Masa térmica

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En el diseño de edificios, la masa térmica es una propiedad de la materia de un edificio que requiere un flujo de calor para cambiar su temperatura. En los escritos científicos se prefiere el término " capacidad térmica ". A veces se lo conoce como efecto de volante térmico . ^{[1] La masa térmica de elementos estructurales pesados ​​se puede diseñar para que funcione 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 de temperatura diarias, ya que la masa térmica absorberá energía térmica cuando los alrededores tengan una temperatura más alta que la masa y devolverá energía térmica cuando los alrededores sean más fríos, 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 de forma relativamente separada del exterior, o incluso simplemente retener la energía térmica de los ocupantes durante más tiempo.

Científicamente, la masa térmica es equivalente a la capacidad térmica o capacidad calorífica , la capacidad de un cuerpo para almacenar energía térmica . Normalmente se la conoce con el símbolo C _th y su unidad en el SI es J/K o J/°C (que son equivalentes). La masa térmica también se puede utilizar 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:

${\displaystyle Q=C_{\mathrm {th}}\Delta T\,}$

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 en 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 presente multiplicada por la capacidad calorífica específica de ese material. En el caso de cuerpos formados por muchos materiales, se puede utilizar la suma de las capacidades caloríficas de sus componentes puros en el cálculo o, en algunos casos (como en el caso de un animal entero, por ejemplo), se puede medir el número 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 obtener una explicación de por qué varían las capacidades de almacenamiento de energía térmica de las sustancias puras, consulte Factores que afectan la capacidad calorífica específica .${\displaystyle {\bar {c}}}$

Para un cuerpo de composición uniforme, se puede aproximar mediante${\displaystyle C_{\mathrm {th} }}$

${\displaystyle C_{\mathrm {th} }=mc_{\mathrm {p} }}$

donde es la masa del cuerpo y es el calor específico isobárico del material promediado en el rango de temperatura en cuestión. Para cuerpos compuestos de numerosos materiales diferentes, las masas térmicas de los diferentes componentes pueden simplemente sumarse.${\estilo de visualización m}$${\displaystyle c_{\mathrm {p} }}$

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 utiliza bien y se combina con el diseño solar pasivo , la masa térmica puede desempeñar un papel importante en importantes reducciones del uso de energía en sistemas activos de calefacción y refrigeración . El uso de materiales con masa térmica es más ventajoso cuando hay una gran diferencia de temperaturas exteriores entre el día y la noche (o cuando las temperaturas nocturnas son al menos 10 grados más frías que el punto de ajuste del termostato). ^[2] Los términos peso pesado y peso ligero se utilizan a menudo para describir edificios con diferentes estrategias de masa térmica y afectan a la elección de los factores numéricos utilizados en los 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 rendimiento 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:

• alta capacidad calorífica específica ,
• alta densidad [cita requerida]

Cualquier sólido, líquido o gas tendrá cierta masa térmica. Un error común es creer que solo el hormigón o el suelo tienen masa térmica; incluso el aire tiene masa térmica (aunque muy poca).

Hay 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 la aplicación correctos de la masa térmica dependen del clima predominante en un distrito.

La masa térmica se ubica idealmente dentro del edificio y se ubica de manera que aún pueda estar expuesta a la luz solar de invierno desde un ángulo bajo (a través de las ventanas), pero aislada de la pérdida de calor. En verano, la misma masa térmica debe estar oculta a la luz solar de verano desde un ángulo más alto para evitar el sobrecalentamiento de la estructura.

La masa térmica se calienta pasivamente mediante el sol o mediante 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 solución sencilla es dejar expuesta una losa de hormigón o cubrirla con materiales conductores, como baldosas. Otro método novedoso es colocar la fachada de mampostería de una casa con estructura de madera en el interior (revestimiento de ladrillo invertido). En esta situación, la masa térmica se aplica mejor sobre una superficie grande en lugar de en grandes volúmenes o espesores. Suele ser suficiente con una capa de 7,5 a 10 cm (3″–4″).

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 tener en cuenta. Se han ideado varias fórmulas para determinar esto. ^[4] Como regla general, se debe aplicar una masa térmica adicional expuesta al sol en una proporción de 6:1 a 8:1 para cualquier área de acristalamiento orientada al sol (orientada al norte en el hemisferio sur o al sur en el hemisferio norte) que supere el 7% de la superficie total del suelo. Por ejemplo, una casa de 200 ^{m2 con 20 m2} de acristalamiento orientado al sol tiene un 10% de acristalamiento por superficie total del suelo; 6 m2 ^{de ese acristalamiento requerirán una masa térmica adicional. Por lo tanto, utilizando la relación 6:1 a 8:1 anterior, se requieren 36–48 m2} adicionales de masa térmica expuesta al sol. Los requisitos exactos varían de un clima a otro.

La masa térmica se ubica idealmente dentro de un edificio, donde está protegida de la radiación solar directa pero expuesta a los ocupantes del edificio. Por lo tanto, se asocia más comúnmente con losas de piso de concreto macizo en edificios con ventilación natural o ventilación mecánica de bajo consumo de energía, donde el plafón de concreto queda 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 la temperatura del aire dentro del espacio aumente, pero este calor es absorbido por la losa de hormigón expuesta que se encuentra encima, lo que limita el aumento de temperatura dentro del espacio para que se encuentre 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, lo que también beneficia a su confort térmico.

