Este artículo es parte del Trabajo (TFM) del Máster Universitario en Tecnologías de la Arquitectura de la Universitat Politècnica de Catalunya, desarrollado en 2015. Para acceder al trabajo completo, puede consultarse en el siguiente enlace: http://upcommons.upc.edu/handle/2117/78658

Este trabajo académico investiga cómo las envolventes de los edificios pueden adaptarse mejor al clima circundante, con el objetivo de reducir el consumo de energía en el sector residencial. El trabajo se enfoca en componentes de aislamiento térmico móvil, que pueden contribuir a reducciones de demanda de energía a través de las pérdidas de calor en la envolvente.

Un edificio promedio en climas fríos puede perder como promedio entre un 25 y un 30 % del calor total a través de las aberturas practicadas en las fachadas. Aunque se ha mejorado considerablemente la capacidad aislante de los sistemas de acristalamiento durante las últimas décadas, estos componentes son todavía el punto débil de la envolvente, perdiendo hasta veinte veces más calor que una pared opaca de la misma superficie. Los sistemas de aislamiento móvil ayudan a reducir estas pérdidas para aumentar temporalmente la capacidad aislante de las ventanas.

Se han utilizado sistemas responsivos de protección solar en climas cálidos durante siglos, mientras que el aislamiento térmico se utiliza generalmente como componente pasivo. Con los sistemas de aislamiento térmico móvil (ATM), el aislamiento por sí mismo se convierte en un componente activo que responde a la actividad de los usuarios y los ciclos climáticos externos para proteger temporalmente las aberturas en la envolvente. De esta manera, proporciona resistencia térmica adicional a la ventana cuando el edificio no está ocupado o los usuarios están durmiendo, reduciendo la demanda que deben proporcionar los sistemas artificiales de acondicionamiento climático. Los ATM tradicionales pueden adoptar forma de porticón, persiana o cortina, pero con el criterio de tener características aislantes y ser relativamente efectivo en reducir las pérdidas de calor hacia el exterior que se producen en los climas fríos.

Figura 1. El principio básico de un Aislamiento Térmico Móvil es maximizar la entrada de luz y calor solar por radiación directa durante el día y minimizar las pérdidas de calor durante la noche. (Elaboración propia).

Este trabajo estudia el aislamiento térmico móvil (ATM) con el objetivo de comprobar cuantitativamente que su aplicación influye positivamente en la reducción de las pérdidas de calor en los edificios. Con el uso de un software de simulación energética se pretende reevaluar y analizar el potencial de estos sistemas tradicionales como estrategia contra las pérdidas de calor de los edificios, basándose en tres preguntas principales de investigación:

• ¿Cuál será el impacto de los sistemas de Aislamiento Térmico Móvil en el balance energético de un edificio?
• ¿Podría competir un acristalamiento doble convencional más un ATM contra un acristalamiento triple de alto rendimiento?
• ¿En qué zonas climáticas tiene el el uso de un ATM más potencial?

Aparte de la evaluación térmica de los ATM, este trabajo incluye una ‘guía de diseño’ con consejos y consideraciones prácticas basados en la información y resultados presentes a lo largo del trabajo.

Un ATM se define como un dispositivo o sistema móvil capaz de alterar temporalmente el aislamiento térmico de una ventana o puerta. El ATM puede adoptar forma de porticón, persiana o cortina, pero siempre con el criterio de que tiene características aislantes y que es relativamente efectivo en reducir las pérdidas de calor.

Se consideran también como ATM los sistemas que se basan únicamente en utilizar como aislante el colchón de aire atrapado entre sí y el vidrio. Igualmente se consideran como ATM aquellos sistemas que usan juntas selladas para reducir las pérdidas por convección tanto como los sistemas que usan capas de carácter reflejante para reducir pérdidas por radiación. El ATM es móvil en el sentido de que utiliza sistemas mecánicos que le permiten cambiar su posición frente a la ventana según hora del día o estación.

Fig. 2. Algunos sistemas de apertura (Elaboración propia).

Intuitivamente, las dos maneras más inmediatas de reducir las pérdidas de calor a través de las ventanas es reducir la extensión de la superficie acristalada o mejorar el aislamiento térmico del acristalamiento (reducir el valor U). La primera acción tiene el problema que impone limitaciones arquitectónicas y que interferirá con la entrada de luz y calor solar en aquellos casos en que esta radiación se considera beneficiosa. La segunda estrategia, mejorar la capacidad aislante del acristalamiento, tiene el problema de que cuando se aumenta la capacidad aislante se reduce al mismo tiempo el factor G (factor solar). El factor G indica la proporción de radiación solar que entra en el edificio y cuando se reduce este factor, se reduce al mismo tiempo la ganancia solar, que es útil para la calefacción pasiva. Con el ATM y su naturaleza móvil es posible evitar los efectos negativos de las dos estrategis anteriormente citadas. El ATM permitirá el uso de grandes superficies acristaladas al mejorar considerablemente el rendimiento térmico del acristalamiento durante las horas de más pérdidas de calor, sin interferir con la entrada de luz y calor solar durante el día, aumentando así las ganancias cuando son bienvenidas.

