Estudio sobre fachada antirradiante para los trópicos del Caribe

La reducción del consumo de energía para la refrigeración durante el verano y la sensación de bienestar del usuario, son unos de los principales beneficios expectantes de las fachadas y techos de la región caribeña. El aislamiento convencional se basa en incrementar la Resistencia (R) a la transferencia de calor por conducción. Pero la realidad es que en muchos climas tropicales la mayor ganancia de calor de los edificios es una consecuencia del fenómeno de radiación de la energía infrarroja y que el porcentaje restante se divide entre los fenómenos de conducción y convección. Precisamente por ello se presenta esta experiencia de una fachada antirradiante para los trópicos del Caribe, basada en la mejora de los sistemas de revestimiento aplicados tanto en mampostería de bloque de concreto (como el sistema de fachada tradicional en la República Dominicana) como en el sistema de paneles de poliestireno expandido (como nuevo sistema de fachada, hoy en República Dominicana). Se propone añadir a las pinturas convencionale suasadas en la actualidad pigmentos NIR que permitan y protejan la envolvente del edificio con parámetros de alta reflectancia y optimicen el confort interior en los edificios.

Esta comunicación es una síntesis del Trabajo Final realitzado en el marco del Máster de Tecnología de la Arquitectura de la Universitat Politècnica de Catalunya en el curso 2015 -16 y que se puede consultar integramente en su version castellana en el enlace https://upcommons.upc.edu/handle/2117/89334.

1. La vivienda y el clima en la región caribeña

En los próximos años en la República Dominicana se prevé la construcción de aproximadamente 30.000 viviendas sociales anualmente por parte del Estado, lo que representaría una decidida acción para reducer el déficit habitacional actual. El acelerado ritmo de crecimiento que experimenta la población actual no ha permitido a las instituciones que rigen el sector de la construcción establecer una planificación y un control que permita no tan solo proporcionar un modelo habitacional de bajo presupuesto sino una adecuada respuesta cualitativa a las condiciones climáticas imperantes en la región caribeña, entre las que destaca la intensa radiación solar. El clima dominante es el tropical húmedo de sabana, con abundantes lluvias, poca variación de temperatura entre día-noche y pocas variaciones estacionales que se conjugan con los diferentes microclimas locales. Este clima está regulado principalmente por la cantidad de radiación solar anual recibida, entre 11 y 13 horas por día. Según la información provista por la Oficina Nacional de Meteorología (ONAMET) proveniente de los datos arrojados por sus 26 estaciones meteorológicas, la geografía de la República Dominicana tiene un promedio de radiación solar global anual que oscila entre los 5,0 y 6,0 kWh/m², con un gradiente que va desde la zona oriental hasta la zona occidental del país. La ciudad de Santo Domingo cuenta con un promedio de radiación solar global anual de 4,61 kWh/m². (ver fig.1)

2. Los revestimientos reflectantes

La mayor fuente de calor con la que contamos en la biosfera es la radiación solar, sea esta directa o indirecta (difusa a través de la atmósfera). Esta radiación presenta un determinado espectro frecuencial en el que destaca por la energía aportada la fracción infraroja. La Radiación Infrarroja (IR), se ubica justo después del espectro visible (lo que denominamos popularmente la luz), llamada así precisamente porque se encuentra más allá del rango asociado con el color rojo. Esta parte del espectro abarca longitudes de onda comprendidas entre 780 nanómetros (nm) y 1,0 milímetros (mm), aunque suele subdividirse en tres categorías:

• Infrarrojo cercano: 780 nm a 2,5 micrómetros (µm)
• Infrarrojo medio: 2,5 µm a 50 µm
• Infrarrojo lejano: 50 µm a 1 mm

Los infrarrojos son la banda de radiación electromagnética más fácilmente perceptible para el ser humano (mediante los sensores térmicos de nuestra piel). Por ejemplo, percibimos los infrarrojos cercanos cuando nos exponemos directamente a los rayos del sol y cuando nos encontramos cerca del fuego o de un objeto con una elevada temperatura. Los infrarrojos medios y lejanos, por otro lado, son emitidos por cualquier objeto a temperatura terrestre (aproximadamente entre -10 °C y 100 °C). Los infrarrojos lejanos pueden ser emitidos por cualquier objeto con una temperatura superior al cero absoluto (-273 °C).

