diseÑo bioclimatico termico 1

8/19/2019 DISEÑO BIOCLIMATICO TERMICO 1

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ARQ. PSJ. LUIS ALEXIS ARIAS CRUZDISEÑO BIOCLIM TICO URB RQ

TECNOLOGICO NACIONAL DE MEXICO Instituto Tecnológico de Tepic

UNIDAD 2

Los materiales y sus características térmicas

La decisión de usar unos materiales u otros puede tener un gran impacto en el desempeño térmico y

energético de los edificios. No todos los materiales son iguales, y no todos los materiales tienen el

mismo comportamiento ante diferentes condiciones ambientales. Por otro lado algunos materiales

tienen cualidades que, si se aprovechan, pueden ayudar a resolver las exigencias climáticas a las

que se ven sometidos los edificios.

Podemos afirmar que conocer con cierto detalle las características térmicas de los materiales

empleados en la edificación resulta indispensable para tomar decisiones de diseño adecuadas. En

los siguientes artículos estudiaremos algunas de esas características, incluyendo las propiedades

térmicas básicas (densidad, conductividad, resistencia, valor R, calor específico, calor específico

volumétrico, capacidad térmica...), las propiedades superficiales (absortividad, emisividad,

reflectividad...), así como los conceptos de aislamiento y masa térmica.

Características térmicas básicas

En este tópico se describen las principales características térmicas de los materiales, haciendoénfasis en aquellos que se emplean de manera regular en la construcción. Al final podrás encontrar

una tabla con algunos valores relacionados con estos parámetros.

Densidad

Si bien la densidad no es una propiedad térmica en sí misma, se trata de una característica que

afecta de manera significativa el desempeño térmico de los materiales. La densidad, o masa

específica de un material, es el cociente que resulta de dividir la cantidad de masa (kg) de dicho

material por su volumen unitario (m3). Así, la densidad que caracteriza al material se mide en

kilogramos por metro cúbico (kg/m3).

Los materiales empleados en la edificación presentan un amplio rango de densidades. Algunos

productos aislantes apenas alcanzan una densidad de 10 kg/m3, mientras que los más pesados,

como el cobre, alcanzan densidades cercanas a los 8,900 kg/m3.


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Conductividad y resistividad

La conductividad (k) y la resistividad son propiedades simples de los materiales. La

conductividad se refiere a la capacidad de un material para conducir calor a través de su estructura

interna y se expresa en Watts por metro grado Celsius (W/m°C). Otra unidad, aunque de uso cada

vez menos frecuente, es la kilocaloría por hora metro grado Celsius (Kcal/mhr°C). La equivalencia

entre ambas unidades es:

1 Kcal/mhr°C = 1.163 W/m°C

En algunos estudios la conductividad térmica se describe como el flujo de calor que, en régimen

estacionario, atraviesa un material de caras plano-paralelas y de espesor unitario, durante una

unidad de tiempo, cuando la diferencia de temperatura entre sus caras es de una unidad.

La resistividad, por otro lado, es el inverso de la conductividad (1/k) y por lo tanto representa lacapacidad del material para resistir el flujo de calor. Se expresa en metro grado Celsius por Watt

(m°C/W).

Por ejemplo, el acero es un material de elevada conductividad (50 W/m°C) y baja resistividad (0.02

m°C/W), mientras que el poliestireno expandido tiene una conductividad muy baja (0.03 W/m°C) y

una resistividad alta (33.33 m°C/W).

Conductancia y resistencia

La conductancia y la resistencia (R) son propiedades de una capa de material, por lo quedependen del espesor específico de dicha capa.

La conductancia representa la capacidad de la capa de material para conducir el calor y es igual a

la conductividad dividida por el espesor, expresándose en Watts por metro cuadrado grado Celsius

(W/m2°C).

La resistencia, por otro lado, representa la capacidad de una capa de material para resistir el flujo

de calor y es igual a la resistividad multiplicada por el espesor, expresándose en metro cuadrado

grado Celsius por Watt (m2°C/W). También, aunque casi en desuso, se encuentra la unidad metrocuadrado hora grado Celsius por kilocaloría (m2hr°C/Kcal):

1 m2°C/W = 1.163 m2hr°C/Kcal

Dado que la resistividad es el inverso de la conductividad, y que los valores de conductividad de los

materiales constructivos suelen ser más accesibles, la resistencia de un material generalmente se


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calcula con la siguiente fórmula:

R = e / k

Donde:

R = Resistencia térmica por unidad de área de la capa de material (m2°C/W),

e = Espesor de la capa de material (m).

k = Conductividad del material (W/m°C).

Siguiendo el ejemplo anterior, una capa de acero de 5mm tendría una resistencia térmica de 0.0001

m2°C/W, mientras que una capa de poliestireno expandido de 50mm tendría una resistencia

térmica de 1.67 m2°C/W.

En algunos estudios el valor de la resistencia térmica de una capa de material se explica como la

diferencia de temperatura que se requiere para producir una unidad de flujo de calor por unidad de

superficie.

Valor R

Es común expresar la resistencia térmica de los materiales, sobre todo de los productos aislantes,

como valor R. Por ejemplo, el valor R de una típica colchoneta de fibra de vidrio suele ser de R2.4,

es decir, 2.4 m2°C/W.

Si se toma el área total de una capa de este material (m2), se multiplica por la diferencia de

temperatura (°C) y se divide por 2.4, se obtiene el flujo de calor en Watts. Así, 100 m2 de

aislamiento a base de colchoneta de fibra de vidrio R2.4, expuesto a una diferencia de temperatura

de 20°C, dejará pasar un flujo cercano a los 833 Watts.

El valor R se expresa generalmente en m2°C/Watt, pero en algunos países se emplea el pie

cuadrado grado fahrenheit por unidad térmica británica (ft²°Fh/Btu):

1 m2°C/Watt = 5.6745 ft2°Fh/Btu

1 ft2°Fh/Btu = 0.1761 m2°C/Watt

Es muy importante prestar atención a las unidades, ya que en esos paises el valor R de la

colchoneta en cuestión se expresaría como R13.6 (ft2°Fh/Btu).

En realidad, como se indica en el apartado de resistencia total, los índices de transmisión de calor

pueden variar ligeramente ya que existe una resistencia extra a la transmisión de calor entre el aire


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interior y la superficie del componente, así como entre la superficie expuesta y el aire exterior. Así

mismo, la transmisión de calor puede variar dependiendo de la velocidad del viento.

Calor específico

El calor específico es una propiedad simple de los materiales que se refiere, en términosgenerales, a la capacidad que tienen para acumular calor en su propia masa. También se puede

definir como la cantidad de calor que es necesario suministrar a una unidad de peso del material

para incrementar su temperatura en un grado Celsius. Mientras mayor sea el calor específico, más

energía tendrá que suministrarse para calentar el material.

Para designar al calor específico se utiliza el símbolo Ce. En el Sistema Internacional se utiliza

como unidad del calor específico el Joule por kilogramo grado Celsius (J/kg°C). En ocasiones

también se utiliza la kilocaloría por kilogramo grado Celsius (Kcal/kg°C), de acuerdo a la siguiente

equivalencia:

1 J/kg°C = 0.239 Kcal/kg°C

El agua, curiosamente, tiene uno de los valores de calor específico más elevados, con cerca de

4,200 J/kg°C. Sin embargo los valores de la gran mayoría de los materiales empleados en la

edificación oscilan entre 700 y 1,500 J/kg°C. En otras palabras, se trata de un parámetro que sólo

representa diferencias importantes en el comportamiento térmico de los materiales cuando se le

considera en relación con otras propiedades, como la densidad.

Calor específico volumétrico

El calor específico volumétrico representa la capacidad de almacenamiento de calor de un

material, de acuerdo a su densidad. Se calcula multiplicando su densidad por su calor específico, lo

que nos da como unidad de medida el Kilojoule por metro cúbico grado Celsius (Kj/m3°C). Otra

unidad de medida, aunque de uso menos común, es la Kilocaloría por metro cúbico grado Celsius

(Kcal/m3°C). La equivalencia entre ambas medidas es como sigue:

1 Kj/m3°C = 0.239 Kcal/m3°C

Dado que en realidad el calor específico varía relativamente poco entre los principales materiales

constructivos, su capacidad de almacenamiento de calor se relaciona estrechamente con la

densidad: los materiales pesados, como el concreto, el ladrillo y la piedra, suelen presentar una

elevada capacidad de almacenamiento de calor, mientras que con los materiales ligeros, como los

aislantes, sucede lo contrario.


