El valor R (en K ⋅ m 2 / W ) es una medida de qué tan bien una barrera bidimensional, como una capa de aislamiento , una ventana o una pared o techo completo, resiste el flujo conductivo [2] de calor, en el contexto de la construcción . [3] El valor R es la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor necesaria para mantener una unidad de flujo de calor entre la superficie más cálida y la superficie más fría de una barrera en condiciones de estado estable . Por lo tanto, la medida es igualmente relevante para reducir las facturas de energía para calefacción en invierno, para refrigeración en verano y para el confort general.
El valor R es el término de la industria de la construcción [3] que designa la resistencia térmica "por unidad de área". [4] A veces se lo denomina valor RSI si se utilizan las unidades del SI . [5] Se puede indicar un valor R para un material (por ejemplo, para espuma de polietileno ) o para un conjunto de materiales (por ejemplo, una pared o una ventana). En el caso de los materiales, a menudo se expresa en términos de valor R por metro. Los valores R son aditivos para las capas de materiales y cuanto mayor sea el valor R, mejor será el rendimiento.
El factor U o valor U (en W / (m 2 ⋅K)) es el coeficiente general de transferencia de calor y se puede encontrar tomando el inverso del valor R. Es una propiedad que describe qué tan bien los elementos del edificio conducen el calor por unidad de área a través de un gradiente de temperatura. [6] Los elementos son comúnmente conjuntos de muchas capas de materiales, como los que forman la envoltura del edificio . Se expresa en vatios por metro cuadrado kelvin. Cuanto mayor sea el valor U, menor será la capacidad de la envoltura del edificio para resistir la transferencia de calor. Un valor U bajo, o por el contrario, un valor R alto, generalmente indica altos niveles de aislamiento. Son útiles ya que es una forma de predecir el comportamiento compuesto de un elemento de construcción completo en lugar de confiar en las propiedades de los materiales individuales.
Esto se relaciona con el valor técnico/constructivo.
dónde:
El valor R por unidad de superficie expuesta de una barrera mide la resistencia térmica absoluta de la barrera. [7]
dónde:
La resistencia térmica absoluta , cuantifica la diferencia de temperatura por unidad de caudal de calor necesaria para mantener una unidad de caudal de calor. A veces surge confusión porque algunas publicaciones utilizan el término resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor , pero otras publicaciones utilizan el término resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de caudal de calor. Surge más confusión porque algunas publicaciones utilizan el carácter R para indicar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor, pero otras publicaciones utilizan el carácter R para indicar la diferencia de temperatura por unidad de caudal de calor. Este artículo utiliza el término resistencia térmica absoluta para la diferencia de temperatura por unidad de caudal de calor y utiliza el término valor R para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor.
En cualquier caso, cuanto mayor sea el valor R, mayor será la resistencia y, por lo tanto, mejores serán las propiedades de aislamiento térmico de la barrera. Los valores R se utilizan para describir la eficacia del material aislante y en el análisis del flujo de calor a través de conjuntos (como paredes, techos y ventanas) en condiciones de estado estable. [7] El flujo de calor a través de una barrera es impulsado por la diferencia de temperatura entre dos lados de la barrera, y el valor R cuantifica la eficacia con la que el objeto resiste este impulso: [8] [9] La diferencia de temperatura dividida por el valor R y luego multiplicada por el área de superficie expuesta de la barrera da la tasa total de flujo de calor a través de la barrera, medida en vatios o en BTU por hora.
dónde:
Siempre que los materiales involucrados sean sólidos densos en contacto mutuo directo, [10] los valores R son aditivos; por ejemplo, el valor R total de una barrera compuesta de varias capas de material es la suma de los valores R de las capas individuales. [7] [11]
Por ejemplo, en invierno puede haber 2 °C en el exterior y 20 °C en el interior, lo que supone una diferencia de temperatura de 18 °C o 18 K. Si el material tiene un valor R de 4, perderá 0,25 W/(°C⋅m 2 ). Con una superficie de 100 m 2 , la energía térmica que se pierde es 0,25 W/(K⋅m 2 ) × 18 °C × 100 m 2 = 450 W. Habrá otras pérdidas a través del suelo, las ventanas, las ranuras de ventilación, etc. Pero solo en el caso de ese material, salen 450 W, que se pueden sustituir por un calentador de 450 W en el interior para mantener la temperatura interior.
