevo se contará para la Activación, en primer lugar, con las ganancias –o pérdidas- pasivas. En latitudes de clima cálido la principal aportación pasiva será la solar que se favorecerá en invierno y se impedirá en verano. Dispositivos sencillos como voladizos fijos de geometría correcta o toldos exteriores escamoteables a discreción u otros dispositivos de directriz horizontal funcionan muy correctamente en orientaciones S / N (según sea en cada hemisferio).
Voladizos volumétricos, toldos u otros dispositivos exteriores de directriz vertical serán buenos reguladores para impedir las aportaciones de la orientación O. La relación entre la superficie de la superficie acristalada orientada a S y la superficie útil variará entre 0 y 0,33 y la relación entre la superficie de la masa térmica y la superficie acristalada orientada a S variará entre 1 y 8 (especialmente importante si debe ponerse énfasis en la calefacción). Un sobredimensionado de esta superficie puede ser nefasto en verano y aún en invierno.
Otros dispositivos pasivos que ayudaran de forma decisiva a optimizar el comportamiento de la inercia térmica interior tienen que ver con la envolvente exterior, fundamentalmente, fachadas y cubiertas. Para ello es fundamental el control de pérdidas en invierno y su promoción en verano. Las fachadas contienen el elemento que más pérdidas produce al interior que son sus huecos, en segundo lugar están las cubiertas y en tercero la parte opaca de las fachadas. Deberán estudiarse los huecos de fachada (dimensionado, materiales, etc.) en función de su orientación y del uso de los espacios atendiendo a que en orientaciones portadoras de ganancias convienen grandes huecos pero que por la noche pueden ser fuente de pérdidas, mientras que para orientaciones no portadoras los huecos sólo serán fuentes de pérdidas, por tanto, conviene en estas situaciones carpinterías con rotura de puente térmico, vidrios dobles y/o de baja emisión, etc. En fachadas captadoras deberá estudiarse el balance entre la aportación energética y las pérdidas nocturnas (superiores ambas, con vidrio sencillo en comparación con un vidrio doble) según haya que poner el énfasis en la calefacción o la refrigeración.
Las cubiertas al estar muy expuestas tanto a la radiación solar durante el día como a la bóveda celeste por la noche y, por tanto, a temperaturas extremas en ambos sentidos son de difícil uso como elementos climatizadores con sistemas pasivos debiendo entenderse, en tanto que sistemas pasivos, en sentido contrario: deben impedir las aportaciones excesivas de día e impedir las pérdidas excesivas por la noche.
Lo descrito para las cubiertas vale también para la parte opaca de las fachadas, especialmente para las expuestas fuertemente a la radiación solar (orientaciones S y O) aunque puedan disponer, más fácilmente que las cubiertas, de protecciones solares (voladizos, etc.). También es muy importante que la cámara tenga un grosor tal que puedan darse corrientes convectivas de aire en su interior (≥ 3 cm) que disipen el calor generado por la parte superior en verano y poder minimizar este movimiento en invierno para inmovilizar el aire caliente y, en ambos casos, secar la cara interna del cerramiento exterior que debe considerarse mojada cuando llueve.
Las fachadas orientadas a E y N pueden considerarse una variante que, dado que no son orientaciones captadoras de energía y sí generadoras de pérdidas, puede prescindirse en ellas de la cámara de aire pero se debería aumentar el espesor del aislante y colocar una barrera de vapor en su cara interna para evitar condensaciones en el interior de la fachada.
La ventilación cruzada por aberturas en fachadas opuestas garantiza, por sí sola, la renovación del aire interior durante el día y la posibilidad de enfriar los elementos interiores durante las noches de verano.
Cuando los sistemas estrictamente pasivos no sean suficientes deberán implantarse los sistemas activos así en los climas cálidos, en general, con muchas horas al año de radiación solar directa pueden usarse captadores solares activos sin vidrio que al no disponer del efecto invernadero que este aporta son menos eficaces pero suficientes. Pueden conformar fácilmente una cubierta metálica y ligera y durante el día no sólo ayudan a la calefacción del interior sino que también calientan el agua sanitaria. Se trataría de conectar estos captadores con los principales elementos que aportan la inercia al interior principalmente forjados y hojas interiores de los cerramientos para su activación.
El sistema convierte a los elementos activados en auténticos radiadores (más de un 60% de la transmisión del calor es por este sistema) con una gran superficie de intercambio por lo que es el sistema que trabaja con las temperaturas más cercanas a las de confort. El sistema es auto-regulante, es decir, sólo cede calor en aquellos espacios que lo requieren y es sensible a las aportaciones exteriores al mismo, por ejemplo a las aportaciones solares pasivas o las propias del espacio interno (alumbrado artificial, electrodomésticos, etc.). Incluso sin necesidad de las aportaciones activas el sistema es un “transportador” de energía de aquellas partes “sobre-alimentadas” (por ejemplo donde llega la radiación solar directa) a las que no tiene ninguna aportación local directa o muchas pérdidas (por ejemplo fachadas no soleadas).
El funcionamiento descrito corresponde al régimen de día (cuando se detecta energía en los captadores) tanto en invierno como en verano aunque en este último solo para el calentamiento del agua sanitaria.
En las noches de verano el sistema funcionará como un “sumidero” que extrae energía del interior a base de enfriar los elementos que le aportan la inercia y cederla a la bóveda celeste.
Gran parte de la eficiencia se sistema se basa en el efecto acumulativo del sistema: la estabilidad y continuidad que aporta la gran inercia; su sensibilidad a las aportaciones externas; su capacidad para almacenar estas aportaciones y su forma de cederlas al espacio interior sólo cuando se requiere y con un tipo de onda muy adecuado para el confort personal.
Se complementa la estrategia con una producción energética centralizada que alcanza su máxima eficacia con un control y gestión también centralizada y comunitaria (en caso de edificación plurifamiliar) que apenas deberá complementarse con aportaciones energéticas de origen no-renovable y, indistintamente, de gestión particular o comunitaria.
Se propone, pues, el uso de la inercia térmica de los principales elementos conformadores de la arquitectura como estrategia general para la climatización interior en zonas planetarias de clima complejo por el cúmulo de eficiencias que comporta; su adaptabilidad a fuentes diversas de suministro energético de origen renovable; no comporta sobre-costes de construcción; es capaz de adaptarse a las condiciones socio-económicas que impone el coste del suelo y es nominalmente suficiente para la asunción del confort requerido en todo el ciclo anual de forma equilibrada y saludable.
Bibliografía
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