Materiales reciclados y su eficiencia energética en envolventes verticales de la edificación en Bogo

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MATERIALES RECICLADOS Y SU EFICIENCIA ENERGÉTICA EN ENVOLVENTES VERTICALES DE LA EDIFICACIÓN EN BOGOTÁ RECYCLED MATERIALS AND THEIR ENERGY EFFICENCY IN BOGOTÁ’s BUILDING VERTICAL ENVELOPE Angela Adriana Cubides Pérez, Sergio Alfonso Ballén Zamora, Nieves L. Hernández Castro, Luz Amparo Hinestrosa Ayala, Álvaro Timoteo Márquez Arreaza Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca Calle 34 No. 5-45 Bogotá – Colombia acubides@unicolmayor.edu.co

in Bogota, Colombia; This requires identifying the areas of gathering the material in the city, the amount of material potential to recycle to be used, its potential for use, its design of composition and the thermal and technical conditions in accordance with the regulations and weather conditions in the city. To achieve sustainable energy in buildings, it is necessary to take into account the factors that influence on it, from the design and during their implementation; the use of materials in envelopes with features such as thermal inertia and mass, specific heat, conductivity among others; characteristics to be subjected to environmental conditions and environment of the building, and interior space design, determining comfort and habitability of the same.

Resumen El estudio se enmarca dentro de la línea de investigación “Construcción Sostenible”, de la Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca, Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Este trabajo se basa en la búsqueda e implementación de buenas prácticas sostenibles con el uso de los materiales reciclables para las envolventes verticales de la edificación, mediante el aprovechamiento y destino que se les puede dar a los residuos de obra; que son generados en grandes cantidades por la construcción de edificaciones nuevas, por demoliciones e intervenciones de rehabilitación o restauración entre otros, contaminando el medio ambiente.

Discusses the desirability of using recycled materials, which, through its processing to improve their properties and provide the required energy characteristics; saving resources, allows you to reduce the impact to ecosystems, to minimize the carbon footprint and contribute to the conservation of the planet.

El objetivo general de la investigación es establecer criterios para el empleo de materiales reciclados en las fachadas, especialmente de vivienda en altura y alcanzar su óptimo desempeño y eficiencia energética en la edificación en Bogotá, Colombia; para ello se requiere identificar las zonas de acopio del material en la ciudad, la cantidad de materiales potenciales a reciclar para ser utilizados, su potencialidad de uso, su diseño de composición y las condiciones técnicas y térmicas acordes a las normativas y condiciones climáticas en la ciudad.

Keywords Sustainability, environment, energy, materials, resources, recycling, rubbish, management, waste, control, efficiency, impact.

Introducción La industria de la construcción causa un gran impacto en el medio ambiente afectando ecosistemas, se requiere desarrollar estrategias para implementar el manejo y reducción de residuos de obra, la producción de materiales reciclados y actividades que contribuyan a la reducción de generación de gases de efecto invernadero durante los procesos de extracción, fabricación e instalación de materiales y elementos de la edificación.

Para alcanzar la sostenibilidad energética en la edificación, es necesario tener en cuenta los factores que influyen sobre la misma, desde el diseño y durante su ejecución; el uso de materiales en las envolventes con características propias como son la inercia térmica, masa, calor específico, y conductividad entre otras; características que al ser sometidas a las condiciones ambientales y del entorno del edificio, y del diseño del espacio interior, determinan el confort y habitabilidad de la misma.

En el diseño, la elección de materiales utilizados en la edificación, los elementos arquitectónicos se unen para cubrir las necesidades de sus habitantes y aprovechar las condiciones del entorno y del clima local para lograr la comodidad sin necesidad de mecanismos complejos adicionales. La construcción bioclimática concibe la edificación con base en una masa de almacenamiento térmico integral en el que se dispone que la envoltura, sea trasmisora y/o aislante, de tal manera que admita la energía térmica necesaria. Es decir, que permita conservar la temperatura, desprender y absorber calor dentro de la edificación, según se requiera.

