En el diseño de edificios, la masa térmica es una propiedad de la masa de un edificio que le permite almacenar calor y proporcionar inercia contra las fluctuaciones de temperatura. A veces se le conoce como efecto volante térmico . [1] La masa térmica de elementos estructurales pesados se puede diseñar para funcionar junto con los componentes de resistencia térmica más ligeros de una construcción para crear edificios energéticamente eficientes .
Por ejemplo, cuando las temperaturas exteriores fluctúan a lo largo del día, una gran masa térmica dentro de la parte aislada de una casa puede servir para "aplanar" las fluctuaciones diarias de temperatura, ya que la masa térmica absorberá energía térmica cuando los alrededores tengan temperaturas más altas. que la masa, y devuelven energía térmica cuando el entorno es más frío, sin alcanzar el equilibrio térmico . Esto es distinto del valor aislante de un material , que reduce la conductividad térmica de un edificio , lo que permite calentarlo o enfriarlo relativamente por separado del exterior, o incluso simplemente retener la energía térmica de los ocupantes por más tiempo.
Científicamente, la masa térmica equivale a la capacitancia térmica o capacidad calorífica , la capacidad de un cuerpo para almacenar energía térmica . Normalmente se le conoce con el símbolo C th y su unidad SI es J/°C o J/K (que son equivalentes). La masa térmica también puede usarse para cuerpos de agua, máquinas o partes de máquinas, seres vivos o cualquier otra estructura o cuerpo en ingeniería o biología. En esos contextos, normalmente se utiliza el término "capacidad calorífica".
La ecuación que relaciona la energía térmica con la masa térmica es:
donde Q es la energía térmica transferida, C th es la masa térmica del cuerpo y Δ T es el cambio de temperatura.
Por ejemplo, si se añaden 250 J de energía térmica a un engranaje de cobre con una masa térmica de 38,46 J/°C, su temperatura aumentará 6,50 °C. Si el cuerpo está formado por un material homogéneo con propiedades físicas suficientemente conocidas, la masa térmica es simplemente la masa del material multiplicada por la capacidad calorífica específica de ese material. En el caso de cuerpos compuestos de muchos materiales, se puede utilizar en el cálculo la suma de las capacidades caloríficas de sus componentes puros o, en algunos casos (como, por ejemplo, en el caso de un animal entero), el número se puede medir simplemente para todo el cuerpo en cuestión. directamente.
Como propiedad extensiva , la capacidad calorífica es característica de un objeto; su propiedad intensiva correspondiente es la capacidad calorífica específica, expresada en términos de una medida de la cantidad de material, como la masa o el número de moles, que debe multiplicarse por unidades similares para obtener la capacidad calorífica de todo el cuerpo de material. Por lo tanto, la capacidad calorífica se puede calcular de manera equivalente como el producto de la masa m del cuerpo y la capacidad calorífica específica c del material, o el producto del número de moles de moléculas presentes n y la capacidad calorífica específica molar . Para conocer por qué varían las capacidades de almacenamiento de energía térmica de las sustancias puras, consulte Factores que afectan la capacidad calorífica específica .
Para un cuerpo de composición uniforme, se puede aproximar mediante
donde es la masa del cuerpo y es la capacidad calorífica específica isobárica del material promediada en el rango de temperatura en cuestión. Para cuerpos compuestos de numerosos materiales diferentes, las masas térmicas de los diferentes componentes pueden simplemente sumarse.
La masa térmica es eficaz para mejorar el confort del edificio en cualquier lugar que experimente este tipo de fluctuaciones diarias de temperatura, tanto en invierno como en verano. Cuando se utiliza bien y se combina con un diseño solar pasivo , la masa térmica puede desempeñar un papel importante en reducciones importantes del uso de energía en los sistemas activos de calefacción y refrigeración . El uso de materiales con masa térmica es más ventajoso cuando hay una gran diferencia en las temperaturas exteriores del día a la noche (o cuando las temperaturas nocturnas son al menos 10 grados más frías que el punto de ajuste del termostato). [2] Los términos pesado y ligero se utilizan a menudo para describir edificios con diferentes estrategias de masa térmica y afectan la elección de factores numéricos utilizados en cálculos posteriores para describir su respuesta térmica a la calefacción y la refrigeración. En la ingeniería de servicios de construcción , el uso de software de modelado computacional de simulación dinámica ha permitido el cálculo preciso del desempeño ambiental dentro de edificios con diferentes construcciones y para diferentes conjuntos de datos climáticos anuales. Esto permite al arquitecto o ingeniero explorar en detalle la relación entre construcciones pesadas y livianas, así como los niveles de aislamiento, para reducir el consumo de energía de los sistemas mecánicos de calefacción o refrigeración , o incluso eliminar por completo la necesidad de dichos sistemas.
Los materiales ideales para la masa térmica son aquellos materiales que tienen:
Cualquier sólido, líquido o gas que tenga masa tendrá alguna masa térmica. Un error común es creer que sólo el suelo de hormigón o de tierra tiene masa térmica; Incluso el aire tiene masa térmica (aunque muy poca).
Está disponible una tabla de capacidad calorífica volumétrica para materiales de construcción, [3] pero tenga en cuenta que su definición de masa térmica es ligeramente diferente.
