1. SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO POR SUPERFICIES RADIANTES CON TUBOS CAPILARESTop

En los años 1980 se desarrollaron sistemas de acondicionamiento de espacios arquitectónicos a través de tramas capilares de tubos de polipropileno de 3 mm de diámetro aproximadamente, separados unos 10 mm entre sí. Estas tramas se pueden aplicar en cualquiera de los paramentos interiores –suelos, paredes, techos– mediante diversas técnicas de trasdosados, falsos techos, falsos muros o proyección de yeso. Se hace circular agua fría o caliente a través de dichas tramas, lográndose una climatización saludable, silenciosa y confortable, con contrastados ahorros energéticos frente a otros sistemas convencionales de climatización (4).

Estos sistemas acondicionan principalmente por radiación, y secundariamente por convección. Al trabajar enfriando o calentando moderadamente algunos paramentos, con una mínima deshumidificación en verano, y sin impulsión de aire frío o caliente, se consiguen muchos efectos positivos frente a los sistemas convectivos. El nivel sonoro disminuye drásticamente, el aire se mueve a velocidades de convección muy bajas y la temperatura del aire en verano es aproximadamente 2 ºC superior a los sistemas convectivos. De esta forma el nivel de confort aumenta considerablemente. Además se producen importantes ahorros energéticos certificados por prestigiosos institutos de investigación. Los factores principales son la mayor capacidad de transporte energético del agua frente al aire, la autorregulación del sistema, y la reducción de cargas térmicas al estar en verano el aire interior a mayor temperatura (5).

Los esquemas de principio de aplicación de estos sistemas han sido ampliamente tratados en recientes publicaciones (6). Al trabajar con agua a temperaturas moderadas tanto en verano como en invierno, es factible el uso de energías alternativas: paneles solares, sistemas de acumulación de energía química a base de cloruro de litio (7), (8), sistemas de absorción, sistemas de energía geotérmica (9), o uso de agua de mar (10), entre otros (11).

2. PANEL DE ACONDICIONAMIENTO TÉRMICO CERÁMICO (ATC)Top

Los materiales de acabado en la aplicación de las tramas capilares son habitualmente paneles de cartón-yeso, bandejas metálicas de falso techo, yeso proyectado en paredes o techos y materiales habituales de pavimentación. Se han desarrollado también soluciones de hormigón fratasado con las tramas embebidas para pavimento, todas ellas con excelentes resultados. Hasta el momento no se había trabajado con gres porcelánico en paredes y techos, debido a las dificultades técnicas de ejecución, peso excesivo, dificultades de mantenimiento e inspección. Sin embargo, las nuevas piezas de gres porcelánico de gran formato han permitido desarrollar paneles cerámicos prefabricados que incorporan las tramas (12).

Recientemente el grupo de investigación de la Universidad de Alicante «Tecnología y Sostenibilidad en Arquitectura», junto con ASCER y el ITC ha desarrollado un panel de acondicionamiento térmico cerámico ATC (13). Éste consiste en una o dos piezas de gres porcelánico de gran formato (14) y bajo espesor –300 × 100 × 3 mm– armados con fibra de vidrio en una de sus caras, una trama capilar de tubos de polipropileno PPR de 3,5 mm de diámetro separados cada 10 mm, y pasta conductora (15) para adherir el conjunto embebiendo la trama capilar (Figura 1). Es una solución idónea tanto para falsos techos cerámicos modulares, trasdosados en pared y techo de piezas de gran formato, o incluso en soluciones tipo bafle. Al trabajar con piezas de 3 mm en paneles prefabricados se consigue una gran facilidad de montaje en obra, mantenimiento y reposición en caso de fuga o avería.

