TRANSFERENCIA DE CALOR EN VENTANAS
Ventanas
Las ventanas son los elementos más complejos en el diseño residencial porque proveen luz y aire fresco, y ofrecen vistas que conectan los espacios interiores con el exterior. A pesar de esto, las ventanas también representan una fuente no deseada de incremento de calor en verano y de pérdidas de calor en invierno, lo cual se ve reflejado en el consumo de energía para el acondicionamiento de las habitaciones. Una ventana está compuesta básicamente por los siguientes elementos: vidrio, marco y en algunos casos dispositivos de sombreado y mosquiteros.
Tipos de vidrios
Los vidrios utilizados en las ventanas pueden ser claros, tintados, laminados, con recubrimiento y de diferentes espesores; 3 mm, 4 mm, 6mm. Los vidrios claros transmiten más del 75% de la radiación solar incidente y más del 85% de luz visible. Los vidrios tintados están disponibles en varios colores, los cuales difieren en la cantidad de radiación solar y luz visible que transmiten y absorben. Vidrios con recubrimiento reducen la transmisión de la radiación solar. El vidrio laminado está compuesto por dos cristales de vidrio adheridos entre sí; la capa intermedia entre los dos cristales es típicamente de plástico y puede ser claro, tintado o con recubrimiento.
Los vidrios de aislamiento son unidades que están herméticamente sellados, están compuestos de dos o más capas de vidrio, donde el espacio que esta herméticamente sellado por lo general se llena de aire. En algunos casos, los gases argón y kriptón se utilizan en lugar del aire, para reducir aún más la transferencia de energía.
Marcos de ventanas
Los tres principales materiales de los marcos de ventanas son madera, metal y polímeros. La madera tiene una buena estructura integral y un buen valor de aislamiento, pero baja resistencia al agua, humedad y degradación orgánica (moho e insectos). El metal es durable y tiene características estructurales excelentes, pero tiene un desempeño térmico muy pobre. Actualmente la opción más común en los marcos de metal es el aluminio, debido a su facilidad de fabricación, bajo costo y de baja masa, pero el aluminio tiene una conductividad térmica de aproximadamente 1000 veces mayor que la de la madera o de los polímeros. El rendimiento térmico de las ventanas de marco de metal se puede mejorar con una rotura de puente térmico (un componente no metálico que separa el marco de metal expuesto al exterior de la superficie expuesta al interior). Los marcos de polímeros son hechos de polímero de vinil extruido o de poliéster reforzado con vidrio; su desempeño estructural y térmico es similar al de la madera.
Las ventanas residenciales pueden ser categorizadas por tipo de operador; el sistema de vidriado se puede montar directamente en el marco (el cual no es operable) o en una hoja que se mueve en el marco (para una ventana operable). En México en la época colonial era muy común ver ventanas hechas con marcos de fierro y madera en las construcciones, con el paso del tiempo poco a poco se han sustituido por ventanas de otro tipo de material.
El sombreado puede estar localizado tanto al interior como al exterior, y en algunos casos, al interior del sistema vidriado (entre los vidrios). Los materiales usados incluyen metal, madera, plástico y tela. Los dispositivos de sombreado están disponibles en una amplia gama de productos que difieren mayormente en su apariencia y desempeño energético. Estos incluyen persianas al interior y exterior, persianas al interior y exterior, persianas integrales, pantallas al interior y exterior, cortinas.Las ventanas residenciales pueden ser categorizadas por tipo de operador; el sistema de vidriado se puede montar directamente en el marco (el cual no es operable) o en una hoja que se mueve en el marco (para una ventana operable). En México en la época colonial era muy común ver ventanas hechas con marcos de fierro y madera en las construcciones, con el paso del tiempo poco a poco se han sustituido por ventanas de otro tipo de material.
Sombreado
Los dispositivos de sombreado colocados en la parte exterior del vidrio reducen la ganancia de calor solar más eficientemente que los dispositivos al interior. Sin embargo, los dispositivos al interior son más fáciles de operar y de ajustar. En la Figura 2.1 se muestran los componentes básicos de una ventana.
