El vidrio aislante ( IG ) consta de dos o más paneles de vidrio separados por un espacio para reducir la transferencia de calor a través de una parte de la envolvente del edificio . Una ventana con vidrio aislante se conoce comúnmente como doble acristalamiento o ventana de doble acristalamiento , triple acristalamiento o ventana de triple acristalamiento, o cuádruple acristalamiento o ventana de cuádruple acristalamiento, dependiendo de cuántos paneles de vidrio se utilicen en su construcción.
Las unidades de vidrio aislante (IGU) normalmente se fabrican con vidrio en espesores de 3 a 10 mm (1/8" a 3/8"). En aplicaciones especiales se utiliza vidrio más grueso. También se puede utilizar vidrio laminado o templado como parte de la construcción. La mayoría de las unidades se fabrican con el mismo espesor de vidrio en ambos paneles, pero aplicaciones especiales como atenuación acústica o seguridad pueden requerir la incorporación de diferentes espesores de vidrio en una unidad.
El espacio entre los paneles proporciona la mayor parte del efecto de aislamiento y puede llenarse con aire, pero a menudo se utiliza argón porque proporciona un mejor aislamiento o, a veces, se emplean diferentes gases o incluso vacío [1] .
La instalación de un segundo panel de vidrio para mejorar el aislamiento comenzó en Escocia, Alemania y Suiza en la década de 1870. [2]
El vidrio aislante es una evolución de tecnologías más antiguas conocidas como ventanas de guillotina y contraventanas . Las ventanas tradicionales de guillotina utilizaban un solo panel de vidrio para separar los espacios interiores y exteriores.
Las contraventanas y mosquiteros tradicionales requieren relativamente mucho tiempo y mano de obra, lo que requiere retirar y almacenar las contraventanas en la primavera y reinstalarlas en el otoño y almacenar las mosquiteras. El peso del gran marco y el vidrio de la ventana contra tormentas hace que el reemplazo en los pisos superiores de edificios altos sea una tarea difícil que requiere subir repetidamente una escalera con cada ventana e intentar mantener la ventana en su lugar mientras se aseguran los clips de retención alrededor de los bordes. Sin embargo, las reproducciones actuales de estas contraventanas de estilo antiguo se pueden hacer con vidrio desmontable en el panel inferior que se puede reemplazar con una pantalla desmontable cuando se desee. Esto elimina la necesidad de cambiar toda la ventana contra tormentas según las estaciones.
El acristalamiento aislante (IG) forma un sándwich multicapa muy compacto de aire y vidrio, lo que elimina la necesidad de contraventanas. Las pantallas también se pueden dejar instaladas durante todo el año con acristalamiento aislante, y se pueden instalar de una manera que permita su instalación y extracción desde el interior del edificio, eliminando la necesidad de trepar por el exterior de la casa para dar servicio a las ventanas. Es posible actualizar el acristalamiento aislante en los marcos tradicionales de guillotina doble, aunque esto requeriría modificaciones significativas en el marco de madera debido al mayor espesor del conjunto IG.
Las unidades de ventana modernas con IG generalmente reemplazan por completo a las antiguas unidades de guillotina e incluyen otras mejoras, como un mejor sellado entre las ventanas superior e inferior y un equilibrio de peso accionado por resorte que elimina la necesidad de grandes pesos colgantes dentro de la pared al lado de las ventanas. permitiendo un mayor aislamiento alrededor de la ventana y reduciendo las fugas de aire. IG proporciona una sólida protección contra el sol y mantiene la casa fresca en el caluroso verano y cálida en invierno. Los mecanismos de equilibrio accionados por resorte también suelen permitir que la parte superior de las ventanas oscile hacia adentro, lo que permite la limpieza del exterior de la ventana IG desde el interior del edificio.
