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

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

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

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

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

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

Efecto de los bordes

Si bien en el cálculo del factor U se asume que los flujos de calor son perpendiculares al plano de la unidad de acristalamiento, ésta en realidad suele ser un dispositivo complejo en el que la dirección de los flujos de calor dependen de la configuración tridimensional de sus componentes. Por ejemplo, los espaciadores metálicos en los bordes de una unidad de doble vidrio hermético presentan flujos de calor bastante más elevados que el centro del vidrio. Asimismo, el impacto del efecto de los bordes aumenta conforme se incrementa la capacidad de aislamiento de la porción correspondiente al vidrio.

Marcos y divisores

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

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

Ganancias de calor solar

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

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

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

Hay dos conceptos básicos que se emplean para indicar la medida en que los sistemas de acristalamiento admiten las ganancias solares: el coeficiente de sombra (Shading Coefficient, SC) y el coeficiente de ganancia de calor solar (Solar Heating Gain Coefficient, SHGC). Aunque se refieren al mismo fenómeno, implican diferentes métodos de cálculo y de referencia.

Coeficiente de sombra (SC)

El coeficiente de sombra representa las ganancias solares a través de una ventana o unidad de acristalamiento, respecto a las ganancias solares que tendría un vidrio claro de 3 mm (ganancias solares a través del acristalamiento / ganancias solares a través de un vidrio claro de 3 mm). El cálculo se efectúa considerando el mismo índice de radiación y una incidencia normal, es decir perpendicular al vidrio.

Coeficiente de ganancia solar (SHGC) – Valor G

El coeficiente de ganancia de calor solar expresa las ganancias solares a través de una ventana o unidad de acristalamiento, respecto a la radiación solar incidente (ganancia solar / radiación incidente). Se trata de un valor no dimensional casi siempre expresado de manera fraccional (0.0 a 1.0). Por ejemplo un SHGC de 0.40 indica que la unidad de acristalamiento permite el paso del 40% del calor solar que recibe.

Generalmente el SHGC se refiere al desempeño del sistema de acristalamiento en su conjunto (aunque se emplea también para caracterizar hojas de vidrio individuales), indicando de manera precisa las ganancias solares en un amplio rango de situaciones.

El SHGC se emplea en el sistema de clasificación y certificación del National Fenestration Rating Council (NFRC, Estados Unidos), remplazando al SC, debido a que considera de manera más precisa el efecto de diferentes ángulos de incidencia solar. Aunque el valor se puede calcular para cualquier ángulo de incidencia de la radiación solar, el NFRC ha establecido como referencia estándar una incidencia normal (perpendicular a la superficie del acristalamiento).

Para reducir el SHGC, los productores de unidades de acristalamiento suelen emplear vidrios tintados absorbentes, o bien vidrios con recubrimiento reflectante. Sin embargo los más eficientes suelen ser los vidrios espectralmente selectivos, que pueden reducir las pérdidas de calor en invierno y las ganancias en verano, a la vez que permiten un óptimo aprovechamiento de la luz natural.

Transmitancia visible global

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

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

En ocasiones los criterios de selección del valor de transmitancia visible de un determinado acristalamiento son contradictorios. Por ejemplo puede ser deseable un valor elevado para aprovechar al máximo la luz natural y mejorar la visibilidad hacia el exterior, pero eso puede provocar deslumbramiento y ganancias excesivas de calor solar durante ciertos periodos. Los vidrios desarrollados con tecnologías avanzadas pueden ayudar a resolver algunos de estos problemas. Es el caso de los vidrios espectralmente selectivos, que incentivan el aprovechamiento de la luz natural y reducen al mismo tiempo las ganancias de calor solar. Otros dispositivos accesorios, como las persianas y cortinas, pueden ayudar a controlar el deslumbramiento e incrementar la privacidad cuando esta es deseable.

El National Fenestration Rating Council de los Estados Unidos (NFRC) maneja valores de transmitancia visible para los productos de acristalamiento en su conjunto, es decir, incluyendo el efecto de los marcos y divisores. Es importante tomar en cuenta ese criterio cuando se desea comparar el desempeño de diferentes unidades de acristalamiento.

Infiltración

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

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

Aunque por lo general el impacto del factor U y el SHCG supera con creces al de la infiltración, ésta también puede representar importantes pérdidas y ganancias de calor. Su efecto más notorio es durante el invierno, ya que implica un aumento significativo de las cargas de calefacción al permitir el ingreso de aire frío y la salida de aire cálido. Durante el verano el efecto suele ser menor, a menos que el edificio se encuentre en un clima con temperaturas exteriores muy elevadas. En climas muy húmedos la infiltración también puede aumentar las cargas de refrigeración al elevar el nivel de humedad dentro de los edificios, lo cual suele representar cargas latentes que los sistemas deben combatir.

El control de la infiltración se basa en el nivel de hermeticidad y en el uso de tiras sellantes entre los componentes móviles del acristalamiento. Los acristalamientos fijos de alta calidad ayudan a reducir la infiltración ya que son más fáciles de sellar y mantener ajustados. Sin embargo muchos edificios requieren acristalamientos operables para permitir la ventilación natural. La resistencia de estos sistemas de acristalamiento a la infiltración depende de un buen diseño, de una manufactura de elevada calidad y del uso de tiras sellantes. Al respecto cabe mencionar que los productos abatibles suelen ser más eficientes que los deslizantes, ya que cuentan con mecanismos de cierre que mantienen una adecuada presión contra el viento.

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