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Evaluación energética:  EVALUACIÓN ENERGÉTICA  DEL SISTEMA SICOLBLOCK EN VIVIENDAS UNIFAMILIARES

 

1. INTRODUCCIÓN

 

Este documento nace del interés presentado por Sicolblock en la evaluación del sistema. Dicho interés surge de la necesidad de ofrecer garantías técnicas en cuanto al correcto funcionamiento del bloque en su integración en edificios de baja altura.

Endef Energy cuenta con experiencia en el diseño y la evaluación energética de edificios, así como en la optimización de sus técnicas de construcción y de sus materiales empleados. Por ello, se procede a la realización del presente estudio que constará de varios capítulos, los cuales se irán integrando conforme se vaya avanzando. Como resultado de ello, se entregará un informe final en el que se obtengan conclusiones y recomendaciones referentes al tema central del estudio. Este informe permitirá disponer de evidencias científicas que le aporte garantías técnicas frente a su comercialización.

El estudio que se presenta a continuación parte de una visión local (bloque EPS) y se va desarrollando hasta alcanzar una visión global (urbanización). Para ello, el siguiente apartado caracteriza técnicamente el sistema Sicolblock mediante diversas técnicas de análisis con el fin de poder evaluar posteriormente su integración en una vivienda unifamiliar y las implicaciones de ésta, en la planificación urbanística.

Gracias al conocimiento científico del que se dispone en el área de la evaluación energética de edificios y urbanizaciones mediante modelos dinámicos, Endef Energy aporta al presente estudio puntos claves que permiten mejorar la arquitectura bioclimática de una vivienda. Gracias a éstos, los técnicos de podrán desarrollar viviendas destinadas al mínimo consumo energético. A su vez, se establecerán criterios que permitan la reducción del consumo energético en urbanizaciones desde el punto de partida, el diseño eficiente.

Este trabajo ha sido desarrollado por el equipo de ingenieros de EndeF Energy y dirigido por el Profesor del Centro Politécnico Superior (CPS) de la Universidad de Zaragoza, Alejandro del Amo.

 

2. ESTUDIO DEL SISTEMA SICOLBLOCK®

 

El estudio energético del cerramiento con bloques en EPS requiere de un análisis en detalle del propio cerramiento en el que se evalúen sus propiedades térmicas más representativas como son la transmitancia térmica (variable que informa de la cantidad de calor que se transfiere se una cara a otra del cerramiento cuando en este existe un gradiente térmico), la densidad y calor específico (variables muy ligadas al concepto de inercia térmica).

Una vez conocidos estos parámetros, el cerramiento puede ser evaluado mediante un modelo de transferencia de calor basado en elementos finitos (análisis FEM), mediante el cual se pueden comparar cualitativamente y de forma muy intuitiva, diferentes tipologías de cerramientos. Dicho análisis, el cual se presenta en las secciones 2.1.2. y 2.2, permitirá la comprobación de la existencia o no de puentes térmicos, cuyos resultados serán presentados de manera gráfica en la sección 2.1.3. Posteriormente se realizará un estudio de condensaciones requerido para demostrar la su inexistencia en el interior del cerramiento. Este es vital para evitar la reducción de la capacidad portante de la estructura a largo plazo.

 

2.1 Evaluación energética del sistema SICOLBLOCK®

 

2.1.1 Parámetros técnicos

 

El cerramiento del sistema está compuesto por dos materiales: EPS y hormigón. Para el cálculo de las propiedades del bloque en su conjunto, se ha partido de las propiedades individuales de cada material. Las más significativas son: el coeficiente de conductividad térmica (λEPS= 0,035 W/m²K - según datos facilitados por Arplamosa del modelo CELUPOR-SUP (EPS-250) , λhormigón= 1,65 W/m²K), de forma semejante las densidades (ρEPS= 25 kg/m³, ρhormigón= 1600 kg/m³) y el calor específico (CpEPS= 1000 J/kgK, Cphormigón= 850 J/kgK). En el caso concreto de la transmitancia térmica del material, su valor no es el valor proporcional al promedio de los materiales, sino que para su cálculo se requiere hacer una resistencia equivalente (igual a la suma de sus inversas) semejante a los circuitos eléctricos, debido a que el hormigón y el aislamiento están en paralelo en la zona central.

