LA FÍSICA DE L’EDIFICI

AÏLLAMENT TÈRMIC I CONDENSACIONS

Universitat Politècnica de Catalunya

ETS CAMINS, CANALS I PORTS DE BARCELONA

EDIFICACIÓ

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

AÏLLAMENT TÈRMIC I CONDENSACIONS

1- INTRODUCCIÓ

Transcendència econòmica del condicionament tèrmic i de l’estalvi energètic.

Transmissió per radiació, conducció i convecció.

Plantejament del problema del flux de calor en la temporada freda.

Plantejament del mateix problema en temporada calenta.

Plantejament del problema de formació de condensacions de vapor d’aigua

2

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

2- CONDUCCIÓ DEL CALOR I AÏLLAMENT TERMIC

Hipòtesis bàsiques. Principi d’additivitat de les resistències tèrmiques.

Conceptes bàsics de la teoria de la transmissió del calor.

Càlcul de la resistència tèrmica de diferents tancaments.

Consideració d’heterogeneïtats simples.

Propietats tèrmiques de les cambres d’aire.

Tractament i prescripcions sobre aïllament tèrmic segons CTE-DB-HE

Consideracions sobre els efectes de la posició del material aïllant dins del tancament encondicions de flux transitori.

Materials utilitzats per a l’aïllament tèrmic: condicions, principals tipus, característiques imètodes d’utilització.

3

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

3 – DIFUSIÓ DEL VAPOR I CONDENSACIONS

Problemes derivats de la condensació del vapor d’aigua en els tancaments.

Conceptes bàsics de la psicrometria de l’aire i de la teoria de la difusió del vapor.

Àbac psicromètric.

Temperatura de rosada i pressió de saturació.

Anàlisi de la formació de condensacions superficials i intersticials en tancaments.

Barreres de vapor: condicions, tipus i mètodes d’utilització.

Influència de la disposició de l’aïllament tèrmic sobre la formació de condensacions.

Prescripcions segons CTE-DB-HE

4

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

ACS=Agua caliente sanitaria

Consumo en los hogares españoles por usos (Confederación de Consumidores y Usuarios, 2007)

1- INTRODUCCIÓ Despesa energètica en els edificis

5

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

El consum d'energia a la llar està entre els 600 i 1.200 €/any. La calefacció i l'aigua calenta suposen el 70%, mentre que els aparells

domèstics i la il·luminació suposen el 30% restant de consumenergètic.

6

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Codi tècnic. Document CTE-DB-HE “Ahorro de energía” (www.codigotecnico.org)

HE 1 Limitació de demanda energèticaHE 2 Rendiment de les instal·lacions tèrmiques.Es desenvolupa en el RITE (Reglament d’instal·lacions tèrmiques en els edificis).HE 3 Eficiència energètica de les instal·lacions d’il·luminació.

Cal comprovar eficiència, aprofitament llum natural i l’existència d’un pla de manteniment.HE 4 Contribució solar mínima d’ACS (Aigua calenta sanitària)

Del 30 al 70%.HE 5 Contribució fotovoltaica mínima d’energia elèctrica.

Àmbit reduït a hospitals, hipers, centres d’oci o firals, hotels o edificis administratius.

7

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Mecanismes de transmissió del calor:

1) Radiació

2) Convecció

3) Conducció

8

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Mecanismes de transmissió del calor: radiació, convecció, conducció

 

9

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Paràmetres del problema

La variació de temperatura (T) entre exterior i interior actua com diferencia de potencialsusceptible de mobilitzar la conducció de calor a través dels tancaments.

La variació d’humitat relativa (Hr, o equivalentment, de pressió parcial de vapor Pv) entreexterior i interior també actua com diferencia de potencial susceptible de mobilitzar ladifusió de vapor a través dels tancaments.

Ti, Hri Te, Hre

10

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Plantejament del problema de l’aillament tèrmic – hivern

Cal assegurar que el conjunt de tancaments presenta un nivell de conduccióprou reduït per tal de mantenir la temperatura interior desitjada amb despesaenergètica acceptable.

11

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Plantejament del problema de l’aillament tèrmic – estiu

L’acció fonamental és la radiació solar, la qual produeix un escalfament moltimportant dels tancaments.L’aïllament tèrmic pot aconseguir-se, amb limitacions, a base de disposartancaments prou poc conductors (no molt eficient).

12

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

És molt més eficient basar el control de la temperatura a l’interior en lautilització de cambres d’aire ventilades als tancaments (coberta, façanes i devegades fins i tot sota solera).La renovació natural de l’aire de les cambres permet assegurar que l’espaiinterior no supera la temperatura ambient exterior.

