“TRANSFERENCIA DE CALOR EN PAREDES,

TECHOS Y VENTANAS”

DEFINICIÓN DE TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es un área de la ingeniería que trata de los mecanismos encargados de la transferencia de energía de un lugar a otro cuando existe una diferencia de temperaturas.

Existen tres procesos o mecanismos por la cuales el calor se transporta, estos son:

Conducción

Convección

Radiación.

MECANISMOS DE LA TRANSFERENCIA DE

CALOR

CONDUCCIÓN:

La conducción es la forma que tiene el calor de propagarse por los solidos. La agitación de las moléculas próximas al foco de calor se propaga a las moléculas vecinas sin que se mueva de lugar.

CONVECCIÓN:

En los líquidos y en los gases el calor se propaga por convección. Las moléculas calientes de un liquido o de un gas tienen tendencia a elevarse, mientras que las moléculas frías tienden a descender.

RADIACIÓN:

La radiación es la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. Un claro ejemplo es el calor del sol que llega a la tierra después de un largo especio vacío.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN PAREDES

PARED PLANA HOMOGÉNEA

PARED PLANA HOMOGÉNEA

Integración de la ecuación de Fourier

t

QQ

PARED PLANA COMPUESTA

Sea una pared plana compuesta por tres materiales A, B, y C, a través de la cual se produce una transmisión de calor por conducción en estado estacionario:

Q= → = Q

Q= → = Q Q=

Q= → = Q

PARED CILÍNDRICA HOMOGÉNEA:

• En la imagen se encuentra representada una pared cilíndrica homogénea y gruesa en la que el área transversal perpendicular al flujo del calor varía con la distancia, es decir, A no es constante.

• Sean r1 y r2 los radios de las paredes interior y exterior, respectivamente, y T1 y T2 las correspondientes temperaturas. Si se aplica la ley de Fourier a una porción de pared cilíndrica de espesor infinitesimal, dr, y longitud L, a la que le corresponde una diferencia de temperaturas, dT, resulta:

Q = -K.A. -k.2.π.r .L. Q=k.2.π.L.

PARED CILÍNDRICA COMPUESTA:

• Sea una pared cilíndrica compuesta de dos materiales A y B, en la que ri , rm, y re, son, respectivamente, los radios interior, medio ( de la superficie de separación de los dos materiales), y exterior; Ti , Tm , y Te, las temperaturas correspondientes, y L la longitud del tubo.

• La velocidad de flujo del calor se puede calcular tomando en consideración las resistencias térmicas de los dos materiales que constituyen la pared cilíndrica.

= ; = ; =

Q = = Q

PARED ESFÉRICA HOMOGÉNEA:

Se considera una pared esférica homogénea en la que los radios correspondientes a las superficies interior y exterior son r1 y r2 , respectivamente, y T1 y T2, las temperaturas en dichas superficies, (figura 7.6). Para una porción de pared esférica de espesor infinitesimal, dr, para el que la diferencia de temperaturas es dT, la ecuación de Fourier queda como sigue: Q = -K.4.π..(dt/dr)

En la que por integración se obtiene: Q =K.4.π.. o bien Q=K.4.π. .

PARED ESFÉRICA COMPUESTA:

El cálculo de la velocidad de flujo de calor a través de una pared esférica compuesta de dos materiales A y B se puede realizar fácilmente considerando las resistencias térmicas de los dos materiales:

Q= siendo y

=

y

LAS PAREDES Y LOS AISLANTES

• Los materiales de construcción como el ladrillo y el hormigón, son buenos elementos para retención de la energía dentro de la habitación, siempre que tengan un espesor adecuado. Las paredes exteriores construidas con muy poco espesor, 10 ó 15 centímetros, causarán inevitablemente un gran consumo de combustible.

• Los aislantes utilizan el aire encerrado en pequeñas celdas para evitar el paso del calor. El aire es un mal conductor del calor. Las aislaciones, al contar con cientos de pequeñas burbujas de aire encerrado en ellas, aumentan y magnifican el efecto no conductor del aire. Así, una pared con cámara de aire, baja los consumos de energía.

• Existen varios tipos de aislante: Lana de vidrio, espuma rígida, lana mineral y otros en forma de espumas que se colocan en el lugar.

