Cuando el ambiente exterior 'arde', como acaba de ocurrir, que tu casa se defienda mejor de las altas temperaturas o que, si no tiras de aire acondicionado, se convierta en un horno depende del ‘escudo’ con que haya sido construido el edificio. La envolvente térmica, el cascarón de materiales que nos separa del mundo, es clave en el comportamiento energético de los edificios, pues determina el intercambio de calor que se produce entre los espacios interiores habitables y el ambiente exterior.

Desde 2020, los edificios nuevos están ya obligados por la directiva europea sobre eficiencia energética a alcanzar niveles de energía casi nulos (‘nZEB – nearly-zero energy building’), lo que significa que deben demostrar necesidades energéticas muy bajas cubiertas principalmente por fuentes de energía renovables.

Por lo tanto, "existe una necesidad urgente de una profunda transformación del mercado mediante el despliegue de materiales y tecnologías eficientes en el sector de la construcción para apoyar la implementación real en toda Europa de edificios de niveles de energía y emisiones casi nulos con alta calidad ambiental interior", señala José Manuel Bielsa, responsable en Itainnova del proyecto Iclimabuilt, que reúne a 27 socios de 14 países con el objetivo común de reducir el uso de energía y el impacto ambiental de los edificios mediante el desarrollo y la comercialización de nuevas soluciones tecnológicas.

El principal reto tecnológico en el diseño de este tipo de edificios nZEB "consiste en potenciar el uso eficiente de la energía mediante actuaciones orientadas a mejorar la capacidad de aislamiento de la envolvente térmica del edificio, el uso de sistemas altamente eficientes de climatización (refrigeración y calefacción) y la producción, e incluso almacenamiento, de energía procedente de fuentes renovables".

Uno de los puntos clave reside "en el diseño de los materiales y sistemas que van a formar parte de la envolvente térmica del edificio, de manera que esta sea capaz no solo de evitar las pérdidas energéticas desde el interior en invierno y de proteger de la radiación solar en verano, sino también de favorecer el intercambio eficiente de energía del interior con el exterior y viceversa, e incluso de almacenarla temporalmente, como un ‘amortiguador’ de las variaciones bruscas de temperatura que pueden tener lugar entre el día y la noche".

Los nuevos materiales y sistemas técnicos desarrollados en el marco del proyecto Iclimabuilt tendrán muy en cuenta las condiciones climáticas locales, que tanto influyen en el consumo de energía de los edificios.

La idea de evaluar experimentalmente los prototipos resultantes del proyecto en diferentes zonas climáticas dentro de la Unión Europea se ha considerado clave a la hora de optimizar el rendimiento de cada una de las soluciones en ambientes muy diferentes. Por ejemplo, describe Bielsa, "las condiciones de radiación solar de un país de la zona mediterránea, como puede ser Italia, y otro situado más al norte, como Noruega, son radicalmente diferentes en términos de horas de sol, ángulo de incidencia de la radiación solar, energía irradiada en superficie…; ello, junto con otras diferencias climáticas, da lugar a requisitos de diseño de la envolvente térmica del edificio muy diferentes". Por esta razón, se han elegido diversas localizaciones dentro de Europa –España, Alemania, Italia, Noruega–, que representen una gran diversidad de parámetros climáticos –climas húmedos y secos, temperaturas cálidas, templadas y frías, altas o bajas oscilaciones térmicas…– para evaluar in-situ los diferentes prototipos del proyecto.

No obstante, "el concepto de multifuncionalidad que caracteriza al diseño de estos prototipos de materiales y sistemas pretende ofrecer soluciones similares, con ciertas variaciones, que ofrezcan resultados óptimos en agrupaciones de zonas climáticas lo más amplias posible", indica.

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Economía circular

Además, esta selección de materiales y diseño para el clima se basará en una perspectiva de economía circular. Así, "se pretende obtener sistemas materiales alineados con el concepto de ‘nearly zero-energy zero-emissions (nZEB)’ no solo por diseño, sino también por su ciclo de vida completo".

En el proyecto se plantea también el establecimiento de un ecosistema digital de acceso abierto que permita a las empresas desarrollar, aumentar y probar innovaciones en materiales de envolvente de edificios y sistemas técnicos. De este modo, "se pretende contribuir a que las pequeñas empresas de alta tecnología puedan escalar y hacer frente al continuo aumento de la complejidad tecnológica, ayudando a transformar los resultados de la investigación en innovaciones", señala Bielsa.

Energía y emisiones casi nulas

Un edificio de energía/emisiones casi nulas (‘nZEB – nearly-zero energy/emission building’) se caracteriza por tener un rendimiento energético muy elevado, lo que se traduce en unas necesidades de consumo energético para sus sistemas de climatización (refrigeración y calefacción) extremadamente bajas y que, además, pueden cubrirse casi en su totalidad mediante energía procedente de fuentes renovables como la solar.

Ello resulta en un uso casi nulo de la energía generada mediante fuentes no renovables y, en consecuencia, se reducen drásticamente las emisiones de CO₂.

Los edificios representan alrededor del 40% del uso total de energía y el 36% de las emisiones de CO₂ en Europa.

Envolventes activas

Las soluciones que se están planteando en el proyecto Iclimabuilt pretenden ir un paso más allá en conceptos como multifuncionalidad, prestaciones térmicas elevadas y el empleo de materiales dentro del marco de la circularidad. José Manuel Bielsa cuenta desde Itainnova que "se están desarrollando nuevas aplicaciones materiales para recubrimientos exteriores capaces de adaptarse activamente a la radiación solar recibida y aprovecharla más eficientemente; otros materiales que, en función de la temperatura, son capaces de retener un tiempo cierta cantidad de energía (alternando sus fases sólida y líquida) para luego liberarla; y módulos termoeléctricos capaces de transformar el calor residual en energía eléctrica". Todo ello integrado dará como resultado "sistemas para envolventes activas de edificios capaces no solo de realizar una función de aislamiento con unas altas o muy altas prestaciones térmicas, sino también de gestionar de forma más eficiente la energía", destaca.

Para conseguir paneles sándwich multifuncionales para la envolvente térmica del edificio, se emplean aerogeles. Estos materiales nanoestructurados, al incorporarse como aditivos en paneles de cemento celular, hacen que se multipliquen las capacidades de aislamiento térmico, manteniendo sus características de resistencia estructural y ligereza.

Bielsa reconoce que uno de los principales retos consiste en "integrar los principios de la circularidad en el ciclo de diseño de material-proceso-producto, tarea que no está exenta de complejidad tanto por sus dificultades técnicas como de coste". Por ejemplo, se están planteando nuevos diseños de paneles tipo sándwich fabricados con fibras de refuerzo naturales o recicladas en combinación con resinas termoplásticas. Como aislamiento térmico, también se prevé el uso de materiales reciclados de otros sectores.

Itainnova es el socio encargado del modelado y simulación computacionales, tanto para diseño y optimización de materiales y sus procesos de fabricación como para mejorar el rendimiento. En este momento, se desarrollan nuevas metodologías de simulación para analizar el comportamiento termomecánico de materiales.

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