Pág. 1 Sesión 1/4 Asignatura Clave Máster y Curso

INTRODUCCIÓN AL CONFORT CONFORT Construcción I. Materiales y técnicas. 1r curso

Área de Construcción Curso 2015-2016 Revisión 31/05/2016 Autores: Joan Sabaté

Índice 1. La evolución del concepto de cerramientos 2. El clima 3. Parámetros de intercambio de energía 3.1. Los flujos de energía en arquitectura 3.2. Parámetros de intercambio de energía 3.3. Transporte del calor 3.4. Materiales aislantes 3.5. Inercia térmica 3.6. Control de la radiación solar 3.7. Control del sonido 4. Parámetros de intercambio de agua 4.1. Precipitaciones y agua freática 4.2. Capilaridad 4.3. Condensaciones 5. Parámetros de intercambio de aire 5.1. Ventilación 5.2. Estanqueidad al aire 5.3. Renovación 6. Sistemas combinados 7. Desequilibrios en los intercambios 7.1. El Síndrome del Edificio Enfermo (SEE) 7.2. Factores de riesgo 8. Fuentes de información

01 LA EVOLUCIÓN DEL CONCEPTO DE CERRAMIENTO (O ENVOLVENTE)

Demanda de confort

La construcción tradicional basando sus estrategias de confort en el aprovechamiento de las condiciones exteriores... La construcción orgánica basa su estrategia en el aprovechamiento de las condiciones del entorno por tal de mejorar la habitabilidad de los espacios.

Vila Katsura, Kyoto, 1602

Vila Eila, Guinea, 1995

Con la llegada de la energía fósil el “control” del ambiente se dejó en manos de los sistemas mecánicos... La industrialización ha generado un crecimiento basado en el uso desenfrenado de energías fósiles. Del uso masivo del carbón y el petróleo se ha traducido en un rápido deterioro del medio ambiente y el inicio del calentamiento global.

Harvey Willey Corbet, La ville future, 1913

Pozo de bombeo de petrolio

Y la conducción a la separación entre concepción arquitectónica y confort...

aire exacto a 18ºC

edificios estancos

edificios de gran escala producto de “la era de los grandes trabajos” calefacción y enfriamiento Verano tropical - Invierno boreal fábrica de aire exacto

Le Corbusier, Precisiones, 1929

...Dejando la responsabilidad de la habitabilidad a las instalaciones La concepción mecanicista del ambiente, explicada por Le Corbusier, ha tenido finalmente consecuencias nefastas para la arquitectura, ya que la ha desvinculado de la creación de habitabilidad. Huérfano de la tradición y sin responsabilidad en el confort, esta arquitectura proviene de manos de arquitectos mediocres una mera suma de superficies para vender y la ineptitud para proyectar.

Edificio de oficinas con equipos autónomos de aire acondicionado

Hace falta recuperar la responsabilidad y el compromiso social de la arquitectura...

Viviendas al barrio de Vauban, Fribourg, Alemania, 1999

Apostando por la calidad de vida... El camino de retorno versus la responsabilidad y el compromiso social de la arquitectura pasa por hacer las uniones entre la sabiduría de la tradición y la capacidad analítica del presente, para recuperar el sentido ético de nuestro trabajo como a generadores de ideas y conocimientos.

Vista interior de un Ger, Mongolia, 1989

Interior de una vivienda a Friburgo, 2006

Con la concepción de la envolvente como una nueva membrana de intercambio La concepción del edificio como una estructura disipativa que intercambia constantemente energía y materia (agua y vapor de agua) con el exterior lleva a plantear el concepto global de envolvente como alternativa a la suma de fachada y cubierta.

Esquema de una membrana celular

La membrana celular, origen de la vida al diferenciar un dentro de un fuera, plantea similitudes con la concepción que nosotros proponemos. “la envolvente de la célula no aísla del medio sino que hace que el interior celular pueda relacionarse con otras células. Su espesor es de unos 75 Angstrom por lo que solamente puede ser vista a través de un microscopio electrónico.” Wiquipédia 2006. Con esta concepción la envolvente proviene de una membrana activa de intercambios energéticos básica para la obtención de habitabilidad. La membrana se abre a los beneficios del exterior y se cierra a las inclemencias.

Microfotografía a 436.740 aumentos

Aprendiendo otra vez de la biología

02 EL CLIMA

El clima actual...

