En los dos artículos anteriores introdujimos primero el problema energético, la importancia que tienen los edificios como grandes consumidores de energía y describimos el marco reglamentario [1] y a continuación definimos cómo alcanzar la transmitancia térmica que exige el Documento Básico de Ahorro de Energía (DB-HE) [2]. En esta última parte de la serie, añadimos la inercia térmica como estrategia de diseño energético y cómo tratar de extraerle el máximo provecho.

Definición

Se define masa térmica como la capacidad de los materiales de acumular y liberar calor progresivamente, según si el material está a más o menos temperatura que el aíre con el que interactúa. En cuanto a la inercia térmica, se refiere a la capacidad que adquiere el edificio para amortiguar la influencia de la temperatura exterior sobre las condiciones térmicas interiores.

Aunque no guarda una relación estrictamente proporcional, si se puede afirmar que depende de la densidad del material (↑), de su calor específico (↑) y es inversa a su conductividad térmica (↓). De esta forma, los edificios de gran inercia térmica tienen variaciones de temperatura más estables, causando dos efectos resultantes si comparamos la evolución de la temperatura interior del edificio con respecto a la que se produce en el ambiente exterior:

  • Atenuación: suaviza las temperaturas, reduciendo la importancia de los picos de calor/frío.
  • Retardo: retrasa el efecto de esa subida o bajada de temperaturas, consiguiendo unos valores más estables y mantenidos en el tiempo.

Figura.- La influencia de la masa térmica sobre el confort. Para que se active, es necesario que exista un gradiente térmico entre el día y la noche

Contribución de la inercia térmica para reducir los aportes de energía

Con una elevada inercia térmica, 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. No obstante, debe distinguirse la época en que estemos operando:

– En verano (o climas cálidos, exceptuando aquellos con gradiente térmico pequeño)

En el caso de un edificio expuesto a una temperatura exterior alta y sometido a la acción directa de la radiación solar, la temperatura exterior del cerramiento se elevará durante el día produciéndose una transferencia de calor hacia el interior del edificio, a lo que habrá que añadir las cargas internas (personas y actividad en el interior del edificio, iluminación artificial, funcionamiento de máquinas que liberan calor, etc.)

Durante la noche, bien las ventanas se abren para ventilar el interior, o bien mediante dispositivos de ventilación forzada, para refrescar los elementos de hormigón (techos, paredes,…), que a su vez liberan el calor acumulado, se compensa la caída de temperatura y produciéndose el efecto inverso de transferencia de energía térmica.

Puede llegarse al caso extremo de que todas las necesidades de refrigeración, podrían obtenerse de la masa térmica. Y así continuar de manera cíclica cada día.

– En invierno (o climas fríos)

En el caso opuesto, la carga térmica interna alcanzada es mucho menor, aunque se puede activar la masa térmica a partir de las fuentes de generación de calor. El mecanismo de funcionamiento es esencialmente el mismo.

Durante el día, se habilitan las ventanas para que se capte el máximo de radiación solar, especialmente si la fachada está orientada al sur. Durante la noche, el calor absorbido durante el día se libera para compensar la caída de temperatura. Las cortinas o persianas se cierran para minimizar las pérdidas de calor hacia el exterior. Igualmente estas técnicas se pueden reforzar con elementos captadores especialmente diseñados: muros solares, galerías acristaladas, invernaderos adosados, o teniendo en cuenta la ventilación, muros trombe, etc.

Activación de la inercia térmica

La inercia térmica debe activarse para poder aprovecharla realmente y que conduzca a reducciones de la demanda de energía y a mantener la temperatura en el interior dentro del rango de confort térmico.

– Mediante la circulación forzada de aire:

Consiste en hacer circular corrientes forzadas de aire rozando estos elementos masivos de manera que se incremente la eficiencia en el proceso de intercambio de calor entre la superficie masiva y el aire resultando una refrigeración más rápida y efectiva. Se puede llevar a cabo mediante extractores, aunque el flujo de aire podría suponer una incomodidad para los inquilinos del edificio; o bien directamente en el caso de los forjados, a través de los huecos de las placas alveolares.

El intercambio de calor entre una superficie y el aire depende de tres variables:

  • El área de la superficie;
  • El gradiente térmico entre la superficie y el air;
  • El coeficiente de película, que a su vez depende múltiples variables entre las que destacan el tipo de convección (forzada o natural), el régimen del fluido (laminar o turbulento) y la velocidad de flujo.

