Materiales de elevada masa térmica

Los materiales que tienen una elevada capacidad térmica, es decir, un espesor considerable y un gran calor específico volumétrico, así como una conductividad moderada, digamos entre 0.5 y 2.0 W/m°C, generan lo que se conoce como efecto de masa térmica. Entre ellos podemos incluir el adobe (y la tierra en general), el ladrillo, la piedra, el concreto y el agua (uno de los más eficientes).

Estos materiales pesados tienen la cualidad de absorber la energía calórica y distribuirla gradualmente en su estructura interna. Dado que requieren una gran cantidad de energía para aumentar su temperatura, los procesos de transmisión de calor por conducción a través de ellos propician un efecto de “almacenamiento” de calor, lo cual provoca fenómenos bastante peculiares. Para comprenderlos mejor imaginemos la siguiente secuencia de eventos:

Un muro grueso de adobe recibe una cantidad importante de radiación solar durante el día. La radiación solar calienta la superficie exterior del muro y ese calor es absorbido y transmitido lentamente hacia la superficie interior (siempre y cuando ésta tenga una temperatura inferior). Unas 8 horas después de que el muro recibió la mayor cantidad de energía, es decir, durante la noche, su superficie interior alcanza la mayor temperatura posible, contribuyendo a calentar el espacio interior. Para ese momento el muro ha “almacenado” una cantidad importante de energía, por lo que seguirá radiando calor hacia el interior bastantes horas después de que la superficie exterior haya dejado de recibir radiación. Aún cuando durante la noche  el muro pierde calor también hacia afuera (si la temperatura exterior desciende lo suficiente) una parte importante de éste continuará ingresando al espacio interior.

Para medir de manera objetiva el efecto de masa térmica se han definido dos conceptos que operan en régimen dinámico y actúan en forma simultánea: el retraso y el amortiguamiento térmicos.

Retraso y amortiguamiento térmicos

El retraso térmico, en ocasiones llamado desfase, hace referencia al tiempo que tarda en pasar el calor a través de una capa de material. Dicho en otros términos, es el tiempo transcurrido entre los momentos en que se dan las temperaturas máximas en cada una de las superficies del material. Mientras mayores sean el espesor y la capacidad térmica, y menor la conductividad, más tiempo requerirá la energía calórica para atravesarlo. Un muro de adobe de 60cm de espesor, por ejemplo, puede presentar un retraso térmico de 8-10 horas (el tiempo exacto dependerá de otros factores, como la diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior).

Por otro lado el amortiguamiento térmico, en algunos estudios denominado decremento, mide la reducción de la temperatura cíclica de una superficie (generalmente la interior) respecto a la temperatura cíclica de la superficie contraria. Podemos visualizar este fenómeno mediante dos curvas que representen la oscilación diaria de la temperatura en cada superficie. Recurriendo al mismo ejemplo del muro de adobe, la superficie exterior puede presentar una oscilación diaria de 18°C, mientras que la superficie interior presenta una oscilación diaria de 9°C. Tenemos entonces un factor de amortiguamiento de 0.5 (oscilación interior / oscilación exterior). Mientras más pequeño sea el valor del factor de amortiguamiento más estables tenderán a ser las temperaturas interiores.

Al actuar de manera conjunta, estos dos factores provocan tanto una reducción de los flujos de calor como un desfase de los momentos en que se alcanzan las máximas temperaturas superficiales. El efecto global es una estabilización de las temperaturas en el interior de los edificios respecto a las temperaturas exteriores. En condiciones estándar un muro de fábrica de ladrillo de 10cm podría presentar un desfase de 1 hora y un amortiguamiento de 0.90, mientras que otro de 30cm podría presentaría un desfase de 5 horas y un amortiguamiento de 0.70.

El uso apropiado de los materiales con masa térmica

Los materiales de elevada masa térmica ofrecen el mayor potencial de aprovechamiento en los lugares cuyas temperaturas presentan variaciones diarias significativas. Por ejemplo en algunos desiertos la temperatura exterior puede alcanzar los 40°C durante la tarde, mientras que puede descender hasta los 10°C durante la madrugada. En los edificios con cerramientos de elevada masa térmica (con un retraso térmico de entre 8 y 12 horas) los aportes calóricos diurnos pueden llegar a los espacios interiores durante la noche, es decir, cuando son necesarios para contrarrestar el descenso de la temperatura exterior. Por otro lado, al haber descargado gran parte de su energía calórica durante la noche, los cerramientos son capaces de “absorber” aportes calóricos durante el día, contribuyendo a reducir las temperaturas interiores. Este último fenómeno es especialmente efectivo cuando se aprovecha la ventilación natural durante el periodo nocturno.

En los climas que son constantemente cálidos los materiales de elevada masa térmica suelen tener efectos reducidos, e incluso pueden llegar a ser perjudiciales. Esto se debe a que la superficie interior de los cerramientos tiende a mantener una temperatura cercana al promedio de las temperaturas exteriores. Si ésta se ubica cerca del límite superior del rango de temperaturas de confort, de hecho puede contribuir a incrementar el disconfort de los ocupantes. Esa es la razón por la que la arquitectura vernácula en los lugares de clima tropical suele ser de materiales ligeros y de reducida masa térmica, generalmente vegetales.

Algo similar sucede en los lugares muy fríos, como las regiones subpolares, donde la prioridad suele ser un elevado aislamiento. En éste caso la masa térmica expuesta se reduce al mínimo. Sin embargo en algunas circunstancias estos materiales se pueden aprovechar en forma localizada y en pequeña escala, por ejemplo mediante chimeneas y muros Trombe.

Otro aspecto a considerar es la “calibración” del espesor de los cerramientos de elevada masa térmica. Cuando éstos son muy delgados el calor absorbido afecta a los espacios interiores casi de inmediato, es decir, cuando resulta más perjudicial. Además las pérdidas de calor en los periodos fríos suelen ser muy rápidas. Si son demasiado gruesos, curiosamente, pueden generar un efecto similar: la acumulación y transmisión de calor requieren periodos excesivamente largos, por lo que los aportes de calor hacia el interior se pueden dar cuando no son necesarios.

Los edificios con sistemas de climatización artificial merecen mención aparte. En éste caso la elevada masa térmica también puede llegar a ser perjudicial, ya que dichos sistemas se ven obligados a trabajar en buena medida para enfriar o calentar los cerramientos, antes de lograr un adecuado acondicionamiento de los espacios interiores. Esto es aún más evidente en los lugares de uso esporádicos (un teatro, por ejemplo), en los que se requiere un efecto prácticamente inmediato de los sistemas de climatización.

Combinación de aislamiento y masa térmica

La combinación de materiales aislantes y materiales de elevada masa térmica en los cerramientos de los edificios suele redituar grandes beneficios. Uno de ellos es que los componentes con masa térmica no requieren un gran espesor para trabajar de manera eficiente (generalmente un grosor de 15 a 25cm es adecuado) lo cual significa ahorros importantes, tanto de espacio como de recursos económicos. El más importante, sin embargo, es que se pueden lograr prestaciones térmicas más significativas que cuando sólo se usa alguno de ellos.

Numerosas investigaciones han demostrado que lo ideal es ubicar el material aislante hacia el exterior, de preferencia en forma continua para evitar los puentes térmicos. De esa manera la masa térmica interactúa más eficientemente con los espacios interiores, mientras que el aislamiento constituye una barrera tanto al ingreso del calor (en los periodos cálidos) como a las pérdidas (durante los periodos fríos).

 

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