Transferencia de calor en ventanas
La transferencia de calor es el término con el que se define el estudio de los mecanismos y detalles de la transferencia de energía en forma de calor. Esta transferencia de energía ocurre cuando existe un gradiente de temperatura.Una ventana está expuesta a diferentes mecanismos de transferencia de calor como consecuencia a la diferencia de temperatura existente entre el exterior y el interior de la sala. Debido a esa diferencia, el calor fluye desde el foco más caliente al de menor temperatura, es decir, en invierno se pierde calor desde el interior hasta el exterior y en verano el flujo se produce en sentido opuesto.
Los tres mecanismos característicos de la transferencia de calor son: la conducción, la convección y la radiación. Y serán explicados a continuación debido a su importancia en la ingeniería térmica y la elaboración de este trabajo, ya que en función del mecanismo existente puede variar considerablemente el valor del flujo de calor que se encuentra en transición.
Convección
El método de transferencia de calor por convección ocurre cuando hay una diferencia de temperaturas con un fluido en movimiento.
El fluido puede estar en movimiento debido a fuerzas externas, como la ejecutada por un ventilador, viento o una bomba; en este caso la convección es denominada forzada. En la convección natural o libre existe un movimiento de fluido debido a un gradiente de densidad ocasionado por la diferencia de temperatura. Un fluido a mayor temperatura tiene menor densidad y tiende a subir en contra de la gravedad provocando que parte del mismo fluido a menor temperatura quede por debajo del anterior. Por lo tanto, la velocidad del fluido en este segundo caso es menor que si actúa un agente externo y, en consecuencia, el coeficiente de transferencia de calor por convección es de menor magnitud.
En el interior de una cavidad, el gas se encuentra entre dos paredes verticales a diferentes temperaturas, la parte del gas cercana a la superficie más caliente subirá. Y posteriormente, su temperatura baja debido a la cercanía con la otra superficie haciendo descender el gas, provocando un continuo movimiento debido a las variaciones de densidad, a su vez provocadas por las diferentes temperaturas como se aprecia en la figura 4.
Conducción
La conducción es el método de transferencia de calor a través de cuerpos sin movimiento, ya pueden ser gases, líquidos o sólidos. En el caso de líquidos y gases, se producen movimientos aleatorios de las partículas más energéticas hacia las de menor energía, a consecuencia de una diferencia de temperatura, produciendo colisiones e intercambiando energía. En un sólido, la transferencia energética se debe a ondas reticulares por el movimiento atómico a causa del gradiente de temperatura y es el único método por el que se puede transferir calor a través de un sólido opaco [9].
En el caso a estudiar de una ventana, uno de los medios a transferir calor por conducción es el marco, pero como ya se ha comentado, el trabajo se centra en conocer el comportamiento de los vidrios, en los cuales también se transfiere calor por conducción. Otro de los medios posible a transferir calor por conducción es el gas encerrado en la cavidad interior, más adelante se estudia esta posibilidad ya que el espesor es de reducido tamaño y el gas puede considerarse parado.
Radiación
Es la transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas con una longitud de onda definida, es decir, no necesita un medio natural como la convección o la conducción. Se produce por la emisión de energía de un a cuerpo especial, como el sol, a temperatura finita [8].
En ventanas, la radiación se produce por los rayos de sol incidentes sobre el cristal exterior, aumentando la temperatura y el flujo de calor hacia el interior.
Como esta forma de transferencia de calor es independiente de la ventana que se utilice no se incluirá en los cálculos del trabajo, podría tenerse en consideración en el flujo de calor, pero su valor es menor al de los demás métodos comentados. El flujo de calor es calculado a partir de la resistencia que supone la propia ventana sin considerar la radiación.
Tipos de cerramientos
Las ventanas son cerramientos que permiten al interior de una vivienda conseguir luz y ventilación, pero también suponen pérdidas de calor considerables. Por este motivo, se ha avanzado en gran medida en la tecnología que rodea a las ventanas para conseguir el mayor aislamiento térmico con las mejores propiedades térmicas, económicas y de visibilidad.
Se estudia únicamente el cristal del cerramiento, pues corresponde a la mayor parte de la superficie y es la parte sobre la que se va a realizar el estudiar de la temperatura.
Los tres tipos principales de acristalamiento son los siguientes [13]:
- Monolítico o vidrio sencillo: compuesto únicamente por una superficie de cristal formada por una o más hojas de vidrio. Este tipo posee características estándar y cuanto mayor sea el espesor o el número de hojas, menor es la transmitancia térmica, siendo un valor medio aproximado de esta 5.7 W/m2K. Esta configuración supone una baja resistencia al calor transferido y mayor pérdida energética.
