Un "edificio de almacenamiento en frío" es un edificio o una porción de un edificio o de una estructura diseñados para extender la vida útil de productos o materias primas perecederos. Existen diversos niveles de almacenamiento en frío, como refrigeradores, frigoríficos, congeladores de conservación y ultracongeladores. La temperatura de los refrigeradores varía entre, aproximadamente, 32 y 55 °F (entre 0 y 13 °C), mientras que los ultracongeladores pueden tener temperaturas internas de -20 a -50 °F (de -29 a -46 °C)1. La mayor diferencia desde la perspectiva del techo radica en la cantidad de aislante para los diversos niveles de almacenamiento en frío.
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La principal inquietud para el diseño adecuado de techos de un edificio de almacenamiento en frío consiste en la significativa conducción del vapor que se produce, principalmente, desde el exterior más cálido hacia el interior más frío. Eso nos lleva directamente a dos aspectos cruciales del diseño de techos: 1) instalación adecuada de un retardador de vapor para manejar la conducción del vapor y 2) detalles adecuados para evitar la infiltración o exfiltración de aire en transiciones y penetraciones de cerramientos. Asimismo, la reducción o eliminación de los puentes térmicos es importante debido a la necesidad fundamental de un límite térmico altamente efectivo que, por supuesto, mantiene los artículos dentro del edificio de almacenamiento en frío a la temperatura adecuada y, a la vez, utiliza la menor cantidad de energía posible.
La perspectiva de la ciencia de la construcción
Un edificio de almacenamiento en frío es un excelente ejemplo de la necesidad de comprender los aspectos básicos de la segunda ley de la termodinámica. Esos principios son:
- El calor se mueve hacia el frío
- La humedad se mueve hacia lo seco
- La alta presión se mueve hacia la baja presión
Figura 1: ilustración de la segunda ley de la termodinámica
Como punto importante, el calor, la humedad y la presión siempre apuntan a igualarse a través de un límite. En un edificio de almacenamiento en frío, este límite es el cerramiento del edificio; es decir, el techo y las paredes.
Conducción de vapor y condensación
Los edificios de almacenamiento en frío se mantienen a temperaturas que en general son mucho más bajas que la temperatura exterior. En los edificios de almacenamiento en frío, el aire exterior cálido y húmedo quiere ingresar en el edificio de almacenamiento en frío. Esto es especialmente así en los climas sureños y, por lo general, sucede en la mayoría de las ubicaciones geográficas de los EE. UU., la mayor parte del año. Profundizaremos en eso más adelante. Por lo tanto, la dirección de la conducción del vapor se da, principalmente, desde el exterior hacia el interior. Eso significa que la membrana para techo actuará como el retardador de vapor y barrera de aire que impide el ingreso del vapor y del aire en el sistema del techo y que impide que se generen problemas de condensación.
Durante el año, es posible que haya oportunidades en las que, en climas más fríos, en los edificios de almacenamiento en frío de rangos de temperatura más altos, como un refrigerador con una temperatura entre 32 y 55 °F (entre 0 y 13 °C), se observe una conducción del vapor desde el interior hacia el exterior, debido a que afuera hace más frío que adentro. Sin embargo, probablemente esto no generará problemas, por dos motivos. En primer lugar, la cantidad de humedad en el interior de una unidad de almacenamiento en frío es baja debido a su humedad relativa baja; por ejemplo, en comparación con el interior de un edificio de oficinas, no hay demasiada humedad. En segundo lugar, debido a que la conducción del vapor también está relacionada con diferencias de presión, un espacio frío y seco (el interior de una unidad de almacenamiento en frío) no ejerce una presión sustancialmente mayor que la del aire frío y seco del exterior en un clima invernal. En definitiva, en los climas del norte, las unidades de almacenamiento en frío no deberían experimentar un incremento de humedad en el sistema de techo. Además, cualquier incremento de humedad en el invierno volvería a la porción de almacenamiento en frío durante los meses de verano más cálidos.
Fugas de aire
Comparativamente, la humedad transportada por aire es un mayor problema que la conducción del vapor, debido a la cantidad real de humedad transportada en cada proceso.
El National Research Council Canada recopiló datos de investigación que ilustraron cómo incluso aberturas pequeñas pueden afectar el rendimiento general relacionado con fugas de aire. Por ejemplo, solo alrededor de 1/3 de un cuarto de galón de agua se difundirá a través de una capa continua de 4 ft por 8 ft de yeso durante un período de un mes, aunque los tableros de yeso tienen una muy alta permeabilidad.
Sin embargo, si en esta misma capa de yeso, hay un orificio de 1 in², a causa de la fuga de aire, alrededor de 30 cuartos de galón de agua pueden propagarse por la abertura. Esta relación se ilustra en la Figura 2. Este ejemplo ilustra que la fuga de aire puede causar más problemas relacionados con la humedad que la difusión del vapor.
