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Project co-financed by European Regional Development Fund - ERDF Projet co-financé par le Fonds Européen de Développement Régional - FEDER

Annex VII – Quantitative Thermal Comfort

Project co-financed by European Regional Development Fund - ERDF

Projet co-financé par le Fonds Européen de Développement Régional - FEDER

Índice 1. INTRODUCCIÓN. ......................................................................................................................... 3

2. IDENTIFICACIÓN DE MUROS A PARTIR DE DATOS EXPERIMENTALES. ....................................... 3

2.1. Ensayo de termoflujometría. .............................................................................................. 4

2.2. Modelo R-C del muro. Método CTSM. ................................................................................ 6

2.3. Creación del muro ficticio. .................................................................................................. 8

3. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO. ....................................................................................................... 9

4. CÁLCULO DEL U TEÓRICO. ........................................................................................................ 11

4.1. U teórico del muro sin aislamiento. .................................................................................. 12

4.2. U teórico del muro con aislamiento. ................................................................................. 12

5. REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE TERMOFLUJOMETRÍA. ............................................................. 13

5.1. Ensayo de termoflujometría con el edificio sin rehabilitar. .............................................. 13

5.2. Ensayo de termoflujometría tras la rehabilitación. .......................................................... 15

6. CÁLCULO DEL VALOR DE U REAL. IDENTIFICACIÓN DEL MURO. .............................................. 17

6.1. Identificación del muro sin rehabilitar. Aplicación del CTSM. .......................................... 17

6.2. Identificación del muro tras la rehabilitación. .................................................................. 20

7. CONCLUSIONES PRELIMINARES. .............................................................................................. 20

ANEXO 1. TERMOFLUJOMETRÍA. ...................................................................................................... 21

REFERENCIAS. .................................................................................................................................... 32



1. INTRODUCCIÓN.

Se realiza el estudio de la transmitancia térmica de la fachada exterior del edificio de Los Limoneros, situado en la Avenida Jacinto Benavente de Málaga, que ha sido sometido a un proceso de rehabilitación mediante la incorporación de una capa de aislante térmico de 4 cm con el sistema SATE de poliestireno expandido [1]. Esta medida ha sido propuesta y llevada a cabo tras una auditoría energética realizada previamente al edificio. El valor de la transmitancia térmica del muro exterior se obtiene a través de un ensayo de termoflujometría, que es un método que permite medir las propiedades de transmisión térmica de componentes planos de un edificio, compuestos primariamente de capas opacas, perpendiculares al flujo de calor y sin flujo lateral de calor significativo. Este ensayo se ha realizado primero en una vivienda de la segunda planta situada al suroeste y con el edificio sin rehabilitar, y, posteriormente, en una vivienda de la segunda planta situada al noroeste, tras la incorporación del aislamiento térmico. El objetivo del estudio es valorar la mejora de la transmitancia térmica del muro tras la inclusión del aislante. Esta mejora permite reducir la demanda de calefacción en la vivienda y mejorar el confort térmico de los ocupantes que habitan la vivienda. El presente estudio está estructurado de la siguiente manera:

1. Se realiza una descripción de un método para la identificación de un muro a partir de

datos experimentales.

2. Se describe el edificio y las viviendas en las que se han hecho el ensayo.

3. Se calcula el valor de la transmitancia térmica teórica para ambos casos.

4. Se describen los ensayos experimentales realizados.

5. Se describen los cálculos llevados a cabo para el cálculo de la transmitancia térmica en

ambos casos.

6. Se exponen las conclusiones finales del estudio.

2. IDENTIFICACIÓN DE MUROS A PARTIR DE DATOS EXPERIMENTALES.

En este capítulo se describe una metodología para la identificación de muros. Entre sus aspectos a destacar se encuentran que es una técnica no agresiva y que tiene aplicación en la rehabilitación de edificios. El procedimiento consta de tres etapas:

1. En la primera etapa, se lleva a cabo un experimento in situ. Dicho experimento

consiste en realizar una termoflujometría a través de la cual se obtienen datos del flujo

de calor que atraviesa el muro (W/m2), y de las temperaturas superficiales interior y

exterior (ºC).



2. En la segunda etapa, se utiliza un modelo de Resistencia-Capacidad para el muro (ver

Figura) y se identifican dichos parámetros mediante el método CTSM [2].

Figura 1. Modelo RC de un muro.

3. En la tercera etapa, una vez obtenido los parámetros, se calcula un muro equivalente

ficticio.

A continuación se describe con más detalle cada una de estas etapas.

2.1. Ensayo de termoflujometría.

En principio el valor de U se puede obtener mediante una medida del flujo de calor a través de un elemento mediante un flujómetro o calorímetro, junto con la medida de las temperaturas a ambos lado del elemento en condiciones estacionarias. Sin embargo, dado que las condiciones estacionarias nunca se encuentran en la práctica “in situ”, una medida simple no es posible. Hay varios caminos a seguir:

a) Imponer condiciones estacionarias mediante el uso de una cámara caliente y una fría, es un método que se usa comúnmente en laboratorio pero que es muy engorroso en medidas de campo.

b) Asumir que el valor medio de las mediciones de flujo de calor y temperatura sobre un valor suficientemente largo de tiempo dan una buena estimación del estado estacionario. Este método es válido si:

� Las propiedades térmicas de los materiales y los coeficientes de transferencia

de calor son constantes sobre el rango de fluctuaciones de temperatura que se

tengan en durante el ensayo.

� Si la cantidad de calor almacenada en el elemento es despreciable cuando se

compara con la cantidad de calor que fluye a través del elemento.

c) Utilizar una teoría que tenga en cuenta las fluctuaciones de flujo de calor y temperatura, un método dinámico.



La termoflujometría, tal y como define la ISO 9869 [3], es un método que permite medir las propiedades de transmisión térmica de componentes planos de un edificio, compuestos primariamente de capas opacas, perpendiculares al flujo de calor y sin flujo lateral de calor significativo. Es un método de aplicación in-situ y no pretende sustituir a métodos de alta precisión de aplicación en laboratorios. Los datos medidos mediante la termoflujometría son: el flujo de calor que atraviesa el muro y las temperaturas superficiales exterior e interior. A partir de éstas se pueden calcular los siguientes parámetros:

- La resistencia térmica R y conductancia térmica de superficie a superficie.

