¿Se puede mejorar aún más la eficiencia energética?
La eficiencia energética del cerramiento de un edificio se analiza generalmente en términos de resistencia térmica. Esta es una propiedad estática y no tiene en cuenta la hora del día ni los efectos de la masa térmica. Este artículo muestra cómo agregar masa térmica a un ensamblaje de techo podría ofrecer una forma de mejorar la eficiencia energética, especialmente para edificios ocupados solo durante las horas del día, como oficinas y escuelas. Además, la masa térmica podría ayudar a reducir los cambios en la demanda de la red eléctrica.
Introducción
Los códigos de construcción continúan mejorando los requisitos de eficiencia energética con la meta a largo plazo de lograr edificios con energía neta cero. Por lo general, la práctica estándar al diseñar edificios solo considera la resistencia térmica del cerramiento del edificio por su simplicidad. Conceptualmente, resistencia térmica se comprende y mide con facilidad, y sus efectos también se calculan fácilmente. Sin embargo, aunque la resistencia térmica es una propiedad de estado estable, el rendimiento térmico de los cerramientos de edificios también se ve afectado por la masa térmica y otras propiedades relacionadas. La masa térmica afecta el flujo dinámico del calor hacia y desde los edificios. Si bien es importante, la masa térmica no ha recibido tanta atención como la resistencia térmica en los techos.
En la primera parte de esta serie, se analiza el uso de masa térmica para enlentecer el flujo de calor a través de un sistema de techo. En aquellos edificios donde lo que predomina son los costos del aire acondicionado y el uso de la calefacción es relativamente bajo, los sistemas con mayor masa térmica potencialmente pueden mejorar la eficiencia energética. Esto ocurre particularmente en edificios tales como los de oficinas, que solo están ocupados durante el horario diurno. La masa térmica podría demorar la transmisión de calor hacia un edificio al final del día, lo que aumenta la comodidad térmica y permite que los gerentes de las instalaciones reduzcan la demanda de enfriamento durante el día.
En la segunda parte de esta serie, se describen las propiedades físicas que contribuyen a la masa térmica. Se detallan los valores de propiedades clave para materiales para techos comunes.
Este artículo muestra cómo la masa térmica puede afectar de manera significativa el flujo de calor mediante algunos ejemplos de sistemas de techos.
Fondo
En cualquier sistema de techo, la cantidad de energía térmica que ingresa a un edificio se reduce y retrasa como se muestra a continuación:
Normalmente, el diseño de cerramientos de edificios convencionales considera solo la resistencia térmica y no el posible efecto retardante de la masa térmica. Existen varias características clave de la masa térmica: el retraso de tiempo y el factor de reducción.
El retraso del tiempo se calcula de la siguiente manera:
Donde t[Tout(max)] y t[Tin(max)] expresan horas del día en las que las temperaturas superficiales interiores y exteriores alcanzan el máximo. El retraso del tiempo podría ser importante para edificios que están solo ocupados durante el día, como oficinas. El retraso del tiempo causado por un cerramiento de edificio podría ser el motivo por el que algunas oficinas se tornan incómodas por el calor en las últimas horas de la tarde, ya que el sistema de HVAC no puede compensar el flujo de calor hacia el interior.
El factor de reducción (DF) se calcula de la siguiente manera:
El DF es una medición del efecto de atenuación del cerramiento del edificio sobre los vaivenes de la temperatura externa.
Por último, en cualquier situación del mundo real, existe el efecto dinámico de los vaivenes de temperatura exterior, que generan una "transmitancia térmica periódica". Si la transmitancia térmica periódica es baja, habrá una reducción en el impacto de la carga térmica externa.
A continuación, se muestran las propiedades físicas clave para algunos componentes comunes del sistema de techo (la obtención de estos valores se explica en la parte dos de esta serie):
Cálculo de los efectos de la masa térmica en los sistemas de techos
El cálculo de los efectos de la masa térmica se ha descrito en la norma internacional ISO 13786. Para realizar los cálculos para cuatro sistemas de techo, se utilizó una herramienta validada de HT Flux:
El sistema 1 es un sistema bien aislado que, a menudo, se encuentra sobre plataformas de acero (valor R de, aproximadamente, 34).
El sistema 2 se incluye para fines comparativos, y no tiene una resistencia térmica adicional superior a la de la plataforma de concreto.
El sistema 3 es para una combinación de aislante de poliisocianurato sobre una plataforma de concreto estructural liviana.
El sistema 4 representa un ejemplo de sistema de techo de alto desempeño. El tablero de yeso se usa como posible base para un retardante de vapor. El poliisocianurato HD proporcionaría una mayor resistencia a los impactos.
