Comportamiento acústico y térmico de materiales basados en fibras naturales para la eficiencia energética en edificación

2.1. Fibras naturales y recicladas

A continuación se describen brevemente las características y propiedades de las fibras utilizadas:

La principal aplicación de la fibra de algodón es la elaboración de ropa. La función de la ropa es proteger el cuerpo humano del frío y del calor por lo que el estudio de estas fibras debe basarse en esta premisa (14(14) Briga-Sa, A., Nascimiento, D., Teixeira, N., Pinto, J., Caldeira, Varum, H., y Paiva, A. (2013). Textile waste as an alternative thermal insulation building material solution. Construction and Building Materials 38, 155-160. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2012.08.037 ). Los residuos textiles pueden proceder de la basura de la industria textil o pueden ser el resultado de prendas que ya no se usan. En la Unión Europea se generan más de 6 millones de toneladas de prendas textiles descartadas por los consumidores de las que solo un 25% son recicladas por organizaciones benéficas. El resto se destina a vertederos o son incineradas. En este proceso se libera una cantidad sustancial de gases de efecto invernadero como resultado de la descomposición de la celulosa. Existe, por tanto la necesidad de un medio eficiente de reciclaje de residuos de algodón.

2.2. Muestras de no tejidos

A partir de las fibras descritas se han elaborado muestras de no tejido unidas de manera mecánica mediante una punzonadora. La punzonadora permite la fabricación de no tejidos sin utilizar ningún tipo de ligante. En el proceso de fabricación las fibras pasan a través de un mecanismo de agujas que se introducen en medio de las fibras y gracias al movimiento alternado de las agujas que poseen pequeños ganchos salientes, las fibras se entrelazan entre sí (6(6) Navacerrada, M. A., Díaz, C., Pedrero, A., Isaza, M., y Fernández, P. (2016). Caracterización acústica y térmica de no tejidos basados en fibras naturales. Proceedings de EuroRegio 2016, Junio 13-15, Oporto (Portugal)). Una de las ventajas de la fabricación no tejida es que generalmente en un proceso continuo directamente desde la materia prima.

En la Figura 1 se muestran fotos de los no tejidos fabricados. Las muestras tienen dimensiones de 25 cm x 25 cm, 2,5 cm de espesor y 80 kg/m³ de densidad aproximada. Estudios previos llevados a cabo con no tejidos de fique indicaron esta densidad como apropiada por la relación entre la cantidad de fibras empleada y las prestaciones acústicas y térmicas del material diseñado (15(15) Navacerrada, M. A., Díaz, C.; y Fernández P. (2014). Characterization of a material based on short natural fique fibers. Bioresources 9(2), 3480-3496. DOI: 10.15376/biores.9.2.3480-3496).

2.3. Técnicas de caracterización

2.3.2. Rigidez dinámica

 ⌅

Las medidas de rigidez dinámica se realizaron de acuerdo con la norma UNE EN 29052-1 (17(17) UNE-EN 29052-1:1994. Acústica. Determinación de la rigidez dinámica. Parte 1: materiales utilizados bajo suelos flotantes de viviendas. ) que describe el procedimiento para la determinación de la rigidez dinámica para materiales con superficies lisas. El procedimiento de medida está basado en la medida de la frecuencia de resonancia de un sistema masa-muelle donde el muelle es el material objeto de estudio y la masa una placa de acero cuadrada de dimensiones 200 x 200 mm² y unos 8 kg de peso. Durante los ensayos la muestra se colocó entre una superficie lisa y rígida (suelo del laboratorio) y las placas de acero. Las superficies entre las que se coloca la muestra deben ser lo suficientemente rígidas para evitar ondas de flexión en el intervalo de frecuencias de interés. Conocida la frecuencia de resonancia del sistema, la rigidez dinámica aparente por unidad de superficie de la muestra se calcula mediante la expresión:

 [1]

donde m’_t es la masa total por unidad de superficie del sistema ensayado en kg/m² y f_r es la frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia de la vibración vertical del sistema muestra y placa de carga se determinó utilizando como excitación una señal de ruido blanco aplicada a la muestra mediante un excitador Modelo 4824 de Brüel&Kjaer.