Tenga en cuenta que el valor R es el término de la industria de la construcción [3] para lo que en otros contextos se denomina " resistencia térmica " "para una unidad de área". [4] A veces se lo denomina valor RSI si se utilizan unidades SI (métricas). [5] [12]
Se puede indicar un valor R para un material (por ejemplo, para la espuma de polietileno ) o para un conjunto de materiales (por ejemplo, una pared o una ventana). En el caso de los materiales, a menudo se expresa en términos de valor R por unidad de longitud (por ejemplo, por pulgada de espesor). Esto último puede ser engañoso en el caso de aislamientos térmicos de edificios de baja densidad, para los cuales los valores R no son aditivos: su valor R por pulgada no es constante a medida que el material se hace más grueso, sino que generalmente disminuye. [10]
Las unidades de un valor R (ver más abajo) normalmente no se indican explícitamente, por lo que es importante determinar a partir del contexto qué unidades se están utilizando: un valor R expresado en unidades IP (pulgada-libra) [13] es aproximadamente 5,68 veces mayor que cuando se expresa en unidades SI, [14] de modo que, por ejemplo, una ventana que es R-2 en unidades IP tiene un RSI de 0,35 (ya que 2/5,68 = 0,35). Para los valores R no hay diferencia entre las unidades habituales de EE. UU. y las unidades imperiales .
Todos los siguientes significan lo mismo: "esta es una ventana R-2"; [15] "esta es una ventana R2"; [16] [5] "esta ventana tiene un valor R de 2"; [15] "esta es una ventana con R = 2" [17] (y de manera similar con los valores RSI, que también incluyen la posibilidad "esta ventana proporciona RSI 0,35 de resistencia al flujo de calor" [18] [5] ).
Cuanto más capaz sea un material de conducir calor intrínsecamente, como lo indica su conductividad térmica , menor será su valor R. Por otro lado, cuanto más grueso sea el material, mayor será su valor R. A veces, los procesos de transferencia de calor distintos de la conducción (a saber, la convección y la radiación ) contribuyen significativamente a la transferencia de calor dentro del material. En tales casos, es útil introducir una "conductividad térmica aparente", que captura los efectos de los tres tipos de procesos, y definir el valor R de manera más general como el espesor de una muestra dividido por su conductividad térmica aparente. Algunas ecuaciones que relacionan este valor R generalizado, también conocido como valor R aparente , con otras cantidades son:
dónde:
Un valor R aparente cuantifica la cantidad física llamada aislamiento térmico .
Sin embargo, esta generalización tiene un precio porque los valores R que incluyen procesos no conductores pueden dejar de ser aditivos y pueden tener una dependencia significativa de la temperatura. En particular, para un material suelto o poroso, el valor R por pulgada generalmente depende del espesor, casi siempre de manera que disminuye con el aumento del espesor [10] ( el poliisocianurato (coloquialmente, poliiso ) es una excepción; su valor R/pulgada aumenta con el espesor [19] ). Por razones similares, el valor R por pulgada también depende de la temperatura del material, generalmente aumentando con la disminución de la temperatura (el poliisocianurato nuevamente es una excepción); un batt de fibra de vidrio nominalmente R-13 puede ser R-14 a −12 °C (10 °F) y R-12 a 43 °C (109 °F). [20] Sin embargo, en la construcción es común tratar los valores R como independientes de la temperatura. [21] Tenga en cuenta que un valor R puede no tener en cuenta los procesos radiativos o convectivos en la superficie del material , lo que puede ser un factor importante para algunas aplicaciones. [ cita requerida ]
El valor R es el inverso de la transmitancia térmica (factor U) de un material o conjunto. Sin embargo, la industria de la construcción estadounidense prefiere utilizar valores R porque son aditivos y porque los valores más altos significan un mejor aislamiento, lo cual no es cierto en el caso de los factores U. [3]
El factor U o valor U es el coeficiente general de transferencia de calor que describe qué tan bien un elemento de construcción conduce el calor o la tasa de transferencia de calor (en vatios) a través de un metro cuadrado de una estructura dividida por la diferencia de temperatura a través de la estructura. [6] Los elementos son comúnmente conjuntos de muchas capas de componentes, como los que forman paredes/pisos/techos, etc. Se expresa en vatios por metro cuadrado kelvin W/(m 2 ⋅K). Esto significa que cuanto mayor sea el valor U, peor será el rendimiento térmico de la envoltura del edificio. Un valor U bajo generalmente indica altos niveles de aislamiento. Son útiles ya que es una forma de predecir el comportamiento compuesto de un elemento de construcción completo en lugar de confiar en las propiedades de los materiales individuales.
