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Papel de la inercia térmica en la refrigeración pasiva de Edificios de Energía Casi Nula en climas cálidos: caso de estudio de un Hotel en Tarragona

Publicado: 07/07/2014

Comunicación presentada al II Congreso Edificios Energía Casi Nula:

Autor

  • Oliver Style, Director Técnico de ProGETIC

Resumen

Se presentan los resultados de un estudio de simulación energética dinámica de un Hotel de energía casi nula en Tarragona, Cataluña. Se analizan las prestaciones energéticas del edificio con diferentes soluciones constructivas de cerramientos exteriores, tanto “ligeros” como “pesados”, así como con elementos de alta capacidad térmica colocados en la envolvente térmica. Los resultados tienen importantes implicaciones para el diseño de edificios de energía casi nula en climas cálidos, indicando que la capacidad térmica de los materiales de construcción tiene menos importancia en edificios estancos superaislados que otras estrategias de diseño tal y como las fachadas y cubiertas ventiladas, la protección solar y la ventilación nocturna.

Introducción

La Directiva Europea 2010/31/EU de edificios de energía casi nula hace referencia explícita a la inercia térmica como estrategia de diseño que mejora el comportamiento de los edificios en verano y reduce el riesgo de sobrecalentamiento, situada en un contexto de perfección y aplicación de medidas de refrigeración pasivas (Parlamento Europeo 2010, pág. 153/16).

Con los cambios en las condiciones climáticas de los últimos años y la subida de las temperaturas medias (Imagen 1, Servei Meteorològic de Catalunya, 2012, pág. 1), la inercia térmica parece tener un papel importante en la reducción de temperaturas interiores en edificios de energía casi nula.

Barcelona, temperatura media anual 1780-2011
Imagen 1. Barcelona, temperatura media anual 1780-2011.

En la arquitectura vernácula y actual se da mucha importancia a la inercia térmica como estrategia de diseño pasivo. Se preconiza su capacidad de modular las temperaturas interiores bajo distintas condiciones climáticas y de ocupación. Para el diseño de edificios de energía casi nula en climas cálidos es importante realizar un análisis empírico de la inercia térmica y su contribución a la reducción de las temperaturas interiores.

Las investigaciones de (Sole, 2013, pág. 8) indican que el efecto de la inercia térmica es irrelevante en edificios bien aislados con climatización pasiva. (Schnieders, 2009, pág. 198) recomienda la incorporación de un cierto grado de inercia térmica en edificios bien aislados con refrigeración pasiva en climas cálidos, pero señala que es posible compensar una escasa inercia con un mayor nivel de aislamiento térmico, en combinación con una ventilación natural nocturna y la protección solar exterior.

Este artículo busca contribuir a este debate y ofrece una serie de conclusiones al respecto, analizando los resultados de un estudio de simulación termo-dinámico de un pequeño Hotel en Tarragona. El Hotel se ha diseñado como edificio de energía casi nula siguiendo las pautas de diseño del estándar Passivhaus. El inicio de construcción de la obra está previsto para el mayo del 2014.

La capacidad térmica de los materiales

Las propiedades de inercia térmica de un material o cerramiento refieren a su capacidad térmica. En un edificio, estas propiedades se manifiestan en tres etapas térmicas:

  1. Carga: el material absorbe calor.
  2. Almacenamiento: el material guarda el calor absorbido.
  3. Descarga: el material cede el calor almacenado.

Durante el periodo invernal, un material ubicado en los cerramientos interiores del edificio puede almacenar la radiación solar durante el día y cederla durante la noche, aportando una calefacción pasiva. Durante el verano, es capaz de absorber el calor al interior del edificio y cederla en la noche para su expulsión con una ventilación natural nocturna, extrayendo el calor acumulado en los cerramientos para su recarga el día posterior.

Cabe destacar que la inercia térmica es capaz de almacenar energía pero en ningún caso capaz de generarla. La capacidad térmica de un material se distingue de su transmitancia térmica, este último refiriéndose a la tasa de transferencia de calor a través del material o cerramiento (una medida de su grado de protección térmica).

