Lunes, 27 Octubre 2014 00:00

Impacto de las ventanas en la eficiencia energética de viviendas

(*) Síntesis del estudio preparado para Indalum S.A por el Dr. Adelqui Fissore Sch. de la Universidad de Concepción. Publicado en revista VANO Arq n° 15, año 2006.

La eficiencia energética (E.E.) busca optimizar el consumo de energía en la edificación, disminuyendo los costos asociados, pero sin reducir el confort habitacional para los usuarios.

La condición térmica de una vivienda se evalúa por la temperatura, la humedad relativa interior y el riesgo de condensación, características que a su vez están determinadas por:

  • Condiciones climáticas exteriores: temperatura, humedad, viento.
  • Diseño y forma de la vivienda, caracteristicas térmicas de la envolvente.
  • Renovación y velocidad del aire.
  • Tamaño, orientación y ubicación de muros y ventanas.

Las ventanas son claves en la habitabilidad, ya que condicionan el diseño térmico y controlan los diseños de iluminación natural, de acústica y, a veces, de infiltración de agua.

También hay que tener presente que las condiciones climáticas en Chile son diferentes a Europa y USA, lo cual no permite usar las mismas soluciones y productos desarrollados en dichos países.

PRINCIPALES FACTORES DE PERFORMANCE ENERGÉTICA:

Foto 1La selección de la ventana más adecuada para una vivienda requiere un balance entre diferentes factores de performance energética y otros parámetros no-energéticos. Desde el punto de vista energético, los principales factores son:

  • Aislación térmica: ganancias y pérdidas por diferencia de temperatura aire-aire entre el interior y el exterior. Este factor se mide fundamentalmente por la transmitancia térmica de los vidrios empleados (U, expresado en W/m2°C)
  • Control solar: se refiere a la ganancia de calor por radiación solar, y está medido por el factor de sombra de los cristales empleados (FS, expresado en %: valor entregado por el fabricante del cristal)
  • Transmisión de luz: porcentaje de luz que ingresa respecto de la luz incidente, y se míde por el factor TL. Transmisión de luz (expresada en %: valor entregado por el fabricante del cristal)
  • Fugas térmicas: debido a la ventilación (controlada) y a la infiltración (incontrolada) de las ventanas, puertas y celosías. Este factor queda determinado por el grado de hermeticidad de las hojas respecto del marco, y por el buen uso de elementos de sello: felpas, burletes y silicona.

 

Aislamiento térmico de la envolvente:

A partir del 2006 entró en vigencia la 2° etapa de la reglamentación térmica, que tiene por objeto incorporar exigencias de acondicionamiento térmico en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones, para las soluciones constructivas de muros, ventanas y pisos de las viviendas, de manera de complementar lo señalado actualmente en la OGUC, articulo 4.1.10, cubriendo así toda la envolvente de la vivienda.

Es así como esta 2° etapa de reglamentación introducirá valores mínimos diferenciados de transmitancia térmica para las ventanas (U, expresado en W/m2 °C) en cada una de las 7 zonas térmicas en que se divide Chile.

En el caso de las ventanas hay 2 métodos que permiten cumplir con la reglamentación:

1) El % máximo de ventanas respecto de la envolvente vertical no debe superar los valores indicados en la tabla, según se esté usando vidrio monolítico, doble vidriado con cristal incoloro, o doble vidriado con cristal de baja emisividad.

2) También se puede calcular el valor de U ponderado considerando los muros y las ventanas, luego el valor ponderado resultante deberá ser inferior al indicado en la columna respectiva de la tabla, para cada zona térmica.

tabla tec

*Cabe señalar, que los valores de ventanas, tanto de % máximo de superficie, como de U ponderado, sufrirán modificaciones, puesto que deben ser calculados según los nuevos valores de transmitancia térmica establecidos para muros.

Control Solar en Verano:

Para asegurar el confort térmico en verano, el diseño y ubicación de la vivienda deberá evitar el sobrecalentamiento excesivo debido a la radiación solar que impacta en la envolvente.

Desde este punto de vista resulta crítica la solución que el arquitecto determine para cada fachada y orientación de la vivienda.

