VARIACIÓN TÉRMICA DEPENDIENTE DE LA TONALIDAD DEL MATERIAL
CEMENTICO DE CONSTRUCCIÓN
Materia:
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
Investigadores:
DUVAN LUIS DURANGO JIMENEZ
YARLEIDIS GARCIA CUADRADADO
JORGE LUIS GAMARRA TORRES
DANIELA HERRERA CUELLO
ANA MERCEDES TORRES BARRIOS
Grupo de investigación
PROCIVILES
Profesor
JAVIER MOUTHON BELLO, phD
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
CARTAGENA D. T y C
2013
VARIACIÓN TÉRMICA DEPENDIENTE DE LA TONALIDAD DEL MATERIAL
CEMENTICO DE CONSTRUCCIÓN
PROPUESTA PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
Materia:
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
Investigadores:
DUVAN LUIS DURANGO JIMENEZ
YARLEIDIS GARCIA CUADRADADO
JORGE LUIS GAMARRA TORRES
DANIELA HERRERA CUELLO
ANA MERCEDES TORRES BARRIOS
Profesor
JAVIER MOUTHON BELLO, phD
UNIVERSIDAD DE CARTAGENA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
CARTAGENA D. T y C
2013
CONTENIDO
1. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN Y PROBLEMÁTICA
2. JUSTIFICACIÓN
3. OBJETIVOS
4. MARCO REFERENCIAL.
5. HIPÓTESIS
6. METODOLOGÍA
7. CRONOGRAMA
8. PRESUPUESTO
9. BIBLIOGRAFÍA
1. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN Y PROBLEMÁTICA
1.1. PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN
¿QUE TIPO DE RELACIÓN EXISTE ENTRE EL ÍNDICE DE REFLECTIVIDAD SOLAR, SEGÚN SU COLOR, DE UN MATERIAL CEMENTICO Y SU CAPACIDAD DE ABSORCIÓN CALÓRICA?
1.2. PROBLEMÁTICA
Los índices de reflectividad solar son una característica importante dentro de lo colores, ya que por medio de estos índices, podemos encontrar una variedad de propiedades, entre las cuales está la retención térmica de un material constructivo, cuando se utilicen los colores para ello, pero ¿qué tipo de relación existe entre el índice de reflectividad, según su color, de un material cementico y su capacidad de absorción calórica?, a base de esta pregunta e investigando conceptos se platean objetivos con los cuales se pretende demostrar la no dirección de proporcionalidad entre las variables a estudiar.
Sabiendo que al hablar en concreto de los colores, y sobre todo de los fundamentos en los índices de reflectividad y su afectación en la retención calórica y la temperatura de un material, podemos decir, que aunque existe información sobre esta temática investigativa, se cuenta no con la estrictamente necesaria. Es allí donde surge el problema, el no establecimiento de las incidencias directas de colores empleados en las construcciones, específicamente con materiales cementicos, esto según sus altos o bajos índices de reflectividad solar, refiriéndose esencialmente a las consecuencias sobre el factor de absorción calorífica, que es según su temperatura, de estos materiales.
2. JUSTIFICACIÓN
Resulta oportuno demostrar que el bajo índice de reflectividad solar SRI del color del material cementico causa el aumento de la capacidad de absorber el calor de este. Esto dado que al realizar una investigación en la cual se encuentre la relación entre reflectividad del color y, absorción del calor- temperatura, podríamos llegar a resultados que permitirían formular sugerencias altamente acertadas sobre el color adecuado del material a utilizar para las construcciones a futuro disminuyendo el grado calórico, lo cual sería de mucho agrado para el ambiente en el cual emerge dicho material.
Analizando este proyecto se puede notar que este estudio es viable, puesto que no se requieren equipos especializados ni muchos gastos económicos, además de que el procedimiento no es complejo, por lo que no se necesitan estudios o conocimientos avanzados para su realización.
3. OBJETIVOS
3.1. GENERAL
Demostrar que el índice de reflectividad del color del material es indirectamente proporcional a la temperatura del material. Mediante un estudio de temperatura de mojones hechos a base de un mismo material, que es el concreto, pero con colores de diferentes índices de reflectividad.
3.2. ESPECÍFICOS
Comparar las diferentes temperaturas arrojadas por los mojones pintados con colores de diferente índice de reflectividad.
Calcular la relación existente entre el índice de reflectividad del color del material con la absorción de calor del material de los mojones.
4. MARCO REFERENCIAL
AGUA ENCAPSULADA COMO AMORTIGUADOR TÉRMICO SOBRE LOSAS DE CONCRETO. (Universidad del país Vasco, 2012).