- Doble acristalamiento o unidad de vidrio aislante (UVA): esta tipología consta de dos superficies de vidrio separadas de una o varias pequeñas cavidades. Cuenta con mejores cualidades térmicas que la de vidrio sencillo. La cavidad permite aprovechar la alta resistencia térmica del aire u otro gas en reposo, disminuyendo fuertemente la transmitancia térmica de la ventana. La nomenclatura seguida es mediante la utilización de los espesores de los vidrios y el de la cavidad, por ejemplo 4-12-4 muestra una ventana con dos vidrios de 4 mm de espesor y una cavidad de 12 mm de espesor.
- Vidrio de baja emisividad: con la configuración anterior (UVA) se mejoran las propiedades térmicas mediante una fina capa de óxidos metálicos a los vidrios, proporcionando mayor aislamiento térmico.
Los diferentes espesores que pueden ser utilizados para la cavidad son desde 4 mm hasta 12 mm aproximadamente, se explica en el próximo apartado cuál es la importancia de los diferentes tamaños y cómo transfiere calor el gas en función del espesor utilizado.
La utilización de un vidrio con menor transmitancia térmica y cavidad de 12 mm de espesor puede reducir las pérdidas energéticas más de un 50% respecto a uno monolítico y de marco similar, suponiendo un ahorro significativo tanto económico como energético.
Propiedades de los gases.
Uno de los elementos principales de las ventanas a estudiar es el gas que se encuentra en el interior de la cavidad, ya que aumenta las propiedades aislantes de la ventana. En este apartado se explican algunas de las propiedades de los gases que serán útiles a lo largo del trabajo, para facilitar el entendimiento de las expresiones finales del trabajo.
Viscosidad dinámica (µ)
Los fluidos, ya sean líquidos o gases, se deforman constantemente bajo la acción de una fuerza externa. La relación entre los esfuerzos sufridos bajo la deformación y la tensión aplicada viene dada por la viscosidad dinámica, ya que su característica es la oposición al movimiento por la tensión ejercida [4].
Viscosidad cinemática (ν)
En otras ocasiones, la viscosidad dinámica se presenta sin atender a las fuerzas que producen el movimiento, se divide entre la propia densidad del fluido y se obtiene a viscosidad cinemática con unidades de velocidad, como las siguientes [𝑚2 × 𝑠 −1 ] [4].
Densidad (𝜌)
Es la magnitud que relaciona la cantidad de masa del fluido por unidad de volumen. Sus unidades son sencillamente intuitivas, [𝐾𝑔 × 𝑚−3 ]. Un fluido de mayor densidad presenta más resistencia al paso del calor, por lo tanto, para un aislamiento térmico correcto será más beneficioso un gas de mayor densidad, aunque se deben cumplir muchas otras propiedades.
Coeficiente de expansión volumétrica (𝛽)
Es el fenómeno que describe el factor de compresibilidad debido al aumento de temperatura, que implica la variación de densidad y volumen en el gas [4]. La dimensión que define el valor de 𝛽 es la inversa de la temperatura [𝐾 −1 ].
Difusividad térmica (𝛼)
Esta propiedad muestra cómo de rápido se transfiere el calor a través de un material a razón de su capacidad de acumularlo y queda definida como:
Conductividad térmica (k)
Esta propiedad de los materiales indica la velocidad con la que es transmitido el calor a través de un material y la representación macroscópica del efecto de las moléculas que efectúa el calor sobre el gas.
Propiedad característica de la transferencia de calor por conducción, con unidades [𝑊 × 𝑚−1 × 𝐾 −1 ].
Transmitancia térmica (Uref)
Este coeficiente muestra la transmisión de calor a través de uno o varios fluidos o cuerpos, ya que indica la facilidad con la que fluye el calor. También llamado, coeficiente de transmisión de calor, en cerramientos mide la transferencia de calor teniendo en cuenta los ambientes exteriores, es decir, representa la inversa de las resistencias por conducción, pero también las de convección del exterior.
Es calculado mediante la inversa de la resistencia térmica, es decir, influye de manera contraria en el flujo de calor o variación de temperatura. A valores bajos de transmitancia térmica, la resistencia que se opone al paso de calor es mayor y las temperaturas son más próximas. Este factor es de gran importancia a la hora de calcular las resistencias que suponen las diferentes ventanas y por ello es la característica con la que identifican.
