Masa térmica

El beneficio de la masa térmica se muestra en esta comparación de cómo las construcciones de peso pesado y ligero afectan la temperatura interna

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 frente a las fluctuaciones de temperatura. A veces se lo conoce como efecto de volante térmico. La masa térmica de los elementos estructurales pesados se puede diseñar para trabajar junto con los componentes de resistencia térmica más livianos 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 "aplanarse" las fluctuaciones diarias de temperatura, ya que la masa térmica absorberá energía térmica cuando el entorno esté a mayor temperatura que la masa, y devolverá energía térmica cuando el entorno esté 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 que se caliente o se enfríe de manera relativamente separada del exterior, o incluso simplemente retener a los ocupantes. energía térmica por más tiempo.

Científicamente, la masa térmica es equivalente 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 se puede usar para cuerpos de agua, máquinas o partes de máquinas, seres vivos o cualquier otra estructura o cuerpo en ingeniería o biología. En esos contextos, el término "capacidad de calor" se utiliza normalmente en su lugar.

Antecedentes

La ecuación que relaciona la energía térmica con la masa térmica es:

Q=CthΔ Δ T{displaystyle Q=C_{mathrm {th}Delta T,}

donde Q es la energía térmica transferida, C_la es la masa térmica del cuerpo y ΔT 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 consta de un material homogéneo con propiedades físicas suficientemente conocidas, la masa térmica es simplemente la masa del material presente multiplicada por la capacidad calorífica específica de ese material. Para cuerpos hechos de muchos materiales, la suma de las capacidades caloríficas de sus componentes puros puede usarse en el cálculo, o en algunos casos (como para un animal entero, por ejemplo) el número puede simplemente medirse para todo el cuerpo en cuestión. directamente.

Como propiedad extensa, la capacidad de calor es característica de un objeto; su propiedad intensiva correspondiente es la capacidad de calor específica, expresada en términos de una medida de la cantidad de material como masa o número de lunares, que debe ser multiplicado por unidades similares para dar la capacidad de calor de todo el cuerpo de material. Así la capacidad de calor puede calcularse equivalentemente como producto de la masa m del cuerpo y la capacidad de calor específica c para el material, o el producto del número de moléculas presentes n y la capacidad de calor específica molar c̄ ̄ {displaystyle {bar {c}}. Para el debate ¿Por qué? las capacidades de almacenamiento de energía térmica de sustancias puras varían, ver factores que afectan la capacidad de calor específica.

Para un cuerpo de composición uniforme, Cth{displaystyle C_{mathrm {th} puede ser aproximado por

Cth=mcp{displaystyle C_{mathrm {th}=mc_{mathrm {p}

Donde m{displaystyle m} es la masa del cuerpo y cp{displaystyle c_{mathrm {}}} es la capacidad de calor específica isobarica del material promediado sobre el rango de temperatura en cuestión. Para los cuerpos compuestos de numerosos materiales diferentes, las masas térmicas para los diferentes componentes pueden añadirse juntas.

Masa térmica en edificios

La masa térmica es eficaz para mejorar el confort de los edificios en cualquier lugar que experimente este tipo de fluctuaciones diarias de temperatura, tanto en invierno como en verano. Cuando se usa bien y se combina con un diseño solar pasivo, la masa térmica puede desempeñar un papel importante en las reducciones importantes del uso de energía en los sistemas activos de calefacción y refrigeración. El uso de materiales con masa térmica es más ventajoso donde hay una gran diferencia en las temperaturas exteriores entre el día y la noche (o donde las temperaturas nocturnas son al menos 10 grados más bajas que el punto de ajuste del termostato). Los términos peso pesado y peso ligero se utilizan a menudo para describir edificios con diferentes estrategias de masa térmica y afectan la elección de los factores numéricos utilizados en los cálculos posteriores para describir su capacidad térmica. Respuesta al calentamiento y enfriamiento. 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 que el arquitecto o el ingeniero exploren en detalle la relación entre las construcciones pesadas y livianas, así como los niveles de aislamiento, para reducir el consumo de energía para los sistemas mecánicos de calefacción o refrigeración, o incluso eliminar por completo la necesidad de tales sistemas.