- La resistencia térmica total RT y la transmitancia U de ambiente a ambiente si las temperaturas ambiente están bien definidas.

Las medidas de fluxómetros son aplicables también a componentes consistentes en capas cuasi-homogéneas perpendiculares al flujo de calor, siempre que la dimensión de las no homogeneidades cercanas al flujómetro sean mucho menores que su dimensión lateral, y que no haya puentes térmicos detectables mediante termografía infrarroja. En algunos componentes no homogéneos se puede obtener una transmitancia térmica promediando el resultado de varios fluxómetros. El método de termoflujometría requiere personal con conocimiento y experiencia en tecnología y transferencia de calor en edificios y en técnicas de medida. Utilidad de los ensayos Obtener el coeficiente de transmisión de calor de un muro in-situ. Material necesario Para cada muro se necesita:

- 2 sondas de temperatura de contacto

- 2 sondas de temperatura de aire

- Placa de medición de flujo de calor (flujómetro), una o varias.

Se necesita un registrador de datos que puede ser común a todos los fluxómetros Si el edificio no está en uso, para mantener una temperatura constante dentro del edificio se necesita un conjunto de calentadores. Para poder interpretar los resultados obtenidos durante toda la toma de datos se necesita una estación meteorológica. Coste Equipo para medir en dos puntos, alrededor de 3000 € Nivel de formación del inspector Medio. Se necesita experiencia específica en este campo y conocimiento de las características físicas de los materiales para poder interpretar correctamente los resultados. Condiciones de las mediciones Las condiciones más favorables implican una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior suficientemente grande (>10ºC) y unos niveles de temperatura lo



más estables posible, especialmente la temperatura interior. Por esta razón se suele mantener la vivienda a una temperatura constante mediante calentadores (o el mismo sistema de calefacción del edificio) durante toda la toma de datos. Tiempo necesario La duración del ensayo depende de la inercia del muro. Como mínimo el ensayo dura una semana. Si el muro tiene una gran inercia, el ensayo puede prolongarse hasta dos o tres semanas. Si el muro es muy ligero se podrá reducir a unos días. Número de personas necesarias para la inspección Una Normativa asociada ISO 9869-1994 Limitaciones En el caso de la termoflujometría, la principal limitación es que requiere un tiempo mínimo de toma de datos de entre una y dos semanas, y que, si la vivienda está deshabitada, hay que calefactar para obtener una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior importante. En el anexo 1 se detalla el procedimiento de esta técnica experimental.

2.2. Modelo R-C del muro. Método CTSM.

Se crea un modelo de resistencia-capacidad del muro (ver figura 2), cuyos parámetros característicos permitirán la creación de un muro ficticio que servirá para la identificación del mismo. Los parámetros se obtienen a partir del método CTSM, método desarrollado por la Universidad Técnica de Dinamarca, que resuelve modelos semifísicos de sistemas dinámicos basados en ecuaciones estocásticas diferenciales, a partir de los datos experimentales horarios de flujo de calor y temperaturas superficiales obtenidas en el apartado anterior. El método está concebido para la calibración de sistemas dinámicos en tiempo continuo que representen fenómenos físicos difíciles de determinar en la práctica por encontrarse afectados por variables de tipo aleatorio. Los parámetros son obtenidos utilizando bien el método de máxima verosimilitud o bien el método del máximo a posteriori. Una vez que los parámetros hayan sido calculados, diferentes métodos estadísticos evalúan la calidad del modelo y analizan el residuo. La ecuación que se utiliza para la estimación de los parámetros es la siguiente:

, dónde las variables de estado T1 y T2 son las temperaturas de la superficie exterior e interior, Te y Ti son las temperaturas exterior y exterior y H1, H2, H3, G1 y G2 los parámetros de la red térmica que describen el muro. La ecuación del calor es la que se muestra a continuación:



, donde la variable de salida (qi) es el flujo de calor y ek Є N(0,S). Previamente a la aplicación del método, es necesario obtener unos valores de referencia de resistencia y capacidad térmica total que nos faciliten la entrada de valores mínimos, máximos e iniciales al método. Tener estas referencias nos permite acotar el problema CTSM e impedir que la solución se vaya a valores físicamente irrazonables cuando se tiene poca información del muro. Para la estimación previa de la resistencia térmica se utiliza el método de la media [3]. A partir de los valores experimentales de flujo de calor y temperaturas superficiales exterior e interior, se aplica la siguiente ecuación:

Por otro lado, para la estimación previa de la capacidad térmica total hay dos posibilidades: el método de la impedancia térmica o la estimación directa a partir de los datos que se tengan de la composición del muro. Para el método de la impedancia térmica se necesitan los datos medidos de flujo de calor y temperaturas superficiales exterior e interior. La impedancia térmica se calcula mediante la siguiente ecuación:

|T|

|q|Z =

, dónde:

• Z : módulo de la impedancia térmica.

• |q|: amplitud del flujo de calor.

• |T| : amplitud de la temperatura exterior.

Para calcular la capacidad, a partir de la impedancia térmica estimada, se despeja de la siguiente correlación [4], [5], [6] y [7]:

2

14

w R CZ R

⋅ ⋅ = ⋅ +

, donde: • R : Resistencia térmica (m2K/W).

• w : Frecuencia (rad/s).

• C : Capacidad Térmica (J/m2K).

En la estimación directa de la capacidad térmica se aplica la siguiente ecuación (a la que se añade un margen de +/- 30%):



, dónde: • e: espesor de la capa (m).

• ρ: Densidad del material de la capa del muro (kg/m3).

• Cp: Calor específico del material de la capa del muro (J/kgK)

A continuación se aplica el método y se obtiene el valor de los parámetros H1, H2, H3, G1 y G2.

