El vidrio aislante ( IG ) consiste en dos o más paneles de vidrio separados por un espacio para reducir la transferencia de calor a través de una parte de la envoltura del edificio . Una ventana con vidrio aislante se conoce comúnmente como doble acristalamiento o ventana de doble panel , triple acristalamiento o ventana de triple panel, o cuádruple acristalamiento o ventana de cuádruple panel, según la cantidad de paneles de vidrio que se utilicen en su construcción.
Las unidades de vidrio aislante (UGI) se fabrican normalmente con vidrio de 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 la atenuación acústica o la seguridad pueden requerir que se incorporen 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 de guillotina tradicionales utilizaban un solo panel de vidrio para separar los espacios interiores y exteriores.
Las ventanas y mosquiteras tradicionales requieren mucho tiempo y mano de obra, ya que es necesario quitarlas y guardarlas en primavera y volver a instalarlas en otoño y guardar las mosquiteras. El peso del gran marco y el vidrio de la ventana contra tormentas hace que reemplazarlas en los pisos superiores de los edificios altos sea una tarea difícil, ya que es necesario subir repetidamente una escalera con cada ventana e intentar mantenerla en su lugar mientras se aseguran los clips de retención alrededor de los bordes. Sin embargo, las reproducciones actuales de estas ventanas contra tormentas de estilo antiguo se pueden hacer con vidrio desmontable en el panel inferior que se puede reemplazar con una mosquitera desmontable cuando se desee. Esto elimina la necesidad de cambiar toda la ventana contra tormentas según las estaciones.
El acristalamiento aislante forma un sándwich multicapa muy compacto de aire y vidrio, lo que elimina la necesidad de ventanas contra tormentas. Las mosquiteras también se pueden dejar instaladas durante todo el año con el acristalamiento aislante, y se pueden instalar de manera que permitan su instalación y extracción desde el interior del edificio, eliminando la necesidad de trepar al exterior de la casa para realizar el mantenimiento de las ventanas. Es posible adaptar el acristalamiento aislante a los marcos tradicionales de doble hoja, aunque esto requeriría una modificación significativa del marco de madera debido al mayor grosor del conjunto de acristalamiento aislante.
Las unidades de ventana modernas con vidrio aislante generalmente reemplazan por completo a las antiguas unidades de guillotina doble e incluyen otras mejoras, como un mejor sellado entre las ventanas superiores e inferiores y un sistema de equilibrio de peso accionado por resorte que elimina la necesidad de grandes pesos colgantes dentro de la pared junto a las ventanas, lo que permite un mayor aislamiento alrededor de la ventana y reduce las fugas de aire. El vidrio aislante brinda una protección sólida contra el sol y mantiene la casa fresca en el verano caluroso y cálida en el invierno. Los mecanismos de equilibrio accionados por resorte también suelen permitir que la parte superior de las ventanas se abra hacia adentro, lo que permite limpiar el exterior de la ventana con vidrio aislante 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 patentada en los Estados Unidos por Thomas Stetson en 1865. [3] Se desarrolló como un producto comercial en la década de 1930, cuando se presentaron varias patentes y la Libbey-Owens-Ford Glass Company anunció un producto en 1944. [4] Su producto se vendió bajo la marca Thermopane, que se había registrado como marca comercial en 1941. La tecnología Thermopane difiere significativamente de las IGU contemporáneas. Los dos paneles de vidrio se soldaban entre sí mediante un sello de vidrio y los dos paneles estaban separados por menos de las 0,5 pulgadas (1,3 cm) típicas de las unidades modernas. [5] La marca Thermopane ha entrado en el vocabulario de la industria del acristalamiento como la marca comercial genérica para cualquier IGU. [ cita requerida ]
El vidrio de una sola hoja es un aislante muy deficiente (valor R de alrededor de 1, RSI por debajo de 0,2), por lo que proporciona muy poco aislamiento. Con frecuencia se emplean revestimientos de vidrio, como revestimientos parcialmente reflectantes o de color para reducir la insolación y revestimientos para reflejar los rayos infrarrojos.
El vidrio de baja emisividad (vidrio Low E) 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. Estos son generalmente revestimientos metálicos, que se aplican normalmente 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 al rendimiento térmico (valor R) como al coeficiente de ganancia de calor solar (SHGC). Hay dos tipos de revestimientos Low E disponibles: revestimientos duros y revestimientos blandos. Los revestimientos duros se producen utilizando óxido de estaño que se aplica cuando el vidrio aún está caliente y se absorbe en el vidrio, y son resistentes al desgaste y generalmente más económicos. Los revestimientos blandos se pulverizan al vacío sobre la superficie del vidrio y tienen un mayor rendimiento, pero se oxidan y dañan fácilmente, por lo que deben protegerse con un relleno de gas inerte. [6]
Los paneles de vidrio están separados por un "espaciador". Un espaciador, que puede ser del tipo de 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, que los fabricantes creían que proporcionaban mayor durabilidad, y su precio más bajo significa que siguen siendo comunes.
