Revista publicada por la Asociación Mexicana de Ventanas y Cerramientos, A.C.
[  Sustentabilidad ]
 
Las ventanas: un elemento clave en las viviendas eficientes

Propiedades de los acristalamientos

Dr. Rafael Royo Pastor
Profesor Titular Universidad
Master en Termografía Infrarroja Aplicada Universidad Politécnica de Valencia, España
rroyo@ter.upv.es

No parece necesario subrayar la importancia de este elemento, evidente en primer lugar para la iluminación natural de la vivienda. En este artículo el objetivo es hablar de la contribución de las ventanas a la eficiencia energética de los edificios, al confort y al ahorro de energía de climatización. La ventana nos facilita el acceso directo al calor del sol. Su buena utilización en invierno, acompañada de un adecuado aislamiento térmico, podría permitirnos prescindir prácticamente de cualquier instalación de calefacción adicional, de lo cual hablaremos posteriormente.

Pero el diseño ha de ser cuidadoso, puesto que es necesario evitar el sobrecalentamiento en verano, lo que nos llevaría en su caso a la necesidad de utilización de sistemas de refrigeración caros, ruidosos y que utilizan la fuente de energía más cara y de mayor calidad: la electricidad.

Es muy fácil calentar la casa con sol, ¿verdad? Sólo hay que dejar que sus rayos entren a través de la ventana:

Las propiedades naturales del vidrio permiten que toda la radiación solar de longitud de onda “corta”, es decir por debajo de 4 micras lo atraviesen directamente. Pero el vidrio bloquea toda la radiación de mayor longitud de onda, por encima de ese valor límite se comporta como un material opaco. A este sencillo fenómeno le llamamos hoy en día “efecto invernadero”, palabras que nos recuerdan al famoso calentamiento global del planeta por el cual andamos y con razón muy preocupados, y cuya causa es un comportamiento similar de ciertos gases emitidos en los procesos de combustión como el dióxido de carbono. El nombre del fenómeno se basa precisamente en eso, en el comportamiento que observamos en los invernaderos, producido precisamente por sus generosos acristalamientos. Y este precisamente es el efecto que debemos aprovechar en invierno para calentar nuestras viviendas.

Como todos sabemos un exceso de acristalamiento va asociado además a pérdidas de calor cuando hace frío, por conducción directa de calor a través del espesor del cristal. El vidrio sencillo presenta una elevada conductividad térmica, que provoca que las ventanas supongan el puente térmico fundamental en las fachadas de cualquier vivienda.

Sin embargo, este es uno de los puentes térmicos más sencillos de solucionar, mediante la utilización de los elementos adecuados, fundamentalmente dos: acristalamientos de varias láminas y vidrios bajo emisivos.

El incremento del número de láminas de vidrio trata de aprovechar el efecto aislante que presentan los gases en reposo. Un gas que no se mueva constituye uno de los mejores aislantes térmicos que existe, y presenta conductividades térmicas inferiores en general a 0,04 W/m K. El problema es que los gases por su naturaleza fluida no paran de moverse, y más cuando se calientan o se enfrían, según el modo de transmisión de calor que se denomina convección natural. Para evitar la transmisión de calor por convección natural debemos asegurar que el gas no se mueva. Para ello en nuestros acristalamientos el gas se encierra en espacios verticales de poco espesor, contra más pequeño mejor, porque de esta forma la propia viscosidad del gas y el rozamiento con las superficies de las láminas de cristal evita al máximo ese movimiento. Así rechazamos la creencia popular de que a mayor espacio entre las láminas de cristal más efecto aislante: eso es falso, porque si existe mucho espacio el aire se puede mover y volvemos a provocar el fenómeno indeseado de convección natural. La utilización de grandes espaciadores es beneficioso para el aislamiento acústico, pero incluso negativo para el aislamiento térmico.

Espesor (mm) Resistencia térmica (m² K W-1)
5 0,106
10 0,141
20 0,156
25 0,161
30 0,166
40 0,174
50 0,178

Tabla 1: La tabla muestra la resistencia térmica equivalente de un hueco de aire en función de su espesor. Fuente: WUFI® Programa para calcular la transmisión de calor y de humedad en elementos de edificación.

