El rol de la inercia térmica en el diseño de techos de pendiente baja

¿Es la masa térmica una forma de arte que se perdió tras siglos de uso en regiones templadas?

En el diseño de edificios, la masa térmica permite que un edificio almacene calor y le proporciona "inercia" frente a las fluctuaciones de temperatura. Reduce el impacto de las fluctuaciones de temperatura diarias externas en los requerimientos de calefacción y refrigeración internos. Esta inercia térmica ha sido un tema de discusión recurrente durante algún tiempo. Quienes proponen agregar inercia térmica apuntan a los edificios del área del Mediterráneo construidos con paredes de piedra gruesas y pisos con baldosas de cerámica, etc. Durante siglos, tales edificios han mantenido a los ocupantes más frescos que los edificios más livianos en áreas del mundo templadas. En la búsqueda de mejorar la eficiencia energética de los edificios, los beneficios adicionales son cada vez más difíciles de obtener.

• Los requisitos normativos para un mayor aislamiento térmico en EE. UU. han alcanzado un punto en el que las tasas de rentabilidad disminuyen rápidamente.
• El uso de membranas reflectantes para techos se ha generalizado, y las membranas termoplásticas blancas o de colores claros de una sola capa representan ahora más del 60 % de las cubiertas instaladas cada año.
• La hermeticidad de los edificios, lograda mediante una barrera de aire alrededor de todo el envolvente del edificio, ha mejorado significativamente en la última década, y será cada vez más difícil seguir mejorándola.

Este artículo explora cómo la inercia térmica de techos de pendiente baja puede ser un factor para mejorar la eficiencia térmica al considerar la geometría del edificio, el clima y su uso.

Introducción

Es útil revisar la función de cada parte del armado del techo en términos de su efecto sobre la eficiencia energética, comenzando por la parte superior que enfrenta directamente al sol y al cielo. Aquí se exploran dos efectos principales que los materiales de envoltura de construcción tienen sobre la transmisión de energía térmica (calor).

• Resistencia térmica, que es una medida de hasta qué punto un material bloquea o resiste la transferencia de calor. Los diseñadores de edificios y los profesionales de la construcción están muy familiarizados con esto y con el valor R, que es una descripción numérica del grado en que un material puede resistir el flujo de calor.
• Retardo en la transferencia de calor o el grado en que un material ralentiza o retrasa la transferencia de calor. Como se verá más adelante, un material puede tener una resistencia térmica baja, pero retrasar la transferencia de calor. Este es el punto crucial de los términos "masa térmica" e "inercia térmica".

Impacto de la energía solar sobre la superficie del techo

Debe quedar bastante claro que el pico del impacto del calor solar sobre un techo es alrededor de las 1 p. m., y tiene un impacto menor en las primeras horas de la mañana y al anochecer. Esto se muestra en el siguiente esquema:

• La cantidad de energía solar que llega al techo, como se muestra arriba, alcanza su pico alrededor de las 1 p. m. Por esta razón, la producción de energía de los paneles solares se maximiza en ese momento.
• Las temperaturas de la superficie del techo alcanzan su punto más alto alrededor de las 1 p. m.
• La cantidad de energía solar al mediodía en junio, cuando el sol está en su punto más alto, es de aproximadamente 1 kW/m2 en el sur de EE. UU. Esto es considerable, y por eso los esfuerzos de eficiencia energética enfocados en la demanda de aire acondicionado son tan importantes.

El impacto de las membranas reflectantes

Las membranas reflectantes para techos como TPO y PVC son capaces de reflejar más del 60 % de la energía solar (ver el directorio de productos calificados por CRRC para valores reales). En un techo sin aislamiento, esto tendría el efecto de reducir la cantidad de calor solar que atraviesa el techo hacia el interior del edificio, como se muestra aquí:

• La energía que entra al edificio se reduce porque una parte se refleja en la superficie del techo gracias a una membrana reflectante como TPO o PVC.
• El flujo de energía máxima a través de una membrana coincide con el punto más alto del sol, alrededor de las 1 p. m.

El impacto de las membranas reflectantes y el aislante

Cuando se instala un aislante como el poliisocianurato debajo de una membrana altamente reflectante, se reduce aún más la cantidad de energía solar que ingresa al edificio, como se muestra a continuación:

• La energía térmica que entra al edificio se reduce aún más gracias al aislante.
• Es importante destacar que hay un pequeño retardo temporal, y que el pico del flujo de energía hacia el edificio ocurre después de que el sol ha pasado su punto más alto en el cielo.

