El aislamiento térmico en la construcción es un pilar importantísimo a tener en cuenta ante los problemas energéticos actuales tanto en nuestro país como en todo el planeta.
La utilización de aislantes térmicos en la construcción persigue los siguientes objetivos:
1) Evitar la contaminación ambiental generada por la combustión de combustibles orgánicos. Cuidado del medio ambiente.
2) Reducir el consumo de energía. Ahorro en equipamientos para calefaccionar y refrigerar, en tarifas y consumos tanto individuales como regionales.
3) Mejorar el confort. Mantener una temperatura uniforme.
4) Evitar la condensación. Controlar patologías constructivas que, además de deteriorar aspectos constructivos, son perjudiciales para la salud de los seres humanos.
Como puede apreciarse, cada uno de estos ítems son de una gran importancia en la actualidad, tanto a nivel internacional como nacional.
Se verá cómo todos ellos pueden lograrse aislando térmicamente en forma adecuada los edificios. Antes de comenzar con el desarrollo de estos temas, vale la pena recordar los fundamentos del aislamiento térmico.
Fundamentos del aislamiento térmico
Se basan en reducir la transferencia de calor y los intercambios térmicos. En invierno, disminuir la pérdida de calor, es decir, minimizar el flujo de calor desde el interior hacia el exterior y en verano evitar la entrada del calor reduciendo el consumo de aire acondicionado.
¿Qué es el calor? Energía en transferencia asociada a un gradiente (diferencia) de temperatura. Es decir, es una forma de energía que tiene la particularidad de que se transmite cuando existe una diferencia de temperatura. No se debe confundir este concepto con el significado que encierra la expresión “tengo calor” o su opuesto “tengo frío”, que en realidad está ligado al concepto de temperatura.
Como es energía, el calor se mide en las unidades de energía: K caloría, Kwh, BTU, Joule, etcétera, dependiendo del sistema de unidades que se utilice, cuando se tratan los procesos térmicos que tienen lugar en las construcciones en general se usa el Kwh.
Por otra parte, la temperatura es una magnitud física que mide el grado de actividad (energía cinética de traslación y rotación) de las moléculas y átomos. Sus unidades son el °C, (grado centígrado), el °F (grado Fahrenheit) o el °K (grado Kelvin).
Transmisión del calor
Los principios generales de la transmisión del calor son universales y todas las formas de transmisión de calor se encuentran con diferentes grados de importancia en todos los intercambios térmicos que ocurren en la envolvente de los edificios. Modos de transmisión del calor:
-Conducción: Es la transmisión de calor que se produce en los sólidos. Es causada por el choque elástico entre las moléculas de mayor temperatura hacia las de menor temperatura. Ejemplo: Si se coloca una barra metálica con un extremo sobre una llama, en poco tiempo vamos a sentir cómo aumenta la temperatura del otro extremo aunque sobre el mismo no incida la llama. Esto es porque el calor se transmitió por conducción de un extremo al otro de la barra.
-Convección: Es la transmisión de calor que tiene lugar en los fluidos (gases y líquidos). Se produce con un movimiento de masas de los fluidos involucrados. En el caso del aire en un ambiente, el mismo circula entre dos puntos de diferente temperatura por la diferencia de densidad. Ejemplo: El aire caliente que produce una estufa, se eleva y el calor se disipa al entrar en contacto con las paredes.
-Radiación: Toda la materia absorbe y emite radiación infrarroja en función de su temperatura y de su emisividad. La actividad de moléculas y átomos (energía cinética) se traduce en emisión de ondas electromagnéticas de energía. La transmisión de calor por radiación se produce sin intervención del medio ambiente. Ejemplo: La energía que se recibe del sol se transmite por radiación. Las estufas eléctricas o a gas que tienen pantallas transmiten la mayor parte de la energía por radiación.
Cuando hay dos cuerpos de diferente temperatura, el de mayor temperatura emite mayor cantidad de energía por radiación que la que absorbe del de menor temperatura, y el más frío absorbe más energía que la que emite. Esto depende además de las respectivas emisividades.
En todos los casos la transmisión de calor se produce desde las zonas de mayor temperatura hacia las de menor temperatura. En los edificios o construcciones se presentan los tres modos de transmisión de calor simultáneamente, con distintos grados de importancia. La conducción es el modo preponderante, cuando se aisla térmicamente en forma correcta se limitan los tres modos de transmisión de calor. En un elemento constructivo que forma parte de la envolvente de un edificio, y por lo tanto separa el ambiente interior del exterior, va a existir transmisión de calor si las temperaturas exteriores e interiores son distintas.
Cuando se supone una situación de invierno donde la temperatura interior es mayor que la exterior, en ese caso se va a producir una fuga o pérdida de calor desde el interior hacia el exterior.