Retraso del tiempo de temperaturas máximas
La tabla muestra el retraso de tiempo entre la temperatura externa máxima y la temperatura interna máxima. El sistema 1, que se basa en poliisocianurato sobre una plataforma de acero, tiene un retraso del tiempo de 1.64 horas. Esto potencialmente explica por qué los pisos superiores de los edificios se tornan más cálidos a media tarde en el verano. La temperatura máxima se dará entre el mediodía y la 1 p. m., con el sol encima de nuestra cabeza. Sin embargo, el flujo de calor hacia el edificio se retrasa hasta una hora entre las 2 y las 4 p. m.
Se estima que el sistema 2, un techo de concreto estructural liviano sin aislante, retrase la temperatura interna máxima alrededor de 4.24 horas. Sin embargo, una combinación de plataforma de concreto estructural liviana con poliisocianurato retrasa esa temperatura máxima más de 8 horas (sistema 3). Esto significaría que, en un edificio de oficinas, el pico de flujo de calor hacia el edificio se retrasaría hasta una hora posterior al horario laboral normal.
El sistema 4, un sistema de techo de alto desempeño sobre una plataforma de acero, retrasa la temperatura máxima 2.60 horas. Ese tipo de sistemas están optimizados para brindar resistencia a los impactos e incluyen un tablero de yeso como sustrato para un retardante de vapor. Con este retraso del tiempo, se seguiría obteniendo como resultado que el pico del flujo de calor hacia el edificio se dé durante el horario laboral, en el caso de un edificio ocupado solo durante el día.
Transmitancia térmica periódica
El sistema 3, que consta de una plataforma de concreto estructural liviana, poliisocianurato y membrana de TPO, tiene la transmitancia periódica más baja, de 0.048 W/m2K. Esto significa que el sistema 3 no solo tiene un gran retraso del tiempo en el pico del flujo de calor, sino que también la cantidad de energía que ingresa al edificio a través del techo es más baja. El aislante de poliisocianurato ayuda a resistir el flujo de calor, y el concreto estructural liviano tiene una alta densidad, de modo que absorbe el calor que llega a través del poliisocianurato. Esto tendría el efecto de atenuar de manera significativa el efecto de los vaivenes de temperatura exterior e incrementar la comodidad de los ocupantes.
En los edificios ocupados solo durante el día, como oficinas, escuelas y otros, la combinación de resistencia térmica alta con masa térmica alta podría proporcionar una ventaja significativa. La combinación de un gran retraso del tiempo con transmitancia térmica periódica baja para el sistema 3 reduciría la demanda térmica sobre los equipos de aire acondicionado y también reduciría los vaivenes de temperatura dentro del edificio. Esto mejoraría la comodidad para los ocupantes y reduciría los ciclos de HVAC. (Desde luego, los ahorros de energía no están garantizados, y el monto de ahorro puede variar según la zona climática, las tarifas eléctricas, las propiedades radiativas de los productos para techos, los niveles de aislamiento, la eficiencia del equipo HVAC y otros factores).
Otro beneficio de añadir masa térmica a los sistemas de techos podría radicar en que, al retrasar la transmisión de calor hacia un edificio, podría reducirse la demanda máxima de la red eléctrica. Por lo general, la demanda de aire acondicionado suele ocasionar grandes cargas en la red durante la tarde, en verano. Al retrasar el flujo de calor hacia los edificios, podría ser posible no solo aliviar los vaivenes de temperatura interior, sino también los vaivenes de la demanda eléctrica sobre la red.
Conclusiones
- Los datos de propiedades térmicas que se muestran aquí podrían utilizarse en ejercicios de modelado para comprender mejor cómo diseñar y optimizar edificios con eficiencia energética.
- Claramente, el concreto estructural liviano tiene una masa térmica muy superior a la de otros materiales que se usan comúnmente en sistemas de techos.
- Normalmente, el diseño de sistemas de techos convencionales solo considera la resistencia térmica. No obstante, para lograr una eficiencia energética aún mayor, podría valer la pena considerar la masa térmica, particularmente en edificios solo ocupados durante el dia (por supuesto, la idoneidad de un diseño de techo particular para un proyecto específico depende de numerosos factores que deben ser evaluados y priorizados por el profesional de diseño).
- Si bien este artículo sugiere que incluir masa térmica en el cerramiento de un edificio podría generar beneficios, debe tenerse en cuenta que existen otros factores que no se tuvieron en cuenta aquí. Estos incluyen condiciones climáticas realistas, interacciones de los ocupantes y geometría general de un edificio.
Le agradecemos a Martha VanGeem (www.vangeemconsulting.com) por dejar sus comentarios en un borrador anterior de este artículo. Martha es una importante voz autorizada en el uso de masa térmica en la construcción tanto para mejorar la eficiencia energética como para atenuar la demanda de la red eléctrica.
Fuentes consultadas
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- Los cálculos del flujo de calor fueron realizados con una herramienta suministrada por Daniel Radisser, HT Flux, www.htflux.com