Classificació climàtica de Strahler, 1951

... Las previsiones del cambio climático…

Fuente: UNEP/IPCC

...Y la destrucción de la capa de ozono ...y la destrucción de la capa de ozono

03 PARÁMETROS DE INTERCAMBIO DE ENERGÍA

3.1. Los flujos de energía en la arquitectura

energía

energía 250.200 kWh

591.850 kWh

emisiones 70.000 Kg CO2 construcción

vida útil

emisiones edificio

152.950 Kg CO2

derribo (desconstrucción)

energía emisiones

Estimaciones para una vivienda de 100 m2, 2,5 personas, 50 años vida

3.2. Parámetros de intercambio de energia Aislamiento: Control de la resistencia al paso de energía térmica de un punto a otro por conducción. Aparición de fachadas multicapa y materiales especializados. Inercia térmica: Capacidad de un cuerpo de almacenamiento del calor. Es la estrategia fundamental en climas con un fuerte contraste día/noche y en culturas de construcción mineral. Control de la radiación: A base de interponer o no una barrera a la radiación, o modificar las características de los elementos transparentes, pueden favorecer o evitar las ganancias térmicas. Este es un aspecto esencial tanto para aprovechar la radiación en invierno para limitar el sobre-calentamiento en verano. Muy importante tanto en climas fríos como en los cálidos. En unos como aportación de calor del Sol y en los otros, para evitar el sobrecalentamiento en verano (e incluso en todas las épocas del año)

Ventilación: La ventilación tiene dos efectos: aprovechar los intercambios con el medio por convección y facilitar el proceso natural de refrigeración por evaporación del sudor. Es un mecanismo deseable en entornos calurosos y con construcciones de baja masa Aislamiento y absorción acústica: Las ondas acústicas se transmiten a través del aire. Será necesario controlar el nivel sonoro de confort, ya sea a través de la resistencia al paso de las ondas (aislamiento sonoro) o la absorción de las mismas dentro de un material especializado.

3.3. El transporte del calor Conducción: transporte de calor por excitación molecular que se da entre sólidos que se encuentran en contacto

Convección: transporte del calor por movimiento de las moléculas. Se da en líquidos o gases

Radiación: transporte de calor por radiaciones electromagnéticas, pueden desplazarse por el vacío. Todo material caliente es un emisor de radiaciones i todo material más frío puede ser un sumidero.

El flujo de energía es la cantidad de energía transportada por unidad de tiempo, donde: I t es flujo de energía (J/s) * Q ∆Q es incremento de energía (J) IT  t ∆t es incremento de tiempo (s) * antes las kilocalorías/hora (1 kcal/h=1’16 W).

3.3. El transporte del calor.

Ejemplo: los termos

3.4. Materiales aislantes térmicos Los materiales considerados aislantes térmicos tienen valores del < 0,05 W / m ºC y por ello ralentizan el intercambio de energía entre dos cuerpos, pero no impiden el paso, por lo que si no hay aporte de energía, las temperaturas de los dos cuerpos se acabarán igualando con el tiempo. Hay que tener en cuenta también que el agua se considera un material conductor, si lo comparamos con los materiales aislantes. Si estos se mojan los hace perder mucha efectividad. material

l (W / m ºC)

Aluminio

204,000

Acero

Para ver más valores de l i de U consultar el programa Higroterm generado por el Àrea de Construcció, en: http://www.salleurl.edu/tecnologia/cat/teoria.html

58,000

Roca compacta

3,500

Hormigón armado

1,630

Mortero de cemento

1,400

Ladrillo macizo

0,800

Agua (destilada)

0,600

Ladrillo perforado

0,490

Yeso

0,300

Arcilla expandida

0,210

Bloque de mortero celular

0,440

Lana de roca

0,042

Aire (seco a 100 kPa)

