La construcción sin puentes térmicos. Demostrado.

La tendencia actual de la arquitectura es la de proyectar edificios de consumo energético casi nulo a los fines de reducir las emisiones de CO₂ y un uso cada vez más racional de la energía para el acondicionamiento térmico de los mismos.

Para ello se trata de diseñar envolventes térmicas de la máxima eficiencia energética posible. Los valores de transmitancia deben ser muy bajos y deben evitarse a toda costa la aparición de puentes térmicos.

La capacidad calorífica o capacidad térmica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta. En una forma más rigurosa, es la energía necesaria para aumentar la temperatura de una determinada sustancia en una unidad de temperatura.

Su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino de la cantidad de materia del cuerpo o sistema.

C = c · m

donde

c = calor específico o capacidad calorífica específica

m = masa de la sustancia considerada

De las anteriores relaciones es fácil inferir que al aumentar la masa de una sustancia, se aumenta su capacidad calorífica ya que aumenta la inercia térmica, y con ello aumenta la dificultad de la sustancia para variar su temperatura.

Si una sustancia se encuentra rodeada de otra con una capacidad calorífica mucho mayor, tenderá a asumir la temperatura de ésta última.

Así por ejemplo un recipiente de 1 litro con agua a una temperatura de 20ºC sumergido en una piscina que se encuentra a 10ºC no puede modificarle la temperatura a ésta última, y lo que finalmente ocurrirá es que la temperatura del recipiente (menor capacidad calorífica) se iguale con la del agua de la piscina (mayor capacidad calorífica).

Los elementos de baja resistencia térmica del sistema Baupanel® System son los siguientes dos materiales: Acero y Hormigón.

Los valores del calor específico c y peso específico gde cada uno de estos materiales son:

c_a (calor específico del acero) = 0,12 Kcal/Kg ºC

g_a (peso específico del acero) = 7,95 Kg/dm³

c_Hº (calor específico del hormigón) = 0,16 Kcal/Kg ºC

g_Hº (peso específico del hormigón) = 2,40 Kg/dm³

Considerando que las masas de acero de los conectores varían con el espesor del panel, analizaremos dos casos

1. a) panel fino tipo BSR 60 (conectores cortos)
2. b) panel grueso tipo BSR 200 (conectores largos)

El número de conectores de los paneles Baupanel® System es normalmente de 41 ud/m2 con un diámetro de 3 mm

Por lo tanto, la sección de acero de conectores por cada metro cuadrado de panel es:

S_a (sección de acero conectores) = 41 x 0,0706 cm²= 2,90 cm²

La sección de hormigón por metro cuadrado de superficie, descontando la sección de acero de los conectores es:

S_Hº (sección neta hormigón) = 10.000 cm²/m²– 2,90 cm²/m²= 9.997,10 cm²/m²

La masa de acero será igual al volumen multiplicado por la densidad, y el volumen es la sección de conectores multiplicada por su longitud.

a) Panel tipo BSR 60

Longitud de conector = 8 cm

Volumen de conectores por m2 de panel = 2,90 cm² x 8 cm = 23,20 cm³

Masa conectores = 23,20 cm³ x 7,95 Kg/dm³ / (1000 cm³/dm³) = 0,18 Kg

La capacidad calorífica de los conectores cortos es entonces:

C = c · m

Ca1 = c_a x 0,18 Kg = 0,12 Kcal/Kg ºC x 0,18 Kg = 0,0216 Kcal/ºC

Por lo tanto, la capacidad calorífica de los conectores de un panel BSR 60 por cada m2 de superficie es igual a

0,021 kcal/ºC

b) Panel tipo BSR 200

Longitud de conector = 22 cm

Volumen de conectores por m2 de panel = 2,90 cm² x 22 cm = 63,80 cm³

Masa conectores = 63,80 cm³ x 7,95 Kg/dm³ / (1000 cm³/dm³) = 0,507 Kg

La capacidad calorífica de los conectores cortos es entonces:

C = c · m

C = c_a x 0,507 Kg = 0,12 Kcal/Kg ºC x 0,507 Kg = 0,0609 Kcal/ºC

Por lo tanto, la capacidad calorífica de los conectores de un panel BSR 200 por cada m2 de superficie es igual a

0,0609 kcal/ºC

Análogamente, la capacidad calorífica de la masa de hormigón del panel, por unidad de superficie es igual a su masa multiplicada por su calor específico.

Así resulta:

Masa de hormigón = Volumen x peso específico

Volumen de hormigón = Superficie x espesor

Volumen de hormigón = 9.997,10 cm²x 8,2 cm = 81.976,22 cm³

Y finalmente la masa de hormigón por unidad de superficie es

Masa de hormigón = 81.976,22 cm³/m² x 2,40  Kg/dm³ / (1000 cm³/dm³) = 196,74 Kg

La Capacidad calorífica de la masa de hormigón es entonces:

C = c_Hº x 196,74 Kg = 0,16 Kcal/Kg ºC x 98,37 Kg = 31,48 Kcal/ºC

31,48 kcal/ºC

El ratio entre las capacidades caloríficas calculadas en el punto anterior es:

r1 = 31,48 / 0,021 = 1.499 (panel BSR 60)

r2 = 31,48 / 0,0609 = 517 (panel BSR 200)

Tal como se ha calculado, en los muros del sistema Baupanel® System la sección de hormigón que rodea los extremos de los conectores posee entre 517 y 1.500 veces mayor capacidad calorífica que la de los conectores de acero que unen tales capas.