Estos paneles de gres porcelánico y pasta conductora son idóneos para el correcto acondicionamiento térmico. En efecto, al estar dotados de conductividad térmica y efusividad altas, la capacidad térmica es similar a la de los habituales paneles de yeso (véase Tabla 2). Aunque en el caso de bandejas de techo metálico estos parámetros sean cuatro veces inferiores, los ensayos de tiempos mínimos realizados hasta alcanzar la potencia de emisión de proyecto, visualizados a través de termografías, son de unos diez minutos para el yeso y el gres porcelánico de bajo espesor, y de cinco minutos para el techo metálico. Se han realizado recientemente algunos prototipos que se han implantado en pared en un despacho de la Universidad de Alicante, en un edificio todo-agua, en el que se han derivado las conexiones al fan-coil hacia la distribución a cuatro paneles radiantes de 2,5 × 1 m (véase Figura 2). Las condiciones de confort y tiempo y potencia de emisión están siendo satisfactorias.

Estos paneles cerámicos tienen además otras ventajas frente a los acabados en yeso y materiales metálicos, como la chapa de acero. Son inertes frente a las acciones químicas o procesos de oxidación y degradación por el uso. Su resistencia mecánica es también superior, pudiendo ser reforzada en su aplicación en pared, adhiriendo dos piezas cerámicas mediante un butiral con un 3 + 3 mm. No requiere mantenimiento alguno, y su sustitución es sencilla. Para el caso de falsos techos el gres porcelánico de bajo espesor es ligero y no sufre deformaciones o desperfectos en las operaciones de mantenimiento. Sus posibilidades estéticas son enormes, con multitud de efectos de acabado, pudiéndose incluso reproducir imágenes a través de la técnica inkjet(16), (17) con anterioridad al proceso de cocción.

3. APLICACIÓN INICIAL DE LOS PANELES ATC EN EL MUSEO DE LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE (MUA)Top

El Museo de la Universidad de Alicante es un volumen flexible de 63 × 22,5 × 9 metros en su interior. Se configura a base de unas nayas en todo su perímetro que permiten la circulación en tres niveles para tareas de mantenimiento. La circulación bajo cubierta se realiza también a través de 8 costillas. Este espacio buffer aloja todas las instalaciones de iluminación, climatización y evacuación de aguas del edificio (Figura 4). La cubierta contiene 7 enormes lucernarios con lamas exteriores orientables de aluminio. El perímetro en planta baja es de vidrio simple, con protección a base de paneles DM.

La envolvente interior está formada por paneles DM lacados en blanco pegados con cordón de poliuretano sobre bastidores de madera, atornillados éstos sobre subestructura de tubo de acero. La envolvente exterior estaba formada por paneles tipo sándwich con aislamiento de lana de roca, panel exterior fenólico, panel interior DM y bastidores de madera en su perímetro. Dicha envolvente sufrió lesiones debidas a la humedad, la radiación solar y el diferencial térmico debido a los puentes térmicos generados por la discontinuidad del material de aislamiento (18). En 2010 la envolvente fue rehabilitada. Se aplicaron sobre la piel existente 3 cm de poliuretano proyectado, y se generó una fachada ventilada, aprovechando la subestructura metálica existente, con paneles fenólicos de última generación (Figura 4).

En una primera investigación se monitorizó el edificio en 2013 durante las semanas características para verano (3-9 de agosto) e invierno (17-23 de febrero) que define el programa Design Builder para el fichero climático de Alicante. A través del software Design Builder se procedió a realizar simulaciones de comportamiento térmico y cálculo de demandas energéticas, tanto en estado actual como antes de la reforma de la envolvente. También se simuló la aplicación en pared de los paneles cerámicos térmicos antes descritos, en el interior del espacio principal del MUA, en sustitución de los paneles de DM existentes.

Los resultados se publicaron en 2014 (19). La incidencia del nuevo aislamiento y la reducción de los puentes térmicos, resueltos de manera satisfactoria con la nueva envolvente generada, redujeron en un 12 y un 6 %, respectivamente, la demanda energética. Se obtuvieron resultados de demanda energética con temperaturas operativas de consigna de 20 ºC en invierno y 24 ºC en verano, ocupación de 0,15 personas/m² y aire de ventilación de 1 ren/h. Se comparó además la aplicación de los paneles térmicos cerámicos en pared frente al sistema de climatización existente todo-aire. Los resultados de confort térmico en régimen de verano fueron igualmente satisfactorios para el usuario, siendo el sistema radiante igualmente capaz de disipar en régimen de verano, por convección y radiación, en torno a 60 W de energía por metro cuadrado de superficie corporal.

4. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS DIVERSAS APLICACIONES DE LOS PANELES CERÁMICOSTop

Tras estos primeros resultados de aplicación de los paneles ATC en el MUA se propone una investigación más amplia con un análisis comparativo de algunas de las diversas formas de aplicación. En la Tabla 3 se exponen las 5 opciones viables de colocación (opciones 2 a 6): en paredes opuestas con superficie continua, en techo continuo descolgado, paneles verticales en techo tipo bafle y paneles en pared ortogonales al paramento. Los paneles de gres porcelánico blanco alterarían el aspecto estético en la mayor parte de las opciones presentadas. Sin embargo, permitirían la entrada de luz natural de modo similar al actual. Únicamente en la opción 6 habría una variación del efecto de entrada de luz al disponerse ortogonalmente al vidrio perimetral de planta baja.

4.1. Evaluación comparativa de la sensación térmica del usuario

Para evaluar la sensación térmica del usuario se seguirá el protocolo definido por Fanger (20), adaptado con nuevas formulaciones ajustadas a algunos espacios arquitectónicos (21). Para que un individuo se encuentre con sensación de bienestar en un local es necesario analizar cuidadosamente todos aquellos parámetros que lo determinan de modo directo, principalmente la temperatura seca del aire, su humedad relativa, la velocidad del aire que lo envuelve y la temperatura superficial de cada uno de los paramentos que configuran dicho local. Otros parámetros inciden de forma indirecta, como la pureza del aire envolvente o el nivel sonoro. El individuo necesita mantener una temperatura corporal prácticamente constante entre 36,5 y 37 ºC. Para la sensación de confort requiere del mantenimiento del balance energético según la expresión:

La determinación de las condiciones ideales de temperatura y humedad relativa que garanticen las actividades habituales de los individuos en espacios interiores es una tarea compleja, que ha motivado numerosas investigaciones (22), (23). Las pérdidas de calor por convección se obtienen a través de la expresión:

El factor de convección h_c está directamente relacionado con la velocidad del aire y la posición en que se encuentre el individuo. Habitualmente dicho factor tiene un valor medio de 3,5 W/m²ºC, con una velocidad del aire de 0,1 m/s, y 4,5 W/m²ºC, con una velocidad del aire de 0,2 m/s. Se puede obtener su valor a través de la expresión:

Dado que el valor medio de la superficie corporal es de 1,7 m²(24), la expresión [3] podría simplificarse para el cálculo total de las pérdidas por convección del ser humano:

La obtención del valor de pérdidas por radiación es tarea más compleja. Se basa en la ley de Stefan-Boltzman, en función de las cuartas potencias de las temperaturas superficiales del individuo y de las paredes que configuran el local. Al trabajar con planos finitos, en diversas posiciones respecto del individuo, la determinación de la transferencia de calor por radiación se hace extremadamente compleja. Fanger llevó a cabo una cuantificación de los factores forma que inciden en la determinación del valor real de la temperatura radiante media de los paramentos (20). La expresión del cálculo de T_rm se puede simplificar según la expresión recogida en su manual:

A través de la temperatura radiante media así obtenida y del valor de la temperatura de la piel y/o la ropa del individuo, de forma experimental se puede obtener el valor de la transferencia de calor por radiación, sabiendo que el coeficiente de pérdidas por radiación h_r adopta valores aproximados de 4,7 W/m²ºC con temperatura estimable del cuerpo humano T_i de 30 ºC.