La inercia térmica (I) se expresa mediante la siguiente ecuación:

I=√κρc

Dónde:

  • I = inercia térmica (J/m²·s½·K)
  • κ = conductividad térmica (W/m·K)
  • ρ = densidad (kg/m³)
  • c = calor específico (kJ/kg·K)

Para que las etapas de carga, almacenamiento y descarga sean eficaces en la refrigeración pasiva, podemos concluir que los materiales con buenas propiedades de inercia térmica tienen una conductividad media (λ = 1 a 3 W/m.K) una densidad alta (≥ 2.000 kg/m3) y un calor específico alto (≥ 1.000 J/kg.K). Las propiedades de densidad y calor específico de un material se expresan en su capacidad térmica volumétrica. Un material con una densidad baja (aislamiento) nunca tendrá buenas propiedades de inercia, independientemente su calor específico.

Se necesita una amplia superficie expuesta y un acoplamiento térmico con el aire interior, junto con un desacoplamiento térmico con el ambiente exterior del edificio. Finalmente, un material con una absortancia térmica alta (emisividad) será capaz de absorber y ceder mayor cantidad de calor radiante al interior del edificio (Walsh et al, 2006, pág. 4).

Materiales con un alto nivel de inercia térmica pueden estar presentes en la construcción (estructura, forjados, tabiques), en el mobiliario, y en la envolvente térmica. La inercia térmica puede servir para desfasar los picos de temperatura al interior de un edificio según las variaciones en las ganancias internas y externas, mejorando las condiciones de confort y/o (en caso de una climatización asistida) reducir el consumo energético.

La inercia térmica aumenta el factor de utilización de las ganancias gratuitas (solares e internas), debido a su poder de almacenamiento energético. El factor de utilización depende del constante de tiempo del edificio, que viene determinado por su capacidad térmica (inercia), su grado de protección térmica (nivel de aislamiento y estanqueidad) y por la relación entre las ganancias y pérdidas energéticas. En climas cálidos donde existen mayores ganancias solares, el factor de utilización se reduce, debido a un aumento en la relación de ganancias y pérdidas. El constante de tiempo también se reduce ya que se requiere un menor grado de protección térmico debido a mayores niveles de radiación solar (Schnieders, 2009, pág. 178).

El Proyecto

El proyecto en cuestión es un pequeño Hotel de cuatro plantas con una superficie útil de 309 m2 (Imagen 2, 3, 4, 5). Diseñado por Èlia Vaqué, Arquitectura Sostenible, se construirá en el Casco Antiguo de Mora d’Ebre, Tarragona. El emplazamiento se ubica a 54 metros sobre el nivel del mar, con una temperatura media anual de 18,1 ºC y un nivel medio de radiación solar de 1.686 kWh/m2.a (Imagen 6 y 7).

Ubicación del Proyecto
Imagen 2. Ubicación del Proyecto.
Alzado Oeste
Imagen 3. Alzado Oeste.
Alzado Este
Imagen 4. Alzado Este.
Secciones
Imagen 5. Secciones.
Temperaturas mensuales
Imagen 6. Temperaturas mensuales.
Radiación solar
Imagen 7. Radiación solar.

Material y Métodos

El estudio consiste en el análisis del efecto de la inercia térmica en los cerramientos de la envolvente térmica (paredes exteriores y cubierta) en las Plantas 03 y 04, durante una semana típica en verano. El análisis se realiza con el edificio sin climatización. Se analizan las temperaturas operativas (To) en la zona crítica para el sobrecalentamiento, la Planta 04 (Imagen 8).

Se contrastan los resultados del efecto de la inercia con otras estrategias pasivas: la ventilación nocturna, la protección solar, y las fachadas y cubiertas ventiladas. Se sacan conclusiones acerca del impacto de la inercia en la reducción de temperaturas operativas para edificios bien aislados y estancos en climas cálidos.

Zona de análisis de temperaturas de confort
Imagen 8. Zona de análisis de temperaturas de confort.
Ubicación de cerramientos de inercia térmica variada
Imagen 9. Ubicación de  cerramientos de inercia térmica variada.

Se modelizan tres cerramientos de inercia térmica variada en las Plantas 03 y 04 (Imagen 9):

1.    Caso Ligero

2.    Caso Madera Optimizada

3.    Caso Pesado

Se ajusta la inercia de la envolvente térmica exterior (muros exteriores y cubierta), con transmitancias térmicas idénticas. Las demás condiciones de contorno se mantienen exactamente iguales en los 3 casos. La composición de los cerramientos y sus propiedades de inercia térmica se muestran en las Tablas 1 a 6.