La radiación infrarroja juega un papel fundamental en el comportamiento térmico de los edificios. Al recibir la radiación solar, los cerramientos de fachada reflejan buena parte de esta radiación, dejando atravesar otra parte de esta radiación a través de sus oberturas vidriadas y absorbiendo la parte restante de esta radiación en sus paramentos ciegos. Estos paramentos ciegos se calientan y a su vez reemiten esta radiación en todas direcciones, contribuyendo en parte al discomfort de los locales interiors que se sobrecalientan (Ver fig. 02).

Numerosos estudios avalan hoy en día los beneficios de revestir los cerramientos exteriores de los edificios con materiales idóneos que protejan por reflexión los locales interiores frente a la incidencia directa de la radiación solar en aquellos climas con temperaturas elevadas y una intensa radiación solar. En física, el parámetro Reflectividad representa la parte de la radiación incidente reflejada por una superficie. En términos generales, la Reflectividad se considera una propiedad direccional, porque además de la longitud de onda incidente, depende de la dirección de la radiación incidente y de la dirección de la radiación reflejada. El termino reflectividad es un parámetro que se aplica para caracteritzar revestimientos reflectantes gruesos, a diferencia del parámetro Reflectancia que se aplica para caracterizar revestimientos reflectantes delgados. Cuando la radiación incide sobre revestimientos delgados, los efectos de la reflexión interna pueden provocar que la reflectancia varíe de acuerdo al grosor del revestimiento.

La Emisividad o emitancia, es la capacidad que posee la superfície de un material para emitir radiación propia como consecuencia de su temperatura y se mide por la razón entre la intensidad emitida por la superficie del material evaluado y la intensidad que sería emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura y longitud de onda. Cuanto más pequeño sea el valor de esta emisividad, mejor aislante por reflexión será dicha superficie, siendo 1 el valor máximo.

La idoneidad, desde el punto de vista del confort térmico de sus habitantes, de los materiales usados para un revestimiento exterior de fachadas en arquitectura reside pues en sus propiedades de reflectancia y de emisividad. A nivel práctico se usa el parámetro combinado que se denomina Índice de Reflectancia Solar (siglas SRI en inglés) que es una medida indirecta de la capacidad que un revestimiento exterior arquitectónico opaco posee para rechazar el calor solar incidente por radiación. Se define para ello una escala que va del revestimiento negro estándar (reflectancia 0,05, emitancia 0,9) de valor 0, al revestimiento blanco estándar (reflectancia 0,8 y emitancia 0,9) de valor 100. Por ejemplo, el revestimiento negro estándar tiene un aumento de temperatura de 90 °F (50 °C) expuesto a pleno sol mientras que el blanco estándar tiene un aumento de temperatura de 14,6 °F (8,1 °C). Una vez determinado el aumento máximo de temperatura de un material concreto, se puede calcular el valor SRI interpolando entre los valores 100 para el blanco y 0 para el negro. El índice SRI es pues una escala adimensional de 0 a 100, siendo 0 el valor más adecuado para absorber e irradiar calor (tal como es el caso de un revestimiento de alquitrán) y 100 el valor del material más reflectivo, el que menos se calienta (tal como es el caso del hielo).

