Propiedades térmicas de los materiales

El conocimiento de las propiedades térmicas de los materiales utilizados en edificaciones, constituyen un factor importantísimo para de antemano conocer su desempeño térmico mediante cálculos de transferencia de calor que ayudan a gestionar mejor los flujos de calor y, posteriormente lograr temperaturas interiores confortables. Si a ello le sumamos el aprovechamiento energético pasivo con energía solar un diseño bioclimático acorde con la climatología de la zona, las condiciones de comodidad térmica se acrecentaran y la dependencia de equipos u objetos de calefacción y/o refrigeración disminuirán.

Antiguamente las personas construían sus viviendas o refugios de acuerdo a la disponibilidad de materiales locales brindados por la naturaleza, entre ellos, tierra, madera, piedras, y aislantes naturales como paja o lana de oveja para protegerse del clima. El diseño lo realizaban a criterio según la convivencia con su entorno ambiental conociendo la puesta y ocaso del sol, el movimiento de los vientos, y las temporadas de invierno y verano, además, del criterio en el uso de los materiales para construir sus viviendas tanto en techos y paredes que bastaban para lograr su comodidad y habitabilidad donde de por medio estaban involucrados las propiedades térmicas de los materiales.

La decisión de usar un determinado material tendrá un impacto en el desempeño térmico y energético en las edificaciones o viviendas, no todos los materiales son iguales ni tienen las mismas propiedades, asimismo, no todos los materiales tienen el mismo comportamiento ante diferentes condiciones climáticas. Conociendo con detalle las características térmicas de los materiales empleados en la construcción de viviendas garantiza tomar decisiones adecuadas en su diseño.

Las propiedades térmicas nos indican cual es el comportamiento o reacción de los materiales cuando son sometido a fluctuaciones térmicas (exceso o deficiencia de calor). Para el diseño bioclimático es necesario y obligatorio el conocimiento de dichas propiedades las cuales describiremos a continuación.

Capacidad calorífica (C)

La energía externa necesaria para aumentar la temperatura de una masa sólida se conoce como la capacidad calorífica de los materiales. Se define como la habilidad de los materiales para absorber calor y cambiar su temperatura en un grado (°C o K).

Donde dQ es la energía necesaria para producir un cambio dT en la temperatura. Tiene unidades como J/mol-K o Cal/mol-K. La capacidad calorífica no es una propiedad intrínseca, es decir, cambia con el volumen/masa del material.

Calor específico (c)
Si dividimos la capacidad calorífica de un objeto por su masa, obtenemos una cantidad conocida como el calor específico del objeto. El calor específico no depende del tamaño o la forma de un objeto, sino sólo del material del que se fabrica. El agua tiene un calor específico grande de 1caloría por gramo por grado Celsius o 4,186 julios por kilogramo grado Celsius. El hielo flota porque el volumen de agua aumenta cuando se congela. Esto está conectado con el cambio en el calor específico del agua cerca de 0°C.

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de masa para elevar la temperatura un grado Celsius y esta representado por:

La unidad del calor específico en el sistema internacional es J/kg°C.

Fuente: https://diccionario.motorgiga.com/calor-especifico

Conductividad térmica (k)
Es la capacidad o habilidad de un material para transferir el calor.Si hay un gradiente de temperatura, el calor fluirá desde la región de temperatura más alta a más baja. Esta es la conducción térmica.

El coeficiente de conductividad térmica, k [W/(m·K)], es una medida de la velocidad q(W) a la cual el calor fluye a través de un material. Es el coeficiente de transferencia de calor a través de una diferencia de temperatura en estado estacionario (T2 - T1) a lo largo de una distancia (x2 - x1), o:

Fuente:https://es.khanacademy.org

Expansión térmica
Es la expansión de los materiales cuando se calientan. La mayoría de los materiales se expanden cuando son calentados y se contraen cuando son enfriados. El cambio de longitud con la temperatura en un material sólido puede expresarse de la siguiente manera:

Donde ∆L es el cambio de longitud debido a un aumento en la temperatura ∆T. 𝛂l es el coeficiente lineal de expansión térmica.

Fuente:https://yulitiqueesquivel.wordpress.com

Esfuerzo térmico (𝛔)
Los esfuerzos debidos a cambios de temperatura o debido al gradiente de temperatura se denominan tensiones térmicas. Si sujetamos rígidamente los extremos de una varilla para evitar su expansión o contracción y luego variamos la temperatura, aparecerán esfuerzos de tensión o comprensión llamados esfuerzos térmicos.