La unidad de acristalamiento aislante, que consta de dos paneles de vidrio unidos en una sola unidad con un sello entre los bordes de los paneles, fue patentado en los Estados Unidos por Thomas Stetson en 1865. [3] Se desarrolló hasta convertirse en un producto comercial en el década de 1930, cuando se presentaron varias patentes y Libbey-Owens-Ford Glass Company anunció un producto en 1944. [4] Su producto se vendió bajo la marca Thermopane, que había sido registrada como marca comercial en 1941. La tecnología difiere significativamente de las IGU contemporáneas. Los dos paneles de vidrio estaban soldados entre sí mediante un sello de vidrio y estaban separados por menos de 1,3 cm (0,5 pulgadas) típico de las unidades modernas. [5] La marca Thermopane ha entrado en el vocabulario de la industria del acristalamiento como marca genérica para cualquier IGU. [ cita necesaria ]
El vidrio de un solo panel es un aislante muy pobre (valor R de alrededor de 1, RSI inferior a 0,2), por lo que los paneles individuales proporcionan muy poco aislamiento. Con frecuencia se emplean revestimientos de vidrio, como revestimientos parcialmente reflectantes o coloreados para reducir la insolación y revestimientos para reflejar los infrarrojos.
El vidrio de baja emisividad (vidrio de baja emisividad) es una opción disponible comercialmente para la construcción de IGU. El vidrio Low E se fabrica aplicando un revestimiento Low E a un panel de vidrio. Generalmente se trata de revestimientos metálicos, normalmente aplicados sobre la segunda o tercera superficie de vidrio de la unidad, que tienen el efecto de reflejar la luz infrarroja y bloquear o atenuar partes de los espectros de luz ultravioleta y visible. Esto puede reducir significativamente la ganancia solar de la IGU, lo que afecta tanto el rendimiento térmico (valor R) como el coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC). Hay dos tipos de recubrimientos de baja emisividad disponibles: recubrimientos duros y recubrimientos blandos. Los recubrimientos duros se producen utilizando óxido de estaño que se aplica cuando el vidrio aún está caliente y se absorbe en el vidrio, son resistentes y generalmente más baratos. Los recubrimientos blandos se pulverizan al vacío sobre la superficie del vidrio y tienen un mayor rendimiento, pero se oxidan y dañan fácilmente y, por lo tanto, deben protegerse con un relleno de gas inerte. [6]
Los cristales están separados por un "distanciador". Un espaciador, que puede ser del tipo borde cálido , es la pieza que separa los dos paneles de vidrio en un sistema de vidrio aislante y sella el espacio de gas entre ellos. Los primeros espaciadores estaban hechos principalmente de acero y aluminio, lo que los fabricantes pensaban que proporcionaba más durabilidad, y su precio más bajo significa que siguen siendo comunes.
Sin embargo, los espaciadores metálicos conducen el calor (a menos que el metal se mejore térmicamente), lo que socava la capacidad de la unidad de vidrio aislante (IGU) para reducir el flujo de calor. También puede provocar que se forme agua o hielo en la parte inferior de la unidad sellada debido a la marcada diferencia de temperatura entre la ventana y el aire circundante. Para reducir la transferencia de calor a través del espaciador y aumentar el rendimiento térmico general, los fabricantes pueden fabricar el espaciador con un material menos conductor, como la espuma estructural. Un espaciador hecho de aluminio que también contiene una barrera térmica altamente estructural reduce la condensación en la superficie del vidrio y mejora el aislamiento, medido por el valor U general .
