Valor R (aislamiento)

Medida de qué tan bien resiste un objeto, por unidad de área, el flujo conductor de calor.

Aislamiento de guata de fibra de vidrio revestido instalado con su valor R visible (R-21) ^[1]

En el contexto de la construcción , ^[2] el valor R 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 conductor de calor ^[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 estacionario . 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 ^[2] para la resistencia térmica "por unidad de área". ^[4] A veces se denomina valor RSI si se utilizan las unidades SI . ^[5] Se puede dar 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, suele expresarse en términos de valor R por metro. Los valores R son aditivos para capas de materiales y cuanto mayor sea el valor R, mejor será el rendimiento.

El factor U o valor U es el coeficiente general de transferencia de calor y se puede encontrar tomando la inversa del valor R. Es una propiedad que describe qué tan bien los elementos de construcción 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 componen la envolvente del edificio . Se expresa en vatios por metro cuadrado kelvin: W/(m ² ⋅K). Cuanto mayor sea el valor U, menor será la capacidad de la envolvente del edificio para resistir la transferencia de calor. Un valor U bajo o, por el contrario, un valor R alto suele indicar niveles altos de aislamiento. Son útiles porque son una forma de predecir el comportamiento compuesto de un elemento de construcción completo en lugar de depender de las propiedades de materiales individuales.

Definición del valor R

Esto se relaciona con el valor técnico/constructivo.

$${\displaystyle R_{\text{val}}={\frac {\Delta T}{\phi _{q}}},}$$

dónde:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$( K ⋅ m ² / W ) es el valor R,
• ${\displaystyle \Delta T}$(K) es la diferencia de temperatura entre la superficie más cálida y la superficie más fría de una barrera,
• ${\displaystyle \phi _{q}}$(W/m ² ) es el flujo de calor a través de la barrera.

El valor R por unidad de superficie expuesta de una barrera mide la resistencia térmica absoluta de la barrera. ^[7]

$${\displaystyle {\frac {R_{\text{val}}}{A}}=R,}$$

dónde:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$es el valor R (m ² ⋅K⋅W ⁻¹ )
• ${\displaystyle A}$es la superficie expuesta de la barrera (m ² )
• ${\displaystyle R}$es la resistencia térmica absoluta (K⋅W ⁻¹ )

La resistencia térmica absoluta , cuantifica la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor necesaria para mantener una unidad de flujo de calor. A veces surge confusión porque algunas publicaciones usan el término resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor , pero otras publicaciones usan el término resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. Surge una mayor confusión porque algunas publicaciones usan el carácter R para indicar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor, pero otras publicaciones usan el carácter R para indicar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. Este artículo utiliza el término resistencia térmica absoluta para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor y utiliza el término valor R para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. ${\displaystyle R}$

En cualquier caso, cuanto mayor sea el valor R, mayor será la resistencia y, por 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 con qué eficacia el objeto resiste este impulso: ^{[8] [9]} La diferencia de temperatura dividida por el valor R y luego, multiplicado por el área de la superficie expuesta de la barrera, se obtiene la tasa total de flujo de calor a través de la barrera, medida en vatios o BTU por hora.

$${\displaystyle \phi ={\frac {\Delta T\cdot A}{R_{\text{val}}}},}$$

dónde:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$es el valor R (K⋅m ² /W),
• ${\displaystyle \Delta T}$es la diferencia de temperatura (K) entre la superficie más cálida y la superficie más fría de la barrera,
• ${\displaystyle A}$es el área de superficie expuesta (m ² ) de la barrera,
• ${\displaystyle \phi }$es el caudal de calor (W) a través de la barrera.

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 por varias capas de material es la suma de los valores R de las capas individuales. ^{[7] [11]}

Por ejemplo, en invierno podría haber 2 °C en el exterior y 20 °C en el interior, lo que genera una diferencia de temperatura de 18 °C o 18 K. Si el material tiene un valor R de 4, perderá 0,25 W/(°C ⋅m2 ) ^. Con un área 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, ventanas, ranuras de ventilación, etc. Pero sólo por ese material se van 450 W, y se puede sustituir por un calentador interior de 450 W, para mantener la temperatura interior.

