En los últimos años, el cambio climático y la degradación ambiental se han convertido en dos de las principales preocupaciones de la sociedad. Una de las principales causas que ha provocado esta situación son las emisiones de gases de efecto invernadero a la atmosfera. Ante esta circunstancia, la Unión Europea ha establecido el objetivo prioritario de reducir las emisiones de estos gases a la atmosfera en un 80% a mitad del siglo XXI (1). Para ello, resulta necesario reducir el consumo energético de los diferentes procesos y actividades que realiza la sociedad. De todos ellos, el consumo energético asociado al sector de la edificación es uno de los más significativos, ya que son responsables del 40% del consumo energético total (2-4) y generan el 38% de la emisión de gases de efecto invernadero (5). Para garantizar los objetivos propuestos por la Unión Europea para el año 2050, se estima que el parque inmobiliario debe reducir sus emisiones en un 90% (1).

Para ello, resulta crucial que se mejora el rendimiento energético de los edificios existentes. El parque inmobiliario actual tiene un deficiente comportamiento, principalmente marcado por el deficiente rendimiento térmico de su envolvente. En este sentido, las propiedades termofísicas de la fachada tienen una influencia significativa en la demanda energética del edificio (6-11). Debido a su superficie, la fachada el elemento de la envolvente por donde tiene lugar las mayores pérdidas energéticas (12), siendo la transmitancia térmica (U) una de las propiedades térmicas con mayor incidencia en el rendimiento energético del edificio (13-15), ya que permite cuantificar la transferencia de calor con el exterior (16,17). Así pues, determinar de manera correcta la transmitancia térmica permite proponer medidas adecuadas de ahorro energético. Para determinar la transmitancia térmica existe una amplia variedad de métodos, tanto teóricos como experimentales. El método de la ISO 9869-1 es uno de los métodos con mayor utilización a nivel científico. Sin embargo, uno de los métodos experimentales de mayor utilización a nivel profesional es el método termométrico (MT) (18). Dicho método consiste en la determinación de la transmitancia térmica de un elemento mediante la medición de las temperaturas de los ambientes exterior e interior que separa el elemento y de su temperatura superficial interior (ver Figura 1). Para ello, se parte de la ecuación del método promedio de la ISO 9869-1 (Ecuación [1]) y mediante la Ley de Enfriamiento de Newton (Ecuación [2]), se obtiene la ecuación para el método termométrico (Ecuación [3]).

Donde q [W/m²] es el flujo de calor del elemento, T _s,in [K] es la temperatura superficial interior de la fachada, T _in [K] es la temperatura del aire interior, T _ext [K] es la temperatura del aire exterior, y h _in [W/(m²·K)] es el coeficiente de transferencia térmica total en el interior.

La principal diferencia que presenta el método termométrico con respecto al método método promedio de la ISO 9869-1 es que no necesita medir el flujo de calor del cerramiento. Así pues, el método termométrico no tiene asociado los errores de medición debidos al uso del termoflujómetro que han sido reportados por diversos autores (19-25) al utilizar el método promedio de la ISO 9869-1. Peng y Wu (24) determinaron que la mayor causa de dispersión en los resultados de la ISO 9869-1 es debida al flujo de calor medido durante el ensayo. En este sentido, Cesaratto et al. (19), Desogus et al. (22) y Trethowen (25) determinaron que la colocación del termoflujómetro provoca una alteración en el flujo de calor del cerramiento, provocando la obtención de resultados no representativos. Además, el error asociado a la colocación del termoflujómetro es elevado. De acuerdo con esto, en los estudios realizados por Cucumo et al. (20,21) se ha cuantificado la influencia que tiene la colocación de la placa en el muro, con deflexiones que pueden ser de hasta un 30%. Otra aproximación a esta cuestión fue realizada por Meng et al. (23) al establecer que el error máximo puede ser de hasta un 26% debido a la colocación del termoflujómetro mientras que al utilizar métodos de temperatura superficial (como el método termométrico) el error máximo fue de un 6%.