En el presente trabajo se diseño, evaluó y analizo un dispositivo pasivo de climatización. El sistema de climatización consiste en botellas de PET de capacidad de 2 lts., conteniendo agua en su interior y con la mitad en el sentido vertical pintada de blanco. Las botellas fueron colocadas de manera horizontal sobre losas de concreto con tres variables en cuanto a la cantidad de agua contenida 33%, 66% y 100%, quedando la mitad de la botella sin pintar hacia la losa y consecuentemente la mitad de blanco expuesta hacia el exterior. Se utilizaron 4 módulos experimentales de 2.25 m3, de los cuales uno se desempeño como testigo y tres experimentales, todos con las mismas características y dimensiones.
ÍNDICE DE REFLECTANCIA SOLAR DE REVESTIMIENTOS VERTICALES: POTENCIAL PARA LA MITIGACIÓN DE LA ISLA DE CALOR URBANA(Noelia Alchapar, 2011)
La condición artificial del medio urbano modifica el consumo de energía y el confort térmico. El incremento de las temperaturas de una ciudad en relación a las áreas periféricas conduce a la formación de una isla de Calor Urbana. Es por ello, que trabajar sobre las propiedades termo físicas de los materiales (techos, pavimentos y fachadas) es una estrategia de mitigación viable para disminuir las temperaturas de una ciudad. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la capacidad de 80 revestimientos para fachadas disponibles regionalmente para mitigar los efectos negativos de la Isla de Calor Urbana, mediante la determinación del Índice de Reflectancia Solar (SRI). El material que posee el comportamiento más eficiente es el Acrílico Rulato Travertino fino marfil (SRI=100% Temp. Sup.= 35ºC), mientas el mas ineficiente es el Acrilico Llaneado sino gris plomo (SRI= 29% Temp. Sup.= 74ºC). No obstante existen alternativas intermedias que resultan del efecto combinado de la composición material, su color y textura. Esta situación demuestra que es posible mitigar el efecto de isla de calor a partir de una adecuada selección de revestimientos verticales.
Isla de calor
El efecto conocido como isla de calor urbana (ICU) produce mayores temperaturas del aire en el centro de las ciudades comparado con sus áreas suburbanas circundantes. Este fenómeno se relaciona principalmente con la alta densidad edilicia (mayor masa de acumulación), la alta absortancia de los materiales presentes en la ciudad, la escasez de espacios verdes, las características morfológicas de los cañones urbanos, y el calor antropogénico liberado (OKE et al., 1991).
Los materiales utilizados en la envolvente edilicia y estructura urbana desempeñan un papel muy importante en el balance térmico de una ciudad. Ellos absorben la radiación solar e infrarroja y disipan parte del calor acumulado a través de procesos de convección
y radiación hacia la atmósfera, aumentando la temperatura ambiente (SANTAMOURIS; SYNNEFA; KARLESSIET, 2011). El rendimiento térmico de los materiales está determinado principalmente por sus características ópticas y térmicas. El albedo y emisividad térmica, son los factores más importantes (DOULOS; SANTAMOURIS; LIVADA, 2004).1
Materiales fríos
Los materiales fríos se caracterizan por:
(a) alta reflectancia solar (â): la reflectancia solar o albedo, mide la capacidad de un material de reflejar la radiación solar incidente, considerando la reflectancia hemisférica de la radiación integrada en el espectro solar; incluyendo reflexión especular y difusa. Es medida en una escala de 0 a 1 (o 0-100%); y
(b) alta emisión infrarroja (ε): la emitancia infrarroja mide la capacidad de una superficie para liberar -a través de radiación infrarroja – el calor absorbido por el material, en relación con un cuerpo negro de igual temperatura.
Si un material frío se aplica en una envolvente edilicia, esto se traduce en una disminución de las cargas de calor que penetran hacia el interior del edificio y al entorno urbano. Por lo tanto, éstos materiales contribuyen con la reducción de la temperatura ambiente, ya que la intensidad convectiva de calor desde una superficie más fría es más baja. En el gráfico se indican los principios básicos de comportamiento térmico de un material frío.2
Como son percibidos los colores de los objetos
Un cuerpo opaco, es decir no transparente absorbe gran parte de la luz que lo ilumina y refleja una parte más o menos pequeña. Cuando este cuerpo absorbe todos los colores contenidos en la luz blanca, el objeto parece negro.
Cuando refleja todos los colores del espectro, el objeto parece blanco. Los colores absorbidos desaparecen en el interior del objeto, los reflejados llegan al ojo humano. Los colores que visualizamos son, por tanto, aquellos que los propios objetos no absorben, sino que los propagan.