Para proceder a la evaluación de las pérdidas de calor sensible por radiación y convección del individuo, en la sala del MUA se obtuvieron datos de temperaturas superficiales por monitorización del estado actual u OP 1, con sistema convectivo, y los datos homólogos para las opciones radiantes a través de simulaciones con Design Builder. Con estos presupuestos se procedió a calcular los factores forma según el método de Fanger para las 6 opciones, con la posición de individuo en pie y en el centro de la sala, y posteriormente las temperaturas radiantes medias según la expresión [5]. Los resultados se muestran en la Tabla 4.

Igualmente se obtuvieron valores de velocidad del aire interior en el centro de la sala, inicialmente por a través de sensores Testo, y posteriormente en los sistemas radiantes mediante simulación. Una vez conocidos los valores de temperatura radiante media, temperatura del aire interior y velocidad del aire envolvente al individuo en el centro de la sala se cuantificaron los valores q_rdi y q_cvi de pérdidas de calor por radiación y convección para un individuo, para cada uno de los escenarios analizados. Los resultados se muestran en la Tabla 5. Se puede comprobar cómo las diferencias cuantitativas de la suma de ambos valores son muy similares en sistemas convectivos frente a sistemas radiantes.

Podemos concluir que, dado que los valores habituales de emisión de calor sensible del usuario andando lentamente son 90 W (22), las opciones que dan mejores resultados son OP 1, OP 3 y OP 5. La aplicación de los paneles radiantes en techo, para régimen de verano, favorecen la convección del aire, y por tanto aumenta su capacidad de emisión y la velocidad del aire en la zona de ocupación. En las opciones de colocación de los paneles radiantes en pared la capacidad de cesión de calor sensible del individuo disminuye a valores inferiores a los 90 W necesarios. Consecuentemente se debería aumentar la potencia de emisión de los paneles cerámicos radiantes bajando la temperatura superficial. Si se disminuyera ésta de 17 a 16 ºC, aumentarían las pérdidas de individuo por radiación a valores de 45 W, y también por convección al aumentar la velocidad del aire a valores en torno a 35 W, acercándonos así a los valores de confort.

No se han tenido en cuenta para el análisis comparativo las emisiones de calor latente, que para el individuo en las condiciones antes señaladas suponen un valor aproximado de 70 W. Los equipos de bomba de calor en la opción 1 y los fan-coils de deshumidificación en las opciones 2 a 6 se han cuantificado para resolver estas cargas térmicas con una ocupación de 100 personas.

4.2. Temperaturas operativas

Una vez determinados de forma experimental y con suficiente aproximación los coeficientes de convección h_c y de pérdidas por radiación h_r, y obtener los valores de pérdidas de calor sensible adecuados a la expresión [1], con unos buenos resultados de confort en la aplicación de los paneles de acondicionamiento térmico cerámico en sus diversas opciones, procedemos a comprobar los valores de la temperatura operativa de confort T_o para el cuerpo humano (Tabla 6). Ésta podría definirse como «la temperatura uniforme de un recinto imaginario en el que el cuerpo intercambia el mismo calor seco (sin tener en cuenta las cargas latentes) por radiación y convección que en un mismo ambiente real» (22).

La interpretación de esta expresión resulta relevante para comprender la forma de trabajo de los sistemas de climatización por superficies radiantes. La sensación de confort del individuo en espacios cerrados, si consideramos a priori un control de la humedad relativa y la velocidad del aire en el marco que establece el RITE (entre un 40 y un 60 %, y 0,15 a 0,24 m/s, respectivamente, según se trate de régimen de invierno o verano), depende tanto de la temperatura del aire que le envuelve como de la temperatura superficial de todos los paramentos que conforman el espacio. Y además en una proporción similar, o incluso un poco más relevante en lo que se refiere a la temperatura radiante media T_rm. Como se puede apreciar en el MUA la temperatura del aire interior es unos 2 ºC superior en los sistemas radiantes frente al sistema convectivo.

