Envolvente, la clave de la eficiencia térmica

Saber por qué es importante el diseño de la envolvente en un edificio y qué es lo que se está haciendo en México para impulsar su aplicación son dos temas que todo diseñador, constructor y operador debe conocer a cabalidad para asegurar la eficiencia energética de los inmuebles

Odón de Buen

El confort térmico se ha convertido en uno de los principales usos de la electricidad en México y su crecimiento no se detendrá en los siguientes años, debido a un conjunto de factores estructurales. El primero de ellos es la posición geográfica del país, lo cual hace que prevalezca el clima cálido, ya sea de manera estacional y extrema, como en el norte del territorio nacional, o bien, a lo largo de todo el año, como ocurre en el sur y en las zonas costeras.

Asimismo, la economía de México ha evolucionado de tal forma que un número cada vez más grande de la población vive hoy en día en núcleos urbanos y pasa buena parte de su tiempo en edificaciones que concentran mucha más actividad.

También es muy notable el crecimiento relativo del sector servicios (o terciario) respecto de los demás. Esto implica una creciente demanda de nuevos inmuebles, como edificios de uso comercial y de servicios (oficinas, plazas comerciales, hospitales, escuelas, entre otros).

Aunado a ello, en regiones de clima cálido se ubican  centros de actividad económica, donde son mayores las necesidades energéticas para cubrir las demandas de confort térmico de los ocupantes.

En consecuencia, el consumo de energía para dicho propósito resulta fundamental y perfila un crecimiento significativo a mediano plazo. De acuerdo con la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (Conuee), el uso de electricidad para sistemas HVAC en zonas de clima cálido representa más del 30 por ciento de todo el consumo eléctrico del sector residencial. En promedio, una persona que vive en una región calurosa consume el doble de electricidad que una en clima templado. Este dato llega a ser cinco veces mayor para los usuarios con tarifa 1-f, es decir, aquellos que utilizan la energía para servicio doméstico; todo esto provoca un impacto notable en la hacienda pública, ya que el Gobierno Federal aporta más de 40 mil millones de pesos anuales para pagar el costo no cubierto por los usuarios domésticos del servicio eléctrico para confort térmico en zonas de clima cálido.

Lo anterior se refleja con enorme claridad en las curvas de demanda del sector eléctrico nacional que, de acuerdo con el Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional 2017 (Prodesen), emitido por la Secretaría de Energía (Sener), están determinadas por el servicio de aire acondicionado. Este proceso ha llevado a que, en México y desde hace ya más de 10 años, el consumo eléctrico de los edificios de uso residencial y comercial resulte mayor que el correspondiente a las instalaciones industriales.

Otro factor decisivo es que tres cuartas partes de la matriz de generación de energía en el país proceden de combustibles de origen fósil, por lo que el consumo de electricidad implica la emisión de Gases de Efecto Invernadero (GEI), que a su vez se convierten en la huella de carbono de las edificaciones y de las localidades donde éstos se ubican.

La importancia de la envolvente
Son tres las variables que determinan la sensación de confort térmico dentro de una edificación:

1. Temperatura
2. Humedad
3. Velocidad del aire que lo rodea

En un espacio cerrado, estos tres elementos son regulados con ventiladores y/o sistemas de aire acondicionado. A su vez, la capacidad de los equipos HVAC y la cantidad de energía que consumen para proveer confort térmico suele ser alta y depende de cuatro tipos de cargas térmicas que inciden sobre el espacio interior. Éstas son:

Irradiación solar. Es el calor irradiado por el sol de forma directa o indirecta y que penetra al espacio interior de un edificio a través de ventanas, sean éstas transparentes o traslúcidas
Conducción térmica. Alude a la diferencia de temperaturas entre el interior y exterior de un inmueble, a través de cualquier elemento que se ubica entre ambos ambientes
Cargas internas. Se encuentran dentro del espacio e incluyen el calor emitido por equipos varios, la iluminación y las personas
Infiltración. Sucede por la introducción de aire exterior

Una consideración de enorme importancia, relacionada con el comportamiento y las necesidades energéticas del inmueble, es el hecho de que la envolvente es un elemento que se diseña para toda la vida de la edificación, a diferencia de los sistemas de climatización que tienen vidas útiles de hasta diez años. De hecho, la duración de la envolvente puede ir de un mínimo de 30 años hasta varios siglos, dependiendo de su diseño. Cabe destacar que su reemplazo resulta mucho más costoso que cuando se instala durante el proceso de construcción.

