Comunicación presentada al V Congreso de Edificios Consumo Energía Casi Nula
Autores
- Carlos Coquillat Mora, CEO – Fundador, The Cottage Ritual
Resumen
La eficiencia energética de los edificios conlleva la aplicación de distintas estrategias, entre otras: orientación, ventilación, aislamiento o inercia térmica de los materiales. En este sentido, el hormigón, además de su resistencia al fuego, aislamiento acústico, fiabilidad estructural o rapidez constructiva mejora, gracias a su masa térmica, el comportamiento energético de los edificios. En verano (con climas cálidos), los elementos de hormigón amortiguan y retardan el calentamiento del interior del edificio. Por la noche, el hormigón desprende el calor absorbido durante el día, manteniendo el confort térmico interior. Esto conduce a un ahorro de energía y produce un mejor clima interior en los edificios. Se pueden encontrar edificios singulares con sistemas de construcción «térmicamente activados» que incrementan este efecto. Estos sistemas son, por ejemplo, tubos de agua caliente (o fría), aire que fluye a través de tubos embebidos en el hormigón, u otros sistemas menos conocidos como el empleo de materiales de cambio de fase o la activación dieléctrica del hormigón.
Palabras clave
Inercia, Masa, Térmica, Prefabricados, Hormigón, Activación, Almacenamiento, Cambio, Fase, Dieléctrico
La inercia térmica – sistemas activados térmicamente
El diseño de los edificios de consumo de energía casi nulo, requiere reducir la demanda de energía del edificio mediante sistemas pasivos de aislamiento, si bien, es imprescindible complementar esta estrategia con sistemas capaces de acumular y devolver calor en régimen dinámico. Este tipo de sistemas requieren de un material con una elevada inercia térmica que permita dicha acumulación de calor, como es el caso del hormigón.
Concepto de inercia térmica
La inercia térmica es la capacidad que tiene un cuerpo para conservar el calor e ir liberándolo progresivamente. En los edificios la inercia térmica conlleva dos efectos beneficiosos para su nivel de confort; por un lado, atenúa la variación de las temperaturas y por otro lado retarda la temperatura interior respecto a la exterior. Así, con altas temperaturas exteriores el doble efecto de amortiguamiento y retardo permite que en el interior del edificio se incremente el confort térmico con la consecuente reducción de consumo energético. La evolución de la temperatura exterior presenta un máximo en un momento concreto del día que depende de la ubicación y orientación del edifico. Esta onda de temperatura exterior se ve amortiguada, en cuanto a amplitud, al atravesar el cerramiento, surgiendo además un desfase entre los instantes en los que se produce un pico de temperatura. 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.
Desde el punto de vista del consumo energético, las mayores ventajas de los sistemas activados térmicamente son:
- La acumulación de calor se hace de manera constante, sin picos y, por lo tanto, reduciendo tamaño y potencia de los equipos de climatización, por lo que se reduce el consumo.
- La acumulación de energía se hace durante las horas valle, cuando el coste de la energía es menor.
- Además, desde el punto de vista del confort térmico de los usuarios, estos sistemas proporcionan elementos fríos o cálidos, mucho más agradables que las corrientes de aire procedentes de otros sistemas de climatización.
Aplicación de la inercia térmica en los edificios
Entre las reglamentaciones de los distintos países europeos que mantienen un esquema similar a la transposición de la Directiva Europea de Eficiencia Energética de Edificios, el Código Técnico de la Edificación español (CTE) en su Documento Básico Ahorro de energía DB-HE-1 presenta a la inercia térmica como una característica a tener en cuenta. Sin embargo, la inercia térmica implica un cálculo dinámico complejo (flujo de calor por convección y radiación) del que no hay métodos de estimación suficientemente extendidos, lo que deriva en que sea una propiedad que muy pocas veces acaba siendo valorada y cuantificada en la fase de diseño.
Esta propiedad se utiliza en construcción de manera pasiva para conservar la temperatura del interior de los edificios más estable a lo largo del día, mediante muros, soleras y forjados de gran masa. En invierno, se calientan durante el día, y por la noche, más fría, van cediendo el calor al interior. En verano, por la noche se enfrían, para ceder este frío al ambiente a lo largo del día siguiente.