Al final del día, la losa se ha calentado y, ahora que la temperatura exterior disminuye, se puede liberar el calor y la losa se enfría, quedando lista para el comienzo del día siguiente. Sin embargo, este proceso de "regeneración" solo es efectivo si el sistema de ventilación del edificio funciona por la noche para evacuar el calor de la losa. En los edificios con ventilación natural, es normal disponer de aberturas de ventanas automatizadas para facilitar este proceso de forma automática.

Este es un uso clásico de la masa térmica. Algunos ejemplos incluyen casas de adobe , tierra apisonada o bloques de piedra caliza . Su función depende en gran medida de las marcadas variaciones de temperatura diurna . El muro 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, los muros reirradian la energía térmica hacia el cielo nocturno. En esta aplicación es importante que dichos muros sean macizos para evitar la transferencia de calor al interior.

El uso de masa térmica es el más desafiante en este entorno donde las temperaturas nocturnas permanecen elevadas. Su uso es principalmente como disipador de calor temporal. Sin embargo, debe ubicarse estratégicamente para evitar el sobrecalentamiento. Debe colocarse en un área que no esté expuesta directamente a la energía solar y que también permita una ventilación adecuada durante la noche para eliminar la energía almacenada sin aumentar aún más las temperaturas internas. Si se usa, debe usarse en cantidades prudentes y, nuevamente, no en grandes espesores.

• Agua: el agua tiene la capacidad calorífica volumétrica más alta de todos los materiales de uso común. Normalmente, se coloca en recipientes grandes, por ejemplo, tubos de acrílico , en un área con luz solar directa. También se puede utilizar para saturar otros tipos de materiales, como el suelo, para aumentar la capacidad calorífica.
• Hormigón, ladrillos de arcilla y otras formas de mampostería: la conductividad térmica del hormigón depende de su composición y técnica de curado. Los hormigones con piedras son más conductores térmicos que los hormigones con ceniza, perlita, fibras y otros agregados aislantes. Las propiedades de masa térmica del hormigón ahorran entre un 5 y un 8 % en costos anuales de energía en comparación con la madera blanda. ^[5]
• Los paneles de hormigón aislantes están compuestos por una capa interior de hormigón que proporciona el factor de masa térmica. Esta capa se aísla del exterior mediante un aislamiento de espuma convencional y se vuelve a cubrir con una capa exterior de hormigón. El resultado es una envoltura aislante del edificio de alta eficiencia.
• Los encofrados de hormigón aislante se utilizan habitualmente para proporcionar masa térmica y aislamiento a las estructuras de los edificios. La masa de hormigón proporciona la capacidad térmica específica necesaria para una buena inercia térmica. Las capas aislantes creadas en las superficies laterales o interiores del encofrado proporcionan una buena resistencia térmica.
• Ladrillo de arcilla, ladrillo de adobe o adobe: ver ladrillo y adobe .
• Tierra, barro y césped: la capacidad térmica de la tierra depende de su densidad, contenido de humedad, forma de las partículas, temperatura y composición. Los primeros colonos de Nebraska construyeron casas con paredes gruesas hechas de tierra y césped porque la madera, la piedra y otros materiales de construcción eran escasos. El grosor extremo de las paredes proporcionaba cierto aislamiento, pero principalmente servía como masa térmica, absorbiendo energía térmica durante el día y liberándola durante la noche. Hoy en día, la gente a veces utiliza refugios de tierra alrededor de sus casas para lograr el mismo efecto. En los refugios de tierra, la masa térmica proviene no solo de las paredes del edificio, sino también de la tierra circundante que está en contacto físico con el edificio. Esto proporciona una temperatura moderadora bastante constante que reduce el flujo de calor a través de la pared adyacente.
• Tapia: La tapia proporciona una excelente masa térmica debido a su alta densidad y a la alta capacidad calorífica específica del suelo utilizado en su construcción.
• Roca y piedra natural: ver cantería .
• Los troncos se utilizan como material de construcción para crear las paredes exteriores y, quizás, también las interiores de las casas. Las casas de troncos se diferencian de otros materiales de construcción mencionados anteriormente porque la madera maciza tiene un valor R moderado (aislamiento) y también una masa térmica significativa. Por el contrario, el agua, la tierra, las rocas y el hormigón tienen valores R bajos. ^[6] Esta masa térmica permite que una casa de troncos conserve mejor el calor en climas más fríos y conserve mejor su temperatura más fría en climas más cálidos.
• Materiales de cambio de fase

Si se utiliza suficiente masa, se puede crear una ventaja estacional. Es decir, se puede calentar en invierno y enfriar 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 varias casas en Montana. ^{[ cita requerida ]} Los Earthships de Nuevo México utilizan calefacción y refrigeración pasivas, así como neumáticos reciclados para los muros de cimentación, lo que produce un PAHS/STES máximo. También se ha utilizado con éxito en el Reino Unido en el Proyecto de Vivienda Hockerton .

• Nave terrestre
• Muro de tierra apisonada
• Capacidad calorífica específica
• Almacenamiento de energía térmica
• Muro de Trombe