• El aislamiento es particularmente importante en los techos, puesto que esta zona de los edificios está fuertemente sometida a la acción del sol y el viento.

• Lo que decimos para las pérdidas es también válido para las ganancias, de calor en verano.

• Cabe decir, tan sólo, que el uso de aislantes es uno de los mejores caminos para bajar los consumos de combustibles.

• Las aislaciones pueden ser colocadas en el exterior de las paredes o en el interior. En caso de una vivienda o edificio ya construido, en general es más fácil ubicar los aislantes en el interior.

• Sin embargo, desde el punto de vista térmico es óptimo colocarlos en el exterior. Así los efectos aislantes son más pronunciados. Claro que esto es sólo posible cuando la construcción se está levantando.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN TECHOS

A través del techo puede penetrar gran cantidad de calor a los ambientes interiores. Debido a su posición recibe radiación solar en cualquier época del año, por lo cual alcanza temperaturas superficiales exteriores de hasta 65°C cuando la temperatura exterior del aire, a la sombra, es de sólo 27 °C. 

El techo es la mayor fuente de calor en el caso de edificaciones de baja altura, pues la radiación solar que recibe puede alcanzar hasta un tercio (1/3) de las ganancias de calor de una casa y provocar altas temperaturas en el interior. 

Debe prestarse una gran atención al diseño y los materiales del techo para garantizar el confort de los ambientes interiores y reducir el consumo de electricidad en el caso de acondicionamiento activo.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN VENTANAS

Un sistema de acristalamiento suele estar constituido por diversos componentes que funcionan en conjunto: hojas de vidrio, cámaras de gas, marcos y divisores, mecanismos de apertura, entre otros. En ese sentido, caracterizar su desempeño térmico suele ser más difícil que en el caso de un vidrio en particular.

En términos del desempeño energético y lumínico de los sistemas de acristalamiento podemos hablar de cuatro parámetros básicos:

• Transferencia de calor (factor U)• Ganancias de calor solar (SC, SHGC)• Transmitancia visible• Infiltración

FACTOR U TOTAL

El factor U total representa el coeficiente global de transferencia de calor de la unidad de acristalamiento en su conjunto, incluyendo el efecto de los bordes del vidrio y de los marcos y divisores.

Se expresa mediante la unidad W/m2•K (Btu/hr-ft2•ºF, en el sistema inglés), e indica el flujo de calor por unidad de tiempo y unidad de superficie, considerando una unidad de temperatura como diferencia entre el ambiente interior y el exterior. Incluye la transferencia de calor por conducción, convección y radiación, asumiendo, como se indica más adelante, unas determinadas condiciones ambientales.

Actualmente el factor U es el parámetro estándar para calificar la capacidad de aislamiento de las unidades de acristalamiento. Mientras menor sea su valor menor será también el flujo de calor admitido, dado que el factor U es el inverso del valor R total (R=1/U).

El factor U depende fundamentalmente de las propiedades térmicas de los materiales que conforman el sistema de acristalamiento, y de factores ambientales como la velocidad del viento (que afecta los coeficientes convectivos superficiales) y la diferencia entre la temperatura del aire interior y la del aire exterior. Con el objeto de normalizar los procedimientos de calificación de sistemas de acristalamiento, la NFRC ha establecido las siguientes condiciones ambientales estándar para calcular el factor U:

• Velocidad del viento: 12.3 km/hr (5.5 mi/hr)• Temperatura del aire interior: 21°C (70°F)• Temperatura del aire exterior: -18°C (0°F).

Ahora bien, en algunos ámbitos de análisis se manejan algunos conceptos relacionados con el impacto que tiene cada uno de los componentes de la unidad de acristalamiento en el factor U total: el factor U del centro de vidrio, los bordes y los marcos y divisores.

FACTOR U DEL CENTRO DE VIDRIO

Se refiere a la transmitancia térmica de la porción correspondiente exclusivamente al vidrio, es decir, sin considerar el efecto de los bordes ni de los marcos y divisores.

El factor U del centro de vidrio depende de las propiedades térmicas del vidrio, de su espesor y de las características de su recubrimiento, cuando éste existe. Si la unidad tiene más de una hoja de vidrio, este parámetro depende también del número de hojas, de la separación entre éstas y del gas de relleno de las cámaras (aire, argón, criptón, etc).