Esto significa que esos conectores tienen una muy escasa influencia en la evolución de la temperatura a través del muro y de ningún modo podrían ser considerados un puente térmico.

Con los ratios calculados (517 y 1.500), los conectores van a adquirir la temperatura del medio circundante y nunca al revés, es decir ellos no pueden modificar la temperatura de las capas de hormigón.

Desde el punto de vista de la transmisión térmica puede despreciarse totalmente su influencia en el comportamiento térmico del muro.

Procederemos a modelizar el caso b) con el panel de 200 mm de espesor de núcleo de poliestireno expandido mediante el empleo del programa HEAT 3 (Dr. Thomas Blomberg – Lund-Gothenburg Group for Computational Building Physics – Massachusetts Institute of Technology) para el cálculo del flujo de calor.

La disposición de los conectores en el panel es de 6 conjuntos de 2 conectores cada 26 cm.

El área de influencia de cada conjunto de 2 conectores es entonces un rectángulo de 260 x 200 mm, para lo cual realizamos el modelo siguiente ilustrado en la Figura 1.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

En cuanto a las condiciones de borde para la simulación se considera las indicadas en el punto 3.1 del documento “Criteria and Algorithms for Certified Passive House Components: Opaque construction systems”

ϴ_e= -10 ºC

ϴ_i= +20 ºC

R_se= 0,04 m²K/W

R_si= 0,13 m²K/W

Figura 5

Figura 6

La Figura 7 nos muestra la sección transversal del muro en coincidencia con la posición de los conectores. La  evolución de las temperaturas se muestra en escala de colores.

Figura 7

Figura 8

Figura 9

La Figura 8 muestra la sección transversal del muro en la zona más alejada de los conectores

Figura 10

Las Isotermas de la sección transversal del muro en coincidencia con los conectores y en los sitios más alejados de los mismos se observan en las Figura 9 y 10

Figura 11

La temperatura máxima es: – 9,9406 ºC
La temperatura mínima es: – 9,9768 ºC

La amplitud de la variación es de solamente 3 centésimas de  grado centígrado (0,0362 ºC)

Tal como se puede observar en las 4 gráficas de temperatura (Figuras 11, 12, 13 y 14), los conectores prácticamente no tienen influencia en la distribución de las temperaturas tanto en la cara caliente como en la cara fría, no constituyendo en modo alguno un puente térmico.

Figura 12

Así vemos que:

La temperatura máxima es: 19.926 ºC
La temperatura mínima es: 19.835 ºC

Vale decir, que la presencia de los conectores solo ha servido para que se produzca una amplitud de la variación de solamente 9 centésimas de grado centígrado (0,091 ºC). Verdaderamente resulta una variación completamente despreciable.

Figura 13

El programa de cálculo de flujo tridimensional HEAT 3 permite conocer la variación de temperatura de la cara caliente, a lo largo de una línea horizontal paralela al eje y, que pasa por el centro del panel.

La Figura 11 nos lo muestra gráficamente

Figura 14

La temperatura máxima es: – 9,9251 ºC
La temperatura mínima es: – 9,9786 ºC

La amplitud de la variación es de solamente 5 centésimas de grado centígrado  (0,0535 ºC)

Variación de la temperatura en la cara fría, a lo largo de una línea vertical paralela al eje z, que pasa por el centro del panel.

A continuación, se calcularán las temperaturas a lo largo de la sección transversal de un muro Baupanel® System BSR 200 en la hipótesis que el mismo no llevara conectores resultando la gráfica representada en la Figura 15, y luego lo vamos a comparar con el muro Baupanel® System con sus conectores correspondientes.

Para ello haremos una grafica de temperaturas en proximidad de los conectores (Figura 16) y otro gráfico en zona alejada de ellos (Figura 17)

En la Figura 18 se muestran los resultados

Figura 18

El muro Baupanel® System sin conectores presentaría valores de temperatura en la cara fría y en la cara caliente, muy similares a los que se obtienen en el muro real con sus conectores.

La cara fría sin conectores presentará una temperatura de 9,9803 ºC mientras que con conectores tendremos una temperatura media de: 9,9480 ºC.

Figura 15

Figura 16

Figura 17

El calor específico del poliestireno expandido que integra el núcleo de los paneles Baupanel® System cuya densidad es de 15 Kg/m³alcanza un valor igual a 0,29 Kcal/Kg ºC (1210 Joule/Kg K). La masa por unidad de superficie es muy baja;

Para un panel tipo BSR 200

Masa _eps= 15 Kg/m³x 0,20 m= 3 Kg

Y su capacidad calorífica será

C _eps60= 0,29 Kcal/Kg ºC x 3 Kg

087 kcal/ºC

La relación entre la capacidad calorífica de la sección de poliestireno expandido y la del acero que lo atraviesa es:

La capacidad calorífica de la sección de acero en este panel es: 0,0609 Kcal/ºC

Por lo tanto: r = 0,87 / 0,0609 = 14,28 veces

El poliestireno tiene mas de 14 veces la capacidad calorífica del acero que lo atraviesa.

Ello provoca el pequeño desvío de las isotermas graficadas en la Figura 9.

La influencia en la distribución de las temperaturas en el núcleo de los paneles Baupanel® System resulta sumamente escasa.