0,026

3.4. Materiales aislantes: los tejidos, abrigo tradicional.

3.4. Materiales aislantes: el aislamiento es la estrategia fundamental a los climas fríos

Iurta Mongol

3.4. Materiales aislantes: aprovechamiento de la capacidad aislante de la madera

3.4. Materiales aislantes: incorporación de capas especializadas

3.5. Inercia térmica Desde el punto de vista físico, la inercia térmica es la resistencia que ofrece un cuerpo a variar su temperatura. Mayor inercia térmica equivale a mayor resistencia a ser calentado o enfriado, ya que el material consigue repartir mejor el calor por todo él, teniendo que calentar o enfriar más materia del elemento y no concentrarse sólo en la zona de contacto con el flujo térmico. Depende de la masa, del calor específico y del coeficiente de conductividad térmica de los materiales, pero no hay una fórmula que los relacione directamente y, por tanto, la inercia térmica no es una magnitud cuantificable, con un valor para cada material Desde el punto de vista constructivo, la inercia térmica es la capacidad que tienen los materiales de almacenar calor y la velocidad con que la ceden o absorben del entorno. Esta propiedad se utiliza en arquitectura para conservar de forma más estable la temperatura del interior de los espacios habitables mediante envolventes de gran masa. En invierno, durante el día se calientan, y por la noche, más fría, van cediendo el calor al ambiente interior. En verano, durante el día, absorben el calor del sol y por la noche se vuelven a enfriar (con una ventilación adecuada), para prepararlos para el día siguiente. Un uso adecuado de esta propiedad puede reducir el aporte energético artificial para la climatización de estos espacios. Por otra parte el riesgo de combustión de un cuerpo o material será menor cuanto mayor sea su inercia térmica

3.5. Inercia térmica

La capacidad calorífica de un material : Mide lo que nos cuesta calentar un cierto material por unidad de masa. Depende de su masa (m ) y de su calor específico ( Ce ) que se define como el calor necesario para elevar la temperatura de una masa de 1 kg de material 1ºC , y

Q  Ce  m  T  C·V  ρ  T Capacidad calorífica

Donde: Q = Cantidad de calor acumulada (kJ) Ce = calor específica (kJ/kg ºK) M = masa (kg) ΔT = incremento de temperatura

material

Ce (kJ / kg ºC)

Agua (20 ºC)

4,18

Madera

1,25 – 2,90

Yeso

1,09

Hormigón celular

1,00

Aluminio

0,90

Hormigón

0,88

Mármol

0,88

Ladrillo

0,84

Cristal

0,84

Granito

0,79

Hierro / acero

0,46

Cobre

0,38

3.5. Inercia térmica

Convent Avenue Studios. (Tucson, Arizona, EEUU. 1995-97. Rick Joy

3.5. Inercia térmica Baja inercia térmica de los sistemas ligeros... La ligereza de las construcciones realizadas con materiales orgánicos o evolucionados hace que su inercia térmica sea muy baja, esto afecta negativamente en su comportamiento frente al calor y, especialmente, a la radiación solar

Casa Eames. Pacific Palisades, Califòrnia, EEUU. 1945. Ray y Charles Eames.

3.6. Control de la radiación solar Radiación: El SOL es una fuente de energía radiante y es el responsable final de prácticamente toda la energía de que disponemos a la Tierra En un edificio la radiación depende de: - Latitud - Orientación - Posición del sol (diaria y estacional) - Clima Influirá en su control: - El color superficial - Las características superficiales del material - Las aberturas y los filtros que interponemos CONTROL SOLAR -Evitando ganancias energéticas -Orientaciones

APROVECHAMIENTO SOLAR -Ganancias de energía -Pérdidas nocturnas -Orientaciones

3.6. Control de la radiación solar Materiales reflectantes

Materiales opacos

La capacidad de control de la radiación vendrá determinada por las siguientes propiedades de los materiales utilizados: -Transparencia / opacidad -Absorción / reflexión

3.7. Control del sonido

Aislamiento acústico: La envolvente acústica principalmente tiene la misión de aislar el ruido a través suyo. Aparte de la transmisión acústica que pueda pasar por las aberturas, la envolvente puede incorporar barreras al paso del sonido no deseado, aunque si es del tipo pesada, su masa ya suele conseguir el aislamiento acústico suficiente sin tener que incorporar materiales específicos. Si es del tipo ligera probablemente sí los tenga que incorporar. Lo mismo ocurre con las particiones verticales. En cuanto a los forjados o techos, hay prima el aislamiento acústico de los impactos, para la amortiguación de la percusión en su cara superior. Absorción acústica: Por otra parte, usualmente en el interior de los espacios, pueden aparecer materiales o capas de materiales absorbentes acústicos para mejorar el sonido en estos espacios. Lamentablemente, no se tiene casi nunca en cuenta la absorción acústica de las envolventes por el exterior cuando éstas, principalmente las fachadas podrían conseguir reducir el nivel sonoro de entornos con mucho ruido y de esta forma que el ruido pasos menos a el interior de los edificios Fuente de las imágenes: http://www.flickriver.com /photos/keithp66 Sandra Lousada, 1972 © The Smithson Family Collection