En la mayoría de los países, las propiedades de materiales específicos (como el aislamiento) se indican mediante la conductividad térmica , a veces llamada valor k o valor lambda (λ minúscula). La conductividad térmica (valor k) es la capacidad de un material para conducir calor; por lo tanto, cuanto menor sea el valor k, mejor será el material para el aislamiento. El poliestireno expandido (EPS) tiene un valor k de alrededor de 0,033 W/(m⋅K). [22] A modo de comparación, el aislamiento de espuma fenólica tiene un valor k de alrededor de 0,018 W/(m⋅K), [23] mientras que la madera varía entre 0,15 y 0,75 W/(m⋅K), y el acero tiene un valor k de aproximadamente 50,0 W/(m⋅K). Estas cifras varían de un producto a otro, por lo que el Reino Unido y la UE han establecido un estándar 90/90 que significa que el 90 % del producto se ajustará al valor k indicado con un nivel de confianza del 90 %, siempre que la cifra citada se indique como el valor lambda 90/90.
U es la inversa de R [24] con unidades SI de W/(m 2 ⋅K) y unidades estadounidenses de BTU/(h⋅°F⋅ft 2 )
donde es el flujo de calor , es la diferencia de temperatura a través del material, k es el coeficiente de conductividad térmica del material y L es su espesor. En algunos contextos, U se denomina conductancia superficial unitaria. [25]
El término factor U se utiliza habitualmente en los EE. UU. y Canadá para expresar el flujo de calor a través de conjuntos completos (como techos, paredes y ventanas [26] ). Por ejemplo, los códigos de energía como ASHRAE 90.1 e IECC prescriben valores U. Sin embargo, el valor R se utiliza ampliamente en la práctica para describir la resistencia térmica de los productos de aislamiento, las capas y la mayoría de las demás partes del cerramiento del edificio (paredes, pisos, techos). En otras áreas del mundo, el valor U/factor U se utiliza con más frecuencia para los elementos del cerramiento completo del edificio, incluidas ventanas, puertas, paredes, techos y losas del suelo. [27]
La unidad SI (métrica) del valor R es
el kelvin metro cuadrado por vatio (K⋅m 2 /W o, lo que es lo mismo, °C⋅m 2 /W).
mientras que la unidad IP (pulgada-libra) es
grado Fahrenheit pie cuadrado hora por unidad térmica británica (°F⋅ft 2 ⋅h/BTU). [13]
Para los valores R no hay diferencia entre las unidades estadounidenses e imperiales , por lo que se utiliza la misma unidad IP en ambas.
Algunas fuentes utilizan "RSI" cuando se refieren a valores R en unidades SI. [5] [12]
Los valores R expresados en unidades IP son aproximadamente 5,68 veces más grandes que los valores R expresados en unidades SI. [14] Por ejemplo, una ventana que es R-2 en el sistema IP es aproximadamente RSI 0,35, ya que 2/5,68 ≈ 0,35.
En los países donde se utiliza generalmente el sistema SI, los valores R también se suelen expresar en unidades del SI. Entre ellos se encuentran el Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda.
Los valores IP se dan comúnmente en Estados Unidos y Canadá, aunque en Canadá normalmente se indican tanto los valores IP como los RSI. [28]
Dado que las unidades no suelen indicarse explícitamente, es necesario decidir a partir del contexto qué unidades se están utilizando. En este sentido, conviene tener en cuenta que los valores R del IP son 5,68 veces mayores que los valores R del SI correspondientes.
Más precisamente, [29] [30]
Valor R (en IP) ≈ Valor RSI (en SI) × 5,678263
Valor RSI (en SI) ≈ Valor R (en IP) × 0,1761102
El Gobierno australiano explica que los valores R totales requeridos para la estructura del edificio varían según la zona climática. "Estos materiales incluyen bloques de hormigón celular, bloques huecos de poliestireno expandido, fardos de paja y láminas de poliestireno extruido". [31]
En Alemania, tras la ley Energieeinsparverordnung (EnEv) introducida en 2009 (10 de octubre) en materia de ahorro energético, todos los edificios nuevos deben demostrar su capacidad de permanecer dentro de ciertos límites del valor U para cada material de construcción en particular. Además, la EnEv describe el coeficiente máximo para cada nuevo material si se reemplazan o añaden partes a las estructuras existentes. [32]
El Departamento de Energía de los EE. UU. ha recomendado valores R para determinadas áreas de los EE. UU. en función de los costos energéticos locales generales para calefacción y refrigeración, así como del clima de la zona. Hay cuatro tipos de aislamiento: rollos y mantas, relleno suelto, espuma rígida y espuma in situ. Los rollos y mantas son, por lo general, aislantes flexibles que vienen en fibras, como la fibra de vidrio. El aislamiento de relleno suelto viene en fibras sueltas o pellets y debe insuflarse en un espacio. La espuma rígida es más cara que la fibra, pero generalmente tiene un valor R más alto por unidad de espesor. El aislamiento de espuma in situ se puede insuflar en áreas pequeñas para controlar fugas de aire, como las que hay alrededor de las ventanas, o se puede utilizar para aislar una casa entera. [33]
Aumentar el espesor de una capa aislante aumenta la resistencia térmica. Por ejemplo, duplicar el espesor de un relleno de fibra de vidrio duplicará su valor R, quizás de 2,0 m 2 ⋅K/W para 110 mm de espesor, hasta 4,0 m 2 ⋅K/W para 220 mm de espesor. La transferencia de calor a través de una capa aislante es análoga a agregar resistencia a un circuito en serie con un voltaje fijo. Sin embargo, esto es válido solo de manera aproximada porque la conductividad térmica efectiva de algunos materiales aislantes depende del espesor. La adición de materiales para encerrar el aislamiento, como paneles de yeso y revestimiento, proporciona un valor R adicional, pero generalmente mucho menor.