13

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Aplicació de cambres d’aire ventilades:

cobertes ventilades

façanes ventilades

soleres ventilades

14

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Plantejament del problema de la condensació del vapor.

Cas amb superfícies fredes a l’interior (hivern)

A l’hivern cal evitar que la producció de condensacions superficials als paraments o béinteriors intersticials (a les superfícies de contacte entre capes del tancament). Per evitar-hocal garantir (1) que els tancaments presenten una conductivitat prou reduïda i (2) que no hiha ponts tèrmics a través dels tancaments.

 

Ti, Hri Te, Hre

Te, Hre

15

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Condensació del vapor

16

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Plantejament del problema de la condensació del vapor.

Cas amb superfícies calentes a l’interior (estiu)

Una humitat relativa alta a l’interior estarà habitualment produïda pels usosde les persones (cuines, banys, acumulació de persones...). El que cal feres ventilar regularment, tot obrint algunes finestres, durant tot l’any.

17

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

2- CONDUCCIÓ DEL CALOR I AÏLLAMENT TÈRMIC

Hipòtesis Bàsiques:

1. Flux de calor estacionari

2. Flux de calor unidimensional i perpendicular a pla mig dels tancaments

3. Principi d’additivitat de les resistències: La resistència al pas del flux de calor d’unconjunt de capes disposades en sèrie és igual a la suma de la resistència de cada capa.

 

En acceptar aquestes hipòtesis és possible elaborar la formulació simplificada de la conducció del calor que es presenta a continuació.

18

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

CONCEPTES BÀSICS DE LA TEORIA DE LA TRANSMISSIÓ DEL CALOR

Calor – Energia calorífica (kcal ó J, 1 kcal=4.185,9 J)

Flux de calor Q – Calor que travessa una superfície donada per unitat de temps (Kcal/h óW, on 1 Kcal/h = 1,163 W)

Flux de calor unitari q - Calor que travessa un superfície d’àrea unitat per unitat de temps.(W/m2)

Coeficient de conductivitat tèrmica d’un material

- (Kcal/mhºC ó W/mºC, on 1 Kcal/mhºC = 1,163 W/mºC) – Quantitat de calor quetravessa una mostra d’extensió infinita i de cares plano- paral·leles per unitat d’àrea, unitatde diferència de temperatura entre cares (1ºC) i unitat de temps.

1

1T=1, t=1,

(t=temps, T=temperatura)

1Resistivitat tèrmica:

1r

19

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Conductància tèrmica C (d’una capa material) - (Kcal/m2hºC ó W/m2ºC):

Quantitat de calor que travessa una capa de cares plano- paral·leles de gruix L perunitat de superfície, per unitat de diferència de temperatura entre cares (1ºC) i unitat detemps.

q = calor per unitat de superfície i temps, Q = calor per unitat de temps (Kcal ó J/s),S = àrea , L = gruix, T = increment de temperatura.

Resistència tèrmica interna:

CL

q C T Q S TL

q TL

 

S

L

T, t

(t=temps, T=temperatura)

TSLλQ

1 LR rLC

T Rq

20

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Transmitància tèrmica d’un tancament U (W/m2·ºK)

on:

hi, he = coeficients de transmissió superficial del calor

1/hi, 1/he = resistències tèrmiques superficials Rse i Rsi

q U T

1

tot

UR

1 1

tot kk i e

LjR Rh j h

Lk

21

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Determinació de resistències tèrmiques superficials Rse i Rsi

22

m2K/W

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Lk

Ti

Tsi

Tse

Te

T1-2

T2-3

EXT1 2 3

INT

L1 L2 L3 x

T

kk k k

k

RUq U T C T T T TC R

23

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Consideració d’heterogeneïtats simples.

Heterogeneïtat simple

Part d’un tancament no homogeni que queda definida i limitada per plànolsperpendiculars a les cares del tancament. És el cas de finestres i portes.

Altrament ens referim a heterogeneïtats complexes.

Es manté la hipòtesi de flux unidireccional malgratque és molt poc realista.

La transmitància tèrmica del forat UHlim està limitadasegons la zona climàtica i l’orientació.

La transmitància de tot un tancament s’obtéconsiderant que el flux travessa les diferents partsdel tancament en paral·lel:

k kk tot k k

tot

U SQ Q US T U S T U

S

24

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Factor solar d’un medi transparent o translúcid a incidència normal (Fi)

Quocient entre l’energia total que entra en un local a través del meditransparent o translúcid i l’energia total incident a la superfície de formaperpendicular.

L’energia total que entra al local a través d’aquest medi és la suma de l’energiatransmesa per radiació a través i l’energia absorbida pel medi i transmesaposteriorment al local per convecció.