En el esquema “Flujo de calor” (pág. 1) se muestra que la pérdida de calor cuando el gradiente de temperatura es 30°C es el doble de la pérdida que se produce cuando el gradiente es de 15°C.
La ley de Fourier (pág. 1) gobierna la transmisión de calor a través de un elemento homogéneo. Esta ley muestra que la pérdida de calor a través de un elemento constructivo depende de:
-El valor de la conductividad térmica (lambda) del material que constituye el elemento. A menor valor de lambda, menores son las pérdidas a través del elemento.
-El espesor del elemento.
-La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior.
Transmisión del calor en los materiales
El coeficiente de conductividad térmica se mide en W/mK y representa la cantidad de energía que atraviesa un metro cuadrado de material, de un metro de espesor cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es 1°K, en la unidad de tiempo. Se lo representa con la letra lambda y se mide a una temperatura normalizada.
En nuestro país se ha establecido una temperatura media de 20°C para su medición de acuerdo con la norma Iram 11.601. La conductividad térmica lambda es una característica constante, intrínseca y propia de cada material, y permite evaluar la aptitud de ese material para dejar pasar una mayor o menor cantidad de calor a través de él (ver cuadro Coeficientes de conductividad térmica, pág. 1).
A espesores iguales, una lana de vidrio (lambda= 0,032 W/mK) es 50 veces más aislante que el hormigón (lambda= 1,63 W/mK). Por su característica de estar construida por celdillas de aire quieto logra un óptimo comportamiento térmico. Efectivamente, la lana de vidrio está formada por una gran cantidad de pequeñas fibras de vidrio aglomeradas con un ligante que forman una cantidad casi infinita de pequeñas celdas de aire quieto que son las que oponen la resistencia al paso del calor.
Resistencia térmica
La resistencia térmica de un elemento depende del valor de lambda y del espesor del material. En aislamiento térmico el objetivo buscado es disminuir el flujo de calor que atraviesa un elemento, cuanto mayor es la resistencia que opone un material al paso del calor para un espesor determinado más aislante será ese material. Por lo tanto la resistencia térmica se define como espesor sobre lambda.
Comparando el poder aislante de distintos materiales se puede advertir que para conseguir una resistencia térmica de 1,25 m2 K/W se necesitan espesores muy disímiles, medidos en cm, para cada material.
Tomando algunos de los materiales mencionados en el recuadro se necesitan por ejemplo un metro de espesor de mampostería de ladrillos, 2 metros de espesor de hormigón o 7 metros de espesor de acero para lograr igual resistencia térmica que la que se obtiene con 5 centímetros de lana de vidrio de baja densidad. La densidad de los materiales influye en su valor de lambda y, por lo tanto, en su resistencia térmica. Al aumentar la densidad baja el coeficiente de conductividad y consecuentemente mejora la resistencia térmica. Sin embargo, está variación es acotada. No se puede disminuir el lambda indefinidamente aumentando la densidad, existen límites. En una lana de vidrio, la mejora máxima que se puede obtener es de un 20 %.
Por el contrario, si se aumenta el espesor, la resistencia térmica aumentará proporcionalmente y en ese caso no existen límites, exceptuando el espacio físico, para obtener la resistencia que se desee. Por lo tanto, siempre será más eficiente desde el punto de vista económico, trabajar con lanas de vidrio de baja densidad en espesores altos que trabajar con espesores menores y aumentar la densidad.
Esto es así porque el costo de una lana de vidrio se incrementa de igual forma aumentando en iguales proporciones el espesor o la densidad. En otras palabras, al duplicar el espesor, se logrará el doble de resistencia térmica, mientras que si se duplica la densidad (que significa el mismo incremento de costo), sólo se logrará, a lo sumo, un 20 % más de resistencia térmica.
Transmitancia térmica
Es la relación inversa de la resistencia térmica y se la simboliza con la letra K (ver Transmitancia...pag 1). Sus unidades son: W/m2 °K.
Generalmente, en las normas técnicas, reglamentaciones, etcétera, se indican valores máximos admisibles de K para los componentes de una construcción. En nuestro país, la Norma Iram 11.605 indica valores máximos admisibles de K para diferentes climas y para los distintos elementos constructivos.
Materiales aislantes térmicos
Se caracterizan por tener un muy bajo coeficiente lambda de conductividad térmica. Cuanto más bajo sea este coeficiente mejor aislante será el material. Las normas internacionales establecen límites en los valores de lambda y de resistencia térmica para que un material pueda considerarse un aislante térmico.