Estas ventajas que tiene el método termométrico por la no medición del flujo de calor ha generado que tenga un gran uso a nivel profesional (18). Sin embargo, el desarrollo científico del método ha sido escaso hasta los últimos años en los que han surgido diversos estudios. El primero de ellos fue realizado por Andújar Márquez et al. (26). En este estudio, los autores desarrollaron una metodología específica de determinación de la transmitancia térmica utilizando las bases del método termométrico que existían a través de las recomendaciones de los fabricantes de los equipos de medición y aplicándola a un caso de estudio determinado. Bienvenido-Huertas et al. (18) aplicaron el método termométrico a 8 casos de estudio de diferentes períodos constructivos en diferentes estaciones del año en regiones del sur de España. Los autores determinaron las limitaciones del método en función del gradiente térmico y comparando los resultados obtenidos a través de dos equipos diferentes. En un estudio posterior, Bienvenido-Huertas et al. (27) analizaron la utilización de redes neuronales artificiales para realizar correcciones por almacenamiento de calor en el elemento analizado. Finalmente, Kim et al. (28) estudiaron el empleo del método termométrico en 4 casos de estudio de más de 25 años de antigüedad antes y después de incorporarles aislamiento térmico en una región climática fría. Los resultados mostraron que la tasa de desviación existente entre el método promedio de la ISO 9869-1 y el método termométrico fue en todo momento inferior al 3,5%, lo que destaca la exactitud que se puede obtener con el método.

A pesar del avance que ha presentado el método en materia de investigación, existen disparidad en torno a dos aspectos: el tipo de análisis de los datos y el coeficiente de transferencia térmica total en el interior utilizado.

Con respecto al tipo de análisis de los datos, mientras que Bienvenido-Huertas et al. (18) consideraron las mediciones obtenidas como medidas instantáneas a las que se les realiza un filtrado y se obtiene la media aritmética de los datos filtrados de forma similar a los métodos cuantitativos mediante termografía infrarroja (Ecuaciones [4] y [5]), Kim et al. (28) y Andújar Márquez et al. (26) consideraron la formulación como la suma ponderada de las medidas obtenidas durante la monitorización (Ecuación [3]). Además, existen diferentes en cuanto al tipo de denominador que se debe utilizar en la formulación. En este sentido, Andújar Márquez et al. (26) utilizaron el valor absoluto del denominador de la Ecuación [3] para poder obtener resultados válidos en todo momento (independientemente de si la temperatura exterior era mayor o menor a la interior), mientras que Kim et al. (28) no considera que el denominador tenga valor absoluto.

Donde U _j [W/(m²·K)] es el valor de transmitancia térmica obtenida a través de la Ecuación [4] para una determinada instancia j, y n es el número total de instancias filtradas.

Finalmente, los valores utilizados para el coeficiente de transferencia térmica total en el interior también son motivos de discrepancia entre las diferentes investigaciones. Por un lado, Bienvenido-Huertas et al. (18) y Kim et al. (28) utilizaron la inversa del valor de la resistencia térmica superficial interior establecido en la ISO 6946 para un flujo horizontal (7,69 W/(m²·K)), mientras que, por otro lado, Andújar Márquez et al. (26) utilizaron el valor dado en dicha norma para el coeficiente convectivo (2,5 W/(m²·K)), de manera que descartaron el uso del coeficiente de radiación. Además de esto, la aplicabilidad de los valores tabulados dados en la ISO 6946 también debería ser analizado, ya que existe en la literatura científica una amplia variedad de correlaciones para el coeficiente de convección que también podrían ser aplicadas. Igualmente, las recomendaciones de filtrar los datos obtenidos en otros métodos de evaluación (como, por ejemplo, en la ISO 9869-1 (19,29)) debería ser analizada para el método termométrico, ya que solo una de las investigaciones consideró este aspecto al analizar los datos (18).

Debido a las discrepancias existentes en las investigaciones del método termométrico, se plantea como objetivo de esta investigación estudiar el planteamiento de análisis de datos más adecuado para el método. Más concretamente, el estudio se fundamenta en el análisis de dos aspectos: el coeficiente de convección y el tipo de formulación. Para ello, se aplicó el método termométrico conforme a sus requerimientos operacionales en 20 cerramientos.

La ISO 6946 (30) establece que el coeficiente total de transferencia de calor en el interior es la suma de los coeficientes de transferencia de calor por convección y por radiación (Ecuación [6]).

