Masa térmica

La masa térmica es eficaz para mejorar el confort del edificio en cualquier lugar que experimente este tipo de fluctuaciones diarias de temperatura, tanto en invierno como en verano.Cuando se utiliza bien y se combina con un diseño solar pasivo, la masa térmica puede desempeñar un papel importante en las reducciones importantes del uso de energía en los sistemas activos de calefacción y refrigeración.El uso de materiales con masa térmica es más ventajoso cuando hay una gran diferencia en las temperaturas exteriores del día a la noche (o, cuando las temperaturas nocturnas son al menos 10 grados más frías que el punto de ajuste del termostato).Los términos peso pesado y peso ligero se usan a menudo para describir edificios con diferentes estrategias de masa térmica, y afectan la elección de los factores numéricos utilizados en los cálculos posteriores para describir su respuesta térmica al calentamiento y cooling.In ingeniería de servicios de construcción, el uso de software de modelado computacional de simulación dinámica ha permitido el cálculo preciso del comportamiento ambiental dentro de edificios con diferentes construcciones y para diferentes conjuntos de datos climáticos anuales. Esto permite al arquitecto o ingeniero explorar en detalle la relación entre las construcciones pesadas y ligeras, así como los niveles de aislamiento, para reducir el consumo de energía para los sistemas mecánicos de calefacción o refrigeración, o incluso eliminar la necesidad de tales sistemas por completo.

Propiedades requeridas para una buena masa térmicaeditar

Los materiales ideales para la masa térmica son aquellos materiales que tienen:

• alta capacidad calorífica específica,
• alta densidad

Cualquier sólido, líquido o gas que tenga masa tendrá cierta masa térmica. Un error común es que solo el suelo de hormigón o tierra tiene masa térmica; incluso el aire tiene masa térmica (aunque muy poca).

Está disponible una tabla de capacidad calorífica volumétrica para materiales de construcción, pero tenga en cuenta que su definición de masa térmica es ligeramente diferente.

Uso de masa térmica en diferentes climatoseditar

El uso y la aplicación correctos de la masa térmica dependen del clima prevaleciente en un distrito.

Climas templados y fríos temperadoseditar

Masa térmica expuesta al soleditar

La masa térmica está idealmente ubicada dentro del edificio y situada donde todavía puede exponerse a la luz solar invernal de bajo ángulo (a través de ventanas), pero aislada de la pérdida de calor. En verano, la misma masa térmica debe ocultarse de la luz solar de verano de ángulo más alto para evitar el sobrecalentamiento de la estructura.

La masa térmica se calienta pasivamente por el sol o adicionalmente por sistemas de calefacción internos durante el día. La energía térmica almacenada en la masa se libera de nuevo en el interior durante la noche. Es esencial que se utilice junto con los principios estándar del diseño solar pasivo.

Se puede utilizar cualquier forma de masa térmica. Una solución fácil es dejar una base de losa de hormigón expuesta o cubierta con materiales conductores, por ejemplo, baldosas. Otro método novedoso es colocar la fachada de mampostería de una casa con marco de madera en el interior («chapa de ladrillo inverso»). La masa térmica en esta situación se aplica mejor sobre un área grande en lugar de en grandes volúmenes o espesores. 7.5-10 cm (3-4″) a menudo es adecuado.

Dado que la fuente de energía térmica más importante es el Sol, la relación entre el acristalamiento y la masa térmica es un factor importante a considerar. Se han ideado varias fórmulas para determinar esto. Como regla general, la masa térmica solar adicional debe aplicarse en una proporción de 6:1 a 8:1 para cualquier área de acristalamiento orientada al sol (orientada al norte en el Hemisferio Sur o orientada al sur en el Hemisferio Norte) por encima del 7% de la superficie total del suelo. Por ejemplo, una casa de 200 m2 con 20 m2 de acristalamiento orientado al sol tiene un 10% de acristalamiento por superficie total del suelo; 6 m2 de ese acristalamiento requerirán masa térmica adicional. Por lo tanto, utilizando la relación de 6:1 a 8:1 anterior, se requieren 36-48 m2 adicionales de masa térmica expuesta al sol. Los requisitos exactos varían de un clima a otro.

Un aula escolar moderna con ventilación natural al abrir ventanas y masa térmica expuesta de un sofito de piso de concreto sólido para ayudar a controlar las temperaturas de verano

Masa térmica para limitar el sobrecalentamiento durante el veranoeditar

La masa térmica se coloca idealmente dentro de un edificio donde está protegida de la ganancia solar directa pero expuesta a los ocupantes del edificio. Por lo tanto, se asocia más comúnmente con losas de piso de concreto sólido en edificios ventilados naturalmente o ventilados mecánicamente de baja energía donde el sofito de concreto se deja expuesto al espacio ocupado.

Durante el día, el calor se obtiene del sol, de los ocupantes del edificio y de cualquier iluminación y equipo eléctrico, lo que hace que la temperatura del aire dentro del espacio aumente, pero este calor es absorbido por la losa de concreto expuesta de arriba, lo que limita el aumento de temperatura dentro del espacio a niveles aceptables para el confort térmico humano. Además, la temperatura superficial más baja de la losa de hormigón también absorbe el calor radiante directamente de los ocupantes, lo que también beneficia su comodidad térmica.

