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Puente térmico

Distribución de temperatura en un puente térmico
Esta imagen térmica muestra un puente térmico de un edificio de gran altura ( Aqua en Chicago )

Un puente térmico , también llamado puente frío , puente térmico o derivación térmica , es un área o componente de un objeto que tiene una conductividad térmica mayor que los materiales circundantes, [1] creando un camino de menor resistencia para la transferencia de calor . [2] Los puentes térmicos dan como resultado una reducción general en la resistencia térmica del objeto. El término se analiza con frecuencia en el contexto de la envoltura térmica de un edificio , donde los puentes térmicos dan como resultado la transferencia de calor hacia adentro o hacia afuera del espacio acondicionado.

Los puentes térmicos en los edificios pueden afectar la cantidad de energía necesaria para calentar y enfriar un espacio, causar condensación (humedad) dentro de la envoltura del edificio [3] y generar incomodidad térmica. En climas más fríos (como el Reino Unido), los puentes térmicos pueden generar pérdidas de calor adicionales y requerir energía adicional para mitigarlas.

Existen estrategias para reducir o prevenir los puentes térmicos, como limitar el número de elementos del edificio que van desde un espacio no acondicionado a un espacio acondicionado y aplicar materiales de aislamiento continuo para crear rupturas térmicas .

Concepto

Puente térmico en la unión. El calor se desplaza desde la estructura del suelo a través de la pared porque no hay rotura de puente térmico.

La transferencia de calor se produce a través de tres mecanismos: convección , radiación y conducción . [4] Un puente térmico es un ejemplo de transferencia de calor por conducción. La velocidad de transferencia de calor depende de la conductividad térmica del material y de la diferencia de temperatura experimentada a cada lado del puente térmico. Cuando hay una diferencia de temperatura, el flujo de calor seguirá el camino de menor resistencia a través del material con la conductividad térmica más alta y la resistencia térmica más baja; este camino es un puente térmico. [5] El puente térmico describe una situación en un edificio donde hay una conexión directa entre el exterior y el interior a través de uno o más elementos que poseen una conductividad térmica más alta que el resto de la envoltura del edificio.

Identificación de puentes térmicos

La termografía infrarroja pasiva (IRT) se utiliza para medir la presencia de puentes térmicos en edificios, según la Organización Internacional de Normalización (ISO). La termografía infrarroja de edificios permite obtener firmas térmicas que indican fugas de calor. La IRT detecta anomalías térmicas relacionadas con el movimiento de fluidos a través de los elementos del edificio, destacando las variaciones en las propiedades térmicas de los materiales que, en consecuencia, provocan un cambio importante en la temperatura. El efecto de sombra proyectada, una situación en la que el entorno circundante proyecta una sombra sobre la fachada del edificio, puede provocar posibles problemas de precisión en las mediciones debido a una exposición solar inconsistente en la fachada. Se puede utilizar un método de análisis alternativo, el filtrado iterativo (IF), para resolver este problema.

En todas las inspecciones termográficas de edificios, la interpretación de la imagen térmica la realiza un operador humano, lo que implica un alto nivel de subjetividad y experiencia por parte del operador. Los enfoques de análisis automatizados, como las tecnologías de escaneo láser , pueden proporcionar imágenes térmicas en superficies de modelos CAD tridimensionales e información métrica para los análisis termográficos. [6] Los datos de temperatura de la superficie en modelos 3D pueden identificar y medir irregularidades térmicas de puentes térmicos y fugas de aislamiento. Las imágenes térmicas también se pueden adquirir mediante el uso de vehículos aéreos no tripulados (UAV), fusionando datos térmicos de múltiples cámaras y plataformas. El UAV utiliza una cámara infrarroja para generar una imagen de campo térmico de los valores de temperatura registrados, donde cada píxel representa la energía radiativa emitida por la superficie del edificio. [7]

Puentes térmicos en la construcción

Con frecuencia, el término puente térmico se utiliza en referencia a la envoltura térmica de un edificio, que es una capa del sistema de cerramiento del edificio que resiste el flujo de calor entre el ambiente acondicionado interior y el ambiente no acondicionado exterior. El calor se transferirá a través de la envoltura térmica de un edificio a diferentes velocidades según los materiales presentes en toda la envoltura. La transferencia de calor será mayor en las ubicaciones de puentes térmicos que donde existe aislamiento porque hay menos resistencia térmica. [8] En el invierno, cuando la temperatura exterior suele ser inferior a la temperatura interior, el calor fluye hacia afuera y fluirá a mayor velocidad a través de puentes térmicos. En una ubicación de puente térmico, la temperatura de la superficie en el interior de la envoltura del edificio será inferior a la del área circundante. En el verano, cuando la temperatura exterior suele ser superior a la temperatura interior, el calor fluye hacia adentro y a mayor velocidad a través de puentes térmicos. [9] Esto provoca pérdidas de calor en invierno y ganancias de calor en verano para los espacios acondicionados en los edificios. [10]

A pesar de los requisitos de aislamiento especificados por diversas normativas nacionales, los puentes térmicos en la envolvente de un edificio siguen siendo un punto débil en la industria de la construcción. Además, en muchos países, las prácticas de diseño de edificios implementan mediciones de aislamiento parcial previstas por las normativas. [11] Como resultado, las pérdidas térmicas son mayores en la práctica de lo que se anticipa durante la etapa de diseño.