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Capacidad térmica

La capacidad térmica representa una medida del calor que pueden almacenar las capas de

material. Para cálculos simples, la capacidad térmica se puede determinar multiplicando la

densidad del material por el espesor de la capa, y luego por su calor específico, de lo cual resulta la

unidad Joule por metro cuadrado grado Celsius (J/m2°C). Por ejemplo, la capacidad térmica de una

capa de adobe de 30cm sería la siguiente:

1,600 kg/m3 * 0.3 m * 1,480 J/kg°C = 710,400 J/m2°C = 710.40 Kj/m2°C

Cuando se utiliza la capacidad térmica en cálculos en régimen dinámico (con temperaturas

variables), por ejemplo para estimar el desempeño de un cerramiento, es necesario emplear

cálculos complejos por lo que se suele recurrir a herramientas informáticas.


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Fuentes: Fernando Tudela, Ecodiseño; Eduard Mazria, Manual de Arquitectura Solar; Manuel

Martín Mon


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Características superficiales

Las propiedades superficiales de los materiales pueden afectar de manera significativa su

desempeño térmico, por lo que es necesario tomarlas en cuenta en el momento de su elección.Esto es especialmente importante para los materiales que conforman las capas externas de los

cerramientos.

Absortividad y absortancia

La absortividad es la propiedad de un material que determina la cantidad de radiación

incidente que puede absorber. La absortancia, por otro lado, representa en sí la fracción de

radiación incidente que es absorbida por un material, con valores que van de 0.0 a 1.0 (aunque

también se puede expresar en términos de porcentaje, de 0% a 100%). La absortancia, enocasiones denominada absorción superficial, depende fundamentalmente del color y el acabado

de los materiales.

La absortancia puede ser establecida en relación con radiaciones de diferentes longitudes de

onda. Debido a ello es común encontrar tres formas distintas de absortancia: solar , visible y

térmica:

La forma más común se refiere a la absortancia solar , la cual incluye el espectro visible, el

infrarrojo y el ultravioleta. Este parámetro generalmente se usa para estimar la forma en que laradiación solar afecta el balance térmico de las superficies (exteriores e interiores) de los

elementos constructivos. En la tabla incluida abajo se indican los valores de absortancia solar de

algunos materiales constructivos.

Otro parámetro se refiere a la absortancia visible. Esta representa la fracción de la radiación

visible incidente que es absorbida por un material. En ese sentido el rango de longitudes de onda

considerado es mucho más estrecho que en el caso de la de radiación solar, ya que no se

incluye el espectro infrarrojo ni el ultravioleta. Este parámetro también afecta el balance térmico

superficial, aunque generalmente se emplea en los cálculos de iluminación.

Un tercer valor es el de la absortancia térmica, el cual se puede considerar un parámetro

equivalente a la emitancia. La absortancia térmica representa la fracción de la radiación incidente

de onda larga (longitudes de onda infrarrojas) que es absorbida por un material. Este parámetro

afecta el balance térmico superficial, pero suele usarse para calcular los intercambios de


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radiación de onda larga entre varias superficies. Al igual que en los casos anteriores, los valores

de la absortancia térmica van de 0.0 a 1.0, donde 1.0 representa las condiciones de un cuerpo

negro ideal, el cual absorbería (y emitiría) toda la radiación de onda larga incidente.

EmisividadLa emisividad de un material representa la proporción entre la energía radiada por dicho

material y la energía que radiaría un cuerpo negro ideal, dada la misma temperatura y la misma

superficie. En ese sentido se trata de una medida de la capacidad de un material para absorber y

radiar energía. Si asignamos al cuerpo negro ideal un valor de 1.0, entonces cualquier objeto real

tiene una emisividad mayor a 0.0 y menor a 1.0.

Además de la temperatura, la emisividad depende de factores como las condiciones de las

superficies (pulidas, oxidadas, grado de rugosidad), el ángulo de emisión y la longitud de onda.

Sin embargo generalmente se asume que la emisividad y la absortividad de una superficie no

dependen de la longitud de onda, sino que son constantes. Esto se conoce como el supuesto

del cuerpo gris.

De acuerdo a la ley de Kirchhoff, para un objeto en equilibrio térmico la emisividad es igual a la

absortividad, de tal manera que un objeto que absorbe menos radiación de la que incide sobre él

también emitirá menos radiación que un cuerpo negro ideal.

En la siguiente tabla se muestran los valores de absortancia solar y emisividad de algunos

materiales comunes en la edificación:


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Fuentes: M. Evans (1980) y B. Givoni (1976)

Reflectividad y reflectancia

En óptica y termodinámica, la reflectividad representa la fracción de la radiación incidente que

es reflejada por una superficie. En términos generales la reflectividad se considera una propiedad

direccional, ya que además de la longitud de onda, depende de la dirección de la radiación

incidente y de la dirección de la radiación reflejada.

Muchas superficies pueden catalogarse como especulares o difusas. Las superficiesespeculares, como el vidrio o los metales brillantes, son aquellas cuya reflectividad es cercana a

cero en todas las direcciones, excepto en el ángulo de reflexión correspondiente. En cambio las

superficies difusas, como la pintura blanca mate, presentan valores de reflectividad iguales (o

casi iguales) en todas las direcciones. Estas últimas también se conocen como superficies

Lambertianas. Sin embargo, en la realidad casi todas las superficies presentan una cierta mezcla

de reflectividad difusa y especular.

En ciertos campos, la reflectividad se distingue de la reflectancia por el hecho de que la primera

es un valor que se aplica para capas reflejantes gruesas, mientras que la segunda aplica paracapas delgadas. Cuando la reflexión ocurre en capas delgadas, los efectos de la reflexión interna

pueden provocar que la reflectancia varíe de acuerdo al grosor de la superficie.

Rugosidad

La rugosidad de un material se suele expresar como el coeficiente entre el área real y el área


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aparente de su superficie. Si el área real es igual al área aparente el coeficiente de rugosidad es

de 1.0. Es muy común, sin embargo, que el área real sea mayor al área aparente, en cuyo caso

el coeficiente de rugosidad será mayor a 1.0 (nunca menor). Este parámetro afecta

principalmente la convección superficial de los componentes constructivos.

Materiales aislantes

Cuando se habla de aislamiento térmico generalmente se piensa en el uso de materiales con

una elevada resistencia térmica (o dicho en otros términos, un bajo nivel de conductancia), con

los cuales se busca reducir el flujo de energía a través de los cerramientos. Sin embargo existe

otro tipo de aislamiento, el reflectante, que funciona reduciendo el flujo de calor radiante.

Algunos autores incluso señalan un tercer tipo de aislamiento, llamado capacitivo, si bien éste se

explica mejor en términos de masa térmica. En los siguientes párrafos haremos una breve

descripción del aislamiento conductivo y el aislamiento reflectante.

Entre las principales funciones de los materiales aislantes se encuentran las siguientes:

Minimizar el paso de calor a través de los cerramientos, reteniendo el calor en el interior

de los edificios (aislamiento del frío) o evitando su ingreso (aislamiento del calor).

Controlar las temperaturas superficiales de los cerramientos, manteniéndolassuficientemente altas para evitar las condensaciones, o suficientemente bajas para evitar

elevadas temperaturas radiantes interiores.

Modificar la inercia térmica de los cerramientos. En este caso los materiales aislantes

generalmente se usan en combinación con materiales de elevada masa térmica. El

comportamiento del cerramiento será muy diferente si la capa aislante se ubica hacia el

interior o el exterior.

Aislamiento resistivo

En general, además del vacío, los peores conductores de calor son los gases (como el aire), los

cuales transmiten aún menos calor cuando se evitan sus movimientos convectivos. Esto último se

puede lograr atrapando el gas en pequeños compartimentos o en cámaras muy delgadas. Debido

a ello los materiales constructivos considerados como aislantes son precisamente aquellos que

deben su ligereza a la gran cantidad de aire encapsulado en su interior, como las colchonetas

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hechas a base de fibras. Mientras más pequeños y numerosos sean los compartimientos de aire

mayor será la capacidad de aislamiento. Tal es el caso de materiales como el poliuretano y el

poliestireno, que son aun más eficientes que las colchonetas. Los materiales menos aislantes,

obviamente, son los metales altamente conductivos como el acero y el cobre.

De acuerdo a algunas normas internacionales, se consideran aislantes los productos constructivos

que tienen una conductividad térmica inferior a 0.06 W/m°C y una resistencia térmica superior

a 0.5 m2°C/W (en este último parámetro entra en juego el espesor del material). Por lo que

respecta a la conductividad, uno de los materiales más aislantes empleados en la construcción es

el poliisocianurato, con un valor de 0.026 W/m°C, mientras que en el límite superior se encuentran

materiales como la fibra de madera (0.06 W/m°C).