Figura 2: fuga de aire frente a difusión de vapor (fuente: Building Science Corporation)
De manera acorde, es fundamental que un sistema retardador de vapor sea continuo cuando se utilice en edificios de almacenamiento en frío, para que también actúe como barrera de aire. (Para conocer más detalles, consulte nuestro blog acerca de Barreras de aire y retardadores de vapor). Los traslapos, las penetraciones y las interfaces techo-pared deben sellarse para evitar fugas de aire, porque la discontinuidad permitirá la infiltración de aire, lo que, a su vez, generará problemas de condensación. Como hemos mencionado anteriormente, la membrana para techo suele actuar como retardador de vapor/barrera de aire.
Conceptos básicos del diseño del almacenamiento en frío
Un edificio de almacenamiento en frío debe tener un cerramiento de edificio continuo, sin interrupciones, con estos atributos:
- Una cantidad adecuada de aislante y un método de acoplamiento adecuado para mantener la temperatura interior y minimizar la pérdida térmica
- Compensación según la expansión y contracción térmica
- Control del movimiento del aire y vapor de agua
La manera más común de lograr estos objetivos comprende el uso de un sistema de cerramiento exterior (EES). El método de EES utiliza un retardador de vapor que se ubica en el lado exterior del sistema estructural del edificio. Más específicamente, el retardador de vapor encapsula al edificio y se ubica sobre la capa de aislante del techo, en la parte externa de la capa de aislante de la pared exterior y debajo del piso. Este concepto se muestra en la Figura 3.
Figura 3: diagrama conceptual del sistema de cerramiento exterior para edificios de almacenamiento en frío.
Consideraciones de diseño para almacenamiento en frío
Para el diseño y la construcción de edificios de almacenamiento en frío, debe tenerse en cuenta lo siguiente:
- Ubicación del edificio
- Valores de diseño
- Aislante para techos
- Cortos térmicos/puentes térmicos
- Expansión y contracción
- Fugas de aire y movimiento del vapor de agua
- Clasificación de permeabilidad del retardador de vapor
Ubicación del edificio
En climas cálidos (p. ej., Dallas), la dirección de conducción del vapor predominante es hacia el interior; por lo tanto, la ubicación más efectiva para un retardador de vapor/una barrera de aire es en el exterior del aislante para techos. En la mayoría de los casos, la membrana para techos será el retardador de vapor.
En climas moderados (p. ej., Nashville y Kansas City), la conducción del vapor puede darse en cualquier dirección y la ubicación del retardador de vapor/de la barrera de aire depende de la dirección predominante de la conducción del vapor. Sin embargo, debido a que, por lo general, hay más humedad total en el aire durante los meses de verano (en comparación con los meses de invierno), la conducción de vapor predominante se da hacia el interior del edificio. En este caso, la membrana para techo también será el retardador de vapor.
En climas fríos (p. ej., Buffalo), la conducción del vapor se invertirá cuando la temperatura externa sea más fría que la temperatura interior, pero existen menos probabilidades de problemas de condensación porque el aire frío tiene una cantidad de humedad relativamente baja; además, porque las temperaturas a menudo son similares, la conducción del vapor es menos significativa.
Valores de diseño
Si un diseñador de sistemas de techo opta por llevar a cabo un análisis higrotérmico o del punto de condensación para confirmar la ubicación del retardador de vapor/de la barrera de aire, se necesita lo siguiente:
- Temperatura de bulbo seco interior
- Humedad relativa interior
- Temperatura de bulbo seco exterior
Estos valores son teóricamente constantes sobre la base de supuestos de diseño en un único punto en el tiempo, pero, en realidad, pueden cambiar de un día al otro y de una estación a la otra.
Aislante para techo
El aislante desempeña un papel fundamental en el rendimiento del cerramiento de un edificio de almacenamiento en frío. Para minimizar la posibilidad de condensación en el interior, deben utilizarse cantidades adecuadas de aislante, para que las superficies internas del cerramiento del edificio queden por encima del punto de condensación. La selección de valor R y tipo de aislante se ve afectada por numerosos factores, como cost, eficiencia energética deseada, propiedades de materiales adecuadas, temperaturas de diseño interior y condiciones climáticas. La Figura 4 ofrece sugerencias de valores R mínimos para aislante para techos en edificios de almacenamiento en frío.
Figura 4: valores R mínimos sugeridos para aislante para techos2
El tipo de aislante usado debe ser adecuado y compatible para el uso en un edificio de almacenamiento en frío. Un tipo de aislante usado comúnmente es el aislante de espuma de celda cerrada, como el aislante de poliisocianurato EnergyGuard™ de GAF. Aquí, se muestra un imprimador en el aislante para techos. Asimismo, las penetraciones de techos, como bordes mecánicos, trampillas de techos, parapetos y bordes de techos, deben estar aisladas de forma adecuada y selladas herméticamente.
