Inercia térmica e inercia higroscópica: inercia higrotérmica

La capacidad de amortiguamiento de humedad está íntima- mente relacionada con la capacidad de amortiguamiento tér- mico, que sería el efecto combinado de absorber, almacenar y emitir energía térmica desde/hacia los alrededores en respuesta a los cambios en las condiciones térmicas ambientales, es decir, la inercia térmica.

En edificios adecuadamente diseñados, con un favorable factor de utilización, la masa térmica puede reducir la demanda global de energía, y mejorar el confort térmico. Del mismo modo, el uso de materiales de construcción higroscópicos permite regular la humedad relativa del interior de un edificio. Los picos de hume- dad relativa en el aire interior se reducen al ser absorbidas las cargas de humedad por la envolvente del edificio, para ser resti- tuidas como ganancias latentes favorables durante los períodos de baja humedad.

Este control pasivo de la humedad tiene el potencial de reducir la energía necesaria para los sistemas activos de acondicionamiento del aire; por un lado, el control eficaz de la entalpía del aire, median- te el control del contenido de humedad, puede reducir significati- vamente las cargas térmicas latentes de calefacción y refrigeración (también se debe tener presente que las propiedades del material, tales como la conductividad térmica, la densidad y el calor especí- fico pueden variar significativamente (y de forma no lineal) con el contenido de humedad, afectando todo ello al factor de utilización de la inercia térmica).

Por otro lado, a través de la mejora de la calidad percibida del aire in- terior, el confort térmico de los ocupantes del edificio puede lograrse con menores tasas de ventilación con la consiguiente reducción en la demanda energética.

Por lo tanto, una consideración más precisa del comportamien- to de la masa térmica, y el diseño de las soluciones basadas en su aprovechamiento, requerirá la incorporación del concepto de inercia higroscópica, utilizando un enfoque combinado de inercia higrotérmica del edificio.

143 Capacidad de amortiguación de la humedad interior 7.8.2. Ahorros de energía directos

La principal intención de este apartado es identificar la magnitud de los posibles ahorros por el uso de materiales higroscópicos con alto poder de amortiguamiento de las oscilaciones de humedad. Para ello, como ejemplo se presentan los resultados de las simulaciones de Simonson et al., obtenidos para un caso de estudio consistente en un dormitorio con superficie construida de 12 m2 _{y superficie de las pa-} redes de 60 m2_{, ocupado por dos adultos durante 9 h cada noche} (22:00-7:00 h), en un edificio de madera, en cuatro ciudades diferen- tes (Helsinki, en Finlandia; Santos Hubert, en Bélgica; Holzkirchen, en Alemania y Trapani, en Italia).

La producción total de humedad fue de 60 g/h durante la ocupación y la tasa de ventilación era constante e igual a 0.5 h-1_{. En el estudio, la} demanda de calefacción se calcula para mantener el dormitorio en- tre 20 y 21 ºC durante la temporada de calefacción, que se establece del 1/9 al 31/5 en Finlandia y del 1/10 al 30/4 en Bélgica y Alemania. La temperatura interior media se fija en 20,7 ºC en Finlandia y 20,5 ºC en Bélgica y Alemania. Se consideran dos tipos de materiales de cons- trucción de la habitación:

a. ´ Higroscópicos: Los materiales superficiales en las paredes son fibra de madera porosa y papel pintado. Todas las su- perficies internas son permeables (5·10E9 kg/(m2_{sPa)) a ex-} cepción del suelo.

b. No higroscópicos: todas las superficies internas son impermeables (5·10E12 kg/(m2_sPa)).

Las extrapolaciones de los resultados obtenidos para este caso de es- tudio se deben utilizar con precaución debido a que las cargas, tasa de ventilación y otros factores varían significativamente en diferentes edificios según su tipología y climatología.