Cargas térmicas solares y su control
Un dato que evidencia la importancia de la irradiación solar como carga térmica en una edificación es que, en condiciones de claridad y al mediodía de finales de marzo en casi cualquier punto de México, a una superficie horizontal le llega un promedio de mil watts por metro cuadrado, lo que en una hora almacena energía suficiente como para hacer funcionar un refrigerador mediano durante un día.

Si lo anterior es para un metro cuadrado durante una hora, no cuesta trabajo imaginar lo que sucede en una superficie mayor a lo largo de varios días: una gran cantidad de energía en forma de calor que, si no se le impide el paso, termina en el espacio interior de la edificación y obliga a invertir en equipos grandes y con muchas horas de operación, lo que implica un alto consumo energético.

Por supuesto, esta condición es extrema. Sin embargo, aun en superficies verticales con envolvente transparente o traslúcida, las ganancias de calor son muy importantes todo el año en las fachadas con orientaciones al este y oeste, y en el invierno en las que dan al sur, cuando el trayecto relativo del sol ocasiona que la irradiación directa llegue a los espacios interiores.

El punto anterior es conocido de sobra por quienes diseñan sistemas de climatización y es uno de los mayores retos en edificios con alto porcentaje de superficie de vidrio, así como en lugares donde la irradiación solar, más que la temperatura externa, determina el tamaño de los equipos y la distribución del aire acondicionado en distintos puntos de un inmueble, como es el caso de Ciudad de México.

Por lo mismo, son de gran importancia los factores que definen los arquitectos, como la orientación y las formas en las que se evita la ganancia solar. También existen materiales y arreglos para las superficies vidriadas que permiten dos procesos: reflejar la energía solar en general o los componentes de manera espectral, es decir, dejar pasar la luz y dejar afuera el calor. Estos elementos consisten en espesores superiores, cámaras intermedias a base de algún gas noble, películas intermedias o sobrecolocadas e, incluso, dobles o triples acristalamientos. Estos últimos tienen el efecto de reducir la conducción térmica, lo cual es importante en localidades con climas extremosos.

Cargas por conducción térmica
La temperatura de un objeto es el producto de su actividad termodinámica y, sin una fuente interna de calor, ésta se encuentra determinada por los elementos circundantes. Se trata de un proceso que tiende siempre al equilibrio, pues el calor fluye de los puntos de mayor a los de menor temperatura. A este flujo se le conoce como conducción térmica.

Esto es precisamente lo que sucede en las superficies y espacios de una edificación expuestos a las condiciones climáticas del ambiente exterior y a la radiación solar, así como a la temperatura interior que se mantiene en un rango de confort.

En comparación con lo que pudiera ser la radiación solar directa en una superficie horizontal, lo que se gana por metro cuadrado por conducción es significativamente menor, pero esta carga está presente día y noche por varios meses, como sucede en el verano en las regiones del norte de México, o durante todo el año, en las del sur.

Para minimizar las ganancias por conducción, se utilizan materiales que retardan el flujo de calor, mejor conocidos como aislantes térmicos. Estos materiales, generalmente, vienen como elementos de arreglos que se componen de varias capas, fuera de la vista de los ocupantes y sin alterar la imagen externa e interna de la edificación.

Es posible, además, lograr la regulación de la conducción utilizando materiales que, por su masa térmica, modifican la velocidad del flujo de calor y permiten la estabilidad térmica en el interior. Ésta es una práctica milenaria bien establecida y reconocida, pero implica el uso de materiales cuyo peso los hace aplicables solamente en edificaciones residenciales o de baja altura.