Se analiza la conveniencia de usar materiales reciclados, que, a través de su procesamiento mejoren sus propiedades y proporcionen las características energéticas requeridas; el ahorro de los recursos, permite reducir el impacto a los ecosistemas, minimizar la huella de carbono y contribuir a la conservación del planeta. Palabras claves: sostenibilidad, ambiente, energía, materiales, recursos, reciclaje, escombros, gestión, residuos, control, eficiencia, impacto.

El confort de una edificación se define a partir de aspectos que van desde lo cultural, térmico, acústico, lumínico, ambiental, por lo que es necesario estudiar y definir diferentes estrategias de diseño y construcción que brinden protección y comodidad al usuario desde lo físico, funcional y emocional. Esto es percibido por el hombre a través de sus sentidos y en sentirse cómodo en un lugar con adecuada temperatura del ambiente, calidad de aire interior, control de ruidos, y colores adecuados. Esto es la suma de un diseño apropiado para el cual es recomendable hacer previamente un estudio del lugar con el cual se analizan los elementos y los factores climáticos y las condiciones del entorno; brindando las herramientas necesarias para la implantación más conveniente del proyecto en el lugar, con el aprovechamiento de la radiación solar y de los vientos.

Abstract The study is part of the research “Sustainable Building”, Universidad Colegio Mayor de Cundinamarca, Faculty of Engineering and Architecture. This work is based on the search and implementation of good sustainable practices with the use of recyclable materials to the envelopes of the vertical building, through the use and destination that can be given to the waste of labor; that are generated in large quantities by the construction of new buildings, house demolitions and interventions of rehabilitation or restoration among others, contaminating the environment. The overall objective of the research is to establish criteria for the use of recycled materials in walls, especially housing in height and reach their optimal performance and energy efficiency in building

Todos los materiales empleados en la edificación son determinantes en las condiciones que esta tendrá, cada elemento,

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cada muro, cada espacio en la edificación será el resultado de la utilización y combinación de materiales. Los materiales de construcción cuentan con sus propias características, incluyendo los reciclados, determinadas condiciones o propiedades que les permiten ser conductores de calor o no, con un comportamiento propio frente a la humedad del ambiente.

a partir del diseño de mezcla, evaluar el rendimiento térmico del material propuesto en la envolventes de la edificación para las condiciones climáticas de confort térmico en Bogotá.

La envolvente de la edificación La envolvente de la edificación (también llamada piel o cerramiento) es un sistema que separa de forma física el interior y el entorno exterior del edificio. Esta sirve como protector que ayuda a mantener el entorno interior ( junto con sistemas mecánicos de acondicionamiento) y facilitar su control climático, manteniendo bajo control, el exceso de impactos por calor, frio, luz solar, radiación y viento, de acuerdo al clima y las condiciones externas.

En referencia a los componentes reciclados provenientes de la construcción, específicamente de residuos inertes pétreos1, los centros de acopio o zonas de aprovechamiento en Bogotá, desarrollan actividades para la recepción de estos residuos de construcción de acuerdo a sus características y su posible procesamiento para ser utilizados como materiales para reciclaje. En este sentido es necesario conocer su origen, y características, lo que facilita el diseño de una metodología orientada a la ejecución de prácticas de reciclaje que disminuyan los residuos generados por la actividad constructora y que permitan el máximo aprovechamiento de los recursos del lugar.

Un parte de la envolvente son las fachadas que están constituidas por planos llenos y vanos, por elementos funcionales y ornamentales, es decir, forman parte de su composición, las ventanas, las puertas, los cerramientos, los remates, los frontones, los tímpanos, las alfajías y los dinteles, así como elementos estructurales que forman parte de la fachada, columnas a la vista o bordes de losa, por ejemplo. Otros elementos compositivos son las llamadas fachadas flotantes que varían de acuerdo al material y a su sistema de colocación. También pueden ser estructurales, es decir que los elementos portantes hacen parte de la misma.

Materiales y Métodos La metodología empleada en este trabajo permitió, determinar los tipos de evolventes verticales utilizadas en las edificaciones de vivienda en altura en Bogotá basada en los sistemas estructu-

Tabla No. 1 Ejemplos de Fachadas en Bogotá Fuente: Elaboración propia.

