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ISOBIO: Cálculo higrotérmico y validación de un panel aislante estructural con materiales de origen biológico

Paneles aislantes con fibras vegetales en el proyecto ISOBIOEste articulo presenta los resultados de Progetic en el proyecto europeo ISOBIO (2015-2019) financiado bajo el programa Horizon2020 en el apartado de Materiales para la Envolvente de los Edificios, EeB-01-2014. El proyecto desarrolló nuevos materiales aislantes y revocos a partir de fibras vegetales, residuos agrícolas, y aglomerantes biológicos, con el objetivo de reducir tanto la energía embebida de los materiales en la fase de fabricación como el consumo energético en la fase de uso de un edificio. 

Los materiales se incorporaron en un panel prefabricado estructural aislante, para edificios de nueva construcción de consumo casi nulo. El panel se instaló en 2 demostradores, el “HIVE” (University of Bath, Wroughton, Reino Unido), y el “Test Cell” (Acciona, Sevilla, España), donde se monitorizó su comportamiento higrotérmico. Los resultados permitieron validar los modelos de cálculo en régimen dinámico (con la herramienta WUFI, según la EN 15026) y en régimen estacionario (valor U, según la UNE ISO 6946), mostrando un excelente comportamiento higrotérmico y una correlación muy estrecha entre los valores calculados y medidos.

Frente al impacto ambiental del sector de la construcción- responsable de un 40 % del consumo total de energía primaria de la Unión Europea- reducir tanto la energía embebida de los materiales en la fase de fabricación, como el consumo energético de los edificios en su fase de uso- son tareas urgentes. La madera, los residuos agrícolas, y los materiales de origen biológico, son recursos renovables locales que se pueden aprovechar para fomentar la economía circular y reducir el impacto ambiental del sector de la construcción. El presente artículo muestra un ejemplo de un panel prefabricado estructural aislante, hecho con materiales de origen biológico, para edificios de nueva construcción de consumo casi nulo.

Panel ISOBIO para edificios de nueva construcción

El prototipo del panel que se monitorizó mide 1,95m x 1,95m, con un espesor total de 33,2cm en 8 capas con 9 materiales diferentes (Figura 1). Se compone de un revoco exterior compuesto de cal y cáñamo de 25mm de espesor, aplicado sobre un aislamiento térmico rígido de cáñamo de 50mm, fijado mecánicamente a la estructura de madera de pino rojo de 145mm de espesor. Entre la estructura hay aislamiento de cáñamo, algodón, y lino, seguido por un tablero de OSB 3 de 12 mm. Sobre el OSB se ha fijado una membrana hermética y de control de vapor dinámico, seguido por una cámara de instalaciones de 45mm de espesor con aislamiento térmico de cáñamo, algodón, y lino, entre rastreles de madera, girados a 90º en relación a la estructura para mitigar el puente térmico a través de los elementos de madera. La cámara se cierra con un tablero de paja termo-comprimida de 40mm de espesor, revocado al interior con un compuesto de arcilla y cáñamo, aplicado en 3 capas, de 15mm de espesor.

Secciones y composición del panel ISOBIO

Figura 1: Secciones y composición del panel ISOBIO

Ubicación y tipo de sensores instaladores en el panel

Figura 2: Ubicación y tipo de sensores instalados en el panel

Figura 4: Instalación de los paneles en el demostrador Test Cell, Sevilla, España

 Figura 4: Instalación de los paneles en el demostrador Test Cell, Sevilla, España

Instalación y monitorización en los demostradores


La imagen que abre este artículo y la imagen de la figura 4 muestran la instalación de los paneles en los demostradores en Wroughton y Sevilla respectivamente. Se instaló un sistema de monitorización con una estación meteorológica registrando las condiciones exteriores, una sonda de temperatura en la cara exterior del panel, un sensor de flujo de calor y una sonda de temperatura en la cara interior, conforme la ISO 9869 [1]. Adicionalmente, se instalaron sondas de temperatura y humedad relativa en 3 puntos intersticiales (Figura 2), para medir el comportamiento higrotérmico dinámico al interior del panel y comparar los resultados con el modelo WUFI, conforme la EN 15026 [2]. Los datos se midieron a un intervalo de 5 minutos. La temperatura interior se mantuvo a una temperatura media de 25,5ºC durante todo el periodo, con un calentador eléctrico de aire.

Resultados de monitorización y validación de los modelos de cálculo

La Tabla 1 muestra los resultados de cálculo de la U del panel ISOBIO conforme la ISO 6946 [3] en régimen estacionario. Para las conductividades térmicas de los materiales, se tomaron los valores medidos en laboratorio (para el material seco a 10ºC, con un contenido de agua w=0), y se recalcularon con un modelo desarrollado por la Universidad de Rennes 1, para el material a una humedad relativa del 50%, siendo un contenido de agua más realista. Para la comparativa con los datos experimentales se despreció el efecto térmico de los elementos estructurales de madera, ya que su incidencia en las mediciones de flujo de calor, temperatura y humedad relativa se consideraron despreciables.

