Recuerda cómo los edificios interactúan con el entorno intercambiando calor

Los edificios interactúan con el entorno, intercambiando energía en forma de calor a través de su envolvente térmica, influyendo por lo tanto, en la demanda de energía de los espacios interiores, pero ¿cómo se transmite el calor a través de la envolvente de los edificios? ¿Qué mecanismos intervienen? Participa con tus comentarios

transmision calor envolvente termica edificio

Imagen: www.hansenpolebuildings.com

26-05-2015

En este post analizamos conceptos sencillos y básicos, cuyo conocimiento permite adoptar estrategias efectivas en el diseño de los elementos constructivos de la envolvente térmica. La imagen superior, nos muestra una imagen de la termografía de la envolvente de un edificio, donde se observa las variaciones térmicas a través de la envolvente, mostrando mediante un gradiente de colores, la “cantidad de calor” que traspasa sus elementos constructivos, de manera muy gráfica  ¿Sabes cómo limitar estas pérdidas? ¿De qué depende? ¿Qué parámetros intervienen? ¿Qué solución constructiva es la más eficiente?

La transmisión de calor a través de un elemento constructivo

El calor se transmite por tres medios y en los edificios también:

– Primero por conducción. El calor se transmite por conducción a través de un medio físico material como son los muros de fachada, las cubiertas, los suelos, los marcos de las carpinterías, los pilares, etc..

– Segundo por convección. La convección consiste en el movimiento del aire próximo a la superficie de cerramientos y particiones debido al cambio de la densidad del aire, en un espacio interior.

– Tercero por radiación. La radiación consiste en la emisividad de la superficie en forma de ondas electromagnéticas, en las caras superficiales del elemento constructivo.

Intercambio de calor por conducción, parámetros que intervienen

Además, este flujo de calor se produce, a través de un elemento constructivo cuando existe una diferencia de temperatura entre ambas caras del elemento, que es lo que sucede cuando la temperatura exterior, es diferente a la temperatura en el interior de los edificios.

conveccion radiacion conduccion calor envolvente termica

Los parámetros que intervienen en la cantidad de calor que se transmite a través de los elementos de la envolvente térmica, por conducción, son:

– El valor de la conductividad del material λ (W/mK), que a su vez depende de la porosidad del mismo -contenido de aire-, de la humedad contenida en el mismo,  y de su estado de conservación.

– De la diferencia de temperaturas, entre ambas caras del material, entre las que se produce el flujo de calor.

– Del espesor (m) del elemento constructivo.

Por lo tanto, cuando seleccionemos los materiales para el diseño de soluciones constructivas de los elementos que forman la envolvente térmica del edificio, nos tendremos que fijar en estos parámetros, con el objetivo de controlar la cantidad de calor que se transmite, por unidad de superficie, a través de la misma, y de esta manera controlar o limitar, la demanda energética de los espacios interiores.

espesor conductividad cerramiento envolvente térmica ce3x

Condensaciones en los cerramientos

Por otro lado, la posición de los materiales, en el diseño de la solución constructiva, también es importante para el correcto funcionamiento de la envolvente, evitando problemas de condensaciones: la posición del aislante térmico o de la barrera de vapor, cuando es necesario colocarla, el diseño de los puentes térmicos, etc..

No olvidemos también, como dijimos al principio de este post, que el calor se transmite, además de por conducción, por radiación y convección, por lo que el control de la pérdida de calor por estos mecanismos, se realizará mediante estrategias específicas: materiales de baja emisividad para evitar pérdidas de calor por radiación, o por ejemplo, cámaras de aire que funcionan por convección para disipar el calor, creando una ventilación natural, por diferencia de temperaturas, vidrios de baja emisividad en ventanas, para reducir la demanda de calefacción en invierno, en los espacios interiores; o de control solar, para reducir las ganancias de calor a través de los mismos, debido a la radiación solar directa etc.

Inercia térmica

Por último, la inercia térmica de los materiales que componen la envolvente térmica, es una buena estrategia para el control de la demanda energética de los espacios interiores, en determinadas zonas climáticas, especialmente en climas con variaciones de temperatura importantes entre el día y la noche. La inercia térmica aporta capacidad de acumulación de calor de forma pasiva. La temperatura exterior y la radiación solar directa, calientan la superficie exterior del elemento constructivo, durante las horas de sol. Posteriormente, dicho calor acumulado, empieza a ser transmitido lentamente hacia el interior. Esto implica un desfase, que permite obtener calor de forma pasiva, aprovechando parte de este calor acumulado, cuando baja la temperatura o se hace de noche.