Uso, unidades

Tenga en cuenta que el valor R es el término de la industria de la construcción ^[2] para lo que en otros contextos se denomina " resistencia térmica " "para una unidad de área". ^[4] A veces se denomina valor RSI si se utilizan unidades SI (métricas). ^{[5] [12]}

Se puede dar 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 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 vuelve más grueso, sino que normalmente disminuye. ^[10]

Las unidades de un valor R (ver más abajo) generalmente no se indican explícitamente, por lo que es importante determinar a partir del contexto qué unidades se utilizan: 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 .

Todo lo siguiente significa 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]} ).

Valor R aparente

Cuanto más es intrínsecamente capaz un material de conducir calor, según lo indicado por su conductividad térmica , menor es su valor R. Por otro lado, cuanto más grueso es el material, mayor es su valor R. A veces, los procesos de transferencia de calor distintos de la conducción (es decir, convección y radiación ) contribuyen significativamente a la transferencia de calor dentro del material. En tales casos, es útil introducir una "conductividad térmica aparente", que capture 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:

$${\displaystyle R_{\text{val}}^{\prime }={\frac {\Delta x}{k^{\prime }}}={\frac {1}{U_{\text{val}}}}=\Delta x\cdot r^{\prime },}$$

dónde:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}^{\prime }}$es el valor R aparente ( K / W ) en todo el espesor de la muestra,
• ${\displaystyle \Delta x}$es el espesor ( m ) de la muestra (medido en un camino paralelo al flujo de calor),
• ${\displaystyle k^{\prime }}$es la conductividad térmica aparente del material ( W /( K ⋅ m )),
• ${\displaystyle U_{\text{val}}}$es la transmitancia térmica o valor U del material ( W / K ),
• ${\displaystyle r^{\prime }={k^{\prime }}^{-1}}$es la resistividad térmica aparente del material ( K ⋅ m / W ).

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 ya no 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 modo que disminuye al aumentar el espesor ^[10] ( el poliisocianurato (coloquialmente, poliiso ) es una excepción; su valor R/ La pulgada aumenta con el espesor ^[19] ). Por razones similares, el valor R por pulgada también depende de la temperatura del material, y generalmente aumenta al disminuir la temperatura (el poliisocianurato nuevamente es una excepción); una guata 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 necesaria ]}

El valor R es el recíproco 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 valores más grandes significan un mejor aislamiento, lo cual no es cierto para los factores U. ^[2]

Factor U/valor U

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 dividido por la diferencia de temperatura en toda la estructura. . ^{[6] [ enlace muerto ]} Los elementos son comúnmente conjuntos de muchas capas de componentes, como los que forman paredes/suelos/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 envolvente del edificio. Un valor U bajo suele indicar niveles altos de aislamiento. Son útiles porque son una forma de predecir el comportamiento compuesto de un elemento de construcción completo en lugar de depender de las propiedades de materiales individuales.

En la mayoría de los países, las propiedades de materiales específicos (como el aislamiento) se indican mediante la conductividad térmica , a veces denominada 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- valor 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, lo que significa que el 90 % del producto se ajustará al valor k indicado con un nivel de confianza del 90 % siempre que se indique la cifra citada. como 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 )

$${\displaystyle U={\frac {1}{R}}={\frac {{\dot {Q}}_{A}}{\Delta T}}={\frac {k}{L}},}$$

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 de superficie unitaria. ^[25] ${\displaystyle {\dot {Q}}_{A}}$ ${\displaystyle \Delta T}$

El término factor U se utiliza normalmente en 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 y IECC prescriben valores U. Sin embargo, el valor R se usa ampliamente en la práctica para describir la resistencia térmica de los productos aislantes, las capas y la mayoría de las demás partes del cerramiento del edificio (paredes, pisos, techos). Otras áreas del mundo utilizan más comúnmente el valor U/factor U para elementos de todo el cerramiento del edificio, incluidas ventanas, puertas, paredes, techos y losas del suelo. ^[27]

Unidades: métrico (SI) frente a pulgada-libra (IP)

La unidad SI (métrica) del valor R es
      kelvin metro cuadrado por vatio (K⋅m ² /W o, igualmente, °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 mayores 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 normalmente también se darán en unidades SI. Esto incluye el Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda.