En el caso de las normas Iram, los límites son los siguientes:
-Coeficiente de conductividad térmica lambda < 0,065 W/m°K
-Resistencia térmica R < = 0,5 m2 °K / W
Estos valores deben medirse en ensayos perfectamente normalizados en laboratorios homologados. El método de ensayo que se debe utilizar es: “método de placa caliente con guarda”. Normalizados en nuestro país por la norma Iram N°11.559. En la actualidad, internacionalmente y en nuestro país, sólo se homologan valores que hayan sido medidos con estos métodos, reglamentariamente no se aceptan valores que hayan sido obtenidos por métodos distintos.
Se ha mencionado al coeficiente de conductividad térmica de un material aislante como su principal característica. Ahora bien, hay otros aspectos que deben también considerarse al decidir qué material utilizar. Los más importantes son:
-Seguridad: Se refiere en primera instancia a cómo se comportan los aislantes en caso de estar expuestos al fuego o a calores extremos. Con respecto a esto, se debe aclarar que hay materiales incombustibles, materiales combustibles de baja propagación de la llama (estas dos clases son aptos para la construcción) y otros que presentan grados de combustibilidad que los hacen peligrosos. Otro aspecto no menos importante que hace a la seguridad en un edificio es el comportamiento del material aislante en cuanto a los gases o humos que genera cuando está expuesto al fuego. Efectivamente hay materiales completamente seguros que no emiten gases o humos y otros muy peligrosos que generan desde humos oscuros hasta gases tóxicos.
-Costo: En este caso el parámetro que se debe tener en cuenta es el índice costo en pesos por unidad de resistencia térmica.
Cálculos: Ejemplos de la resistencia térmica que presentan distintos materiales para un espesor de 10 cm.
-Lana de vidrio (aislante térmico): R= 0,10 m / 0,035 W/m°K R= 2,86 m2°K / W
-Mampostería: R= 0,10 m / 0,8 W/m°K R= 0,125 m2°K / W
-Hormigón: R= 0,10 m / 1,63 W/m°K R = 0,061 m2°K / W
La comparación de los valores anteriores correspondientes a un aislante térmico y a otros materiales utilizados normalmente en la construcción explica por sí misma la importancia que tienen los materiales aislantes térmicos en cuanto a limitar las pérdidas de energía en las construcciones.
Transferencia de calor a través de los elementos constructivos
Las transferencias de calor en una construcción son de diferente naturaleza y dependen de los materiales que conforman la envolvente, es decir, de los materiales de las cubiertas, muros y pisos. El objetivo del aislamiento térmico es evaluar y controlar esas transferencias de forma tal de obtener un hábitat confortable tanto en invierno como en verano y un ahorro de la energía para su acondicionamiento térmico.
Como se puede observar en el gráfico Distribución de las pérdidas de calor..., los techos son los elementos a través de los cuales se producen la mayor cantidad de pérdidas de calor en invierno y ganancias de calor no deseadas en verano. Por consiguiente, es el elemento en el cual la resistencia térmica del aislamiento debe ser mayor y cuyo aislamiento térmico debe ser diseñado con mayor cuidado y exigencia.
-Vivienda no aislada. En invierno se producen gran cantidad de pérdidas a través de los componentes opacos y vidriados de la envolvente y a través de los puentes térmicos. Al mismo tiempo, al no estar controlada la ventilación natural, se producen pérdidas excesivas a través de la misma. En verano, el sol recalienta el ambiente interior.
-Vivienda aislada térmicamente en forma correcta. Tanto en invierno como en verano, las transferencias de calor a través de la envolvente se reducen a un mínimo, además una ventilación controlada permite una renovación de aire adecuada con un mínimo de pérdidas. Según la orientación de la vivienda, un diseño adecuado de las superficies vidriadas permite reducir la demanda de energía en invierno sin afectar el confort de verano.
Mecanismos de transmisión de calor en los elementos de la envolvente de una construcción
Considerando una pequeña superficie simple de la envolvente se pueden encontrar todos los modos de transmisión del calor:
-La conducción es la transmisión del calor que se produce a través de los materiales de la pared, a través de su parte sólida. Un material conducirá en mayor o en menor medida el calor dependiendo de su resistencia térmica.
-La convección es el intercambio entre un cuerpo gaseoso y cualquier otro cuerpo que puede ser gaseoso, líquido o sólido. En el caso de una pared, la convección se produce por el movimiento del aire debido a la diferencia de temperatura con la pared. Un ambiente calefaccionado cede calor a la pared por convección.
-La radiación se manifiesta cuando los cuerpos calientes emiten radiaciones portadoras de energía que son absorbidos por otros cuerpos y transformados en calor. En el caso de una pared, la radiación se manifiesta cuando la misma absorbe calor por radiación de un cuerpo emisor dentro del ambiente.