Donde h _c,in [W/(m²·K)] es el coeficiente de transferencia de calor por convección, y h _r,in [W/(m²·K)] es el coeficiente de transferencia de calor por radiación. h _r,in puede ser obtenido mediante la relación de la emisividad de la superficie de un objeto y el coeficiente de transferencia de calor de un cuerpo negro a la misma temperatura que se encuentra la superficie analizada (30). Dado que la temperatura interior será de aproximadamente 20ºC durante los ensayos (18,28) y dado que la emisividad de los materiales de acabado oscila entre 0,90-0,96 (31), se puede considerar que el valor de 5,19 W/(m²·K) establecido en la ISO 6946 es representativo con las condiciones típicas de ensayo y con los valores de emisividad de los materiales de construcción (30). Esto permite determinar la transmitancia térmica con el método termométrico sin necesidad de caracterizar variables del componente de radiación, tales como como la emisividad o la temperatura aparente reflejada (32).

La otra variable que permite determinar el coeficiente total de transferencia de calor es el término convectivo. Como ya se ha comentado, existe en la literatura científica una amplia variedad de expresiones para el coeficiente interior de convección que pueden ser utilizadas a efectos de formulación para el método termométrico. Para este estudio se analizan tanto el valor teórico para el término convectivo indicado en la ISO 6946 para flujo horizontal (2,5 W/(m²·K)), como las aproximaciones experimentales que vienen recogidas en las siguientes publicaciones y documentos: (i) ISO 9869-1; (ii) Alamdari y Hammond (33); (iii) Churchill y Chu (34); (iv) Holman (35); (v) Fohanno y Polidori (36); (vi) Earle (37); (vii) Giesecke (38); (viii) Khalifa y Marshall (39); y (ix) Wilkes y Peterson (40).

La ISO 9869-1 (41) establece que el valor teórico para el coeficiente de convección en superficies verticales es de 3,0 W/(m²·K), aunque dicho valor puede variar cerca de ciertos elementos como ventanas o calentadores. El valor de la ISO 9869-1 fue utilizado en algunas investigaciones de caracterización térmica. Tal es el caso del estudio realizado por Tejedor et al. (42) al comparar los resultados obtenidos por el método propuesto por los autores para calcular el coeficiente de convección con el valor de la ISO 9869-1.

Sin embargo, hay una mayor predominancia de estudios que plantean aproximaciones experimentales para el término convectivo. Un ejemplo de ello fue el estudio realizado por Alamdari y Hammond (33). En su trabajo, los autores desarrollaron una expresión para el coeficiente de convección interno de cerramientos ubicados en locales ventilados de manera natural bajo flujo laminar y turbulento (Ecuación [7]). Para ello, utilizaron la correlación propuesta por Churchill y Usagi (43) y fue diseñada para todas las posibles opciones de los números de Prandtl y Rayleigh. Se trata de una correlación utilizada en algunos estudios comparativos, como el realizado por Evangelisti et al. (44).

Donde L [m] es la altura del muro.

Otro propuesta diferente para todo el rango de números de Prandtl y Rayleigh fue realizada por Churchill y Chu (34). En sus estudios plantearon una formulación para el coeficiente de convección natural de elementos verticales (Ecuación [8]), aunque en este caso la ecuación difiere bastante de la propuesta por Alamdari y Hammond.

Por otro lado, Holman (35) (Ecuación [9]), Fohanno y Polidori (36) (Ecuación [10]) y Earle (37) (Ecuación [11]) desarrollaron correlaciones específicas para superficies internas de elementos verticales uniformemente calentadas.

Finalmente, Giesecke (38) (Ecuación [12]), Khalifa y Marshall (39) (Ecuación [13]) y Wilkes y Peterson (40) (Ecuación [14]) propusieron ecuaciones similares a la de Holman y a la de Earle, pero sin considerar una dimensión característica.

