La masa térmica, también conocida como inercia térmica, expresa la capacidad de los cerramientos opacos para “absorber” y “almacenar” energía calorífica cuando esta se encuentra disponible, y luego, cuando las condiciones son propicias, liberarla gradualmente. Este efecto puede tener un impacto significativo en el desempeño energético y ambiental de los edificios, permitiendo, entre otras cosas:

• Potenciar el uso del calentamiento solar pasivo, almacenando energía calorífica durante el día para liberarla durante la noche.

• Sacar mayor provecho de la ventilación natural, especialmente la nocturna, para “descargar” de energía calorífica los cerramientos y poder usarlos después como “sumideros” de calor.
• Amortiguar los picos de temperaturas internas y reducir los riesgos de sobrecalentamiento o sobreenfriamiento.

Los materiales con elevada masa térmica ofrecen el mayor potencial en lugares cuyas temperaturas tienen 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 esos casos, los cerramientos tradicionales con elevada masa térmica, como los de piedra o tierra, permiten que los aportes caloríficos diurnos lleguen 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 calorífica durante la noche, los cerramientos son capaces de “absorber” aportes de calor durante el día, contribuyendo a reducir las temperaturas interiores. Este último fenómeno es especialmente efectivo cuando se emplea la ventilación natural nocturna.

En los climas que son permanentemente cálidos, los cerramientos tradicionales con elevada masa térmica suelen tener efectos positivos 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. De hecho, si ésta se ubica cerca del límite superior del rango de temperaturas de confort, puede contribuir a incrementar el disconfort de los ocupantes. Esa es una de las razones por las que, en los lugares con clima tropical, los edificios vernáculos solían ser de materiales con reducida masa térmica, por lo general vegetales.

Algo similar sucede en los lugares muy fríos, como las regiones subpolares, donde la prioridad suele ser un elevado aislamiento. En esos casos la masa térmica expuesta se reduce al mínimo, aunque se puede aprovechar en forma localizada y en pequeña escala, por ejemplo mediante chimeneas y muros Trombe.

Otro aspecto que es importante tener en cuenta es la “calibración” del espesor de los cerramientos con elevada masa térmica, especialmente cuando no tienen aislamiento. 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 esos casos la elevada masa térmica también puede llegar a ser perjudicial, ya que dichos sistemas se ven obligados a trabajar para enfriar o calentar los cerramientos, antes de lograr unas adecuadas condiciones de confort en los espacios interiores. Esto es especialmente evidente en los lugares de uso esporádicos (un teatro, por ejemplo), en los que se requiere un efecto inmediato de los sistemas de climatización.

Parámetros de la masa térmica

En los siguientes apartados haremos una descripción de algunos de los parámetros empleados actualmente para caracterizar los niveles de masa térmica de los cerramientos y los edificios. Cabe señalar que no son los únicos, pero si los que se usan con mayor frecuencia.

Retraso y amortiguamiento térmico

El retraso y el amortiguamiento térmicos son dos de los parámetros inicialmente más usados para caracterizar el nivel de masa térmica de los cerramientos. Se trata de parámetros complementarios que reflejan muy bien el carácter dinámico del comportamiento térmico de los edificios, aunque no necesariamente son los más útiles en el campo del análisis energético y ambiental.

El retraso térmico, también conocido como desfase térmico, hace referencia al tiempo que la energía calorífica tarda en pasar a través del cerramiento, generalmente medido en horas. En otras palabras, es el tiempo transcurrido entre los momentos en que se dan las temperaturas máximas en sus superficies exterior e interior. Por otro lado, el amortiguamiento térmico, también conocido como decremento térmico, mide la reducción de la temperatura cíclica de una de las superficies (generalmente la exterior) respecto a la temperatura cíclica de la superficie contraria. Por lo general se expresa como un valor fraccional. La Figura 1 representa de manera esquemática el retraso térmico (R) y el amortiguamiento térmico (A) de un cerramiento.

Figura 1. Representación del retraso térmico (R) y el amortiguamiento térmico (A).

Mientras mayores sean el espesor, la densidad, el calor específico y la resistividad de los materiales del cerramiento, mayores tenderán a ser el retraso y el amortiguamiento térmico. 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, por ejemplo, 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 presentar un desfase de 5 horas y un amortiguamiento de 0.70.

Nota: El estándar ISO 13786-2007 [1] recoge diversos métodos para calcular las características térmicas dinámicas de los cerramientos. La organización The Concrete Centre ofrece una herramienta basada en ese estándar, el Dynamic thermal properties calculator, para calcular algunas de esas propiedades, incluyendo el retraso y el amortiguamiento térmico.

Capacidad térmica y capacidad térmica superficial

La capacidad térmica, también conocida como capacidad calorífica, se define como la cantidad de energía que es necesario aplicar a un cuerpo para aumentar su temperatura en una unidad. En ese sentido, expresa la dificultad para modificar la temperatura de un material, por lo que se usa como una medida de la inercia térmica. Su unidad básica es el julio por kelvin (J/K).

En el ámbito de la edificación la capacidad térmica de una capa de material (C) se puede calcular, de manera simplificada, como el producto de su densidad, su calor específico y su espesor (las unidades resultantes serían J/m²-K):

Dónde:
ρ  es la densidad de la capa (kg/m³),
c  es el calor específico de la capa (kJ/kg·K),
d  es el espesor de la capa (m).

Así, la capacidad térmica total de un cerramiento (C_T) se podría calcular simplemente como la suma de las capacidades térmicas de sus diferentes materiales:

Dónde:
ρ_i  es la densidad de la capa i (kg/m³),
c_i  es el calor específico de la capa i (kJ/kg·K),
d_i  es el espesor de la capa i (m).