Gráfica 1: Resistencia térmica en función del espesor. Fuente: WUFI® Programa para calcular la transmisión de calor y de humedad en elementos de edificación.

Como muestra la tabla y gráfica adjuntas, respecto a aislamiento térmico es favorable la utilización de espesores hasta de unos 10 mm, por encima el comportamiento de la resistencia térmica deja de ser lineal, lo que muestra el predominio del efecto de la convección asociada al movimiento del fluido.

Así para incrementar el efecto aislante de los acristalamientos es mucho más conveniente la utilización de varias láminas, cristal doble, triple o incluso cuádruple con espesor mínimo de gas entre los vidrios. Aunque tampoco hay que pasarse si no es necesario: va a existir un óptimo que dependerá fundamentalmente de las condiciones climáticas características del emplazamiento de la vivienda.

Otra posibilidad adicional sería rellenar el espacio entre las láminas de cristal de un gas de menor conductividad térmica que el aire. Existen así ventanas rellenas de argón, un gas de elevado peso molecular. También dicho espacio se puede ocupar con aerogel, un material en su mayor parte compuesto de aire que todavía reduce más la conductividad térmica, al atraparlo en células muy pequeñas.

Y la última solución, que se le puede haber ocurrido ya a alguien, sería eliminar totalmente la posibilidad de transmisión de calor por conducción o convección haciendo vacío en el interior del hueco entre los dos cristales. El problema que esto presenta es que el vacío ni es perfecto ni se mantiene a lo largo del tiempo: la presencia mínima de cualquier defecto en el sellado del cristal provocará la entrada de aire externo, que nos devolverá a la situación convencional que acabamos de comentar. Respecto a los vidrios bajo emisivos, que comienzan a ser muy populares en Europa, son también muy convenientes y recomendables. Vamos seguidamente a intentar explicar la justificación física de su efecto. En general las pérdidas de calor por radiación se pueden simplificar a la siguiente expresión:

Qradiación = ε x A x σ x (T4-Trefl4)

Donde:

  • ε: emisividad de la superficie exterior de la lámina de la ventana
  • A: área de intercambio (m2)
  • σ: constante de Stephan-Boltzmann, de valor 5,67 E-8 W/m2 K4
  • T: temperatura superficial de la ventana (K)
  • Trefl: temperatura aparente reflejada (K)

Primero definiremos el concepto de emisividad, de forma sencilla, como la capacidad de una superficie de emitir radiación. Es un parámetro entre 0 y 1, y depende fundamentalmente del material y del acabado superficial.

La emisividad del vidrio convencional es ciertamente elevada, del orden de 0,85. Cualquier posible reducción de este valor presenta un efecto directo lineal sobre las pérdidas de calor por radiación. En la actualidad los fabricantes de cristales han desarrollado capas metálicas de espesores muy reducidos, del orden de micras, que presentan emisividades inferiores a 0,15. ¿Qué significa esto? Con estos cristales bajo emisivos podemos reducir las pérdidas de calor por radiación hasta más de cinco veces. Así se demuestra claramente que la utilización de este tipo de cristales bajo emisivos es muy efectiva en la reducción de las pérdidas de calor, y por tanto lleva a una menor demanda energética tanto de calefacción en invierno, como de refrigeración en verano.

La superficie donde se coloca el recubrimiento bajo emisivo debe estar correctamente orientada, en el sentido hacia donde queremos reducir las pérdidas o las ganancias de calor, y según cuál sea el efecto térmico que tratamos de reducir. Así para clarificar la cuestión, para reducir las pérdidas de calor en invierno la lámina de bajo emisividad debe estar orientada hacia afuera, es decir hacia donde se pierde el calor.

Descripción Resistencia térmica (m2 K/W)
Panel simple 0.175
Panel doble 0.36
Panel triple 0.53
Panel triple sellado con revestimiento de baja emisividad 0.71
Además relleno de argón 1,20
Además con dos revestimientos de baja emisividad 1,25
Ventana de vacío (alto vacío) 2
20 mm de Aerogel (vacío reducido) 3.33

Tabla 2: Ejemplos de valores de Resistencia térmica para ventanas de diferentes características. Fuente: “Passive-On Project”

A modo de resumen la tabla 2 adjunta muestra valores típicos de resistencia térmica de diferentes soluciones de ventanas.