Caso Ligero, composición de cerramiento de Pared Exterior, ventilado
Tabla 1. Caso Ligero, composición de cerramiento de Pared Exterior, ventilado.
Caso Madera Optimizada, composición de cerramiento de Pared Exterior, ventilado
Tabla 2. Caso Madera Optimizada, composición de cerramiento de Pared Exterior, ventilado.
Caso Pesado, composición de cerramiento de Pared Exterior, ventilado
Tabla 3. Caso Pesado, composición de cerramiento de Pared Exterior, ventilado.
Caso Ligero, composición de cerramiento de Cubierta, ventilada
Tabla 4. Caso Ligero, composición de cerramiento de Cubierta, ventilada.
Caso Madera Optimizada, composición de cerramiento de Cubierta, ventilada
Tabla 5. Caso Madera Optimizada, composición de cerramiento de Cubierta, ventilada.
Caso Pesado, composición de cerramiento de Cubierta, ventilada
Tabla 6. Caso Pesado, composición de cerramiento de Cubierta, ventilada.

Para el análisis termo-dinámico se usó el programa DesignBuilder con el motor de simulación EnergyPlus (Imagen 10). Para la generación del fichero climático horario, se usó el programa Meteonorm 7.

Representación gráfica del modelo de simulación con elementos de sombra
Imagen 10. Representación gráfica del modelo de simulación con elementos de sombra.

Las condiciones de contorno de cálculo se muestran a continuación:

Estanqueidad al paso de aire (renovaciones n50): 0,6/h

Aire de renovación (24h/día): 0,35/h

Ventilación natural:

  • 1,10/h (calculado con ΔT = 1ºK aire interior-exterior y una velocidad del viento = 0 m/s)
  • Programación: activada cuando temperatura del aire interior ≥ 22ºC y temperatura del aire exterior ≤ 22ºC

Ganancias internas medias: 2,12 W/m2

Cristales: triples, 4-12-4-12-4, aire, bajo-e

  • U= 1,16 W/m2.K
  • g = 49 %

Carpinterías: madera [U = 1,10 W/m2.K]

  • Ψ instalación = 0,04 W/m.K
  • Ψ espaciador = 0,04 W/m.K
  • U final equivalente = 1,67 W/m2.K

Protección solar:

  • Persianas apilables exteriores, altamente reflectantes
  • Cerradas por usuarios/domótica cuando temperatura aire interior ≥ 24ºC
  • Factor medio de reducción solar: 78%

Resultados

La Tabla 7  muestra los resultados de las temperaturas operativas máximas, medias y mínimas en la Planta 04, con el Δ T entre el máximo y mínimo.

Resultados de temperaturas operativas en la Planta 04
Tabla 7. Resultados de temperaturas operativas en la Planta 04.

La Imagen 11 muestra la evolución de temperaturas durante la semana de análisis en la Planta 04, según los cerramientos con niveles de inercia térmica variada.

Evolución de temperaturas en la Planta 04 según tipología de cerramiento
Imagen 11. Evolución de temperaturas en la Planta 04 según tipología de cerramiento.

Se puede constatar que la variación de temperaturas es mínima según la tipología de cerramiento y su nivel de inercia térmica. La máxima variación de temperaturas entre el Caso Ligero y el Caso Pesado es de 0,76 ºK. La variación de temperaturas entre el Caso Ligero y el Caso Madera Optimizada es irrelevante. En ambos casos las variaciones son despreciables dentro del margen de incertidumbre del método de cálculo.

Discusión

Los resultados confirman las conclusiones de (Sole, 2013) y (Schnieders, 2009), de que la inercia térmica tiene un efecto mínimo sobre las temperaturas interiores en edificios bien aislados en climas cálidos sin refrigeración activa. Se confirma la hipótesis de que los aislamientos con un calor específico alto son redundantes en términos de inercia térmica, debido a su desacoplamiento térmico del aire interior y su baja densidad y conductividad.

Para comparar el efecto de la inercia térmica con diferentes estrategias de diseño, se realiza una modelización de las siguientes estrategias de diseño:

  • Ventilación natural nocturna
  • Protección solar exterior en huecos
  • Fachadas y cubiertas ventiladas

Ventilación natural nocturna

Se modeliza un escenario con 2 ventanas completamente abiertas por planta, permitiendo una ventilación simple, cruzada, y con efecto chimenea, dando 3,1 renovaciones/hora. Se analizan las temperaturas operativas en la Planta 04 en comparación con el escenario base de 1,1 renovaciones/hora. La Imagen 11 muestra la evolución de temperaturas. Se puede constatar que existe una reducción máxima en la temperatura de confort de 2 ºK.