Es importante no confundir este parámetro, proporcionado por algunos productores de vidrio, con el factor U total, el cual sí que considera el efecto de los bordes y de los marcos y divisores.

EFECTO DE LOS BORDES

Si bien en el cálculo del factor U se asume que los flujos de calor son perpendiculares al plano de la unidad de acristalamiento, ésta en realidad suele ser un dispositivo complejo en el que la dirección de los flujos de calor dependen de la configuración tridimensional de sus componentes.

Por ejemplo, los espaciadores metálicos en los bordes de una unidad de doble vidrio hermético presentan flujos de calor bastante más elevados que el centro del vidrio. Asimismo, el impacto del efecto de los bordes aumenta conforme se incrementa la capacidad de aislamiento de la porción correspondiente al vidrio.

MARCOS Y DIVISORES

Las pérdidas y ganancias de calor a través de los marcos y divisores pueden ser bastante significativas. Esto resulta más evidente cuando se trata de ventanas relativamente pequeñas, en cuyo caso dichos componentes llegan a representar cerca del 30% de la superficie total. En marcos y divisores de un material sólido y uniforme (por ejemplo la madera) el factor U depende fundamentalmente del valor de conductividad de dicho material. Cuando estos componentes tienen cavidades en su estructura, como es el caso de las ventanas de vinilo, PVC y aluminio, la conducción de calor a través del material se combina con la convección a través del aire y con los intercambios radiantes entre las superficies internas.

En ocasiones resulta difícil decidir sobre el material más adecuado para los marcos y divisores. Los de madera ofrecen una resistencia relativamente buena a los flujos de calor, pero suelen ser caros y exigir un mantenimiento constante. Los de PVC ofrecen prestaciones térmicas similares, pero pueden presentar fallas con el envejecimiento del material, debido a sus los procesos de dilatación y contracción ante los cambios de temperatura.

GANANCIAS DE CALOR SOLAR

Las ganancias de calor solar (o simplemente ganancias solares) a través de ventanas y sistemas de acristalamiento, son aquellas que se derivan exclusivamente de la radiación solar incidente, incluyendo tanto la directa como la difusa. La radiación solar difusa, a su vez, incluye la proveniente del domo celeste y la reflejada por el entorno.

En ese sentido, las ganancias solares se consideran siempre independientes de las temperaturas del ambiente exterior.

En términos de traslado de energía, las ganancias solares resultan del efecto conjunto de la radiación transmitida al espacio después de atravesar en forma directa el acristalamiento, y de la re-irradiación hacia el interior de la energía calorífica derivada de la radiación absorbida por el componente. Obviamente en este caso no se considera la radiación reflejada ni el flujo de energía externo derivado de la radiación absorbida, ya que no afectan al espacio interior.

En muchos casos las ganancias solares tienden a ser bastante mayores que las producidas por otros factores, como la temperatura exterior. Por otro lado, los sistemas de acristalamiento con elevados índices de ganancias solares pueden ser adecuados durante el invierno, pero también pueden incrementar significativamente las cargas internas durante el verano. En ese sentido se trata de un aspecto que debe analizarse cuidadosamente durante el proceso de diseño de los edificios.

Hay dos conceptos básicos que se emplean para indicar la medida en que los sistemas de acristalamiento admiten las ganancias solares:

• Coeficiente de sombra (Shading Coefficient, SC) • Coeficiente de ganancia de calor solar (Solar Heating Gain Coefficient,

SHGC). Aunque se refieren al mismo fenómeno, implican diferentes métodos de cálculo y de referencia.

COEFICIENTE DE SOMBRA

El coeficiente de sombra representa las ganancias solares a través de una ventana o unidad de acristalamiento, respecto a las ganancias solares que tendría un vidrio claro de 3 mm (ganancias solares a través del acristalamiento / ganancias solares a través de un vidrio claro de 3 mm).

