Consigue la luz y mantén el calor.

Fecha: 14 de junio de 2023

Autores: Michal Ganobjak, Wim J. Malfait, Janis Just, Marcel Käppeli, Francisco Mancebo, Samuel Brunner y Jannis Wernery

Fuente: Journal of Building Engineering, Volumen 64, 2023, 105600, ISSN 2352-7102 | https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.105600.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352710222016060)

Los aerogeles de sílice son materiales de superaislamiento térmico que han encontrado una aplicación cada vez mayor en el sector de la construcción en los últimos diez a quince años. Si bien los tipos de materiales más comunes son mantas aislantes opacas y enlucidos, en su forma monolítica el aerogel de sílice puede ser casi transparente, lo que permite un sistema de construcción aislante translúcido compuesto.

Aquí, desarrollamos y caracterizamos un novedoso componente de construcción modular, translúcido y térmicamente aislante basado en gránulos de aerogel de sílice: el ladrillo de vidrio aerogel. Se probaron propiedades térmicas y mecánicas y las primeras se compararon con una simulación 3D de la transferencia de calor a través del ladrillo. El ladrillo de vidrio tiene una conductividad térmica medida de 53 mW/(m·K), que corresponde bien a los resultados de la simulación de 51 mW/(m·K), y una resistencia a la compresión de casi 45 MPa. Esto convierte al ladrillo de vidrio en el ladrillo aislante con el mayor rendimiento de aislamiento reportado en la literatura o disponible en el mercado, y al mismo tiempo agrega la característica de transmisión de luz.

El ladrillo de vidrio de aerogel es adecuado cuando los requisitos combinan iluminación natural, protección contra el deslumbramiento y la necesidad de proteger la privacidad, por ejemplo, oficinas, bibliotecas, museos; Un análisis de los costes de los materiales indica que el ladrillo de vidrio aislante puede ser competitivo en este tipo de aplicaciones. El ladrillo de vidrio ofrece a la arquitectura nuevas oportunidades de diseño para aumentar la luz natural en el interior de los edificios.

Las envolventes de los edificios existentes representan una gran oportunidad para mejorar la eficiencia energética y el confort térmico de nuestras ciudades y campos. Además de las mejoras en la tecnología de la construcción, las demandas de energía de HVAC generalmente se reducen aumentando el espesor de la capa de aislamiento. Sin embargo, esta solución no funciona para los elementos transparentes de la fachada y, de hecho, las gruesas capas de aislamiento aumentan las sombras alrededor de las ventanas. Por lo tanto, un nuevo sistema de construcción envolvente que pueda reducir simultáneamente las demandas de energía de iluminación y HVAC sería una solución muy atractiva. Aquí presentamos un ladrillo de vidrio de aerogel que tiene un alto rendimiento de aislamiento térmico para su limitado espesor, y al mismo tiempo aumenta las ganancias solares, reduce el uso de la luz artificial y mejora el confort visual.

Los crecientes estándares en materia de bienestar, microclima interior y eficiencia energética de los edificios plantean un nuevo dilema para los edificios existentes. Los edificios consumen aproximadamente el 40% de la energía a nivel mundial [1], p. 174] y entre el 20% y el 60% de toda la energía utilizada por los edificios se ve afectada por el diseño de la envolvente del edificio [2], p. 20]. Según las predicciones, “más del 50% del actual parque inmobiliario mundial seguirá en pie en 2050, y en los países miembros de la OCDE, esa cifra se acerca al 75% o más” [2, p. 21].

Alrededor del 55% de la gente vive en ciudades y este número aumentará en el futuro [3]. Las ciudades ofrecen más oportunidades y un nivel de vida más alto (por ejemplo, menos trabajo manual, trabajo especializado abstracto, oportunidades laborales, salarios más altos, actividades de ocio, acceso más fácil a bienes y servicios, etc.). Esta alta densidad de población está relacionada con los efectos adversos del ruido. , mala calidad del aire, efecto isla de calor, menor acceso a la naturaleza y menor acceso a la luz natural. En los países de altos ingresos, el porcentaje de la población que vivirá en ciudades será del 70% al 88% en 2050 [3]. Al mismo tiempo, se sabe que la gente pasa más del 90% del tiempo en interiores [4], p. 2]. Con el paso de las zonas rurales a las ciudades, la urbanización y el cambio en la naturaleza del trabajo, el tiempo que se pasa en interiores está aumentando. La luz natural influye en nuestros ritmos circadianos, la liberación de hormonas, el ciclo de sueño-vigilia, el estado de ánimo y nuestras actividades cognitivas [5,6]. El desapego de la naturaleza debido al estilo de vida interior, la luz artificial y la luz omnipresente de las pantallas puede influir negativamente en el bienestar humano [7,8]. Nuestra hipótesis es que las fachadas translúcidas pueden ser una buena oportunidad para compensar esta falta de luz natural, para acercar a los humanos a la luz natural sin alejarlos del interior. Esto se haría utilizando paredes translúcidas en lugar de paredes opacas, ya en la etapa de diseño del edificio. Aunque la principal recomendación es pasar más tiempo activo al aire libre [9], con aire fresco y luz [10], las fachadas translúcidas pueden llevar la luz natural al interior y, por tanto, acercar a las personas a su biorritmo natural.