Evolución de temperaturas con caudales de ventilación nocturna variados
Imagen 12. Evolución de temperaturas con caudales de ventilación nocturna variados.

Efecto de la protección solar

Se modeliza un escenario donde no se cierran las persianas exteriores en todas las ventanas de las plantas 03 y 04. Se comparan las temperaturas operativas en la Planta 04 con y sin protección solar. En la Imagen 12 se puede constatar que existe una reducción máxima en la temperatura de confort de 1,8 ºK.

Evolución de temperaturas con y sin protección solar
Imagen 13. Evolución de temperaturas con y sin protección solar.

Fachadas y cubierta ventiladas

Por último, se modeliza el efecto de las fachadas y cubiertas ventiladas. La Imagen 13 muestra la evolución de temperaturas. En este caso el impacto es menor, con una reducción máxima en la temperatura de confort de 0,9 ºK.

Evolución de temperaturas con y sin fachadas y cubiertas ventiladas
Imagen 14. Evolución de temperaturas con y sin fachadas y cubiertas ventiladas.

Conclusiones

Los resultados indican que el efecto de la inercia térmica sobre la reducción de temperaturas es despreciable (< Δ 1K entre el Caso Ligero y Caso Pesado). Su impacto como estrategia de diseño única para mejorar las condiciones de confort en verano sin refrigeración activa es limitado. Queda evidente que el uso de aislamientos con un calor específico alto dentro de la envolvente térmica no impacta sobre la reducción de temperaturas, debido a su desacoplamiento térmico del aire interior y su baja densidad y conductividad. En la selección de aislamiento prima su impacto ambiental y económico sobre su capacidad térmica (distinto a su transmitancia térmica).

La ventilación natural nocturna, la protección solar y las fachadas y cubiertas ventiladas, tienen un impacto de igual o mayor importancia sobre la reducción de temperaturas que la inercia térmica, porque reducen directamente la entrada de calor por la radiación solar y ayudan a extraer el calor almacenado en el edificio durante la noche.

Podemos concluir que la importancia de la inercia térmica en edificios de energía casi nula en climas cálidos está sobrevalorada. La inercia (al igual que cualquier otra estrategia de diseño) se tiene que integrar en una metodología de diseño holístico, ya que la integración total de las estrategias es más importante que los elementos individuales (Feist et al., 2012, pág. 13).

Es posible prescindir de la inercia como estrategia de diseño de edificios de energía casi nula en climas cálidos, proyectando edificios ligeros. En este caso es importante que la falta de inercia se compense con un mayor nivel de aislamiento térmico, fachadas y cubiertas ventiladas, una protección solar altamente eficaz y una ventilación natural nocturna fiable.

Reconocimientos

Mis agradecimientos a Èlia Vaqué y Davide Reggiani por su colaboración en el estudio.

Referencias bibliográficas

  • Feist W., Pfluger R., Schnieders J., Kaufmann B., Kah O., Krick B., Ebel W., Bastian Z., 2012, Passive House Planning Package Version 7 (2012), Requirements for a quality-approved Passive House, Passivhaus Institut, Darmstadt, Alemania.
  • Parlamento Europeo, 2010, DIRECTIVA 2010/31/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 19 de mayo de 2010 relativa a la eficiencia energética de los edificios (refundición), Bruselas, Bélgica.
  • Schnieders J., 2009, Passive Houses in South West Europe, A quantitative investigation of some passive and active space conditioning techniques for highly energy efficient dwelling in the South West European región, 2nd corrected edition, Jürgen Schnieders 2009, Passivhaus Institut, Darmstadt, Alemania.
  • Servei Meteorològic de Catalunya, 2012, La sèrie climàtica de Barcelona (1780-2011) Tendència de la temperatura mitjana, fecha de consulta 13/03/2014.
  • Sole J., 2013, La Inercia Térmica “pasiva” en los edificios, Dirección Técnica URSA, Barcelona, España.
  • Walsh R., Kenny P., Brophy V., 2006, Thermal mass and sustainable building, Improving energy performance and occupant comfort, Irish Concrete Federation, UCD Energy Research Group, University College Dublin, Irlanda.
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