2.3. Creación del muro ficticio.

Finalmente se va a describir un método que permite pasar del modelo RC a un muro ficticio compuesto por capas. Para ello, se utilizan los parámetros obtenidos en el apartado anterior (H1, H2, H3, G1 y G2) y se calculan las características de cada capa: espesor (m), conductividad (W/mK), densidad (kg/m3) y calor específico (J/kgK).

Figura 2. Muro ficticio. Así, se divide el muro en tres capas. Dos capas con iguales espesores y una central de espesor muy pequeño cuyas características se especifican a continuación. Características capa 1: La conductividad (W/mK) de la capa 1 debe tener valores razonables entre 0.03 (típico de un aislante) y 1 (típico de un material conductivo). Su espesor debe ser también razonable. Teniendo en cuenta que el espesor de una capa de cemento es de 0.02 m, el de un ladrillo simple es de 0.11 m y el de un ladrillo doble es 0.24 m. La resistencia de la capa 1 (m2W/K) es conocida y coincide con H1 del modelo CTSM más H2a. Ésta última es una parte de H2 del modelo CTSM. Por tanto, la resistencia de esta capa será H1+H2a La densidad (kg/m2) vendrá dada por G1 del modelo CTSM. Teniendo en cuenta que:

G1 (Wh/Cm2 )= e Cpρ⋅ ⋅∑

El calor específico es 1000 J/kgK aproximadamente. La conductividad kcapa1 se calcula con H1 y un espesor razonable (ecapa1a). H2a vendrá



dada por kcapa1 y otro espesor razonable (ecapa1b). Hay que comprobar que el espesor total de la capa 1 es razonable. El espesor será ecapa1a+ecapa1b Características capa 3: Con la capa 3 se hace lo mismo pero usando H3, H2b y G2 Características capa 2:

Será una capa con un peso muy pequeño ( e Cpρ⋅ ⋅∑ ) y una resistencia (H2c)

suficiente para que se cumpla que H2 (del modelo CTSM)= H2a+H2b+H2c Es decir, la resistencia que corresponda y el resto de características parecidas a las de un aislante.

3. DESCRIPCIÓN DEL EDIFICIO. Se trata de un edificio de 140 viviendas situado en la Avenida Jacinto Benavente de Málaga que fue construido en el año 1984.

Figura 3. Vistas del piloto teórico Jacinto Benavente (Limonero). Tiene una superficie neta de 12953 m2, una superficie construida de 14547 m2 y la superficie útil es de 11071 m2. El edificio tiene planta baja más 6. Aunque siendo estrictos hay 10 tipos de viviendas, se puede resumir diciendo que tiene:

• 96 viviendas de 3 dormitorios distribuidos entre la planta baja y la planta cuarta.

• 4 viviendas de 2 dormitorios para minusválidos.



• 40 dúplex en las plantas quinta y sexta, de los cuales 18 tienen 4 dormitorios y 22

tienen 3 dormitorios.

En la figura 4 se muestra el entorno y la orientación que tiene el edificio. Las viviendas en las que se han realizado los ensayos aparecen marcadas con dos cuadrados. El cuadrado azul representa la posición de la vivienda previa a la rehabilitación, y el amarillo la posición de la vivienda tras la rehabilitación.

Figura 4. Ubicación y entorno del edificio. Indicación de las viviendas analizadas. En la tabla 1 se detalla la composición del cerramiento exterior y sus propiedades térmicas sin la incorporación del aislante.

Composición del cerramiento

espesor e (mm)

Conductividad λ (W/mK)

Densidad ρ (kg/m3)

Calor específico Cp (J/kgK)

Enfoscado mortero hidrófugo

15 1 1600 1000

Ladrillo perforado 120 0.76 1600 1135

Cámara Aire Muro 50 - - -

Ladrillo hueco simple 40 0.49 1200 800

Enlucido yeso 15 0.3 800 920

Tabla 1. Composición del muro exterior original. En la tabla 2 se detalla la composición del muro tras la incorporación del aislante.




espesor e (mm)


Densidad ρ (kg/m3)

Calor específico Cp (J/kgK)

Poliestireno expandido (sistema SATE)

40 0.037

Enfoscado mortero hidrófugo

15 1 1600 1000

Ladrillo perforado 120 0.76 1600 1135

Cámara Aire Muro 50 - - -

Ladrillo hueco simple 40 0.49 1200 800

Enlucido yeso 15 0.3 800 920

Tabla 2. Composición del muro exterior aislado. 4. CÁLCULO DEL U TEÓRICO.

La transmitancia térmica de un elemento de un edificio (valor de U) se define en la ISO 7345 [8] como “Flujo de calor en estado estacionario dividido por el área y por la diferencia de temperaturas de los alrededores a cada lado del sistema” El cálculo de la transmitancia térmica del muro teórico se realiza a partir de los datos de la composición del muro teóricos que están reflejados en el proyecto técnico (tablas 1 y 2), y se calcula mediante la siguiente expresión:

Tei RTT

qU

1

)(=

−=

, dónde: • q: Densidad de flujo de calor (W/m2).

• Ti: Temperatura ambiente interior (°C).

• Te: Temperatura ambiente exterior (°C).

• RT: Resistencia térmica total (m2K/W).

La resistencia térmica total que viene dada por:

sesiT RRRR ++=

, dónde: • Rsi: Resistencia superficial interior (m2 K/W).

• Rse: Resistencia superficial exterior (m2 K/W).

• R: la resistencia térmica de un elemento, superficie a superficie (m2 K/W).

De acuerdo a la nomenclatura de la ISO 9869, que a su vez sigue a la ISO 7345, la resistencia térmica de un elemento, superficie a superficie, viene dada por:

Λ=

−=

1

q

TTR sesi



, siendo: • Tsi: Temperatura superficial interior del elemento (°C).

• Tse: Temperatura superficial exterior del elemento (°C).

• Λ : conductancia térmica del elemento, superficie a superficie (m2K/W).

De acuerdo con estas ecuaciones se calcula el U teórico de los dos casos de estudio.