Los muros perimetrales y las envolventes de los edificios son en su mayoría opacos y a menudo logran la función de soporte de carga y un aislamiento térmico eficaz (bajo valor U) combinando capas estructurales y aislantes como en los sistemas compuestos de aislamiento térmico externo (ETICS) o enlucidos [11]. Se logra un buen rendimiento térmico. aumentando el espesor del aislamiento y por tanto el espesor del muro perimetral. Las ventanas transparentes o translúcidas y los rellenos de las aberturas para la luz natural son más delgados, pero como consecuencia, con valores U relativamente altos, no aislan tan bien como otros sistemas de paredes. Los sistemas de muros de fachada autoportantes con propiedades de iluminación natural se utilizan desde hace muchas décadas [12]. Los bloques de vidrio transparentes y translúcidos (luxfers) pueden ofrecer grandes posibilidades para la iluminación natural y el diseño funcional de la fachada.

Las paredes de bloques de vidrio pueden soportar su propia carga gracias al marco y la estructura de hormigón armado. Los bloques de vidrio generalmente se fabrican uniendo dos capas de vidrio. Están disponibles con baja presión interna o con una partición intermedia para mejorar el valor U. En esta solución, la junta de vidrio perpendicular a la pared representa un importante puente térmico. El diseño de bloques de vidrio no se ha mejorado lo suficiente con respecto a las propiedades térmicas durante décadas, aunque se sugirieron algunas mejoras teóricas [13]. Se han presentado soluciones teóricas para limitar los puentes térmicos en esta junta [14,15], incluidos conectores de plástico rellenos de aerogel [16], pero aún no hay soluciones prácticas disponibles. Si bien estos ladrillos de vidrio son relativamente delgados con 80 mm de espesor, su alto valor U limita severamente su uso en tiempos de eficiencia energética.

Como alternativa a los ladrillos de vidrio, los paneles translúcidos pueden cubrir grandes superficies con soluciones de fachada finas. Estos paneles no soportan carga, requieren marcos y tienen valores U intermedios. Es posible mejorar las propiedades térmicas de paneles y elementos translúcidos con aislamientos transparentes como aire a baja presión, vacío, estructuras alveolares o aerogeles de sílice. Los gránulos de aerogel de sílice ofrecen conductividades térmicas muy bajas para ahorrar espacio en áreas urbanas densas [17], apertura de difusión de vapor, superhidrofobicidad y, según el proveedor y el método de producción, pueden lograr muy buenas propiedades ópticas [18] y los autores ya investigaron su uso. en los sobres translúcidos [[19], [20], [21]]. Esta combinación aporta interesantes posibilidades para la rehabilitación de edificios con zonas acristaladas o incluso para construcciones nuevas. En las últimas dos décadas se ha visto la adopción del aerogel de sílice en los edificios (Fig. 1) [22]. En 2001, Aspen Aerogel introdujo en el mercado las mantas opacas de aerogel, con un rápido crecimiento en el mercado de aislamiento industrial, seguido de desarrollos de aplicaciones para el sector de la construcción. Las soluciones granulares de aerogel fueron unas de las primeras en utilizarse en edificios.

En 2003, Cabot Corporation, productor de gránulos de aerogel de sílice, introdujo gránulos con una claridad óptica muy alta. Ese mismo año ya se utilizaban en Zúrich, en el gimnasio "Buchwiesen", en forma de placas de policarbonato (fibra de vidrio) translúcidas con aerogel [23]. La empresa estadounidense Kalwall lanzó al mercado europeo sus paneles de policarbonato térmicamente aislantes también en 2003 [[24], [25], [26]]. Pilkington Glass ofrece soluciones aislantes de perfiles de vidrio con canales en U con paneles de aerogel incorporados de policarbonato desde 2004. Birdair vende membranas translúcidas aisladas para arquitectura extensible con una lámina de aerogel con un rango de transmitancia visual del 2,2 al 4,3 % [27]. A partir de 2021, la empresa Kalwall ya cuenta con más de 600 aplicaciones con paneles translúcidos rellenos de aerogel [24] y durante los últimos años se han introducido muchos diseños personalizados. En 2019, el edificio público de demostración Nest en Empa mostró un nuevo ejemplo de fachada translúcida con aerogel [28] (Fig. 1).