Absorción y reflexión
Todos los cuerpos están constituidos por sustancias que absorben y reflejan las ondas electromagnéticas, es decir, absorben y reflejan colores.
1 www.scielo.br/scielo.php?pid=S1678-86212012000300008&script=sci_arttext . Recuperado[15/09/13]
2 www.scielo.br/scielo.php?pid=S1678-86212012000300008&script=sci_arttext . Recuperado[15/09/13]
Cuando un cuerpo se ve blanco es porque recibe todos los colores básicos del espectro (rojo, verde y azul) los devuelve reflejados, generándose así la mezcla de los tres colores, el blanco.
Si el objeto se ve negro es porque absorbe todas las radiaciones electromagnéticas (todos los colores) y no refleja ninguno.3
El color y el calor
El color de los objetos: El color de un objeto depende de lo que le sucede cuando la luz incide sobre él. Los diferentes materiales absorben algunos colores y reflejan otros. Los colores que vemos son los colores reflejados por el objeto. Por ejemplo, una hoja de color verde absorbe todos los colores excepto el color verde. La hoja refleja el color verde y ése es el color que vemos. Las cosas de color negro absorben todos los colores y no reflejan ninguno. Las cosas de color blanco reflejan todos los colores. Un filtro cromático absorbe ciertos colores de la luz y deja pasar otros.
En dependencia del color o de la superficie, la luz se refleja de forma diferente. Esto resulta muy interesante a la hora de elegir los colores con los que fabricar la ropa, los autos, los techos y otros objetos de nuestra vida cotidiana. Si utilizamos, por ejemplo, ropa de un color que refleje bastante la luz, no tendremos tanto calor en verano como si fuese de un color que no la refleje tanto.
El calor: Si un objeto emite luz roja por sí mismo significa que está a una temperatura capaz de dañar nuestra piel. La energía que se sitúa a partir del rojo visible es aquella que contiene todos los colores que los humanos conocemos. Los colores de las cosas corresponden al color o colores de la luz o luces que reflejan cuando son iluminados por el Sol. De aquí que sea muy distinto un objeto pigmentado de rojo que un objeto “al rojo” a causa de su temperatura. El primero no se ve en la oscuridad y el segundo sí.
Relación entre color y calor: Otro ejemplo para relacionar calor y color lo entrega un quemador común de gas (acetileno, gas manufacturado o licuado). Cerrando el paso del aire, la combustión se torna débil por falta de oxígeno y la llama toma un color anaranjado, propio del quemado de leña. Este fuego es de color naranja y suele impregnar con hollín las ollas a causa de la mala combustión (el humo negro es carbono sin combustionar).
Si se abre el paso de aire para que haya una mejor oxigenación se logra una llama de color azul, sin humo. Eso indica una combustión total y, por lo tanto, mayor temperatura de emisión. Obteniendo una regulación óptima la llama será azul-violeta, lo que indica aún más temperatura.
La luz que emite esta llama; o sea, su calor, será también relativamente más alta a medida que su color de emisión derive hacia el violeta. Es así como la luz blanca, con
3 www.fotonostra.com/grafico/coloresobjetos.htm . Recuperado[15/09/13]
todos sus colores, está contenida en una pequeña parte del espectro electromagnético, cuyos colores representan distintas cantidades de energía, es decir, el calor. Si un objeto desprende un color más allá del violeta, estará emitiendo ultravioleta, que es el caso de una soldadura por arco eléctrico. La luz emitida por ella es de tal intensidad que el soldador debe utilizar protecciones especiales para no perder la vista o quemarse la piel con la luz ultravioleta.
De lo anteriormente expuesto podemos sacar las siguientes conclusiones:
Si un objeto se ve de “color blanco” significa que su pigmentación superficial es capaz de reflejar todos los colores de la luz; o sea, toda la luz blanca, y esto provoca en el cerebro esa sensación de “color blanco”.
Todos los pigmentos mezclados dan como resultado el color negro.
Captación de la energía solar: El recubrimiento negro no refleja ningún color y absorbe casi toda la radiación solar (90 a 98 %). En la vida cotidiana, como hemos dicho antes, se aprovecha esta propiedad cuando nos vestimos con colores oscuros en invierno; y en el verano, de color blanco, ya que refleja casi todas las longitudes de onda (15 a 40 %). Todos los otros colores están en porcentajes intermedios en proporción a su tono y brillo.
En síntesis, el color de una superficie da una buena indicación de la absorción de la radiación solar. La absorción decrece y la luz reflejada aumenta con la claridad del color, pero el color no indica el comportamiento de una superficie con respecto a la radiación que pueda emitir en virtud de su temperatura.