Figura 04: Características radiantes, temperatura máxima y valores SRI para distintos tipos de pavimentos urbanos. The University of California’s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), the leading research group on cool roofing materials, publishes a list of common building materials’ SRI values. Table 1 displays some of those values. Retrieved from http://www.naturalstonecouncil.org/content/file/Case%20Studies/Solar%20Reflectance%20Case%20Study%20-%20071709.pdf

3. Los pigmentos NIR

En el sector de la construcción no es tarea fácil cambiar los actuales materiales de revestimiento exterior por otros más eficientes desde el punto de vista del control de los efectos indeseables de la radiación solar incidente. Más práctico y viable es pigmentar los materials amorfos más habituales de revestimiento (pinturas y revocos) con productos altamente selectivos a la fracción NIR de la radiación solar incidente, es decir incrementar la reflectividad al tiempo que reducir la emisividad. Diversos autores y empresas químicas estan trabajando en el desarrollo de este tipo de aditivos para los revestimientos arquitectónicos convencionales opacos. Se trata en todos los casos de conjugar coste, durabilidad, eficiencia y respeto ambiental desarrollando nuevos pigmentos complementarios de los colores claros, como el blanco, acreditados por la tradicion como reflectantes en la fracción visible (ver figura 05).

Los dos productos hasta ahora más utilizados para estos propósitos, tanto por su disponibilidad como por su atractiva relación coste-beneficio son:

El Dióxido de Titanio (TiO2), el pigmento inorgánico de mayor reflectancia; Por sus propiedades fotocatalíticas ha sido también ampliamente utilizado en el mundo de los pigmentos como purificador del aire, auto limpiante, etc.

Las microesferas huecas de vidrio destacan como otra alternativa por su alta resistencia mecánica, su baja densidad y su obtención a partir de residuos de trozos de vidrio plano reciclado. En el ámbito de la señalización vial es conocida su aplicación para mejorar la visualización nocturna, siendo uno de los medios más económico para lograr este objetivo al reflejar la luz en la dirección de la que proviene. Su estructura hueca le otorga características apreciables de aislamiento térmico y de reflectancia del infrarrojo cercano.

A la vista de la información disponible parece viable y útil plantear la mejora del comportamiento térmico de los revestimientos que se emplean habitualmente en las fachadas de la vivienda social de la república Dominicana con pinturas adicionadas con Dióxido de Titanio o Microesferas de Vidrio. Se trata pues de verificar experimentalmente dicho comportamiento, con distintas formulaciones de adición y siempre con respecto al comportamiento de una pintura neutra sin adición de pigmentos NIR. Para ello, se ha contado con el apoyo y colaboración del Instituto Tecnológico de Santo Domingo (INTEC) en la persona de los Ingenieros, Luis Guillermo como asesor técnico de equipos (ver figura 09) y Máximo Campusano, ambos del Departamento de Laboratorios de Eficiencia Energética.

El experimento se realizó en la ciudad de Santo Domingo, en la latitud de 18°29'14.20“N y longitud de 69°49'36.20” W) sobre una plataforma al aire libre (azotea) situada a una elevación de 2,60 m. De acuerdo a la estación metereológica más cercana, la temperatura media anual es de 26,1 °C, con una mínima de 19,9 °C y una máxima de 31,8 °C. Se realizaron mediciones durante 26 días consecutivos (20 Diciembre 2015-17 Enero 2016), de la radiación solar incidente, de la temperatura y humedad relativa del ambiente y de la temperatura superficial de los revestimientos evaluados sobre las superficies de los siguientes prototipos construidos al efecto:

• 2 prototipos testigo como representantes de las fachadas tipo más comunes de la vivienda social (V)
• 4 prototipos de muros de fachada, agrupados en dos (2) tipologías (A y B)

Las dosificaciones de las diversas mezclas de pintura acrílica blanca con pigmentos NIR han sido las siguientes:

• 1. Pintura acrílica blanca con 30% de microesferas de vídrio.
• 2. Pintura acrílica blanca con 30% de microesferas de vidrio y 20% TiO2.
• 3. Pintura acrílica blanca con 50% de microesferas de vídrio.
• 4. Pintura acrílica blanca con 50% de microesferas de vidrio y 30% TiO2.

Las mediciones se realizaron diariamente, en cada una de las caras principales de los 4 prototipos (este y oeste) en horarios de 10:00 am a 4:00 pm, con intervalos de 3 horas; considerando en todo momento la radiación solar incidente y la humedad relativa del ambiente de cada día como variables importantes.

