¿Cómo convertir los sistemas de fachada opacos en sistemas inteligentes?

Las fachadas adaptativas son una de las opciones tecnológicas más prometedoras, al tener la habilidad de modificar autónoma y reversiblemente alguna de sus funciones, características o comportamientos ante distintas condiciones de contorno. Cuando el comportamiento adaptativo viene gestionado por un sistema de control externo, a través de sensores, actuadores y algoritmos informáticos, se denomina fachada inteligente.

El comportamiento dinámico más difundido en las envolventes es el control autónomo de las ganancias térmicas solares y la iluminación natural, a través de sistemas de vidrios inteligentes y elementos de sombreamiento móviles. Existen varios ejemplos construidos, entre los más icónicos el MediaTIC de Barcelona o las torres Al Bahr de Abu Dhabi. Los muros cortina inteligentes son ya una realidad tecnológica y existen variantes más complejas que el simple control lumínico. Por ejemplo, en los muros cortina de doble piel se controla tanto el sombreamiento como las aperturas de ventilación de la piel interior. De esta manera, se ventila naturalmente cuando el aire de la cámara está a la temperatura deseada.

Los ejemplos construidos de fachadas inteligentes tienen un comportamiento dinámico solamente en la parte transparente de la envolvente. Sin embargo, en los últimos años están emergiendo nuevos conceptos para conseguir dicho comportamiento en toda la fachada

Además, controlando las aperturas de la cámara de aire, se puede regular la temperatura que alcanza: gracias al efecto invernadero se calienta en los días soleados de invierno y en condiciones de verano, se puede potenciar la ventilación de esta cámara mediante sus aperturas (móviles) para evitar su sobrecalentamiento. El edificio KfW Westarkade situado en Fráncfort cuenta con este tipo de fachada inteligente. 

Para la difusión de los muros cortina inteligentes a mayor escala es necesario optimizar al máximo estos sistemas, con algoritmos de control que elijan la configuración adecuada en cada momento. Además, para garantizar la aceptación de estas tecnologías por parte de los usuarios, es esencial que el sistema de control sea capaz de considerar las preferencias de los habitantes del edificio. Las fachadas deberán ser, por lo tanto, no solo inteligentes, sino que además deberán tener un enfoque que se centre en el usuario.

Componentes de fachada opacos

Por ahora, los ejemplos construidos de fachadas inteligentes tienen un comportamiento dinámico solamente en la parte transparente de la envolvente. Sin embargo, en los últimos años están emergiendo nuevos conceptos para conseguir dicho comportamiento en toda la fachada, como son las fachadas adaptativas opacas. Integrando en los componentes de fachada opacos el comportamiento dinámico, adaptativo o inteligente, se permite o bloquea el intercambio de energía térmica ante distintas condiciones meteorológicas y usos del edificio. Así, se optimiza el comportamiento de la fachada para cada circunstancia, a diferencia de los sistemas convencionales, diseñados para garantizar el confort para las condiciones medias anuales.

Uno de los mecanismos para controlar el flujo térmico es el intercambio de aire entre el ambiente interior y exterior. Por ejemplo, se podría extraer el aire caliente del interior en periodos de sobrecalentamiento, reduciendo así la demanda de refrigeración. También se podría reducir la demanda de calefacción, si el aire exterior se atempera en la cámara de ventilación de la fachada antes de transportarla al interior. Mediante este mecanismo funcionan los muros parietodinámicos y permeodinámicos. En estos casos, es necesario generar un cambio de presión entre el ambiente exterior e interior para transportar el aire. Por lo tanto, estos muros cuentan con ventiladores y su control garantiza el funcionamiento inteligente. 

En los muros parietodinámicos, el aire se transporta a través de un canal que conecta el espacio exterior e interior. En los permeodinámicos, el aire atraviesa los materiales de la fachada, gracias a la diferencia de presión entre ambos ambientes. Una de las limitaciones del muro parietodinámico es su comportamiento acústico: inevitablemente el conducto supone un puente acústico. En tal caso, la ventilación natural podría ser una estrategia bioclimática similar en cuanto a su capacidad para disipar las ganancias térmicas internas. El muro permeodinámico no presenta este problema, pero su durabilidad podría estar comprometida por la permeabilidad que deberían de tener los materiales empleados, tanto al vapor de agua como a las partículas presentes en el aire, que terminarían obstruyendo los poros de este componente traspirable.

Otra manera de convertir los sistemas de fachada opacos en sistemas inteligentes es sustituyendo los revestimientos tradicionales por revestimientos móviles

Si bien el control inteligente de la ventilación natural puede ser una estrategia adecuada para reducir la demanda de refrigeración de nuestros edificios, esta estrategia podría ser desaconsejable en aquellos entornos urbanos donde haya altos niveles de contaminación ambiental y acústica. En estos casos, la mayoría de las fachadas adaptativas opacas podrían disipar la energía térmica sin comprometer el confort acústico de los usuarios. Además, las fachadas adaptativas opacas podrían contribuir no solo a reducir la necesidad de refrigeración, sino a disminuir sustancialmente la demanda de calefacción.