Para un buen control solar durante el verano, las principales recomendaciones para las ventanas son las siguientes:

  • Antes que todo se deberá aprovechar la mejor orientación de acuerdo al terreno.
  • En las ventanas orientadas al Norte se deberá disponer de aleros diseñados para aprovechar al máximo el sol de invierno y proteger en el verano.
  • En las ventanas orientadas al Poniente, y para evitar el sobrecalentamiento por ganancia solar, se sugiere:

    -Plantar un árbol, o colocar vegetación caduca
    -Colocar quiebrasoles exteriores (son más eficientes)
    -Colocar persianas interiores (de colores claros)

  • Las ventanas de orientación Oriente no pueden acumular energía para un período nocturno y no contribuirán al sobrecalentamiento de la vivienda. Lo mismo ocurre con las ventanas de orientación Sur, las cuales captarán radiación difusa solamente.
  • En el caso de edificios comerciales, se debería optar por vidrios reflectivos, o selectivos en la captación de energía solar.
  • Las lucarnas requieren una solución especial.
  • La solución de "doble piel" con cámara vertical ventilada es hoy en día la más eficiente para el ahorro energético de fachadas de edificios.

1. Cálculo de U promedio de la ventana según la norma ISO 10077-1

El cálculo del U promedio de la ventana se hace en base a la norma ISO 10077-1, que divide la ventana en 3 componentes: la parte central del vidrio, la periferia del vidrio y el marco. El aporte de cada uno de estos elementos a la pérdida total de la ventana esta dado por la siguiente ecuación:

ecu

Donde:
A: Superficie [m2]: corresponde a la superficie proyectada en el plano del vidrio
U: Coeficiente global de transferencia de calor [W/m2 K]
L: Perímetro [m]
Y: Coeficiente lineal de transferencia de calor que considera el efecto combinado de los vidrios, el espacio de aire y el marco.

Y los subíndices representan:

9: Vidrio (corresponde a la parte central del vidrio sin incluir los efectos de los bordes)
f: Marco
w: Ventana como un conjunto.

1.1. Cálculo de los valores de U y

1.1.1.Coeficiente de transferencia de calor del
vidrio

Para vidrio simple monolítico se tiene:

ecu2

Donde

RSe: Resistencia térmica superficial en la parte exterior del vidrio. Se recomienda un valor estándar de
Rs¡: Resistencia térmica superficial en la parte interior del vidrio. Se recomienda un valor estándar de
d: Espesor del vidrio
l: Conductividad térmica del vidrio.

La conductividad térmica del vidrio no influye mucho dado los espesores usuales y los valores normales de la conductividad. Para este caso, se utilizará una conductividad de l= 1

Con esto, el U del vidrio para un vidrio de 4
mm queda:

ecu3

 Doble vidriado hermético (DVH)

ecu4

La diferencia con el anterior es que se agrega la resistencia a la conducción del segundo vidrio y la resistencia del espacio de aire entre los vidrios. Normalmente, el valor de la resistencia del espacio entre los vidrios se obtiene mediante un ensayo experimental normalizado.

La resistencia del espacio de aire depende entre otras cosas del espesor, del gas con que se rellena el espacio y de la existencia de algún tipo de tratamiento superficial en alguno de los vidrios.

Para un espacio lleno con aire y sin tratamientos superficiales de los vidrios, la relación entre el U y el espesor del separador queda representado en la siguiente tabla:

tabla tec2

Como se observa, el U disminuye a medida que aumenta el espesor del separador. Para valores superiores a 15 mm, la variación de U es muy pequeña; incluso, se produce un aumento del U para valores muy altos del espesor del separador. Para este caso, se usará un espesor del separador de 9.5 mm, lo que interpolando en los valores de la tabla se obtiene un valor de U de:

Ug = 2.98

1.1.2. Coeficiente lineal de transferencia de calor de la periferia del vidrio

El valor del U del marco se considera como si el vidrio no existiera. Luego, el valor de Yg tiene en cuenta el efecto entre el vidrio y el marco. La norma ISO 10077-2 entrega una metodología de cálculo numérico para este coeficiente.

La norma ISO 10077-1 entrega algunos valores de este coeficiente para el caso de espaciadores metálicos. Los valores propuestos son:

tablatec3

En el presente trabajo se utilizaran los valores citados en la tabla anterior.

Para vidrio simple monolítico se utilizará un valor de Yg = 0 para todos los marcos ya que no se dispone de información mas precisa.

1.1.3 Coeficiente de transferencia de calor del marco de la ventana.

La determinación del coeficiente de transferencia de calor en el marco de una ventana es muy complejo. La norma ISO10077-1 acepta 2 formas para determinar este coeficiente.

1. Mediante un ensayo experimental
2. Mediante una metodología de cálculo especificada en la norma 10077-2.

Existen una serie de programas computacionales que basan sus cálculos en esta norma. Para el presente trabajo nos basaremos en los cálculos efectuados por la empresa Technoform utilizando el programa Bisco de la empresa Physibel. Se calculó el coefiente para las ventanas SUPERBA y SUPERBA RPT de Indalum. Los resultados fueron los siguientes:

tablatec4

Para los marcos de plástico se tomará una recomendación que aparece en la norma ISO10077-1 para marcos de Poliuretano con alma de metal. El valor propuesto y que se utilizará es de

tablatec5

Para los marcos de madera se considerará este mismo valor, ya que según esta misma norma, efectivamente el U de los marcos de madera esta dentro de este rango (dependiendo del espesor).