Donde 𝛂 es el coeficiente lineal de expansión térmica y E es el módulo de elasticidad.

Inercia Térmica en Edificaciones y/o Viviendas

Muchas de las normatividades en confort térmico especialmente en Lationoamerica consideran como indicador de evaluación del desempeño térmico de sistemas constructivos ya sean de techos, pisos o paredes, el cálculo de la resistencia térmica o transmitancia térmica en estado estacionario, generalmente dicho indicador es considerado como el más importante para reducir la demanda energética del edificio.  Otros como la española por ejemplo (Código Técnico de la Edificación CTE DC‐HE), consideran en sus normatividades la inercia térmica como resultado de la transferencia de calor dependiente del tiempo (estado transitorio), que permite realizar un análisis más realista dado que la temperatura y radiación solar en todo momento dependen del tiempo. La inercia térmica es importante en aquellos climas donde la radiación solar es significativa y la oscilación térmica diaria importante, dichas características climáticas se presenta en las zonas rurales alto andinas del Perú, porque no aprovecharlas.

La inercia térmica es la capacidad de los materiales de almacenar calor y devolverlo en un tiempo posterior (con retardo), tienen  un alto calor específico, alta densidad, y baja conductividad térmica. Bueno materiales con inercia térmica son, el adobe, la piedra, el agua, el concreto, etc., materiales de baja inercia térmica son la madera, los aislantes, etc. La inercia térmica permite mejorar el confort térmico y reducir la demanda de energía en edificaciones en calefacción y refrigeración.

La envolvente de una edificación con alta inercia térmica, se comporta como un colector de calor, puede absorber, almacenar y liberar calor en momentos de demanda, es decir, para el caso de climas fríos como las zonas alto andinas del Perú, en el día el calor puede ser almacenado en techos, paredes y pisos, y devueltos lentamente en la noche con el propósito de mantener el interior de una edificación a una temperatura estable y confortable tal es así que se reduzca los requerimientos en calefacción y/o ventilación según fuese el caso.

Entonces, dado a que el Perú es un país cuya técnica constructiva con adobe  prevalece dado la costumbre tradicional de construcción  que es parte de nuestra identidad cultural y que debemos re-valorar (principalmente en la costa y sierra del Perú donde según INEI-ENAHO 2007  las viviendas de adobe o tapia en zona urbana representan el 23.5% y en zona rural 68.5%), se tiene que aprovechar sus bondades térmicas en especial en zonas donde la helada y frío extremo impera y azota a las poblaciones asentadas a más de 3000 msnm, su uso tiene que difundirse y su técnica de elaboración y construcción repotenciarse mediante la transferencia de conocimientos dado a que con el pasar de los años se ha ido perdiendo. 

Fig.1 Adobes de 0.40x040mx0.10m elaborados en las serranias de Piura, Yamango, Morropón.

Cuando en una construcción se utilizan materiales pesados como piedras y adobes con el propósito de obtener inercia térmica, se le denomina masa térmica. Dicha masa tiene que estar expuesta y orientada al sol para almacenar calor. Este aspecto de la inercia térmica nivela las variaciones de temperatura interiores y proporciona un clima interior más cómodo. Las paredes se sienten cálidas y la temperatura es más uniforme en el espacio y el tiempo.

Una casa sin inercia térmica será rápida para calentar, pero se enfriará también rápidamente, es el caso del uso de las calaminas metálicas en los techos en zonas alto andinas. En estos materiales no hay manera de almacenar el calor para su reutilización. Por ello, comprender el concepto de la inercia térmica es primordial para realizar buenos diseños de viviendas y/o edificios. Una alta inercia térmica combinada con bueno materiales aislantes garantiza la comodidad interior ademas del ahorro de energía en calefacción. Y el adobe es un material idóneo para aplicar estos principios.