Hay muchos factores que entran en juego cuando se utilizan los valores R para calcular la pérdida de calor de una pared en particular. Los valores R del fabricante se aplican únicamente al aislamiento instalado correctamente. Aplastar dos capas de guata hasta obtener el espesor previsto para una capa aumentará, pero no duplicará, el valor R. (En otras palabras, comprimir una guata de fibra de vidrio disminuye el valor R de la guata, pero aumenta el valor R por pulgada). Otro factor importante a tener en cuenta es que los montantes y las ventanas proporcionan una ruta de conducción de calor paralela que no se ve afectada por el valor R del aislamiento. La implicación práctica de esto es que se podría duplicar el valor R del aislamiento instalado entre los elementos de la estructura y lograr una reducción sustancialmente inferior al 50 por ciento en la pérdida de calor. Cuando se instala entre los montantes de la pared, incluso un aislamiento de pared perfecto solo elimina la conducción a través del aislamiento, pero no afecta la pérdida de calor conductiva a través de materiales como ventanas y montantes de vidrio. El aislamiento instalado entre los montantes puede reducir, pero por lo general no elimina, las pérdidas de calor debido a fugas de aire a través de la envoltura del edificio. La instalación de una capa continua de aislamiento de espuma rígida en el lado exterior del revestimiento de la pared interrumpirá los puentes térmicos a través de los montantes y, al mismo tiempo, reducirá la tasa de fugas de aire.
El valor R es una medida de la capacidad de una muestra de aislamiento para reducir la tasa de flujo de calor en condiciones de prueba específicas. El modo principal de transferencia de calor impedido por el aislamiento es la conducción, pero el aislamiento también reduce la pérdida de calor por los tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La pérdida de calor principal a través de un espacio lleno de aire sin aislamiento es la convección natural , que se produce debido a los cambios en la densidad del aire con la temperatura. El aislamiento retarda en gran medida la convección natural, lo que hace que la conducción sea el modo principal de transferencia de calor. Los aislamientos porosos logran esto atrapando el aire de modo que se elimina la pérdida de calor convectivo significativa, dejando solo la conducción y una transferencia de radiación menor. La función principal de dicho aislamiento es hacer que la conductividad térmica del aislamiento sea la del aire atrapado y estancado. Sin embargo, esto no se puede lograr completamente porque la lana de vidrio o la espuma necesarias para evitar la convección aumentan la conducción de calor en comparación con la del aire en calma. La transferencia de calor radiativo menor se obtiene al tener muchas superficies que interrumpen una "visión clara" entre las superficies internas y externas del aislamiento, como la luz visible que se interrumpe al pasar a través de materiales porosos. Estas superficies múltiples son abundantes en guata y espuma porosa. La radiación también se minimiza con superficies exteriores de baja emisividad (altamente reflectantes), como el papel de aluminio. Se puede lograr una conductividad térmica más baja o valores R más altos reemplazando el aire por argón cuando sea práctico, como en el caso de un aislamiento especial de espuma de poro cerrado, porque el argón tiene una conductividad térmica más baja que el aire.
La transferencia de calor a través de una capa aislante es análoga a la resistencia eléctrica . Las transferencias de calor se pueden calcular pensando en la resistencia en serie con un potencial fijo, excepto que las resistencias son resistencias térmicas y el potencial es la diferencia de temperatura de un lado del material al otro. La resistencia de cada material a la transferencia de calor depende de la resistencia térmica específica [valor R]/[espesor unitario], que es una propiedad del material (ver la tabla a continuación) y del espesor de esa capa. Una barrera térmica que se compone de varias capas tendrá varias resistencias térmicas en los circuitos análogos, cada una en serie. Análogamente a un conjunto de resistencias en paralelo, una pared bien aislada con una ventana mal aislada permitirá que proporcionalmente más calor pase a través de la ventana (de bajo R), y el aislamiento adicional en la pared solo mejorará mínimamente el valor R general. Como tal, la sección menos aislada de una pared desempeñará el papel más importante en la transferencia de calor en relación con su tamaño, similar a la forma en que la mayoría de la corriente fluye a través de la resistencia de menor resistencia en una matriz paralela. Por lo tanto, garantizar que las ventanas, los cortes de servicio (alrededor de cables/tuberías), las puertas y otros cortes en una pared estén bien sellados y aislados es a menudo la forma más rentable de mejorar el aislamiento de una estructura, una vez que las paredes están suficientemente aisladas.