Número de Prandtl (Pr)
Esta característica adimensional de los fluidos relaciona el calor transferido por un medio con la cantidad de movimiento del mismo, es decir, se expresa como el cociente entre la viscosidad y la difusividad térmica:
Capa límite térmica
Cuando un fluido fluye por la superficie de otro cuerpo a diferente temperatura, se forma una capa límite térmica. La parte del fluido en contacto con la superficie llega al equilibrio térmico hasta igualar su temperatura con la de la placa. Estas partículas que han cambiado su temperatura intercambian energía con las más próximas y así sucesivamente hasta llegar al límite del espesor de la capa límite térmica, en el cual la diferencia de temperaturas entre las partículas del fluido en dicho punto y la superficie se aproxima al valor |𝑇 − 𝑇𝑠 | = 0.99 × |𝑇∞ − 𝑇𝑠 | [5] como muestra la figura 7:
Física del problema
En este apartado se muestra la relación entre los métodos de transferencia de calor explicados en el punto anterior y su relación con una ventana de doble acristalamiento, se explica qué métodos se pueden encontrar y cuál es el utilizado en la resolución del problema.
Se supone una ventana de una vivienda en la que la temperatura interior de la sala es mayor que la del exterior, es decir, existe un gradiente de temperatura que supone el paso de calor a través de las superficies desde el interior hacia el exterior de la vivienda.
La convección es la transferencia de calor más importante en una ventana, ya que se encuentra rodeada de aire a ambos lados. Este aire puede darse a diferentes condiciones si se trata del interior o exterior.
La radiación no ha sido considerada a la hora de plantear el trabajo, se ha querido centrar el estudio en la convección y conducción, métodos principales de transferencia de calor en una ventana y, en especial, para el gas de la cavidad interior. La convección influye, como así se verá más adelante, en el aumento de temperatura a lo largo de la ventana y la conducción se da en los vidrios y puede ser de gran importancia en el aislamiento térmico de la cavidad interior.
Transferencia de calor en el interior de la vivienda.
En el interior, el aire se encuentra en movimiento a bajas velocidades y la convección es natural, existe un gradiente de temperatura entre la superficie de vidrio de la ventana y el aire próximo a ella. Por lo tanto, se produce transferencia de calor cuando el aire varía su densidad con el cambio temperatura, produciéndose un movimiento del fluido y modificando así las condiciones térmicas de la sala. Se transfiriere calor desde el aire interior de la vivienda hacia el acristalamiento, aumentando la temperatura de este último.
Transferencia de calor en el ambiente exterior.
En el exterior, las condiciones pueden variar en gran medida en función del clima, estación del año o incluso en función de la hora en la que se estudie dentro de un mismo día.
En este caso, debido a las acciones del viento, se debe realizar la comprobación de si la convección más influyente en el proceso es forzada o natural. En este caso, se ha considerado una velocidad del viento dada por el Código Técnico de Edificación (CTE) de 26 km/h en zona A [30], esto significa que la convección existente es forzada, aumentando así el coeficiente de convección en la parte exterior de la ventana, lo que significa mayor pérdida de calor hacia el ambiente exterior.
Transferencia de calor en la cavidad interior.
Como ya se ha explicado anteriormente, un gas encerrado entre dos superficies a diferente temperatura puede transferir calor calor mediante convección natural, en este caso desde el cristal del interior de la vivienda al del exterior.
Cuando se trata de una ventana, la cavidad es de reducido tamaño (4, 6, 12 mm…) y puede que no dé lugar al movimiento del gas, ni si quiera por cambios de densidad, y este se encuentre en reposo, de esta manera se transfiere calor por conducción. La conducción, intencionadamente buscada, implica que se reduzca el calor que pasa a través del gas, suponiendo mayor resistencia térmica y consiguiendo más aislamiento debido a la baja conductividad de algunos gases.
Se pueden utilizar diferentes tamaños de espesor para la cavidad, cuanto mayor sea su tamaño más resistencia térmica opone, disminuyendo la transmitancia térmica. En cambio, hay valores de espesor que suponen la pérdida de la conducción y comienza a transferirse calor por convección y esto significa el aumento de la transmitancia térmica y con ello, la pérdida de las características buscadas. El valor teórico de dicho espesor está alrededor de los 16 mm aproximadamente, este valor es calculado con las condiciones dadas y se muestra en el apartado de resultados.
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