¿Qué es la envolvente térmica del edificio? Cómo mejorar su aislamiento

• Elementos de la envolvente térmica
• Los puentes térmicos
• Factores que influyen en el correcto diseño de la envolvente térmica
• ¿Cómo podemos mejorar la envolvente térmica de un edificio?
• Sustitución de ventanas por otras más aislantes
• Mejora de la estanqueidad al aire de la envolvente térmica
• Protección solar e integración de la vegetación
• Cajón de persiana
• Difusión de vapor a través de la envolvente térmica y reducción del riesgo de condensaciones intersticiales
• La cámara ventilada en la envolvente térmica
• Inercia térmica
• Construcción industrializada
• Conclusiones

Según el CTE, la envolvente térmica es el conjunto de todos los cerramientos y particiones interiores, incluyendo puentes térmicos, que delimitan todos los espacios habitables del edificio o parte del edificio. Aunque esta definición es flexible, ya que el proyectista podrá incluir espacios no habitables. Y podrá no incluir, según el anejo C del DB HE, espacios habitables. Exactamente, espacios habitables que vayan a permanecer no acondicionados durante toda la vida del edificio. Por ejemplo, escaleras, ascensores o pasillos no acondicionados. Podrá excluir también espacios muy ventilados o con grandes aberturas según las condiciones establecidas reglamentariamente.

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Su función principal es de protección de las condiciones exteriores adversas correspondientes a la zona climática y el entorno donde se ubica el edificio. No hay que olvidar que los edificios interactúan con el ambiente exterior. A través de la envolvente térmica, se producen fenómenos físicos como la conducción, convección y radiación del calor, la difusión de vapor o las infiltraciones y exfiltraciones de aire. Es por ello, que la envolvente térmica es responsable de la mayor o menor demanda energética del edificio para mantener el confort interior de los usuarios. Ahí radica su importancia.

Para limitar la demanda energética y a su vez garantizar el confort interior, será exigible cumplir con las condiciones para el control de la demanda energética desarrolladas en el DB HE1 del CTE:

• La transmitancia térmica U límite (W/m²K) de los elementos que componen la envolvente térmica.
• El coeficiente global de transmisión de calor a través de la envolvente térmica Klim.
• El factor control solar qsol;jul,lim (kWh/ m²*mes)
• La permeabilidad al aire Q100,lim de los huecos.
• El valor límite de la relación cambio de aire n50, para determinados edificios.
• La limitación de las descompensaciones de las particiones interiores y de condensaciones.

Elementos de la envolvente térmica

Desde el punto de vista energético, la envolvente térmica se compone de los siguientes elementos constructivos:

• Muros de fachada y enterrados.
• Suelos
• Cubiertas
• Medianeras
• Huecos, ya sean ventanas, puertas o lucernarios.
• Particiones interiores, verticales o bien horizontales.
• Los puentes térmicos.

Los tres primeros pueden estar en contacto con el aire exterior  o con el terreno. Las medianeras, son muros adiabáticos. Es decir, muros a través de los cuales no se produce transmisión de calor. Y ello es debido a que separan espacios habitables con condiciones térmicas iguales. Un caso típico es el de muros que separan dos edificios distintos, pero ambos de uso residencial vivienda. Todos ellos se caracterizan por su valor U de transmitancia térmica.

Los huecos, ventanas, puertas y lucernarios, que se componen generalmente de dos elementos. Por un lado, el marco (de aluminio, PVC, madera, acero o una combinación de estos materiales) y por otro, el acristalamiento. Ambos se caracterizan también por el valor U de transmitancia térmica pero también por otros factores. Por un lado, el factor solar del acristalamiento. Su valor influirá en la demanda de calefacción y refrigeración. Determinar el valor correcto dependerá del clima y de la orientación de la ventana.  Y cumplir con el valor límite de control solar dependerá también de este factor, entre otros. Por otro lado, la permeabilidad al aire de los huecos de la envolvente térmica. La norma limita su valor, a clase 2 ó 3, en función de la zona climática de invierno donde se ubique el edificio.

Por último, las particiones interiores, cuyo valor U de transmitancia térmica se limita por normativa. Y finalmente los puentes térmicos, que influyen de manera significativa en el comportamiento energético de la envolvente térmica del edificio. 