Fig. 3. El Aislamiento Térmico Móvil como alternativo a las estrategias más convencionales para reducir las pérdidas de calor por aberturas. (Elaboración propia)

Otro punto importante es que los aislamientos térmicos móviles no son constructivamente tan diferentes de las protecciones solares. De hecho, su función es muy similar: uno sirve para impedir la entrada de la radiación solar proeniente del exterior, el otro para retener el calor que atesoran los locales interiores en climas fríos. Como sistema, ambos son barreras móviles que cambian dinámicamente su posición según las condiciones climáticas. En muchos casos, como por ejemplo el porticón opaco, un sistema principalmente de protección solar, también puede servir como ATM añadiendo solo un producto aislante y prestando más atención a la hermeticidad de las juntas entre el portón y el hueco de ventana. Así, el tema del ATM se hace relevante no solo como un componente separado, sino también como integrado en el diseño de sistemas de protección solar y fachadas en general.

El aislamiento térmico móvil no es un componente arquitectónico nuevo, sino algo que ya ha sido utilizado durante siglos, en algunos casos aún antes de la llegada de la ventana tal como ahora la conocemos. Aunque muchos sistemas tradicionales son entrañables desde el punto de vista estético, tienen en común que no son tecnológicamente perfeccionados ni especialmente eficaces. Esto se debe principalmente a una falta de investigación, falta de conocimientos o por limitaciones tecnológicas.

En el caso del barrio del Eixample de Barcelona, levando a caballo de los siglos XIX y XX, se han usado diversos sistemas de aislamiento térmico móvil, como las persianas, las cortinas pesadas y el porticón opaco.

Fig. 4. Contraventanas opacas interiores, típicas en los edificios en el Eixample, Barcelona (Filt3rs.net). Autora: Roser Estefanell.

Los sistemas actuales se han focalizado en mejorar su rendimiento térmico. Esta mejora se ha alcanzado mediante el uso de nuevos materiales aislantes ligeros como los polímeros, además de mejores sistemas de sellado, que aseguran la hermeticidad de las juntas perimetrales del ATM.

El trabajo se ha enfocado en evaluar cuantitativamente el impacto del uso de ATM sobre el balance energético de los edificios usando el software Designbuilder, un programa de evaluación energética.

Para tener una base de comparación lo más sencilla posible se ha establecido una célula virtual de referencia, que es una caja sencilla que representa un edificio con una distribución de superficie acristalada considerada como convencional. A partir de esta célula se ha desarrollado una serie de cálculos para cuantificar el sudo de ATM en términos de balance ganancias solares/pérdidas de calor, además de la demanda de calefacción, ambos medidos en kWh/m²año.

Fig. 5. La célula de referencia. Los valores indican la superficie acristalada en cada fachada. (Elaboración propia).

La célula mide 10 x 5 x 3,5 metros y opera con una transmitancia térmica de 0,15 W/m²K en las paredes y 0,13 W/m²K en la solera y cubierta. Para los cálculos se han considerado una serie de parámetros fijos que son invariables y una serie de parámetros variables que se modifican dependiendo de la pregunta a la que se quiere dar respuesta. Todos los parámetros se encuentra definidos en detalle en la en la versión íntegra del trabajo consultable en el repositorio UPCommons.

El ATM es siempre el mismo en cada cálculo. Consta de una panel opaco de Poliestireno Expandido (EPS) de 50mm de espesor, con una transmitancia térmica de 0,60 W/m²K. El ATM se coloca siempre en el exterior, como se muestra en la figura 6. Se activa el ATM sobreponiéndolo al acristalamiento, cubriendo el acristalamiento solo cuando cumple con las siguientes condiciones: es de noche y la calefacción está activa. De esta manera se asegura que el ATM no interfiere con la captación de energía solar durante el día en invierno y no afecta en verano cuando las pérdidas de calor pueden ser útiles.

Fig. 6. Colocación del aislamiento térmico móvil usado en los cálculos. (Elaboración propia).

Está claro que la repercusión del ATM depende en gran medida del aislamiento previo que ya incorpora el acristalamiento en el edificio, y por eso se ha evaluado la repercusión del uso del ATM en función de su repercusión en combinación con tres acristalamientos distintos.

Fig. 7. Los tres acristalamientos distintos. (Elaboración propia).