Productos aislantes resistivos

Los productos aislantes resistivos se suelen encontrar en cuatro formas distintas: placas, fieltros,

rociados (espreados), y rellenos:

Placas

Las placas rígidas generalmente se hacen con espumas sintéticas como el poliestireno

expandido (EPS) o extrudido (XPS), el poliuretano expandido y el poliisocianurato. En ocasiones

también se producen mediante materiales fibrosos prensados. Algunas placas incluyen películas

reflectantes para reducir también la transmisión de calor por radiación (ver más abajo Aislamiento

reflectante).

Estos productos ofrecen un excelente aislamiento térmico (un elevado valor R) y acústico, además

de que son relativamente resistentes a pesar de su ligereza. Por otro lado suelen brindar una

buena cobertura superficial, reduciendo las pérdidas y ganancias de calor a través de fisuras, si

bien es necesario tener cuidado con las juntas. Las placas aislantes generalmente se aplican en la

parte externa de los cerramientos exteriores (muros y cubiertas) o en cámaras de aire. También es

común su uso en cimentaciones, suelos y cielorrasos.

Fieltros

Los fieltros (o colchonetas) se fabrican con distintos tipos de fibras que pueden ser sintéticas, de

vidrio, minerales o naturales. La fibra de vidrio se produce con arena y vidrio reciclado, mientras

que la fibra mineral se hace con una mezcla de roca basáltica y residuos metálicos triturados. Por

lo que respecta a las fibras naturales, se han desarrollado fieltros a partir de la lana, el algodón e


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incluso productos como la cáscara de coco. Aunque no son tan eficientes como las placas

aislantes, los fieltros representan una opción interesante desde el punto de vista de la

sustentabilidad, sobre todo los que se derivan de productos naturales.

Los fieltros se encuentran disponibles en forma extendida o en rollos. Algunos incluyen películastextiles o plásticas, en una o ambas caras, con el objeto de brindarles mayor resistencia y

estabilidad, impedir el paso del vapor de agua o incluso proporcionar aislamiento radiante. Una

ventaja importante de los fieltros es su flexibilidad, ya que son muy fáciles de cortar y adaptar a

distintas situaciones de obra.

Aislantes rociados

Los aislantes rociados se componen de fibras sueltas o pequeños agregados, generalmente

adicionados con adhesivos para hacerlos más resistentes. Generalmente se producen con fibras

de vidrio, minerales o de celulosa, si bien en algunos lugares se emplean fibras de lana ovina. En

el caso de las fibras de celulosa, casi siempre se producen a partir de papel reciclado y se tratan

con químicos que retardan el fuego.

Estos aislantes suelen aplicarse sobre los cielorrasos o como relleno de cavidades en el interior de

algunos cerramientos. Pueden proporcionar una buena resistencia a la infiltración si son lo

suficientemente densos.

Espumas de relleno

Las espumas de relleno, generalmente producidas con base en materiales como el poliuretano, se

introducen directamente en las cavidades de algunos cerramientos. Al inyectarla, la espuma se

expande hasta llenar por completo dichas cavidades.

Una desventaja de las espumas es que casi siempre deben ser aplicadas por instaladores

profesionales y con equipos especiales. Por otro lado, debido a la potencial toxicidad de algunas

de ellas, es necesario garantizar que no queden expuestas al ambiente. Sin embargo ofrecen la

posibilidad de generar un aislamiento perfectamente ajustado a las cavidades, haciendo más

eficiente su función y reduciendo las infiltraciones de aire a través de la envolvente.

Aislamiento reflectante (radiante)

A diferencia de los aislantes resistivos, que reducen la transferencia de calor por conducción, los

aislantes reflectantes actúan como barrera a las ondas radiantes, principalmente aquellas


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ubicadas en el rango de los infrarrojos. Por lo general se producen fijando una capa de aluminio,

u otro material de brillo similar, a una lámina más o menos flexible de plástico o de cartón.

En la gran mayoría de los materiales empleados en la construcción existe una relación directa

entre su capacidad para absorber y emitir radiación, la cual depende tanto de su color como desus características superficiales. Los materiales con acabado oscuro y mate suelen presentar

valores altos de absortancia y emisividad, mientras que en los materiales con acabado claro y

brillante estos valores suelen ser mucho más bajos. Estos últimos son los más adecuados para

generar aislamiento reflectante. Obviamente mientras más claros y brillantes sean mayor será su

eficiencia.

Debido a que los aislantes reflectantes sólo reducen la transferencia de calor radiante (no son

buenos para reducir la transferencia por conducción) deben aplicarse en la superficie interior o

exterior de los cerramientos, o bien dentro de una cámara de aire. Por otra parte es importante

considerar que su nivel de resistencia a los flujos de calor depende en buena medida de la

dirección de dichos flujos. Generalmente resultan más efectivos ante los flujos de calor

descendentes.

Los aislantes reflectantes se pueden emplear para reducir tanto las ganancias de calor en los

climas cálidos como las pérdidas en los climas fríos, aunque suelen ser bastante más eficientes en

la primera situación. En todo caso para ser efectivos deben tener un alto índice de reflectancia

(por lo menos 0.9).

Materiales de elevada masa térmica

Los materiales que tienen una elevada capacidad térmica, es decir, un espesor considerable y un

gran calor específico volumétrico, así como una conductividad moderada, digamos entre 0.5 y 2.0

W/m°C, generan lo que se conoce como efecto de masa térmica. Entre ellos podemos incluir el

adobe (y la tierra en general), el ladrillo, la piedra, el concreto y el agua (uno de los más eficientes).

Estos materiales pesados tienen la cualidad de absorber la energía calórica y distribuirla

gradualmente en su estructura interna. Dado que requieren una gran cantidad de energía para

aumentar su temperatura, los procesos de transmisión de calor por conducción a través de ellos

propician un efecto de “almacenamiento” de calor, lo cual provoca fenómenos bastante peculiares.


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Para comprenderlos mejor imaginemos la siguiente secuencia de eventos:

Un muro grueso de adobe recibe una cantidad importante de radiación solar durante el día. La

radiación solar calienta la superficie exterior del muro y ese calor es absorbido y transmitido

lentamente hacia la superficie interior (siempre y cuando ésta tenga una temperatura inferior). Unas8 horas después de que el muro recibió la mayor cantidad de energía, es decir, durante la noche, su

superficie interior alcanza la mayor temperatura posible, contribuyendo a calentar el espacio interior.

Para ese momento el muro ha “almacenado” una cantidad importante de energía, por lo que seguirá

radiando calor hacia el interior bastantes horas después de que la superficie exterior haya dejado de

recibir radiación. Aún cuando durante la noche el muro pierde calor también hacia afuera (si la

temperatura exterior desciende lo suficiente) una parte importante de éste continuará ingresando al

espacio interior.

Para medir de manera objetiva el efecto de masa térmica se han definido dos conceptos que operanen régimen dinámico y actúan en forma simultánea: el retraso y el amortiguamiento térmicos.

Retraso y amortiguamiento térmicos

El retraso térmico, en ocasiones llamado desfase, hace referencia al tiempo que tarda en pasar el

calor a través de una capa de material. Dicho en otros términos, es el tiempo transcurrido entre los

momentos en que se dan las temperaturas máximas en cada una de las superficies del material.

Mientras mayores sean el espesor y la capacidad térmica, y menor la conductividad, más tiempo

requerirá la energía calórica para atravesarlo. Un muro de adobe de 60cm de espesor, por ejemplo,

puede presentar un retraso térmico de 8-10 horas (el tiempo exacto dependerá de otros factores,

como la diferencia de temperatura entre las superficies interior y exterior).

Por otro lado el amortiguamiento térmico, en algunos estudios denominado decremento, mide la

reducción de la temperatura cíclica de una superficie (generalmente la interior) respecto a la

temperatura cíclica de la superficie contraria. Podemos visualizar este fenómeno mediante dos

curvas que representen la oscilación diaria de la temperatura en cada superficie. Recurriendo al

mismo ejemplo del muro de adobe, la superficie exterior puede presentar una oscilación diaria de

18°C, mientras que la superficie interior presenta una oscilación diaria de 9°C. Tenemos entoncesun factor de amortiguamiento de 0.5 (oscilación interior / oscilación exterior). Mientras más

pequeño sea el valor del factor de amortiguamiento más estables tenderán a ser las temperaturas

interiores.