¿Qué dice el código técnico CTE de la transmisión de calor a través de  la envolvente térmica?

El CTE aporta métodos simplificados para el cálculo de los valores de transmitancia térmica de cerramientos opacos y de huecos.  Y lo hace en su documento de Apoyo al Documento Básico de Ahorro de Energía, de Cálculo de parámetros característicos de la envolvente.  Este documento incluye conceptos como la transmitancia térmica U (W/m²K), la resistencia térmica Rt (m²K/W), o la conductividad térmica λ (W/mK) para su cálculo.

1. Transmitancia térmica en cerramientos en contacto con el aire exterior

Este cálculo se aplica a la parte opaca de cerramientos en contacto con el aire exterior. Dichos cerramientos son muros de fachada, cubiertas y suelos en contacto con el aire exterior. Empezamos por la transmitancia térmica.

La transmitancia térmica se calcula como la inversa de la resistencia térmica: U = 1/Rt.

resistencia térmica cerramiento envolvente

2. Resistencia térmica en cerramientos en contacto con el aire exterior

Para el cálculo de la transmitancia térmica de los cerramientos anteriores es necesario calcular antes la resistencia.

2.1. Resistencia térmica de cerramiento formado por capas térmicamente homogéneas

La resistencia térmica Rt, de un cerramiento opaco formado por capas térmicamente homogéneas, se calcula como la suma de las diferentes resistencias térmicas de cada una da las capas que forman el elemento constructivo en contacto con el aire exterior: 

                                                      Rt = Rsi + R1+ R2+ … + Rn+ Rse

donde Rsi y Rse son las resistencias térmicas superficiales del aire interior y exterior respectivamente, y su valor depende de la dirección del flujo de calor, como se observa en esta tabla extraída del documento.

resistencia termica ahorro energia documento apoyo

A su vez la resistencia térmica de una capa térmicamente homogénea, se calcula como el cociente entre el espesor de la capa que compone el cerramiento y su correspondiente conductividad: Ri = e/λ. Los valores de conductividad térmica de los diferentes materiales se pueden encontrar en la norma UNE-EN 10456:2012.

2.2. Resistencia térmica de cerramiento formado por capas homogéneas y heterogéneas

Cuando los cerramientos están formados por capas homogéneas y heterogéneas, entonces los valores de resistencia se calculan con otras fórmulas descritas en el propio documento de apoyo en el apartado 3.

2.3. Resistencia de la cámara de aire

cámara aire ventilada resistencia termica

Imagen: beyondsustainable.net ¿Cómo funciona la cámara ventilada?

Los cerramientos en contacto con el exterior pueden incluir cámaras de aire.

Para las cámaras de aire el CTE incorpora tablas de valores de la resistencia térmica en función del grado de ventilación de la misma: cámara de aire sin ventilar, ligeramente ventilada y muy ventilada. Sin embargo explica que para las cámaras de aire muy ventiladas, como puede ser el caso de una fachada ventilada, se despreciará la resistencia de la cámara y de las demás capas entre la cámara y el aire exterior, para el cálculo de la resistencia total del cerramiento, y se considerará una resistencia superficial exterior igual a la resistencia superficial interior del elementos constructivo.

3. Transmitancia térmica de medianeras, cerramientos en contacto con el terreno, particiones interiores en contacto con espacio no habitables y huecos y lucernarios

Para el cálculo de la transmitancia térmica de medianeras su considera el mismo método anterior. La diferencia consiste en considerar la resistencia superficial exterior con el mismo valor que la interior.

                                                     Rt = Rsi + R1+ R2+ … + Rn+ Rsi

Para el cálculo de la transmitancia térmica del resto de cerramientos también se utilizarán los mismos parámetros característicos anteriores. Sin embargo el método de cálculo se modifica utilizando además, tablas o fórmulas con coeficientes. Dichas tablas o fórmulas son diferentes para:

– suelos en contacto con el terreno.

– muros en contacto con el terreno.

– cubiertas enterradas.

– particiones interiores horizontales y verticales en contacto con espacios no habitables.

– suelos en contacto con cámaras.

– medianeras

– huecos y lucernarios.

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