Los edificios consumen alrededor del 40% de la energía final de la Unión Europea (UE). Energía que se utiliza para cubrir las necesidades de frío, calor e iluminación. Rebajar el consumo es importante para reducir la dependencia energética y las emisiones de gases de efecto invernadero. De ahí que todos los edificios de nueva construcción deban ser de consumo de energía casi nulo y que se busquen fórmulas para construir suelos, paredes y techos más eficientes y sostenibles con el objetivo de descarbonizar el sector de la construcción.
En numerosas ocasiones, los investigadores encuentran soluciones basadas en la naturaleza (SBN). Así ha ocurrido de nuevo: investigadores de la Universidad de Drexel (Estados Unidos) han desarrollado un sistema innovador para la regulación térmica pasiva de edificios, inspirado en la estructura vascular de las orejas de elefantes y liebres.
Este enfoque, detallado en el ‘Journal of Building Engineering’, integra redes de microcanales en materiales de cemento rellenos de parafina, lo que podría reducir significativamente el consumo energético asociado a la climatización de construcciones.
Aproximadamente la mitad de la energía que se consume en los edificios se destina a sistemas de calefacción y refrigeración. Aunque el aislamiento térmico ha evolucionado, paredes, techos y suelos siguen siendo puntos críticos de pérdida energética, responsables de aproximadamente el 63% de las fugas térmicas en estructuras.
El problema del aislamiento
«Arquitectónicamente, es agradable tener muchas ventanas en un edificio, pero esto también provoca menores propiedades de aislamiento», explica Rhythm Osan, coautor de la investigación. Ante esta realidad, el equipo liderado por Yaghoob Amir Farnam, buscó una solución inspirada en la termorregulación biológica.
El método basado en las orejas de elefantes y liebres. / Universidad de Drexel
El sistema se basa en dos principios observados en organismos vivos. La vascularización arquitecturada, con canales que imitan redes sanguíneas para transporte térmico, y la termorregulación por cambio de fase, similar a la sudoración humana, donde la evaporación disipa calor
«Observen cómo nuestro sistema circulatorio regula la temperatura. Cuando hace calor, la sangre sube a la superficie; podríamos enrojecernos un poco y empezar a sudar por las glándulas, lo que nos enfría mediante un proceso de cambio de fase: la evaporación del sudor», detalla Farnam.
Para replicar este fenómeno, el equipo utilizó parafina PCM-18, un material de cambio de fase (PCM) con temperatura de fusión en 18°C, que absorbe o libera calor al cambiar entre estados sólido y líquido.
Mediante una técnica denominada ‘andamiaje polimérico sacrificial’, los investigadores crearon patrones de canales dentro de matrices de cemento. Filamentos solubles se insertaron en moldes antes del vaciado del hormigón.
Además, tras el fraguado, los filamentos se disolvieron con una solución química, dejando redes huecas, y estas redes se rellenaron con parafina líquida, sellándose para evitar fugas.
Cinco arquitecturas vasculares
Se evaluaron cinco arquitecturas vasculares: canales únicos (paralelos y perpendiculares a la carga), triples, diagonales y una malla en diamante. Esta última, con un volumen de vacío del 3,27%, demostró ser la más eficiente.
La inclusión de canales reduce inevitablemente la resistencia a la tracción del hormigón. Sin embargo, el estudio reveló estrategias para mitigar este efecto. La orientación diagonal o en diamante desvía las grietas bajo tensión, aumentando la ductilidad.
Los edificios consumen alrededor del 40% de la energía final de la Unión Europea. / Pixabay
Los canales menores a 4.75 milímetros, inferiores al tamaño máximo del árido, evitan pérdidas significativas de resistencia. Y el refuerzo con áridos finos mejora la zona de fractura.
La arquitectura en diamante, pese a su alto volumen de vacíos (13,97%), mostró una elevada resistencia a tracción, superando configuraciones con menos canales pero orientación desfavorable (por ejemplo, canales triples perpendiculares).
Bajo ciclos controlados de calentamiento/enfriamiento (1.5°C/h), se midió la respuesta térmica con termografía infrarroja, Se comprobó que durante el enfriamiento, la solidificación de la parafina libera calor, elevando la temperatura superficial 1.25°C por hora respecto al ambiente.
Por el contrario, en fase de calentamiento, la fusión absorbió energía, enfriando la superficie 1°C por hora. Finalmente, la malla en diamante registró el mayor índice térmico, atribuido a su mayor superficie de intercambio.
Método sencillo y rentable
«Descubrimos, aunque quizás no sea sorprendente, que una mayor superficie vascular equivale a un mejor rendimiento térmico. Esta observación es similar a la fisiología de las orejas de los elefantes y las liebres, que contienen extensas áreas de vasculatura para ayudar a regular su temperatura corporal», señala Robin Deb, coautor del estudio.
El sistema, denominado VASCI (Materiales Cementicios Autoresponsivos Vasculares), ofrece ventajas escalables. Por un lado, su adaptabilidad climática, pues al reemplazar la parafina PCM-18 con PCMs de mayor punto de fusión (por ejemplo, 26-30°C), podría funcionar en climas cálidos.
Por otro lado, la fabricación con impresión 3D, que permite crear andamios complejos sin dañar la matriz de cemento. Y, por último, el bajo costo, ya que la parafina es abundante y la técnica evita sistemas activos de bombeo.
Los investigadores buscan soluciones para construir suelos, paredes y techos más eficientes y sostenibles. / Pixabay
«Si bien este estudio pretendía demostrar una prueba de concepto, estos resultados son prometedores y podemos aprovecharlos», afirma Farnam. «Esto demuestra tanto la eficacia de este método para regular la temperatura superficial en materiales elaborados con cemento como sencillo y rentable para su producción», añade.
El equipo ampliará ahora la investigación hacia pruebas en paneles a escala real bajo condiciones ambientales extremas, al estudio de durabilidad a largo plazo y ciclos repetidos de PCM y a la integración con sistemas de construcción modular.
«Creemos que nuestros materiales vasculares podrían desempeñar una función similar en un edificio, ayudando a compensar los cambios de temperatura y a reducir la demanda energética de los sistemas de climatización para mantener el confort térmico», concluye Deb.