A pesar de los avances en paneles rellenos de aerogel [[42], [43], [44]] y otras soluciones de alto rendimiento, no existe en el mercado ningún elemento constructivo que ofrezca funciones portantes, eficiencia térmica y propiedades translúcidas al mismo tiempo. En este artículo, llenamos este vacío presentando el prototipo de un ladrillo de vidrio translúcido lleno de aerogel de sílice (Fig. 2). El arquitecto romano Vitruvio sugirió que un edificio y su material debían tener durabilidad, función y belleza [45]. Estos tres atributos aumentan la resiliencia del material, extienden su esperanza de vida y pueden considerarse aspectos de sostenibilidad.

En este estudio, el objetivo era diseñar y caracterizar un nuevo elemento para la envolvente de edificios aislante y translúcido que se adhiera a las tres cualidades de Vitruvio y al mismo tiempo ofrezca una nueva combinación de eficiencia energética mejorada, mayor luz natural en el edificio y eficiencia espacial. . Para ello, desarrollamos un ladrillo de vidrio translúcido y aislante, que evaluamos en términos de sus propiedades térmicas y mecánicas mediante mediciones y simulación, logrando una conductividad térmica muy baja de 53 mW/(m·K), la más baja reportada en cualquier ladrillo aislante – y buenas propiedades mecánicas. El ladrillo de vidrio relleno con aerogel de sílice translúcido puede ofrecer un nuevo elemento estructural de fachada para muros perimetrales con alto rendimiento térmico y una superficie estética y duradera para posibilidades de iluminación natural y aplicaciones en áreas grandes (Fig. 3).

2.1. Materiales

El ladrillo de vidrio estaba hecho de vidrio flotado normal, epoxi y granulado de aerogel. Los paneles de vidrio del ladrillo se conectaron con espaciadores epoxi hechos de la resina epoxi transparente Esprit Composite Epoxid-Kristallharz EC 141 de baja viscosidad y alta claridad. Las cavidades de la estructura de ladrillo creada se rellenaron con gránulos de aerogel (Lumira LA1000 de Cabot) con una alta claridad óptica de >90% de transmitancia de luz visible (VLT) por cm [29]. Los valores de conductividad térmica de los materiales utilizados fueron los siguientes: vidrio flotado: 1000 mW/(m·K) según lo indicado por el proveedor del vidrio; resina epoxi: 226,5 mW/(m·K) medida en un pequeño dispositivo de placa caliente protegida; gránulos de aerogel: 18,6 mW/(m·K) medido en un dispositivo grande con lugar caliente protegido (rango dependiendo de la densidad proporcionada por el fabricante: 18–23 mW/(m·K) [29]).

2.2. Diseño y montaje de ladrillos.

Se prepararon varios diseños de ladrillo con diversas formas, materiales y detalles. Los paneles de vidrio se conectaron con espaciadores de epoxi. Se caracterizaron diferentes formas de espaciadores y distancias de paneles de vidrio en términos del flujo de calor a través de todo el ladrillo utilizando simulaciones térmicas bidimensionales en el software de código abierto Therm 7.6 (programa desarrollado por Berkeley Lab) [47] y los valores de conductividad térmica medidos previamente enumerados. arriba. El uso de Therm permitió una detección rápida de muchos diseños bidimensionales. Se probaron y evaluaron varios espaciadores internos diseñados para determinar la transferencia de calor. Las condiciones de contorno se seleccionaron de acuerdo con los estándares suizos para el cálculo del valor U [48], con una temperatura exterior de -8 °C y una interior de 20 °C, correspondiente a una diferencia de temperatura de 28 K. De los diseños evaluados, la Se seleccionó como espaciador interno uno con la mejor combinación de capacidad de fabricación, bajo flujo de calor y buenas propiedades ópticas.