¿Cómo se produce un puente térmico?

Un puente térmico se produce por una variación geométrica o constructiva de la envolvente térmica. El documento DA DB-HE/3 del CTE define un puente térmico, como aquella zona de la envolvente térmica del edificio en la que se evidencia una variación de la uniformidad de la construcción, ya sea por un cambio del espesor del cerramiento o de los materiales empleados, por la penetración completa o parcial de elementos constructivos con diferente conductividad, por la diferencia entre el área externa e interna del elemento, etc., que conllevan una minoración de la resistencia térmica respecto al resto del cerramiento.

Clasificación de los puentes térmicos

La norma UNE-EN ISO 10211 define un puente térmico como aquella parte del cerramiento de un edificio donde la resistencia térmica normalmente uniforme cambia significativamente debido a:

• Penetraciones completas o parciales en el cerramiento de un edificio, de materiales con diferente conductividad.
• Un cambio en el espesor de la fábrica.
• Una diferencia entre las áreas internas o externa, tales como juntas entre paredes, suelos o techos.

Los puentes térmicos más habituales en los programas de certificación de la eficiencia energética son:

• Pilar integrado en fachada o pilar en esquina
• Encuentro de fachada con:
  • Solera
  • Suelo en contacto con el aire.
  • Forjado
  • Voladizo
  • Cubierta 
• De contorno de hueco:
  • Vierteaguas o alfeizar
  •  Jambas
  •  Dintél
  •  Persiana
• Esquinas interiores y exteriores.

No obstante, se pueden considerar más puentes térmicos para un cálculo preciso de la demanda y del consumo energético del edificio:

• Otros puentes térmicos integrados en fachadas distintos de pilares, huecos o cajas de persianas.
• Unión de fachada con cerramiento en contacto con el terreno.
• Unión de fachada con muro enterrado o pantalla.
• Encuentros de tabiquería interior con cerramientos exteriores.

Los puentes térmicos influyen de manera significativa en la demanda energética del edificio. Se caracterizan por su transmitancia térmica, lineal o puntual, y su influencia se multiplica especialmente en cerramientos muy aislados. De ahí la importancia de la continuidad del aislamiento térmico en toda la envolvente. Por otro lado, son partes sensibles de la envolvente térmica, al aumentar el riesgo de formación de mohos y condensaciones superficiales, debido a la disminución de la temperatura en la superficie interior del cerramiento. 

Factores que influyen en el correcto diseño de la envolvente térmica

La principal función de la envolvente térmica es de protección frente a las condiciones exteriores adversas para garantizar el confort interior de los usuarios.  Y su correcto diseño es clave para conseguir el bienestar interior.

El correcto diseño de la envolvente térmica depende de diversos factores, no todos ellos relacionados directamente con la demanda y el consumo energético:

• Aislamiento térmico continuo. Esta es la clave para alcanzar la máxima eficiencia energética. Es lo que se conoce como regla del rotulador y la que permite resolver los puentes térmicos y reducir su valor casi al cero.
• Estanqueidad al aire. Una condición clave para el control de la demanda energética y la reducción del riesgo de condensaciones intersticiales y superficiales. Las infiltraciones y las exfiltraciones de aire no controladas aumentan la demanda energética del edificio y afectan a la calidad constructiva de los cerramientos.
• Barrera contra la humedad. Los cerramientos se diseñarán para limitar el riesgo de presencia inadecuada de agua o humedad en el interior. Todo ello como consecuencia de las precipitaciones en el exterior, las escorrentías, las fugas accidentales o las condensaciones. En este último aspecto, tiene mucho que ver la composición constructiva de los cerramientos y su resistencia a la difusión del vapor. Incluyendo el control de la temperatura operativa y la humedad relativa interior.
• Protección frente al ruido. Porque el bienestar de los usuarios también depende de la reducción de molestias causadas por el ruido del entorno. Para ello se debe aunar aislamiento acústico y correcto diseño y ejecución de uniones entre elementos constructivos. Todo ello para reducir la transmisión del ruido aéreo y por vibraciones.
• Protección frente al gas radón. Exigible en aquellos edificios ubicados en zonas con riesgo previsible de exposición inadecuada al radón procedente del terreno en espacios interiores. 