El cálculo se efectúa considerando el mismo índice de radiación y una incidencia normal, es decir perpendicular al vidrio.Coeficiente de ganancia solar (SHGC) – Valor G

COEFICIENTE DE GANANCIA DE CALOR SOLAR

El coeficiente de ganancia de calor solar expresa las ganancias solares a través de una ventana o unidad de acristalamiento, respecto a la radiación solar incidente (ganancia solar / radiación incidente). Se trata de un valor no dimensional casi siempre expresado de manera fraccional (0.0 a 1.0). Por ejemplo un SHGC de 0.40 indica que la unidad de acristalamiento permite el paso del 40% del calor solar que recibe.Generalmente el SHGC se refiere al desempeño del sistema de acristalamiento en su conjunto (aunque se emplea también para caracterizar hojas de vidrio individuales), indicando de manera precisa las ganancias solares en un amplio rango de situaciones.

TRANSMITANCIA VISIBLE GLOBAL

La transmitancia visible es un valor que expresa la cantidad de radiación solar visible (radiación en el rango del espectro que abarca la luz visible para el ojo humano) que puede atravesar una unidad de acristalamiento, respecto a la radiación solar visible que incide sobre ella. En algunos ámbitos se indica como valor porcentual, mientras que en otros se emplean valores fraccionales. Teóricamente el valor de transmitancia visible podría ir de 0% a 100% (0.0 a 1.0), aunque los acristalamientos reales no suelen presentar valores menores al 10% (0.1) o mayores a 90% (0.9).

La transmitancia visible se ve afectada principalmente por el tipo y número de vidrios, así como por la configuración de los marcos y divisores. Este parámetro influye de manera determinante en aspectos como la disponibilidad de luz natural, la visibilidad interior-exterior, el control del deslumbramiento y la privacidad. Si bien no afecta de manera significativa el balance térmico del espacio, sí lo hace de manera indirecta: por ejemplo un acristalamiento con una transmitancia visible excesivamente baja suele aumentar el uso de la iluminación artificial, y con ello las cargas internas de los edificios.

INFILTRACIÓN

Otro parámetro directamente relacionado con la eficiencia energética de los acristalamientos es la infiltración, o nivel de permeabilidad al viento (en algunos ámbitos este parámetro se define en un sentido inverso, es decir, como nivel de estanqueidad al viento). La infiltración indica el paso del aire, en forma no controlada y/o deseada, a través de los acristalamientos. Este fenómeno se debe principalmente a las fisuras y separaciones presentes entre sus diversos componentes (por ejemplo la separación entre una hoja corrediza y el sistema de marcos y divisores).

La infiltración se suele medir como la cantidad de aire (metros o pies cúbicos por minuto) que pasa a través de una unidad de superficie de acristalamiento (metro o pie cuadrado), dadas unas condiciones de presión de viento estándar. Sin embargo es importante considerar que en realidad la infiltración varía dependiendo de las cambiantes condiciones exteriores.

CASA PASIVA

CONCEPTO:

Se habla de casa pasiva cuando se consigue una edificación que no necesita energía para mantener el confort interior (temperatura, calidad y renovación del aire…) o que tiene unos requerimientos de energía mínimos. El concepto, históricamente, nace en países como Islandia, donde se sufren unas temperaturas de frío extremo y no se disponía del combustible para calentar las casas. Era necesario entonces mantener la vivienda en una temperatura constante sin poder depender de una fuente de energía externa.

Actualmente, se considera casa pasiva el edificio que cumpla los requisitos marcados por el “Passiv Haus Institut”, de Alemania, encargado de cuantificar y valorar los principios que se han de cumplir para considerar que una casa es pasiva energéticamente hablando. Los preceptos que a cumplir serían básicamente: la minimización de pérdidas del edificio, la optimización al máximo del rendimiento la energía solar pasiva y disponer de un sistema de ventilación constante con reaprovechamiento de la energía del aire. Con ello se pretende conseguir que la energía máxima que consume el edificio sea menor a 30 Kwh/m2 año, unas diez veces inferior al consumo medio de una casa convencional.

CLIMA Y CONFORT

Todo edificio se construye con el fin de cobijar y protegernos del ambiente exterior creando un clima interior. Cuando las condiciones del exterior impiden el confort del espacio interior se recurre a sistemas de calefacción o refrigeración.Entre las medidas más eficaces se encuentra el ahorro de energía mediante el uso de aislamiento térmico. Pero la conservación de energía implica aislarnos del exterior, el diseño pasivo busca abrir el edificio al exterior de manera tal que pueda conseguirse un acondicionamiento natural.