Un conjunto como una pared exterior o un techo aislado se clasifica generalmente por un factor U , en W/m2 · K, que refleja la tasa general de transferencia de calor por unidad de área para todos los materiales dentro de un conjunto, no solo la capa de aislamiento. La transferencia de calor a través de puentes térmicos reduce la resistencia térmica general de un conjunto, lo que resulta en un aumento del factor U. [12]

Los puentes térmicos pueden producirse en varios lugares dentro de la envolvente de un edificio; lo más habitual es que se produzcan en las uniones entre dos o más elementos del edificio. Las ubicaciones más habituales son:

Los elementos estructurales siguen siendo un punto débil en la construcción, dando lugar comúnmente a puentes térmicos que resultan en grandes pérdidas de calor y bajas temperaturas superficiales en una habitación.

Edificios de mampostería

Si bien existen puentes térmicos en varios tipos de cerramientos de edificios, las paredes de mampostería experimentan factores U significativamente mayores causados ​​por puentes térmicos. Comparar las conductividades térmicas entre diferentes materiales de construcción permite evaluar el desempeño en relación con otras opciones de diseño. Los materiales de ladrillo, que generalmente se utilizan para cerramientos de fachadas, suelen tener conductividades térmicas más altas que la madera, dependiendo de la densidad del ladrillo y el tipo de madera. [15] El hormigón, que puede usarse para pisos y vigas de borde en edificios de mampostería, es un puente térmico común, especialmente en las esquinas. Dependiendo de la composición física del hormigón, la conductividad térmica puede ser mayor que la de los materiales de ladrillo. [15] Además de la transferencia de calor, si el ambiente interior no está adecuadamente ventilado, los puentes térmicos pueden hacer que el material de ladrillo absorba agua de lluvia y humedad en la pared, lo que puede provocar el crecimiento de moho y el deterioro del material de la envoltura del edificio.

Muro cortina

Al igual que los muros de mampostería, los muros cortina pueden experimentar un aumento significativo de los factores U debido a los puentes térmicos. Los marcos de los muros cortina suelen construirse con aluminio altamente conductivo, que tiene una conductividad térmica típica superior a 200 W/m·K. En comparación, los elementos de estructura de madera suelen tener entre 0,68 y 1,25 W/m·K. [15] El marco de aluminio para la mayoría de las construcciones de muros cortina se extiende desde el exterior del edificio hasta el interior, creando puentes térmicos. [16]

Impactos de los puentes térmicos

Los puentes térmicos pueden dar lugar a un aumento de la energía necesaria para calentar o enfriar un espacio acondicionado debido a la pérdida de calor en invierno y la ganancia de calor en verano. En lugares interiores cerca de puentes térmicos, los ocupantes pueden experimentar incomodidad térmica debido a la diferencia de temperatura. [17] Además, cuando la diferencia de temperatura entre el espacio interior y el exterior es grande y hay aire cálido y húmedo en el interior, como las condiciones que se experimentan en el invierno, existe un riesgo de condensación en la envoltura del edificio debido a la temperatura más fría en la superficie interior en las ubicaciones de los puentes térmicos. [17] La ​​condensación puede, en última instancia, provocar el crecimiento de moho con la consiguiente mala calidad del aire interior y la degradación del aislamiento, lo que reduce el rendimiento del aislamiento y hace que el aislamiento funcione de manera inconsistente en toda la envoltura térmica [18].

Métodos de diseño para reducir los puentes térmicos

Existen varios métodos que han demostrado reducir o eliminar los puentes térmicos según la causa, la ubicación y el tipo de construcción. El objetivo de estos métodos es crear una ruptura térmica en el lugar donde un componente del edificio se extendería de exterior a interior o reducir la cantidad de componentes del edificio que se extienden de exterior a interior. Estas estrategias incluyen:

Métodos de análisis y desafíos

Debido a sus importantes efectos sobre la transferencia de calor, es importante modelar correctamente los impactos de los puentes térmicos para estimar el uso total de energía. Los puentes térmicos se caracterizan por una transferencia de calor multidimensional y, por lo tanto, no se pueden aproximar adecuadamente mediante modelos de cálculo unidimensionales (1D) en estado estacionario que se utilizan normalmente para estimar el rendimiento térmico de los edificios en la mayoría de las herramientas de simulación energética de edificios. [21] Los modelos de transferencia de calor en estado estacionario se basan en un flujo de calor simple en el que el calor es impulsado por una diferencia de temperatura que no fluctúa con el tiempo, de modo que el flujo de calor siempre es en una dirección. Este tipo de modelo 1D puede subestimar sustancialmente la transferencia de calor a través de la envolvente cuando hay puentes térmicos, lo que da como resultado un menor uso de energía previsto del edificio. [22]

Las soluciones disponibles actualmente consisten en habilitar capacidades de transferencia de calor bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D) en software de modelado o, más comúnmente, utilizar un método que traduzca la transferencia de calor multidimensional en un componente 1D equivalente para utilizar en software de simulación de edificios. Este último método se puede lograr a través del método de pared equivalente en el que un conjunto dinámico complejo, como una pared con un puente térmico, se representa mediante un conjunto multicapa 1D que tiene características térmicas equivalentes. [23]

Véase también

Referencias

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  2. ^ Gorse, Christopher A. y David Johnston (2012). "Puente térmico", en Oxford Dictionary of Construction, Surveying, and Civil Engineering . 3.ª ed. Oxford: Oxford UP, 2012 págs. 440-441. Impreso.
  3. ^ Arena, Lois (julio de 2016). "Directrices de construcción para muros de alto valor R sin aislamiento rígido exterior" (PDF) . NREL.gov . Golden, CO: Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL).
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