Al igual que la resistencia en los circuitos eléctricos, aumentar la longitud física (para el aislamiento, el espesor) de un elemento resistivo, como el grafito, por ejemplo, aumenta la resistencia de forma lineal; duplicar el espesor de una capa significa duplicar el valor R y la mitad de la transferencia de calor; cuadriplicarlo, cuartos; etc. En la práctica, esta relación lineal no siempre se cumple para materiales compresibles como la lana de vidrio y el algodón en rama, cuyas propiedades térmicas cambian cuando se comprimen. Así, por ejemplo, si una capa de aislamiento de fibra de vidrio en un ático proporciona una resistencia térmica R-20, añadir una segunda capa no necesariamente duplicará la resistencia térmica porque la primera capa se comprimirá por el peso de la segunda.
Para encontrar la pérdida de calor promedio por unidad de área, simplemente divida la diferencia de temperatura por el valor R de la capa.
Si el interior de una casa está a 20 °C y la cavidad del techo está a 10 °C, entonces la diferencia de temperatura es de 10 °C (o 10 K). Suponiendo que el techo esté aislado a RSI 2.0 (R = 2 m 2 ⋅K/W), se perderá energía a una tasa de 10 K / (2 K⋅m 2 /W) = 5 vatios por cada metro cuadrado (W/m 2 ) de techo. El valor RSI utilizado aquí es para la capa de aislamiento real (y no por unidad de espesor de aislamiento).
El valor R no debe confundirse con la propiedad intrínseca de la resistividad térmica y su inversa, la conductividad térmica . La unidad del SI de resistividad térmica es K⋅m/W. La conductividad térmica supone que la transferencia de calor del material está relacionada linealmente con su espesor.
Para calcular el valor R de una instalación multicapa, se suman los valores R de las capas individuales: [34]
Valor R (película de aire exterior) + valor R (ladrillo) + valor R (revestimiento) + valor R (aislamiento) + valor R (placa de yeso) + valor R (película de aire interior) = valor R (total) .
Para tener en cuenta otros componentes de una pared, como la estructura, primero se calcula el valor U (= 1/valor R) de cada componente y luego el valor U promedio ponderado por área. Un valor R promedio es 1/(valor U promedio). Por ejemplo, si el 10 % del área son 4 pulgadas de madera blanda (valor R 5,6) y el 90 % son 2 pulgadas de aerogel de sílice (valor R 20), el valor U ponderado por área es 0,1/5,6 + 0,9/20 ≈ 0,0629 y el valor R ponderado es 1/0,0629 ≈ 15,9.
La conductividad térmica se define convencionalmente como la tasa de conducción térmica a través de un material por unidad de área por unidad de espesor por unidad de diferencial de temperatura (Δ T ). La inversa de la conductividad es la resistividad (o R por unidad de espesor). La conductancia térmica es la tasa de flujo de calor a través de una unidad de área en el espesor instalado y cualquier Δ T dado .
Experimentalmente, la conducción térmica se mide colocando el material en contacto entre dos placas conductoras y midiendo el flujo de energía necesario para mantener un determinado gradiente de temperatura.
En la mayoría de los casos, las pruebas del valor R del aislamiento se realizan a una temperatura constante, generalmente alrededor de 70 °F (21 °C) sin movimiento de aire circundante. Dado que estas son las condiciones ideales, el valor R indicado para el aislamiento casi con certeza será mayor que el que sería en el uso real, porque la mayoría de las situaciones con aislamiento se dan en condiciones diferentes.
En el documento C168 publicado por la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales se ha propuesto una definición del valor R basada en la conductividad térmica aparente. En él se describe la transferencia de calor por los tres mecanismos: conducción, radiación y convección.
El debate continúa entre los representantes de diferentes segmentos de la industria de aislamiento de EE. UU. durante la revisión de las regulaciones de la FTC de EE. UU. sobre los valores R en la publicidad [35], lo que ilustra la complejidad de las cuestiones.
El uso de un único modelo de laboratorio para evaluar simultáneamente las propiedades de un material para resistir el calentamiento por conducción, radiación y convección presenta algunas desventajas. La temperatura de la superficie varía según el modo de transferencia de calor.
Si suponemos una transferencia de calor idealizada entre el aire de cada lado y la superficie del aislamiento, la temperatura de la superficie del aislante sería igual a la temperatura del aire de cada lado.