3.1. Propiedades térmicas

Como ya se ha indicado una de las medidas para disminuir el consumo energético de un edificio es dotarlo de un aislamiento térmico adecuado. Desde el punto de vista térmico el CTE en su DB-HE clasifica los productos mediante su conductividad térmica λ y el factor de resistencia a la difusión del vapor de agua m. Considera aislante térmico aquel material que tiene una conductividad térmica menor que 0,05 W/m×K y una resistencia mayor que 0,025 m²× K/W. En general y salvo justificación, los valores de diseño serán los definidos para una temperatura de 10ºC.

En la Tabla I se muestran a 10ºC los valores medidos para las fibras escogidas y los valores de algunos aislantes térmicos convencionales. Los valores presentados son el promedio de las mediciones realizadas con tres muestras diferentes de iguales características para cada tipo de fibra. En un material fibroso la conductividad térmica es una combinación de la conductividad de la fibra y el aire. El diámetro y morfología de los espacios vacíos que se generan es otro factor importante que fija el valor final de λ. Esto podría explicar la menor conductividad térmica de las muestras fabricadas a partir de las fibras de denim (ver Tabla I). Dado el menor diámetro que presentan y su mayor flexibilidad, la mayor concentración de fibras permitiría generar cavidades de menor diámetro que ofrecerían mayor resistencia térmica (21(21) Navacerrada, M. A., Fernández, P., Díaz, C., y Pedrero, A. (2013). Thermal and acoustic properties of aluminium foams manufactured by the infiltration process. Applied Acoustics 74, 496-501. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2012.10.006 ).

Es importante estudiar el efecto de la temperatura y la humedad sobre el valor de la conductividad térmica. En la Figura 2 se ha representado la conductividad térmica λ medida en función de la temperatura para valores entre 5 y 50ºC. En el rango de temperaturas analizado el valor de λ aumenta ligeramente con la temperatura en todos los casos. Se han llevado a cabo algunos estudios sobre la influencia de la temperatura en el valor de la conductividad térmica para materiales como una lana mineral o una espuma de poliuretano (22(22) Abdou, A.A., y Budaiwi, I. M. (2005). Comparison of thermal conductivity measurements of building insulation materials under various operating temperatures. Journal of Building Physics 29(2), 171-184. https://doi.org/10.1177/1744259105056291 , 23(23) Karamanos, A., Hadiarakou, S., y Papadopoulos, A. M. (2008) .The impact of temperature and moisture on the thermal performance of stone wool. Energy Building 40, 1402-1411. ). Los resultados mostraron que en general en los materiales fibrosos cuanto mayor es la temperatura y la humedad mayor es el valor de la conductividad térmica. Este hecho es debido a la alta conductividad del agua que es unas 25 veces mayor que la del aire a temperatura ambiente. Aunque no se ha llevado a cabo un estudio sobre el efecto de la humedad un inconveniente de las fibras naturales es que son hidrófilas. La cantidad de absorción de agua depende del valor de m del material, se asume que la absorción de agua de un material es mayor cuanto menor es el valor de m. Para las fibras naturales, los valores de la resistencia al vapor oscilan entre 1 y 2, la de la espuma de poliuretano oscila entre 60 y 150.

Cuando se analiza una vivienda energéticamente, el espesor del aislamiento térmico es una de las cuestiones básicas. El espesor óptimo del aislante debe tener en cuenta, entre otros, el tipo de edificio, las condiciones climáticas, los materiales de construcción, con el objetivo de reducir el consumo anual de energía para calentar o enfriar un edificio (24(24) Kaynakli, O. (2012). A review of the economical and optimum thermal insulation thickness for building applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16, 415-425. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.08.006 ). Basado en los valores de λ los materiales fabricados se podrían usar como aislantes térmicos en cerramientos exteriores, particiones interiores y cubiertas. En la Tabla II se ha estimado la transmitancia térmica U que resultaría al usar los materiales fabricados como aislantes térmicos para dos espesores, 5 y 10 cm, en cerramientos combinados con un ladrillo perforado de medio pie 0 con un tablero de partículas de madera. La normativa se encuentra en constante cambio y los espesores del aislamiento térmico de los edificios han aumentado su valor. El incremento de los espesores reconoce al aislamiento como el elemento fundamental sobre el que diseñar cualquier política de ahorro de energía en los edificios y para cumplir con los compromisos derivados de las diferentes directivas europeas. Para evitar descompensaciones en el aislamiento entre las diferentes partes del edificio el CTE en su DB-HE incluye tablas de requerimientos mínimos en los que se indica el aislamiento mínimo que deben tener los elementos que configuran la envolvente del edificio, las medianerías y las particiones interiores. El requerimiento viene determinado por la zona climática. Para el espesor de 10 cm se cumplen los requisitos térmicos exigidos por el Código Técnico de la Edificación para muros y suelos pertenecientes a la envolvente térmica (Tabla 3.1.1.a-HE1) y para delimitaciones de particiones interiores de igual y distintos usos en todas las zonas climáticas (Tabla 3.2-HE1). Para cumplir los requisitos mínimos exigidos para delimitaciones de particiones interiores de igual y distintos usos es suficiente con un espesor de 5 cm para el aislante térmico.