4.1. U teórico del muro sin aislamiento.

En la tabla 3 se calcula el valor de la resistencia térmica de cada capa del muro y la total, superficie a superficie, y a partir de ésta y las resistencias superficiales interior y exterior, se obtiene el valor de U.


espesor e (mm)


Resistencia térmica R (m2K/W)

Enfoscado mortero hidrofugo 15 1 0.015

Ladrillo perforado 120 0.76 0.16

Camara Aire Muro 50 - 0.18

Ladrillo hueco simple 40 0.49 0.08

Enlucido yeso 15 0.3 0.05

Resistencia térmica superficie a superficie 0.48

Tabla 3. Resistencia térmica superficie a superficie del muro sin aislamiento. Si Rse=0.04 y Rsi=0.13 m2K/W, el valor de la resistencia térmica total es: Rt=0.655 m2K/W. Por lo tanto, el valor de U teórico es: U=1.52 W/m2K.

4.2. U teórico del muro con aislamiento.

En la tabla 4 se calcula el valor de la resistencia térmica de cada capa del muro y la total, superficie a superficie, y a partir de ésta y las resistencias superficiales interior y exterior, se obtiene el valor de U.


espesor e (mm)


Resistencia térmica R (m2K/W)

Poliestireno expandido (sistema SATE)

40 0.037 1.08

Enfoscado mortero hidrofugo 15 1 0.02

Ladrillo perforado 115 0.76 0.15

Camara Aire Muro 50 - 0.18

Ladrillo hueco simple 4 0.49 0.01



Enlucido yeso 15 0.3 0.05

Resistencia térmica superficie a superficie 1.48

Tabla 4. Resistencia térmica superficie a superficie del muro con aislamiento. Si Rse=0.04 m2K/W y Rsi=0.13 m2K/W, el valor de la resistencia térmica total es: Rt=1.65 m2K/W. Por lo tanto, el valor de U teórico es: U=0.605 W/m2K. Por lo tanto, se observa una disminución del valor de la transmitancia térmica teórica del muro tras la incorporación del aislante en el muro.

5. REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE TERMOFLUJOMETRÍA.

5.1. Ensayo de termoflujometría con el edificio sin rehabilitar.

El ensayo se inició el día 20 de diciembre de 2011, entre las 16:30 y las 19:30 y finalizó el día 25 de enero a las 11:00 aproximadamente. Se han obtenido por tanto, medidas durante 38 días. El ensayo se realiza en el piso de la segunda planta que está situado en la esquina suroeste. Esta vivienda, que no está ocupada normalmente, tiene 2 dormitorios, un salón, una cocina, un baño y la terraza. El experimento se coloca en la pared del salón situada en la fachada oeste, tal y como indica la figura 5¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Figura 5. Imagen de la colocación de los fluxómetros. Los aparatos de medidas utilizados son:

• Fluxómetros conectados a Datalogger.

• Sondas de temperatura superficial interior (TandD 7) y exterior (TandD 10).

• Sensor de temperatura ambiente (Hobo U12 3 y 5).

• Pinza amperimétrica CST-V6 con Hobo 3.

• Pinza de estados CST-V8 con Hobo U11.



En la figura 6 se observan algunos de los aparatos nombrados anteriormente.

Figura 6. Imagen de algunos de los equipos utilizados en el ensayo. Como la vivienda está deshabitada, generalmente las ganancias solares no son suficientes para establecer una diferencia de temperaturas significativa entre el interior y el exterior, por lo que es necesario el uso de un calefactor que aumenta la temperatura de la zona manteniendo una consigna de aproximadamente 25ºC, provocando la diferencia necesaria entre el exterior y el interior. Datos obtenidos En la figura 7 se muestran los datos de temperaturas superficiales y flujo de calor registrados durante el ensayo de termoflujometría.

Figura 7. Datos experimentales resultantes de la termoflujometría sin rehabilitación. Las curvas de la temperatura de la superficie exterior e interior muestran que se consigue la diferencia de temperaturas necesaria para provocar el flujo de calor que



atraviese el muro. Esta diferencia de temperaturas es positiva en las horas del día en las que hay radiación solar, que calientan la superficie exterior, y alcanzan valores máximos de 10-11ºC, provocando un flujo de calor positivo (desde el exterior hacia el interior) que llega hasta los 9 W/m2. En las horas nocturnas o en el inicio de la mañana y final de la tarde, la diferencia de temperaturas es negativa (la superficie exterior es más fría que la interior) con máximos de 7ºC, provocando un flujo de calor negativo (desde el interior hacia el exterior) que llega hasta los 5 W/m2.

5.2. Ensayo de termoflujometría tras la rehabilitación.

El ensayo se inició el día 17 de noviembre de 2014, entre las 11:00 y las 12:30 y actualmente sigue el proceso de toma de datos. El ensayo se realiza en el piso de la segunda planta que está situado en la esquina noroeste. Esta vivienda sí está ocupada normalmente, por cuatro miembros de una familia, tiene 3 dormitorios, un salón, una cocina, un baño y la terraza. Tiene lugar en la pared del salón de la vivienda (ver figura 8), por lo que se decide, para evitar molestias, realizarlo sin aporte de calor. Esto es posible debido a que, la temperatura en el interior del salón, principalmente por las ganancias internas y equipos de calefacción, suele ser confortable, por lo que se presume que la diferencia de temperatura entre el exterior e interior necesaria para la realización del ensayo se puede dar sin necesidad de aporte de calor adicional. Sin embargo, la temperatura exterior en los días de medición no está siendo muy baja, por lo que es posible que no se dé la diferencia de temperaturas necesarias, y por este motivo el tiempo del ensayo está siendo mayor de lo estimado inicialmente. Los resultados de las mediciones comprobarán si realmente se da esta situación.

Figura 8. Imagen de la colocación de los fluxómetros. Los equipos utilizados son los mismos que en el caso anterior, a excepción del



calefactor. Se han instalado los fluxómetros (figura 8), los hobos U12 con sondas de superficie que miden temperatura superficial interior y exterior (figura 9) y la estación meteorológica que mide la radiación solar incidente sobre la fachada, y las condiciones exteriores de temperatura y humedad (figura 10).