El diseño final (Fig. 4) consistió en cuatro paneles de vidrio flotado transparente regular de 12 mm conectados con espaciadores, con las caras lateral, inferior y superior selladas con una capa de epoxi de 1,5 mm. Los espaciadores se fundieron directamente entre los cristales con ayuda de moldes de silicona con forma de espaciadores. Esta técnica pegó los paneles de vidrio y al mismo tiempo creó espaciadores transparentes entre ellos. Se utilizaron espaciadores de plástico (epoxi) de dos formas para crear cámaras entre los cuatro paneles de vidrio. Se emplearon espaciadores en forma de U (Fig. 4) en las capas exteriores por razones estéticas para darle al ladrillo un aspecto de robustez y profundidad. En la cámara central se utilizaron espaciadores en forma de zigzag con transmisión de calor reducida. La posición desplazada y la forma de los espaciadores están diseñadas para reducir el flujo térmico. De manera similar a los espaciadores, la envoltura inferior y lateral se vertió con epoxi con un espesor de 1,5 mm. Se dejó una pequeña abertura en el sello de cada una de las seis cavidades resultantes: cuatro en la capa intermedia del ladrillo y una en cada capa exterior. Estas cavidades se llenaron con gránulos de aerogel golpeados sin aglutinante y las aberturas se sellaron con cinta transparente. Las dimensiones finales del ladrillo son 500 mm × 136 mm x 84 mm.

2.3. Simulación térmica con TRISCO

Para determinar el rendimiento térmico de todo el ladrillo, incluido el sellado, se realizó una simulación térmica tridimensional del ladrillo utilizando el software Trisco de Physibel. Las temperaturas límite se establecieron en -8 y 20 °C para el exterior y el interior, respectivamente, de acuerdo con la norma suiza sobre el cálculo del valor U [48]. Además, se simularon dos ladrillos con una separación de 2 mm entre ellos para compararlos con el escenario de medición física de la conductividad térmica equivalente. En ambos casos, la forma del ladrillo se simplificó en un modelo 3D voxelado con una representación precisa del ladrillo.

2.4. Mediciones de conductividad térmica.

La conductividad térmica del epoxi se midió en un dispositivo de placa caliente protegida hecho a medida y construido para muestras pequeñas de baja conductividad térmica [49]. La zona de medición es de 25 mm × 25 mm y la precisión es del 10%. La diferencia de temperaturas entre la placa fría y la caliente fue de 15 K y la temperatura de medición fue la temperatura ambiente. La muestra de epoxi tenía un tamaño de 60 mm × 60 mm, con un espesor de 10 mm.

La conductividad térmica equivalente de una pared de muestra simulada compuesta de ladrillos de vidrio se evaluó mediante un dispositivo de lugar caliente protegido a gran escala siguiendo los criterios de SN EN 12667 e ISO 8302. El área de medición es 300 mm × 300 mm y el tamaño de la placa 750 mm × 750 mm. Este dispositivo puede medir muestras de hasta 1000 mm × 1000 mm (Fig. 5). La maqueta de pared medida (revestimiento sin mortero ni adhesivo) tenía unas dimensiones de 500 mm × 510 mm con 136 mm de espesor y estaba compuesta por seis hileras de ladrillos (tres ladrillos completos y seis medios ladrillos) en el clásico “engarce en camilla”. “Colocación de los ladrillos sin cola ni mortero y un espacio entre ladrillos en ambas direcciones de aproximadamente 2 mm. Dado que los ladrillos fueron fabricados a mano y su espesor variaba (136 ± 1,5 mm), se utilizaron dos mantas de caucho de 5 mm de espesor de conductividad térmica conocida para nivelar las superficies inferior y superior de la muestra. La resistencia térmica de las mantas de caucho se restó de la resistencia térmica total medida de la muestra. A partir del valor resultante se calculó la conductividad térmica equivalente final de la pared de ladrillos. Como muestra de referencia se utilizó una muestra de poliestireno expandido de color gris de dimensiones (750 × 750 x 100) mm3.

2.5. Medición de la fuerza de compresión

Se probó la resistencia a la compresión de un ladrillo de vidrio entero de tamaño 500 mm × 136 mm x 84 mm utilizando una máquina de prueba de compresión de Alfred J. Amsler & Co. Schaffhausen, Suiza, con una capacidad máxima de 5000 kN. Para ello, el ladrillo se colocó horizontalmente dentro de la máquina, siendo los cristales verticales y la carga mecánica también vertical (Fig. 6). Esto corresponde a la colocación del ladrillo en un revestimiento de pared con cargas verticales. Para distribuir uniformemente la tensión y tener en cuenta las irregularidades del ladrillo, se colocó un trozo de tablero de fibra de alta densidad de la empresa Pavatex debajo y encima de la muestra. Además, una de las placas de la máquina de ensayo tenía bisagras y, por tanto, era ajustable a la muestra. La velocidad de carga fue de 0,6 MPa/s y el ladrillo se comprimió hasta su rotura.