Fibra	U (10 cm) (W/m2·K)	U (5 cm) (W/m2·K)	Secciones
Fique	0,37	0,70
Coco	0,39	0,74
Denim	0,36	0,68
Fique	0,36	0,67
Coco	0,38	0,71
Denim	0,35	0,65
Fique	0,35	0,63
Coco	0,37	0,67
Denim	0,34	0,62

3.2. Propiedades acústicas

Desde el punto de vista acústico se discuten las posibilidades de uso de los materiales fabricados para aislamiento acústico y para acondicionamiento acústico.

Aislamiento acústico. Para materiales fibrosos de baja resistividad al caudal del aire, la norma (17(17) UNE-EN 29052-1:1994. Acústica. Determinación de la rigidez dinámica. Parte 1: materiales utilizados bajo suelos flotantes de viviendas. ) indica el valor de s´_t medido se puede aproximar a la rigidez dinámica por unidad de superficie s´. A partir de s´ se puede estimar la mejora que introducirían los materiales fabricados en el aislamiento acústico de un paramento horizontal o vertical. En la Tabla III se indican los valores medidos para la rigidez dinámica para los tres tipos de muestras. Los valores de la tabla, al igual que para λ, son el promedio de los valores medidos para tres muestras diferentes para cada tipo de fibra. A efectos comparativos, en la tabla se incluyen también los parámetros acústicos medidos para una lana de roca de espesor y densidad similar al de las muestras fabricadas.

Para describir el aislamiento a ruido aéreo de los elementos constructivos se utiliza el índice global de reducción sonora R_W , y R_A si es ponderado A. El CTE impone valores mínimos para estos parámetros. Para el caso de elementos que proporcionan aislamiento a ruido de impactos además debe conocerse el nivel global de aislamiento a ruido de impactos normalizado, L_W. Aunque los valores de estos parámetros acústicos deberían obtenerse a partir de mediciones en laboratorio, también se pueden obtener utilizando cálculos teóricos o estimaciones empíricas. No obstante, es importante siempre indicar cuales son las fuentes de los datos utilizados. En este este caso se ha calculado la mejora del índice global de reducción acústica a ruido aéreo ΔR_W en un cerramiento trasdosado en el que la cámara se rellena con estos materiales. Para un elemento de separación horizontal, se ha calculado la reducción del nivel global de aislamiento acústico a ruido de impactos ΔL_W debida a un suelo flotante en el que la capa elástica estuviera constituida por los materiales fabricados. Estos índices de mejora representan la diferencia entre el índice de reducción acústica, R_W o L_W , del elemento estructural básico con la capa adicional y el elemento estructural básico sin esa capa. El cálculo de la mejora depende del tipo de elemento estructural al que se apliquen estos recubrimientos.

Para elementos estructurales básicos con un índice de reducción sonora en el rango de 20 a 60 dB, ΔR_W se puede estimar a partir del cálculo de la frecuencia de resonancia del sistema (25(25) UNE EN ISO 12354-1: 2018. Acústica de edificios. Estimación del rendimiento acústico de los edificios a partir del rendimiento de los elementos. Parte 1: Aislamiento acústico a ruido aéreo entre recintos. ). Se ha considerado un cerramiento constituido por un ladrillo perforado de medio pie de masa por unidad de superficie m₁ = 160 kg/m² trasdosado con una placa de yeso laminado de espesor 1,5 cm y de una masa por unidad de superficie de m₂ = 12 kg/m². La frecuencia de resonancia del sistema formado por el ladrillo perforado de medio pie de masa m₁, una capa de 2,5 cm de espesor de coco, fique, denim o lana mineral de rigidez dinámica s´ y una placa de yeso de masa m₂ se ha determinado mediante la siguiente expresión (Anexo D UNE EN ISO 12354-1 (25(25) UNE EN ISO 12354-1: 2018. Acústica de edificios. Estimación del rendimiento acústico de los edificios a partir del rendimiento de los elementos. Parte 1: Aislamiento acústico a ruido aéreo entre recintos. )):