Las iniciativas de la Conuee
En México se han logrado avances significativos en la mejora de la eficiencia energética de los edificios, desde los equipos que se utilizan hasta los elementos de la envolvente y su aplicación integral en el diseño. Esto se ha logrado a través de una variedad de programas en el sector de la energía y en el de la vivienda. Sin embargo, el programa más relevante en virtud de su alcance e impacto ha sido el de las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) de eficiencia energética, las cuales son regulaciones técnicas de cumplimiento obligatorio en todo el territorio nacional. Su aplicación está fundamentada en la Ley Federal sobre Metrología y Normalización (LFMN), la cual establece, entre sus objetivos, la preservación de los recursos naturales no renovables, como los combustibles fósiles.

Desde 1995 y a la fecha, la Conuee (antes Conae) ha implantado un número importante de NOM de eficiencia energética, que establecen valores de desempeño energético de los sistemas más utilizados en los hogares. Éstas han desembocado en impactos sumamente positivos, en particular por su efecto en los equipos nuevos que se integran al sector residencial.

Entre las NOM de la Conuee actualmente en vigor, resaltan dos relacionadas con los elementos de la envolvente y otro par más con la envolvente como sistema. Las primeras aplican a los aislamientos térmicos y a las características de los vidrios, por lo que son fundamentales para tener certidumbre acerca del comportamiento de los elementos y estructuras de construcción que determinan las ganancias térmicas solares y por conducción:

• NOM-018-ENER-2011Aislantes térmicos para edificaciones. Características, límites y métodos de prueba. Indica los métodos de prueba para evaluar la conductividad o resistencia térmica, densidad aparente, permeabilidad al vapor de agua, la adsorción de humedad y absorción de agua, que se indiquen en los materiales homogéneos comercializados en el país con propiedades de aislantes térmicos
• NOM-024-ENER-2012Características térmicas y ópticas del vidrio y sistemas vidriados para edificaciones. Etiquetado y métodos de prueba. Establece los métodos de prueba para evaluar la transmitancia visible, el coeficiente de ganancia de calor solar, sombreado, global de transferencia de calor y visible térmico, que se indiquen en los sistemas vidriados comercializados en el país

Por su parte, las NOM relacionadas con la envolvente, en tanto sistema, aplican a edificios residenciales y no residenciales, y permiten evaluar de manera integral, la ganancia térmica total por cargas solares y por conducción en techo, muros, ventanas y puertas. Éstas son:

• NOM-008-ENER-2001Eficiencia energética en edificaciones, envolvente de edificios no residenciales. Limita la ganancia de calor de las edificaciones a través de su envolvente, con el propósito de racionalizar el uso de la energía en los sistemas de enfriamiento. Aplica a todos los edificios nuevos y las ampliaciones de los ya existentes, cuyo uso primordial no sea industrial o habitacional
• NOM-020-ENER-2011Eficiencia energética en edificaciones, envolvente de edificios para uso habitacional. Limita la ganancia de calor de los edificios para uso habitacional a través de su envolvente, con la finalidad de racionalizar el consumo energético de los sistemas de enfriamiento

Verificación y cumplimiento de las NOM
El proceso de verificación y cumplimiento de las regulaciones anteriores se sustenta en un sistema conocido como de evaluación de la conformidad, integrado por laboratorios de prueba, organismos de certificación y Unidades de Verificación acreditadas por la Entidad Mexicana de Acreditación (ema) y aprobadas por la Conuee.

Para los materiales y equipos, los laboratorios llevan a cabo experimentos de acuerdo con lo que dictan las normas, y los organismos otorgan certificados a los equipos que cumplen con las características establecidas. Para sistemas como la envolvente de la vivienda, el cumplimiento de una NOM se demuestra con un dictamen expedido por una Unidad de Verificación autorizada.

En el caso de las NOM relacionadas con los elementos de la envolvente existen tres laboratorios para la NOM-018-ENER, y está en proceso el establecimiento de uno para la NOM-024-ENER. Asimismo, 10 personas físicas y/o morales han cumplido con los requisitos para fungir como Unidades de Verificación, las cuales llevan a cabo la evaluación de la conformidad para la NOM-ENER de sistemas.