Figura 9. Imagen de la colocación de las sondas de temperatura superficial exterior (izquierda) e interior (derecha).

Figura 10. Imagen de la colocación de la estación meteorológica. Incidencias El día 26 de noviembre, en una visita al domicilio para hacer una revisión de las medidas que se estaban tomando, se comprobó que dos parejas de fluxómetros se habían despegado de la pared, así como la sonda de temperatura superficial de la pared interior. Para solucionarlo, el día 28 de noviembre se volvió al domicilio y se volvió a recolocar los fluxómetros caídos y la sonda de temperatura superficial. Por lo tanto, la interrupción de parte de los datos medidos en el experimento, junto a que, por un lado, la temperatura exterior no está siendo muy baja y que el intervalo de tiempo hasta el momento no es lo suficientemente amplio, hace que los datos que se muestren y los resultados obtenidos en este apartado no sean definitivos, sino que



sean orientativos que permitan poder realizar una primera evaluación de la transmitancia térmica del muro, y de la mejora del aislamiento térmico en la casa. Datos obtenidos En la figura 11 se muestran los datos de temperaturas superficiales y flujo de calor registrados durante el ensayo:

Figura 11. Datos experimentales resultantes de la termoflujometría en el muro con aislamiento. En la gráfica se observa que el flujo de calor que atraviesa el muro es muy bajo, varía entre -0.5 y 2.5 W/m2, debido a que la diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior no está siendo lo suficientemente alta para que se produzca una transferencia de calor importante.

6. CÁLCULO DEL VALOR DE U REAL. IDENTIFICACIÓN DEL MURO.

6.1. Identificación del muro sin rehabilitar. Aplicación del CTSM.

Los ensayos correspondientes al muro, en la situación previa a la rehabilitación, fueron satisfactorios desde el punto de vista de temperaturas, ya que el uso del calefactor garantizaba las condiciones idóneas, y de duración temporal, ya que se realizó durante un número suficiente de días para poder aplicar el método CTSM y poder identificar el muro. El procedimiento seguido es el mismo que se describe en el apartado 2. A partir de los valores medidos en el ensayo de termoflujometría, se obtiene la resistencia térmica a partir del método de la media. En la figura 12 se observa que el valor de R evoluciona hacia un valor igual a 0.81.



Figura 12. Evolución de la resistencia térmica estimada en el tiempo. Se estima la capacidad térmica mediante el método de la impedancia. Para ello se utilizan las figuras 13 y 14 que representan la evolución del flujo de calor que atraviesa el muro y la evolución de la temperatura exterior que sirven para obtener la amplitud de ambas y poder calcular la impedancia térmica: |q|= 5-(-5) = 10 (medido)

|T|= 30-10 = 20 (medido)

R = 0.81 (método de la media)

w= Frecuencia (rad/s)= 2

24 3600

π⋅

⋅ =0.0000727

|T|

|q|Z = =2

A partir de ésta, se despeja el valor de la capacidad: 2

14

w R CZ R

⋅ ⋅ = ⋅ +

=128 (R=0.48m2K/W); 34 (R=0.81 m2K/W)



Figura 13. Evolución del flujo de calor en el tiempo.

Figura 14. Evolución de la temperatura exterior en el tiempo. Tras la aplicación del método CTSM, los parámetros que representan el muro ficticio son los que se muestran en la tabla 4. H1 0.0866 G1 39.9

H2 0.314 G2 18.18

H3 0.215

Tabla 4. Coeficientes representativos del modelo RC. A partir de estos valores se representa el muro ficticio y se vuelven a obtener el valor de la resitencia térmica superficie a superficie y de la capacidad térmica del muro, que son los siguientes:

� R=0.6 (m2K/W).

� C= 87.74 (Wh/Cm2).



Por lo tanto el valor de U ambiente a ambiente obtenido es de 1.298 W/m2K, que si se compara con el teórico que es igual a 1.52 W/m2K se observa que la diferencia es pequeña.

6.2. Identificación del muro tras la rehabilitación.

En el apartado 5.2. se ha justificado la no aplicación del método CTSM en este caso debido a las circunstancias especiales del ensayo de la termoflujometría. Por lo tanto, se va a partir de los datos medidos para hacer una primera estimación de la resistencia térmica a partir del método de la media y, con ésta, calcular el valor de la transmitancia térmica. En la figura 15 se muestra la estimación de la resistencia térmica, observa que el valor de R aún no ha alcanzado un valor estable como en el caso anterior, pero la curva tiende a estabilizarse en torno a un valor mayor que 1 y menor que 2.

Figura 15. Evolución de la resistencia térmica estimada en el tiempo. Este valor se intuye que se va a estabilizar entre 1 y 2, y se supone va a ser muy parecido al valor de la resistencia térmica de superficie a superficie teórica obtenida en el apartado 4.2., cuyo valor es de 1.48 m2K/W, y por lo tanto, el valor de U va a ser muy cercano al valor teórico de 0.605 (W/m2K). Por lo tanto, se espera que una vez el experimento se deje el tiempo suficiente y se den las condiciones favorables, se obtengan los datos experimentales necesarios para proceder a la aplicación del método CTSM y realizar la identificación del muro con el aislamiento. A partir de ahí se podrá realizar una mejor valoración de la mejora de aislamiento en el muro.