En respuesta a la radiación térmica, la temperatura de la superficie depende de la emisividad térmica del material. Las superficies de baja emisividad, como las láminas metálicas brillantes, reducirán la transferencia de calor por radiación.
La convección alterará la velocidad de transferencia de calor entre el aire y la superficie del aislante, dependiendo de las características del flujo del aire (u otro fluido) en contacto con él.
Con múltiples modos de transferencia de calor, la temperatura superficial final (y, por lo tanto, el flujo de energía observado y el valor R calculado) dependerán de las contribuciones relativas de la radiación, la conducción y la convección, aunque la contribución energética total siga siendo la misma.
Este es un aspecto importante a tener en cuenta en la construcción de edificios, ya que la energía térmica llega en diferentes formas y proporciones. La contribución de las fuentes de calor radiativas y conductivas también varía a lo largo del año y ambas contribuyen de manera importante al confort térmico.
En la estación cálida, la radiación solar predomina como fuente de ganancia de calor. Según la ley de Stefan-Boltzmann , la transferencia de calor radiativa está relacionada con la cuarta potencia de la temperatura absoluta (medida en kelvins : T [K] = T [°C] + 273,16). Por lo tanto, dicha transferencia es más significativa cuando el objetivo es enfriar (es decir, cuando la radiación solar ha producido superficies muy cálidas). Por otro lado, los modos de pérdida de calor conductivo y convectivo juegan un papel más importante durante los meses más fríos. A temperaturas ambientales tan bajas, los aislamientos tradicionales fibrosos, plásticos y de celulosa juegan con diferencia el papel principal: el componente de transferencia de calor radiativo es de mucha menor importancia, y la principal contribución de la barrera de radiación es su contribución superior a la hermeticidad. En resumen: las afirmaciones sobre el aislamiento de barrera radiante son justificables a altas temperaturas, normalmente cuando se minimiza la transferencia de calor en verano; pero estas afirmaciones no son justificables en las condiciones tradicionales de invierno (mantenimiento del calor).
A diferencia de los aislantes a granel, las barreras radiantes resisten mal el calor conducido. Los materiales como las láminas reflectantes tienen una alta conductividad térmica y funcionarían mal como aislantes conductores. Las barreras radiantes retardan la transferencia de calor por dos medios: reflejando la energía radiante lejos de su superficie irradiada y reduciendo la emisión de radiación desde su lado opuesto.
La cuestión de cómo cuantificar el rendimiento de otros sistemas, como las barreras radiantes, ha generado controversia y confusión en la industria de la construcción con el uso de valores R o "valores R equivalentes" para productos que tienen sistemas completamente diferentes de inhibición de la transferencia de calor. (En los EE. UU., la regla del valor R del gobierno federal establece una definición legal para el valor R de un material de construcción; el término "valor R equivalente" no tiene una definición legal y, por lo tanto, no tiene sentido). Según las normas actuales, los valores R se indican de manera más confiable para los materiales de aislamiento a granel . Todos los productos citados al final son ejemplos de ellos.
Calcular el rendimiento de las barreras radiantes es más complejo. Con una buena barrera radiante instalada, la mayor parte del flujo de calor se produce por convección, lo que depende de muchos factores además de la propia barrera radiante. Aunque las barreras radiantes tienen una alta reflectividad (y baja emisividad ) en un rango de espectros electromagnéticos (incluida la luz visible y ultravioleta), sus ventajas térmicas están relacionadas principalmente con su emisividad en el rango infrarrojo. Los valores de emisividad [36] son la métrica adecuada para las barreras radiantes. Su eficacia cuando se emplean para resistir la ganancia de calor en aplicaciones limitadas está establecida [37] , aunque el valor R no las describe adecuadamente.
Aunque no se han realizado suficientes investigaciones sobre la degradación a largo plazo del valor R del aislamiento, las investigaciones recientes [ ¿cuándo? ] indican que los valores R de los productos pueden deteriorarse con el tiempo. Por ejemplo, la compactación de la celulosa suelta crea huecos que reducen el rendimiento general; esto se puede evitar empacándolos densamente en la instalación inicial. Algunos tipos de aislamiento de espuma , como el poliuretano y el poliisocianurato, se moldean con gases pesados como los clorofluorocarbonos (CFC) o los hidroclorofluorocarbonos (HFC). Sin embargo, con el tiempo estos gases se difunden fuera de la espuma y son reemplazados por aire, lo que reduce el valor R efectivo del producto. Hay otras espumas que no cambian significativamente con el envejecimiento porque se soplan con agua o son de celdas abiertas y no contienen CFC o HFC atrapados (por ejemplo, espumas de baja densidad de media libra). En ciertas marcas, las pruebas de veinte años no han demostrado ninguna contracción o reducción del valor aislante. [ cita requerida ]
Esto ha generado controversia sobre cómo calificar el aislamiento de estos productos. Muchos fabricantes calificarán el valor R en el momento de la fabricación; los críticos argumentan que una evaluación más justa sería su valor establecido. [ cita requerida ] La industria de la espuma [ ¿cuándo? ] adoptó el método de resistencia térmica a largo plazo (LTTR), [38] que califica el valor R en función de un promedio ponderado de 15 años. Sin embargo, el LTTR proporciona efectivamente solo un valor R de ocho años de antigüedad, corto en la escala de un edificio que puede tener una vida útil de 50 a 100 años.
El Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. ha llevado a cabo una investigación sobre la degradación a largo plazo de los materiales aislantes. Los valores de degradación se obtuvieron a partir de pruebas de laboratorio a corto plazo en materiales expuestos a diversas condiciones de temperatura y humedad. Los resultados indican que la absorción de humedad y la pérdida de agente de soplado (en espuma de poliuretano en aerosol de celda cerrada) fueron las principales causas de la pérdida del valor R. La fibra de vidrio y el poliestireno extruido conservaron más del 97 % de sus valores R iniciales, mientras que los aerogeles y el poliuretano de celda cerrada experimentaron una reducción del 15 % y el 27,5 %, respectivamente. Los resultados sugieren que se aplica una ley de decaimiento exponencial a lo largo del tiempo a los valores R de los poliuretanos de celda cerrada y las mantas de aerogel. [39]
Para que los aisladores a granel funcionen de manera óptima, es importante prestar la debida atención a las medidas de sellado del aire y tener en cuenta los mecanismos de transferencia de vapor. La infiltración de aire puede permitir la transferencia de calor por convección o la formación de condensación, dos factores que pueden degradar el rendimiento de un aislamiento.
Uno de los valores principales del aislamiento con espuma en aerosol es su capacidad de crear un sello hermético (y en algunos casos, hermético) directamente contra el sustrato para reducir los efectos no deseados de las fugas de aire. También se utilizan otras tecnologías de construcción para reducir o eliminar la infiltración, como las técnicas de sellado de aire.
El deterioro de los valores R es un problema especialmente a la hora de definir la eficiencia energética de un edificio existente. Especialmente en edificios antiguos o históricos, los valores R definidos antes de la construcción pueden ser muy diferentes de los valores reales. Esto afecta en gran medida al análisis de la eficiencia energética. Por ello, para obtener datos fiables, los valores R se determinan a menudo mediante mediciones del valor U en la ubicación específica (in situ). Existen varios métodos posibles para ello, cada uno con sus ventajas y desventajas específicas: termografía, mediciones de temperatura múltiples y el método del flujo de calor. [6]
La termografía se utiliza en el sector de la construcción para evaluar la calidad del aislamiento térmico de una habitación o un edificio. Mediante una cámara termográfica se pueden identificar puentes térmicos y partes no homogéneas del aislamiento. Sin embargo, no proporciona datos cuantitativos. Este método solo se puede utilizar para aproximar el valor U o el valor R inverso.
Este método se basa en tres o más mediciones de temperatura en el interior y el exterior de un elemento de construcción. Al sincronizar estas mediciones y realizar algunas suposiciones básicas, es posible calcular el flujo de calor de forma indirecta y, de este modo, obtener el valor U de un elemento de construcción. Para obtener resultados fiables, deben cumplirse los siguientes requisitos:
El valor R de un elemento de construcción se puede determinar utilizando un sensor de flujo de calor en combinación con dos sensores de temperatura. [40] Al medir el calor que fluye a través de un elemento de construcción y combinarlo con la temperatura interior y exterior, es posible definir el valor R con precisión. Se requiere una medición que dure al menos 72 horas con una diferencia de temperatura de al menos 5 °C para obtener un resultado confiable según las normas ISO 9869, pero duraciones de medición más cortas también brindan una indicación confiable del valor R. El progreso de la medición se puede ver en el portátil a través del software correspondiente y los datos obtenidos se pueden utilizar para cálculos posteriores. Los dispositivos de medición para tales mediciones de flujo de calor los ofrecen empresas como FluxTeq, [41] Ahlborn, greenTEG y Hukseflux.
La colocación del sensor de flujo de calor en la superficie interior o exterior del elemento de construcción permite determinar el flujo de calor a través del sensor de flujo de calor como un valor representativo del flujo de calor a través del elemento de construcción. El flujo de calor a través del sensor de flujo de calor es la tasa de flujo de calor a través del sensor de flujo de calor dividida por el área de superficie del sensor de flujo de calor . La colocación de los sensores de temperatura en las superficies interior y exterior del elemento de construcción permite determinar la temperatura de la superficie interior, la temperatura de la superficie exterior y la diferencia de temperatura entre ellas. En algunos casos, el propio sensor de flujo de calor puede servir como uno de los sensores de temperatura. El valor R para el elemento de construcción es la diferencia de temperatura entre los dos sensores de temperatura dividida por el flujo de calor a través del sensor de flujo de calor . La fórmula matemática es:
dónde:
El valor U también se puede calcular tomando el recíproco del valor R. Es decir,
donde es el valor U ( W ⋅ m −2 ⋅ K −1 ).