Por ejemplo, las pinturas negras y blancas tienen muy diferentes poderes de absorción de la radiación solar y una superficie negra se vuelve más caliente por la exposición al Sol; pero las emisiones de onda larga de los dos colores son iguales y se enfrían igualmente en la noche por radiación a la bóveda celeste.4
Superficies secas y oscuras absorben más luz solar
El tipo de superficie es un factor importante en cuanto a los patrones espaciales de las capas de temperatura del aire superficial y de dosel en la ciudad. Las temperaturas son más altas en aquellas zonas con mayor densidad de construcción, y son más bajas cerca a parques o zonas más abiertas. Las temperaturas de la superficie son especialmente susceptibles a las condiciones de la superficie: durante el día las superficies secas y oscuras que absorben luz solar fuertemente se vuelven muy calientes, mientras que las superficies más claras y/o mojadas son mucho más frías. El sombreado de la superficie también ayuda a controlar la temperatura.
Ciertas estructuras y geometría de las ciudades favorecen a las islas de calor
4 www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia17/HTML/articulo08.htm . Recuperado[15/0913]
La forma de la ciudad incluye los materiales usados en la construcción, las características de las superficies de la ciudad, tales como las dimensiones y espaciamiento de las edificaciones, las propiedades térmicas, y la cantidad de espacios verdes. La formación de islas de calor es favorecida por materiales de construcción relativamente densos que son lentos en calentarse y enfriarse, y almacenan una cantidad de energía el reemplazo de las superficies naturales por superficies impermeables o a prueba de agua, lo que induce un área urbana más seca, en donde hay menos agua disponible para la evaporación, lo cual contrarresta el calentamiento del aire una menor capacidad de las superficies de reverberar la radiación solar; las superficies oscuras, tales como las carreteras de asfalto, absorben más luz solar y se ponen mucho más calientes que las superficies de color claro.
Una solución: tejados y pavimento de colores claros.
La comprensión de los mecanismos físicos subyacentes a la formación de las islas de calor provee la base para el desarrollo de controles que pueden promover o aliviar las islas de calor, pero en algunos casos la aplicación de esos controles es difícil. Por ejemplo, el cambio extenso en la geometría de la superficie urbana a través del espaciamiento de las edificaciones, generalmente no es factible. Sin embargo, otras estrategias son posibles -por ejemplo, usar tejados y pavimentos blancos o de otro color claro.5
Índice de reflectividad solar (SRI)
El Índice de Reflectividad Solar se obtiene bajo la norma ASTM E1980 (AMERICAN..., 2011a). Éste es un indicador que incorpora la reflectancia y la emitancia en un único término que representa la temperatura de una superficial horizontal, o de baja pendiente (< 9.5º), de una material opaco expuesto al sol. Permitiendo una comparación directa entre superficies con diferentes propiedades ópticas (albedo y emisividad). Se calcula utilizando ecuaciones basadas en datos previamente definidos y medidos de reflectancia y emitancia solar, y se expresa como un valor (0,0 a 1,0) o como porcentaje (0% a 100%).
El SRI cuantifica el calor que acumularía un material en relación a una superficie patrón blanco y una negra, bajo condiciones ambientales estándar. Se define como patrón negro a un material con una reflectancia de 0.05 y una emitancia 0.90, cuyo valor es igual a 0; y el patrón blanco equivale a 1 (o 100%), con una reflectancia 0.80 y una emitancia 0,90.
Este método se utiliza para superficies con emisividades mayores a 0.01 y temperaturas superficiales menores a 150 ºC.6
5 www.actionbioscience.org/esp/ambiente/voogt.html . Recuperado [17/09/13]
6 www.scielo.br/scielo.php?pid=S1678-86212012000300008&script=sci_arttext . Recuperado [18/09/13]
5. HIPÓTESIS
5.1. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN
El aumento del índice de reflectividad solar del material cementico, dependiendo netamente de su color, causa la disminución de la capacidad de absorber calor de dicho material.
5.2. HIPÓTESIS NULA
El aumento del índice de reflectividad solar del material cementico, dependiendo de su color, no causa la disminución de la capacidad de absorber calor de este material.
5.3. VARIABLES
5.3.A. Índice de reflectividad solar
Definición conceptual: Es la fracción de radiación incidente reflejada por una superficie.
Definición operacional: Sera operacionalizada teniendo en cuenta unos índices de reflectividad ya estudiados y estipulados para cada color, esto lo podemos encontrar en fichas técnicas como una característica de estos.