La geometría de las fachadas varía de acuerdo al destino del edificio, su altura, los materiales que la componen, las condiciones ambientales del lugar y la identidad de su diseño arquitectónico; de esta manera tal vez pueden llamarse, en forma común, por la composición de sus materiales: en ladrillo, en piedra, en vidrio, en concreto y pañetada y pintada entre otras denominaciones. La ejecución de proyectos en Bogotá y, especialmente en la vivienda en altura, hay dos materiales de uso tradicional y relevantes por su índice de uso: por un lado el ladrillo en sus variaciones como portante y revestimiento

rales y materiales de mayor utilización en la ciudad. De otra parte, las estadísticas encontradas han permitido establecer características de los materiales reciclables seleccionados a partir de residuos y escombros pétreos procedentes de construcciones nuevas y de los diferentes tipos de intervenciones que se hacen en una edificaciones, las cantidades que se generan anualmente en la ciudad de Bogotá, las zonas de acopio donde se reciben clasificados de acuerdo a sus características y estado, para luego, 1

Se entiende por residuo inerte pétreo,

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y por otro lado el concreto y los pañetes, sin dejar de lado las fachadas en materiales pétreos, como el mármol y la piedra y los revestimientos en vidrio y aluminio. A continuación se presenta una muestra de los materiales de mayor uso.

Por esa razón, la presente investigación en capítulos posteriores identificará las clases de mampostería confinada disponibles en el mercado, así como pruebas de laboratorio de un bloque experimental que incorpora elementos reciclados en su composición, y, de esta manera, evaluar su aplicabilidad y eficiencia en fachadas de edificaciones en la ciudad de Bogotá.

Según las estadísticas del DANE (2013), en la ciudad de Bogotá y las principales ciudades del país los sistemas constructivos más implementados de acuerdo a sus áreas y unidades son en orden, 1) Mampostería confinada, 2) Prefabricados industrializados y 3) Mampostería estructural, lo cual es una tendencia habitual desde hace más de ocho años1. Esta información ofrece un panorama general sobre cuáles sistemas constructivos soportan las fachadas que más se construyen en la ciudad, y por lo tanto, también algunas de sus características y elementos comunes.

La eficiencia energética en la envolvente vertical La envolvente vertical o fachada como un sistema de la edificación que recibe influencias externas e internas , actuando como soporte, control, y acabado, debe ser eficiente energéticamente en su relación con el medio ambiente, la edificación y sus ocupantes, mediante el aprovechamiento de las condiciones naturales y artificiales de su entorno, debe responder un diseño y/o configuración constructiva y arquitectónica donde la selección de materiales de la fachada contribuyen a brindar confort a sus ocupantes y que a su vez esté libre de contaminantes para el uso que fue concebida.

Fuente: DANE,2013

Como se enunció anteriormente, el ámbito de estudio donde se centra esta investigación es la ciudad de Bogotá; en ese orden de ideas, es necesario generar una clasificación de tipologías de fachada basado en las que se dan en esta ciudad, así como sus características que son susceptibles de ser replicadas fácilmente, utilizando la tipología descrita.

Figura 3. La fachada de la edificación y su relación con el ambiente, la edificación y sus ocupantes Fuente: Elaboración propia

Es decir que la eficiencia se logra con la utilización adecuada de materiales y la optimización en el uso de los recursos, pero también se requiere tomar en cuenta otros aspectos desde el momento del diseño y la implantación del proyecto en el lugar, pues todo el sistema debe comportarse de manera óptima. De esta manera, y de acuerdo con las investigaciones realizadas anteriores por los autores, enfocados en la eficiencia energética y el reciclaje de materiales, este estudio conduce a establecer características y propiedades de fácil aplicación práctica en la fachada de la edificación de vivienda en altura en Bogotá.