Todos estos valores y aproximaciones para el coeficiente de convección fueron utilizados en este estudio para determinar la expresión que mejor se ajuste para el método termométrico. Considerando que el coeficiente de radiación puede adoptar un valor de 5,19 W/(m²·K), se pueden plantear diferentes posibilidades para el método en función únicamente del coeficiente convectivo. Por este motivo, la formulación teórica de este estudio utiliza el esquema de la Ecuación [15]. En la Tabla 1 se representan las expresiones de transmitancia térmica para cada expresión.

El marco metodológico de la presente investigación se estableció mediante el flujo de trabajo de la Figura 2.

En primer lugar, se seleccionó una muestra representativa de viviendas de diferentes períodos constructivos. La muestra seleccionada se determinó a través de los siguientes factores: la localidad de la vivienda, el año de construcción, la normativa técnica que se aplicó durante su diseño y ejecución, el estado de conservación y si disponía de fachadas orientadas hacia el norte. Asimismo, para todos los cerramientos se disponía de documentación técnica que permitió estimar con exactitud la composición del cerramiento y determinar la transmitancia térmica según la ISO 6946. Además, se analizó previamente el adecuado estado de los muros a analizar, aplicando la ISO 6781 para evaluar si presentaban heterogeneidades térmicas, utilizando una cámara infrarroja marca FLIR modelo E60bx. En total se analizaron 20 casos de estudio diferentes, con el objetivo de analizar una muestra representativa y numerosa. Estos casos de estudio pertenecen a los tres períodos constructivos más representativos del parque inmobiliario en España: anterior a la NBE-CT 79 (45), posterior a la NBE-CT 79 y anterior al Código Técnico de la Edificación (CTE) (46), y posterior al CTE. La distribución de los casos de estudio por cada período constructivo fue la siguiente: 7 pertenecían al período constructivo 1, 9 al período 2, y 4 al período 3. Estos casos se encontraban ubicados en el sur de España, más concretamente, en las ciudades de Cádiz y de Sevilla. El diseño de todos los casos era de doble hoja de ladrillo con cámara de aire. Los casos de los períodos 2 y 3 disponían de material aislante.

Para la realización de los ensayos se utilizó un gestor de datos ALMEMO 2590-4AS con termopares T 190-2 (ver Tabla 2). Las sondas se colocaron según los siguientes criterios (47): (i) 3 sensores de temperatura superficial interior se colocaron a una altura de 1,5 m, con una separación de 15 cm y adheridas mediante un adhesivo conductor de calor. Además, se colocaron a una distancia de 20 mm con respecto a las juntas de mortero de las piezas de la capa interior que se determinó mediante el análisis con termografía infrarroja desde el interior; y (ii) los termopares para medir la temperatura ambiental se colocaron a una altura de 1,5 m y separados horizontalmente del cerramiento en 30 cm para evitar efectos convectivos. También es conveniente destacar que el cerramiento analizado fue el que tuviera orientación norte para evitar la distorsión generada en los resultados por la radiación directa. Para garantizar un gradiente térmico adecuado se utilizó un equipo de calefacción portátil al que se le acopló un termostato regulable digital. El termostato fue regulado con una temperatura de 20ºC. Asimismo, la previsión meteorológica previo a los ensayos y la utilización de una estación meteorológica portátil PCE-FWS20 (ver Tabla 2), garantizó que los ensayos fueran realizados cuando la velocidad del viento fuera inferior a 1 m/s y cuando no hubiera precipitaciones. La duración de los ensayos fue de 72 horas conforme a los criterios recogidos para el método termométrico, abarcando, por tato, tanto períodos de día como de noche. El intervalo de adquisición de medidas fue de 15 minutos.

Finalmente, el post-procesado y análisis de los datos fue realizado a través del lenguaje de programación R. Los resultados fueron obtenidos utilizando dos planteamientos diferentes: planteamiento 1 donde los resultados de transmitancia térmica se obtienen de la media del sumatorio del numerador y del denominador (Ecuación [3]), y planteamiento 2, donde los resultados de transmitancia térmica se obtienen del promedio de las medidas instantáneas (Ecuaciones [4] y [5]). En cada uno de estos planteamientos se utilizaron las diferentes ecuaciones propuestas de la Tabla 1 (Ecuaciones [16]-[25]). Asimismo, debido a las recomendaciones de diversos autores de filtrar los datos cuando existe un gradiente térmico elevado (18,19,29), en este estudio antes de la obtención de los resultados se analizó el filtrado de datos necesario que permitiera optimizar el grado de ajuste de los resultados con el valor de referencia. Debido a las desviaciones en los resultados que pueden darse por la utilización de un filtrado de 5 ºC y las dificultades para alcanzar registros con un gradiente de 15 ºC, en este estudio se consideraron dos criterios de gradiente térmico: 7ºC y 15ºC.