Efectos de la transferencia del calor
a) Una envolvente sin aislar, de resistencia térmica débil, genera una zona perturbada por las corrientes convectivas. El ambiente calefaccionado cede su calor a los cerramientos por convección (aire en movimiento) y por radiación de los calefactores. Como resultado se generan zonas de falta de confort térmico. http://www.clarin.com/arquitectura/Aislar-ahorrar-energia_0_314368586.html
b) Los cerramientos correctamente aislados térmicamente generan un ambiente con temperatura homogénea, fuente de confort térmico.
c) En el verano, con cerramientos sin aislar, se genera en el interior una sensación de opresión debida a la radiación calórica de los cerramientos sobrecalentados durante el día.
-Transferencias de calor a través de un cerramiento. Es imposible eliminar las transferencias de calor a través de un cerramiento. Sin embargo, se pueden reducir fuertemente. En la práctica, aislar térmicamente es agregar a un cerramiento ciertos materiales que le aumentan su resistencia térmica, reduciendo por lo tanto las transferencias de calor a través del mismo.
-Resistencia térmica de un cerramiento. Para obtener la resistencia térmica de un cerramiento se deben sumar las resistencias térmicas de los elementos que lo componen más las resistencias térmicas superficiales interior y exterior. Por ejemplo, se supone un muro de un material homogéneo al que se le ha agregado un aislante térmico y una placa de yeso para aumentar su resistencia térmica. La resistencia térmica de un cerramiento compuesto por varias capas de materiales es igual a la suma de las resistencias térmicas de cada capa más la resistencia superficial interior más la resistencia superficial exterior.
-Resistencias térmicas superficiales de un cerramiento. Cada cerramiento genera resistencias superficiales en función de su naturaleza y del sentido del flujo del calor. Las resistencias superficiales se determinan convencionalmente para tener en cuenta los intercambios térmicos por convección y radiación hacia el interior y exterior de un cerramiento. Sus valores están fijados por las normas técnicas correspondientes (en nuestro país, la norma Iram 11.601.
-Resistencias térmicas de las cámaras de aire. Las cámaras de aire en un cerramiento o sistema constructivo contribuyen al comportamiento térmico global. Las cámaras pueden ser poco ventiladas o no ventiladas, medianamente ventiladas y muy ventiladas. Los criterios para su clasificación se resumen en el cuadro Resistencias térmicas de las cámaras de aire (pág 4). Los valores de resistencia térmica de las cámaras de aire no ventiladas o poco ventiladas se resumen en el cuadro Espesor de la capa de aire (pág 3). Esos valores son válidos para una temperatura media de la cámara comprendida entre 0 y 20 ° C y para una diferencia de temperatura de las superficies límites inferior a 15 °C.
-Gradiente de temperatura en un cerramiento. Cuando la temperatura superficial interior de un cerramiento es similar a la del ambiente, los ocupantes del mismo sienten una sensación de confort térmico. Además, el cerramiento no tiene problemas de condensación y, por lo tanto, se mantiene en buenas condiciones, sin deterioros, presentando una larga vida útil. Por el contrario, cuando el cerramiento presenta una temperatura superficial baja y consecuentemente existe una diferencia de temperatura importante con respecto a la del ambiente, los ocupantes están sometidos al efecto de pared fría y aparece la condensación sobre el cerramiento que produce deterioros sobre el mismo disminuyendo su vida útil. Al aislar térmicamente el cerramiento, además de aumentar la resistencia térmica del mismo, se logra un reducido diferencial de temperatura entre el ambiente y la superficie interior del mismo. Cuanto menor es ese diferencial, (máximo 2,5 °C) mayor es la sensación de confort. Como se observa en el gráfico Resistencia térmica de un cerramiento aislado, la temperatura superficial resulta de 19°C y por lo tanto el diferencial con el ambiente es de 1°C, lo que produce una situación de confort excelente y la inexistencia de condensación. El gráfico muestra la contribución de cada capa a la resistencia térmica total. Se observa cómo aumenta la influencia del aislamiento térmico en la temperatura superficial cuando existe un aislante que se opone a las pérdidas de calor.
-Pérdidas de calor a través de un cerramiento. La transmitancia térmica de un cerramiento, inversa de su resistencia térmica, representa el flujo de calor que pasa a través de un m2 del cerramiento para una diferencia de temperatura de 1°C entre los ambientes que separa el mismo. La transmitancia térmica se representa con la letra K, cuanto mayor es su valor, mayores son las pérdidas de calor.
Suponiendo un muro de hormigón de 100 m2, sin aislación, y una diferencia de temperatura de 15°C (20°C interior y 5°C exterior) las pérdidas de calor para un muro de 14 cm de espesor resultan de 6.000 W, equivalentes a 100 lámparas eléctricas de 60 W encendidas permanentemente. En cambio, un muro de hormigón aislado con lana de vidrio de las mismas características resultan de 463 W, es decir, 14 veces menos que las correspondientes al muro sin aislar. O lo mismo, un 92 % menos.