7. CONCLUSIONES PRELIMINARES. Se ha realizado un estudio que valora la mejora del aislamiento térmico de un edificio de viviendas a partir del cálculo de la transmitancia térmica del muro exterior. La identificación del muro se realiza antes y después de la incorporación de la capa de



aislamiento. En ambos casos se calcula, en primer lugar, la transmitancia térmica teórica, a partir de los datos de la composición del muro teóricos que están reflejados en el proyecto técnico. Esta aproximación permite tener una primera valoración del aumento de aislamiento térmico en el muro tras la rehabilitación. En segundo lugar se realiza una identificación del muro más detallada. Para ello se utiliza el método CTSM, que resuelve modelos semifísicos de sistemas dinámicos basados en ecuaciones estocásticas diferenciales, a partir de los datos experimentales obtenidos en ensayos experimentales realizados mediante la técnica de la termoflujometría, que mide las propiedades de transmisión térmica de componentes planos de un edificio a partir del flujo de calor que atraviesa el muro y las temperaturas superficiales de la cara interior y exterior del muro. Este método requiere una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior suficientemente grande (>10ºC) y unos niveles de temperatura lo más estables posible, especialmente la temperatura interior. Por esta razón se suele mantener la vivienda a una temperatura constante mediante calentadores (o el mismo sistema de calefacción del edificio) durante toda la toma de datos. Actualmente, el ensayo experimental del muro con aislamiento térmico no ha finalizado, por lo que no se tienen los datos experimentales suficientes para aplicar el método CTSM. Sin embargo, se ha realizado un estudio comparativo del muro con y sin aislamiento térmico a partir del cálculo de la transmitancia térmica teórica y de la obtenida a partir del método de la resistencia media, que es un cálculo previo requerido en el método CTSM y no requiere un rango de datos tan amplio como éste. En la tabla 5 se presentan los resultados obtenidos:

Tipo de cálculo Parámetro Muro sin aislamiento Muro con aislamiento

Valor teórico Rsup-sup (m2K/W) 0.48 1.48 Ramb-amb (m2K/W) 0.655 1.65 Uteórico (W/m2K) 1.52 0.605

Valor Real

Método CTSM Método de la media Rsup-sup (m2K/W) 0.6 ≈1.5 (entre 1 y 2) Ramb-amb (m2K/W) 0.77 ≈1.67 Ureal (W/m2K) 1.298 ≈0.6

Tabla 5. Resumen de los resultados obtenidos. Por lo tanto, de forma general, y a la espera de que finalice el ensayo de termoflujometría actual, se observa una mejora en el aislamiento térmico del muro, con una reducción de la transmitancia térmica de 1.3 a un valor en torno a 0.6 W/m2K. ANEXO 1. TERMOFLUJOMETRÍA.

1. Presentación de la técnica.

La transmitancia térmica de un elemento de un edificio (valor de U) se define en la ISO



7345 como “Flujo de calor en estado estacionario dividido por el área y por la

diferencia de temperaturas de los alrededores a cada lado del sistema” En principio el valor de U se puede obtener mediante una medida del flujo de calor a través de un elemento mediante un flujómetro o calorímetro, junto con la medida de las temperaturas a ambos lado del elemento en condiciones estacionarias. Sin embargo, dado que las condiciones estacionarias nunca se encuentran en la práctica “in situ”, una medida simple no es posible. Hay varios caminos a seguir: Imponer condiciones estacionarias mediante el uso de una cámara caliente y una fría, es un método que se usa comúnmente en laboratorio (ISO 8990 [9]) pero que es muy engorroso en medidas de campo. Asumir que el valor medio de las mediciones de flujo de calor y temperatura sobre un valor suficientemente largo de tiempo dan una buena estimación del estado estacionario. Este método es válido si: Las propiedades térmicas de los materiales y los coeficientes de transferencia de calor son constantes sobre el rango de fluctuaciones de temperatura que se tengan en durante el ensayo. Si la cantidad de calor almacenada en el elemento es despreciable cuando se compara con la cantidad de calor que fluye a través del elemento. Utilizar una teoría que tenga en cuenta las fluctuaciones de flujo de calor y temperatura, un método dinámico. La termoflujometría tal y como define la ISO 9869 ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.3] es un método que permite medir las propiedades de transmisión térmica de componentes planos de un edificio, compuestos primariamente de capas opacas, perpendiculares al flujo de calor y sin flujo lateral de calor significativo. Es un método de aplicación in-situ y no pretende sustituir a métodos de alta precisión de aplicación en laboratorios. Las propiedades que se pueden medir son; a) La resistencia térmica R y conductancia térmica de superficie a superficie, b) La resistencia térmica total RT y la transmitancia U de ambiente a ambiente si las temperaturas ambiente están bien definidas. Las medidas de fluxómetros son aplicables también a componentes consistentes en capas cuasi-homogéneas perpendiculares al flujo de calor, siempre que la dimensión de las no homogeneidades cercanas al flujómetro sean mucho menores que su dimensión lateral, y que no haya puentes térmicos detectables mediante termografía infrarroja. En algunos componentes no homogéneos se puede obtener una transmitancia térmica promediando el resultado de varios fluxómetros. El método de termoflujometría requiere personal con conocimiento y experiencia en tecnología y transferencia de calor en edificios y en técnicas de medida.

2. Equipamiento experimental

Sondas de temperatura de contacto Se deben usar un mínimo de dos, uno a cada lado del elemento a medir. Los sensores deben tener una precisión tal que los errores sean pequeños comparados con la



diferencia de temperatura medida a través del elemento a mediar. Pueden ser apropiados los termopares delgados, o los termómetros basados en una resistencia variable con la temperatura. En nuestros ensayos hemos utilizado pequeños dataloggers que utilizan termistores (resistencia variable con la temperatura) con un error típico de +-0,3 ºC, y que tienen la capacidad de transmitir los datos recolectados a través de radiofrecuencia de manera que no hay que manipular el sensor. El hecho de ser dataloggers independientes permite evitar cableado cuando se sitúan en zonas de difícil acceso, como el exterior de muros o cubierta.

Figura 16. Dataloggers TANDD RTR-52. Sondas de temperatura de aire Los sensores de temperatura ambiente, se deben elegir de acuerdo con la temperatura que se defina como “ambiente”, que puede ser la del aire, en cuyo caso se deben usar sensores protegidos contra la radiación térmica y solar, ventilados. Otros sensores pueden medir la temperatura sol-aire o la de confort. Para esto hemos utilizado sondas HOBO U-12 de onset Corporation, con un error típico de +-0,35 ºC y capacidad para 43.000 medidas.

