Estrategias de diseño para maximizar el control térmico
Los cambios de temperatura de estación a estación tienen un impacto significativo en el consumo de energía de un edificio y el confort de sus ocupantes. Esto hace que el concepto de control térmico sea una parte muy importante del proceso de diseño, con el objetivo de tener un edificio térmicamente más eficiente. La comprensión de la transferencia de calor y cómo ciertos materiales de construcción se puede utilizar para impedir esto es el primer paso en el cumplimiento de este objetivo.
TRANSFERENCIA DE CALOR
El flujo de calor entrante y saliente es un factor importante en la determinación del nivel de confort de un edificio y su costo operativo. El calor tiene la tendencia natural a fluir desde un área de alta temperatura a una de temperatura más baja. Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más fluye el calor a través de la unidad de pared. Por ejemplo, un edificio con calefacción perderá calor hacia su exterior más frío en el invierno. Y, durante el verano, un edificio con aire acondicionado extraerá calor de su muy cálido exterior.
La tasa de transferencia de calor a través de la pared depende de dos cosas: la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior y la composición de los materiales de la pared. Algunos materiales, tales como vidrio, concreto y todos los metales, transfieren calor muy bien y se llaman conductores. Otros materiales, tales como la fibra de vidrio y el entablado de espuma, se denominan aislantes con una alta resistencia al flujo de calor.
Hay tres maneras diferentes a través de las cuales se transfiere el calor hacia dentro y fuera de un edificio: conducción, convección y radiación. En un edificio, estas maneras de transferencia de calor se producen todos al mismo tiempo y desempeñan un papel importante en el equilibrio de calor de un edificio.
La conducción es probablemente la manera más conocida y más fácil de entender la transferencia de calor. Se presenta cuando un material separa un lugar de temperatura alta de otro lugar de temperatura baja, tal como una pared.
Convección, la segunda manera más común de transferencia de calor, ocurre como resultado de líquido o gas que se mueve sobre una superficie, como el viento que sopla contra un edificio. Existen dos tipos de convección: forzada y natural. La convección natural tiene lugar cuando el movimiento de gas o líquido es causado por diferencias de densidad, y en la convección forzada, el movimiento del líquido o gas es causado por fuerzas externas.
La radiación implica la transferencia de las olas de calor electromagnéticas invisibles de un objeto con temperatura más alta, como el sol, a otro de temperatura más baja, como un cuerpo humano.
Para hacer un edificio más eficiente energéticamente y cómodo, los profesionales de la construcción y el diseño deben impedir estos modos de transferencia de calor. A pesar de que es imposible detener estos procesos en su totalidad, es posible retardarlos significativamente mediante la colocación de obstáculos en su camino. Esto se conoce como "romper el puente térmico".
ROMPER EL PUENTE TÉRMICO
Los puentes térmicos son el camino que ofrece un desplazamiento suave para la transferencia de calor en los edificios mal aislados, generalmente construidos de concreto y metal con insuficiente resistencia al flujo de calor entre el exterior y las paredes exteriores. La mejor manera de reducir la velocidad de transferencia de calor es poner aislantes entre los conductores. El aislamiento comercial consiste en aislamiento de la cavidad, que ocupa espacio dentro de la cavidad de la pared, y entablado aislante, que se instala en las paredes exteriores. Existen una variedad de materiales que se pueden usar para fabricar aislantes de cavidades, incluyendo fibra de vidrio, lana mineral, celulosa, plásticos de espuma de celda abierta y cerrada, aislamiento reflectante y barreras radiantes. El revestimiento, sin embargo, generalmente está hecho de poliestireno expandido, poliestireno extruido, poliisocianurato (placa ISO) o placa de fibra de vidrio. Antes de seleccionar los materiales de aislamiento, lo mejor es consultar las clasificaciones de sus propiedades térmicas.
CLASIFICACIÓN AISLAMIENTO PROPIEDADES TÉRMICAS
Como se mencionó anteriormente, los materiales de aislamiento y los sistemas de envoltura del inmueble se caracterizan por su resistencia al flujo de calor. El rendimiento del material puede ser clasificado de acuerdo con la conductividad térmica (k), la conductancia térmica (C) y la resistencia térmica (valor R).
Cuando se miden las propiedades térmicas de los materiales de construcción, la norma es ASTM C518, en la que un aparato de flujo de calor mide la transferencia de calor a través de materiales homogéneos, tales como el aislamiento. Diversas propiedades del material, tales como la resistencia térmica, conductancia y conductividad, se pueden determinar a partir de los datos de temperatura, flujo de calor, área y espesor. Otro estándar, ASTM C1363 “Hot Box”, mide el rendimiento térmico de conjuntos de envoltura de edificios. Las mediciones incluyen los efectos de los puentes térmicos debido a los componentes estructurales, así como las cavidades aisladas.