A modo de síntesis, el cálculo de la transmitancia se refleja mediante estas 3 ecuaciones:

 

                                                                   (1)

 

                                                                    (2)      

 

 

                                                                    (3)

 

 

La singularidad de esta cerramiento en el que no solo es un sistema multicapa convencional, sino que tiene uniones entre varias capas de diferente conductividad térmica, exige realizar un estudio más detalla que el que se realiza comúnmente. Por ello, el siguiente proceso detalla el proceso utilizado para el cálculo de la transmitancia total del sistema Sicolblock.

 

A partir del método de cálculo desarrollado anteriormente, las propiedades del material, necesarias para evaluar su comportamiento térmico en edificios son:

Transmitancia térmica, U = 0,391 W/m²K

 Densidad, ρ = 871,52 kg/m³

Calor específico, Cp = 919,6 J/kgK

 

 

2.1.2. Análisis FEM

 

El análisis de elementos finitos realizado consiste en la discretización del dominio geométrico (sistema Sicolblock  y aire interior-exterior) en elementos lo suficientemente pequeños como para poder evaluar el conjunto sin perder información. Dicho proceso es optimizado en la frontera sólido-fluido para conseguir un mayor nivel de detalle, minimizando así el error en la transferencia de calor sólido-fluido.  En concreto el bloque, cuyas características se adjuntan en el anexo I, ha sido discretizado como se muestra a continuación:

                                                                         

 

 

                                                                                  Fig. 1: Mallado del sistema Sicolblock

 

 

A partir de este modelo, se desarrolla un cálculo multidimensional de transferencia de calor en régimen estacionario (basado en las ecuaciones de Laplace y Fourier). Para poder representar un cerramiento lo más cercano a la realidad, se ha aplicado unas condiciones de contorno con 40º de gradiente térmico entre el aire interior y exterior (Texterior= 10ºC, Tinterior= 50ºC) que permiten mostrar el comportamiento estático de la pieza. Estas condiciones, lejos de las temperaturas de confort de la vivienda, permiten obtener mayor detalle en los resultados, los cuales se presentan a continuación:

 

                                                                        

                                                                                              Fig. 2: Sistema Sicolblock

 

 

                                                                                       

 

                     Fig. 3: Vista A - Perfil de temperaturas                                                Fig. 4: Vista A – Flujo de calor

 

 

 

Tal y como representa la figura 3, mediante su escala de colores, la zona caliente (interior de la vivienda) pierde rápidamente temperatura conforme avanza en los primeros mm. del aislamiento, llegando al principio del hormigón con una temperatura bastante baja. Posteriormente, el hormigón tiene una temperatura bastante estable y en la zona de aislamiento más cercano al exterior casi no hay diferencia de temperaturas a causa de que casi no hay “calor que perder”. Esto se vuelve a comprobar en la figura 4, donde se aprecia en colores cálidos la pérdida importante de calor y en colores fríos la efectividad del aislamiento. Esta figura acredita que; un cerramiento, sólo con el aislamiento entre el interior de la vivienda y el hormigón central, no sería efectivo, ya que el hormigón no es aislante. Sin embargo, añadiendo el aislamiento entre el hormigón central y el exterior se consigue de una forma muy efectiva el objetivo final, aislar. A modo de ejemplo y para el buen entendimiento de la gráfica 4; por el hecho de estar en azul la cara exterior, ante una nevada, la nieve no se derretiría. Sin embargo, si estuviese en rojo sí se derretiría porque habría un flujo de calor que la fundiría. En los países nórdicos, se observan rápidamente los edificios con buen aislamiento, pues en la época invernal, mantienen la nieve en sus paredes y tejados (salvando cuestiones constructivas).