Al actuar de manera conjunta, estos dos factores provocan tanto una reducción de los flujos de calor


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como un desfase de los momentos en que se alcanzan las máximas temperaturas superficiales. El

efecto global es una estabilización de las temperaturas en el interior de los edificios respecto a las

temperaturas exteriores. En condiciones estándar un muro de fábrica de ladrillo de 10cm podría

presentar un desfase de 1 hora y un amortiguamiento de 0.90, mientras que otro de 30cm podría

presentaría un desfase de 5 horas y un amortiguamiento de 0.70.

El uso apropiado de los materiales con masa térmica

Los materiales de elevada masa térmica ofrecen el mayor potencial de aprovechamiento en los

lugares cuyas temperaturas presentan variaciones diarias significativas. Por ejemplo en algunos

desiertos la temperatura exterior puede alcanzar los 40°C durante la tarde, mientras que puede

descender hasta los 10°C durante la madrugada. En los edificios con cerramientos de elevada masa

térmica (con un retraso térmico de entre 8 y 12 horas) los aportes calóricos diurnos pueden llegar a

los espacios interiores durante la noche, es decir, cuando son necesarios para contrarrestar el

descenso de la temperatura exterior. Por otro lado, al haber descargado gran parte de su energía

calórica durante la noche, los cerramientos son capaces de “absorber” aportes calóricos durante el

día, contribuyendo a reducir las temperaturas interiores. Este último fenómeno es especialmente

efectivo cuando se aprovecha la ventilación natural durante el periodo nocturno.

En los climas que son constantemente cálidos los materiales de elevada masa térmica suelen tener

efectos reducidos, e incluso pueden llegar a ser perjudiciales. Esto se debe a que la superficie

interior de los cerramientos tiende a mantener una temperatura cercana al promedio de las

temperaturas exteriores. Si ésta se ubica cerca del límite superior del rango de temperaturas deconfort, de hecho puede contribuir a incrementar el disconfort de los ocupantes. Esa es la razón por

la que la arquitectura vernácula en los lugares de clima tropical suele ser de materiales ligeros y de

reducida masa térmica, generalmente vegetales.

Algo similar sucede en los lugares muy fríos, como las regiones subpolares, donde la prioridad suele

ser un elevado aislamiento. En éste caso la masa térmica expuesta se reduce al mínimo. Sin

embargo en algunas circunstancias estos materiales se pueden aprovechar en forma localizada y en

pequeña escala, por ejemplo mediante chimeneas y muros Trombe.

Otro aspecto a considerar es la “calibración” del espesor de los cerramientos de elevada masa

térmica. Cuando éstos son muy delgados el calor absorbido afecta a los espacios interiores casi de

inmediato, es decir, cuando resulta más perjudicial. Además las pérdidas de calor en los periodos

fríos suelen ser muy rápidas. Si son demasiado gruesos, curiosamente, pueden generar un efecto

similar: la acumulación y transmisión de calor requieren periodos excesivamente largos, por lo que


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los aportes de calor hacia el interior se pueden dar cuando no son necesarios.

Los edificios con sistemas de climatización artificial merecen mención aparte. En éste caso la

elevada masa térmica también puede llegar a ser perjudicial, ya que dichos sistemas se ven

obligados a trabajar en buena medida para enfriar o calentar los cerramientos, antes de lograr unadecuado acondicionamiento de los espacios interiores. Esto es aún más evidente en los lugares de

uso esporádicos (un teatro, por ejemplo), en los que se requiere un efecto prácticamente inmediato

de los sistemas de climatización.

Combinación de aislamiento y masa térmica

La combinación de materiales aislantes y materiales de elevada masa térmica en los cerramientos

de los edificios suele redituar grandes beneficios. Uno de ellos es que los componentes con masa

térmica no requieren un gran espesor para trabajar de manera eficiente (generalmente un grosor de

15 a 25cm es adecuado) lo cual significa ahorros importantes, tanto de espacio como de recursoseconómicos. El más importante, sin embargo, es que se pueden lograr prestaciones térmicas más

significativas que cuando sólo se usa alguno de ellos.

Numerosas investigaciones han demostrado que lo ideal es ubicar el material aislante hacia el

exterior, de preferencia en forma continua para evitar los puentes térmicos. De esa manera la masa

térmica interactúa más eficientemente con los espacios interiores, mientras que el aislamiento

constituye una barrera tanto al ingreso del calor (en los periodos cálidos) como a las pérdidas

(durante los periodos fríos)

Comportamiento térmico de los cerramientos

Los cerramientos son los componentes constructivos que delimitan los diversos espacios

contenidos en un edificio. Tanto los cerramientos exteriores (suelos, muros y cubiertas) como los

interiores (entrepisos y muros divisorios) afectan el comportamiento térmico de los edificios. Sin

embargo son los cerramientos exteriores los que, al conformar la envolvente general, proporcionan

la principal barrera protectora contra los factores ambientales. Son estos cerramientos, en primerainstancia, los que regulan el flujo del aire exterior, la incidencia de la radiación solar, la entrada de

luz natural y la transmisión del calor (hacia el interior y hacia el exterior). Desde luego estos

factores no son los únicos: las vistas, el ruido e incluso la protección contra posibles intrusos son

también regulados por los cerramientos exteriores. Sin embargo son los aspectos relacionados

con el desempeño térmico de los edificios los que más nos interesan y en los que se hará mayor


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énfasis en el presente estudio.

Generalmente los cerramientos se componen de diversos materiales, organizados de acuerdo a

determinados sistemas constructivos. El desempeño térmico global de los cerramientos dependerá

entonces de las características combinadas de los materiales que los componen, del espesor delos mismos y de la forma en que están organizados, es decir, de la posición que guardan entre sí.

El desempeño térmico de los cerramientos ante situaciones reales es un fenómeno bastante

complejo, ya que la temperatura del aire, la incidencia de radiación solar y las condiciones del

viento, entre otros factores ambientales, pueden variar significativamente a lo largo del día. Para

conocer el desempeño térmico de los cerramientos, considerando las variaciones en uno o más de

esos factores, es necesario recurrir a sistema de cálculo dinámico, los cuales suelen requerir el

uso de programas de software avanzado, dada la complejidad de las operaciones requeridas.

Sin embargo existe una aproximación simplificada al análisis del desempeño térmico de los

cerramientos, conocida generalmente como cálculo en régimen estacionario. En este método se

emplean las características térmicas básicas de los materiales y se asume que la diferencia de

temperatura entre el interior y el exterior es constante, es decir, que éstas no varían. Si bien los

resultados obtenidos con este método distan mucho de explicar el comportamiento de los

cerramientos ante situaciones climáticas reales, nos pueden brindar un conocimiento aproximado

sobre sus cualidades o deficiencias térmicas.

En esta categoría encontrarás los siguientes artículos (también puedes acceder a ellos medianteel menú correspondiente a la derecha):

Flujo de calor a través de los cerramientos

En el método de cálculo en régimen estacionario, el flujo de calor a través de los cerramientos se

estima a partir del valor de resistencia térmica total, o bien del valor U. Estos parámetros integran

a su vez el valor de conductividad térmica y el espesor de cada una de las capas que conforman alcerramiento. Por otro lado, es necesario considerar la resistencia térmica proporcionada por las

películas de aire que se forman en las superficies interior y exterior de los cerramientos.

Resistencia de las películas de aire superficiales

Justo sobre las superficies de los cerramientos se forma una delgada película de aire, la cual


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tiende a permanecer estática. Al reducir la transmisión de calor por convección, esta película

genera el mismo efecto que si se incrementara la resistencia del material al flujo de calor. La

resistencia de la película de aire varía si se encuentra en la parte exterior o interior del elemento,

así como si pertenece a un elemento vertical (muro) o a un elemento horizontal (cubierta). Los

siguientes valores se suelen consideran cómo estándares:

Resistencia térmica total

Cuando los materiales que conforman un cerramiento son homogéneos y se organizan en capas

consecutivas, es decir, en serie, las resistencias térmicas de las distintas capas se suman para

obtener la resistencia térmica total. Así, dado un cerramiento constituido por un cierto número de

capas de distinto material, su resistencia total se puede calcular con la siguiente fórmula:

Rt = Rso + ?Rn + Rsi

Donde:

Rt = Resistencia general total del elemento (m²°C/W).

Rso = Conductancia constante de la película de aire exterior (0.055 m2°C/W).

Rsi = Conductancia constante de la película de aire interior (0.123 m2°C/W).

?Rn = Suma de las resistencias de todas las capas (m²°C/W).