3.1. Diseño de ladrillos y espaciadores.

Se simularon diferentes formas de espaciadores para determinar cómo obstaculizarían los flujos de calor dentro del ladrillo (Fig. 7). Los espaciadores de forma abierta (A, B, C, D, E, F, M, N, O) se llenan con gránulos de aerogel de sílice, mientras que las cavidades cerradas (G, H, I, J, K, L) se llenan con aire. para el propósito de la simulación. Para la cavidad interna, se seleccionó el espaciador N en forma de zigzag (Fig. 7) porque tenía el valor U simulado más bajo y porque era posible fundir esta forma entre los paneles del ladrillo. Al lado del ladrillo, se seleccionaron espaciadores en forma de U marcados con O como un compromiso entre el flujo de calor y la estabilidad mecánica. El prototipo final de ladrillos utilizó 4 láminas de paneles de vidrio de 12 mm (Fig. 4), inicialmente con espacios diseñados de 30 mm (29,3 mm en la práctica) para un espesor total de ladrillo de 136 mm.

3.2. Rendimiento térmico y mecánico.

La simulación térmica de todo el ladrillo incluyó la cubierta superior e inferior del ladrillo en las simulaciones 3D. La simulación térmica 3D en Trisco (Fig. 8) dio como resultado un valor U de 0,350 W/(m2·K) para el ladrillo de 136 mm de espesor, correspondiente a una conductividad térmica equivalente de 50,5 mW/(m·K). Esto está muy cerca del valor medido en el dispositivo de placa caliente protegida de 0,365 W/(m2·K), correspondiente a una conductividad térmica equivalente de 53,0 mW/(m·K). Para la simulación dentro de estas condiciones límite, hay una redistribución suave de la temperatura de la superficie en las caras del ladrillo (Fig. 8), lo que sugiere que no se observan puentes térmicos dentro de la estructura del ladrillo. La simulación y la convergencia experimental son muy altas y la diferencia menor puede deberse a la simplificación del modelo, incertidumbres en las propiedades del material utilizado en la simulación o incertidumbres experimentales en la medición del prototipo. La resistencia a la compresión del elemento fue de 44,9 MPa, correspondiente a una fuerza máxima aplicada de 3042 kN, antes del colapso total de la estructura de ladrillo.

El prototipo del ladrillo muestra un enfoque novedoso en elementos de iluminación natural con su combinación de propiedades portantes, translúcidas y de aislamiento térmico y mejoras sustanciales de estas características. Se puede utilizar en diseño como sustituto de las paredes perimetrales opacas con una ventaja adicional de iluminación natural (Fig. 9). En comparación con los bloques de ladrillos aislantes opacos estándar, el ladrillo de vidrio de aerogel es varias veces más resistente en términos de capacidad de carga. Con su bajo espesor, el ladrillo de vidrio puede aportar extraordinarias propiedades térmicas y permite que entre mucha luz natural al interior.

La caracterización del ladrillo presentada anteriormente muestra que se puede realizar un sistema de material de muy alta resistencia con una baja conductividad térmica y una buena transmisión de luz. Esto cierra la brecha entre los elementos de iluminación natural (ventanas y paredes con aislamiento térmico) y diversos materiales de construcción opacos desde el punto de vista del aislamiento térmico (Fig. 10). A continuación, analizaremos primero las propiedades individuales del ladrillo y luego sus propiedades combinadas y su potencial de aplicación.

La conductividad térmica del ladrillo es muy baja con 53,0 mW/(m·K); de hecho, todos los sistemas comerciales, así como los prototipos científicos en desarrollo, hasta donde sabemos, tienen conductividades térmicas más altas, siendo el mejor aislante, opaco (! ) ladrillo que tiene una conductividad térmica de 59 mW/(m·K) [50]. Con el espesor realizado de 136 mm, el ladrillo alcanza según la medición un valor U de 0,365 W/(m2·K), que es más alto (menos eficiente) que los requisitos legales en Europa Central para paredes opacas (por ejemplo, 0,17 W/ (m2·K) en Suiza [48,51]), pero considerablemente menor (más eficiente) que los requisitos para ventanas (1,0 W/(m2·K) en Suiza [51]). Sin embargo, el ladrillo también se puede diseñar con un espesor mayor para proporcionar un efecto de aislamiento aún mejor. Dado que el ladrillo de vidrio permite lograr una excelente propiedad aislante con una sola capa para un muro perimetral listo y no necesita otras capas de acabado, el tiempo de construcción se puede reducir significativamente, lo que lleva a reducciones concomitantes en los costos de construcción y operativos.