La utilización de aislantes térmicos en la construcción persigue los siguientes objetivos:
1) Evitar la contaminación ambiental generada por la combustión de combustibles orgánicos. Cuidado del medio ambiente.
2) Reducir el consumo de energía. Ahorro en equipamientos para calefaccionar y refrigerar, en tarifas y consumos tanto individuales como regionales.
3) Mejorar el confort. Mantener una temperatura uniforme.
4) Evitar la condensación. Controlar patologías constructivas que, además de deteriorar aspectos constructivos, son perjudiciales para la salud de los seres humanos.
Como puede apreciarse, cada uno de estos ítems son de una gran importancia en la actualidad, tanto a nivel internacional como nacional.
Se verá cómo todos ellos pueden lograrse aislando térmicamente en forma adecuada los edificios. Antes de comenzar con el desarrollo de estos temas, vale la pena recordar los fundamentos del aislamiento térmico.
Fundamentos del aislamiento térmico
Se basan en reducir la transferencia de calor y los intercambios térmicos. En invierno, disminuir la pérdida de calor, es decir, minimizar el flujo de calor desde el interior hacia el exterior y en verano evitar la entrada del calor reduciendo el consumo de aire acondicionado.
¿Qué es el calor? Energía en transferencia asociada a un gradiente (diferencia) de temperatura. Es decir, es una forma de energía que tiene la particularidad de que se transmite cuando existe una diferencia de temperatura. No se debe confundir este concepto con el significado que encierra la expresión “tengo calor” o su opuesto “tengo frío”, que en realidad está ligado al concepto de temperatura.
Como es energía, el calor se mide en las unidades de energía: K caloría, Kwh, BTU, Joule, etcétera, dependiendo del sistema de unidades que se utilice, cuando se tratan los procesos térmicos que tienen lugar en las construcciones en general se usa el Kwh.
Por otra parte, la temperatura es una magnitud física que mide el grado de actividad (energía cinética de traslación y rotación) de las moléculas y átomos. Sus unidades son el °C, (grado centígrado), el °F (grado Fahrenheit) o el °K (grado Kelvin).
Transmisión del calor
Los principios generales de la transmisión del calor son universales y todas las formas de transmisión de calor se encuentran con diferentes grados de importancia en todos los intercambios térmicos que ocurren en la envolvente de los edificios. Modos de transmisión del calor:
-Conducción: Es la transmisión de calor que se produce en los sólidos. Es causada por el choque elástico entre las moléculas de mayor temperatura hacia las de menor temperatura. Ejemplo: Si se coloca una barra metálica con un extremo sobre una llama, en poco tiempo vamos a sentir cómo aumenta la temperatura del otro extremo aunque sobre el mismo no incida la llama. Esto es porque el calor se transmitió por conducción de un extremo al otro de la barra.
-Convección: Es la transmisión de calor que tiene lugar en los fluidos (gases y líquidos). Se produce con un movimiento de masas de los fluidos involucrados. En el caso del aire en un ambiente, el mismo circula entre dos puntos de diferente temperatura por la diferencia de densidad. Ejemplo: El aire caliente que produce una estufa, se eleva y el calor se disipa al entrar en contacto con las paredes.
-Radiación: Toda la materia absorbe y emite radiación infrarroja en función de su temperatura y de su emisividad. La actividad de moléculas y átomos (energía cinética) se traduce en emisión de ondas electromagnéticas de energía. La transmisión de calor por radiación se produce sin intervención del medio ambiente. Ejemplo: La energía que se recibe del sol se transmite por radiación. Las estufas eléctricas o a gas que tienen pantallas transmiten la mayor parte de la energía por radiación.
Cuando hay dos cuerpos de diferente temperatura, el de mayor temperatura emite mayor cantidad de energía por radiación que la que absorbe del de menor temperatura, y el más frío absorbe más energía que la que emite. Esto depende además de las respectivas emisividades.
En todos los casos la transmisión de calor se produce desde las zonas de mayor temperatura hacia las de menor temperatura. En los edificios o construcciones se presentan los tres modos de transmisión de calor simultáneamente, con distintos grados de importancia. La conducción es el modo preponderante, cuando se aisla térmicamente en forma correcta se limitan los tres modos de transmisión de calor. En un elemento constructivo que forma parte de la envolvente de un edificio, y por lo tanto separa el ambiente interior del exterior, va a existir transmisión de calor si las temperaturas exteriores e interiores son distintas.
Cuando se supone una situación de invierno donde la temperatura interior es mayor que la exterior, en ese caso se va a producir una fuga o pérdida de calor desde el interior hacia el exterior.