Existen también distintas posibilidades de activar la inercia térmica del hormigón. La más habitual es mediante un sistema embebido de tubos por los que se circula agua conectado a su vez a una fuente de calor, pero también se podría activar la inercia térmica empleando resistencias eléctricas y, por último, las propiedades dieléctricas del material.
La mayor parte del calor transmitido mediante los tubos embebidos o por las resistencias se lleva a cabo por conducción. Este tipo de transferencia energética tiene muy buenos rendimientos cuando se trata de cuerpos con alta conductividad y de reducido espesor (poca inercia térmica). Si por el contrario el foco frío tiene elevada masa térmica, el rendimiento de la transferencia de energía térmica no es tan alto por la baja profundidad de penetración de este tipo de transferencia frente a la del calentamiento dieléctrico.
Calentamiento dieléctrico
El calentamiento dieléctrico es un calentamiento a través de radiación electromagnética de una longitud de onda de entre 0.001 y 1 m (correspondiente aunas frecuencias entre 300 and 0.3 GHz, es decir, ondas de radio y microondas. La interacción de las partículas cargadas de ciertos materiales con el campo eléctrico que forma parte de la radiación electromagnética provoca que estos materiales se calienten. Por ejemplo, en el caso de moléculas polares, como el agua, el campoeléctrico de las microondas provoca que tanto los dipolos permanentes como los inducidos roten al intentar alinearse con el campo oscilante.
De esta manera, se disipa energía como calor como resultado de la agitación y fricción intermolecular de las moléculas por el cambio de los dipolos y su orientación.
Este tipo de calentamiento está ganando aceptación en el sector del procesado de alimentos porque:
- Menor impacto sobre el medio ambiente (al no generar productos tóxicos).
- Ahorro de energía comparado con los convencionales sistemas de conducción y convección.
- Uso de energía limipia, si la energía eléctrica empleada proviene de renovables.
- Menor tiempo de proceso necesario.
- Encendido y apagado instantáneos.
Todas ellas, características que mejoran la eficiencia energética de los sistemas, bien de procesado de alimentos o bien de calefacción de edificios.
Propiedades dieléctricas
La energía de estas radiaciones no puede calentar todos los materiales: sólo los que, por su composición, son capaces de absorber la energía electromagnética y generar calor como el agua. Otros materiales, como los metales, reflejan las ondas electromagnéticas de igual modo que un espejo refleja la luz visible. Finalmente, hay materiales dieléctricos como las cerámicas con composiciones como por ejemplo la alúmina que no es capaz de absorber esta energía, dejándola pasar de la misma forma que la luz atraviesa un cristal transparente.
Asimismo, existe un conjunto de materiales llamados “susceptores” por su gran capacidad para absorber energía electromagnética y convertirla en calor.
Las propiedades dieléctricas de los materiales son la permitividad, la constante dieléctrica y el factor de pérdida. A continuación, se definirá cada uno de estos términos y otros parámetros dieléctricos importantes.
La permitividad ( ) es el término que se utiliza para describir a las propiedades dieléctricas que afectan la reflexión de ondas electromagnéticas en interfaces y la atenuación de la energía de la onda dentro del material.
La constante dieléctrica es la característica que determina la capacidad del material para absorber, transmitir y reflejar energía de una porción del campo eléctrico; es constante para cada material a una frecuencia dada, bajo condiciones constantes.
El factor de pérdida ( mide la cantidad de energía que se pierde del campo eléctrico, está relacionado con la forma en que la energía del campo es absorbida y convertida a calor en un material cuando pasa a través de éste.
La conductividad eléctrica o conductividad iónica es la habilidad que tiene un material para conducir electricidad.
Otro parámetro importante es la profundidad de penetración, y se refiere a la distancia por debajo de la superficie a la que la potencia de las ondas electromagnéticas disminuye e-1 de su valor, es decir, 36.8% de su valor transmitido.
Y finalmente, la velocidad de generación de calor por unidad de volumen, Q, en una ubicación particular del cuerpo durante el calentamiento dieléctrico puede ser caracterizada por la siguiente fórmula:
Donde es la fuerza del campo eléctrico de la onda en esa ubicación mientras que es la frecuencia de la onda.
