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Alternativas de ahorro energético: materiales de cambio de fase

Los nuevos proyectos pueden incluir materiales en las envolventes que permiten aprovechar la luz solar, lo que significa menor consumo, mayor ahorro energético y más confort y productividad en el interior de los edificios

Los nuevos proyectos pueden incluir materiales en las envolventes que permiten aprovechar la luz solar, lo que significa menor consumo, mayor ahorro energético y más confort y productividad en el interior de los edificios

Karemm Danel

El aprovechamiento de la energía solar en la arquitectura es, actualmente, columna vertebral de los proyectos que se rigen bajo paradigmas de ahorro energético, especialmente en el sector residencial debido a sus altos consumos por el uso de aire acondicionado y calefacción.

Se entiende por arquitectura solar pasiva a aquella que aprovecha la energía solar que es captada a través de ventanales, o de los muros, para mantener condiciones de bienestar en el interior de los edificios y reducir al máximo el uso de costosos y contaminantes sistemas de climatización. Se cuidan aspectos como la orientación del edificio, la morfología, los materiales que se emplean, así como la ubicación en el terreno.

Como la radiación no incide con la misma inclinación a lo largo del año, mediante la colocación de aleros y otros elementos se consigue un calentamiento selectivo del interior de la casa o edificación. En invierno, cuando los rayos solares son más necesarios, éstos caen más inclinados sobre la superficie terrestre. Este hecho favorece la captación de la energía solar a través de los muros y las ventanas verticales.

Es en verano, cuando las temperaturas son altas, que se hace necesario evitar que la radiación solar llegue al interior de la casa. Para lograrlo se disponen aleros o cornisas que detienen los rayos solares en verano cuando son más perpendiculares, y permiten que pasen en invierno cuando son más inclinados.

Para que el calor ganado no se pierda, o para evitar que el calor excesivo del exterior entre en la casa, los muros del edificio han de estar convenientemente aislados. Estos muros actuarán, además, como acumuladores térmicos liberando el calor que guardaron durante el día cuando la temperatura del aire del interior del edificio baje. También actúan en los días calurosos ya que absorberá el exceso de calor que el aire del interior de la casa pueda tener. Cuanto más grueso sean, mayor será su masa térmica, y ayudarán a nivelar las temperaturas en climas extremos.

Luis Moreles

«Para edificaciones con consumos altos de energía eléctrica por el uso del aire acondicionado, el proyecto es económicamente viable»: Luis Moreles

A pesar de que en Estados Unidos y en diversos países de Europa, como Alemania y Francia, ya se recurre a los materiales de cambio de fase, en México aún se trabaja en su desarrollo; por ello, Luis Efraín Moreles Vázquez, estudiante del doctorado en Ingeniería en Energía, por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), trabaja en una metodología que se encarga de evaluar numéricamente el desempeño térmico de las envolventes de las edificaciones. De esta manera, explica, es posible tener muros masivos parecidos al adobe, con la diferencia de que el espesor es menor.

En entrevista con Mundo HVAC&R, resalta la cualidad de estos materiales, los cuales emplean la energía solar contínuamente, almacenándola por el día y liberándola en la noche. “Son materiales compuestos, generalmente de cera o compuestos orgánicos, y funcionan almacenando energía térmica por medio del calor latente, retrasando la absorción de ésta y mejorando las condiciones de confort térmico dentro de las edificaciones”.

Llevar a cabo un proyecto con dichos materiales implica ciertas consideraciones técnicas. “Para obtener su mayor beneficio se deben elegir sus propiedades térmicas y físicas (temperatura de fusión, espesor, conductividad térmica, densidad y ubicación dentro de la envolvente) de acuerdo con el clima del lugar y la condición de uso; es decir, si se recurre o no al aire acondicionado.

En mi proyecto doctoral realizo simulaciones numéricas del desempeño térmico de los materiales de cambio de fase en distintos climas y bajo diferentes condiciones de uso. El objetivo es identificar las propiedades óptimas de estos materiales, los cuales nos permitan obtener los máximos beneficios en confort térmico y ahorros energéticos”, indica.

Según estudios realizados, el resultado equivaldrá a un ahorro en el consumo de energía del 40 por ciento, así como mejoras en el confort térmico de hasta 50 por ciento, en comparación con sistemas de construcción tradicionales.

Como auxiliar para evaluar el desempeño térmico de sistemas constructivos, surgió el programa Ener-Habitat, del cual se habló en la edición de enero 2016 de Mundo HVAC&R.

Cabe destacar que el ahorro depende del clima y de la correcta optimización de las propiedades termofísicas de estos materiales. Asimismo, Luis Moreles comenta que en condiciones de uso de aire acondicionado se tienen ahorros en cargas de calentamiento o enfriamiento (kilowatt / hora), mientras que en condiciones de descanso de aire acondicionado se obtienen beneficios en confort térmico.

La siguiente imagen indica el resultado de una simulación numérica realizada en Nogales, Sonora, durante un día típico de junio considerando el uso de aire acondicionado. “Se estudió el desempeño térmico de una pared este, color verde claro, compuesta de una placa de cemento y fibra de vidrio de 12.7 mm de espesor (Durock), reforzada con distintos espesores de un material de cambio de fase (Energain de Dupont)”.

A0MH0078286Ahora bien, el porcentaje en costos que representa el uso de este tipo de tecnología para la inversión total de un inmueble es de aproximadamente el 5 por ciento del proyecto de construcción. “Para edificaciones con consumos altos en energía eléctrica por el uso de aire acondicionado, el proyecto es económicamente viable, con periodos de retorno de la inversión de aproximadamente cinco años”, dice el experto.

Esto deviene de una adecuada optimización de los materiales. “Pero uno de los mayores beneficios de esta tecnología es que al reducir el consumo de aire acondicionado, se reduce el consumo energético y las emisiones de gases contaminantes hacia la atmósfera”.

Sin embargo, en comparación con los sistemas convencionales de climatización, las propiedades de los materiales de cambio de fase no pueden ser cambiadas después de ser instaladas. Por ello, es importante hacer una adecuada selección de dichas propiedades antes de la instalación para obtener los mayores beneficios. “Igualmente, estos materiales deben cumplir con medidas de seguridad para su uso en la construcción referentes a flamabilidad y corrosión, según la normativa vigente”, de esta manera no será necesario recurrir a un manejo especial.

Finalmente, Moreles habla de su principal utilidad, que es en la construcción de edificaciones ligeras y ultraligeras, las cuales proporcionan diversos beneficios (rapidez de construcción, bajo peso, producción en masa, altos estándares de calidad y flexibilidad arquitectónica) a costa de una reducción importante en su masa térmica, obteniendo más confort y mayor productividad.

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