Así el clima donde se va a localizar el edificio se define por la temperatura, los niveles de humedad, la velocidad y dirección de los vientos y el soleamiento del sitio. Entonces las condiciones climáticas pueden constituir un inconveniente o una ventaja para un adecuado rendimiento energético de la casa.

SISTEMAS SOLARES PASIVOS

Los sistemas solares pasivos se utilizan, principalmente, para captar y acumular el calor proveniente de la energía solar. Se los llama pasivos ya que no se utilizan otros dispositivos electromecánicos para recircular el calor. Esto sucede por principios físicos básicos como la conducción, radiación y convección del calor.

• Ganancia directa: es el sistema más sencillo e implica la captación de la energía del sol por superficies vidriadas, que son dimensionadas para cada orientación y en función de las necesidades de calor del edificio o local a climatizar.

• Muro de acumulación no ventilado: también conocido como muro trombe, que es un muro construido con piedra, ladrillos, hormigón o incluso agua, pintado de negro o color muy oscuro por la cara exterior. Para mejorar la captación se aprovecha una propiedad del vidrio que es generar efecto invernadero, por el cual la luz visible ingresa y al tocar el muro lo calienta, emitiendo radiación infrarroja, la cual no puede atravesar el vidrio. Por este motivo se eleva la temperatura de la superficie oscura y de la cámara de aire existente entre el muro y el vidrio.

• Muro de acumulación ventilado: similar al anterior pero que incorpora orificios en la parte superior e inferior para facilitar el intercambio de calor entre el muro y el ambiente mediante convección.

• Invernadero adosado: en este caso al muro que da al mediodía se le incorpora un espacio vidriado, que puede ser habitable, mejorando la captación de calor durante el día, reduciendo las pérdidas de calor hacia al exterior.

• Techo de acumulación de calor: en ciertas latitudes es posible usar la superficie del techo para captar y acumular la energía del sol. También conocidos como estanques solares requieren de complejos dispositivos móviles para evitar que se escape el calor durante la noche.

• Captación solar y acumulación calor: es un sistema más complejo y permite combinar la ganancia directa por ventanas con colectores solares de aire o agua caliente para acumularlo debajo del piso. Luego, de modo similar al muro acumulador ventilado, se lleva el calor al ambiente interior. Adecuadamente dimensionado permite acumular calor para más de siete días.

• En casi todos los casos se puede utilizar como sistemas de refrescamiento pasivo invirtiendo el sentido de funcionamiento.

LA SELECCIÓN ADECUADA DE LOS

MATERIALES LA EDIFICACIÓN

La selección adecuada de los materiales deberá tomar en cuenta el horario de uso de la edificación y el tipo de acondicionamiento, de acuerdo a las siguientes reglas básicas.

EN EL CASO DE ACONDICIONAMIENTO PASIVO:

•En edificaciones de uso diurno y nocturno, tales como residencias, son aconsejables componentes con inercia térmica débil o media que no acumulen calor en el día y presenten poco tiempo de desfase, para que así la onda de calor no se traslade a las hora de la tarde o de la noche cuando se produce la mayor ocupación de los espacios. En el primer caso es aconsejable la colocación de una capa de material aislante térmico colocado hacia la cara exterior. •En edificaciones de uso diurno, tales como escuelas, son aconsejables componentes con inercia térmica media o fuerte que acumulen calor en el día y retarden la onda de calor para las horas de la noche, cuando la edificación está desocupada. En la noche el calor se evacuará por reirradiación hacia el cielo y por movimiento convectivo con la ayuda del viento.

EN EL CASO DE ACONDICIONAMIENTO ACTIVO

• Para edificios de uso diurno, por ejemplo comercio u oficina, son aconsejables componentes con inercia térmica fuerte. Estos son materiales con una alta capacidad calórifica que acumulan calor en el día, de forma tal que amortiguan la curva de temperatura interior y presentan un desfase de varias horas. 

• En el caso de acondicionamiento activo permite disminuir los costos de instalación, uso y mantenimiento de los sistemas de aire acondicionado.

• También es importante que el material aislante mantenga indefinidamente su coeficiente de conductividad y que no sea higroscópico, es decir, que no absorba humedad, lo cual disminuye su propiedad de aislante con el paso del tiempo.