Los códigos de construcción han aumentado de forma constante la cantidad de aislante requerida. Sin embargo, cada unidad adicional de aislante agregada es menos efectiva que las anteriores. Esto se muestra en el siguiente gráfico:

• Las mejoras adicionales en eficiencia energética mediante el uso de más aislantes para techos son cada vez menos rentables debido a la ley de los rendimientos decrecientes.
• Mayores espesores de aislante generan dificultades con respecto al perímetro, muros de parapeto y alturas de penetración. Las tecnologías de aislamiento con mayor resistencia por pulgada de espesor, como los aerogeles y los paneles aislantes al vacío, aún no han demostrado ser rentables de forma generalizada en aplicaciones de techado.
• Los esfuerzos recientes por mejorar la eficiencia energética se han enfocado en crear una barrera de aire alrededor de todo el cerramiento del edificio, en gran parte debido a las limitaciones de seguir agregando más aislante. Al hacer que el cerramiento del edificio funcione como una barrera de aire, el aire acondicionado se retiene dentro de la estructura.
• La mayoría de las consideraciones sobre un sistema de techo se centran principalmente en la membrana, el aislante y, cuando se utilizan, los tableros para cubierta. Sin embargo, dado que los tableros para cubierta suelen ser delgados y, por lo tanto, de baja masa, es la cubierta del techo la que ofrece la mejor oportunidad para aumentar la inercia térmica.

El impacto de la cubierta del techo

La cubierta del techo suele darse por sentada y no se discute como parte del sistema de techo. Sin embargo, puede aportar a la eficiencia energética, como se analiza aquí. El siguiente esquema muestra dos sistemas de techo muy similares. Sin embargo, el diseño del lado izquierdo está sobre una plataforma base de acero, mientras que el sistema del lado derecho está sobre una plataforma base de concreto.

• Ambos sistemas tienen dos capas de poliisocianurato con juntas escalonadas y desfasadas para reducir el flujo de calor.
• El sistema de plataforma base de acero que se muestra arriba tiene una primera capa de poliisocianurato fijada mecánicamente. Al minimizar el espesor de esta primera capa, los sujetadores pueden quedar enterrados dentro del sistema para reducir los puentes térmicos.

Debido a su naturaleza metálica y su delgadez relativa, la plataforma base de acero no tiene prácticamente ningún efecto sobre la eficiencia energética.

• Un sistema de techo sobre una plataforma base de acero tendrá generalmente el mismo flujo de calor hacia el interior del edificio que el que se muestra arriba solo para la membrana y el aislante.
• La delgada plataforma base de acero no absorbe una cantidad significativa de calor y, prácticamente, no tiene resistencia térmica.

Una plataforma base de concreto tiene lo que se conoce como "masa térmica", lo que proporciona inercia al flujo de calor. Esto da como resultado una desaceleración del flujo de calor hacia el edificio, como se muestra a continuación:

• Una plataforma base de concreto desacelera significativamente la transmisión de calor hacia el interior del edificio, aunque no necesariamente tenga una alta resistencia térmica (el concreto ligero aislante es un caso especial que se abordará en un artículo futuro).
• Durante ciclos de varios días, la inercia térmica tiende a suavizar las oscilaciones de temperatura, como se muestra en el siguiente gráfico:

• Al suavizar las oscilaciones de temperatura, la inercia térmica puede mejorar el confort térmico dentro del cerramiento del edificio. Si este efecto se coordina con el diseñador del sistema mecánico, también puede ayudar a reducir el tamaño y el costo inicial del equipo HVAC, que de otro modo se habría dimensionado para compensar mayores picos de carga energética. (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).
• Es importante destacar que la inercia térmica no cambia el área bajo las curvas de flujo de calor. Al observar el gráfico anterior, los puntos bajos para un sistema con masa térmica son más altos que en un sistema sin masa térmica.

Inercia térmica y eficiencia energética

Como se señaló al principio, la inercia térmica ha sido incorporada en las prácticas de construcción mediterráneas y ha mantenido frescos los edificios durante los períodos de verano. Sin embargo, un análisis detallado revela que, si bien se reducen las oscilaciones de temperatura y se mejora el confort térmico, la eficiencia energética de los edificios con aire acondicionado no necesariamente mejora.

Se han publicado numerosos ejercicios de modelado que examinan la eficiencia energética a largo plazo de cerramientos de edificios que incorporan cantidades significativas de inercia térmica.

• Todos los estudios muestran que los materiales con alta inercia térmica deben instalarse preferentemente en el lado interior del cerramiento del edificio y el aislante en el lado exterior. Así, los sistemas de techos de pendiente baja con la membrana en la parte superior, sobre el aislante, y una plataforma base de concreto en la parte inferior, cumplirían con esto.
• Si bien muchos estudios afirman mostrar mejoras en la eficiencia energética cuando se incrementa la inercia térmica del cerramiento del edificio, hay tantos otros que muestran que no hay un efecto a largo plazo.
• Una revisión exhaustiva de estudios publicados sugiere que las grandes diferencias en los resultados se deben a variaciones en el uso del edificio, controles y configuraciones del termostato, clima, geometría del edificio y ubicación.