Robin Hood Gardens. Londres. Reino Unido. 1972. Alison y Peter Smithson

04 PARÁMETROS DE INTERCAMBIO DE AGUA

4. Parámetros de intercambio de agua Precipitaciones : Penetración del agua por precipitación y la combinación con el viento. Agua freática : Posición del edificio sumergido dentro de una masa de agua en el subsuelo. Hace falta determinar los mecanismos de control en función del clima y la exposición a través de estrategias de geometría y/o elementos estancos Capilaridad: Movimiento de un líquido a través de un conducto debido a la tensión superficial. Se produce en los elementos constructivos en contacto con el terreno o con agua líquida de forma permanente. Condensación: Es el paso del agua de estado gaseoso a líquido en bajar la temperatura. El paso de gas a líquido libera calor, mientras que al contrario, la absorbe. Se trata del aspecto más importante de los relacionados con el agua ya que influye de forma notable con el intercambio térmico y es, a la vez, una posible fuente de aparición de agua líquida en los elementos constructivos.

4.1. Precipitaciones y agua freática Estrategias de estanqueidad: - Estanqueidad por geometría. Envolvente ni absolutamente impermeable ni continua - Estanqueidad por material. Envolvente impermeable y continua Por gravedad (+ viento) PRECIPITACIONES

AGUA FREÁTICA

Por presión hidrostática

4.1. Precipitaciones y agua freática

Casas palafíticas en Myanmar, Asia: Estrategia en caso extremo de agua freática en superficie

4.2. Capilaridad. Los fenómenos físicos que producen la capilaridad son las fuerzas de adherencia y cohesión que consisten en dejar de ser horizontal la superficie libre de un líquido en contacto con una pared sólida, y en la formación de meniscos y el ascenso o el descenso de un líquido en un tubo capilar

Agua-pared: Fuerzas de adhesión > cohesión  se MOJA Mercurio-pared: Fuerzas de adhesión < cohesión  NO SE MOJA

Tensión superficial

Fuerzas de cohesión

Fuerzas de adhesión

4.2. Capilaridad. Problemas producidos por la ascensión capilar de agua con sales y las tres estrategias arquitectónicas para evitar el problema: - capilares mayores - material impermeable - barrera impermeable

4.3. Condensación

Condensación : Es el fenómeno por el cual, si disminuimos la temperatura del aire, parte del agua que está en suspensión precipita en forma líquida. También se produce en el contacto del aire con una superficie fría. Si la superficie fría no es transpirable el vapor se condensará en esta superficie.

T2 En cambio si la superficie o material es transpirable y la temperatura de condensación se encuentra en el espesor del material , la condensación se producirá en el interior del material transpirable y poroso . En este último caso es una posible fuente de aparición de agua líquida en los elementos constructivos.

W T1

05 PARÁMETROS DE INTERCAMBIO EN AIRE

4. Parámetros de intercambio en aire VENTILACIÓN Es la capacidad de una envolvente o recipiente de intercambiar fluidos a través de sus límites. En construcción este intercambio ha de estar controlado. La ventilación cumple varias funciones diferentes : Renueva el aire aportando el oxígeno que necesitamos para respirar y expulsando otros gases molestos o contaminantes Controla la humedad relativa del aire en equilibrarla con el exterior ( normalmente más baja) Controla el confort térmico en condiciones cálidas y húmedas al provocar corrientes de aire que evaporan el sudor y dan sensación de frescura, y renovando aire recalentado por aire más fresco , si la temperatura exterior es más baja.

ESTANQUEIDAD AL AIRE Es la capacidad de una envolvente o recipiente de no dejar pasar fluidos a través de sus límites. En construcción hay dos funciones importantes para la estanqueidad: - Estanqueidad al aire (gas) - Estanqueidad al agua (líquido)

RENOVACIÓN DEL AIRE Cuando la ventilación natural, por convección , no es suficiente para garantizar las funciones antes mencionadas o para conseguir ciertas cualidades del aire ( temperatura o humedad del aire , filtro de polución , etc ..) se recurre a la renovación mecánica del aire, impulsado o expulsado a presión, con velocidades y caudales controlados. Algunos sistemas complejos de renovación no suficientemente perfeccionados llevan asociadas molestias e incluso patologías de la salud.