Los materiales reciclables a partir de residuos de construcción y demolición

En ese orden de ideas, se puede decir o afirmar que las envolventes de la edificación y sus tipologías tienen un papel crucial en el desempeño de los materiales que la componen, pero a su vez, las envolventes, sus características y la manera como son impactadas por el ambiente están determinadas por la forma y tipología de la edificación.

Los residuos de construcción y demolición provienen de obras públicas y/o privadas de adecuaciones, remodelaciones o por la terminación de la vida útil de la edificación, en su mayoría son clasificados desde las obras de acuerdo a sus características y según las exigencias de las normas ambientales distritales, llegan a las zonas de acopio autorizadas por el Distrito para su aprovechamiento y son clasificados como: material de excavación tierra negra y capa vegetal; arcillas, limos, lodos; material de demolición como concreto, ladrillos, bloques y cerámicos y, como material de demolición de obras de infraestructura vial que contiene asfalto; posteriormente son ubicados de acuerdo a sus características en diferentes zonas para someterlos a una trituración, cribado o tamizaje con máquinas con tecnología especializada que reducen el tamaño del material hasta que alcance la granulometría para el adecuado uso, como por ejemplo bases y sub- bases de obras de infraestructura o como agregados para la elaboración elementos prefabricados bloques y adoquines entre otros. A continuación se da a conocer una gráfica del proceso.

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Según el estudio realizado en Bogotá por la Secretaría del Ambiente y la Unidad Administrativa Especial de Servicios

Figura 2. Tipos de fachada Fuente: Elaboración propia

Existe una variación de esta tendencia constructiva para vivienda en Bogotá en el cuarto trimestre del año 2010.

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superficie y la geometría de la construcción. Las propiedades más relevantes en cuanto al desempeño térmico son el coeficiente total de transferencia térmica (valor U), la resistencia total térmica (valor R), la capacidad de calor y resistencia, y capacidad de emisividad, transmisividad y reflectividad. A continuación se presentarán conceptos básicos asociados a la transferencia de calor sobre fachadas haciendo énfasis en las propiedades de los materiales como conductividad.

Públicos, la Secretaria Distrital de Planeación y la Secretaría del Hábitat en el año 2012 sobre la caracterización aproximada de los residuos de construcción y demolición, se encontró que el mayor volumen corresponde a los residuos inertes arcillosos entre los que se destacan los recebos y arcillas expandibles y no expandibles con un porcentaje del 72% seguido de los inertes pétreos asfaltico y no asfalticos con un 20 % los cuales no se están aprovechando y en especial los inertes pétreos no asfalticos que requieren estudios de investigación I + D, ya que tienen un gran potencial en el desarrollo de mercados de productos para la construcción con contenido reciclado, es decir elementos que pueden ser fabricados en concreto con agregado reciclado; un ejemplo de ello son los mampuestos utilizados en muros o cerramientos de las envolventes.

Análisis del comportamiento térmico de las materiales de las fachadas en la edificación El calor es la transferencia de energía que ocurre entre diferentes cuerpos que tienen temperaturas diferentes, la cual fluye del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Este fenómeno cobra importancia al evaluar una edificación, ya que indica cuánta energía se “gana” si la temperatura exterior es mayor que la interior o cuanta energía se “pierde” si la temperatura interior es mayor que la exterior. Esta transferencia de energía indirectamente estaría afectando nuestra sensación de bienestar térmico ya que modifica la temperatura interior de los edificios. En una edificación, la transferencia de calor depende de varios factores, los cuales pueden ser resumidos en:

Figura 4. Tratamiento de los Residuos de Construcción y Demolición Elaboración Propia – Apoyo de la Planta de Reciclados Industriales

Diseño: dimensiones geométricas de los elementos de la edificación (paredes, techos, pisos, ventanas), orientación, protecciones solares, etc.

Propiedades de materiales: conductividad térmica, transmisividad, densidad, capacidad calorífica, etc.

Datos climáticos: temperatura del aire, radiación solar, humedad, velocidad del aire, etc.

Uso: ganancias internas por personas, equipos, iluminación, infiltraciones, etc.