En el esquema “Flujo de calor” (pág. 1) se muestra que la pérdida de calor cuando el gradiente de temperatura es 30°C es el doble de la pérdida que se produce cuando el gradiente es de 15°C.
La ley de Fourier (pág. 1) gobierna la transmisión de calor a través de un elemento homogéneo. Esta ley muestra que la pérdida de calor a través de un elemento constructivo depende de:
-El valor de la conductividad térmica (lambda) del material que constituye el elemento. A menor valor de lambda, menores son las pérdidas a través del elemento.
-El espesor del elemento.
-La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior.
Transmisión del calor en los materiales
El coeficiente de conductividad térmica se mide en W/mK y representa la cantidad de energía que atraviesa un metro cuadrado de material, de un metro de espesor cuando la diferencia de temperatura entre ambas caras es 1°K, en la unidad de tiempo. Se lo representa con la letra lambda y se mide a una temperatura normalizada.
En nuestro país se ha establecido una temperatura media de 20°C para su medición de acuerdo con la norma Iram 11.601. La conductividad térmica lambda es una característica constante, intrínseca y propia de cada material, y permite evaluar la aptitud de ese material para dejar pasar una mayor o menor cantidad de calor a través de él (ver cuadro Coeficientes de conductividad térmica, pág. 1).
A espesores iguales, una lana de vidrio (lambda= 0,032 W/mK) es 50 veces más aislante que el hormigón (lambda= 1,63 W/mK). Por su característica de estar construida por celdillas de aire quieto logra un óptimo comportamiento térmico. Efectivamente, la lana de vidrio está formada por una gran cantidad de pequeñas fibras de vidrio aglomeradas con un ligante que forman una cantidad casi infinita de pequeñas celdas de aire quieto que son las que oponen la resistencia al paso del calor.
Resistencia térmica
La resistencia térmica de un elemento depende del valor de lambda y del espesor del material. En aislamiento térmico el objetivo buscado es disminuir el flujo de calor que atraviesa un elemento, cuanto mayor es la resistencia que opone un material al paso del calor para un espesor determinado más aislante será ese material. Por lo tanto la resistencia térmica se define como espesor sobre lambda.
Comparando el poder aislante de distintos materiales se puede advertir que para conseguir una resistencia térmica de 1,25 m2 K/W se necesitan espesores muy disímiles, medidos en cm, para cada material.
Tomando algunos de los materiales mencionados en el recuadro se necesitan por ejemplo un metro de espesor de mampostería de ladrillos, 2 metros de espesor de hormigón o 7 metros de espesor de acero para lograr igual resistencia térmica que la que se obtiene con 5 centímetros de lana de vidrio de baja densidad. La densidad de los materiales influye en su valor de lambda y, por lo tanto, en su resistencia térmica. Al aumentar la densidad baja el coeficiente de conductividad y consecuentemente mejora la resistencia térmica. Sin embargo, está variación es acotada. No se puede disminuir el lambda indefinidamente aumentando la densidad, existen límites. En una lana de vidrio, la mejora máxima que se puede obtener es de un 20 %.
Por el contrario, si se aumenta el espesor, la resistencia térmica aumentará proporcionalmente y en ese caso no existen límites, exceptuando el espacio físico, para obtener la resistencia que se desee. Por lo tanto, siempre será más eficiente desde el punto de vista económico, trabajar con lanas de vidrio de baja densidad en espesores altos que trabajar con espesores menores y aumentar la densidad.
Esto es así porque el costo de una lana de vidrio se incrementa de igual forma aumentando en iguales proporciones el espesor o la densidad. En otras palabras, al duplicar el espesor, se logrará el doble de resistencia térmica, mientras que si se duplica la densidad (que significa el mismo incremento de costo), sólo se logrará, a lo sumo, un 20 % más de resistencia térmica.
Transmitancia térmica
Es la relación inversa de la resistencia térmica y se la simboliza con la letra K (ver Transmitancia...pag 1). Sus unidades son: W/m2 °K.
Generalmente, en las normas técnicas, reglamentaciones, etcétera, se indican valores máximos admisibles de K para los componentes de una construcción. En nuestro país, la Norma Iram 11.605 indica valores máximos admisibles de K para diferentes climas y para los distintos elementos constructivos.
Materiales aislantes térmicos
Se caracterizan por tener un muy bajo coeficiente lambda de conductividad térmica. Cuanto más bajo sea este coeficiente mejor aislante será el material. Las normas internacionales establecen límites en los valores de lambda y de resistencia térmica para que un material pueda considerarse un aislante térmico.