Propiedades requeridas para una buena masa térmica

Los materiales ideales para la masa térmica son aquellos materiales que tienen:

• alta capacidad de calor específica,
• alta densidad

Cualquier sólido, líquido o gas que tenga masa tendrá alguna masa térmica. Un concepto erróneo común es que solo el suelo de hormigón o tierra tiene masa térmica; incluso el aire tiene masa térmica (aunque muy poca).

Hay disponible una tabla de capacidad calorífica volumétrica para materiales de construcción, pero tenga en cuenta que su definición de masa térmica es ligeramente diferente.

Uso de masa térmica en diferentes climas

El correcto uso y aplicación de la masa térmica depende del clima reinante en un distrito.

Climas templados y templados fríos

Masa térmica expuesta al sol

La masa térmica se coloca idealmente dentro del edificio y se sitúa donde todavía puede estar expuesta a la luz solar invernal de ángulo bajo (a través de las ventanas) pero aislada de la pérdida de calor. En verano, la misma masa térmica debe ocultarse de la luz solar de verano de mayor ángulo para evitar el sobrecalentamiento de la estructura.

La masa térmica es calentada pasivamente por el sol o adicionalmente por sistemas de calefacción internos durante el día. La energía térmica almacenada en la masa se libera luego 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 base de losa de hormigón expuesta o cubierta con materiales conductores, p. azulejos, es una solución fácil. Otro método novedoso es colocar la fachada de mampostería de una casa con entramado de madera en el interior ('revestimiento de ladrillo al revés'). La masa térmica en esta situación se aplica mejor sobre un área grande que en grandes volúmenes o espesores. 7,5–10 cm (3″–4″) suele ser adecuado.

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 determinar esto. Como regla general, se debe aplicar masa térmica adicional expuesta al sol en una proporción de 6:1 a 8:1 para cualquier área de acristalamiento orientado al sol (orientado al norte en el hemisferio sur o orientado al sur en el hemisferio norte) por encima 7% de la superficie total construida. Por ejemplo, una casa de 200 m² con 20 m² de acristalamiento orientado al sol tiene un 10 % de acristalamiento por superficie total; 6 m² de ese acristalamiento requerirán masa térmica adicional. Por lo tanto, si se utiliza la proporción anterior de 6:1 a 8:1, se requieren entre 36 y 48 m² adicionales de masa térmica expuesta al sol. Los requisitos exactos varían de un clima a otro.

Un moderno aula escolar con ventilación natural abriendo ventanas y expuesta masa térmica desde un sólido suelo de hormigón sofito para ayudar a controlar las temperaturas de verano

Masa térmica para limitar el sobrecalentamiento en verano

La masa térmica se coloca idealmente dentro de un edificio donde está protegida de la ganancia 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 ventilación mecánica de baja energía donde el sofito de concreto se deja expuesto al espacio ocupado.

Durante el día, el calor se obtiene del sol, los ocupantes del edificio y 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 hormigón expuesta arriba, lo que limita el aumento de la temperatura dentro del espacio para estar dentro de los niveles aceptables para el confort térmico humano. Además, la temperatura más baja de la superficie de la losa de hormigón también absorbe el calor radiante directamente de los ocupantes, lo que también beneficia su confort térmico.

Al final del día, la losa se ha calentado y ahora, a medida que bajan las temperaturas externas, se puede liberar el calor y la losa se enfría, lista para comenzar el día siguiente. Sin embargo, esta "regeneración" El proceso solo es efectivo si el sistema de ventilación del edificio se opera durante la noche para eliminar el calor de la losa. En edificios con ventilación natural, es normal proporcionar aperturas de ventanas automatizadas para facilitar este proceso automáticamente.

Climas cálidos y áridos (p. ej., desierto)

Un edificio amurallado en Nuevo México

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 diurnas de temperatura. La pared actúa predominantemente para retardar la transferencia de calor desde el exterior hacia el interior durante el día. La alta capacidad calorífica volumétrica y el espesor evitan que la energía térmica llegue a la superficie interna. Cuando las temperaturas caen 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.