Para calcular el flujo de calor de conjuntos de envoltura del inmueble aislados, hay tres métodos diferentes de complejidad variada ideados por la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE). El primero y más sencillo es el método de planos isotérmicos. Esto se utiliza cuando las secciones transversales tienen capas continuas y homogéneas. El segundo método, el de flujo de ruta paralela, se utiliza cuando las secciones transversales tienen áreas estructurales y de cavidad y cuando los componentes tienen resistencia térmica similar. El tercer método, el de zona modificada, se utiliza con conjuntos de armazón de acero. Estos conjuntos tienen secciones transversales con áreas estructurales y de cavidad.
El cálculo del flujo de calor puede ser tan fácil como la adición de resistencia térmica en un sistema con capas homogéneas, como con el método de planos isotérmicos, o tan complejo y complicado como el método de la zona modificada. La mayoría de los profesionales de la construcción y el diseño pueden hacer sus propios cálculos en el método de planos isotérmicos, pero con el método de la zona modificada, lo mejor es utilizar la calculadora en línea gratuita proporcionada por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Esto ayudará a asegurar la exactitud.
Los componentes estructurales son altamente conductores y crean puentes térmicos. Por ejemplo, los metales conducen 300 a 1,000 veces más calor que la mayoría de los materiales de construcción. El impacto térmico de un perno metálico en una cavidad enmarcada es mayor que la superficie real del perno, por lo que el metal tiene un efecto exagerado en la transferencia de calor fuera de proporción con su tamaño físico. Debido a esto, la elección de la unidad de aislamiento adecuada es crucial.
TIPOS DE UNIDADES DE AISLAMIENTO
Equiparar las unidades de aislamiento con las aplicaciones depende del material utilizado para las paredes exteriores del edificio. Las paredes exteriores son típicamente de bloques de concreto o premoldeadas, metal, muros cortina (no hay cavidades) o fachada de mampostería (ladrillos, paneles de concreto con cavidades aislables).
Bloque de concreto y paredes premoldeadas
Los entablados aislantes se pueden instalar ya sea en el interior o en el exterior de paredes de bloques de concreto o premoldeados. Un material aislante común para esta construcción es la placa aislante de espuma de plástico. La ubicación del entablado depende del clima y el tipo de material.
Las unidades de armazón de acero no portantes interiores pueden sostener el aislamiento de la cavidad. Como el concreto grueso tiene valor de aislamiento, muchos códigos de construcción han reducido los requisitos de aislamiento debido al efecto de masa del concreto. A menudo es aconsejable, sin embargo, superar los requisitos del código para lograr el más alto nivel de eficiencia energética.
Sistema de aislamiento y acabado exterior
El EIFS (Sistema de aislamiento y acabado exterior) se asemeja al estuco tradicional. Al instalar un sistema EIFS, es importante seguir las instrucciones de instalación del fabricante, para que la humedad no invada detrás del EIFS en ventanas, puertas y otras fenestraciones, donde puede quedar atrapada.
Paredes de cavidad de poste de acero
La unidad de pared más común es la pared de cavidad de poste de acero, que incluye una fachada de mampostería. Para mejorar el rendimiento térmico y aumentar el control de condensación de la cavidad en climas fríos, el diseñador puede: especificar entablados aislantes exteriores, que aumentan la temperatura de la superficie de la cavidad y mejoran la eficiencia energética; incorporar barreras de aire exteriores, que también funcionan como barreras contra el viento para reducir las fugas de aire; o especificar barreras de aire interiores, como un retardador de vapor transpirable inteligente para reducir la posibilidad de bucles convectivos y aumentar la capacidad de secado.
Las barreras resistentes al agua, la ventilación y un espacio de drenaje detrás de la fachada de mampostería reducirán la saturación de los materiales de sustrato y promoverán el secado. Esta configuración de pared exterior es una manera rentable de lograr un rendimiento térmico, mientras que se controla la humedad.
Edificios de metal
Los edificios de metal tienen su propio conjunto de recomendaciones de instalación y cumplimiento. Una publicación autorizada que cubre las normas ASHRAE 90.1 está disponible de NAIMA, la Asociación Norteamericana de Fabricantes de Aislamiento. Está disponible en línea en www.naima.org. La referencia de NAIMA para aislamiento de fibra de vidrio flexible utilizado en construcciones de metal, Norma 202-96, proporciona información sobre el rendimiento térmico de sistemas de techos y sistemas de paredes de construcciones de metal. Los datos de valor R y valor U se enumeran para tejados atornilladas y para paredes laterales que tienen diferentes valores de R de la cavidad y espaciamiento de sujetador.
Para obtener más información sobre la eficiencia energética, consulte ASHRAE 90.1, “Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings”, que proporciona los valores R de aislamiento mínimos y ofrece pautas para la eficiencia energética del edificio completo.
UN FUTURO SOSTENIBLE
Uno de los objetivos principales del movimiento de diseño de edificios sostenibles es producir edificios con mayor eficiencia energética, más saludables y duraderos. Tales edificios probablemente proporcionen un ambiente de trabajo más agradable para sus ocupantes y harán las operaciones más eficientes y económicas para los propietarios de edificios. Seguir estas directrices de diseño de control térmico es un paso significativo hacia el logro de este objetivo.
Recursos útiles
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