Siendo que:

Rn = en/kn

Donde:

Rn = Resistencia de cada capa (m²°C/W).

en = Espesor de cada capa (m).

kn = Conductividad de cada capa (W/m°C).

Por ejemplo, si tenemos un muro con las siguientes capas, del exterior al interior:

Aplanado cemento arena (e = 0.015 m, k = 1.4 W/m°C)

Muro de ladrillo recocido (e = 0.13 m, k = 0.73 W/m°C)Aplanado de yeso (e = 0.015 m, k = 0.28 W/m°C)

Entonces:

Rt = (1 / 0.055 m2°C/W) + (0.015 m / 1.4 W/m°C) + (0.13 m / 0.73 W/m°C) + (0.015 m / 0.28

W/m°C) + (1 / 0.123 m2°C/W)


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= 0.055 m2°C/W + 0.011 m2°C/W + 0.178 m2°C/W + 0.054 m2°C/W + 0.123 m2°C/W

= 0.421 m2°C/W

Nota: Cuando las capas de material no son constantes, sino que se organizan formando partes

diferenciadas en el cerramiento, es necesario emplear un método distinto al expresado aquí. Estemétodo se puede consultar en el artículo Cerramientos con componentes en paralelo.

Valor U (transmitancia)

El valor U es un concepto de gran importancia en el diseño de edificios. Este representa la

transmitancia aire-aire de un elemento constructivo, indicando que tan bien conduce calor de un

lado a otro. Dado que el valor U es el inverso de la resistencia total (RT), si hemos calculado esta

última simplemente debemos invertirla para obtener el valor U:

U = 1 / Rt

O también:

U = 1 / (Rso + ?Rn + Rsi)

Donde:

U = Transmitancia térmica por unidad de área del componente (W/m2°C).

Rt = Resistencia general total del elemento (m2°C/W).

Rso = Conductancia constante de la película de aire exterior (0.055 m2°C/W).

Rsi = Conductancia constante de la película de aire interior (0.123 m2°C/W).?Rn = Suma de las resistencias de todas las capas (m²°C/W).

El valor U es una propiedad de las capas de material, por lo que sus unidades se expresan en

Watts por metro cuadrado grado Celsius (W/m²°C). Esto significa que si un muro tiene un valor U

de 1 W/m²K, por cado grado de temperatura de diferencia entre la superficie interior y por cada

metro cuadrado de superficie fluirá 1 Watt de energía calorífica.

Cálculo del flujo de calor (régimen estacionario)

Una vez obtenidos los valores descritos arriba, la tasa con la cual fluye el calor a través de uncerramiento constructivo, bajo condiciones estáticas, se puede calcular mediante las siguientes

fórmulas:

Q = (A * ?T) / RT


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O bien:

Q = U *A * ?T

Donde:

Q = Flujo resultante de calor en Watts (W).A = Área de la superficie a través de la cual fluye el calor, en metros cuadrados (m2).

?T = Diferencia de temperatura entre las dos caras del componente (°C).

RT = Resistencia térmica por unidad de área de la pieza del material (m²°C/W).

U = Transmitancia térmica por unidad de área del componente (W/m²°C).

Tomemos como ejemplo un muro que tiene un valor U de 4.5 W/m2°C y una superficie de 10 m2.

Si la temperatura exterior es de 30°C y la exterior es de 25°C, podemos calcular las ganancias

totales de calor debidas a la conducción a través del muro como sigue:

Q = U *A * ?T

= 4.5 W/m2°C * 10.0 m2 * (30°C - 25°C)

= 225 Watts

Cerramientos con componentes en paralelo

Se dice que un cerramiento constructivo (muro, cubierta, etc.) tiene componentes en paralelo

cuando sus materiales se organizan conformando partes diferenciadas. Estas partesdiferenciadas, a su vez, pueden estar constituidas por componentes en serie (ver apartado

correspondiente). Cuando un cerramiento tiene componentes en paralelo, podemos afirmar que

las conductancias térmicas de las partes diferenciadas se suman, incrementando el flujo total de

energía dada una cierta diferencia de temperaturas.

Como ejemplo tomemos una losa de concreto de 13cm de espesor, aligerada con casetones de

poliestireno expandido de 50x50x8cm, los cuales a su vez se separan para formar nervaduras de

15cm de ancho en ambas direcciones. Sobre la superficie externa de la losa se encuentra una

capa de mortero de perlita de 7cm y una capa de impermeabilización asfáltica de 0.5cm, mientras

que el acabado interior lo constituye un aplanado de yeso de 1.5cm. Así, este cerramiento

presenta dos partes diferenciadas por su composición constructiva, a las cuales llamaremos

situaciones:


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= 1 / (0.044 + 0.009 + 0.467 + 0.072 + 0.054 + 0.15)

= 1/ 0.795

= 1.258 W/m2°C

Valor U - situación B = 1 / [0.044 + (0.005 / 0.58) + (0.07 / 0.15) + (0.05 / 1.80) + (0.08 / 0.03) +(0.015 / 0.28) + 0.15]

= 1 / (0.044 + 0.009 + 0.467 + 0.028 + 2.667 + 0.054 + 0.15)

= 1/ 3.417

= 0.293 W/m2°C

3. Se calcula la ganancia de calor por conducción para cada una de las situaciones, tomando en

cuenta sus respectivas áreas y asumiendo una diferencia de temperatura de 1°C. Luego los

resultados se suman para obtener las ganancias totales de calor por conducción:

Qc = U *A * ?T

Entonces tenemos que:

Qc situación A = 1.258 * 0.173 * 1 = 0.217 W

Qc situación A = 0.293 * 0.25 * 1 = 0.073 W

Qc total = 0.217 + 0.073 = 0.290 W

4. Finalmente se obtienen el valor U combinado y la resistencia total combinada de la siguiente

manera:

Valor U combinado = QcTotal / (AT * ?T)

= 0.290 / (0.423 * 1)

= 0.687 W/m2°C

RT combinada = 1 / UCombinado

= 1 / 0.687

= 1.456 m2°C/W


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Valores equivalentes de conductividad, densidad y calor específico

En ocasiones puede resultar útil representar cerramientos con componentes en paralelo, o parte

de ellos, a partir de sus valores equivalentes de conductividad, densidad y calor específico, por

ejemplo cuando se requieren esos valores para ingresarlos en programas de cálculo térmico y

energético.

Muchos programas de cálculo térmico, incluyendo los de simulación dinámica, generalmente solo

permiten describir los cerramientos mediante capas homogéneas en serie. Debido a ello no es

posible describir cerramientos similares al ejemplo anterior, ya que sus componentes más

importantes (el concreto y los casetones de poliestireno expandido) funcionan en paralelo. Por otro

lado algunos programas permiten representar materiales mediante su valor R, pero sin tomar encuenta otros parámetros como el calor específico y la densidad. En ese caso la masa térmica no

es considerada en los cálculos, lo cual resulta especialmente contraproducente en las

simulaciones dinámicas.

Retomemos el ejemplo abordado en el punto anterior, en el cual se calcularon los valores

combinados de resistencia y transmitancia Tomemos nuevamente el ejemplo del punto 5, y

supongamos que deseamos conocer los valores equivalentes de conductividad, densidad y calor

específico de una capa en la cual se integren el concreto y los casetones de poliestireno.

Conductividad equivalente

Para calcular la conductividad equivalente primero debemos conocer la resistencia total

combinada del cerramiento, aplicando el método explicado líneas arriba. Es importante notar, sin

embargo, que en este caso no se emplean las resistencias superficiales, ya que no son

necesarias.

Finalmente la conductividad equivalente se puede calcular con la siguiente fórmula:

kequiv = e / (RT combinada - Rso - Rasfalto - Rperlita - Ryeso - Rsi)= 0.13 / (1.456 - 0.044 - 0.009 - 0.467 - 0.054 - 0.15) = 0.84

= 0.13 / 0.732

= 0.177 W/m°C

De esta manera, el valor obtenido (0.177 W/m°C), representa el valor equivalente de


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conductividad de un material con el mismo espesor que el ocupado por el concreto y los

casetones, y con las mismas capas complementarias.