Estudio térmico de ventanas

Indalum encargó a la Universidad de Concepción la realización de un estudio llamado: "Evaluación de la incidencia de los perfiles de la ventana en la pérdida de calor de una vivienda", con el objeto de determinar los factores más críticos en las pérdidas de calor de una ventana y por esta vía hacer los cambios en el desarrollo de nuevos productos.

El estudio consideró las siguientes variables de análisis:

• 2 viviendas típicas en Chile, una de 32 m2 y otra de 142 m2 de superficie, con las soluciones constructivas de muros y techumbres más frecuentes.
• Las ubicaciones consideradas son: Santiago, Concepción y Puerto Montt.
• Las orientaciones utilizadas son: Norte, Este, Sur y Oeste.
• Se supuso una superticie de ventanas igual al máximo admisible de vidrio simple por ciudad: Santiago: 25%, Concepción: 21% y Puerto Montt: 14%.
• Las soluciones de cristales consideradas: cristal simple y doble vidriado hermético
• Las infiltraciones de aire usadas son: 15 (m3/m2 h) para las ventanas "reforzadas" y 30 (m3/m2 h) para las ventanas "sin refuerzos".

A continuación se presentan los principales resultados:

Tipos y tamaños de las ventanas a considerar en el estudio:

Se considerarán diferentes tipos de ventanas según se detalla a continuación:

tablatec7

Valores promedios de transmitancia térmica: La siguiente tabla muestra los valores de U promedio para 4 tipos de ventanas consideradas en el estudio:

tablatec8

Las variables indicadas en la tabla son las siguientes:

Atot: área total del vano incluido marco y vidrio
A vidrio: área de la porción del vidrio. Área traslucida de la ventana
% Marco: porcentaje de la superficie del marco con respecto a la superficie total de la ventana
Uw,1v: U promedio de la ventana como conjunto para el caso de 1 vidrio simple monolítico
Uw,2v: U promedio de la ventana como conjunto para el caso de doble vidriado hermético.

Resultados del análisis térmico:

Ubicación de la vivienda y tipo de cristal: Se analizó la incremencia energética de la ubicación de la vivienda, para lo cual se considera 3 ciudades. Se aislaron diferenciadamente los muros y techumbres según lo requerido por la reglamentación térmica para cada ciudad.

Esquema

Orientación de la vivienda:

Se analizó la orientación de la vivienda, para lo cual se consideran los 4 puntos cardinales para una vivienda ubicada en Santiago, aislada según lo requerido por la Reglamentación Térmica.

Tipo de ventana: de Aluminio con vidrio simple

tablatec10

Hermeticidad de la ventana:

Se analizó la incidencia energética de la hermeticidad de la ventana, para lo cual se consideran 2 niveles de infiltración de aire, uno de 15 (m3/m2 h) y uno de 30 (m3/m2 h). Se aislaron los muros y techumbres según requerido por la Reglamentación Térmica.

tablatec11

Una ventana de alta hermeticidad no depende del material del marco, es decir, aluminio o PVC, sino de: las inercias de los perfiles, la calidad de las felpas, de los burletes, de los sellos y de la instalación.

En particular la ventana con marco de PVC, debe llevar necesariamente refuerzos metálicos para que tenga una buena prestación y hermeticidad.

 

Iluminación Natural:

Debido a la mayor capacidad estructural del aluminio respecto del PVC, las ventanas de aluminio ocupan una superficie inferior del vano y por ello permiten una mayor captación de luz natural, con los consiguientes beneficios de confort habitacional y menor consumo energético.

Esquema 2

 

CONCLUSIONES

Considerando la nueva reglamentación térmica (2° etapa) se puede concluir que en las condiciones reales de temperatura y radiación en Chile, y considerando las tipologías constructivas más tipicas, las prioridades de inversión en mejoramiento energético son las siguientes:

  • Aprovechar al máximo posible la orientación, ubicación y dimensiones de las ventanas;
  • Usar ventanas que tengan un buen nível de hermeticidad, para reducir las pérdidas energéticas por infiltraciones de aire;
  • Incorporar termopaneles en las ventanas para mejorar la transmitancia térmica y reducir las pérdidas de calor en invierno;
  • La incidencia del material del que está compuesto el marco de la ventana es menor en comparación a las otras variables que definen la prestación térmica de una ventana;
  • Uso de sistemas de recolección de las aguas de condensación, para evitar que se mojen los muros.

 

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