Figura 17.Datalogger HOBO U-12 Placa de medición de flujo de calor (fluxómetro) El flujómetro es un transductor que proporciona una señal eléctrica que es función



directa del flujo de calor transmitido a través de él. La mayor parte son placas delgadas, con una cierta resistencia al paso de calor, con numerosos sensores de temperatura dispuestos de forma que la señal eléctrica obtenida es proporcional al flujo de calor. Además suelen tener capas de protección por el exterior. El área de la sección de medida frecuentemente es menor que el área total. Lo esencial es que debe tener una reducida resistencia térmica para minimizar la perturbación introducida, y una suficiente sensibilidad como para proporcionar una señal de tensión medible.

Figura 18. Estructura de un sensor de flujo de calor. Cuando el calor fluye a través del sensor en la dirección indicada, el material de relleno actúa como una resistencia térmica. En consecuencia el flujo de calor produce un gradiente de temperatura a través del sensor. El funcionamiento está basado en una termopila, un número de termopares conectados en serie. Un termopar genera una tensión de salida proporcional a la diferencia de temperatura entre los extremos unidos. Esta diferencia de temperatura será proporcional al flujo de calor, dependiendo únicamente del espesor y de la conductividad térmica del sensor. Al utilizar varios termopares en serie, se aumenta la señal de salida.

Figura 19. Características de los flujómetros Hukseflux HFP01. (1) área de sensor , (2) guarda de composite cerámico-plástico, (3) cable. Dimensiones en mm.



Figura 20. Posibles puntos de medida en un edificio. Los sensores (flujo y temperatura) se deben montar de acuerdo al propósito del ensayo. La colocación apropiada se debe investigar mediante termografía infrarroja, de acuerdo a la ISO 6781 [10]. Puede ser apropiado instalar varios fluxómetros para obtener medias representativas de un elemento. No se deben instalar bajo la influencia directa de un aparato de calefacción o refrigeración o bajo en caudal de un ventilador. El sensor de flujo se debe montar directamente en la cara del elemento que tenga una temperatura más estable, en contacto térmico directo. Se suele utilizar una capa delgada de pasta de contacto térmico. Es recomendable que el sensor de flujo tenga el mismo color y emisividad que su sustrato respectivo. Hemos usado flujómetros Hukseflux HFP01. Registrador de datos. La señal eléctrica de los flujómetros y los sensores de temperatura se debe grabar de forma continua, sobre periodos fijos y días completos. El período del ensayo depende de: La naturaleza del elemento a medir (ligero, pesado, aislamiento por fuera o por dentro) Las temperaturas interior y exterior (media y fluctuaciones, antes y durante el ensayo)



El método utilizado para analizar los datos. La duración mínima de un ensayo es de 72h (3d) si la temperatura es estable alrededor del flujómetro. De otra forma la duración puede exceder los 7 días. La duración final del ensayo se determina mediante la aplicación de criterios sobre los valores obtenidos durante el ensayo, sin interrumpir el proceso de medida. El período de muestreo debe ser menor que la mitad del la constante de tiempo más pequeña de los sensores. La precisión de la medida de tensión debe ser del orden de microvoltios. Hemos utilizado un datalogger Campbell CR1000.

Figura 21. Datalogger Campbell CR1000.

3. Técnicas de análisis

La norma ISO 9869 contempla dos métodos para el análisis de los datos, el método de la media, simple, y el método dinámico, más sofisticado. El método de la media es el más ampliamente utilizado por su sencillez. Este método asume que la conductancia o transmitancia puede obtenerse dividiendo el flujo de calor promedio por la diferencia de temperatura promedio, tomando estos promedios sobre un período de tiempo suficientemente largo. Si el índice j enumera las mediciones individuales, se tiene una estimación de la resistencia como:

( )

∑

∑

=

=

−

=n

j

j

n

j

sejsij

q

TT

R

1

1

, donde

• R - Resistencia térmica estimada

• si

T - Temperatura superficial interior



• se

T - Temperatura superficial interior

• q – Flujo de calor

Y la conductancia:

( )∑

∑

=

=

−

=Λn

j

sejsij

n

j

j

TT

q

1

1

Por último, la transmitancia U se obtiene como:

( )∑

∑

=

=

−

=n

j

ejij

n

j

j

TT

q

U

1

1

Posteriormente, se elige al menos un intervalo característico de convergencia n para testear la diferencia entre el actual y el valor de n periodos de tiempo antes. Valores típicos de este valor suelen ser 12 o 24 horas. Para los periodos de tiempo que comienzan después de las n horas del primer grupo de datos, se obtiene el factor de convergencia de la forma:

El siguiente paso del método es determinar en qué ventanas de tiempo se mantiene, al menos en 3 periodos de tiempo, por debajo de un valor referencia de 0.10. Utilizamos estos periodos de tiempo para determinar la resistencia térmica del muro y dibujamos la gráfica de en función del tiempo. En general, se observa una convergencia asintótica hacia un valor determinado, este valor estará cercano al real si se cumplen las siguientes condiciones: el contenido de calor del elemento es el mismo al final y al inicio de la medida (misma temperatura y misma distribución de humedad) El flujómetro no se expone a la radiación solar directa. De otra manera se puede tener un valor falso. En la medida de R o Λ la emisividad del sensor de temperatura superficial será generalmente distinta de la de la superficie sin perturbar con lo que da una lectura no exacta. La conductancia térmica del elemento es constante a lo largo del ensayo Para elementos ligeros, con una capacidad calorífica específica de menos de 20 kJ/(m2K) se recomienda que el análisis se lleve cabo únicamente con datos adquiridos por la noche, desde 1h después de la puesta de sol hasta el amanecer, para evitar el efecto de la radiación solar. El test se puede parar cuando los resultados después de tres noches no difieren en más de un 5%. En elementos pesados, con una capacidad calorífica específica superior a 20 kJ/(m2K)



el análisis debe llevarse a cabo sobre un periodo que sea un múltiplo entero de 24h y se detiene sólo cuando se cumplen todas las condiciones siguientes: La duración del test supera las 72 h (valor mínimo de duración) El valor de R obtenido al final del test no se desvía más de un 5% del valor obtenido 24 h antes. El valor de R obtenido analizando los datos del primer período de tiempo que dura INT(2xDT/3) días no se desvía más de un 5% de valores obtenidos de los datos del último período de la misma duración. DT es la duración del test en días, INT es la parte entera. Si el cambio en la energía almacenada en el muro es mayor que un 5% del calor que ha atravesado el muro a lo largo del período de ensayo habría que utilizar un método más sofisticado.

