Amortiguamiento y desfase térmico

Para la evaluación del comportamiento térmico de los sistemas constructivos generalmente nos basamos en un único parámetro, el coeficiente de transmitancia térmica o, su inverso, la resistencia térmica.

Sin embargo, existen otros dos parámetros de vital importancia de cara entender cómo se comporta un sistema constructivo y que generalmente suelen ser olvidadas por diseñadores y la normativa: el amortiguamiento y el desfase térmico.

Veamos qué es cada uno de ellos y cuál es su relevancia.

Cuando estudiamos la envolvente térmica de un inmueble, nos fijamos en su capacidad de aislar, es decir, la resistencia térmica total u oposición que muestra un cerramiento a transmitir el calor, considerando su comportamiento ante la conducción en función de la resistencia térmica de cada uno de los materiales que forman el cerramiento, así como el efecto de la convección de sus caras externas (exterior e interior) en contacto con los ambientes que lo rodean (NBE-CT-79). El inverso de esta resistencia térmica total se define como transmitancia térmica (U), de unidades W/m2·ºC (CTE).

El método empleado para definir la idoneidad térmica de un cerramiento en las normativas de edificación española se basa en estudios estáticos de su comportamiento, teniéndose tan sólo en cuenta las propiedades relacionadas con la resistencia a la transmisión de calor, por lo que a la hora de analizar las demandas de frío y calor que tendrán los edificios, no se contempla la influencia del poder capacitivo de los cerramientos, es decir, parte de su comportamiento térmico, el que se produce a lo largo del tiempo.

Para entender como funciona esta influencia, en primer lugar tenemos que conocer la inercia térmica, o la capacidad que presenta un material para almacenar energía térmica recibida (calor), conservarla y liberarla progresivamente. La capacidad de almacenar energía de un material depende de su masa, su densidad y su calor específico.

La inercia térmica conlleva dos fenómenos:

• Amortiguamiento: Es la disminución de la amplitud en la variación de las temperaturas entre la cara exterior y la del interior. Esto es debido a que parte del calor acumulado dentro de un muro, cuando deja de dar el sol y baja la temperatura exterior, encuentra una salida térmicamente razonable hacia el exterior, produciéndose un rebote de la onda de calor.  Se da en porcentaje respecto a la exterior. Depende de la densidad, espesor, calor especifico y aislamiento de los materiales que componen el cerramiento. Se da en porcentaje (%) respecto a la temperatura exterior.

• Desfase: Es el tiempo de retardo que tarda la onda de calor en atravesar el cerramiento. Depende de la densidad, del espesor, calor especifico y conductividad de los materiales. Se mide en horas (h). Este valor debería ser como mínimo de 10 h (mejor 12 – 14h)

Por ejemplo, un desfase de 12 h y una amortiguación del 0,85% implica que la cara interior registrará su temperatura máxima 12 horas después de que lo haga la exterior y que la variación de temperatura de la cara interior será tan sólo el 15% de la que registre la cara expuesta.

Cuando la amortiguación llega a valores del 85-95%, se consigue una estabilidad térmica interior, mediante una temperatura constante, en lo que se conoce como efecto de cueva.

A pesar de que las expresiones matemáticas para calcular estos parámetros son algo engorrosas, la empresa YTONG Xella España Hormigón Celular S.A, pone a nuestra disposición una herramienta para el cálculo de la amortiguación de onda térmica y el desfase térmico para elementos en contacto con el exterior. La herramienta consiste en una hoja de cálculo en la que se han de introducir la conductividad térmica, calor específico y densidad de los materiales que componen el cerramiento a calcular. Adjuntan una tabla con materiales propios de la empresa, otros básicos y la posibilidad de introducir nuestros materiales.

La combinación de unos valores adecuados de estos dos fenómenos hace que nuestro hogar permanezca durante más tiempo en la zona de confort sin necesidad de un aporte energético adicional. En verano el material que presenta gran inercia térmica absorbe calor durante el día, debido a la diferencia de temperatura entre el ambiente interior y exterior, lo va almacenando de manera progresiva y lo disipa durante el periodo nocturno. Durante el invierno, el funcionamiento consiste en almacenar calor durante el día, para después devolverlo al ambiente interior durante la noche cuando desciende la temperatura. El objetivo siempre es el mismo: mantener una temperatura estable de confort en el interior.

Por tanto, la inercia térmica de la envolvente de un edificio estabiliza la temperatura interior del mismo, reduciendo la variabilidad provocada por el clima exterior. Esta cualidad habitualmente proporciona ahorros en el consumo energético de equipos de refrigeración y calefacción, con la consecuente reducción de consumo energético y de emisiones contaminantes.

El uso de la estabilidad térmica proporcionada por sistemas que aprovechan la inercia depende de las condiciones climatológicas: es clave en climas con oscilaciones térmicas diarias importantes.

Cabe decir que la inercia térmica es un fenómeno que mal utilizado puede llevar al disconfort de los ocupantes del edificio. Del mismo modo que esa resistencia al cambio cuando existe alta inercia impide que las variaciones exteriores tarden en influir sobre los ambientes interiores, puede ser un problema de cara a querer que esos cambios interiores existan. Esto puede llegar a producirse a dos niveles: tardanza en notar que un sistema mecánico de climatización empieza a hacer efecto o dificultad para extraer, a través de los cerramientos, el calor acumulado en un ambiente interior. 

Un ejemplo del primer caso mencionado es el de viviendas de uso ocasional (fin de semana) en particular si el clima es frío. Una alta inercia de los muros puede implicar que cuando la temperatura superficial de éstos alcance un valor aceptable creando una envolvente de temperatura radiante positiva desde el punto de vista del confort se haya agotado el tiempo de estancia y la alta inercia sólo haya contribuido aun gasto extra de calentamiento de muros que volverán a enfriarse en el periodo desocupado subsiguiente.

Un ejemplo del segundo caso sería el de espacios públicos con una elevada variabilidad en el índice de ocupación. En este caso, si la temperatura superficial de los muros con alta inercia debe contribuir al confort en el momento de baja ocupación, la inercia repercutirá en un consumo extra de eliminación de los excedentes energéticos aportados por el incremento del nº de personas, produciéndose la paradoja de que sea necesaria la refrigeración asistida aun en invierno.

Ambos problemas son fácilmente solucionables mediante una adecuada gestión de los sistemas teniendo en cuenta las necesidades horarias y estacionales de los diferentes espacios del edificio.

Autor: Eduardo Martín del Toro, Dr. Arquitecto y Máster en Medio Ambiente y Arquitectura Bioclimática, propietario de Del Toro & Antúnez ARQUITECTOS.