Los valores de IP se dan comúnmente en los Estados Unidos y Canadá, aunque en Canadá normalmente se enumeran tanto los valores de IP como los de RSI. ^[28]

Debido a que las unidades generalmente no se indican explícitamente, se debe decidir a partir del contexto qué unidades se utilizan. En este sentido, es útil tener en cuenta que los valores R de IP son 5,68 veces mayores que los valores R de 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

Diferentes tipos de aislamiento

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, balas de paja y láminas de poliestireno extruido." ^[31]

En Alemania, después de la ley Energieeinsparverordnung (EnEv) introducida en 2009 (10 de octubre) sobre ahorro de energía, todos los edificios nuevos deben demostrar la capacidad de permanecer dentro de ciertos límites del valor U para cada material de construcción en particular. Además, el EnEv describe el coeficiente máximo para cada nuevo material si se reemplazan o agregan piezas a las estructuras en pie. ^[32]

El Departamento de Energía de EE. UU. ha recomendado valores R para determinadas zonas de EE. UU. en función de los costes energéticos locales generales para calefacción y refrigeración, así como del clima de una zona. Hay cuatro tipos de aislamiento: rollos y guatas, relleno suelto, espuma rígida y espuma in situ. Los rollos y guatas suelen ser aislantes flexibles que vienen en fibras, como la fibra de vidrio. El aislamiento de relleno suelto viene en fibras sueltas o bolitas y debe soplarse 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 aplicar en áreas pequeñas para controlar las fugas de aire, como las que se encuentran alrededor de las ventanas, o se puede utilizar para aislar una casa entera. ^[33]

Espesor

Aumentar el espesor de una capa aislante aumenta la resistencia térmica. Por ejemplo, duplicar el espesor del guata de fibra de vidrio duplicará su valor R, quizás desde 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 sólo es válido de forma 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 normalmente mucho menor.

Factores

Hay muchos factores que entran en juego cuando se utilizan 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 lograr el grosor previsto para una capa aumentará, pero no duplicará, el valor R. (En otras palabras, comprimir un bloque de fibra de vidrio disminuye el valor R del bloque pero aumenta el valor R por pulgada). Otro factor importante a considerar es que los montantes y las ventanas proporcionan una ruta de conducción de calor paralela que no se ve afectada por el R del aislamiento. -valor. La implicación práctica de esto es que se podría duplicar el valor R del aislamiento instalado entre los miembros de la estructura y lograr una reducción sustancialmente inferior al 50 por ciento en la pérdida de calor. Cuando se instala entre montantes de pared, incluso un aislamiento de pared perfecto solo elimina la conducción a través del aislamiento, pero no afecta la pérdida de calor conductivo a través de materiales como ventanas de vidrio y montantes. El aislamiento instalado entre los montantes puede reducir, pero normalmente no elimina, las pérdidas de calor debidas a fugas de aire a través de la envolvente 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 fuga de aire.

Rol primario

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 principal modo de transferencia de calor impedido por el aislamiento es la conducción, pero el aislamiento también reduce la pérdida de calor mediante los tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La principal pérdida de calor 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 convierte a la conducción en el modo principal de transferencia de calor. Los aislamientos porosos logran esto atrapando el aire de manera que se elimina una importante pérdida de calor por convección, dejando sólo la conducción y una menor transferencia de radiación. 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 menor transferencia de calor por radiación se obtiene al tener muchas superficies que interrumpen una "visión clara" entre las superficies interior y exterior del aislamiento, de forma que se interrumpe el paso de la luz visible a través de materiales porosos. Estas múltiples superficies abundan en guata y espuma porosa. La radiación también se minimiza mediante 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 con argón cuando sea práctico, como dentro de un aislamiento especial de espuma de poro cerrado, porque el argón tiene una conductividad térmica más baja que el aire.

General

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 resistencias 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 tabla a continuación) y del espesor de esa capa. Una barrera térmica que se compone de varias capas tendrá varias resistencias térmicas análogas a los circuitos, cada una en serie. De manera análoga 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 (baja R), y un aislamiento adicional en la pared solo mejorará mínimamente la R- general. valor. Como tal, la sección menos aislada de una pared desempeñará el papel más importante en la transferencia de calor en relación con su tamaño, de manera similar a la forma en que la mayor parte de la corriente fluye a través de la resistencia de menor resistencia en una matriz en paralelo. Por lo tanto, garantizar que las ventanas, las roturas de servicio (alrededor de cables/tuberías), las puertas y otras roturas en una pared estén bien selladas y aisladas 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 aislamiento, espesor) de un elemento resistivo, como el grafito por ejemplo, aumenta la resistencia linealmente; duplicar el espesor de una capa significa duplicar el valor R y la mitad de la transferencia de calor; cuádruple, cuartos; etc. En la práctica, esta relación lineal no siempre se cumple para materiales comprimibles como la lana de vidrio y el guata de algodón, cuyas propiedades térmicas cambian cuando se comprimen. Entonces, por ejemplo, si una capa de aislamiento de fibra de vidrio en un ático proporciona resistencia térmica R-20, agregar una segunda capa no necesariamente duplicará la resistencia térmica porque la primera capa se comprimirá por el peso de la segunda.