 

Los valores obtenidos en las gráficas han sido corroborados mediante métodos de cálculo analíticos que permiten una buena aproximación al resultado.

 

Si evaluamos la sección del bloque, tomando como referencia la perspectiva B, obtenemos dos perfiles de temperaturas diferentes. El primero (Fig. 5) corresponde a la sección que presenta un aislamiento central conectando los dos aislamientos perimetrales. Su  figura correspondiente (Fig. 6) indica las curvas de temperatura en dicha sección. La tercera imagen (Fig. 7) corresponde a la sección con bloque central continuo de hormigón entre ambos aislamientos.

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Fig. 5: Vista B – Perfil de temperaturas con puente                        Fig. 6: Vista B – Curvas de temperaturas con puente                     Fig. 7: Vista B – Curvas de temperaturas sin puente

 

 

Estas figuras corroboran el argumento anterior. Comparando la figura 5 y la 7 vemos que el aislamiento que une ambos extremos, mantiene el color que indica mayor temperatura. Esto significa que no se ha perdido como sucede en el caso de la figura 7. Adicionalmente, la figura 6 muestra las curvas de temperatura en las cuales se puede apreciar como en la zona de aislamiento hay mayor temperatura, lo que implica una menor pérdida de calor.

 

2.1.3. Estudio de puentes térmicos

 

Una de las principales causas de la aparición de humedades y el elevado consumo energético en las viviendas son los puentes térmicos. Éstos son fácilmente detectables mediante cámaras termográficas. El puente térmico es una vía de escape del calor interior de la vivienda, lo cual provoca que su pared interior esté más fría que el resto y por lo tanto se pueda alcanzar la temperatura de condensación con la consiguiente creación humedades.

En este estudio se van a evaluar los puentes térmicos más importantes que se encontrarán en la vivienda. Éstos son un frente de forjado y una esquina.

 

El primero de ellos puede verse en la figura 8, donde se representa su detalle constructivo utilizando el sistema Sicolblock.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                         Fig. 8: Imagen de un frente de forjado con Sicolblock.

 

 

Sobre este detalle constructivo, cuyas paredes están compuestas por bloques  EPS y su forjado tiene el aislamiento ubicado por la parte inferior, se ha realizado un estudio de transferencia de calor mediante un análisis FEM. Su finalidad es la de averiguar su comportamiento cuando, entre el interior y el exterior de la vivienda, existe un gradiente térmico.

 

 

Fig. 9: Sección lateral – Perfil de temperaturas

Fig. 10: Detalle del perfil de temperaturas y flujo de calor

 

La figuras 9 y 10 representan, mediante mapas de contornos, la temperatura en cada punto del cerramiento. Las flechas indican la dirección del flujo de calor a través del cerramiento. Mediante éstas, se observa que el flujo de calor trata de evitar los aislamientos buscando los caminos con mayores conductividades. En estas figuras se demuestra que este cerramiento evita que el calor transferido fácilmente al aire exterior, pudiéndose comprobar que la fachada exterior está fría (colores azules). De la misma forma, se observa que en el interior de la vivienda, la esquina entre la pared y el suelo es la parte más fría del ambiente interior, y será el punto a estudiar para evitar humedades. De este modo se corrobora la importancia del aislamiento exterior, el cual le diferencia de otros tipos de cerramientos. Es importante destacar que la escala de temperaturas varía respecto de las anteriores para poder analizar con mayor detalle el cerramiento.

De estos análisis podemos concluir que existe rotura al puente térmico debido a que las temperaturas que se alcanzan en la pared exterior son muy bajas (no se derretiría la nieve), por lo que no habrá pérdidas de calor significativas.

El otro cerramiento que se ha estudiado es el encuentro entre paredes. La formación de esquinas mediante bloques EPS es representado en la figura 11.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Fig. 11: Esquina sistema Sicolblock

 

 

 

 

Fig. 12: Perfil de temperaturas en esquina

Fig. 13: Perfil de temperaturas y flujo de calor en esquina

 

 

Como se puede observar en ambas imágenes, el encuentro de bloques que forman una esquina consigue un grado de aislamiento suficiente para evitar puentes térmicos. Esta conclusión se extrae de la disminución del tamaño de las flechas (disminución del flujo) cuando éstas llegan a la superficie exterior, lo cual denota el poco flujo de calor que el conjunto permite atravesar.