¿Cómo podemos mejorar la envolvente térmica de un edificio?

Mejorar la envolvente térmica de los edificios existentes es clave en el proceso de transición hacia un parque edificatorio descarbonizado. De hecho, existen en la actualidad ayudas públicas dirigidas a propietarios que quieren mejorar la eficiencia energética de su vivienda. A continuación, vamos a exponer los criterios clave a la hora de diseñar y mejorar la envolvente térmica del edificio:

 Los factores que definen el aislamiento térmico son el espesor y la conductividad ʎ (W/mK). El espesor dependerá fundamentalmente de la zona climática en la que se ubique el edificio. La conductividad, en cambio, dependerá del tipo de aislamiento a utilizar.

• Tipos de aislamientos térmicos

La naturaleza del aislamiento térmico es un factor para tener en cuenta. El EPS, PUR, PIR o XPS son aislamientos de baja conductividad, pero basados en derivados del petróleo. La lana mineral (MW) presenta una conductividad media a baja y se forma a partir de filamentos de roca, escoria, arena de sílice o vidrio. Otras opciones más ecológicas son los aislantes térmicos naturales como la fibra de madera, el corcho, la lana de oveja o el algodón reciclado entre otros.

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• Tipos de sistemas de aislamientos térmicos

Existen diferentes soluciones de aislamiento térmico para los cerramientos de la envolvente térmica:

• Consiste en instalar el aislamiento térmico por el exterior. Esta opción resuelve los puentes térmicos reduciéndolos casi a cero si están bien diseñados y la ejecución es correcta.
• Aislamiento insuflado en cámara. Su espesor dependerá del espesor de la cámara a rellenar. Para su instalación es necesario realizar perforaciones en la hoja existente y utilizar maquinaria específica para el insuflado. Los insuflados más utilizados son las bolitas de EPS, la lana de roca, el corcho o la celulosa a granel.
• Aislamiento térmico por el interior. Es la solución más habitual en toda rehabilitación energética. El mayor inconveniente es que no soluciona algunos puentes térmicos como por ejemplo los frentes de forjado. Por otro lado, existe un mayor riesgo de condensaciones intersticiales puesto que la distribución de temperaturas en invierno es fundamentalmente fría en la mayor parte de la sección del cerramiento.

En todo caso, se garantizará la continuidad del aislamiento. En primer lugar, se evitarán penetraciones que interrumpan el aislamiento térmico. Si, por el contrario, éste es interrumpido por algún elemento constructivo, se procurará que su conductividad sea la menor posible. Por otro lado, los marcos de ventanas, puertas y lucernarios estarán en contacto con el aislamiento térmico para resolver continuidad. 

Sustitución de ventanas por otras más aislantes

Las perdidas o ganancias de calor a través de las ventanas influyen de manera significativa en la demanda de calefacción y refrigeración de los edificios. Determinar su influencia, dependerá de factores como la zona climática, la proporción de ventanas frente a cerramientos opacos, la orientación y las características físicas y geométricas de las mismas. Se estima que, por regla general, se puede conseguir al menos un 10% de reducción de la demanda energética por cambio de ventanas.

La elección de las ventanas más aislantes dependerá de:

• La conductividad térmica U (W/m²K) del marco que dependerá del material y del diseño de la carpintería. Tendrán que ser marcos con rotura de puente térmico (RPT).
• El color del marco también influirá en la demanda energética. Siendo los colores oscuros más absorbentes del calor que los claros.
• La conductividad térmica U del vidrio (W/m²K) dependerá de la composición del acristalamiento. Los acristalamientos podrán ser dobles o triples. Las cámaras podrán estar rellenas de aire o de gases inertes.
• Factor solar del acristalamiento g. Su valor determina si el acristalamiento es de protección solar (valores próximos a cero) o bajo emisivos (valores más cercanos al 1). Los primeros bloquean la radiación solar, hecho que contribuye a reducir la demanda de refrigeración. Los segundos, reducen las pérdidas de calor del interior hacia el exterior a través del acristalamiento, hecho que reduce la demanda de calefacción.
• La hermeticidad al aire de la ventana que se determina en función de la clase de ventana. Siendo la clase 1, la menos hermética y la clase 4, la más hermética. Cuanto más hermética sea la ventana, menos infiltraciones de aire se generan y menos pérdidas de calor se producen.
• Material del intercalario, siendo preferibles materiales plásticos frente al acero inoxidable. 