Cortos térmicos/puentes térmicos
Los diseñadores deben prestar mucha atención a los cortos térmicos (p. ej., brechas entre los tableros) y puentes térmicos (p. ej., sujetadores y placas de metal) al diseñar sistemas de techos sobre edificios de almacenamiento en frío.
Para reducir los efectos de los cortos térmicos, deben instalarse, al menos, dos capas de aislante para techos con juntas desfasadas (de forma vertical y horizontal) para minimizar las fugas de aire y el movimiento. Deben rellenarse las brechas entre los tableros de aislante.
Para reducir los efectos de los puentes térmicos, deben adherirse la membrana para techo y la(s) capa(s) superior(es) de aislante de tablero rígido. Debe evitarse el uso de sujetadores mecánicos como método para asegurar la membrana para techo y la(s) capa(s) superior(es) de aislante de tablero rígido. Cuando el sustrato sea una cubierta del techo de acero, la primera capa de aislante (es decir, la capa en contacto directo con la cubierta del techo) podrá acoplarse mecánicamente. Las capas subsiguientes deben instalarse con adhesivos para reducir o eliminar los puentes térmicos.
Expansión y contracción
Deben tomarse medidas para contrarrestar el movimiento por temperatura en edificios de almacenamiento en frío. El movimiento del edificio puede conducir a roturas o daños en los retardadores de vapor/las barreras de aire o en el sistema de techo.
A causa de la expansión y contracción térmicas, así como de la vibración, las tuberías en los techos y las paredes pueden moverse, por lo que es importante seleccionar tapajuntas de penetraciones de tuberías que puedan adaptarse al movimiento, como fundas tapajuntas prefabricadas.
Fugas de aire y movimiento del vapor de agua
Cuando existen vías para el movimiento del vapor de agua y del aire dentro del cerramiento del edificio, se generan problemas. Es crucial que el retardador de vapor y el sistema de techo sean continuos, estén conectados a la barrera de aire de la pared y estén completamente sellados en:
- Traslapos y uniones
- Penetraciones de techos, es decir, tuberías, miembros estructurales, bordes mecánicos, trampillas de techos, etc.
- Intersecciones/interfaces de pared-techo
Es prudente limitar la cantidad de penetraciones a través del sistema de techo. Además, si se utiliza un retardador de vapor/una barrera de aire independiente (en lugar de que la membrana para techo actúe con esa función), evita acoplar el sistema de techo a través del retardador de vapor con sujetadores mecánicos en edificios de almacenamiento en frío. Esto mantiene la integridad del retardador de vapor y elimina los puentes térmicos de sujetadores.
Debe prestarse atención especial a cubiertas de techos de acero que se utilizan en muchos edificios de almacenamiento en frío. Sellar las cubiertas de techos de acero en paredes y penetraciones puede representar un desafío. Las flautas de cubiertas pueden actuar como "conductos" o vías a través de las que pueden fluir el aire y la humedad transportada por el aire. Para minimizar estos efectos, las flautas pueden rellenarse con espuma de poliuretano en aerosol de celda cerrada, en ubicaciones de paredes y penetraciones.
Clasificación de permeabilidad de retardador de vapor
Por lo general, los retardadores de vapor son membranas con valores de permeabilidad relativamente bajos, pero no todos los retardadores de vapor son iguales. Existen tres clases de materiales de retardadores de vapor, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5: Tres clases de retardadores de vapor
La mayoría de las membranas de techo son retardadores de vapor de Clase I. La clasificación de permeabilidad para membranas de una sola capa varía entre 0.03 y 0.06 perm. Los fieltros asfaltados son un ejemplo de retardador de vapor de clase II, que tienen una clasificación de permeabilidad que varía entre 0.3 y 0.8 perm. Las pinturas de látex o acrílicas son un ejemplo de retardador de vapor de clase III. En los edificios de almacenamiento en frío, GAF recomienda usar retardadores de vapor de clase I. Es importante recordar que estas son clasificaciones de materiales; el sistema completo debe estar diseñado e instalado correctamente para que funcione adecuadamente.
Los edificios de almacenamiento en frío son singulares por sus temperaturas interiores bajas, que generan conducción del vapor y un potencial significativo de infiltración del aire. Para el éxito a largo plazo, es primordial considerar la ciencia detrás del movimiento del calor, del aire y de la humedad al diseñar el sistema de techo de un sistema de almacenamiento en frío. Para obtener más información, consulta el documento nuevo de GAF, "Una guía para el diseño de sistemas de techos para almacenamiento en frío"
1 "Energy Modeling Guideline for Cold Storage and Refrigerated Warehouse Facilities", emitido por la International Association for Cold Storage Construction y la International Association of Refrigerated Warehouses
2"Energy Modeling Guideline for Cold Storage and Refrigerated Warehouse Facilities", emitido por la International Association for Cold Storage Construction y la International Association of Refrigerated Warehouses.
