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).

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.

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.

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.

En esta segunda investigación se procedió a ampliar el rango de monitorización hasta el ciclo completo del año 2014, con más de 30 sensores (Figura 5). El edificio se monitorizó con sensores de temperatura, humedad relativa, piranómetro, etc., tanto en la sala principal anteriormente descrita, como en el resto de salas ubicadas bajo el estanque (véase Figura 3). El sistema de monitorización se diseñó mediante sistema wireless. Sensores de temperatura se conectan a pequeños analizadores modelo «EL-WiFi-TC. Thermocouple Probe Data logger». Analizadores «EL-WiFi-TH, Temperature and humidity data logger», con sensores incorporados de temperatura y humedad relativa, interpretan los datos registrados y envían señales wifi a un router modelo «RouterOS», conectado a un ordenador portátil (Figuras 6 y 7). Mediante instalación del software «EasyLog WiFi Software» se reciben los datos y se almacenan en el ordenador. A continuación los datos se envían diariamente a un disco virtual. A través de un código personalizado se puede acceder a dicha información desde cualquier ordenador a través de la red. Además se instaló una pequeña estación con sensores de temperatura del aire exterior, humedad relativa y piranómetro de medición de radiación solar. De forma paralela se obtuvieron los datos climatológicos registrados por la estación meteorológica del Laboratorio Climatológico de la Universidad de Alicante.

Para realizar las simulaciones de comportamiento del edificio en términos de demanda energética y parámetros de confort interior se introdujeron en la herramienta Design Builder los siguientes datos. El periodo de invierno cubre del 1 de diciembre al 30 de abril y el de verano del 1 de mayo al 30 de noviembre. Es el protocolo establecido por la UA, ajustado a las condiciones climáticas habituales en San Vicente del Raspeig. El horario de funcionamiento es de 9:00 a 20:00 h. Las temperaturas de consigna del aire interior son de 20 ºC en invierno y 24 ºC en verano. La ocupación, para el cálculo normativo de renovación de aire, es de 709 personas, 0,5 personas por m². Se deben renovar 12,5 litros por segundo y persona, lo que equivale a 2,5 ren/h. La infiltración del aire a través de la envolvente es moderada gracias a la aplicación de espuma de poliuretano en la reforma de los paneles fenólicos (18). Se ha considerado en inicio de 0,7 ren/h, y se ha ajustado posteriormente en la fase de calibración. La iluminación tiene una potencia de 4,82 kW. Los lucernarios, de grandes dimensiones, se han considerado con las lamas de aluminio interiores completamente cerradas al paso de la radiación solar, en su estado habitual. El vidrio perimetral de planta baja se protege con paneles continuos de madera DM a una separación de 1,40 m, que impiden la radiación solar directa en el interior.

Para ajustar los parámetros obtenidos por simulación a los datos reales, o calibrar el modelo, se realizaron mediciones de transmitancias térmicas en las cuatro fachadas del edificio, en las pieles interiores de DM que separan las nayas del espacio de exposición, en el vidrio simple perimetral de la planta baja y la cubierta. Los valores fueron coincidentes con los obtenidos con Design Builder tras una leve corrección del espesor medio del aislamiento de espuma de poliuterano aplicado por proyección en la reforma de la fachada (18). Se calcularon valores de puentes térmicos a través del programa Antherm y se introdujeron en la modelización. Por último se ajustaron los valores de ocupación real de personas, fichero climático obtenido in situ corregido con valores de los datos climatológicos registrados por la estación meteorológica del Laboratorio Climatológico de la Universidad de Alicante, e infiltración de aire, para ajustar la demanda energética anual obtenida frente a consumos energéticos reales proporcionados por el Vicerrectorado de Campus y Sostenibilidad de la Universidad de Alicante. Éstos son de 197,5 MWh/a para la climatización todo-aire existente. Se hizo lo mismo para ajustar las temperaturas superficiales interiores y la temperatura del aire interior. Es preciso indicar que el hecho de que el usuario no tiene acceso a cambios personalizados en la climatización, y que se tengan temperaturas de consigna fijas de 20 ºC en invierno y 24 ºC en verano desde las 9:00 a las 20:00 h facilitó el proceso de calibración.

En esta investigación se realizará un análisis comparativo de la capacidad de los distintos sistemas de climatización aplicados en el MUA. La sensación térmica del usuario dependerá del intercambio de calor por convección y radiación con las superficies y objetos del entorno, de la capacidad de emisión de vapor de agua al aire interior a través de la piel por transpiración y por la respiración, así como de la calidad del aire interior. Se obtendrán además los valores de temperatura operativa para cada una de las opciones y se relacionarán con las exigencias normativas en este terreno. Por último se procederá, a través de la herramienta de simulación Design Builder, a obtener los valores de demanda energética en los distintos escenarios, y así evaluar la capacidad de los sistemas térmicos radiantes para reducir dicha demanda.

El gres porcelánico, por sus excelentes propiedades de resistencia mecánica, mínima absorción de agua y porosidad, y por sus altos coeficientes de conductividad térmica y efusividad, es excelente para la aplicación de acondicionamiento por superficies radiantes en los edificios. En el caso de piezas de gres porcelánico de gran formato y bajo espesor se pueden combinar con tramas capilares de tubos de polipropileno de diámetro aproximado 3 mm, confeccionando paneles de acondicionamiento térmico cerámicos de hasta 3 × 1 m. Dichos paneles se pueden disponer de diversas formas tanto en pared como en techo, mediante trasdosados, o descolgados en techo tipo bafle, o a modo de costillas ortogonales en pared. También admiten la disposición de falsos techos modulares con acabado en cerámica.

Se han patentado dichos paneles con interfaz de pasta conductora adhesiva, con excelentes resultados en su emisión térmica en régimen de verano e invierno. Se han realizado algunos prototipos que se han instalado en un despacho tipo del campus de la Universidad de Alicante, obteniéndose resultados de temperatura superficial de emisión de 17 ºC en menos de 10 minutos con distribución de agua fría a 15 ºC en circuito secundario.

La aplicación de los paneles de acondicionamiento térmico cerámico ATC conlleva importantes ahorros energéticos. En el caso analizado del Museo de la Universidad de Alicante éstos estarían entre un 15 y un 22 % respecto a los sistemas convectivos todo-aire que existen en la actualidad. Los factores más determinantes son la reducción de energía para la distribución de agua frente al aire de impulsión, con reducciones de un 70 a un 80 %, y la reducción de cargas térmicas al estar la temperatura del aire interior en torno a 2 ºC por encima de la que existe en los sistemas convectivos. Estos ahorros energéticos podrían incrementarse sustancialmente con el uso de energías alternativas, como la solar y la geotermia, y sistemas de absorción y por cloruro de litio o energía química, al trabajar con temperaturas del agua más moderadas en la distribución.

La disposición de paneles trasdosados en pared, tanto en disposición plana como ortogonal al paramento, produce menores niveles de cesión del calor del usuario frente a sistemas convectivos y sistemas radiantes por techo y tipo bafle, produciendo niveles de confort algo inferiores. La disposición de los paneles descolgados del techo o tipo bafle aumentan la convección del aire, aumentando hasta un 10 % la potencia de emisión y la cesión de calor del individuo en verano, mejorando la sensación de confort, aunque aumentando un 9 % el consumo energético frente a trasdosados de techo o de pared.