El análisis de muchos estudios revisados por pares sugiere lo siguiente:

• La inercia térmica tiene un efecto pequeño o insignificante en la eficiencia de calefacción.
• Para edificios ocupados constantemente, la inercia térmica no afecte probablemente la eficiencia energética general, sin importar el clima. Sin embargo, puede mejorar el confort térmico al reducir la magnitud de las oscilaciones térmicas.
• En edificios que solo se ocupan durante las horas de luz diurna, como oficinas, aumentar la inercia térmica podría trasladar la demanda máxima de refrigeración hacia la tarde o noche.
  
  
  
  • Si se usan termostatos con retroceso, esto podría resultar en una reducción de los costos de refrigeración y una mejora en el confort térmico.
  • En edificios grandes con ventiladores HVAC de velocidad variable, el sistema podría operar a menor velocidad durante la noche, reduciendo así el consumo energético.
  
  
• Para que la inercia térmica sea un factor importante en el diseño de techos, como en edificios de oficinas que solo se utilizan durante el día, el área del techo tendría que representar una parte significativa del cerramiento del edificio. En otras palabras, el uso de inercia térmica para reducir el consumo energético sería más apropiado para edificios de poca altura.

Características de los efectos de la inercia térmica

Existen dos características clave de la inercia térmica: el factor de reducción y el retraso del tiempo; ambos se pueden modelar y verificar en forma experimental. A continuación, se observa un esquema de esto.

El retraso del tiempo se calcula de la siguiente manera:

• El retraso temporal y el factor de decremento podrían ser utilizados por los diseñadores para optimizar mejor la especificación del termostato. Como se mencionó anteriormente, un gran retraso temporal podría reducir significativamente las demandas diarias de refrigeración por aire acondicionado y las cargas máximas en edificios de oficinas.
• Los mayores factores de reducción pueden mejorar el confort térmico de los ocupantes.

Conclusiones

• Aumentar la inercia térmica de los sistemas de techos podría ser beneficioso en regiones donde predomina el uso de aire acondicionado sobre la calefacción.
• La inercia térmica puede incrementarse mediante el uso de plataformas base de concreto. De hecho, los modelos sugieren que al agregar masa térmica al cerramiento del edificio, asegurarse de que la masa esté en el interior y que el aislante esté en el exterior es la única forma de mejorar potencialmente la eficiencia energética. Debe consultarse a un profesional del diseño para determinar si una plataforma base de concreto es adecuada para un proyecto determinado.
• A largo plazo (en períodos de más de 48 horas), para edificios utilizados 24 horas al día, es poco probable que aumentar la inercia térmica mejore la eficiencia energética. Aumentar la inercia térmica amortigua las oscilaciones de temperatura y las cargas máximas, pero no reduce significativamente el flujo de calor total.
• Agregar masa térmica podría ser ventajoso para edificios ocupados solo durante las horas del día. Estos incluirían, por ejemplo, escuelas y edificios de oficinas. Al retrasar el flujo de calor hacia el interior de estos edificios, podría reducirse el consumo energético siempre que se utilicen controles de termostato con retroceso u otros métodos para reducir el uso de energía durante las horas no ocupadas. Estos podrían incluir la reducción de la velocidad de los ventiladores HVAC de velocidad variable a un punto de ajuste más bajo durante la noche. Debe consultarse a un profesional del diseño para determinar las formas apropiadas de agregar masa térmica en un proyecto determinado.

Nota: los diagramas y gráficos que se muestran en este artículo no están a escala y son solo para ilustrar los puntos clave.

Fuentes consultadas

1. Verbeke, S., Thermal inertia in dwellings. Quantifying the relative effects of building thermal mass on energy use and overheating risk in a temperate climate. PhD Thesis, University of Antwerp, 2017.
2. Balaji, N. C., Mani, M., and Venkatarama, R. B. V., Thermal performance of building walls. 1st IBPSA Italy Conference, Building Simulation, 2013, pp. 151 – 159.
3. D'Orazio, M., Di Perna, C. y Di Giuseppe, E., A field study of thermal inertia of roofs and its influence on indoor comfort. J. Building Physics, 38, 2013, pp. 50 - 65.
4. Kossecka, E. y Kosny, J., Influence of insulation configuration on heating and cooling loads in a continuously used building. Energy and Buildings, 34, 2002, pp. 321 - 331.
5. Wang, D., Yu, W., Zhao, X., Dai, W. y Ruan, Y., The influence of thermal insulation position in building exterior walls on indoor thermal comfort and energy consumption of residential buildings in Chongqing. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 40, 2016