Con una resistencia a la compresión de 44,9 MPa, la resistencia a la compresión de dicho ladrillo es varias veces mayor que la de los ladrillos aislantes de arcilla y los bloques de ladrillo disponibles en el mercado (Fig. 9). Por lo general, tienen resistencias a la compresión entre 6 y 13 MPa [52]. Sin embargo, los ladrillos aislantes suelen ser mucho más gruesos, a partir de unos 365 mm o más. Los ladrillos de arcilla de carga convencionales se utilizan en espesores comparables a los del ladrillo de vidrio y tienen resistencias a la compresión de alrededor de 28 MPa [53]. Si estos ladrillos sirven como construcción primaria, requieren aislamiento térmico adicional para lograr un confort térmico estándar con la estructura, lo que al final conlleva nuevos pasos tecnológicos (por ejemplo, aplicación de pintura de penetración, mortero-cola, yeso central, anclaje del sistema ETICS, fibra de vidrio). malla, revoque de acabado, pintura) y tiempo extendido para andamios y al final no adelgaza las paredes. Los principales hallazgos se resumen en la Tabla 2, que muestra los valores simulados y medidos.

La transmisividad de la luz de los ladrillos de vidrio no se estudió experimentalmente, pero puede estimarse a partir de los datos existentes sobre los gránulos de aerogel. El espesor total del aerogel de sílice translúcido en el ladrillo fue de aproximadamente 90 mm. Suponiendo un valor de transmisión de luz visible de >90% por cm [29], el límite inferior de la transmisividad se estima en 0,99 = 0,38, por ejemplo >38% (sólo gránulos de aerogel sin vidrio). La transmisión de luz exacta en todo el espectro UV-vis-IR de dicho elemento translúcido compuesto es difícil de evaluar experimentalmente a nivel de prototipo debido a la reflexión interna, la dispersión y la absorción de la luz. Para elementos disponibles comercialmente hechos de policarbonato transparente y gránulos de aerogel con un espesor total de 70 mm, el rango de transmisividad en el rango visible se estimó entre 15 y 21% [24]. El panel de policarbonato es una solución ligera.

Por otro lado, el vidrio suele ser una solución más duradera, de mayor calidad y con posibilidades de carga. Kalwall utiliza polímeros reforzados con fibra de vidrio en el entorno y paneles coloreados que dan como resultado una transmisión de luz menos visible. Otro productor ofrece paneles vidriados de 4 pulgadas (101,6 mm) con un rango de transmisión de luz visual entre el 5% y el 20%, que varía según la influencia del vidrio, la estructura interna alveolar y el velo difusor de luz [54]. La cantidad de luz transmitida a través del ladrillo de vidrio puede verse afectada por la reflectividad del brillo de la superficie exterior, el tipo de vidrio, la claridad de los gránulos de aerogel, la latitud, el clima y la posición diaria del sol. En el diseño se utilizó vidrio flotado de 12 mm con una transmisividad de luz visible de 0,84. Existe la posibilidad de utilizar vidrio extra claro, bajo en hierro, con una transmisividad de luz visible de 0,90 [46].

Con la estimación presentada, una pared hecha de ladrillos translúcidos proporcionaría aproximadamente la misma transmisión de luz que una pared de la misma área, donde aproximadamente entre el 20% y el 40% de esta pared estaría hecha de ventanas y el resto de un material opaco. Suponiendo que las habitaciones normalmente ya tienen una ventana, se pueden crear ganancias adicionales de luz natural con una pared envolvente translúcida. El aerogel permite el paso de la radiación IR, lo que permite obtener ganancias solares en invierno, pero con riesgo de sobrecalentamiento en verano [21,55]. Por esta razón, no se recomiendan porcentajes de transmisión de luz visible superiores al 30 % para la mayoría de las aplicaciones de Kalwall [24]. Aunque la radiación UVA y UVB es filtrada principalmente por los gránulos de aerogel (y el vidrio), la luz visible necesaria para la fotosíntesis aún se transmite y la luz difusa penetra más profundamente en el dosel de la vegetación [56], lo que hace que los ladrillos de vidrio sean adecuados para aplicaciones en invernaderos como en otros aplicaciones de aerogeles [24,55].