No obstante, mientras que el cumplimiento de las NOM de elementos está bajo la supervisión directa de la Conuee, para las de la envolvente como sistema se depende de terceras partes, en particular de los ayuntamientos. En este caso, el acatamiento tiene que darse por medio de la integración a los reglamentos de construcción locales y haciendo uso del sistema de evaluación de la conformidad establecido por la LFMN. Afortunadamente, ya son varias las ciudades mexicanas que han integrado estas NOM, como Mérida,― o bien, que lo están considerando, como Ciudad de México, Villahermosa y Mexicali.

Otras contribuciones relevantes
En este esfuerzo, destacan también tres iniciativas cuyo origen está en el sector privado. Una es la NMX-460, desarrollada por la Asociación de Empresas para el Ahorro de Energía en la Edificación (AEAEE), actualmente Alianza por la Eficiencia Energética-ALENER, y que ha servido en la aplicación de elementos de aislamiento térmico en la Hipoteca Verde. Otra es el Código de Conservación de Energía para las Edificaciones de México, elaborado por la organización Calidad y Sustentabilidad en la Edificación (Casedi), el cual incorpora un amplio catálogo de normas (NOM y MMX)  aplicables para lograr el ahorro energético en las edificaciones. Mención aparte merece la NMX-U-125 Revestimiento para techo con alto índice de reflectancia solar, desarrollada y promovida por la Asociación Nacional de Fabricantes de Pinturas y Tintas (Anafapyt). Esta norma permite reducir la temperatura de los techos, a fin de mejorar la habitabilidad de las viviendas y reducir su gasto energético.

Reflexión final
Aun cuando el consumo de energía en edificaciones en México tiene y seguirá teniendo gran relevancia para el sector eléctrico y para la huella de carbono del país, el que se reconozca a la envolvente como un elemento clave en la intensidad de su consumo y que existan instrumentos de política disponibles para mitigar estas tendencias, las prácticas tradicionales y el peso que se le da al costo inicial de una edificación sobre el de su vida útil (incluyendo el dinero y la huella de carbono), han retrasado la integración del diseño y la aplicación adecuada de los elementos de la envolvente en los inmuebles.

Por un lado, quienes se encargan del diseño de los sistemas de confort térmico generalmente responden y apoyan a una propuesta arquitectónica determinada, sin involucrarse demasiado en las decisiones acerca de las características térmicas de la envolvente, dejando estas definiciones a los arquitectos, para quienes la vista exterior es un elemento central por su visibilidad.

Otro factor relevante es que, además del aspecto estético, los diseñadores y desarrolladores buscan el menor costo en la construcción. Por lo mismo y en un proceso con este patrón, no se consideran los impactos en el costo de operación de los edificios y, ante la falta de un sistema que asegure el cumplimiento de regulaciones como las NOM-008 y 020, en México, se seguirá comprometiendo grandes y crecientes consumos de energía y de emisiones de GEI por los años que duren las edificaciones construidas hoy en día.

Como ya sucede con las edificaciones más sofisticadas y modernas del país, la actividad del diseño debe ser un proceso dinámico e interdisciplinario, que incorpore perspectivas que vayan más allá del costo inicial y en el que se evalúen los impactos de elementos de la envolvente a través de simulaciones numéricas. Como ya se ha demostrado, éstas sirven para tomar mejores decisiones, no sólo para los responsables de diseñar, construir y operar los edificios, sino también para las personas que los ocupan, las comunidades y núcleos urbanos donde se ubican y, por supuesto, para el país y el planeta que todos compartimos. De momento, y mientras estas prácticas no se generalicen, apliquemos las NOM.

Odón de Buen
Ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM, maestro en Energía y Recursos por la Universidad de Berkeley, California, y profesor asociado de la maestría en Ingeniería Energética en la UNAM. Autor de diversos reportes técnicos sobre ahorro de energía y fuentes renovables, publicados tanto en México como en EEUU. Actualmente es director general de la Conuee.