Calcular la pérdida de calor.

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 un techo aislado a RSI 2.0 (R = 2 m ² ⋅K/W), la energía se perderá 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 aislante real (y no por unidad de espesor de aislamiento).

Relaciones

Espesor

El valor R no debe confundirse con la propiedad intrínseca de la resistividad térmica y su inversa, la conductividad térmica . La unidad 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.

Múltiples capas

Al calcular el valor R de una instalación de varias capas, 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 _{(placas de yeso)} + Valor R _{(película de aire interior)} = Valor R _{( total)} .

Para tener en cuenta otros componentes en una pared, como la estructura, primero calcule el valor U (= 1/valor R) de cada componente, 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.

Controversia

Conductividad térmica versus conductividad térmica aparente

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 con 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 su mayor parte, la prueba del valor R del aislamiento se realiza a una temperatura constante, generalmente alrededor de 70 °F (21 °C) sin movimiento de aire circundante. Dado que estas son condiciones ideales, es casi seguro que el valor R indicado para el aislamiento será más alto de lo 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 propone una definición de valor R basada en la conductividad térmica aparente. Esto describe la transferencia de calor mediante los tres mecanismos: conducción, radiación y convección.

El debate continúa entre 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 la publicidad de los valores R ^[35], lo que ilustra la complejidad de las cuestiones.

Temperatura de la superficie en relación con el modo de transferencia de calor.

Existen puntos débiles en 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. La temperatura de la superficie varía según el modo de transferencia de calor.

Si asumimos 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 en 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 tasa de transferencia de calor entre el aire y la superficie del aislante, dependiendo de las características de flujo del aire (u otro fluido) en contacto con él.

Con múltiples modos de transferencia de calor, la temperatura final de la superficie (y, por tanto, el flujo de energía observado y el valor R calculado) dependerá de las contribuciones relativas de la radiación, la conducción y la convección, aunque la contribución total de energía siga siendo la misma.

Esta es una consideración importante en la construcción de edificios porque 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 calurosa predomina la radiación solar como fuente de ganancia de calor. Según la ley de Stefan-Boltzmann , la transferencia de calor radiativo 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 por conducción y convección juegan un papel más importante durante los meses más fríos. A temperaturas ambiente tan bajas, los aislamientos tradicionales de fibra, plástico y celulosa desempeñan con diferencia el papel más importante: el componente de transferencia de calor por radiación es de mucha menos importancia, y la principal contribución de la barrera contra la radiación reside en su superior estanqueidad al aire. En resumen: las afirmaciones sobre 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 (para mantener el calor).

Las limitaciones de los valores R en la evaluación de barreras radiantes.

A diferencia de los aisladores a granel, las barreras radiantes resisten mal el calor conducido. Materiales como las láminas reflectantes tienen una alta conductividad térmica y funcionarían mal como aislante conductor. 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 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 los estándares actuales, R -Los valores se indican con mayor fiabilidad para materiales aislantes a granel . Todos los productos citados al final son ejemplos de estos.

Calcular el rendimiento de las barreras radiantes es más complejo. Con una buena barrera radiante, la mayor parte del flujo de calor se realiza 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 una variedad 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 barreras radiantes. Se ha establecido su eficacia cuando se emplean para resistir la ganancia de calor en aplicaciones limitadas, ^[37] aunque el valor R no los describe adecuadamente.