En resumen, se puede decir que el ladrillo de vidrio de aerogel probablemente transmite un poco menos de luz que otras soluciones de aerogel translúcido más delgadas, como los paneles de policarbonato. Sin embargo, es mucho más resistente mecánicamente con la resistencia a la compresión medida. Incluso las típicas paredes de ladrillo completamente opacas que se utilizan a menudo en combinación con ETICS tienen una resistencia a la compresión significativamente menor. Esto hace que el ladrillo de vidrio sea una solución única que combina una buena transmisión de luz con una excelente resistencia mecánica.

3.3. Potencial de ahorro de energía

La construcción representa alrededor del 40% del consumo de energía, con una proporción de edificios residenciales del 27% y 12% de edificios comerciales [1, p. 174]. Alrededor del 60% de la pérdida de energía se debe a la envolvente del edificio. El consumo de energía por iluminación interior representa alrededor del 10% en edificios residenciales y alrededor del 20% en edificios comerciales [57]. Los ladrillos de vidrio que se muestran aquí pueden ahorrar energía mediante la utilización de la luz natural, el uso de ganancias solares y la creación de una barrera térmica contra la pérdida de calefacción y refrigeración de espacios. Esto es de particular interés en edificios (servicios) comerciales y públicos, que se utilizan especialmente durante el día. Por supuesto, el potencial de ahorro de energía debido a las ganancias solares y los ahorros en términos de iluminación dependen en gran medida de la ubicación y orientación del edificio, que a la larga determinan la cantidad de radiación solar incidente. Por lo tanto, este aspecto debería explorarse con más detalle en el futuro mediante el examen de ejemplos de edificios específicos en varios lugares diferentes.

3.4. Dónde se puede utilizar el ladrillo de vidrio aerogel

El ladrillo es adecuado para diseños arquitectónicos estéticos (Fig. 3, Fig. 11) para edificios representativos con amplios vestíbulos, patios y paredes acristaladas, y/o en posiciones que no requieren contacto visual con el exterior pero que desean utilizar materiales naturales. luz. Los ladrillos son apropiados para edificios donde se requiere evitar la conexión visual desde el exterior (privacidad, seguridad, evitar molestias, etc.) y traer luz natural al interior, por ejemplo, oficinas en zonas concurridas. La luz difusa es apropiada para bibliotecas, talleres de arte, galerías, museos, vestíbulos, escaleras y en cualquier lugar donde sea necesario eliminar áreas oscuras y sombras fuertes, asegurar una iluminación adecuada y evitar el deslumbramiento directo de la luz solar. El uso del ladrillo puede ser adecuado para espacios de gran tamaño, donde es necesario iluminar profundamente el interior (gimnasio, bibliotecas, salas polivalentes, etc.).

Los ladrillos translúcidos son apropiados para soluciones: recolectar calor de la luz solar mediante radiación infrarroja, por ejemplo, jardines tropicales cerrados, invernaderos, patios o paredes Trombe para utilizar energía térmica [58,59]. El ladrillo de vidrio puede ser adecuado para que los clientes construyan sus casas unifamiliares, patios o edificios y espacios públicos representativos. Además, se puede utilizar para reequipamiento como reemplazo de bloques de vidrio con alto aislamiento térmico (luxfers) en edificios construidos entre los años 1960 y 1980, cuando el uso de bloques de vidrio cuadrados ineficientes era muy popular para la iluminación natural de las áreas de escaleras. El nuevo ladrillo de vidrio aislante de aerogel tiene el potencial de brindar condiciones de iluminación adecuadas y un alto valor estético, al tiempo que ofrece un alto rendimiento de aislamiento térmico. En algunos lugares de edificios residenciales, la contaminación lumínica nocturna puede representar un desafío, pero esto puede evitarse mediante cortinas interiores, persianas y dosel impermeable a la luz.

Aquí hemos desarrollado y caracterizado un nuevo ladrillo aislante y translúcido para envolventes de edificios. Es único en su rendimiento térmico, con una conductividad térmica de 53 mW/(m·K), que está por debajo incluso de la de cualquier ladrillo aislante opaco reportado. El ladrillo tiene una alta resistencia a la compresión, lo que es importante para su uso en fachadas como muros autoportantes. El ladrillo presentado proporciona una solución nueva y estética para la envolvente de edificios que no sólo aísla bien sino que también aporta luz natural al interior del edificio. Con esto, puede ofrecer a los arquitectos una forma completamente nueva de codiseñar fachadas e interiores agradables, aprovechando mejor el recurso natural de la luz natural en los edificios.