Aislamiento dinámico

¿Cómo se construirían, pues, estas fachadas adaptativas opacas, capaces de garantizar no solo el confort térmico sino también el acústico? Imagínense una fachada ventilada convencional: revestimiento exterior, cámara de aire de unos 5 cm, aislamiento de lana mineral y una hoja interna de ladrillo, apoyada en los forjados de hormigón. La lana mineral ofrece una resistencia térmica que retrasa el intercambio de energía entre el ambiente interior y exterior, aun cuando la disipación térmica o la captación de la energía solar contribuyeran a reducir la demanda energética. Para conseguir este comportamiento adaptativo, se podría sustituir la capa de lana mineral por un aislamiento dinámico. Existen varios conceptos patentados, como los paneles rellenos de gas, los aislamientos dinámicos de circuito cerrado y los paneles multicapa móviles.

Todos estos elementos tienen la capacidad de cambiar la transmitancia térmica del elemento si se modifica su configuración interna. Por ejemplo, el flujo térmico en los paneles rellenos de gas es casi nulo cuando el panel se vacía de este gas (que pasa a un depósito adyacente), y es mayor cuando el panel se rellena de dicho gas. Los aislamientos dinámicos de circuito cerrado son paneles acabados en aluminio que contienen un núcleo de material aislante al que lo rodea una cámara de aire. 

El núcleo aislante se interrumpe en dos puntos, donde se sitúan dos pequeños ventiladores. Cuando estos ventiladores están apagados, el panel aísla térmicamente el cerramiento. Cuando estos ventiladores se encienden, el aire circula por la cámara de aire perimetral y gracias al movimiento convectivo, el panel facilita el intercambio térmico. Los paneles multicapa se asemejan a los acordeones: se compone por varias capas de aluminio separadas por cámaras de aire. Cuando el “acordeón” está abierto, la sucesión de estas cámaras de aire limita el intercambio térmico entre dos ambientes. Al cerrar el “acordeón”, las capas de aluminio están en contacto y gracias a la conducción, disipan la energía térmica de forma eficaz.

Por ahora, la eficacia de estos sistemas se ha evaluado a través de simulaciones dinámicas en ciertos climas y tipologías edificatorias. Si bien habría que validar estos resultados con los ensayos experimentales correspondientes, todo apunta a que reducen con eficacia el consumo térmico de los edificios, siempre y cuando sean controlados por un algoritmo adecuado y tengan un amplio rango de adaptación (es decir, que garantizan el aislamiento térmico cuando es necesario y que son eficaces a la hora de disipar el calor).

Los movimientos convectivos que se producen en la cámara de aire conllevan la disipación de parte de la energía térmica que se está intercambiando entre el ambiente interior y exterior

Revestimientos móviles

Otra manera de convertir los sistemas de fachada opacos en sistemas inteligentes es sustituyendo los revestimientos tradicionales por revestimientos móviles. El objetivo es poder controlar las ganancias térmicas debidas a la radiación solar incidente. El revestimiento móvil tendría dos configuraciones geométricas posibles, de las cuales derivarían dos absortancias solares distintas. 

El mecanismo de dicho revestimiento móvil sería similar al de los elementos de sombreamiento móviles, compuestos por sensores, que monitorean las condiciones externas e internas, actuadores, que permiten cambiar de una configuración geométrica a otra y el sistema de control, que decide qué configuración es la idónea en cada circunstancia. El control de la absortancia solar no parece tener suficiente impacto si se aplica en los sistemas convencionales de fachada. Sin embargo, el consumo energético se reduce sustancialmente si se combina con la integración de un aislamiento dinámico y se diseña un control capaz de gestionar adecuadamente la adaptación de las ganancias térmicas por radiación y la transferencia de calor a través del cerramiento.

Otro de los componentes de la fachada ventilada convencional que podría convertirse en inteligente es la cámara de aire. Los movimientos convectivos que se producen en la cámara de aire conllevan la disipación de parte de la energía térmica que se está intercambiando entre el ambiente interior y exterior. Estos movimientos convectivos dependen de diversos factores: del espesor y la geometría de la cámara de aire, de la configuración de las juntas del revestimiento, del gradiente de temperatura entre la parte baja y la parte alta de la cámara de aire, de la radiación solar incidente y de la velocidad y dirección del viento. A mayor convección en la cámara de aire, mayor es la disipación térmica que se produce en ésta.

Todos los estudios parecen apuntar a que la optimización energética es mayor cuando se consiguen controlar simultáneamente más de un fenómeno físico, considerando no solo las situaciones del instante sino las condiciones pasadas y las previsiones futuras. Un edificio inteligente podría optimizar así su consumo energético integrando vidrios inteligentes y fachadas adaptativas opacas, capaces de controlar su absortancia solar, los movimientos convectivos en la cámara de aire y el flujo de calor a través de su aislamiento térmico. Podría parecer que la sofisticación de la fachada opaca es un escollo inexorable para su aplicación masiva, ya que las soluciones actuales son costo-efectivas, sencillas y que apenas exigen mantenimiento para garantizar una alta durabilidad. 

Sin embargo, en ciertas aplicaciones (climas y tipologías edificatorias adecuados), combinándolas con otras estrategias bioclimáticas, la integración de estas tecnologías podría eliminar la demanda de calefacción y refrigeración. Este es el verdadero objetivo de las fachadas inteligentes, y si la investigación consigue dar con las claves para su optimización y demuestra su idoneidad ambiental no solo durante la fase de uso del edificio, sino en todo su ciclo de vida, dejarán de ser edificios icónicos aislados y se convertirán en el nuevo paradigma constructivo.

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Este artículo aparece publicado en el nº 572 de CIC, págs. 58 a 61.