Una forma más antigua y establecida de mejorar el rendimiento del aislamiento es reemplazar el aire del espacio con un gas de menor conductividad térmica . La transferencia de calor por convección de gases es función de la viscosidad y el calor específico. A menudo se utilizan gases monoatómicos como el argón , el criptón y el xenón ya que (a temperaturas normales) no transportan calor en modos rotacionales , lo que resulta en una menor capacidad calorífica que los gases poliatómicos. El argón tiene una conductividad térmica del 67% de la del aire, el criptón tiene aproximadamente la mitad de la conductividad del argón. [7] El argón constituye casi el 1% de la atmósfera y se aísla a un coste moderado. El criptón y el xenón son sólo trazas de componentes de la atmósfera y son muy caros. Todos estos gases "nobles" no son tóxicos, son transparentes, inodoros, químicamente inertes y están disponibles comercialmente debido a su amplia aplicación en la industria. Algunos fabricantes también ofrecen hexafluoruro de azufre como gas aislante, especialmente para aislar el sonido. Tiene sólo 2/3 de la conductividad del argón, pero es estable, económico y denso. Sin embargo, el hexafluoruro de azufre es un gas de efecto invernadero extremadamente potente que contribuye al calentamiento global. En Europa, SF
6cae bajo la directiva F-Gas que prohíbe o controla su uso para varias aplicaciones. Desde el 1 de enero de 2006, SF
6Está prohibido como gas trazador y en todas las aplicaciones excepto en aparamentas de alto voltaje . [8]
En general, cuanto más efectivo sea un gas de relleno en su espesor óptimo, más delgado será el espesor óptimo. Por ejemplo, el espesor óptimo del criptón es menor que el del argón y menor que el del aire. [9] Sin embargo, dado que es difícil determinar si el gas en una IGU se ha mezclado con aire en el momento de la fabricación (o se mezcla con aire una vez instalada), muchos diseñadores prefieren usar espacios más gruesos de los que serían óptimos para el relleno. gas si fuera puro. El argón se utiliza habitualmente en acristalamientos aislantes porque es el más asequible. El criptón, que es considerablemente más caro, no se utiliza generalmente excepto para producir unidades de doble acristalamiento muy delgadas o unidades de triple acristalamiento de muy alto rendimiento. El xenón ha encontrado muy poca aplicación en las IGU debido a su coste. [10]
La tecnología de vacío también se utiliza en algunos productos aislantes no transparentes llamados paneles aislados al vacío .
Las IGU a menudo se fabrican bajo pedido en líneas de producción de fábrica, pero también hay unidades estándar disponibles. Las dimensiones de ancho y alto, el espesor de los paneles de vidrio y el tipo de vidrio de cada panel, así como el espesor total de la unidad, deben ser comunicados al fabricante. En la línea de montaje, los espaciadores de espesores específicos se cortan y ensamblan en las dimensiones totales de ancho y alto requeridas y se llenan con desecante. En una línea paralela, los paneles de vidrio se cortan a medida y se lavan para que queden ópticamente transparentes.
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Se aplica un sellador primario adhesivo ( poliisobutileno ) a la cara del espaciador en cada lado y los paneles se presionan contra el espaciador. Si la unidad está llena de gas, se perforan dos orificios en el espaciador de la unidad ensamblada, se conectan líneas para extraer el aire del espacio y reemplazarlo (o dejar solo el vacío) con el gas deseado. Luego se retiran las líneas y se sellan los orificios para contener el gas. La técnica más moderna consiste en utilizar un relleno de gas en línea, lo que elimina la necesidad de perforar agujeros en el espaciador. El propósito del sellador primario es evitar que se escape el gas aislante y que entre vapor de agua. Luego, las unidades se envuelven en el lado del borde utilizando un sellador de polisulfuro o silicona o un material similar como sellador secundario que restringe los movimientos del sellador primario de caucho-plástico. El desecante eliminará los rastros de humedad del espacio de aire para que no aparezca agua en las caras interiores (sin condensación) de los paneles de vidrio que miran al espacio de aire durante el clima frío. Algunos fabricantes han desarrollado procesos específicos que combinan el espaciador y el desecante en un sistema de aplicación de un solo paso.