Para determinar la validez de los resultados obtenidos por los diferentes planteamientos para el método termométrico se utilizó el criterio de la ISO 9869-1. Este criterio considera que se puede considerar como resultados representativos de los métodos experimentales aquellos que tienen una desviación porcentual (σ) inferior al 20% entre el valor teórico la ISO 6946 (U ₆₉₄₆ ) y el obtenido experimentalmente (U _MT ):

El valor de la ISO 6946 se obtuvo mediante la Ecuación [27]. Es importante destacar que para los valores de conductividad térmica se utilizó la metodología propuesta por Pérez-Bella et al. (49). Esta metodología está basada en las desviaciones que puede presentar la conductividad térmica extraída de catálogos y documentos oficiales (como el Catálogo de Elementos Constructivos (48)) por las características climáticas existentes en la zona donde se encuentra el edificio. Para evitar esta variación, Pérez-Bella et al. (49) diseñaron factores de corrección para cada una de las principales ciudades de España que ponderan el valor de conductividad térmica (ver Ecuación [28]). Con estas correcciones se pudieron obtener los valores de transmitancia térmica de referencia de cada caso de estudio (ver Figura 3).

Donde en el cual λ _i,CCF [W/(mK)] es la conductividad térmica corregida de cada una de las capas del cerramiento utilizando el planteamiento de Pérez-Bella et al. (49); e _i [m] es el espesor de cada una de las capas del cerramiento; R _s,in y R _sext [(m²K)/W] son las resistencias térmicas superficiales interior y exterior, respectivamente, obtenidas a través de valores tabulados de la ISO 6946; y CCF [adimensional] es el factor de corrección de la conductividad térmica (en Sevilla tiene un valor de 1,0385 y en Cádiz tiene un valor de 1,0403).

En este estudio, se realizó un análisis para la optimización del método termométrico debido a las diferencias existentes en la literatura científica en relación con tres aspectos: planteamiento de formulación, ecuación para el coeficiente de transferencia de calor total y post-procesado de los datos. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos de monitorizaciones de 20 cerramientos diferentes, se pudo concluir que la utilización del planteamiento 2 (transmitancia térmica obtenido de la media aritmética de las medidas instantáneas) tuvo un mejor comportamiento que los resultados obtenidos con el planteamiento 1 (transmitancia térmica obtenido de la media del sumatorio del numerador y del denominador). Asimismo, la utilización de correlaciones experimentales para el término convectivo permitió obtener resultados más ajustados que el valor tabulado de la ISO 6946. En este sentido, las correlaciones de Alamdari y Hammond, de Churchill y Chu, y de Holman permitieron incrementar en 4 el número de casos representativos con respecto al valor tabulado. Finalmente, el filtrado de los datos con gradientes térmicos elevados también fue analizado en este trabajo. Los resultados permitieron comprobar como la utilización de filtrados de datos de 7ºC hizo posible obtener un resultado más ajustado que en el caso de no filtrar los datos. Asimismo, aunque la utilización de un gradiente térmico superior a 7ºC permitiría obtener resultados más ajustados, se desaconseja su utilización tanto por el reducido número de datos que cumplirían dicha condición, como por las diferencias existentes con el filtrado de 7ºC.

Se prevé que los resultados obtenidos con esta investigación serán de gran interés para arquitectos, ingenieros y auditores energéticos. Con la optimización del método se puede favorecer una alta tasa de caracterización del comportamiento termofísico de las fachadas del parque inmobiliario existente y que permita establecer medidas de ahorro energético eficientes. Todo ello contribuiría a reducir el consumo energético de los edificios y a reducir las emisiones de gases contaminantes a la atmosfera favoreciendo el alcance de los objetivos de descarbonización establecidos por la Unión Europea.