El uso y aplicación correctos de la masa térmica depende del clima predominante en un distrito.
Lo ideal es colocar la masa térmica dentro del edificio y ubicarla donde todavía pueda estar expuesta a la luz solar invernal en ángulos bajos (a través de ventanas), pero aislada de la pérdida de calor. En verano, la misma masa térmica debe ocultarse de la luz solar del verano en ángulos más altos para evitar el sobrecalentamiento de la estructura.
La masa térmica se calienta durante el día de forma pasiva mediante el sol o adicionalmente mediante sistemas de calefacción internos. La energía térmica almacenada en la masa se libera al interior durante la noche. Es esencial que se utilice junto con los principios estándar del diseño solar pasivo .
Se puede utilizar cualquier forma de masa térmica. Una solución sencilla es una base de losa de hormigón expuesta o cubierta con materiales conductores, por ejemplo baldosas. Otro método novedoso consiste en colocar la fachada de mampostería de una casa con estructura de madera en el interior ("chapa de ladrillo invertida"). En esta situación, la masa térmica se aplica mejor en un área grande que en grandes volúmenes o espesores. Suele ser suficiente entre 7,5 y 10 cm (3 a 4 pulgadas).
Dado que la fuente más importante de energía térmica es el Sol, la relación entre el acristalamiento y la masa térmica es un factor importante a considerar. Se han ideado varias fórmulas para determinarlo. [4] Como regla general, es necesario aplicar masa térmica adicional expuesta al sol en una proporción de 6:1 a 8:1 para cualquier área orientada al sol (orientada al norte en el hemisferio sur o orientada al sur en el hemisferio norte). ) acristalamientos superiores al 7% de la superficie total del suelo. Por ejemplo, una casa de 200 m 2 con 20 m 2 de acristalamiento orientado al sol tiene el 10% de acristalamiento de la superficie total; 6 m 2 de ese acristalamiento requerirán masa térmica adicional. Por lo tanto, utilizando la relación anterior de 6:1 a 8:1, se requieren entre 36 y 48 m 2 adicionales de masa térmica expuesta al sol. Los requisitos exactos varían de un clima a otro.
Lo ideal es colocar la masa térmica dentro de un edificio, donde esté protegida de la luz solar directa pero expuesta a los ocupantes del edificio. Por lo tanto, se asocia más comúnmente con losas de piso de concreto sólido en edificios con ventilación natural o con ventilación mecánica de bajo consumo de energía, donde el plafón de concreto se deja expuesto al espacio ocupado.
Durante el día, el calor se obtiene del sol, de los ocupantes del edificio y de cualquier iluminación y equipo eléctrico, lo que hace que aumente la temperatura del aire dentro del espacio, pero este calor es absorbido por la losa de concreto expuesta de arriba, lo que limita el aumento de temperatura. dentro del espacio esté dentro de niveles aceptables para el confort térmico humano. Además, la temperatura superficial más baja de la losa de hormigón también absorbe el calor radiante directamente de los ocupantes, beneficiando también su confort térmico.
Al final del día, la losa a su vez se ha calentado y ahora, a medida que las temperaturas externas disminuyen, se puede liberar el calor y la losa se enfría, lista para comenzar el día siguiente. Sin embargo, este proceso de "regeneración" sólo es eficaz si el sistema de ventilación del edificio funciona durante la noche para eliminar el calor de la losa. En edificios con ventilación natural es normal prever aperturas de ventanas automatizadas para facilitar este proceso de forma automática.
Este es un uso clásico de la masa térmica. Los ejemplos incluyen casas de adobe , tierra apisonada o bloques de piedra caliza . Su función depende en gran medida de las marcadas variaciones de temperatura diurnas . La pared actúa predominantemente para retardar la transferencia de calor del exterior al interior durante el día. La alta capacidad calorífica volumétrica y el espesor evitan que la energía térmica llegue a la superficie interior. Cuando las temperaturas bajan por la noche, las paredes vuelven a irradiar la energía térmica hacia el cielo nocturno. En esta aplicación es importante que dichas paredes sean macizas para evitar la transferencia de calor al interior.
El uso de la masa térmica es el más desafiante en este ambiente donde las temperaturas nocturnas permanecen elevadas. Su uso es principalmente como disipador de calor temporal. Sin embargo, debe estar ubicado estratégicamente para evitar el sobrecalentamiento. Debe colocarse en una zona que no esté expuesta directamente a la radiación solar y que además permita una ventilación adecuada durante la noche para evacuar la energía almacenada sin aumentar más la temperatura interna. Si se va a utilizar, se debe utilizar en cantidades prudentes y, de nuevo, no en grandes espesores.
Si se utiliza suficiente masa, se puede crear una ventaja estacional. Es decir, puede calentarse en invierno y enfriarse en verano. A esto a veces se le llama almacenamiento pasivo de calor anual o PAHS. El sistema PAHS se ha utilizado con éxito a 7000 pies en Colorado y en varios hogares en Montana. [ cita necesaria ] Los Earthships de Nuevo México utilizan calefacción y refrigeración pasivas, así como neumáticos reciclados para la pared de los cimientos, lo que produce un PAHS/STES máximo. También se ha utilizado con éxito en el Reino Unido en el Proyecto de Vivienda Hockerton .