La máxima eficiencia aislante de una IGU estándar está determinada por el espesor del espacio. Un mayor espacio aumenta el valor de aislamiento hasta cierto punto, pero eventualmente, con un espacio lo suficientemente grande, las corrientes de convección comienzan a fluir transportando calor entre los paneles dentro de la unidad. Normalmente, la mayoría de las unidades selladas alcanzan valores de aislamiento máximos utilizando un espacio de 16 a 19 mm (0,63 a 0,75 pulgadas) cuando se mide en el centro de la IGU. [11]
El espesor de la IGU es un compromiso entre maximizar el valor aislante y la capacidad del sistema de estructura utilizado para soportar la unidad. Algunos sistemas de acristalamiento residenciales y la mayoría de los comerciales pueden acomodar el espesor ideal de una unidad de doble panel. Surgen problemas con el uso de triple acristalamiento para reducir aún más la pérdida de calor en una IGU. La combinación de espesor y peso da como resultado unidades que son demasiado difíciles de manejar para la mayoría de los sistemas de acristalamiento residenciales o comerciales, particularmente si estos paneles están contenidos en marcos o hojas móviles.
Esta compensación no se aplica al vidrio aislado al vacío (VIG) o al acristalamiento evacuado, [13] ya que se elimina la pérdida de calor debido a la convección , dejando pérdidas de radiación y conducción a través del sello del borde y los pilares de soporte requeridos sobre el área de la cara. [14] [15] Estas unidades VIG eliminan la mayor parte del aire del espacio entre los paneles, dejando un vacío casi completo . Las unidades VIG que se encuentran actualmente en el mercado están selladas herméticamente en todo su perímetro con vidrio de soldadura, es decir, se calienta una frita de vidrio (vidrio en polvo) que tiene un punto de fusión reducido para unir los componentes. Esto crea un sello de vidrio que experimenta una tensión cada vez mayor a medida que aumenta el diferencial de temperatura en toda la unidad. Esta tensión puede limitar el diferencial de temperatura máximo permitido. Un fabricante recomienda 35 °C. Se requieren pilares muy espaciados para reforzar el acristalamiento y resistir la presión de la atmósfera. El espaciado y el diámetro de los pilares limitaron el aislamiento logrado por los diseños disponibles a partir de la década de 1990 a R = 4,7 h·°F·ft2/BTU (0,83 m2·K/W), no mejor que las unidades de vidrio aislante de doble acristalamiento de alta calidad. Los productos recientes afirman un rendimiento de R = 14 h·°F·ft2/BTU (2,5 m2·K/W), que supera las unidades de vidrio aislante de triple acristalamiento. [15] Los pilares internos requeridos excluyen aplicaciones donde se desea una vista sin obstáculos a través de la unidad de acristalamiento, es decir, la mayoría de las ventanas residenciales y comerciales y vitrinas de alimentos refrigerados. Sin embargo, las ventanas equipadas con VIG tienen un rendimiento inferior debido a la intensa transferencia de calor en los bordes. [12]
La eficacia del aislamiento se puede expresar como valor R o valor RSI . Cuanto mayor sea el valor, mayor será su resistencia a la transferencia de calor. Una IGU estándar que consta de paneles de vidrio (o luces) transparentes sin revestimiento con aire en la cavidad entre las luces normalmente tiene un valor RSI de 0,35 K·m 2 /W.
Utilizando unidades habituales de EE. UU ., una regla general en la construcción de IGU estándar es que cada cambio en el componente de la IGU da como resultado un aumento de 1 valor R en la eficiencia de la unidad. La adición de gas argón aumenta la eficiencia a aproximadamente R-3. El uso de vidrio de baja emisividad en la superficie n.° 2 agregará otro valor R. IGU de triple acristalamiento correctamente diseñadas con revestimientos de baja emisividad en las superficies 2 y 4 y llenas de gas argón en las cavidades. Ciertas unidades IG de cámaras múltiples dan como resultado valores R tan altos como R-24. Las unidades de vidrio aislante al vacío (VIG) dan como resultado valores R tan altos como R-15 (centro del vidrio). La combinación de una unidad VIG con otro panel de vidrio y un espaciador de borde cálido da como resultado R-18 (centro del vidrio) o más dependiendo de los revestimientos de baja emisividad. Las unidades VIG dobles con espaciador de borde cálido alcanzan R-25 (centro de vidrio) o más dependiendo de los recubrimientos de baja emisividad y otros factores.