Mejora de la estanqueidad al aire de la envolvente térmica

Según el DB HE1 del CTE las soluciones constructivas y condiciones de ejecución de los elementos de la envolvente térmica asegurarán una adecuada estanqueidad al aire. En particular, se cuidarán los encuentros entre los huecos y los cerramientos, puntos de paso a través de la envolvente térmica y puertas de paso a espacios no acondicionados.

En este sentido la norma establece un valor límite de permeabilidad al aire para los huecos que formen parte de la envolvente térmica. Siendo la clase 2 (≤27m³/hm²) el valor límite para zona climática de invierno α, A y B y clase 3 (≤9m³/hm²) el valor límite para zona climática de invierno C, D y E.

Por otro lado, la norma también limita el valor de la relación del cambio de aire n50, para edificios nuevos, de uso residencial privado de menos de 120 m² útiles. Esta limitación afecta a la permeabilidad al aire del edificio y su valor límite dependerá de su compacidad.

La verificación del cumplimiento de la permeabilidad al aire del edificio se podrá determinar mediante ensayo Blower door  o la fórmula del Anejo H del DB HE del CTE.

El estándar Passivhaus propone, más allá del cumplimiento normativo, la ejecución de una barrera de hermeticidad. Esta capa hermética será continua en toda la envolvente térmica y estará constituida por materiales específicos. Su objetivo consiste en eliminar infiltraciones y exfiltraciones de aire a través de la envolvente, evitar daños por humedad y mejorar el aislamiento acústico. Adicionalmente y para edificios certificados, se verificará mediante el ensayo Blower door que el valor de n50 es menor o igual a 0,6 h-1. 

Protección solar e integración de la vegetación

 La protección solar en los edificios sirve para bloquear la radiación solar no deseada en climas cálidos, calurosos y muy calurosos. Con esta estrategia se consigue reducir las ganancias de calor externas no deseadas, fundamentalmente en superficies acristaladas, para reducir la demanda de refrigeración.

Los dispositivos de protección solar pueden ser fijos o móviles. De accionamiento manual o motorizado. Los más comunes como protección solar en huecos acristalados son las persianas. Otras alternativas son las cortinas, interiores y exteriores, los toldos, las contraventanas o mallorquinas y las lamas, fijas o móviles, e incluso voladizos.

Otras soluciones alternativas para la reducción de ganancias de calor externas no deseadas son los elementos propios del edificio que arrojan sombra o la arquitectura enterrada. Y tampoco nos podemos olvidar de la vegetación integrada en la envolvente térmica del edificio, bien para bloquear la radiación solar o bien para aprovechar su inercia térmica y propiedades aislantes. Dos ejemplos conocidos de integración de la vegetación en los edificios son las fachadas verdes y las cubiertas vegetales. Soluciones que además reducen el efecto de isla de calor reduciendo en algunos grados la temperatura ambiente del entorno. 

Cajón de persiana

El cajón de persiana es un tipo de puente térmico que reduce la resistencia térmica en muros de fachada. Su valor de conductividad lineal dependerá por un lado de la composición constructiva de la fachada. Por otro, del material que constituye el cajón de persiana, generalmente aluminio o PVC, y de si tiene aislamiento térmico o no y su espesor. Su conductividad lineal puede estar comprendida entre valores próximos a 2 W/mK y 0,5 W/mK.

Por otro lado, la hermeticidad al aire de la envolvente térmica se podrá ver comprometida en función de la estanqueidad al aire del cajón de persiana y su correcta instalación. En este sentido, habrá que valorar su instalación y elegir la solución constructiva más conveniente. Todo ello con el objetivo último de reducir pérdidas y ganancias de calor no deseadas, además de infiltraciones y exfiltraciones de aire no controlada. Por lo tanto, el cajón de persiana tendrá que ser hermético y estar correctamente aislado e instalado, cuidando los encuentros con el marco de la ventana y el muro de fachada. 