25

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Propietats tèrmiques de les cambres d’aire

Cambres d’aire ventilades Cambres d’aire no ventilades

26

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Propietats tèrmiques de les cambres d’aire (continuació)

A = superfície tancament, L = longitud de tancament, S = superfície de perforacions de ventilació.

Cambra d’aire Tancaments verticals Tancaments horitzontals Resistència tèrmica

Sense ventilació però ambobertures limitades S/L<500 mm2/m S/A <500 mm2/m2 Taula E2

Lleugerament ventiladaperò amb obertures

500mm2/m< S/L <1500mm2/m

500mm2/m2<S/A<1500mm2/m2

Valors meitat Taula E2

Molt ventilada S/L>1500 mm2/m S/A >1500 mm2/m2 No es té en compte la càmara

27

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Comportament

Estiu

Quan la cambra és ventilada, durant la temporada calenta es produeix unefecte de renovació de l’aire interior que permet estabilitzar-ne la temperatura,la qual es manté igual a la temperatura exterior.

Quan la cambra és no ventilada, l’aire interior s’escalfa per efecte del’escalfament del tancament exterior per radiació solar directe, arribant atemperatures molt elevades.

Hivern

Quan la cambra és ventilada, tan sols es pot comptar amb el full interior deltancament com a capa tèrmica aïllant.

Quan la cambra és no ventilada, es pot comptar amb la contribució aïllantd’ambdós fulls, alhora que la cambra d’aire es comporta com una capa aïllantaddicional (Taula E2).

28

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Consideracions sobre els efectes de la posició del material aïllant dins del tancament en condicions de flux transitori

A- Cas amb material aïllant tèrmic concentrat a la cara exterior.B- Cas amb material aïllant tèrmic concentrat a la cara exterior.

T

EXT1 2 3

INT

AB

29

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

La distribució de l’aïllament a través del tancament no influeix a la temperaturainterior i a l’energia necessària per a mantenir-la durant la fase estacionària,per a una mateixa resistència tèrmica total.

En el cas B, el tancament es manté fred. En el cas A, el tancament s’escalfa.El nivell de confort no varia. No obstant, per assolir la temperatura desitjada,en el cas A cal invertir més energia durant la fase transitòria. En canvi,l’escalfor es mantindrà durant més temps un cop haguem apagat la calefacció.

El cas A presenta més inèrcia tèrmica, cal més temps per variar latemperatura.

En el cas B cal menys energia per aconseguir la temperatura de confort.

Com es veurà posteriorment, la probabilitat de producció de condensacionsintersticials és més alta en el cas B.

30

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Sistema d'aïllament tèrmic exterior

31

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Pont tèrmic

Part d’un tancament amb resistència tèrmica inferior a la resta del tancament, iper tant amb temperatura també inferior a l’hivern.

En els ponts tèrmics augmenta lapossibilitat de producció de condensacionsa l’hivern i en èpoques fredes.

Possibles ponts tèrmics:- Pilars i forjats- Contorns de forats (finestres u portes)- Caixes de persiana

Distribució de temperatures en edificiobtinguda mitjançant programa de càlcul

32

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Imatges de termografia de l’exterior d’edificisDistribució de temperatures

33

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Imatges de termografia de l’interior d’edificisDistribució de temperatures

34

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Eliminació pont tèrmic

35

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Eliminació pont tèrmic

36

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Envolupant tèrmica d’un edificiConjunt de tancaments i particions quelimiten l’espai habitable d’un edifici

Components:Tancaments en contacte amb l’aire• Murs de façana (M1)• Cobertes (C1)• Sòls (S1)• Forats (portes i finestres) en façanes (H)• Lluernes en cobertes (L)• Ponts tèrmics, especialment al voltant

de forats i lluernes (Pc, Pf)Tancaments en contacte amb el terreny• Murs en contacte amb el

terreny (T1)• Coberta enterrada (T2)Particions en contacte amb espaisno habitables• Particions en contacte amb

espais no habitables (M2, C2)• Sòls en contacte amb cambres sanitàries (S2)Altres• Parets de mitgera (MD)

37

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

TRACTAMENT EN CTE-DB-HE (1)

Demanda energètica

Quantitat d’energia tèrmica que cal afegir (a l’hivern) o treure (a l’estiu) d’un edificiper a mantenir unes condicions de confortabilitat òptimes.

L’objectiu de la normativa és limitar la demanda energètica dels edificis.

Càrrega tèrmica

Quantitat de calor produït (dissipat) dins d’un espai per l’ocupació, l’enllumenat iles instal·lacions. Es distingeix entre zones de baixa (com residencial) i altacàrrega tèrmica (zones amb alta ocupació o concentració d’instal·lacions).