En todo lo que se adjunta nos hemos referido exclusivamente a la superficie acristalada que constituye la ventana y que supone la parte fundamental. Aunque su efecto sea inferior, también hay que tener en cuenta el efecto del marco o soporte de unión con el cerramiento opaco. En este sentido siempre serán preferibles los marcos elaborados en madera o materiales plásticos, que presentan una transmisión de calor claramente inferior. El problema de la madera es siempre su necesidad de mantenimiento periódico, sobre todo en aquellas situaciones con sobrecalentamiento solar o con grandes diferencias de temperatura entre el día y la noche.

Sobrecalentamiento y protecciones mediante sombreamiento

¿Cómo evitar el sobrecalentamiento en verano debido a la radiación solar excesiva que entra por las ventanas, y que tan bien nos viene en invierno? La primera cuestión es que las protecciones solares deben estar fuera de la vivienda. La cortina o persiana interior se calienta y necesariamente irradia parte de ese calor al ambiente interior, por tanto es muchísimo menos efectiva.

La mejor protección es pues exterior. Las protecciones fijas como aleros o cubiertas tienen el inconveniente de que según la estación y la hora del día pueden sombrear o no, y además presentar efecto negativo en invierno de pérdida de una radiación solar muy conveniente.

Son por tanto preferibles las protecciones móviles como los toldos. Hoy en día existe tecnología suficiente para que el control sea automático, pero manualmente tampoco hay mucho problema y la solución va a ser mucho más económica. Los materiales del toldo deberían ser reflectivos: tanto a la radiación solar visible como a la infrarroja. Para lo primero basta con que sean blancos. Para lo segundo convendrían recubrimientos de tipo metálico, que también reflejarían la parte de radiación visible.

En el hemisferio norte, la mejor orientación para las ventanas será al sur. Un ángulo suficientemente próximo, de hasta unos 30 grados sureste o suroeste tampoco es problemático.

En la orientación sur es donde más horas de sol tenemos, y donde el control solar es más sencillo mediante elementos horizontales. El sol proveniente de este y de oeste es más difícil de controlar, y sobre todo este último suele provocar sobrecalentamiento en verano.

Por último hay una cuestión fundamental: ¿cuál es la superficie óptima de ventanas que debo de utilizar en una vivienda específica? Es un problema porque no hay recetas generales. El valor óptimo es siempre un compromiso entre el efecto positivo de la radiación solar durante el día en invierno, y el perjuicio asociado a las pérdidas de calor durante la noche, o al sobrecalentamiento durante la estación estival.

La única forma que existe, aunque pueda parecer compleja, es mediante la utilización de programas de simulación térmica del edificio. Existe software gratuito como Energy Plus que permite simular el comportamiento térmico del edificio durante todo el año.

El procedimiento sería pues calcular la demanda energética del edificio durante el año, variando la superficie acristalada y sus características. El óptimo sería aquel en que la demanda energética de climatización global, es decir la suma de la demanda para todo el año sea la mínima.

Y tiene que hacerse en cada caso: en cuanto cambian las condiciones climáticas, la orientación del edificio o su forma la superficie óptima de acristalamiento será diferente.

Fugas de aire: infiltraciones y exfiltraciones

En muchas ocasiones, las ventanas son también la causa principal de un fenómeno perjudicial en los cerramientos que merece comentar: el flujo incontrolado de aire.

Hay una idea que es preciso refutar porque está muy extendida: hay mucha gente que piensa que es importante que los edificios sean capaces de renovar el aire por sí mismos, sin ningún tipo de control.

Trataremos de demostrar que esto es una idea equivocada. En un espacio climatizado, la entrada incontrolada de aire supone un consumo de energía adicional, porque ese aire que entra sin control hay que llevarlo a las condiciones de confort. Además es fácil entender que la salida de aire de ese espacio supone la pérdida de un aire que se ha climatizado, y cuyo tratamiento ha supuesto un consumo energético. A esto se une el hecho de que la entrada de aire sin control supone causa de falta de confort sobre aquellos usuarios que directamente lo reciben.

El edificio debe renovar el aire, en la cantidad que sea necesario y que asegure el suministro de oxígeno y la eliminación del dióxido de carbono y el resto de gases asociados a la respiración o generados por la actividad humana en el interior de los locales. Hablamos de salud y salubridad. Eso está claro. Pero dicha renovación se debe realizar de forma controlada, por donde establezcamos, y en aquellos momentos óptimos.