[2]  

Los valores de f₀ se han incluido en la Tabla III. Para frecuencias de resonancia comprendidas entre 30 y 160 Hz la norma indica que ΔR_W se estima a partir de la siguiente expresión:

 [3]

En la expresión [3], R_W representa el aislamiento acústico global del elemento estructural básico, que en este caso es de 45 dB. Los valores de ΔR_W se indican en la Tabla III. La mejora introducida por las capas de las fibras de coco o denim son comparables a la que se obtiene con una lana mineral.

Para impedir la transmisión de ruido de impactos los elementos de separación horizontales suelen contar con un suelo flotante. El material aislante a ruido de impactos en un suelo flotante suelen ser materiales elásticos y flexibles, generalmente poliuretano, características que comparten los materiales fabricados a partir del fique, coco y denim. La reducción del nivel de presión sonora de impactos ΔL_W depende de la masa por unidad de superficie de los suelos flotantes y de la rigidez dinámica s´ de la capa elástica. La norma UNE EN ISO 12354-2 (26(26) UNE EN ISO 12354-2: 2018. Acústica de edificios. Estimación del rendimiento acústico de los edificios a partir del rendimiento de los elementos. Parte 2: Aislamiento acústico a ruido de impactos entre recintos.) en su Anexo C indica las expresiones que se han de aplicar para obtener la reducción del nivel de presión acústica de impactos ΔL_W de suelos flotantes. La mejora depende del elemento estructural básico al que se aplica, para soleras de suelo flotante hechas de mortero/cemento o sulfato de calcio, los valores se pueden calcular haciendo uso de la fórmula:

[4]  

Para suelos flotantes en asfalto o construcciones de suelo flotante seco, los valores se pueden calcular haciendo uso de la fórmula:

[5]  

En las expresiones [4] y [5], m´ representa la densidad del suelo flotante y s´ la rigidez dinámica de la capa elástica. Estas expresiones son válidas siempre y cuando la capa elástica cubra toda la superficie del suelo sin ninguna separación o corte. Los valores que resultan de aplicar las expresiones [4] y [5] se han representado para cada fibra en función de m´ en la Figura 3 y la Figura 4.

Dependiendo de la densidad del forjado el Código Técnico exige que el suelo flotante tenga una mejora u otra con respecto a los aislamientos a ruido de impactos y a ruido aéreo. Según el DB-HR para forjados homogéneos aligerados de masa menores, a partir de 175-180 kg/m², y en el caso más desfavorable se requieren mejoras en el aislamiento acústico a ruido de impactos por encima de 26 dB, valores que se conseguirían con todos los materiales fabricados (véase Figura 4).

Es importante tener en cuenta que el aislamiento acústico obtenido para un elemento constructivo in situ es, en general, menor que el aislamiento acústico teórico. Esto se debe a que el aislamiento acústico final depende no sólo de los elementos constructivos proyectados para la separación sino también de los encuentros entre ellos y de la calidad de su ejecución. El tipo y calidad de la conexión entre elementos fija la transmisión acústica indirecta o por flancos. El CTE indica que aunque esta diferencia puede variar sensiblemente en funcion de los tipos constructivos, de modo orientativo, puede decirse que es superior en 5 dBA. Por ejemplo, en un elemento separador de doble hoja, el tipo de material absorbente que se instala en la cámara pierde relevancia frente a la desolidarización de los cerramientos mediante bandas perimetrales. En este tipo de cerramientos o medianeras el camino dominante de la transmisión del sonido es el que conecta la hoja interior con los elementos de separación horizontales. Si este camino no se anula adecuadamente, el resto de materiales que se coloquen en la solución no aportarán ninguna mejora.