Calentamiento dieléctrico del hormigón
Bloques de hormigón en forma de radiadores se han probado a nivel experimental, no comercial, para determinar su comportamiento en forma de curvas de temperatura:
Para ello se expuso sobre una muestra de hormigón de 7 kg que inicialmente se encontraba a temperatura ambiente (19oC) un campo electromagnético 3,2 KW de potencia y frecuencia 300 GHz durante 2 minutos, obteniendo la siguiente secuencia térmica de calentamiento:
Tras los 2 minutos de aporte energético se detuvo la exposición al campo electromagnético, dejando que la muestra alcanzara por sí misma la temperatura inicial obteniendo la siguiente secuencia térmica de enfriamiento:
En la siguiente figura se puede apreciar cómo se produce un rápido incremento de la temperatura (por calentamiento dieléctrico) y decremento suave de la misma por la inercia térmica del elemento.
En la siguiente Figura 4.se compara el calentamiento del material dieléctrico (en verde) frente a calentamiento por conducción (en rojo):
En cada uno de los ciclos de aumento de temperatura se realiza un aporte energético; en verde empleando el calor dieléctrico mientras que en verde por conducción con la misma potencia para ambos casos. Siendo para éste último, mayor el tiempo necesario de aporte de energía para alcanzar idénticos incrementos de temperatura.
En la Figura se sombrea las áreas de aporte energético para cada uno de los casos mostrando de forma gráfica cómo el calentamiento dieléctrico sobre sistemas de alta inercia térmica proporciona considerables ahorros energéticos:
Potencial de aplicación
Las investigaciones realizadas en la Universidad Politécnica de Valencia determinaron que se pueden obtener importantes ahorros energéticos empleando el calor dieléctrico sobre materiales con gran inercia térmica, concretamente, sobre hormigón. Además, su versatilidad permite activar térmicamente tanto cerramientos, forjados, suelos y/o paredes radiantes.
Pero el verdadero potencial de esta tecnología radica en su elevada capacidad de almacenamiento de energía térmica de manera que, empleando equipos de baja potencia, se pueden exponer distintas partes de manera secuencial. De esta forma, conseguimos mantener el conjunto a una temperatura adecuada con una potencia en el sistema (y también la potencia contratada) relativamente baja. Esta característica, en combinación con sistemas inteligentes de gestión basados en el desarrollo de las TICs y de la gestión de datos (“Big Data”), que tengan en cuenta la generación de energías renovables en el propio edificio, el coste de la energía de la red, la predicción meteorológica, el comportamiento y preferencias del usuario, permitirá realizar una gestión de la demanda integral y cubrir la demanda de climatización de cualquier tipo de edificio con energías estrictamente renovables, ayudando a la consecución de los objetivos europeos en materia de eficiencia energética en edificación.
Conclusiones
El calor dieléctrico sobre materiales con alta inercia térmica puede llegar a ser hasta un 70% más eficiente que la transmisión de energía térmica por conducción dependiendo de las características del elemento a calentar.
La inercia térmica del hormigón puede ayudar a mejorar considerablemente la eficiencia energética de los edificios.
Por otro lado, el uso de sistemas inerciales no solo beneficia a los usuarios de los edificios donde se implementan, sino que beneficia al sistema en su conjunto. La utilización de edificios como baterías de almacenamiento, aplana la curva, eliminando los picos de demanda y, por lo tanto, también de producción. Este tipo de sistemas evitan el sobredimensionamiento del sistema de generación para momentos puntuales y, además, permite aprovechar la sobreproducción existente en las horas valle.
Referencias
- Bartolomé, C. & Alarcón, A. & Tenorio, J.A. & López, A., 2017, “Multiprestacionalidad de las soluciones constructivas en base hormigón”, Libro de Comunicaciones IV Congreso Edificios Energía Casi Nula 2017.
- Soto-Reyes, N. & Rojas-Laguna, R. & Sosa-Morales, M.E., 2012, “Modelación del calentamiento dieléctrico (microondas y radiofrecuencia) en sistemas alimenticios modelo”.