Sin embargo, actualmente se reconoce que emplear el valor de capacidad térmica calculado mediante la ecuación anterior resulta poco realista, al menos en el ámbito del análisis ambiental y energético de los edificios. Esto se debe a que es prácticamente imposible que toda la inercia térmica del cerramiento interactúe de manera efectiva con el espacio interior. En general, se asume que solo la parte más interna de los cerramientos lo puede hacer, y que la incorporación de materiales con una conductividad muy baja (como los aislantes) reduce en gran medida el efecto de masa térmica.

Para tener en cuenta lo anterior se ha propuesto el parámetro capacidad térmica superficial [1] (en algunos ámbitos se le conoce como capacidad térmica interna). Este parámetro también se puede calcular de manera simplificada mediante la ecuación de la capacidad térmica total, pero considerando solo el espesor efectivo del cerramiento, medido desde el interior. Así, el cálculo inicia en la superficie expuesta al espacio interior y se interrumpe cuando se alcanza uno de los siguientes espesores:

• La mitad del espesor total del cerramiento.
• El espesor de las capas de material ubicadas entre la superficie interna y la primera capa de aislamiento.
• Un espesor predeterminado, que depende del periodo de variación de las temperaturas. Por ejemplo, si se desea considerar un periodo de variación de las temperaturas de 24 horas, se recomienda considerar un espesor de 10cm.

La aplicación de estos criterios implica que en ocasiones el espesor efectivo abarque solo una parte de una de las capas de material. Por otro lado, cuando se trata de un cerramiento interior, por ejemplo una partición, es necesario calcular la capacidad térmica superficial en ambas direcciones, ya que las dos superficies aportan masa térmica a diferentes espacios.

Nota 1: La herramienta Dynamic thermal properties calculator, ofrecida por The Concrete Centre, también permite calcular la capacidad térmica superficial.
Nota 2: En algunos ámbitos, como el estándar ISO 13786-2007 [1], la capacidad térmica superficial se denomina valor K.

Capacidad térmica global

El nivel de masa térmica de un edificio en su conjunto se puede caracterizar mediante la capacidad térmica global, concepto similar al Parámetro de Masa Térmica (TMP) que se describe en el estándar ISO 13790-2008. Consiste en la suma de las capacidades térmicas superficiales (C_S) de todos los cerramientos del edificio, dividida por la superficie de suelo útil:

En el caso de los cerramientos exteriores, como muros, cubiertas y suelos exteriores, solo se debe considerar la capacidad térmica superficial de la parte interna. En cambio para los cerramientos interiores, como particiones y suelos interiores, es necesario considerar las capacidades térmicas superficiales de ambas caras. También es importante restar la superficie de acristalamiento de la superficie total de los muros, pues su aporte a la masa térmica del edifico es prácticamente nula.

La capacidad térmica global es un parámetro relativamente simplificado, pero su aplicación en estudios de índole general puede ser muy útil para evaluar el impacto que la masa térmica puede tener en el desempeño energético y ambiental de los edificios [2]. En todo caso, se recomienda tener en cuenta sus limitaciones para su aplicación en estudios muy específicos y detallados.

 Referencias

[1] “ISO 13786:2007 Thermal performance of building components - Dynamic thermal characteristics - Calculation methods,” Brussels, 2007.

[2] A. Ordoñez García, “Effects of architectural design variables on energy and environmental performance of office buildings,” Ph.D. Thesis, Universitat Rovira i Virgili, 2016.

[3] “EcoSpecifier: Thermal Mass & its Role in Building Comfort and Energy Efficiency.” [Online]. Available: ecospecifier.com.au [Accessed: 06-Nov-2018].

[4] V. Cheng, E. Ng, and B. Givoni, “Effect of envelope colour and thermal mass on indoor temperatures in hot humid climate,” Solar Energy, vol. 78, no. 4, pp. 528–534, 2005.

[5] S. A. Al-Sanea, M. F. Zedan, and S. N. Al-Hussain, “Effect of masonry material and surface absorptivity on critical thermal mass in insulated building walls,” Applied Energy, vol. 102, pp. 1063–1070, 2013.

[6] S. A. Al-Sanea, M. F. Zedan, and S. N. Al-Hussain, “Effect of thermal mass on performance of insulated building walls and the concept of energy savings potential,” Applied Energy, vol. 89, no. 1, pp. 430–442, 2012.

[7] K. Gregory, B. Moghtaderi, H. Sugo, and A. Page, “Effect of thermal mass on the thermal performance of various Australian residential constructions systems,” Energy and Buildings, vol. 40, no. 4, pp. 459–465, 2008.

[8] H. Asan and Y. S. Sancaktar, “Effects of Wall’s thermophysical properties on time lag and decrement factor,” Energy and Buildings, vol. 28, no. 2, pp. 159–166, 1998.

[9] C. Di Perna, F. Stazi, A. U. Casalena, and M. D’Orazio, “Influence of the internal inertia of the building envelope on summertime comfort in buildings with high internal heat loads,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 1, pp. 200–206, 2011.

[10] H. Asan, “Numerical computation of time lags and decrement factors for different building materials,” Building and Environment, vol. 41, no. 5, pp. 615–620, 2006.

[11] C. D. Pereira and E. Ghisi, “The influence of the envelope on the thermal performance of ventilated and occupied houses,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 12, pp. 3391–3399, 2011.

[12] K. J. Kontoleon and E. A. Eumorfopoulou, “The influence of wall orientation and exterior surface solar absorptivity on time lag and decrement factor in the Greek region,” Renewable Energy, vol. 33, no. 7, pp. 1652–1664, 2008.

[13] C. A. Balaras, “The role of thermal mass on the cooling load of buildings. An overview of computational methods,” Energy and Buildings, vol. 24, no. 1, pp. 1–10, 1996.

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