Difusión de vapor a través de la envolvente térmica y reducción del riesgo de condensaciones intersticiales

Uno de los fenómenos físicos que se produce a través de la envolvente es la difusión de vapor a través de materiales porosos. El vapor contenido en el aire se transmite desde los espacios de mayor presión hacia los de menor presión para mantener el equilibrio. Este fenómeno está asociado a la generación de condensaciones intersticiales, causa de la degradación de los materiales de construcción. Las condensaciones se producen cuando la presión de vapor en la sección del cerramiento supera a la presión de vapor de saturación.

El correcto diseño de la envolvente pasa por el análisis de las condiciones interiores y exteriores de temperatura y humedad de la localidad donde se ubica el edificio. A partir de ahí se estudia la distribución de las temperaturas, de la presión de vapor y de la presión de vapor de saturación en el cerramiento. Para ello disponemos de aplicaciones informáticas y online, que analizan el riesgo de condensaciones teniendo en cuenta la composición constructiva del cerramiento.

Las estrategias recomendadas para reducir el riesgo de condensaciones intersticiales son:

• Instalar el aislamiento térmico por el exterior y de espesor suficiente. Contribuyendo así a elevar la temperatura del mismo reduciendo así el riesgo de condensaciones.
• Eliminar el exceso de humedad interior mediante la ventilación.
• Ordenar los materiales de la envolvente térmica de menor a mayor resistencia a la difusión del vapor µ, en la dirección del flujo, para favorecer la difusión.
• Bloquear la difusión del vapor de agua mediante la instalación de una barrera de vapor en la cara caliente del cerramiento. Bien en el interior o bien en el exterior. Su ubicación dependerá de la dirección en la que se produzca la difusión del vapor, de interior hacia el exterior o al revés, según la climatología de la zona. 

La cámara ventilada en la envolvente térmica

La cámara ventilada puede ser un recurso útil fundamentalmente en climas cálidos y húmedos. El ejemplo más conocido es la fachada ventilada compuesta por una hoja interior soporte, una cámara ventilada, y una hoja exterior ligera anclada a la hoja interior. En su origen la fachada ventilada se creó para drenar las infiltraciones de agua a través de la hoja exterior. Este sistema incluía también la recogida del agua filtrada y su posterior evacuación. Posteriormente se añadió el aislamiento térmico, cuya instalación y funcionamiento es el equivalente al SATE comentado anteriormente. Cada uno de los elementos que componen la fachada ventilada tiene una función concreta:

• La hoja exterior proporciona sombra a la hoja interior actuando como amortiguador térmico. También tiene una función estética.
• La cámara de aire sirve para disipar el calor en verano y conservarlo en invierno. En los meses calurosos el aire de la cámara se calienta y asciende arrastrando aire frío por la parte inferior. En invierno, el aire se calienta, pero no lo suficiente como para crear una corriente de convección. La corriente de aire también favorece la disipación del vapor de agua.
• La hoja interior es soporte del aislamiento térmico continuo, lo cual resuelve los puentes térmicos. Será necesario comprobar que dicho aislante cumple las condiciones reglamentarias por incendios (DB SI) y de protección frente a la humedad (DB HS). Por otro lado, sirve de soporte para el anclaje, mediante grapas o estructura auxiliar, de la hoja exterior.

Las cubiertas planas e inclinadas más tradicionales también solían incluir una cámara de aire ventilada con funciones similares. Disipar el calor y la humedad y actuar de colchón térmico. Lo que no se recomienda en ningún caso, es utilizar la cámara de aire, ventilada o no, como aislamiento térmico. 

Inercia térmica

La inercia térmica o masa térmica es la capacidad de los materiales de construcción para absorber el calor gradualmente y almacenarlo, para desprenderlo horas más tarde. Incluso hasta 12 horas de diferencia. Con esta estrategia se consigue un desfase entre el momento en el que la temperatura alcanza su máximo valor en el exterior y el momento en el que se alcanza en el interior.