Acondicionamiento acústico. En recintos que suelen tener las superficies reflectantes y que son de un tamaño considerable conviene elegir materiales absorbentes con los que recubrir las paredes o el techo, de modo que el tiempo de reverberación se mantenga dentro de unos límites correctos. De esta manera se consigue que disminuyan los niveles de ruido en el interior de los edificios, así como una mayor inteligibilidad de la palabra, importante en recintos como aulas y salas de conferencias.

Los valores numéricos medidos para el coeficiente de absorción α en bandas de tercio de octava se indican en la Tabla IV. Se ha incluido en la tabla el Índice de Reducción Sonora NRC (Noise Reduction Coefficient) calculado como la media aritmética de los valores medidos en las bandas de octava entre 250 y 2000 Hz. En la Figura 5 se han representado gráficamente estos resultados y se han incluido los valores medidos para la lana de roca. Los valores de α indican que las muestras fabricadas son buenos absorbentes acústicos en frecuencias intermedias y altas. Comportamiento comparable al obtenido por otros autores para materiales fabricados con otras fibras naturales (27(27) Berardi, U., y Iannace, G. (2015). Acoustic characterization of natural fibers for sound absorption applications. Building and Environment 94, 840-852. DOI: 10.1016/j.buildenv.2015.05.029). Ensayos llevados a cabo con la fibra de kenaf sobre la influencia de la humedad indican que no parece que la humedad tenga un efecto significativo sobre el valor del coeficiente de absorción (28(28) D´Alessandro, F., Baldinelli, G., Bianchi, F., Sambuco, S., y Rufini, A. (2018). Experimental assessment of the water content influence on thermo-acoustic performance of building insulation materials. Construction and Building Materials 158, 264-274. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.10.028 ). No obstante, un estudio sobre la influencia de la humedad en las muestras fabricadas es muy conveniente.

Durante la selección de un material además de sus propiedades acústicas y térmicas se deben tener en cuenta otros factores como la disponibilidad, el impacto energético o el coste. El factor económico condiciona totalmente la arquitectura y por tanto, la selección de los materiales. Este factor es muy variable en todos los aspectos ya que no sólo depende del material, sino también del fabricante, el transportista, las dimensiones, la ubicación y el tipo de obra que tendrán gran influencia sobre el presupuesto. En cada obra se deberán seleccionar materiales que cumplan con los requerimientos y que se ajusten al presupuesto con el que se cuente, lo que influirá mucho en la selección del material. Se ha realizado una estimación del coste de fabricación de las muestras basados exclusivamente en el coste de mano de obra, en el coste de la materia prima y en la energía eléctrica consumida para su fabricación. Cada panel de 25 x 25 cm tendría un coste aproximado de 1€ de manera que por metro cuadrado el coste sería de aproximadamente 16€. En la Tabla V se muestran los costes por metro cuadrado de algunos materiales convencionales usados en el sector de la construcción como aislantes térmicos y acústicos.

No obstante, aunque se puede estimar el coste de producción, solo después de definir y estudiar un posible producto comercial este análisis se puede hacer con propiedad. Es importante considerar todos los factores, beneficios y repercusiones a largo plazo a través de un análisis del ciclo de ida. La evaluación del ciclo de vida (Life Cicle Assesment LCA) implica evaluar los impactos ambientales de un producto, proceso o actividad de manera integral, observando el ciclo de vida completo del producto o del proceso desde la extracción de las materias primas hasta su eliminación (29(29) Pargana, N., Pinheiro, M. D., Silvestre, J. D., de Brito, J. (2014). Comparative environmental life cycle assessment of thermal-insulation materials of buildings. Energy and Buildings 82, 466-481. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.10.028 ). Para ello, en el caso de un producto se deberían conocer todas las actividades necesarias para extraer la materia prima incluido el transporte antes del procesamiento, las actividades necesarias para convertir la materia prima y el consumo de energía en el producto deseado, así como el envío del producto al usuario final, la utilización del producto terminado durante su vida útl, una vez que el producto ha cumplido su función prevista y posteriormente se recicla o se devuelve al medio ambiente como residuo. Para modelar el ciclo de vida es importante disponer de toda esta información. Si hacemos un ciclo de vida para los materiales fabricados solo basados en la conductividad térmica el resultado nos saldría muy similar ya que los valores de este parámetro son muy parecidos. Por ello, en el trabajo no se ha incluido un análisis de ciclo de vida.