Densidad equivalente

Es posible establecer una densidad equivalente de una capa que sustituya al concreto y loscasetones de poliestireno. Para ello, primero debemos calcular el volumen total y el de cada

componente:

Volumen total: 0.65m x 0.65m x 0.13m = 0.055m3

Volumen poliestireno = 0.50m x 0.50m x 0.08m = 0.020m3

Volumen concreto = 0.055m3 - 0.020m3 = 0.035

Luego calculamos el peso específico de cada componente y el peso total:

Peso del concreto = 2,400 kg/m3 x 0.035m3 = 83.82 kg

Peso del poliestireno = 25 kg/m3 x 0.020m3 = 0.50 kg

Peso total = 83.82 kg + 0.50 kg = 84.32 kg

Considerando el volumen y el peso totales, y aplicando una simple regla de tres, tenemos que si:

0.055m3 pesa 84.32kg

Entonces:

1m3 pesa 1535.18 kg

Por lo tanto la densidad equivalente es de 1,535.18 kg/m3

Calor específico equivalente

Para calcular el calor específico equivalente pondremos en relación el calor específico del

concreto y del poliestireno con el peso que cada uno de estos elementos representa en el

componente analizado, derivando algunos valores intermedios:

Si la porción de concreto pesa 83.82 kg, y ese material tiene un calor específico de 1,050 J/kg°C,entonces:

83.82 kg * 1,050 J/kg°C = 88,011 J/°C

Por otro lado, si la porción de poliestireno expandido pesa 0.50 kg, y ese material tiene un calor


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específico de 1,400 J/kg°C:

0.50 kg * 1,400 J/kg°C = 700 J/°C

Entonces tenemos que:

88,011 J/°C + 700 J/°C = 88,711 J/°C

Luego aplicamos una regla de tres. Si asumimos que las porciones de concreto y poliestireno

tienen un peso conjunto de 84.32 kg, y que:

84.32 kg representa 88,711 J/°C

Entonces:

1 kg representa 1,052 J/°C

Por lo tanto el calor específico equivalente es de 1,052 J/kg°C.

El acristalamiento

Junto con los cerramientos opacos, el acristalamiento es uno de los componentes principales de la

envolvente de los edificios. Y en ocasiones, sobre todo en algunos ejemplos de arquitectura

moderna, llega a jugar el papel predominante.

El acristalamiento suele representar diversas ventajas para los edificios: el ingreso de radiación

solar, la captación de brisas, vistas al exterior y conexión espacial, entre otros. Sin embargo

también puede afectar de manera significativa su desempeño ambiental y energético: demasiadas

ganancias solares, excesivas pérdidas y/o ganancias de calor por conducción, deslumbramiento,

infiltraciones de aire, falta de privacidad. No es raro que estas posibles desventajas sean

subestimadas, provocando que los edificios consuman más energía de la necesaria para mantener

condiciones óptimas de confort, e incluso que dichas condiciones no puedan ser alcanzadasdurante determinados periodos.

Para tomar decisiones adecuadas respecto al uso del acristalamiento en los edificios es necesario

comprender, entre otros, los aspectos térmicos y ópticos involucrados. Esto implica en primera

instancia conocer las propiedades de los distintos tipos de vidrio, pero es importante también


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comprender las características de los sistemas de acristalamiento en su conjunto, los cuales

suelen incluir aditamentos como sistemas de apertura, marcos y divisores.

Sol-arq te ofrece los siguientes artículos relacionados con el acristalamiento (también puedes

acceder a ellos mediante el menú correspondiente a la derecha):

Propiedades básicas de los vidrios

El hecho de que los vidrios sean transparentes en mayor o menor medida a la radiación solar los

distingue claramente de los materiales opacos, y hace necesario establecer conceptos específicos

para medir su desempeño.

Cuando la radiación solar incide sobre una hoja de vidrio suceden varios fenómenos

característicos. Una parte de la radiación solar es reflejada instantáneamente, de manera que no

atraviesa el vidrio ni lo calienta. Otra parte de la radiación solar penetra el vidrio pero es

absorbida internamente, propiciando su calentamiento. Finalmente, la parte de la radiación que

no es reflejada ni absorbida atraviesa el vidrio y es transmitida directamente al espacio interior.

Es importante señalar que en realidad los procesos descritos arriba resultan un poco más

complejos:

La radiación solar no solo es reflejada por la superficie exterior del vidrio. La superficie

interior también refleja una parte de la radiación que logra atravesarlo (aquella que no ha

sido reflejada por la superficie exterior ni absorbida), dando lugar a una serie de inter-

reflexiones. En cada proceso de inter-reflexión una parte de la radiación es absorbida.

La energía térmica generada por los procesos de absorción no permanece en el vidrio,

sino que posteriormente es re-irradiada como radiación de onda larga. Este proceso se

da en ambas direcciones, es decir hacia el exterior y el interior, con una proporción que

dependerá de las características específicas del vidrio.

Como sabemos, la radiación solar que llega a la superficie terrestre está conformada por

diversos rangos del espectro electromagnético. Y los vidrios suelen responder de

distinta manera a cada uno de esos rangos. Por ejemplo, son más o menos transparentes

a buena parte de las longitudes de onda de la porción ultravioleta y a toda la porción

visible. También lo son a los infrarrojos cercanos, característicos de objetos con


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temperatura muy elevada. En cambio son opacos a los infrarrojos lejanos, característicos

de objetos a temperaturas terrestres. Esto último genera lo que se conoce como efecto

invernadero.

Estos tres componentes de la radiación (reflejada, absorbida y transmitida) determinan gran parte

de los parámetros asociados al desempeño energético de los diferentes tipos de vidrio. La

modificación de la proporción entre ellos, considerando las diferentes longitudes de onda de la

radiación solar, ha sido objeto de investigaciones exhaustivas para mejorar el desempeño térmico,

lumínico y energético de los vidrios.

De acuerdo con los conceptos explicados arriba, para cuantificar los flujos de radiación y calor a

través de los vidrios se han establecido las propiedades básicas que se describen a continuación.

Propiedades térmicas

En la mayoría de los ámbitos de análisis relacionados con los vidrios, la única propiedad térmica

considerada es la conductividad (k). Junto con el espesor del vidrio, este parámetro se emplea

para calcular el coeficiente global de transmisión de calor (valor U) de los sistemas de

acristalamiento.

Propiedades como la densidad y el calor específico no se suelen tomar en cuenta, ya que la

capacidad térmica de los vidrios, dado su reducido espesor, se considera despreciable.

Propiedades ópticas

Las propiedades ópticas expresan el comportamiento de los vidrios ante la luz y la radiación. Entre

las más importantes se encuentran la transmitancia, la reflectancia, la absortancia y la emisividad.

Transmitancia

La transmitancia es un valor que expresa la cantidad de radiación solar que puede atravesar un

vidrio, comparada con la radiación solar que incide sobre él. En algunos ámbitos se indica como

valor porcentual (0% a 100%), mientras que en otros se emplean valores fraccionales (0.0 a 1.0).

Este valor se puede indicar para todo el espectro de radiación solar, o bien para rangosespecíficos del mismo:

Transmitancia solar – Considera el espectro completo de la radiación solar.

Transmitancia visible – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a la luz

visible para el ojo humano.

Transmitancia ultravioleta – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a los


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ultravioleta.

Transmitancia infrarroja – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a los

infrarrojos.

Si bien la transmitancia se puede establecer para cualquier ángulo de incidencia, lo más común esindicar valores para una incidencia normal, es decir, con los rayos solares perpendiculares a la

superficie del vidrio.

Reflectancia

La reflectancia es un parámetro que indica la cantidad de radiación solar que es reflejada por un

vidrio, comparada con la radiación solar que incide sobre él. En algunos ámbitos se indica como

valor porcentual (0% a 100%), mientras que en otros se emplean valores fraccionales (0.0 a 1.0).

Este valor se puede indicar para todo el espectro de radiación solar, o bien para rangos

específicos del mismo:

Reflectancia solar – Considera el espectro completo de la radiación solar.

Reflectancia visible – Considera sólo la radiación solar en el rango correspondiente a la luz

visible para el ojo humano.

En algunos ámbitos la reflectancia se indica tanto para la superficie frontal (exterior) como para la

superficie posterior (interior) del vidrio. Esto generalmente se hace para posibilitar el cálculo de las

inter-reflexiones, considerando que en determinados tipos de vidrio ambos valores pueden ser

bastante diferentes entre sí.

Mientras más se desvíe de la normal el ángulo de incidencia de la radiación solar, mayor será la

cantidad reflejada por el vidrio. Incluso los vidrios claros pueden reflejar más del 50% de la

radiación solar cuando el ángulo de incidencia es de 70º (medido desde una línea perpendicular al

vidrio). De cualquier manera, como en el caso de la transmitancia, los valores de reflectancia se

suelen indicar para una incidencia normal.