El acristalamiento A1 representa un acristalamiento de alto rendimiento comúnmente usado en edificios pasivos hoy en día. Es un acristalamiento triple con relleno de argón, dos capas bajo emisivas y una transmitancia térmica de 0,62 W/m²K. En cambio, su coeficiente de ganancia solar (SHGC) es relativamente bajo (43%). Esto significa que mientras es eficaz para reducir pérdidas de calor del interior hacia el exterior, es relativamente ineficaz para captar la energía solar radiante proveniente del exterior.

El acristalamiento A2 es el usual empleado en una ventana convencional en climas fríos. Es un doble acristalamiento con relleno de argón y una capa bajo emisiva en el vidrio interior. Su transmitancia térmica de 1,44 W/m²K es peor que en el caso A1 pero a cambio tiene un factor SHGC mucho mejor (70%), aumentando considerablemente las ganancias solares beneficiosas.

El acristalamiento A3 representa un acristalamiento típico antiguo. Es un acristalamiento doble con relleno de argón, transmitancia térmica de 2,59 W/m²K y valor SHGC de 83%.

Con respecto al impacto del ATM sobre la demanda de calefacción se puede confirmar que independientemente del acristalamiento, el ATM tiene siempre una repercusión significativa y positiva en la demanda de calefacción. Dicho esto, la repercusión del ATM aumenta cuanto peor sea el valor U del acristalamiento al que se aplica. De modo parecido, tiene siempre más repercusión sobre la demanda de calefacción cuanto mayor sea la superficie acristalada de la fachada sur. La repercusión del ATM sobre la demanda de calefacción varía entre 8 y 30% de reducción, según el acristalamiento al que se aplica. Esto representa naturalmente un gran potencial para la reducción de demanda de energía en los edificios.

Fig. 8. La repercusión del ATM sobre el balance ganancias/pérdidas y la demanda de calor en la célula de referencia. (Elaboración propia).

El segundo enfoque de la investigación ha sido comprobar el rendimiento del ATM en relación con la captación de calor solar. Los acristalamientos triples de alto rendimiento térmico operan con una capacidad aislante buena pero un factor solar inferior a los acristalamientos dobles. Basándose en esta relación, el segundo enfoque ha sido comprobar cómo se comporta una combinación de un doble acristalamiento más ATM frente a un triple acristalamiento sin ATM, en términos de demanda de calefacción total. Dado que esta simulación se trata no solo de pérdidas de calor sino también de las ganancias solares, la aplicación en las fachadas captadoras (principalmente en el sur del edificio) es la más interesante. Por eso, la célula de referencia usada en estos cálculos tiene acristalamiento (calculado con 40% y 80% superficie) únicamente en el sur o en fachada soleada. .

La combinación del doble acristalamiento más ATM se muestra la mejor, permitiendo un 74% más de ganancia solar que el triple acristalamiento. De modo parecido, exige anualmente hasta un 10% menos de energía para calefacción que el triple acristalamiento.

El margen de superioridad es mayor en el edificio con 40% de obertura a sur que en la célula con 80% de obertura a sur. La diferencia en la demanda de calefacción es de 10% y 2% respectivamente. Esto indica que la superioridad disminuye cuanto más grande sea el porcentaje de superficie acristalada. Dicho en otras palabras, al haber tanto vidrio, el edificio capta suficientemente y el vidrio más aislante sale más beneficiado.

En cualquier caso, esto demuestra que para acristalamientos captadores, la solución doble acristalamiento con ATM es energéticamente una mejor solución que un triple acristalamiento de alto rendimiento térmico. Demuestra también que en fachadas captadoras puede ser tan importante garantizar un buen factor G como reducir el valor U.

Dicho esto, hay que tener en cuenta que en las fachadas no captadoras (por ejemplo fachadas orientadas a norte), las ganancias y el factor G no son relevantes y la mejor solución será siempre el acristalamiento más aislante.

Aparte de sus beneficios energéticos, el uso de un ATM conlleva muchas otras ventajas:

• aumenta la temperatura radiante de la superficie de vidrio
• el mismo sistema puede servir como protección solar en situación de verano
• sistema dinámico, que aporta más flexibilidad
• valor arquitectónico añadido en una nueva superficie expresiva móvil
• barrera de seguridad frente a la extrusión
• protección contra degradación por agentes climáticos/contaminación aérea, etc.

Si se compara estos aspectos con las desventajas del triple acristalamiento (costoso, elevado peso propio, solución fija con poca flexibilidad, etc.) está claro que se presenta como una buena alternativa frente al triple acristalamiento. En esta carrera por reducir la U parece que los arquitectos hemos olvidado que las oberturas también sirven para captar energía.