4. Notas sobre el procedimiento experimental.

Colocación de los fluxómetros El punto exacto del muro donde se ubica el fluxómetro debe ser representativo de la transferencia de calor en el mismo. En este sentido, se debe procurar que el flujo de calor sea unidireccional evitando puentes térmicos o zonas con heterogeneidades constructivas. Para ello conviene realizar una inspección con infrarrojos que permita localizar una zona suficientemente homogénea (i.e. punto medio de la superficie de un ladrillo). A través del puntero láser de la propia cámara se señala el punto exacto y se procede a la colocación del fluxómetro.

Figura 22. Utilización de la termografía infrarroja para elegir la posición de un fluxómetro. Para la colocación del fluxómetro en cada muro, se debe utilizar una pasta conductora que asegure la transferencia de calor a través de toda la superficie del dispositivo. Además se puede añadir un plástico entre la pasta y el muro con el fin de no deteriorar la superficie. A parte de los fluxómetros, se colocarán sondas de temperaturas a ambos lados de cada muro con el fin de obtener temperaturas superficiales dentro y fuera del recinto. Para la colocación de las sondas habrá que tener en cuenta la accesibilidad a la superficie exterior, por ejemplo colocándolas no muy lejos de una ventana (pero cuidando de que no les afecte ningún puente térmico)



Figura 23. Pasta conductora. Cada dispositivo se conecta al registrador de datos. Éste va almacenando los datos que recibe de los dispositivos promediados cada 5 minutos. Es posible descargar los datos via módem. La duración total del ensayo debe contener días completos para que se completen ciclos de temperatura.

Figura 24. Colocación de un fluxómetro.

Figura 25. Imagen en infrarrojos de la ubicación de un fluxómetro. En ocasiones es interesante la colocación de una serie de fluxómetros, figura 26 a diferentes alturas, para promediar las lecturas y evitar así efectos locales producidos por juntas de mortero o celdas convectivas.



Figura 26. Ocho fluxómetros montados sobre un muro, en forma de cuatro parejas a diferentes alturas, con el objetivo de promediar la medida.

Calefacción Si la vivienda está deshabitada, generalmente las ganancias solares no son suficientes para estableceruna diferencia de temperaturas significativa entre el interior y el exterior, así que es necesario el uso de calefactores portátiles (figura 27).

Figura 27. Ventiloconvector industrial.

5. Tabla resumen termoflujometría.

En la tabla 6 se resumen el ensayo de termoflujometría.

Utilidad de los ensayos

Obtener el coeficiente de transmisión de calor de un muro in-situ.

Material necesario

Para cada muro se necesita: 2 sondas de temperatura de contacto 2 sondas de temperatura de aire



Placa de medición de flujo de calor (flujómetro), una o varias. Se necesita un registrador de datos que puede ser común a todos los flujometros Si el edificio no esta en uso, para mantener una temperatura constante dentro del edificio se necesita un conjunto de calentadores. Para poder interpretar los resultados obtenidos durante toda la toma de datos se necesita una estación metereológica.

. Coste

Equipo para medir en dos puntos, alrededor de 3000 €

Nivel de formación del inspector

Medio Se necesita experiencia específica en este campo y conocimiento de las características físicas de los materiales para poder interpretar correctamente los resultados.

Condiciones de las mediciones

Las condiciones más favorables implican una diferencia de temperatura entre el interior y el exterior suficientemente grande (>10ºC) y unos niveles de temperatura lo más estables posible, especialmente la temperatura interior. Por esta razón se suele mantener la vivienda a una temperatura constante mediante calentadores (o el mismo sistema de calefacción del edificio) durante toda la toma de datos.

Tiempo necesario

La duración del ensayo depende de la inercia del muro. Como mínimo el ensayo dura una semana. Si el muro tiene una gran inercia, el ensayo puede prolongarse hasta dos o tres semanas. Si el muro es muy ligero se podrá reducir a unos días.



Numero de personas necesarias para la inspección

Una

Normativa asociada ISO 9869-1994

Tabla 6. Resumen ensayos termoflujometría. REFERENCIAS. [1] http://www.weber.es/sate-aislamiento-termico-por-el-

exterior/soluciones/sistemawebertherm-etics.html [2] Niels Rode Kristensen, Henrik Madsen, Continuous Time Stochastic Modelling

(CTSM 2.3), December 2003. [3] ISO 9869 Thermal insulation – Building elements – In-situ measurement of

thermal resistance and thermal transmittance, 1994. [4] D.Defer, J.Shen, S.Lassue and B.Dthoit, Non-destructive testing of a building

wall by studying natural thermal signals, Energy and Buildings, January 2002. [5] D. Defer, E. Antczak and B. Duthoit, The characterization of thermophysical

properties by thermal impedance measurements taken under random stimuli taking sensor-induced disturbance into account. Meas. Sci. Technol. 9 (1998), pp. 496–504.

[6] O. Carpentier, D. Defer, E.Antczak, AChauchois, B.Duthoit, In situ thermal properties characterization using frequential methods, Energy and Buildings, January 2007.

[7] E. Antczak, D. Defer, M. Elaoami, A. Chauchois and B. Duthoit, Monitoring and thermal characterisation of cement matrix materials using non-destructive testing, NDT & E International, January 2007.

[8] UNE EN ISO 7345. Aislamiento térmico. Magnitudes físicas y definiciones.

[9] UNE EN ISO 8990. Thermal insulation. Determination of steady-state thermal transmission properties. Calibrated and guarded hot box.

[10] EN 13187:1999 Thermal performance of buildings- Qualitative detection of thermal irregularities in building envelopes-Infrared method (ISO 6781:1983 modified).

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