5.3.B. Absorción de calor
Definición conceptual: Proceso mediante el cual un cuerpo o superficie absorbe energía que otro cuerpo o medio, a mayor temperatura, le proporciona.
Definición operacional: Sera operacionalizada midiendo la temperatura de mojones de cemento de diferentes colores a diferentes horas del día, con un termómetro de mercurio.
6. METODOLOGÍA
La experimentación se enfocara básicamente en la relación existente entre dos variables, el índice de reflectividad solar SRI, según su color, de un material cementico y su capacidad de absorber calor; a partir de lo cual, esta se verá enmarca en un proyecto investigativo del tipo correlacionar.
Además, los ensayos experimentales se llevaran a cabo en la ciudad de Cartagena de Indias D. T. y C. (Colombia) cuya temperatura promedio está entre los 24º y 31º Celcius, durante los meses de Octubre y Noviembre donde las precipitaciones por lo general son mas insinuadas pero sin variar mucho de la temperatura promedio anual de la ciudad.
El procedimiento experimental a seguir en este proyecto es el presentado a continuación:
1. Se elegirán cinco colores distintos con sus respetivos índices de reflectividad para revestimientos de composición cementicia, esta información puede ser adquirida en cualquier fábrica de este tipo de pinturas, estos colores han de ser comunes en las construcciones. Para lo cual se seleccionaron:
Color SRI (%)Marfil
85-90
Piedra Paris 75-80
Ocre 60-65
Terracota 55-60
Gris plomo 40-45
2. Después de escoger los colores, se procederá a elaborar las cinco mezclas cementicas con igual cantidad de cemento gris, arena, triturado, agua para todas ellas, de tal forma que estas variables sean constantes y no produzcan algún tipo de afección en los resultados experimentales.
3. Se aplicara a cada muestra cementica (en este caso en forma de mojones) un color distinto, así se obtendrán cinco muestras cementicas cada una con un color diferente.
4. Se medirán las temperaturas de los mojones de diferentes colores al encontrarse a una exposición directa del sol, utilizando para ello un termómetro de mercurio el cual será insertado en un orificio de la superficie de cada una de las muestras.
5. El paso numero 4 se realizara en diferentes horas del día: 12:00m, 4:00pm y 8:00pm. Durante tres días alternados, con un día intermedio sin hacer prueba.
6. Se registraran los datos de las temperaturas, de cada una de las tres muestras, en las tres horas indicadas del día.
7. CRONOGRAMA
Etapas Nombre Actividades Fechas
N° de reuniones Costos
Inicio Fin (C.O.P)
1 MaterialesA – Cotización de materiales 24/10/2013 24/10/2013 1 $3 200
B – Compra de materiales 28/10/2013 28/10/2013 2 $100 700
3 Desarrollo experimental
C – Evaluación y adecuación de los tres materiales muéstrales
29/10/2013 29/10/2013 1 $6 400
D – Pruebas experimentales 04/11/2013 08/11/2013 3 $19 200
E – Registro de datos obtenidos 04/11/2013 08/11/2013 2 $5 000
4 Redacción de proyecto
F – Adición de análisis e interpretación de resultados
11/11/2013 14/11/2013 3 $5 000
5 Presentación G 26/11/2013 26/11/2013 1 $10 000
Actividades 24 25 26 27 28 29 30 31 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2526
A
B
C
D
E
F
G
Figura 1. Cronograma de actividades de 24 de octubre al 26 de noviembre de 2013.
8. PRESUPUESTO
Tabla 1. Gastos materiales del proyecto.
Materiales Cotización Termómetro de mercurio $55 000
Cemento $10 000Arena $700
Triturado RecicladoAgua Reciclada
Aditivos colorantes $30 000Agenda de datos $5 000
Subtotal $100 700
Tabla 2. Gastos totales del proyecto.
Gastos del proyecto $149 500
Imprevistos (10%) $14 950
Total $164 450
9. BIBLIOGRAFÍA
Alchapar N, María C, Érica C. Índice de reflectancia solar de revestimientos verticales: potencial para la mitigación de la isla de calor urbana. Laboratorio de ambiente humano y vivienda. Consejo nacional de investigaciones científicas y técnicas. Mendoza: 2012.
www.actionbioscience.org/esp/ambiente/voogt.html . Recuperado [17/09/13]
www.fotonostra.com/grafico/coloresobjetos.htm . Recuperado [15/09/13]
www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia17/HTML/articulo08.htm . Recuperado [15/0913]
www.scielo.br/scielo.php?pid=S1678-86212012000300008&script=sci_arttext . Recuperado [18/09/13]
Universidad del país vasco, 2012. Agua encapsulada como amortiguador térmico sobre losas de concreto