En muchas ocasiones no es necesaria una renovación continua, muy elevada y a priori debería basarse fundamentalmente en la utilización de medidores de dióxido de carbono, asegurando que no se alcancen de ningún modo los niveles mínimos que puedan suponer la presencia de cualquier molestia por muy pequeña que sea.

En invierno la renovación de aire deberá efectuarse fundamentalmente cuando el aire exterior alcance la máxima temperatura, en las horas centrales del día. Mientras que en verano buscaremos justamente lo opuesto, aquellas horas nocturnas, de madrugada o al amanecer, cuando la temperatura exterior sea lo más baja posible.

Asimismo si las condiciones ambientales externas son favorables y en verano se cuenta con la presencia de brisas como las que se producen típicamente en la costa, la apertura de la vivienda a dicho aire fresco será muy favorable y tenderá a la reducción de la demanda energética de refrigeración.

La renovación controlada, a través de sistemas de doble tubo es crítica en aquellos edificios en los que se cuente con sistemas eficientes de recuperador de calor. Este básicamente consiste en un intercambiador de calor entre el aire entrante de renovación y el viciado que se tira al exterior pero que se encuentra climatizado.

La importancia energética de estos sistemas de recuperación se justifica mediante el siguiente cálculo sencillo: si tenemos un edificio climatizado con una temperatura interior de 20 C, mientras que el aire exterior se encuentra a 0 C, la utilización de un recuperador de calor con un rendimiento del 90% permitiría que el aire exterior alcance una temperatura de 18 C sin consumo energético significativo, suponiendo solo la potencia de los necesarios ventiladores que es mínima.

Para que este elemento funcione correctamente, el aire de renovación debe entrar por donde establezcamos, y no por cualquier otro sitio. Asimismo, para aprovechar su energía térmica, el aire viciado debe salir por donde nos interese para que pase adecuadamente a través del recuperador.

La conclusión ante todo esto es que el edificio ha de ser estanco o prácticamente hermético.

La contribución de las ventanas a las infiltraciones y exfiltraciones de aire puede ser muy grande, en dos aspectos fundamentales:

La ventana debe cerrar bien. En este sentido presentan grandes ventajas las de tipo batiente frente a las deslizantes o correderas, en las que es mucho más costoso y complejo asegurar el correcto sellado.

El montaje de la ventana sobre el hueco del cerramiento ha de realizarse de forma correcta. Es muy común encontrar fugas de aire en el contacto entre el marco y la pared, de ventanas de altas prestaciones cuyo mecanismo de apertura y cierre es casi perfecto.

Imagen 1: Infiltraciones de aire exterior a través del encuentro entre el marco de la ventana y el cerramiento opaco

En los países del norte y centro de Europa desde hace ya algunas décadas es habitual para medir las infiltraciones de una vivienda la utilización de un test de estanqueidad, también denominado de Blower Door (ISO 9972:1996).

Su aplicación consiste de forma básica en el montaje de un ventilador en una puerta panel, que provoca una diferencia de presión estacionaria entre el interior y el exterior de la vivienda. Si el ventilador es capaz de mantener esa diferencia de presiones, todo el caudal que extrae de la vivienda, debe entrar a través de las fisuras o huecos incontrolados de los cerramientos, con lo que el método permite de forma sencilla la determinación del caudal de infiltraciones para una cierta diferencia de presión.

Imagen 2: Esquema básico de funcionamiento e instalación de Blower Door

El método está estandarizado mediante la utilización de un cierto parámetro que depende del país, según se muestra en la tabla adjunta, normalmente para una diferencia de presión de 50 Pascales. Como muestran las imágenes adjuntas, la utilización simultánea del ensayo de Blower Door y la termografía infrarroja permiten determinar fácilmente la localización del origen de las infiltraciones, que en muchos casos, como se puede observar, puede ser realmente sorprendente.

Imágenes 3 y 4: Ejemplos de localización de infiltraciones en una vivienda de lujo en Barcelona, España mediante la utilización de termografía infrarroja y ensayo de Blower Door.

Fecha de publicación: 10/10/2016

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