Deterioro

Envejecimiento del aislamiento

Si bien faltan investigaciones sobre la degradación a largo plazo del valor R en el aislamiento, recientes ^{[ ¿ cuándo? ]} Las investigaciones indican que los valores R de los productos pueden deteriorarse con el tiempo. Por ejemplo, la compactación de celulosa de relleno suelto crea huecos que reducen el rendimiento general; Esto se puede evitar empacando densamente en la instalación inicial. Algunos tipos de aislamiento de espuma , como el poliuretano y el poliisocianurato, se forman con gases pesados ​​como los clorofluorocarbonos (CFC) o los hidroclorofluorocarbonos (HFC). Sin embargo, con el tiempo, estos gases salen 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 celda abierta y no contienen CFC ni HFC atrapados (por ejemplo, espumas de baja densidad de media libra). En determinadas marcas, las pruebas de veinte años no han demostrado ninguna contracción ni reducción del valor aislante. ^{[ cita necesaria ]}

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 liquidado. ^{[ cita necesaria ]} La industria de las espumas ^{[ ¿cuándo? ]} adoptó el método de resistencia térmica a largo plazo (LTTR), ^[38] que califica el valor R basándose en un promedio ponderado de 15 años. Sin embargo, el LTTR efectivamente proporciona sólo 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 EE. UU. ha realizado investigaciones sobre la degradación a largo plazo de los materiales aislantes. Los valores de degradación se obtuvieron a partir de pruebas de laboratorio de corta duración en materiales expuestos a diversas condiciones de temperatura y humedad. Los resultados indican que la absorción de humedad y la pérdida de agente espumante (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 mantuvieron más del 97% de sus valores R iniciales, mientras que los aerogeles y el poliuretano de celda cerrada experimentaron una reducción del 15% y 27,5%, respectivamente. Los resultados sugieren que se aplica una ley de desintegración exponencial a lo largo del tiempo a los valores R de poliuretanos de celda cerrada y mantas de aerogel. ^[39]

Infiltración

La atención adecuada a las medidas de sellado de aire y la consideración de los mecanismos de transferencia de vapor son importantes para el funcionamiento óptimo de los aisladores a granel. La infiltración de aire puede permitir la transferencia de calor por convección o la formación de condensación, las cuales pueden degradar el rendimiento de un aislamiento.

Uno de los valores principales del aislamiento de espuma en aerosol es su capacidad para crear un sello hermético (y en algunos casos, hermético) directamente contra el sustrato para reducir los efectos indeseables 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.

Mediciones in situ del valor R

El deterioro de los valores R es especialmente un problema al 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 lo tanto, para obtener datos fiables, los valores R suelen determinarse mediante mediciones del valor U en el lugar específico (in situ). Existen varios métodos potenciales para esto, cada uno con sus ventajas y desventajas específicas: termografía, múltiples mediciones de temperatura y el método del flujo de calor. ^[40]

Termografía

La termografía se aplica en el sector de la construcción para evaluar la calidad del aislamiento térmico de una estancia o edificio. Mediante una cámara termográfica se pueden identificar puentes térmicos y piezas aislantes no homogéneas. Sin embargo, no produce ningún dato cuantitativo. Este método sólo se puede utilizar para aproximar el valor U o el valor R inverso.

Configuración de medición del flujo de calor

Resultados de la medición del flujo de calor.

Múltiples mediciones de temperatura

Este enfoque se basa en tres o más mediciones de temperatura dentro y fuera de un elemento de construcción. Al sincronizar estas mediciones y hacer algunas suposiciones básicas, es posible calcular el flujo de calor indirectamente y así derivar el valor U de un elemento de construcción. Para obtener resultados fiables deben cumplirse los siguientes requisitos:

• Diferencia entre temperatura interior y exterior, ideal > 15 K
• Condiciones constantes
• Sin radiación solar
• Sin calor por radiación mediciones cercanas

Método de flujo de calor

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. ^[41] Midiendo el calor que fluye a través de un elemento de construcción y combinándolo 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 ordenador portátil mediante el software correspondiente y los datos obtenidos se pueden utilizar para cálculos adicionales. ^{Empresas como FluxTeq, [42]} Ahlborn, greenTEG y Hukseflux ofrecen dispositivos de medición para este tipo de mediciones del flujo de calor .

Colocar el 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 . Colocar 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 del 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:

$${\displaystyle R_{\text{val}}={\frac {\Delta T}{\phi _{q}}}={\frac {T_{o}-T_{i}}{q/A}},}$$

dónde:

• ${\displaystyle R_{\text{val}}}$es el valor R ( K ⋅ W ⁻¹ ⋅ m ² ),
• ${\displaystyle \phi _{q}}$es el flujo de calor ( W ⋅ m ⁻² ),
• ${\displaystyle A}$es el área de superficie del sensor de flujo de calor ( m ² ),
• ${\displaystyle q}$es la tasa de flujo de calor ( W ),
• ${\displaystyle T_{i}}$es la temperatura de la superficie interior ( K ),
• ${\displaystyle T_{o}}$es la temperatura de la superficie exterior ( K ), y
• ${\displaystyle \Delta T}$es la diferencia de temperatura ( K ) entre las superficies interior y exterior.

