Flujo de Calor en Edificios

Para determinar el flujo de calor en edificios debemos conocer, en primera instancia, las características termodinámicas de los materiales de construcción, ya que estos principalmente determinaran el flujo de calor.

Se han medido la capacidad calorífica específica y la capacidad calorífica volumétrica para diversos materiales de construcción. El hormigón, por ejemplo, tiene una capacidad calorífica específica de 880 J / kg*K, una capacidad calorífica volumétrica de 2060 kJ / m³*K y una densidad de masa de 2250 kg / m³.

Pero, ¿Cómo ayuda esto a saber cuánto calor se puede almacenar en las paredes de la casa?

Observando los planos y teniendo en cuenta el grosor de las paredes y de qué están construidas, se puede averiguar cuánta masa hay en las paredes. Usando la capacidad calorífica específica y determinando el gradiente de temperatura, puede calcular cuánta energía térmica se almacenaría en sus paredes con cada grado de aumento de temperatura y cuánta energía térmica se liberaría con cada grado de caída.

Ejemplo:

Digamos que existe una pared de concreto de 50centimetrosde espesor, tres metros de alto y 6 metros de largo en donde se registró un aumento de temperatura de 10°C y queremos calcular el calor almacenado.

Primero calculamos el volumen de la pared:

0.5 m x 3 m x 6 m = 9 m³

Calculo de cambio de temperatura

ΔT = T final – T inicial = 10°C = 10° K

Como la capacidad volumétrica de almacenamiento (Cv) del concreto es 2060 kJ/m³·K, calculamos la energía:

E = Cv * Volumen pared * ΔT  = 2060 kJ/m³·K * 9 m³ * 10 K = 185 400 kJ (185 400 000 J).

Ciento ochenta y cinco millones de Joules. Si bien este número a primera vista no nos dice mucha información, si lo comparamos con una fuente de energía habitual como el gas natural, que cuando se quema genera 37.5 millones de Joules.

Entonces, para elevar la temperatura de la pared en 10°C o 10°K, usando gas tomaría al menos:

185 400 000 J / 37 500 000 J/m³ = 4.95 m³ de gas natural.

Lo cual equivale a un precio estimado de $US 2,41 como referencia. esto asumiendo que todo funciona como sistema cerrado, en otras palabras, todo el calor se dirige hacia la pared.

Por último debemos considerar que en el ejemplo anterior, la pared es pequeña y comúnmente en una construcción existe un volumen de materiales mucho mayor, por lo tanto, estamos hablando de, potencialmente, de un cargo de varios cientos de dólares para calentar 10°C.

Durante el invierno, a menudo hay una temperatura de -30 grados Celsius en el exterior en las zonas más frias. Entonces, para calentar las paredes a temperatura ambiente, tendrían que calentarse a 50 grados Celsius (o 50 K). Ahora, ¿Cuánto pagarían por calentarlos? ¿Y seguir pagando, mientras las paredes se enfrían de nuevo?

Afortunadamente, existe otra forma. Usando el sol para calentar las paredes y aislación para evitar que el calor se escape.