En el caso de las normas Iram, los límites son los siguientes:
-Coeficiente de conductividad térmica lambda < 0,065 W/m°K
-Resistencia térmica R < = 0,5 m2 °K / W
Estos valores deben medirse en ensayos perfectamente normalizados en laboratorios homologados. El método de ensayo que se debe utilizar es: “método de placa caliente con guarda”. Normalizados en nuestro país por la norma Iram N°11.559. En la actualidad, internacionalmente y en nuestro país, sólo se homologan valores que hayan sido medidos con estos métodos, reglamentariamente no se aceptan valores que hayan sido obtenidos por métodos distintos.
Se ha mencionado al coeficiente de conductividad térmica de un material aislante como su principal característica. Ahora bien, hay otros aspectos que deben también considerarse al decidir qué material utilizar. Los más importantes son:
-Seguridad: Se refiere en primera instancia a cómo se comportan los aislantes en caso de estar expuestos al fuego o a calores extremos. Con respecto a esto, se debe aclarar que hay materiales incombustibles, materiales combustibles de baja propagación de la llama (estas dos clases son aptos para la construcción) y otros que presentan grados de combustibilidad que los hacen peligrosos. Otro aspecto no menos importante que hace a la seguridad en un edificio es el comportamiento del material aislante en cuanto a los gases o humos que genera cuando está expuesto al fuego. Efectivamente hay materiales completamente seguros que no emiten gases o humos y otros muy peligrosos que generan desde humos oscuros hasta gases tóxicos.
-Costo: En este caso el parámetro que se debe tener en cuenta es el índice costo en pesos por unidad de resistencia térmica.
Cálculos: Ejemplos de la resistencia térmica que presentan distintos materiales para un espesor de 10 cm.
-Lana de vidrio (aislante térmico): R= 0,10 m / 0,035 W/m°K R= 2,86 m2°K / W
-Mampostería: R= 0,10 m / 0,8 W/m°K R= 0,125 m2°K / W
-Hormigón: R= 0,10 m / 1,63 W/m°K R = 0,061 m2°K / W
La comparación de los valores anteriores correspondientes a un aislante térmico y a otros materiales utilizados normalmente en la construcción explica por sí misma la importancia que tienen los materiales aislantes térmicos en cuanto a limitar las pérdidas de energía en las construcciones.
Transferencia de calor a través de los elementos constructivos
Las transferencias de calor en una construcción son de diferente naturaleza y dependen de los materiales que conforman la envolvente, es decir, de los materiales de las cubiertas, muros y pisos. El objetivo del aislamiento térmico es evaluar y controlar esas transferencias de forma tal de obtener un hábitat confortable tanto en invierno como en verano y un ahorro de la energía para su acondicionamiento térmico.
Como se puede observar en el gráfico Distribución de las pérdidas de calor..., los techos son los elementos a través de los cuales se producen la mayor cantidad de pérdidas de calor en invierno y ganancias de calor no deseadas en verano. Por consiguiente, es el elemento en el cual la resistencia térmica del aislamiento debe ser mayor y cuyo aislamiento térmico debe ser diseñado con mayor cuidado y exigencia.
-Vivienda no aislada. En invierno se producen gran cantidad de pérdidas a través de los componentes opacos y vidriados de la envolvente y a través de los puentes térmicos. Al mismo tiempo, al no estar controlada la ventilación natural, se producen pérdidas excesivas a través de la misma. En verano, el sol recalienta el ambiente interior.
-Vivienda aislada térmicamente en forma correcta. Tanto en invierno como en verano, las transferencias de calor a través de la envolvente se reducen a un mínimo, además una ventilación controlada permite una renovación de aire adecuada con un mínimo de pérdidas. Según la orientación de la vivienda, un diseño adecuado de las superficies vidriadas permite reducir la demanda de energía en invierno sin afectar el confort de verano.
Mecanismos de transmisión de calor en los elementos de la envolvente de una construcción
Considerando una pequeña superficie simple de la envolvente se pueden encontrar todos los modos de transmisión del calor:
-La conducción es la transmisión del calor que se produce a través de los materiales de la pared, a través de su parte sólida. Un material conducirá en mayor o en menor medida el calor dependiendo de su resistencia térmica.
-La convección es el intercambio entre un cuerpo gaseoso y cualquier otro cuerpo que puede ser gaseoso, líquido o sólido. En el caso de una pared, la convección se produce por el movimiento del aire debido a la diferencia de temperatura con la pared. Un ambiente calefaccionado cede calor a la pared por convección.
-La radiación se manifiesta cuando los cuerpos calientes emiten radiaciones portadoras de energía que son absorbidos por otros cuerpos y transformados en calor. En el caso de una pared, la radiación se manifiesta cuando la misma absorbe calor por radiación de un cuerpo emisor dentro del ambiente.