Cuando se habla de mejoramiento térmico de una edificación se desea realizar un cálculo de la transferencia de calor a través de todos los elementos que dividen el exterior del interior. Para esto se aplican las ecuaciones de conducción, convección y radiación a todos los elementos tomando en cuenta los diferentes factores que pueden intervenir (diseño, propiedades de materiales, data climática y uso). Para esto, hoy en día, se cuenta con herramientas computaciones de simulación dinámica. Para poder realizar dicho tipo de análisis, lo primero que se necesita saber es el comportamiento térmico del elemento de la envolvente, por ejemplo el muro exterior. Este comportamiento viene dado por el coeficiente total de transferencia de calor U. Este coeficiente es la simplificación e integración de los fenómenos de convección y conducción. Aunque para este cálculo manual no se está incluyendo el fenómeno de radiación, las herramientas computaciones dinámica existentes si lo toman en cuenta.

Figura 5. Caracterización de los Residuos de Construcción y Demolición Fuente: Secretaria Distrital del Ambiente Presentación de Gestión y Control de RCD -2012

Donde,

En el contexto cultural muy poco se tiene en cuenta la dimensión energética de los materiales, la atención se centra más en su apariencia física. La energía está implícita en la materia pues todo organismo constituye un sistema energético que requiere energía para subsistir. La naturaleza es intrínsecamente ahorradora, ya que tiende a conservar estables las cantidades globales de materia y energía.

U: Transmitancia térmica global (W/m2 K) k: Conductividad térmica del material (W/m K) e: Espesor (m) h: Coeficiente de transferencia de calor por convección de cada lado de la superficie (W/m2 K) Con este coeficiente se puede calcular la transferencia de calor a través de los elementos de la envolvente para estimar la cantidad de calor para mantener una temperatura específica en el interior

En cuanto a las propiedades constructivas de los materiales incluyendo los elementos con contenido reciclados, están determinadas por sus propiedades térmicas, las características de la

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dado ciertas condiciones exteriores. Se observa que al tener más de un elemento sólido, la relación espesor-conductividad de cada uno se va sumando.

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Al querer utilizar materiales con contenido de reciclado un paso importante es realizar ensayos térmicos para poder determinar la conductividad térmica del material, de esta forma se podrá estimar adecuadamente su impacto sobre la transferencia de calor total.

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Conclusiones

[11]

Desde que inicia su vida útil, el edificio cuenta con ciertas condiciones que el usuario cambiará de acuerdo a sus necesidades si estas no cumplen con sus expectativas. Sin embargo, lo ideal es lograr edificaciones que no requieran de equipamiento adicional para mejorar o modificar sus condiciones ambientales en el interior.

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El comportamiento térmico de los materiales depende de sus propias características de origen o adquiridas desde su transformación y/o procesamiento, por lo tanto es necesario analizar aspectos como la inercia térmica, masa térmica, el calor específico y la forma como ellas influyen en el comportamiento térmico dentro de la edificación al ser unido con otros elementos a través de un diseño específico ubicado en un lugar determinado.

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Para determinar el correcto desempeño de una fachada y por ende obtener un cálculo correcto de las cargas térmicas es importante evaluar la existencia de puentes térmicos en el cálculo general de la envolvente. De no incluir los problemas de puentes térmicos se puede caer en errores en los cálculos de consumo energético, sobre dimensionamiento de equipos de climatización, corto funcionamiento de la vida útil de las configuraciones constructivas, y datos imprecisos para insumos en simulaciones dinámicas, entre otras.

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Los parámetros comunes para medir la efectividad de la envolvente incluye protección física del clima (confort), calidad del aire interior (salud pública e higiene), durabilidad y eficiencia energética. Para lograr estos objetivos, todos los sistemas de envolventes de edificaciones deben incluir una estructura sólida, un sistema de drenaje, barreras de aire, barreras térmicas y tal vez incluir una barrera de vapor. El control de la humedad es esencial en todos los climas, pero en los climas fríos y los cálidos - húmedos tiene especial importancia, sin embargo, en climas cálidos las estrategias cambian al aislar lo más posible la envolvente del interior del edificio.

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