06 SISTEMAS COMBINADOS

6. Sistemas combinados. Ejemplos: Casa del Dr. Olgiatti. Flims, Grisones, Suiza. 1964.65. R. Olgiatti.

EN AMBOS CASOS: - INÉRCIA INTERIOR Y EXTERIOR - AISLAMIENTO INTERPUESTO

Biblioteca universitaria. Delft, Países Bajos. 1997. MECANOO

6. Sistemas combinados. Ejemplos: Patio de los Leones, Alhambra, Granada

Viviendas de los indios “Pueblo”, N. México

-SOMBRA

-INERCIA

-VENTILACIÓN

-AGRUPACIÓN CONSTRUCCIONES (SOMBRA)

-EVAPORACIÓN

-SUPERFICIES REFLECTANTES

6. Sistemas combinados. Ejemplos: Tienda Berber

Myanmar, Asia

-NO POSIBLE INERCIA (no masa)

-NO INERCIA (no cambios Tª día-noche)

-SOMBRA

-VENTILACIÓN PARA REDUCIR HUMEDAD

-VENTILACIÓN -COLOR NEGRO  NO RADIACIÓN ONDA LARGA

-CUBIERTA: SOMBRILLA + PARAGUAS -SEPARACIÓN DEL TERRENO: AGUA LÍQUIDA

6. Sistemas combinados. Ejemplos: Iglú esquimal

Casa a Estocolmo

-AISLAMIENTO madera, paja -INERCIA A CUBIERTA -NO VENTANAS PARA NO PÉRDIDAS -AISLAMIENTO (pieles interiores) -EMISOR INTERIOR: personas, fuego

- GENERACIÓN DE CALOR cocina central -EVITAR PÉRDIDAS  ventanas pequeñas (inconveniente: poca posibilidad de ganancias por radiación).

07 DESEQUILIBRIOS EN LOS INTERCAMBIOS

7.1. El síndrome del edificio enfermo (SEE) Llamamos así a aquellos edificios que afectan negativamente a la salud de los ocupantes CARACTERÍSTICAS FRECUENTES DE LOS EDIFICIOS AFECTADOS:

-Edificios con ventilación forzada y recirculación de aire -Construcción ligera y económica -Superficies interiores recubiertas de materiales textiles -Ambiente térmicamente homogéneo (caliente) -Edificios herméticos -Edificios con estructura metálica importante SÍNTOMAS FÍSICOS -Irritación a los ojos, nariz y garganta, -Sequedad en mucosas y piel -Ronquera -Respiración dificultosa -Erupciones cutáneas -Picores -Hipersensibilidades inespecíficas -Náuseas, vómitos y mareos -Dolor de cabeza -Fatiga mental -Infecciones respiratorias y resfriados

7.2. Factores de riesgo A.

CONTAMINANTES AMBIENTALES - Los mismos ocupantes del edificio (generan emisiones de CO2, vapor de agua, partículas biológicas, contaminantes como el humo del tabaco, etc..) - Materiales de construcción y decoración (ej. barnices que desprenden disolventes) - Materiales de oficina y de instalaciones (ej.: emisiones de ozono de las fotocopiadoras) - Productos de limpieza y tareas de mantenimiento - Contaminantes exteriores como el humo de los coches, dióxido de azufre, gas radón (general para la descomposición natural del uranio en el subsuelo y que se filtra hacia la superficie a través de la tierra, el agua y el aire generando graves problemas de cáncer de pulmón, sobretodo a los fumadores) - Contaminantes biológicos (bacterias, virus, hongos, ácaros…)

B.

OLORES - Gases y vapores que ocasionan malestar sensorial que provoca ansiedad y estrés. Pueden ser de procedencia exterior (humos, asfalto, escapes de productos químicas, alcantarillado…) o interior (de las propias personas con olor corporal o tabaco, del material de oficina, cocinas, productos de limpieza, humidad, aire acondicionado, disolventes, pinturas, mocatas, tapicerías, mobiliario, etc.)

C.

IONES Y ELECTRICIDAD ESTÁTICA - La ausencia de iones negativos (provoca síntomas de malestar y patologías en la salud) - Zonas fuertemente cargadas electrostáticamente.

7.2. Factores de riesgo D.

ILUMINACIÓN - Nivel de iluminación bajo - Contraste insuficiente - Brillo excesivo -Parpadeos

E.

SONIDO - Valores superiores a 60-70 dB (pueden producir fatiga) - Infrasonidos, sonidos de baja frecuencia y tonos puros (pueden producir irritabilidad y molestias)

F.

VIBRACIONES - Vibraciones de fuera del edificio - Máquinas instaladas dentro el propio edificio

G.

AMBIENTE TÉRMICO - Temperatura del aire - Velocidad del aire - Temperatura de los planos radiantes

H.

HUMEDAD RELATIVA (Humedad ideal 30-50%) - >70%  aparición de hongos y otros contaminantes microbióticos -