Las capas adicionales de acristalamiento brindan la oportunidad de mejorar el aislamiento. Si bien el doble acristalamiento estándar es el más utilizado, el triple acristalamiento no es infrecuente y el cuádruple acristalamiento se produce para ambientes fríos como Alaska o Escandinavia. [16] [17] Incluso se encuentran disponibles acristalamientos quíntuples y de seis paneles (cuatro o cinco cavidades), con factores de aislamiento en el medio del panel equivalentes a los de las paredes. [18] [19] [20]
En algunas situaciones el aislamiento hace referencia a la mitigación del ruido . En estas circunstancias, un gran espacio de aire mejora la calidad del aislamiento acústico o la clase de transmisión del sonido . El doble acristalamiento asimétrico, que utiliza diferentes espesores de vidrio en lugar de los sistemas simétricos convencionales (se utilizan espesores de vidrio iguales para ambas luces), mejorará las propiedades de atenuación acústica de la IGU. Si se utilizan espacios de aire estándar, se puede utilizar hexafluoruro de azufre para reemplazar o aumentar un gas inerte [21] y mejorar el rendimiento de atenuación acústica.
Otras variaciones del material de acristalamiento afectan la acústica. Las configuraciones de acristalamiento más utilizadas para amortiguar el sonido incluyen vidrio laminado con espesores variados de la capa intermedia y del vidrio. Incluir un espaciador de aire de barrera térmica de aluminio estructural y térmicamente mejorado en el vidrio aislante puede mejorar el rendimiento acústico al reducir la transmisión de fuentes de ruido exterior en el sistema de fenestración.
Revisar los componentes del sistema de acristalamiento, incluido el material del espacio de aire utilizado en el vidrio aislante, puede garantizar una mejora general de la transmisión del sonido.
La transmitancia es una medida de cuánta luz visible pasa a través del vidrio expresada como fracción. Parte de la luz también será absorbida y reflejada.
Algunos tipos de luz incluyen ondas de radio. En particular, muchos vidrios de baja emisividad y revestimientos metalizados semirreflectantes atenúan en gran medida las señales de Wi-Fi y de teléfonos móviles. [ cita necesaria ]
La vida útil de una IGU varía según la calidad de los materiales utilizados, el tamaño del espacio entre el panel interior y exterior, las diferencias de temperatura, la mano de obra y la ubicación de instalación, tanto en términos de orientación como de ubicación geográfica, así como del tratamiento que recibe la unidad. Las unidades IG suelen durar de 10 a 25 años, y las ventanas que dan al ecuador suelen durar menos de 12 años. Las IGU suelen tener una garantía de 10 a 20 años, según el fabricante. Si se modifican las IGU (como la instalación de una película de control solar), el fabricante puede anular la garantía.
La Alianza de Fabricantes de Vidrio Aislante (IGMA) [22] llevó a cabo un extenso estudio para caracterizar las fallas de las unidades comerciales de vidrio aislante durante un período de 25 años.
Para una unidad IG de construcción estándar, la condensación se acumula entre las capas de vidrio cuando falla el sello perimetral y cuando el desecante se satura y, por lo general, solo se puede eliminar reemplazando la IGU. La falla del sello y el reemplazo posterior resultan en un factor importante en el costo total de propiedad de las IGU. [23]
Las grandes diferencias de temperatura entre los cristales interiores y exteriores sobrecargan los adhesivos espaciadores, que eventualmente pueden fallar. Las unidades con un pequeño espacio entre los paneles son más propensas a fallar debido al aumento de tensión.
Los cambios de presión atmosférica combinados con el clima húmedo pueden, en casos raros, hacer que el espacio se llene de agua.
Las superficies de sellado flexibles que impiden la infiltración alrededor de la unidad de ventana también pueden degradarse, rasgarse o dañarse. El reemplazo de estos sellos puede ser difícil o imposible, debido a que las ventanas IG comúnmente usan marcos de canal extruidos sin tornillos o placas de retención del sello. En cambio, los sellos de borde se instalan empujando un labio flexible unidireccional dentado en forma de flecha dentro de una ranura en el canal extruido y, a menudo, no se pueden extraer fácilmente de la ranura extruida para ser reemplazados.