Climas cálidos y húmedos (por ejemplo, subtropicales y tropicales)

El uso de la masa térmica es el más desafiante en este entorno donde las temperaturas nocturnas siguen siendo elevadas. Su uso es principalmente como disipador de calor temporal. Sin embargo, debe estar estratégicamente ubicado para evitar el sobrecalentamiento. Debe colocarse en un área que no esté directamente expuesta a la ganancia solar y que también permita una ventilación adecuada durante la noche para llevarse la energía almacenada sin aumentar más la temperatura interna. Si se va a usar, debe usarse en cantidades juiciosas y, de nuevo, no en grandes espesores.

Materiales comúnmente utilizados para la masa térmica

• Agua: el agua tiene la mayor capacidad de calor volumétrico de todo el material comúnmente utilizado. Típicamente, se coloca en grandes contenedores, tubos acrílicos, por ejemplo, en un área con luz solar directa. También se puede utilizar para saturar otros tipos de material como el suelo para aumentar la capacidad de calor.
• Concreto, ladrillos de arcilla y otras formas de mampostería: la conductividad térmica del hormigón depende de su composición y técnica de curado. Los hormigónes con piedras son más térmicamente conductivos que los hormigón con ceniza, perlita, fibras y otros agregados aislantes. Las propiedades de masa térmica de Concrete ahorran un 5–8% en costes energéticos anuales en comparación con la madera blanda.
• Los paneles de hormigón aislados consisten en una capa interior de hormigón para proporcionar el factor de masa térmica. Esto es aislado desde el exterior por un aislamiento de espuma convencional y luego cubierto de nuevo con una capa exterior de hormigón. El efecto es un sobre de aislamiento de edificios altamente eficiente.
• Las formas de hormigón aislante se utilizan comúnmente para proporcionar masa térmica y aislamiento a las estructuras de construcción. La masa de hormigón proporciona la capacidad de calor específica necesaria para una buena inercia térmica. Las capas aislantes creadas en las superficies laterales o interiores de la forma proporcionan una buena resistencia térmica.
• ladrillo de barro, ladrillo de adobe o barro: ver ladrillo y adobe.
• Tierra, barro y césped: la capacidad de calor de la suciedad depende de su densidad, contenido de humedad, forma de partículas, temperatura y composición. Los primeros colonos de Nebraska construyeron casas con paredes gruesas de suciedad y césped porque la madera, piedra y otros materiales de construcción eran escasos. El grosor extremo de las paredes proporcionó cierta aislamiento, pero se sirvió principalmente como masa térmica, absorbiendo energía térmica durante el día y liberando durante la noche. Hoy en día, la gente a veces usa la tierra refugiada alrededor de sus hogares para el mismo efecto. En la tierra refugio, la masa térmica viene no sólo de las paredes del edificio, sino de la tierra circundante que está en contacto físico con el edificio. Esto proporciona una temperatura bastante constante y moderada que reduce el flujo de calor a través de la pared adyacente.
• Tierra ramificada: tierra ramificada proporciona una excelente masa térmica debido a su alta densidad, y la alta capacidad de calor específica del suelo utilizado en su construcción.
• Piedra natural y piedra: ver la masonería.
• Los registros se utilizan como material de construcción para crear el exterior, y quizás también el interior, paredes de viviendas. Las casas de registro difieren de otros materiales de construcción mencionados anteriormente porque la madera maciza tiene un valor R moderado (aislante) y también una masa térmica significativa. En contraste, el agua, la tierra, las rocas y el hormigón tienen bajo valor R. Esta masa térmica permite una casa de troncos para mantener el calor mejor en el clima más frío, y para conservar mejor su temperatura más fría en el tiempo más caliente.
• Material de cambio de fase

Almacenamiento de energía estacional

Si se usa suficiente masa, puede crear una ventaja estacional. Es decir, puede calentar en invierno y refrescar en verano. Esto a veces se denomina almacenamiento de calor anual pasivo o PAHS. El sistema PAHS se ha utilizado con éxito a 7000 pies en Colorado y en varios hogares en Montana. Los Earthships de Nuevo México utilizan calefacción y refrigeración pasivas, así como llantas recicladas para la pared de los cimientos, lo que produce un PAHS/STES máximo. También se ha utilizado con éxito en el Reino Unido en Hockerton Housing Project.