Al final del día, la losa a su vez se ha calentado, y ahora, a medida que disminuyen las temperaturas externas, se puede liberar el calor y la losa se enfría, lista para el comienzo del día siguiente. Sin embargo, este proceso de «regeneración» solo es efectivo si el sistema de ventilación del edificio se opera por la noche para transportar el calor de la losa. En edificios con ventilación natural, es normal proporcionar aberturas de ventanas automatizadas para facilitar este proceso de forma automática.

Climas cálidos y áridos (por ejemplo, desiertos)Editar

Un edificio amurallado de adobe en Santa Fe, Nuevo México

Este es un uso clásico de la masa térmica. Los ejemplos incluyen casas de adobe, tierra apisonada o bloques de piedra caliza. Su función depende en gran medida de las marcadas variaciones de temperatura diurnas. La pared actúa predominantemente para retardar la transferencia de calor del exterior al interior durante el día. La alta capacidad calorífica volumétrica y el grosor impiden que la energía térmica llegue a la superficie interna. Cuando las temperaturas caen por la noche, las paredes re-irradian la energía térmica hacia el cielo nocturno. En esta aplicación, es importante que tales paredes sean masivas para evitar la transferencia de calor al interior.

Climas cálidos y húmedos (por ejemplo, subtropicales y tropicales)Editar

El uso de masa térmica es el más desafiante en este entorno donde las temperaturas nocturnas permanecen elevadas. Su uso es principalmente como disipador de calor temporal. Sin embargo, debe estar estratégicamente ubicado para evitar el sobrecalentamiento. Debe colocarse en un área que no esté directamente expuesta a la ganancia solar y que también permita una ventilación adecuada por la noche para transportar la energía almacenada sin aumentar aún más las temperaturas internas. Si se va a usar en absoluto, debe usarse en cantidades juiciosas y de nuevo no en grandes espesores.

Materiales comúnmente utilizados para masa térmicaeditar

• Agua: el agua tiene la capacidad calorífica volumétrica más alta de todos los materiales comúnmente utilizados. Por lo general, se coloca en recipientes grandes, tubos acrílicos, por ejemplo, en un área con luz solar directa. También se puede usar para saturar otros tipos de material, como el suelo, para aumentar la capacidad calorífica.
• Hormigón, ladrillos de arcilla y otras formas de mampostería: la conductividad térmica del hormigón depende de su composición y técnica de curado. Los hormigones con piedras son más conductores térmicamente que los hormigones con ceniza, perlita, fibras y otros agregados aislantes. Las propiedades de masa térmica del hormigón ahorran entre un 5% y un 8% en costos anuales de energía en comparación con la madera blanda.
• Los paneles de hormigón aislados consisten en una capa interna de hormigón para proporcionar el factor de masa térmica. Esto se aísla del exterior con un aislamiento de espuma convencional y luego se cubre de nuevo con una capa exterior de hormigón. El efecto es una envolvente de aislamiento de edificios altamente eficiente.
• Las formas de hormigón aislante se utilizan comúnmente para proporcionar masa térmica a las estructuras de edificios. Las formas de hormigón aislantes proporcionan la capacidad calorífica y la masa específicas del hormigón. La inercia térmica de la estructura es muy alta porque la masa está aislada en ambos lados.
• Ladrillo de arcilla, ladrillo de adobe o ladrillo de barro: véase ladrillo y adobe.
• Tierra, barro y césped: la capacidad calorífica de la suciedad depende de su densidad, contenido de humedad, forma de partículas, temperatura y composición. Los primeros colonos de Nebraska construyeron casas con paredes gruesas hechas de tierra y césped porque la madera, la piedra y otros materiales de construcción eran escasos. El grosor extremo de las paredes proporcionaba algo de aislamiento, pero servía principalmente de masa térmica, absorbiendo energía térmica durante el día y liberándola durante la noche. Hoy en día, las personas a veces usan la tierra que se refugia alrededor de sus hogares para el mismo efecto. En el refugio de tierra, la masa térmica proviene no solo de las paredes del edificio, sino de la tierra circundante que está en contacto físico con el edificio. Esto proporciona una temperatura moderadora bastante constante que reduce el flujo de calor a través de la pared adyacente.
• Tierra apisonada: la tierra apisonada proporciona una excelente masa térmica debido a su alta densidad y la alta capacidad calorífica específica del suelo utilizado en su construcción.
• Roca y piedra natural: véase cantería.
• Los troncos se utilizan como material de construcción para crear las paredes exteriores, y quizás también interiores, de las casas. Las casas de troncos difieren de algunos otros materiales de construcción mencionados anteriormente porque la madera maciza tiene un valor R moderado (aislamiento) y también una masa térmica significativa. En contraste, el agua, la tierra, las rocas y el concreto tienen valores bajos de R. Esta masa térmica permite que una casa de troncos retenga mejor el calor en climas más fríos y retenga mejor su temperatura más fría en climas más calurosos.
• Materiales de cambio de fase

Almacenamiento de energía estacionaleditar

Si se utiliza suficiente masa, puede crear una ventaja estacional. Es decir, puede calentarse en invierno y enfriarse en verano. Esto a veces se denomina almacenamiento de calor anual pasivo o HAP. El sistema de PAHS se ha utilizado con éxito a 7000 pies. en Colorado y en varios hogares en Montana. Los Earthships de Nuevo México utilizan calefacción y refrigeración pasivas, así como neumáticos reciclados para la pared de cimientos que producen un máximo de PAHS/STE. También se ha utilizado con éxito en el Reino Unido en Hockerton Housing Project.