Absortancia

La absortancia representa la cantidad de radiación solar que no es reflejada ni transmitida, sinoabsorbida por un vidrio, comparada con la radiación solar que incide sobre él. Se puede indicar

como valor porcentual (0% a 100%), o bien como un valor fraccional (0.0 a 1.0). Sin embargo se

trata de un parámetro que puede calcularse a partir de la reflectancia y la transmitancia de cada

vidrio en particular:


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Radiación absorbida = incidente – reflejada – transmitida

Emisividad (propiedades infrarrojas)

La emisividad representa la habilidad de un vidrio para emitir energía como radiación de onda

larga (infrarrojos lejanos), expresando la proporción entre la energía emitida por dicho vidrio y laenergía que emitiría un cuerpo negro ideal, dada la misma temperatura e igual superficie. Si

asignamos al cuerpo negro ideal una emisividad de 100% (1.0), entonces cualquier vidrio tendrá

una emisividad mayor a 0% (0.0) y menor a 100% (1.0).

Un vidrio claro estándar tiene una emisividad de 0.84, lo cual significa que emite el 84% de la

energía posible para un cuerpo negro a su misma temperatura. Esto también significa que, de la

radiación de onda larga incidente (la cual no se puede transmitir a través del vidrio), el 84% será

absorbida y el 16% será reflejada.

Los valores de emisividad generalmente se dan tanto para la superficie exterior como para la

superficie interior del vidrio, considerando que ambos valores pueden ser distintos, y resultan muy

importantes para saber cómo re-irradiará al espacio la energía absorbida.

Datos espectrales

La International Glazing Database (IGDB) ofrece datos detallados del comportamiento de

numerosos vidrios, existentes en el mercado, ante diferentes longitudes de onda del espectro de

radiación solar. Estos datos, conocidos como espectrales, suelen abarcar longitudes de onda entre

0.1 y 4.0 micrones (con intervalos entre 0.005 y 0.5 micrones), e incluir para cada una de esas

longitudes la transmitancia solar y la reflectancia solar frontal y posterior.

A continuación se muestra un ejemplo de datos espectrales de un vidrio particular, organizados en

una tabla de valores separados por comas, con una línea por longitud de onda y cuatro columnas

por línea (se incluyen sólo las primeras 5 y las últimas 5 líneas):

0.3, 0, 0.049, 0.046,

0.305, 0, 0.049, 0.045,

0.31, 0, 0.048, 0.045,

0.315, 0, 0.048, 0.044,

0.32, 0.001, 0.05, 0.045,

- - -

2.45, 0, 0.734, 0.053,


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2.5, 0, 0.75, 0.042,

3, 0, 0.04, 0.04,

3.5, 0, 0.037, 0.037,

4, 0, 0.036, 0.036;

La primera columna indica la longitud de onda (micrón), la segunda la transmitancia solar, la

tercera la reflectancia solar frontal y la cuarta la reflectancia solar posterior. Los datos organizados

de esta manera son usados por diversos programas de diseño de sistemas de acristalamiento

para calcular su desempeño energético y lumínico en forma muy precisa, entre los que se

encuentran Optics 5, Window 5, y WIS. También se emplean en programas de análisis lumínico,

como Radiance, y de análisis energético de edificios, como DesignBuilder y EnergyPlus.

Acerca de la IGDB

La International Glazing Database (IGDB) es una colección pública de datos detallados sobre

una gran cantidad de vidrios producidos por fábricas de todo el mundo. Cada registro contiene

datos espectrales ópticos detallados, datos térmicos y estructurales, así como una descripción del

producto. Esa información es adecuada para diseñar sistemas de acristalamiento y para llevar a

cabo cálculos precisos de su desempeño energético.

Esta base de datos es mantenida y resguardada por el Windows and Daylighting Group del

Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), con el soporte del Departamento de Energía

de los Estados Unidos. Diversos organismos efectúan la revisión técnica de los datos, entre losque se encuentran el mismo LBNL, la WinDat Network (Europa), la Japaness Glass Manufacturers

Association (Asia) y el Australasian Window Council (Australia). Los diversos productores de

vidrio, por su parte, son los encargados de medir y dar formato a los datos espectrales, así como

proporcionar la información adicional de cada producto.

Nota: La información sobre la IGDB ha sido adaptada de: http://windows.lbl.gov/materials/IGDB

Tipos de vidrio orientados al ahorro energético

Hoy en día en el ámbito de la edificación se cuenta con una oferta de vidrios bastante amplia.

Dentro de esa oferta podemos encontrar diversas tecnologías orientadas al ahorro energético

mediante el control solar, la eficiencia lumínica y, en el caso de vidrios múltiples, el aislamiento

http://windows.lbl.gov/materials/IGDB/http://windows.lbl.gov/materials/IGDB/http://windows.lbl.gov/materials/IGDB/http://windows.lbl.gov/materials/IGDB/


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térmico. Para lograr ese cometido, las tecnologías de producción de vidrios se han enfocado

principalmente en modificar su capacidad para reflejar, transmitir, absorber y/o re-irradiar la

energía solar.

Las tecnologías más avanzadas han permitido producir vidrios que no solo responden de maneraespecífica a la radiación solar en su conjunto, sino que son capaces de responder de manera

distinta a los diferentes rangos del espectro solar , generando múltiples opciones para el control

solar, lumínico y térmico. Por otro lado, muchas de las tecnologías se pueden combinar para

mejorar sus prestaciones y ampliar aún más las posibilidades de aplicación.

En los siguientes apartados trataremos de establecer una clasificación de los diferentes tipos de

vidrio de acuerdo a sus propiedades. El objetivo no es desarrollar una clasificación exhaustiva,

sino definir líneas generales que sean de ayuda para decidir el tipo de vidrio más adecuado para

cada situación arquitectónica.

Vidrios tintados absorbentes

Se trata de vidrios coloreados mediante la adición de óxidos metálicos a la mezcla fundida del

vidrio normal. Los colores más comunes son el bronce, el gris y el verde-azul. El color específico

depende de los óxidos metálicos empleados. Por ejemplo el vidrio verde se obtiene mediante

óxido de hierro, el bronce mediante óxido de selenio y el gris mediante una combinación de óxidos

de cobalto, níquel, selenio y hierro.

Debido a los óxidos metálicos incorporados, los vidrios tintados absorben una buena parte de la

radiación solar que incide sobre ellos, incluyendo en mayor o menor medida la luz natural. Los

vidrios grises y bronce reducen la transmisión de calor y de luz en similares proporciones. Los

vidrios verdes y azules permiten una transmisión de luz bastante mayor, así como una transmisión

de calor ligeramente menor en comparación con los otros colores.

Si nos concentramos en la porción del espectro visible, que en realidad es una parte pequeña de

espectro electromagnético global, tenemos que los vidrios claros neutros se suelen comportar de

manera más o menos equitativa ante las longitudes de onda correspondientes a los diferentescolores. En cambio un vidrio tintado verde transmitirá más luz natural correspondiente a la porción

verde del espectro visible, mientras que reflejara y absorberá más la luz cálida. De manera similar,

un vidrio tintado bronce, reflejará y absorberá más luz verde y azul, y transmitirá más luz cálida.

Los vidrios tintados tienen su mayor aplicación en climas cálidos y en edificios con elevadas


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posibilidades de sobrecalentamiento, ya que reducen significativamente la transmisión directa de

radiación solar al espacio, así como el deslumbramiento. Sin embargo es importante considerar

también posibles desventajas:

Al absorber la radiación solar, los vidrios tintados se calientan mucho más que un vidrio

claro (lo cual puede incluso percibirse al tacto). Ya que una parte del calor absorbido es

re-irradiado hacia el interior, los beneficios de reducir la transmisión directa disminuyen.

En ese sentido los vidrios tintados pueden no ser, por si solos, tan efectivos para reducir el

coeficiente de ganancia de calor solar como otros tipos de vidrio.

Cuando son demasiado oscuros, los vidrios tintados reducen excesivamente la

transmisión de luz. Eso puede aumentar la demanda de iluminación artificial, y con ello las

cargas de refrigeración. También pueden obstruir demasiado la visibilidad al exterior.

De cualquier manera es posible agregar hojas de vidrio claro, o bien recubrimientos bajo emisivos,

a los sistemas de acristalamiento con vidrios tintados para reducir la cantidad de energía re-

irradiada al espacio.

Vidrios reflectantes

Los vidrios reflectantes han sido concebidos para aumentar la cantidad de radiación solar

reflejada hacia el exterior, reduciendo de esa manera la radiación transmitida y absorbida por el

propio vidrio. Este efecto se suele conseguir revistiendo una de las superficies del vidrio con una

delgada capa metálica, de cuyo espesor dependerá en buena medida su coeficiente dereflectancia.