4.1. Preguntas técnicas abiertas

El uso de ladrillos de aerogel transparente abre la posibilidad de crear una envolvente de edificio con una fachada translúcida mecánicamente autoportante. La resistencia a la compresión medida es claramente superior a la necesaria para esta aplicación y puede optimizarse (Fig. 9). El principal desafío es optimizar el diseño del ladrillo y los detalles del revestimiento para su uso práctico en mampostería y determinar el adhesivo óptimo entre ladrillos (mortero o cola). Los estudios futuros investigarán la resistencia del revestimiento de la pared en comparación con la resistencia de un solo ladrillo. Para mejorar la seguridad, el ladrillo debe mejorarse para que no se derrumbe bajo el impacto de alta presión, por ejemplo, laminando el vidrio o usando vidrio de seguridad. Es necesario investigar la resistencia al fuego.

Será necesario tener en cuenta las fuerzas de corte laterales de una envolvente de edificio tan delgada y futuras investigaciones deberían estudiar las posibilidades de reforzar un muro construido con una capa de estos ladrillos. Además, en el futuro se deberá estudiar el comportamiento térmico de una pared en su conjunto. La medición de la transmisividad es otro desafío abierto, ya que los aerogeles, como materiales casi homogéneos, tienen una reflexión y dispersión interna sustancial. Es necesario mejorar la capacidad de fabricación para reducir costos y hacer que el ladrillo sea asequible en el mercado. El costo de los materiales, si bien es sustancial (Tabla 1), no es una barrera importante dado el rendimiento. Por último, en trabajos futuros debería determinarse el consumo de energía de edificios nuevos y modernizados con este tipo de muro exterior.

Tabla 1. Parámetros seleccionados de los materiales.

Tabla 2. Resumen de resultados.

4.2. panorama

El nuevo diseño de ladrillo presentado permite la construcción sin marco de borde a borde de paredes translúcidas altamente aisladas con función mecánicamente autoportante. El uso de vidrio ofrece superficies interiores y exteriores acristaladas, que son materiales de acabado resistentes a la intemperie, fáciles de usar y duraderos, a diferencia de los paneles de policarbonato. Los muros perimetrales translúcidos, delgados y altamente aislantes permiten aprovechar la luz natural y asegurar ganancias de energía térmica en el equilibrio energético general del edificio. Los arquitectos e ingenieros civiles tendrán más posibilidades de saturar la demanda de luz natural en el espacio diseñado, ya que se transmite casi todo el espectro de luz natural. Esto aporta privacidad visual, elimina el deslumbramiento y difunde la luz solar directa, suavizando las sombras nítidas de la luz directa e iluminando áreas más profundas del interior con luz natural difusa. Con esta solución es posible realizar muros perimetrales livianos, delgados y energéticamente eficientes. Creemos que el aerogel, el ladrillo de vidrio relleno, puede aportar más luz al interior de los edificios a través de la envolvente del edificio, al mismo tiempo que mejora la salud y ayuda a ahorrar la energía necesaria para la iluminación y la calefacción.

En resumen, hemos presentado aquí un ladrillo aislante translúcido para envolventes de edificios con una eficiencia energética mejorada (lograda mediante un muy buen aislamiento térmico en combinación con ganancias de calor solar), con un mayor confort lumínico (a través de la transmisión de luz natural al edificio) y con un espacio espacial optimizado. eficiencia – debido al bajo espesor logrado mediante el uso de superaislamiento térmico.

Michal Ganobjak: Conceptualización, Escritura - Borrador original, simulaciones, mediciones, Escritura - Revisión y edición, Visualización, Revisión.

Wim J. MalfaitRedacción - Borrador original, Redacción - Revisión.

Janis JustoMedidas, Revisión.

Marcel KäppeliMedidas, Revisión.

Francisco ManceboSimulaciones, Revisión, Revisión.

Samuel BrunnerRedacción, mediciones, revisión y edición.

Jannis WerneryConceptualización, redacción: borrador original, redacción: revisión y edición, revisión.

Los autores declaran los siguientes intereses financieros/relaciones personales que pueden considerarse como posibles intereses en competencia: Michal Ganobjak, Jannis Wernery, Matthias Koebel tiene la patente n.° E 2017-310 pendiente para Empa.

Esta investigación fue apoyada por Velux Stiftung, proyecto n.° 1440 sobre el desarrollo de ladrillos de vidrio translúcido superaislante térmico para la difusión de la luz natural. La idea se desarrolló con el apoyo del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco de las Acciones Marie Skłodowska-Curie, acuerdo de subvención n.º 746992.

Nos gustaría agradecer a los dos revisores anónimos por sus útiles comentarios sobre la primera versión del manuscrito.

Los datos estarán disponibles previa solicitud.