El valor U también se puede calcular tomando el recíproco del valor R. Eso es,

$${\displaystyle U_{\text{val}}={\frac {1}{R_{\text{val}}}}.}$$

¿Dónde está el valor U ( W ⋅ m ⁻² ⋅ K ⁻¹ )? ${\displaystyle U_{\text{val}}}$

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 de construcción. 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.

Valores de ejemplo

Los paneles aislados 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 (alrededor de R-10 a R-30 por pulgada), seguido por los aislamientos de poliuretano (PUR) y 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 un valor R de aproximadamente R-2,5 a R-4 por pulgada.

Los fardos de paja rinden entre R-2,38 y 2,68 por pulgada, dependiendo de la orientación de los fardos. ^[43] Sin embargo, las casas típicas de balas de paja tienen paredes muy gruesas y, por lo tanto, están bien aisladas. La nieve cuesta 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 estadounidense (no SI) para el valor R.

El aerogel es un aislante térmico extremadamente bueno, que a una presión de una décima parte de una atmósfera tiene un valor R de R-40/m, ^[44] en comparación con R-3,5/m para una manta de fibra de vidrio. ^[45]

Valores R típicos

Esta es una lista de materiales aislantes utilizados en todo el mundo.

Los valores R típicos se dan para diversos materiales y estructuras como aproximaciones basadas en el promedio de cifras disponibles y están ordenados 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 los ordena por valor mediano del rango.

Valores R típicos para superficies

Valores R de superficies no reflectantes para películas de aire

Al determinar la resistencia térmica general de un conjunto de edificio, como una pared o un techo, el efecto aislante de la película de aire superficial se suma a la resistencia térmica de los otros materiales. ^{[sesenta y cinco]}

En la práctica, los valores de superficie anteriores se utilizan para pisos, techos y paredes de un edificio, pero no son exactos para cavidades de aire cerradas, como 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 acristalamiento aislante para comparar los valores R de ventanas con algunos valores R efectivos que incluyen una cavidad de aire.

Barreras radiantes

Regla del valor R en EE. UU.

La Comisión Federal de Comercio (FTC) regula las afirmaciones sobre los valores R para proteger a los consumidores contra afirmaciones publicitarias engañosas y engañosas. Emitió la regla del valor R. ^[68]

El objetivo principal de la regla es garantizar que el mercado de aislamiento para el hogar proporcione al consumidor esta información esencial previa a la compra. La información brinda a los consumidores la oportunidad de comparar eficiencias de aislamiento relativas, seleccionar el producto con mayor eficiencia y potencial de ahorro de energía, realizar una compra rentable y considerar las principales variables que limitan la efectividad del aislamiento y la realización de los ahorros de energía declarados.

La regla exige que se divulgue información específica del valor R para productos de aislamiento para el hogar en ciertos anuncios y en el punto de venta. El objetivo del requisito de divulgación del valor R para la publicidad es evitar que los consumidores se dejen engañar por determinadas afirmaciones que influyen en el valor aislante. En el momento de la transacción, algunos consumidores podrán obtener la información requerida sobre el valor R de 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 de la etiqueta. Como resultado, la Regla requiere que una hoja informativa esté disponible para que los consumidores la inspeccionen antes de realizar su compra.

Espesor

La regla del valor R especifica: ^[69]

Ver también

• Aislamiento de edificios
• Materiales aislantes para la construcción
• Condensación
• Techos frescos
• Transferencia de calor
• Casa pasiva
• Diseño solar pasivo
• Temperatura sol-aire
• Superaislamiento
• Puente termal
• Comodidad térmica
• Conductividad térmica
• Masa térmica
• Transmitancia térmica
• Tog (unidad)

Referencias

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enlaces externos

• La tabla de valores R de aislamiento en InspectApedia incluye citas de fuentes originales
• Información sobre los cálculos, significados e interrelaciones de términos relacionados con transferencia de calor y resistencia.
• Tabla de valores R de materiales de construcción americanos
• Trabajar con valores R
• Valor R del aislamiento explicado
• Comprender el valor R