Uno de los métodos más comunes para crear la capa metálica sobre el vidrio es el conocido como

pirolítico. Éste consiste en la aplicación de óxidos metálicos vaporizados sobre la superficie semi-

fundida del vidrio, durante su proceso de producción. El vapor reacciona con la superficie del

vidrio, que se encuentra a una elevada temperatura, y deja una capa metálica completamente

integrada a la misma. Esta capa, también conocida como capa dura, ofrece una excelente

resistencia a la intemperie y una gran versatilidad para su posterior procesamiento y colocación.

Otro método es el denominado magnetrónico, el cual consiste en aplicar el revestimiento metálico

en frío, dentro de una cámara de alto vacío, mediante pulverización catódica. El procedimiento

implica magnetizar la superficie del vidrio para ordenar las partículas metálicas en capas

extraordinariamente finas y con una capacidad de reflexión casi perfecta. Comparados con los

vidrios reflectantes pirolíticos, los vidrios magnetrónicos suelen ofrecer coeficientes de sombra


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más bajos y mayor variedad de tonos. Sin embargo la capa metálica es mucho menos resistente a

la intemperie y la manipulación, por lo que siempre se coloca hacia la cámara de gas en ventanas

de dos o más vidrios, o bien en contacto con la capa de butyral polivinilo (PVB) de vidrios

laminados. Los vidrios magnetrónicos no pueden ser posteriormente endurecidos, templados ni

curvados.

Los vidrios reflectantes suelen ser bastante efectivos para reducir el coeficiente de ganancia

solar (SHGC), así como el deslumbramiento en los espacios interiores, por lo que se recomiendan

para climas cálidos con tasas elevadas de radiación solar incidente. Sin embargo también pueden

bloquear en gran medida el paso de la luz natural, haciendo necesario un uso más intensivo de la

iluminación artificial. Por otro lado, los vidrios más reflectantes pueden provocar problemas serios

en su entorno, al reflejar la radiación solar hacia otros edificios y hacia las persona. De hecho en

algunos países existen normas que establecen coeficientes de reflectancia máximos permitidos.

Vidrios bajo emisivos (Low-E)

Los vidrios bajo emisivos se producen con las mismas tecnologías que los vidrios reflectantes

(tanto con el método pirolítico como el magnetrónico) pero son diseñados para reflejar

principalmente la radiación térmica infrarroja, siendo por lo general bastante transparentes al resto

del espectro solar. Si asumimos que la emisividad es el inverso de la reflectancia a la radiación

infrarroja, tenemos entonces que mientras más alto es el valor de ésta última, más bajo será el

valor de emisividad. Por ejemplo, un vidrio claro estándar tiene una emisividad de 0.84, lo cual

indica que de la radiación de onda larga que incide sobre él refleja el 14% mientras que absorbe (yposteriormente emite) él 84%. En cambio un vidrio con recubrimiento Low-E, con una emisividad

de 0.04, refleja el 96% de la radiación de onda larga, mientras que absorbe y emite solo el 4%.

La aplicación más eficiente de los vidrios bajo emisivos suele ser en climas fríos y en edificios con

elevados requerimientos de calefacción, dado que su cometido principal es reducir el factor U del

acristalamiento, disminuyendo los flujos de calor radiante pero permitiendo una buena transmisión

de luz natural. Sin embargo en determinadas circunstancias, por ejemplo cuando el

acristalamiento se orienta de manera adecuada, los vidrios bajo emisivos también pueden ofrecer

buenas prestaciones en lugares con periodos tanto fríos como cálidos.

Para lograr su cometido los recubrimientos bajo emisivos generalmente se aplican en la superficie

#2 (superficie interior del vidrio exterior) de sistemas herméticos de doble vidrio claro. En los

climas y/o periodos fríos los espacios interiores, que suelen estar a una temperatura superior a la


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del ambiente exterior, irradian energía en forma de infrarrojos lejanos (la máxima radiación tiene

una longitud de onda próxima a los 10 micrómetros). El vidrio interior absorbe el 84% de ese calor

radiante, elevando su temperatura y re-irradiando calor hacia el vidrio exterior más frío. Sin

embargo el recubrimiento bajo emisivo en la superficie #2 solo absorbe del 3 al 20% de esa

energía, reduciendo significativamente el flujo de calor hacia el exterior.

Algunos especialistas recomiendan aplicar la capa de baja emisividad en la superficie #3

(superficie exterior del vidrio interior) cuando la prioridad es reducir las pérdidas de calor al

exterior. Sin embargo otros establecen que, en ese caso, el hecho de que el recubrimiento Low-E

este en la superficie #2 o en la #3 no marca una gran diferencia. Un caso en el que si se

recomienda aplicar el recubrimiento Low-E en la superficie #3 es en los sistemas de doble vidrio

con un vidrio tintado absorbente al exterior. En ese caso el recubrimiento impide el flujo de calor

radiante desde el vidrio absorbente, mejorando significativamente el valor de SHGC.

Vidrios espectralmente selectivos

Los vidrios espectralmente selectivos se producen con tecnologías similares a las de los

reflectantes y bajo emisivos, y de hecho suelen considerarse como una variable de éstos últimos.

Su diferencia principal respecto a los vidrios bajo emisivos es que además de reflejar de manera

eficiente la radiación de onda larga también refleja la radiación ultravioleta, permitiendo al mismo

tiempo un adecuado aprovechamiento de la luz natural. En otras palabras, los vidrios espectro

selectivos ofrecen una baja transmitancia solar (global), una elevada transmitancia visible y una

baja emisividad.

Debido a sus características, muchos especialistas consideran que los vidrios espectralmente

selectivos son los más eficientes y los que ofrecen un mayor rango de aplicaciones hoy en día. Se

indica que pueden ayudar a lograr importantes ahorros energéticos tanto en climas y/o periodos

cálidos, al reducir las ganancias solares, como en climas y/o periodos fríos, al reducir las pérdidas

de calor a través del acristalamiento. Su efectividad desde luego dependerá de otros aspectos,

como la proporción, distribución y orientación del acristalamiento en el edificio.

Como en el caso de los vidrios bajo emisivos, se recomienda emplear el recubrimientoespectralmente selectivo en la superficie #2 (superficie interior del vidrio exterior) de sistemas de

acristalamiento de doble vidrio. También se recomienda, si se desea mejorar aún más la

transmitancia visible, aplicar dicho recubrimiento sobre vidrios extra-claros con bajo contenido de

hierro.


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Comparación de distintos tipos de vidrio

En la tabla que aparece abajo es posible comparar las propiedades ópticas de los tipos de vidrio

descritos líneas arriba. En este caso se trata de vidrios con características más o menos estándar,

por lo que resulta importante señalar que el mercado actual ofrece vidrios con una enorme

variedad de prestaciones, lo cual puede llegar a dificultar su clasificación.

Se observa que el vidrio absorbente seleccionado reduce tanto la transmitancia solar como la

visible, manteniendo una elevada emisividad. El vidrio reflectante disminuye aún más la

transmitancia solar, pero hace lo mismo con la visible. El vidrio bajo emisivo no reduce de manera

significativa la transmitancia solar, pero ofrece una transmitancia visible elevada y un bajo valor de

emisividad. Finalmente, el vidrio espectralmente selectivo reduce de manera importante la

transmitancia solar y la emisividad, manteniendo una elevada transmitancia visible.

Características de las ventanas y unidades de acristalamiento

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

Existe otro concepto que en términos generales no afecta el desempeño térmico de losacristalamientos, pero si sus prestaciones globales. Se trata de la resistencia a la condensación.

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


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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 desistemas 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).

El cálculo del factor U de los acristalamientos en muros considera una inclinación de 90º respecto a

la horizontal, mientras que para los domos y acristalamientos de cubierta se considera una

inclinación de 20º, también desde la horizontal.

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, esdecir, 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


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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 losintercambios 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. En ese sentido, algunos especialistas recomiendan

el uso de marcos y divisores de vinilo. Finalmente, los marcos y divisores de aluminio ofrecen

excelentes prestaciones en cuanto a la durabilidad y el mantenimiento, pero dadas lascaracterísticas térmicas de este material, su resistencia a los flujos de calor son bastante menores.

En ese caso se puede optar por sistemas con ruptura de puente térmico, que consiste en la

separación de la parte exterior e interior de los componentes, mediante piezas de plástico que

reducen los flujos de calor.


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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 absor

diseÑo bioclimatico termico 1

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