Los ahorros potenciales se dividen en ahorros de energía directos y ahorros de energía ‘indirectos’. Ahorros directos son el ahorro en la de- manda de calefacción y de refrigeración en un edificio, mientras los indirectos son los posibles ahorros que podrían resultar de una menor tasa de ventilación, una temperatura interior más baja en el invierno o una mayor temperatura interior en el verano.

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7.8.2.1. Calefacción

En la temporada de calefacción, el ahorro de energía se debe a que la adsorción de humedad en los materiales higroscópicos libera cerca de 2,5 kJ/kg de calor, lo que disminuirá la demanda de calefacción. Esta adsorción de humedad se producirá fundamentalmente durante la ocupación.

En la Fig. 7.21 se presenta el consumo de energía en calefacción para el caso de paredes higroscópicas y no higroscópicas.

Figura 7.21. El calor generado durante la acumulación de humedad en materiales de construcción higroscópicos (a) disminuye el consumo de energía de calefacción durante la ocupación (22:00-7:00 h), pero (b) tiene un pequeño efecto en el consumo total de energía durante toda la

temporada de calefacción. Fuente: Olalekan F. et al.

Se observa en la Fig. 7.21(a) que el consumo de energía durante la ocupación es de aproximadamente 10% inferior en el caso higroscó- pico respecto al caso no higroscópico, lo que significa que la acumu- lación de humedad en los materiales del edificio durante la ocupa- ción puede disminuir la energía necesaria para el calentamiento.

Por otro lado, se necesita energía para secar esta humedad desde los ma- teriales durante los períodos desocupados y el resultado neto es que el con- sumo total de energía durante la temporada de calefacción es casi igual para ambos casos (Fig. 7.21(b)). El total ligeramente superior del consumo de energía de calentamiento en el caso higroscópico es probablemente de- bido a una conductividad térmica ligeramente más alta, debido al mayor contenido de humedad de los materiales en el caso higroscópico.

Los resultados en la Fig. 7.21 muestran que es posible ahorrar ener- gía de calefacción con materiales higroscópicos, pero se requiere una estrategia de control a lo largo de toda la temporada de ca-

145 Capacidad de amortiguación de la humedad interior lefacción para realizar estos ahorros. Tales estrategias de control podrían ser la temperatura de consigna y la tasa de ventilación durante períodos desocupados.

7.8.2.2. Refrigeración

Durante la temporada de verano, los materiales higroscópicos son capaces de reducir la humedad en el interior y en consecuencia re- ducir la entalpía del aire interior. La disminución de la entalpía del aire disminuye la energía necesaria para enfriar el edificio y también mejora la calidad del aire interior. La demanda y el consumo de ener- gía requerida para enfriar la habitación objeto de estudio hasta una entalpía deseada de 47 kJ/kga (24 ºC y 50% de humedad relativa) se presentan en la Fig. 7.22.

Figura 7.22. Demanda de refrigeración para reducir la entalpía del aire interior de la habitación hasta 47 kJ/kga (24 ºC and 50% HR) durante (a) las horas de ocupación (b) todas las horas (c) demanda pico. Fuente: Olalekan

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Como se aprecia en la Fig. 7.22(a), la energía de refrigeración reque- rida es bastante baja para el dormitorio porque las únicas cargas tér- micas internas son 100 W de iluminación durante 1 hora y dos personas durante 9 h. Sin embargo, la energía de refrigeración requerida du- rante esas 9 h de ocupación es considerablemente inferior (de 10% en Italia a 35% en Finlandia) con materiales higroscópicos respecto a los materiales no higroscópicos.

La Fig. 7.22(c) muestra que la demanda pico de enfriamiento también es menor (10% en Italia y 30% en Finlandia), con materiales higroscópi- cos respecto a los materiales no higroscópicos. Del mismo modo que en el caso de calefacción, se requiere una estrategia de control para lograr estos ahorros, ya que representan el consumo de energía y la demanda durante las horas de ocupación, y como muestra la Fig. 7.22(b) los ahorros durante todo el año son inferiores a los obtenidos durante los periodos de ocupación.