En estos tiempos apoyarse en los cálculos dinámicos mediante herramientas de simulación es un ventaja que en otros años era imposible y los cálculos eran tediosos de realizar. En la web existen softwares de uso libre  que bien pueden ser aprovechados para realizar balances térmico energético y determinar la demanda y/o consumo de energía en una edificación. Softwares como el EnergyPlus de propiedad del Departamento de Energía de los Estados Unidos o el Ener Hábitat de propiedad de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Diseño Bioclimático

En el Perú, los sectores de la industria y construcción son los principales consumidores de energía (31,6 PJ) seguidos  muy de cerca por la minería. Como consecuencia de ello dichos sectores contribuyen a una mayor generación de Dióxido de Carbono (CO2) responsable del efecto invernadero. En el sector construcción, es posible aminorar el consumo energético y acrecentar su ahorro aplicando métodos y/o estrategias bioclimáticas con técnicas solares pasivas y/o activas sencillas a partir de un diseño apropiado (arquitectura bioclimática) complementado con tecnologías limpias integradas sobre la envolvente de una vivienda o edificación.

El diseño bioclimático es clave para que una vivienda se adapte a su entorno (climas locales) para proporcionar comodidad a sus ocupantes al mismo tiempo que contribuye al ahorro y eficiencia energética. Lograr el confort térmico en una edificación y/o vivienda con materiales ecológicos como la madera, ichu, lana de oveja, tierra, teja, etc, es viable (materiales tradicionales respetuosos con el medio ambiente y sostenibles), el adobe por ejemplo tiene una alta inercia térmica y su uso es ideal para zonas de heladas (descenso de temperatura hasta y por debajo de los 0°C) y frío extremo (temperaturas por debajo de los 6°C), ya que en dichas zonas la radiación solar bordea los 6kWh/(m2.día) como promedio anual y debido a ello, en el día el adobe acumula calor para devolverlo en las noches con un tiempo de retardo hacia los interiores de una vivienda.

Pero, la "modernidad", ha dejado de lado el uso de materiales tradicionales o vernáculos así como las técnicas constructivas ancestrales para dar paso a lo nuevo o "mejor" dado la facilidad en el uso y bajo costo como las planchas de calamina metálica. El uso de estos materiales "modernos" no encajan con lo tradicional y en vez de ello distorsionan el valor estético de las poblaciones y sus paisajes.

Antiguamente las viviendas no disponían de electricidad ni mucho menos de medios mecánicos eléctricos que permitan contar con iluminación, calefacción o ventilación, las viviendas solo dependían de su diseño pasivo y materiales locales idóneos para protegerse del frío o calor.

Hoy en día temas como el calentamiento global, el agotamiento del ozono, los desperdicios de energía y la contaminación han despertado a la industria de la vivienda y la construcción para implementar soluciones sostenibles y verdes. Se han llevado a cabo diversas investigaciones para determinar soluciones verdes adecuadas para ser implementadas en nuevas construcciones. Una de las soluciones es aplicar el enfoque de diseño bioclimático. El diseño bioclimático es un diseño sostenible que hace uso del diseño pasivo de un edificio o casa para lograr un cierto nivel de confort con el mínimo uso de energía posible y las bajas emisiones de carbono [1].

El enfoque de diseño bioclimático se utiliza para minimizar el uso de ventilación mecánica, iluminación artificial y aire acondicionado que consumen mucha energía. La implementación del enfoque de diseño bioclimático para el confort térmico debe centrarse en cuatro factores que son: la orientación del viento, el clima, la radiación solar y los materiales [1].

El diseño bioclimático apropiado se apoya de las estrategias bioclimáticas que implican una serie de técnicas diseñadas para lograr la comodidad térmica al interior de las viviendas utilizando recursos naturales locales como el sol, el viento, la lluvia, la vegetación, la nieve o el suelo. Estas técnicas implican una profunda comprensión de las características climatológicas y los recursos disponibles en la ubicación de la construcción [2]. El objetivo final es diseñar la obtención de la mejor eficiencia energética posible mediante el uso de soluciones que impliquen un impacto medioambiental mínimo a lo largo de su ciclo de vida.

Referencias

[1] F. Manzano-Agugliaro, F. G. Montoya, A. Sabio-Ortega, A. García-Cruz, Review of bioclimatic architecture strategies for achieving thermal comfort, Renewable and Sustainable Energy Reviews 49 (2015) 736–755. 

[2] J. A. Turegano, M. C. Velasco, and A. Martinez, Arquitectura bioclimatica y urbanismo sostenible

(Volumen I) (Spanish Edition). Universidad de Zaragoza, 2009.