Efectos de la transferencia del calor
a) Una envolvente sin aislar, de resistencia térmica débil, genera una zona perturbada por las corrientes convectivas. El ambiente calefaccionado cede su calor a los cerramientos por convección (aire en movimiento) y por radiación de los calefactores. Como resultado se generan zonas de falta de confort térmico. http://www.clarin.com/arquitectura/Aislar-ahorrar-energia_0_314368586.html
b) Los cerramientos correctamente aislados térmicamente generan un ambiente con temperatura homogénea, fuente de confort térmico.
c) En el verano, con cerramientos sin aislar, se genera en el interior una sensación de opresión debida a la radiación calórica de los cerramientos sobrecalentados durante el día.
-Transferencias de calor a través de un cerramiento. Es imposible eliminar las transferencias de calor a través de un cerramiento. Sin embargo, se pueden reducir fuertemente. En la práctica, aislar térmicamente es agregar a un cerramiento ciertos materiales que le aumentan su resistencia térmica, reduciendo por lo tanto las transferencias de calor a través del mismo.
-Resistencia térmica de un cerramiento. Para obtener la resistencia térmica de un cerramiento se deben sumar las resistencias térmicas de los elementos que lo componen más las resistencias térmicas superficiales interior y exterior. Por ejemplo, se supone un muro de un material homogéneo al que se le ha agregado un aislante térmico y una placa de yeso para aumentar su resistencia térmica. La resistencia térmica de un cerramiento compuesto por varias capas de materiales es igual a la suma de las resistencias térmicas de cada capa más la resistencia superficial interior más la resistencia superficial exterior.
-Resistencias térmicas superficiales de un cerramiento. Cada cerramiento genera resistencias superficiales en función de su naturaleza y del sentido del flujo del calor. Las resistencias superficiales se determinan convencionalmente para tener en cuenta los intercambios térmicos por convección y radiación hacia el interior y exterior de un cerramiento. Sus valores están fijados por las normas técnicas correspondientes (en nuestro país, la norma Iram 11.601.
-Resistencias térmicas de las cámaras de aire. Las cámaras de aire en un cerramiento o sistema constructivo contribuyen al comportamiento térmico global. Las cámaras pueden ser poco ventiladas o no ventiladas, medianamente ventiladas y muy ventiladas. Los criterios para su clasificación se resumen en el cuadro Resistencias térmicas de las cámaras de aire (pág 4). Los valores de resistencia térmica de las cámaras de aire no ventiladas o poco ventiladas se resumen en el cuadro Espesor de la capa de aire (pág 3). Esos valores son válidos para una temperatura media de la cámara comprendida entre 0 y 20 ° C y para una diferencia de temperatura de las superficies límites inferior a 15 °C.
-Gradiente de temperatura en un cerramiento. Cuando la temperatura superficial interior de un cerramiento es similar a la del ambiente, los ocupantes del mismo sienten una sensación de confort térmico. Además, el cerramiento no tiene problemas de condensación y, por lo tanto, se mantiene en buenas condiciones, sin deterioros, presentando una larga vida útil. Por el contrario, cuando el cerramiento presenta una temperatura superficial baja y consecuentemente existe una diferencia de temperatura importante con respecto a la del ambiente, los ocupantes están sometidos al efecto de pared fría y aparece la condensación sobre el cerramiento que produce deterioros sobre el mismo disminuyendo su vida útil. Al aislar térmicamente el cerramiento, además de aumentar la resistencia térmica del mismo, se logra un reducido diferencial de temperatura entre el ambiente y la superficie interior del mismo. Cuanto menor es ese diferencial, (máximo 2,5 °C) mayor es la sensación de confort. Como se observa en el gráfico Resistencia térmica de un cerramiento aislado, la temperatura superficial resulta de 19°C y por lo tanto el diferencial con el ambiente es de 1°C, lo que produce una situación de confort excelente y la inexistencia de condensación. El gráfico muestra la contribución de cada capa a la resistencia térmica total. Se observa cómo aumenta la influencia del aislamiento térmico en la temperatura superficial cuando existe un aislante que se opone a las pérdidas de calor.
-Pérdidas de calor a través de un cerramiento. La transmitancia térmica de un cerramiento, inversa de su resistencia térmica, representa el flujo de calor que pasa a través de un m2 del cerramiento para una diferencia de temperatura de 1°C entre los ambientes que separa el mismo. La transmitancia térmica se representa con la letra K, cuanto mayor es su valor, mayores son las pérdidas de calor.
Suponiendo un muro de hormigón de 100 m2, sin aislación, y una diferencia de temperatura de 15°C (20°C interior y 5°C exterior) las pérdidas de calor para un muro de 14 cm de espesor resultan de 6.000 W, equivalentes a 100 lámparas eléctricas de 60 W encendidas permanentemente. En cambio, un muro de hormigón aislado con lana de vidrio de las mismas características resultan de 463 W, es decir, 14 veces menos que las correspondientes al muro sin aislar. O lo mismo, un 92 % menos.
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