Se seleccionó una vivienda real construída en Santo Domingo, con fachada orientada a Oeste pintada con pintura acrílica blanca sin pigmentos NIR, que serviría para contrastar las mediciones a realizar en las superficies de los prototipos de fachada.

Fachada Tipo A): Se construyeron 4 prototipos de muros de obra de fabrica de bloque de hormigón 80 x 60 x 20 cm y revestimiento de mortero de cemento portland, orientados al oeste.

• Prototipo A1: Muro de obra de fábrica de hormigón + Revestimiento de mortero de cemento + pintura blanca con 30% de microesferas de vídrio.
• Prototipo A2: Muro de obra de fábrica de hormigón + Revestimiento de cemento + pintura blanca con 30% de microesferas de vidrio y 20% TiO2
• Prototipo A3: Muro de obra de fábrica de hormigón + Revestimiento de cemento + pintura blanca con 50% de microesferas de vídrio.
• Prototipo A4: Muro de obra de fábrica de hormigón + Revestimiento de cemento + pintura acrílica blanca con 50% de microesferas de vidrio y 30% TiO2.

Fachada Tipo B): Se construyeron 4 prototipos de muros Paneles Estruturales de Poliestireno Expandido (P.E.P.S) 80 x 60 x 20 cm y revestimiento de mortero de cemento portland, orientados al oeste.

• Prototipo B1: Muro de panel de poliestireno + Revestimiento de mortero de cemento + pintura blanca con 30% de microesferas de vídrio.
• Prototipo B2: Muro de panel de poliestireno+ Revestimiento de mortero de cemento + pintura blanca con 30% de microesferas de vidrio y 20% TiO2.
• Prototipo B3: Muro de panel de poliestireno + Revestimiento de mortero de cemento + pintura blanca con 50% de microesferas de vídrio.
• Prototipo B4: Muro de panel de poliestireno +Revestimiento de mortero de cemento + pintura blanca con 50% de microesferas de vidrio 30% TiO2.

Figura 06: Fotografías tomadas por el autor durante el proceso de construcción de los prototipos.

Figura 07: tipo A: Muro prototipo de 80x60x20 cm de obra de fabrica de bloque de hormigón y revestimiento de cemento Portland.

Figura 08: tipo B: Muro prototipo de 80x60x20 cm, compuesto por un núcleo de E.P.S. con espesor variable entre 4-28 cm, una malla de acero electro-soldado a ambas caras, y un revestimiento de cemento no menor a 2,5 cm de espesor.

En la figura 09 podemos observar las temperaturas medias y la humedad relativa promedio ambiental a que se encontraban expuestos los prototipos de experimentación durante el periodo de pruebas. El porcentaje diario medio de humedad experimentado durante el periodo experimental, ha sido del 74,9%. El valor medio de temperatura, es de unos 27 °C. El valor de la radiación solar horizontal promedio durante los días de la experimentación fue de 5,07 kWh/m²/d, según los datos extraidos de NASA Surface meteorology and Solar Energy.

Figura 09: Gráfica de las mediciones promedio diarias de temperatura y humedad relativa ambientales durante el periodo de la experimentación.

En la figura 10 se puede observar las gráficas de los registros de la temperatura superficial de los paramentos orientados a Oeste a las 04.00 pm en los prototipos de muros de los tipos A y B. Se observa un comportamiento irregular de los prototipos como consecuencia de la variabilidad climática diaria (radiación, viento, humedad, temperatura), aspecto que afecta prácticamente por igual a todos los prototipos.

Para facilitar la interpretación de los resultados se decidió por un lado centrar el análisis en el día (23.12.2015) en el que se alcanzaron las temperaturas ambientales más altas (29,6 °C) y por otro compararlo con el análisis del promedio de temperaturas superficiales de cada prototipo durante los 26 días que duró la medición.

Figura 10: Registro de temperaturas de las superfície orientadas a Oeste a las 04.00pm en los prototipos de muros de los tipos A y B.