Mediante ambos casos se ha comprobado que una vivienda ejecutada como se tiene previsto y se representa en las figuras 8 y 11, no tendrá problemas relacionados con la existencia de puentes térmicos.

 

2.1.4. Estudio de condensaciones

El estudio de condensaciones, tanto intersticiales como superficiales, es fundamental para comprobar que no se produzcan humedades y por ende que no se deteriore la armadura interior.

La figura 14 muestra a continuación el perfil de temperaturas presentes en un cerramiento EPS bajo condiciones climáticas similares a las existentes en la ciudad de Zaragoza. A través de esta gráfica se permite conocer las presiones de saturación de vapor, y comprobar si ambas intersectan y por lo tanto condensan.

 

 

 

Fig. 14: imagen del perfil de temperaturas

 

Fig. 15: imagen del las presiones de saturación

 

 

 

Se demuestra que el sistema Sicolblock no condensa ni superficial ni intersticialmente, aunque requiere hormigones de baja permeabilidad, puesto que con hormigones de permeabilidades superiores a 70 – 90 cm/h puede sufrir condensaciones en función del clima de su ubicación.

 

 

 

 

 

2.2. Comparativa de materiales para otros cerramientos

Para poder determinar si el cerramiento mejora las propiedades de otras tipologías, en este apartado, se van a comparar cualitativamente los perfiles de temperatura y el flujo de calor de los diferentes materiales empleados en cerramientos comunes. Para ello, el comportamiento térmico del sistema Sicolblock se evalúa frente al del ladrillo perforado  (ladrillo cerámico) y al de hormigón (bloque de hormigón).

Las características térmicas de los materiales comparados son:

Ladrillo perforado:

λ = 0.76 W/mk

Cp = 850 (J/kg)

ρ = 1600 Kg./m3

Bloque de Hormigón:

λ = 0.49 W/mk

Cp = 850 (J/kg)

ρ = 1200 kg/m3

 

 

 

 

 

Fig. 16: Mapa de temperaturas sistema Sicolblock

Fig. 17: Mapa de temperaturas ladrillo perforado

Fig. 18: Mapa de temperaturas bloque de hormigón

 

 

 

Fig. 19: Flujo de calor en sistema Sicolblock

Fig. 20: Flujo de calor en ladrillo perforado

Fig. 21: Flujo de calor en bloque de Hormigón

 

 

Observando las figuras 16, 17 y 18, en las que se observan el mapa de contorno de las temperaturas existentes en cada uno de los materiales bajo las mismas condiciones, se concluye que el mejor de los tres materiales analizados es el de la combinación del sistema Sicolblock. Esta conclusión se extrae del análisis de la temperatura de sus caras exteriores, la cual es más baja en el caso del EPS. Si la temperatura fuese mayor en esta cara, sería a causa de que el interior de la vivienda le ha aportado calor (pérdidas por cerramientos).

Las figuras 19, 20 y 21 demuestran cómo se pierde flujo de calor a consecuencia de la mayor transmitancia de los de cerramientos que emplean el ladrillo perforado y hormigón. En la figura 19 se observa que la zona que contiene hormigón, presenta un mayor flujo calorífico que la zona de los “puentes de aislamiento”, si bien la presencia de la última capa de aislamiento previene dicha perdida. En el caso de no estar esta capa de aislamiento, sería el caso del hormigón con un aislamiento por el interior de 4 cm. y su comportamiento sería igual que la figura 21 sin su aislamiento exterior. Lo que quiere decir, que no tendría muy buenas propiedades térmicas. Esta es la razón que diferencia el sistema Sicolblock de aquellos cerramientos que sólo utilizan aislamiento interior.