En la Gráfica 1 se observan los valores de temperaturas en régimen de verano para el día 2 de agosto de 2015: temperatura del aire exterior, temperaturas del aire interior de los puntos 1 y 3 de la zona de ocupación, según se indican en la Figura 4, para el sistema convectivo actual u OP 1 y sistema de paneles radiantes en pared u OP 2, y valores de temperatura interior del aire en el caso de que se desconectara el sistema de climatización. Igualmente se obtuvieron estos datos para todas las opciones, a través de la simulación calibrada antes descrita.

Como puede observarse en la Tabla 6, las temperaturas operativas se aproximan a los valores de 23 ºC introducidos en las simulaciones realizadas a través de Design Builder para régimen de verano, como obliga el RITE. Al procurar un foco térmico de gran superficie en estos sistemas, en suelo, techo o pared, las temperaturas superficiales del foco emisor de calor o frío son más moderadas, consiguiendo la misma potencia de emisión que en los otros sistemas, y con similar temperatura operativa. Esta diferencia conlleva, como veremos, sustanciales ahorros energéticos y permite el uso de energías alternativas, como la solar o la geotermia.

4.3. Evaluación comparativa de la demanda energética en verano e invierno

Como última fase del análisis comparativo entre las 6 opciones se ha procedido a evaluar la demanda energética en régimen de verano y régimen de invierno. Para ello se ha utilizado la herramienta Design Builder, habiéndose calibrado a través de los resultados de monitorización, como se ha descrito anteriormente.

Para poder calibrar la simulación se obtuvieron por monitorización datos de temperaturas del aire, humedad relativa, temperatura superficial de los paramentos, etc. Algunos de los resultados se han mostrado en las Tablas 4 y 5 y en la Gráfica 1. A través de termografías se detectaron puentes térmicos, y se evaluaron posteriormente a través de la herramienta Antherm. Los resultados de factor de acoplamiento y valores de transmitancia térmica lineal se publicaron en 2014 y han sido utilizados para esta simulación (19). También se recogieron datos de temperatura del aire exterior y radiación solar mediante piranómetro ubicado en la cubierta a separación de 1 m. Para establecer el valor de renovación del aire interior más infiltraciones de aire se procedió a ajustar los valores de consumos de energía eléctrica con los valores de consumos energéticos reales del edificio. Existe un único contador eléctrico para el conjunto. Una vez descontado el valor de consumos de iluminación, 2,8 kWh/m²a, se obtuvo el valor de los consumos energéticos anuales debidos a la climatización del edificio. El valor medio del periodo 2010-2014 es de 203.050 kWh/a. Se procedió a realizar simulaciones con sistema todo-aire de impulsión, determinando que el valor de volumen de aire de renovación real es de 2 ren/h.

El escenario de climatización ha sido, pues, el siguiente: protección de paramentos de vidrio de la planta baja moderada mediante paneles DM. Lucernarios existentes cubiertos con lamas orientables. Ocupación de 100 personas en la sala de exposición. Iluminación de la sala de 300 lux. Renovación de aire 2 ren/h. Infiltración de aire para solución constructiva poco estanca, equivalente a 0,7 ren/h. En las Figuras 8, 9 y 10 se muestran las representaciones de esta simulación para el día 2 de agosto a las 16:00 h. Se muestra la sección transversal en el centro de la sala de exposiciones, para las opciones 1, 2 y 3, con temperaturas y velocidades del aire interior.

Los sistemas de acondicionamiento por superficies radiantes requieren deshumidificar el aire interior contrarrestando las cargas latentes, de forma que se consiga un adecuado confort térmico y no exista riesgo de condensaciones superficiales en los paneles cerámicos (5). La temperatura superficial de éstos debe ser superior a la temperatura de rocío, que con un 60 % de humedad relativa se ha estimado de 16 ºC según el ábaco sicométrico. Los resultados de la simulación en cuanto a consumos energéticos y porcentajes de comparativa frente a sistemas convectivos se muestran en la Tabla 7. La demanda energética es de 139,31 kWh/m²a para el sistema todo-aire actual, OP 1, y 107,97 kWh/m²a para el sistema de paneles térmicos cerámicos en pared, OP 2, con un consiguiente ahorro energético del 22,5 %.