En la figura 11 se pueden observar los resultados de la medicion de temperaturas superficales solo en los muros, tomadas en sus caras de orientación Oeste durante el día 23 de Diciembre de 2015. Destaca el prototipo A1 (30% microesferas de vidrio), que ha resultado ser el de mejor comportamiento (menor calentamiento superficial) con relación al muro (V1) blanco de revestimiento acrílico convencional. El orden de eficiencia decreciente de esta serie es el siguiente:

• A1 Oeste, temperaturas que oscilan entre 32,8 y 32,9 °C y una mejora relativa de 6,70 °C (1pm) y 7,80 °C (4pm)
• A3 Oeste, temperaturas que oscilan entre 34,9 y 33,4 °C y una mejora relativa de 4,60 °C (1pm) y 7,30 °C (4pm)
• A2 Oeste, temperaturas que oscilan entre 34,5 y 34,0 °C y una mejora relativa de 5 °C(1pm) y 6,70 °C(4pm)
• A4 Oeste, temperaturas que oscilan entre 36,9 y 34,5 °C y una mejora relativa de 2,6 °C(1pm) y 6,20 °C (4pm)

Los niveles de mejoría relativa en las superficies Oeste de los tipos B no superan a los alcanzados por las superficies de los tipos A. Durante todo el día, la superficie más ineficiente es la del prototipo B4, que incluso supera la temperatura superficial del muro convencional (V1) en 1°C.

Figura 11: Gráfica de temperaturas del día 23.12.2015 tomadas en tres momentos y solo para las superficies Oeste de los muros experimentales

En la figura 12 se pueden observar los resultados de la medicion de temperaturas superficales solo en los muros, tomadas en sus caras de orientación Este durante el día 23 de Diciembre de 2015. Se aprecia cómo el prototipo A1 (30% microesferas de vidrio) ha vuelto a manifestar el mejor comportamiento, con reducciones de hasta 3,90 °C (10 am) y 4,40 °C (1 pm) con relación al muro (V1) blanco de revestimiento acrílico convencional. El orden de eficiencia decreciente de esta serie por la mañana es el siguiente:

• A1 Este, con temperaturas de 30 °C y una mejora de 3,90 °C durante las horas de la mañana (10 am)
• A3 Este, con temperaturas de 31 °C y una mejora de 2,90 °C durante las horas de la mañana (10 am)
• A4 Este, con temperaturas de 31,3 °C y una mejora de 2,60 °C durante las horas de la mañana (10 am)
• A2 Este, con temperaturas de 32,5 °C y una mejora de 1,40 °C durante las horas de la mañana (10 am)

Los niveles de mejoría relativa en las superficies Este de los tipos B no superan tampoco en este caso a los alcanzados por las superficies de los muros A pero solo durante la mañana. Durante este periodo, la superficie más ineficiente es la del prototipo B3, que incluso supera la temperatura superficial del muro convencional (V1) en 2,40 °C. Sin embargo, conforme avanza el dia, hacia la 1 pm aumentan su capacidad de reducción, igualando a los del tipo A. El orden de eficiencia decreciente de esta serie por la tarde es el siguiente:

• A1 Este, con temperaturas de 32,4 °C y una mejora de 4,40 °C a la 01.00 pm
• B2 Este, con temperaturas de 33,0 °C y una mejora de 3,80 °C a la 01.00 pm
• B3 Este, con temperaturas de 33,2 °C y una mejora de 3,60 °C a la 01.00 pm
• B4 Este, con temperaturas de 34,2°C y una mejora de 2,60°C a la 01.00pm

Figura 12: Gráfica de temperaturas del día 23.12.2015 tomadas en tres momentos y solo para las superficies Este de los muros experimentales.