38

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

TRACTAMENT EN CTE-DB-HE (2)

La condició (1) relativa a la demanda energètica es pot verificar mitjançant dosmètodes alternatius:

Mètode 1 (opció simplificada) – Control indirecte de la demanda mitjançant lalimitació de la transmitància dels components de l’envolupant tèrmica. Val peredificis amb tancaments formats per solucions constructives convencionals amb:

% de forats < 60% de la superfície de façana% de lluernes < 5 % de la superfície de coberta

Mètode 2 (opció general) – Anàlisi global basat en la comparació de lademanda energètica dels edificis amb la que correspon a un cert edifici dereferència. Requereix l’ús de software especialitzat.Val per a tot tipus d’edificis.

39

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

OPCIÓ SIMPLIFICADA:

- Determinació de la zona climàtica- Diferenciació entre zones d’alta i baixa càrrega tèrmica- Comprovació de l’acompliment de les limitacions de permeabilitat al aire en

fusteries de forats i lluernes- Control de condensacions intersticials i superficials- Limitació de la demanda energètica:

Ui ≤ Ui lim per a cada element de l’envolupant

Ui med ≤ Ui lim per a cada tipus de component de l’envolupant

Fi med ≤ Fi lim per a cada tipus de component semitransparent(forats de façana i lluernes)

- cadascuna de les transmitàncies tèrmiques dels components de l’envolupanttèrmica ha de ser inferior a un valor màxim tabulat

- els paràmetres (transmitàncies i factors solars) mitjos han de ser inferiors avalors límit tabulats

40

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Valors límit de transmitància per a qualsevol element:

En edificios de viviendas, las particiones interiores que limitan las unidades de uso con sistema decalefacción previsto en el proyecto, con las zonas comunes del edificio no calefactadas, tendráncada una de ellas una transmitancia no superior a 1,2 W/m2K.

A,B,C,D,E zones climàtiques (definides a CTE-DB-HE)

41

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Límits sobre valors mitjos de transmitància i factors solars

Els requisits per als diferents elements de l’envolupant obeeixen a:

• Ia diferent influència en el comportament tèrmic global del local (degut a la sevadiferent posició en relació al fenomen de convecció).

• al fet que les seves resistències tèrmiques superficials són diferents.

Les particions que separen locals calefactats no intervenen en el problema doncs no s’hiprodueix un flux de calor significatiu a través.

Per a cada zona climàtica es defineixen límits per a:

Transmitància límit de murs de façana i tancament en contacte amb el terreny UMlimTransmitància límit en sòls USlimTransmitància límit en cobertes UClimFactor solar modificat límit en lluernes FLlimTransmitància límit dels forats en funció de l’orientació del forat (portes i finestres),del % de forats i del tipus de zona segons càrrega tèrmica (baixa o alta) Uhlim

42

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Càlcul de paràmetres mitjos en cobertes

Sols es consideren els ponts tèrmics en contorn de lluernes amb superficie > 0,5 m2.

43

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Càlcul de paràmetres mitjos en façanes

44

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Càlcul de paràmetres mitjos en sòls i paraments en contacte amb el terreny

Sols es consideren els ponts tèrmics en contorn de lluernes amb superfície > 0,5 m2.

45

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

Exemple de limitacions sobre valors de paràmetres mitjos. Zona climàtica C2 (cas de Barcelona capital)

46

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions

PRINCIPALS MATERIALS AÏLLANTS - COMPARACIÓ

MATERIAL

Kcal / hmºC

COMPORTAMENT AL FOC

HIGROSCO-PICITAT

DURABILITAT FORMAT

RESISTÈNCIA

COMPRESSIÓ

COST COMPARAT

Fibra de vidre

0.028 –0.038

Incombustible(mineral) Absorbent Imputrescible

No envelleix- Feltres Flexibles- Panels Rígids Regular

Poliestiré 0.020Difícilment combustible(orgànic)

No absorbeix Envelleix

-Poliestirè expandit (porexpan, rígid)

-Poliestirè extrussionat(rígid)

0, 1MPa0,5 MPa

RegularCar

Poliuretà 0.032Difícilment combustible(orgànic)

No absorbeix Envelleix molt poc

- Escuma (injectable i projectable)

- Plafons rígids

CarCar

Suro 0.032 Regular(Orgànic) Absorbent Envelleix - Expandit

- AglomeratMolt carMolt car

Altres:Argila, Perlitao Vermi-culitaexpandides

Incombustibles(minerals)

Molt absorbent

ImputrescibleNo envelleix

- A granel- Dins de morter i

formigons- Plafons

Car o molt car

47

EDIFICACIÓ –ETCECCPB-UPC – Aïllament tèrmic i condensacions48

Feltre i plafó rígid de vidre poliestiré extrussionat i expandit

Escuma de poliuretà projectada i plafó rígid de poliuretà suro