Se presentan los resultados del periodo 24/02/2018 a 14/03/2018 en el demostrador HIVE, Reino Unido, durante un total de 432 horas, o 18 días, con 5.184 puntos de datos. La Tabla 2 y la Figura 5 muestran los resultados de la transmitancia térmica medida in-situ conforme la ISO 9869, y su comparación con el valor calculado en régimen estacionario, conforme la ISO 6946. La Figura 6 muestra la transmitancia térmica medida in-situ, comparado con el valor dinámico calculado con la herramienta WUFI. La Figura 7, Figura 8 y Figura 9, muestran la temperatura y humedad relativa medida y calculada con WUFI, al interior del panel, en las 3 posiciones indicadas en la Figura 2.

Tabla 1: Cálculo de la U del panel ISOBIO de nueva construcción, conforme la ISO 6946

Tabla 1: Cálculo de la U del panel ISOBIO de nueva construcción, conforme la ISO 6946

Resultados, U medido in-situ y U calculado (ISO 6946)

Tabla 2: Resultados, U medido in-situ y U calculado (ISO 6946)

Figura 5: U medido in-situ vs. U calculado estacionario (ISO 6946)

Figura 5: U medido in-situ vs. U calculado estacionario (ISO 6946)

Figura 6: U medido in-situ vs. U calculado dinámico (WUFI)

Figura 6: U medido in-situ vs. U calculado dinámico (WUFI)

Figura 7: Temperatura & humedad relativa medida vs. modelada con WUFI, Posición 2


Figura 7: Temperatura & humedad relativa medida vs. modelada con WUFI, Posición 2

Figura 8: Temperatura & humedad relativa medida vs. modelada con WUFI, Posición 3

Figura 8: Temperatura & humedad relativa medida vs. modelada con WUFI, Posición 3

Figura 9: Temperatura & humedad relativa medida vs. modelada con WUFI, Posición 4

Figura 9: Temperatura & humedad relativa medida vs. modelada con WUFI, Posición 4

Discusión y conclusiones


El resultado de la transmitancia térmica media medida in-situ (Figura 5), es un 7 % más alto que el valor calculado en régimen estacionario, siendo una diferencia mínima, dentro del margen de incertidumbre de la medición. Los resultados indican un comportamiento fiable y una estrecha correlación entre lo calculado y medido. Pone de relieve la importancia de tomar en cuenta un contenido de humedad realista en los materiales, al momento de realizar un cálculo simplificado de transmitancia térmica, en donde el único parámetro es la conductividad térmica.

La transmitancia térmica horaria medida in-situ y los valores calculados dinámicamente con la herramienta WUFI (Figura 6), muestran una correlación aún mejor, con una diferencia del 4 % entre el promedio de la U medida in-situ y la U calculada con WUFI. Indica que el cálculo acoplado de transferencia de calor y humedad de la herramienta WUFI refleja con precisión la transmitancia térmica dinámica para un elemento constructivo de este tipo, con materiales de origen biológico.


Por último, los resultados de la temperatura y HR medida y modelada con WUFI en las posiciones 2, 3 y 4 (Figura 7, Figura 8 y Figura 9), muestran que las variaciones dinámicas de temperatura están muy bien reflejadas en el modelo. Las variaciones a corto plazo de la humedad relativa no se reflejan con la misma precisión en el modelo, posiblemente por la suposición que el contenido de agua en equilibrio en los materiales es instante, cuando en realidad, hay una histéresis [4]. No obstante, los resultados muestran una muy buena correlación entre lo medido y lo calculado, demostrando que los materiales de origen biológico en un panel compuesto de este tipo, pueden contribuir a la reducción de los consumos de energía de un edificio en su fase de operación, con una mínima cantidad de energía embebida de los materiales en la fase de su fabricación.

Agradecimientos

El proyecto ISOBIO se realizó gracias a la subvención N° 636835 otorgada por la Unión Europea. http://isobioproject.com.
Referencias
[1] ISO 9869-1:2014 Thermal Insulation – Building elements – in-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance (Aislamiento térmica – elementos constructivos – medición in-situ de la resistencia térmica y transmitancia térmica)
[2] UNE-EN 15026:2007, Comportamiento higrotérmico de componentes de edificios y elementos constructivos. Evaluación de la transferencia de humedad mediante simulación numérica. (Ratificada por AENOR en junio de 2010.)
[3] UNE-EN ISO 6946:2012, Componentes y elementos para la edificación. Resistencia térmica y transmitancia térmica. Método de cálculo. (ISO 6946:2007)
[4] N. Reuge, F. Collet, S. Pretot, S. Moisette, M. Bart, O. Style, A. Shea, C. Lanos 2019, Hygrothermal transfers through a bio-based multilayered ISOBIO wall – Part I: Validation of a local kinetics model of sorption and simulations of the HIVE demonstrator. Laboratoire de Génie Civil et Génie Mécanique, Axe Ecomatériaux pour la construction, Université de Rennes, 3 rue du Clos Courtel, BP 90422, 35704 Rennes, France.
 

 
Modificado por última vez enMartes, 08 Octubre 2019 10:37
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