En la figura 13 se pueden observar los resultados promedio de la medicion de temperaturas superficales solo en los muros, tomadas en sus caras de orientación Oeste durante todo el periodo de la experimentación. Destaca de nuevo el prototipo A1 (30% microesferas de vidrio), que ha resultado ser el de mejor comportamiento (menor calentamiento superficial) con relación al muro (V1) blanco de revestimiento acrílico convencional. Se destaca que la diferencia en el promedio de las temperaturas, se mantiene durante todo el resto de la tarde en todos los casos. El orden de eficiencia decreciente de esta serie es el siguiente:

• A1 oeste, temperaturas promedio de 31,63 °C (1pm) y 32,38 °C (4pm), con mejoras de 4,01 °C (1pm) y 4,64 °C (4pm) respectivamente.
• A2 oeste, temperaturas promedio de 32,83 °C (1pm) y 33,03 °C (4pm), con mejoras de 2,81 °C (1pm) y 3,99 °C (4pm) respectivamente.
• B2 oeste, temperaturas promedio de 33,37 °C (1pm) y 33,22 °C (4pm), con mejoras de 2,28 °C (1pm) y 3,80 °C (4pm) respectivamente.

Durante todo el día, la superficie más ineficiente vuelve a ser el prototipo B4, llegando incluso a superar la temperatura superficial del muro convencional (V1) en -0,25 °C (10am) y 0,49 °C (1pm). Los niveles de mejoría se manifiestan en todas las tipologías, aumentando en cierto modo su capacidad de reducción a medida que pasan las horas.

Figura 13: Gráfica de temperaturas promedios, tomadas en tres momentos diarios, para la cara Oeste de los prototipos de muros.

En la figura 14 se pueden observar los resultados promedio de la medicion de temperaturas superficales solo en los muros, tomadas en sus caras de orientación Este durante todo el periodo de la experimentación. Se aprecia cómo de nuevo el prototipo A1 ha manifestado el mejor comportamiento promedio, con reducciones de hasta 4,79 °C (10 am) con relación al muro (V1) blanco de revestimiento acrílico convencional. El orden de eficiencia de esta serie es el siguiente:

• A1 Este, con temperaturas de 29,32 °C (10 am) y una mejora de 4,79 °C (10 am) durante las horas de la mañana
• A2 Este, con temperaturas que oscilan entre 30,83 °C (10 am) y una mejora de 3,29 °C (10 am) durante las horas de la mañana
• A3 Este, con temperaturas que oscilan entre 30,64 °C (10 am) y una mejora de 3,47 °C (10 am) durante las horas de la mañana

Sin embargo, en horas primeras de la tarde (01 pm) los más eficientes fueron de nuevo los prototipos A1, B2 y A2, con reducciones de 3,50 °C, 2,70 °C y 2,63 °C respectivamente. Durante todo el día, la superficie más ineficiente fue la B4, llegando incluso a superar la temperatura del muro convencional en -0,03 °C (10 am) aunque experimenta niveles de mejoría de 0,90 °C a inicios de la tarde.

Figura 14: Gráfica de temperaturas promedios, tomadas en tres momentos diarios, para la cara Este de los prototipos de muros.

• Los valores obtenidos tras la experimentación preliminar con pigmentos nir incorporados en la pintura blanca acrílica convencional que reviste los paramentos verticales revelan que la solución más efectiva es el prototipo A1: muro de fábrica de bloque de hormigón + revestimiento de mortero cemento + pintura acrílica blanca con únicamente un 30% de microesferas de vídrio, obteniendo promedios de reducción de 4,79 °C al este y 4,64 °C al oeste; los valores máximos alcanzados durante el día más caluroso fueron de 4,40 °C al este y 7,80 °C al oeste.
• Aunque los muros tipo a (obra de fábrica de bloques de hormigón), han registrado en promedio mayores reducciones de temperatura y eficiencia que los muros tipo b (núcleo de eps), es apreciable que a medida que pasan las horas del día y la superficie de fachada se calienta más, los muros b también incrementan su capacidad de reduccion de temperatura. Esto puedo deberse a que el sistema de bloques de hormigón presentan un retraso térmico de 2 horas, mientras que los de eps presentan un retraso de 8 horas.
• En términos generals pues, todas las propuestas de revestimiento han resultado eficientes, unas en menor proporción que otras; esto deja evidenciado que la aplicación de las microesferas de vidrio incluidas como adición en pinturas mejora los índices de reflectancia de las superficies, a través de la reducción de los efectos del calor por radiación.