El valor R y el valor U derivados pueden ser precisos en la medida en que el flujo de calor a través del sensor de flujo de calor sea igual al flujo de calor a través del elemento del edificio. El registro de todos los datos disponibles permite estudiar la dependencia del valor R y el valor U de factores como la temperatura interior, la temperatura exterior o la posición del sensor de flujo de calor . En la medida en que todos los procesos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) contribuyan a las mediciones, el valor R derivado representa un valor R aparente.
Los paneles con aislamiento al vacío tienen el valor R más alto, aproximadamente R-45 (en unidades estadounidenses) por pulgada; el aerogel tiene el siguiente valor R más alto (aproximadamente R-10 a R-30 por pulgada), seguido por el poliuretano (PUR) y los aislamientos de espuma fenólica con R-7 por pulgada. Les siguen de cerca el poliisocianurato (PIR) con R-5,8, el poliestireno expandido impregnado con grafito con R-5 y el poliestireno expandido (EPS) con R-4 por pulgada. La celulosa suelta, la fibra de vidrio (tanto soplada como en bloques) y la lana de roca (tanto soplada como en bloques) poseen todos un valor R de aproximadamente R-2,5 a R-4 por pulgada.
Los fardos de paja tienen un rendimiento de aproximadamente R-2,38 a 2,68 por pulgada, dependiendo de la orientación de los fardos. [42] Sin embargo, las casas típicas de fardos de paja tienen paredes muy gruesas y, por lo tanto, están bien aisladas. La nieve tiene aproximadamente R-1 por pulgada. El ladrillo tiene una capacidad aislante muy pobre, con apenas R-0,2 por pulgada; sin embargo, tiene una masa térmica relativamente buena .
Tenga en cuenta que todos los ejemplos anteriores utilizan la definición de valor R de EE. UU. (no del SI).
Esta es una lista de materiales de aislamiento utilizados en todo el mundo.
Los valores R típicos se dan para diversos materiales y estructuras como aproximaciones basadas en el promedio de las cifras disponibles y se ordenan por valor más bajo. El valor R a 1 m proporciona valores R normalizados a un espesor de 1 metro (3 pies 3 pulgadas) y se ordena por valor mediano del rango.
Al determinar la resistencia térmica general de un conjunto de edificios, como una pared o un techo, el efecto aislante de la película de aire de la superficie se suma a la resistencia térmica de los demás materiales. [64]
En la práctica, los valores de superficie anteriores se utilizan para pisos, techos y paredes de un edificio, pero no son precisos para cavidades de aire cerradas, como las que hay entre paneles de vidrio. La resistencia térmica efectiva de una cavidad de aire cerrada está fuertemente influenciada por la transferencia de calor por radiación y la distancia entre las dos superficies. Consulte el acristalamiento aislante para ver una comparación de los valores R para ventanas, con algunos valores R efectivos que incluyen una cavidad de aire.
La Comisión Federal de Comercio (FTC) regula las afirmaciones sobre los valores R para proteger a los consumidores contra afirmaciones publicitarias engañosas y confusas. Emitió la Regla del Valor R. [67]
El objetivo principal de la norma es garantizar que el mercado de aislamientos para el hogar proporcione esta información esencial previa a la compra al consumidor. La información brinda a los consumidores la oportunidad de comparar las eficiencias de aislamiento relativas, seleccionar el producto con la mayor eficiencia y potencial de ahorro de energía, realizar una compra rentable y considerar las principales variables que limitan la eficacia del aislamiento y la consecución de los ahorros de energía declarados.
La norma exige que se revele información específica sobre el valor R de los productos de aislamiento para el hogar en determinados anuncios y en el punto de venta. El objetivo del requisito de divulgación del valor R en la publicidad es evitar que los consumidores sean engañados por determinadas afirmaciones que tienen relación con el valor de aislamiento. En el punto de transacción, algunos consumidores podrán obtener la información necesaria sobre el valor R en la etiqueta del paquete de aislamiento. Sin embargo, dado que la evidencia muestra que los paquetes a menudo no están disponibles para su inspección antes de la compra, en muchos casos los consumidores no tendrían acceso a la información etiquetada. Como resultado, la norma exige que los consumidores tengan a su disposición una hoja informativa para su inspección antes de realizar la compra.
La regla del valor R especifica: [68]
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