Tanto la superficie como el gradiente de temperatura son parámetros fáciles de calcular y todos los programas informáticos los utilizan en sus cálculos. Sin embargo, el coeficiente de película suele ser un parámetro mucho más difícil de evaluar. El Manual de aplicación de la inercia térmica de ASA – IECA [3] presenta unos valores de coeficientes de película en función de la/s apertura/s de entrada y/o salida de aire, el tipo de ventilación (lineal o cruzada), el número de renovaciones de aire y la configuración geométrica de las estancias, a fin de facilitar la introducción de este valor en los programas de simulación energética de edificios. Este valor interesa que sea lo más alto posible (4 – 6 W/m2K) para aumentar la capacidad de intercambio de calor entre masas (techos, paredes…) y el aire interno de las estancias.

– Activación térmica de estructuras de hormigón

Se hace circular agua por unos tubos embebidos en la estructura, controlando la temperatura de la misma, mientras esta estructura, gracias a su inercia térmica, actúa como sumidero o fuente de calor en función de las necesidades, y estabiliza la temperatura interior del edificio.

Cuándo se optimiza la inercia térmica

Es fundamental apuntar que la inercia térmica no siempre es necesaria y su consecución será razonable en determinados casos, como es el caso de edificios en que la evolución térmica es cíclica, por ejemplo, viviendas en los países más cálidos, en edificios de uso terciario, data centers, etc. en que la máxima tasa de actividad interna suele coincidir con la máxima temperatura exterior, y siempre y cuando se establezcan sistemas de ventilación nocturna, o permita la apertura de ventanas.

También hay que combinarla con el aislamiento térmico necesario, que ya describimos en el artículo anterior. Para sacar el máximo provecho de ambas estrategias de diseño energético, el edificio debe cumplir al menos estas condiciones:

  • El aislamiento debe ser el adecuado y siempre por el exterior con un doble objetivo, eliminar los puentes térmicos y permitir que los paramentos masivos puedan intercambiar calor o frío con el aire de las estancias.
  • Los elementos pasivos más eficientes son siempre los techos, ya que apenas tiene elementos que impidan el intercambio de calor más allá de las luminarias y además tienen una superficie de intercambio muy relevante, por lo que es muy recomendable buscar sistemas que permitan desviar la radiación solar o la circulación del aire hacia dichos elementos masivos del interior de la vivienda, como pueden ser lamas en las ventanas u otros elementos similares.

El hormigón prefabricado como solución constructiva de alta inercia térmica

Son varios los materiales de construcción que ofrecen una elevada masa térmica, pero el único que además tiene capacidad estructural es el hormigón. Y en su versión prefabricada, se añaden todas las ventajas adicionales que ofrece la industrialización de los elementos. La inercia térmica es una característica cuyo efecto puede incrementarse mediante el empleo de técnicas o dispositivos adicionales, en los que los sistemas prefabricados de hormigón pueden ser excelentes contenedores.

Figura.- Colocación de encapsulado con materiales de cambio de fase (PCM´s) dentro de los alveolos de una placa, para mejora de la eficiencia energética

También es posible la incorporación de estos PCM´s, bien en estado sólido o encapsulados, en paneles prefabricados de hormigón.

Figura.- Panel prefabricado de hormigón multicapa. Fuente: Proyecto INPHASE

De esta forma, este almacenamiento/liberación de energía se puede controlar y monitorizar para que se produzca en los periodos que realmente se necesiten, como sucede con las estructuras termoactivas.

Referencias

[1] Los prefabricados de hormigón ante el problema energético. Parte 1: Contexto https://www.andece.org/los-prefabricados-de-hormigon-ante-el-problema-energetico-parte-1-contexto/

[2] Los prefabricados de hormigón ante el problema energético. Parte 2: El aislamiento térmico https://www.andece.org/los-prefabricados-de-hormigon-ante-el-problema-energetico-parte-2-el-aislamiento-termico/

[3] Manual de aplicación de la inercia térmica. ASA – IECA https://bit.ly/2Jadslq

[4] La inercia térmica del hormigón en el nuevo CTE https://youtu.be/lHXS9lLicyE

[5] “Sostenibilidad aplicada a la construcción prefabricada de hormigón” https://bonificado.indespre.com/curso-sostenibilidad-aplicada-a-la-contruccion-prefabricada-de-hormigon