Todos los materiales son capaces de almacenar calor, no obstante, los materiales pesados tienen más inercia térmica que los ligeros. Por lo tanto, el letargo es mayor en los primeros que en los segundos. Tampoco hay que confundir el aislamiento con la inercia térmica. Los materiales aislantes no transmiten el calor ni tampoco lo almacenan. Tienen una resistencia térmica elevada. Los materiales con masa térmica en cambio, absorben el calor, lo almacenan y lo transmiten. Aunque al tacto parezcan materiales fríos.

La función principal de la inercia térmica consiste en mantener una temperatura interior estable. Este es el principio, por ejemplo, de la arquitectura enterrada donde se aprovecha la inercia térmica del terreno. En general, lo materiales de construcción con masa térmica, absorben el calor de la radiación solar exterior y también de las cargas internas de calor, directa o indirectamente. Horas más tarde, ese calor es liberado hacia el interior, cuando la temperatura en el exterior cae.

El calor desprendido más tarde puede ser beneficioso para mantener una temperatura de confort interior durante la noche, en zonas climáticas más frías o durante el invierno. Sin embargo, en climas más cálidos o durante el verano, puede ser necesario disiparlo durante la noche, ya sea mediante ventilación natural o mecánica. Durante el día, en cambio, la inercia térmica permitirá refrescar las estancias, ya que, al tacto, las superficies permanecen frías. 

Construcción industrializada

 La construcción industrializada puede ser un gran aliado en el diseño de la envolvente térmica de edificios sostenibles. Ya hemos comentado en artículos anteriores todas las bondades de estos sistemas constructivos. En primer lugar, son sistemas de construcción en seco, por lo que se reduce el consumo de agua. Los elementos industrializados se fabrican en taller, en un ambiente seguro en el que el proceso de diseño y producción está muy controlado y automatizado. El consumo energético es menor debido a la rapidez y la sencillez de la instalación del sistema. Se reducen residuos, ya que todo se fabrica a medida para ensamblar en obra. Además, las actuaciones de mantenimiento y reparación son más sencillas debido a su capacidad de desmontaje, sin apenas generación de escombro.

Otra ventaja es que la construcción industrializada ofrece soluciones integrales y de gran versatilidad. Es posible construir un edificio a partir de un único producto base. El panel sandwich es un ejemplo de ello, el cual se puede instalar como muro de fachada, forjado, partición interior o cubierta. Para ello puede ser necesario añadir alguna capa adicional al panel. De esta manera se puede adaptar en función de cómo y dónde se instale. Suelen ser soluciones constructivas ligeras, autoportantes o que requieren de una estructura auxiliar para su instalación, pudiendo combinar diferentes tipos de materiales. Los paneles suelen estar formados por una capa interior y otra exterior que encierra un núcleo de aislamiento. Las capas externas del panel pueden ser de madera, derivados de la madera, acero u hormigón tipo GRC.

Por último, es importante destacar la adaptación de las soluciones constructivas industrializadas a las exigencias del CTE: seguridad estructural, incendio, utilización y accesibilidad, energía y ruido. Incluido el cumplimiento de los requisitos del estándar de edificios de consumo de energía casi nulo. 

Conclusiones

El Pacto Verde Europeo tiene como objetivo alcanzar la neutralidad climática en 2050. Y a este objetivo deben de contribuir los edificios mediante la reducción de su consumo energético y las correspondientes emisiones de CO2. La década 2020-2030 es clave para conseguirlo. Los edificios que se construyan y también los que se rehabiliten tendrán que alcanzar el estándar de edificio de consumo casi nulo de energía (NZEB). Concepto que será sustituido por edificios de cero emisiones (ZEB), para alcanzar el objetivo de descarbonización del parque edificado en Europa antes de 2050.

Por todos es sabido que los edificios son responsables del 40% de consumo de energía en la UE. También del 36% de las emisiones de CO2 causantes del efecto invernadero. La construcción de edificios nuevos altamente eficientes y la rehabilitación energética de los edificios existentes tienen un gran peso en el camino a la consecución de los objetivos de descarbonización del parque edificatorio. De ahí la importancia de diseñar y construir edificios cuya envolvente térmica limite las necesidades de energía. Y sobre todo priorizando las soluciones bioclimáticas pasivas y basadas en la naturaleza.

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