En Canadá, desde principios de 1990, hay algunas empresas que ofrecen servicio a unidades IG averiadas. Proporcionan ventilación abierta a la atmósfera mediante la perforación de orificios en el vidrio y/o el espaciador. Esta solución a menudo revierte la condensación visible, pero no puede limpiar la superficie interior del vidrio y las manchas que pueden haber ocurrido después de una exposición prolongada a la humedad. Pueden ofrecer una garantía de 5 a 20 años. Esta solución reduce el valor aislante de la ventana, pero puede ser una solución "verde" cuando la ventana todavía está en buenas condiciones. Si la unidad IG tenía un relleno de gas (por ejemplo, argón, criptón o una mezcla), el gas se disipa naturalmente y el valor R se ve afectado.
Desde 2004, también hay algunas empresas que ofrecen el mismo proceso de restauración para unidades de doble acristalamiento averiadas [24] en el Reino Unido, y hay una empresa que ofrece restauración de unidades de IG averiadas en Irlanda desde 2010.
Las diferencias de temperatura en la superficie de los cristales pueden provocar grietas en el vidrio. [25] Esto puede ocurrir cuando el vidrio está parcialmente sombreado y parcialmente calentado por la luz solar. El vidrio tintado aumenta el calentamiento y el estrés térmico, mientras que el recocido reduce el estrés interno generado en el vidrio durante la fabricación.
La expansión térmica crea presión interna, o tensión, donde el material caliente en expansión es restringido por el material más frío. Por lo general, las grietas se inician y propagan desde el borde de corte sombreado y angosto, donde el vidrio está más frío, y las ranuras y muescas diminutas causan concentración de tensiones . El espesor del vidrio no tiene un efecto directo sobre el agrietamiento térmico en las ventanas porque tanto el estrés térmico como la resistencia del material son proporcionales al espesor. El vidrio recocido y templado suele ser más resistente al agrietamiento.
Dadas las propiedades térmicas de la hoja, el marco y el alféizar, y las dimensiones del acristalamiento y las propiedades térmicas del vidrio, se puede calcular la tasa de transferencia de calor para una ventana determinada y un conjunto de condiciones. Esto se puede calcular en kW (kilovatios), pero, de manera más útil para los cálculos de costo-beneficio, se puede expresar como kWh pa (kilovatios hora por año), según las condiciones típicas durante un año para una ubicación determinada. [26]
Los paneles de vidrio de las ventanas de doble acristalamiento transmiten calor en ambas direcciones por radiación, a través del acristalamiento por conducción y a través del espacio entre los cristales por convección, por conducción a través del marco y por infiltración alrededor de las juntas perimetrales y del marco hacia el edificio. Las tarifas reales variarán según las condiciones a lo largo del año y, si bien la ganancia solar puede ser muy bienvenida en invierno (dependiendo del clima local), puede resultar en mayores costos de aire acondicionado en verano. La transferencia de calor no deseada se puede mitigar, por ejemplo, utilizando cortinas por la noche en invierno y sombrillas durante el día en verano. En un intento de proporcionar una comparación útil entre construcciones de ventanas alternativas, el Consejo Británico de Clasificación de Ventanas ha definido una "Clasificación energética de ventanas" WER, que va desde A para las mejores hasta B y C, etc. Esto tiene en cuenta una combinación de la pérdida de calor. a través de la ventana (valor U, el recíproco del valor R ), la ganancia solar (valor g) y la pérdida por fuga de aire alrededor del marco (valor L). Por ejemplo, una ventana con clasificación A ganará en un año típico tanto calor gracias a la energía solar como lo perderá de otras maneras (sin embargo, la mayor parte de esta ganancia se producirá durante los meses de verano, cuando es posible que el ocupante del edificio no necesite el calor). ). Esto proporciona un mejor rendimiento térmico que una pared típica. [24]
Programas y certificaciones de calificación de ventanas:
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Medios relacionados con el acristalamiento aislante en Wikimedia Commons