Sin embargo, los espaciadores de metal conducen el calor (a menos que el metal esté mejorado térmicamente), lo que socava la capacidad de la unidad de vidrio aislante (IGU) para reducir el flujo de calor. También puede provocar la formación de 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 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 en el espacio con un gas de menor conductividad térmica . La transferencia de calor por convección de gas es una función de la viscosidad y el calor específico. Los gases monoatómicos como el argón , el criptón y el xenón se utilizan a menudo ya que (a temperaturas normales) no transportan calor en modos rotacionales , lo que resulta en una capacidad térmica menor 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 es casi el 1% de la atmósfera y se aísla a un costo moderado. El criptón y el xenón son solo componentes traza de la atmósfera y 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 solo 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, el SF
6El SF se rige por la directiva sobre gases fluorados, que prohíbe o controla su uso para diversas aplicaciones. Desde el 1 de enero de 2006, el SF
6Está prohibido su uso como gas trazador y en todas las aplicaciones excepto en cuadros de distribución de alto voltaje . [8]
En general, cuanto más eficaz sea un gas de relleno en su espesor óptimo, más fino será el espesor óptimo. Por ejemplo, el espesor óptimo para el criptón es menor que para el argón, y menor para el argón que para el aire. [9] Sin embargo, dado que es difícil determinar si el gas en una unidad de vidrio aislante se ha mezclado con aire en el momento de la fabricación (o se mezcla con aire una vez instalada), muchos diseñadores prefieren utilizar espacios más gruesos de los que serían óptimos para el gas de relleno si fuera puro. El argón se utiliza habitualmente en acristalamientos aislantes, ya que 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 rendimiento extremadamente alto. El xenón ha encontrado muy pocas aplicaciones en las unidades de vidrio aislante debido a su coste. [10]
La tecnología de vacío también se utiliza en algunos productos de aislamiento no transparentes llamados paneles aislados al vacío .
Las unidades de vidrio aislante se fabrican a menudo 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 para cada panel, así como el espesor total de la unidad, deben ser suministrados al fabricante. En la línea de montaje, se cortan espaciadores de espesores específicos y se ensamblan en las dimensiones de ancho y alto totales requeridas y se llenan con desecante. En una línea paralela, los paneles de vidrio se cortan a medida y se lavan para que sean ópticamente transparentes.
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Se aplica un adhesivo, sellador primario ( 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 agujeros 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 quitan las líneas y se sellan los agujeros para contener el gas. La técnica más moderna es utilizar un llenador de gas en línea, que elimina la necesidad de perforar agujeros en el espaciador. El propósito del sellador primario es evitar que el gas aislante se escape y que entre vapor de agua. Luego, las unidades se envuelven en el lado del borde utilizando polisulfuro o sellador de silicona o material similar como sellador secundario que restringe los movimientos del sellador primario de plástico gomoso. El desecante eliminará los rastros de humedad del espacio de aire para que no aparezca agua en las caras internas (sin condensación) de los paneles de vidrio que miran hacia el 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 de aislamiento de una unidad de aislamiento térmico estándar está determinada por el espesor del espacio. Un espacio mayor aumenta el valor de aislamiento hasta cierto punto, pero eventualmente, con un espacio lo suficientemente grande, las corrientes de convección comienzan a fluir y transportan calor entre los paneles dentro de la unidad. Por lo general, 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 unidad de aislamiento térmico. [11]
El espesor de la unidad de aislamiento térmico es un compromiso entre la maximización del valor aislante y la capacidad del sistema de armazón utilizado para soportar la unidad. Algunos sistemas de acristalamiento residenciales y la mayoría de los sistemas comerciales pueden adaptarse al 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 unidad de aislamiento térmico. 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, en particular si estos paneles están contenidos en marcos o hojas móviles.
Esta disyuntiva 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 necesarios sobre el área de la cara. [14] [15] Estas unidades VIG tienen la mayor parte del aire eliminado del espacio entre los paneles, dejando un vacío casi completo . Las unidades VIG que se encuentran actualmente en el mercado están selladas herméticamente a lo largo de su perímetro con vidrio de soldadura, es decir, una frita de vidrio (vidrio en polvo) que tiene un punto de fusión reducido se calienta para unir los componentes. Esto crea un sello de vidrio que experimenta un estrés creciente con el aumento del diferencial de temperatura en la unidad. Este estrés puede limitar el diferencial de temperatura máximo permitido. Un fabricante proporciona una recomendación de 35 °C. Se requieren pilares muy espaciados para reforzar el acristalamiento para resistir la presión de la atmósfera. El espaciamiento 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 las aplicaciones en las que se desea una vista sin obstáculos a través de la unidad de acristalamiento, es decir, la mayoría de las ventanas residenciales y comerciales y las vitrinas refrigeradas para alimentos. Sin embargo, las ventanas equipadas con VIG tienen un rendimiento inferior debido a la intensa transferencia de calor por los bordes. [12]
La eficacia del aislamiento se puede expresar como un valor R o valor RSI . Cuanto mayor sea el valor, mayor será su resistencia a la transferencia de calor. Una unidad de aislamiento térmico estándar que consta de paneles de vidrio transparentes sin revestimiento (o luces) con aire en la cavidad entre las luces normalmente tiene un valor RSI de 0,35 K·m 2 /W.
Utilizando unidades tradicionales 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. Agregar 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. Las IGU de triple vidrio diseñadas correctamente con recubrimientos de baja emisividad en las superficies n.° 2 y n.° 4 y llenas de gas argón en las cavidades. Algunas unidades de IG de múltiples cámaras 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, según el recubrimiento de baja emisividad. Las unidades VIG dobles con espaciador de borde cálido alcanzan R-25 (centro del vidrio) o más, según 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 se produce el cuádruple acristalamiento para entornos fríos como Alaska o Escandinavia. [16] [17] Incluso hay acristalamientos quíntuples y de seis paneles (cuatro o cinco cavidades), con factores de aislamiento de panel intermedio equivalentes a las paredes. [18] [19] [20]
En algunas situaciones, el aislamiento se refiere 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 (espesores de vidrio iguales utilizados 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 de los materiales de acristalamiento afectan a la acústica. Las configuraciones de acristalamiento más utilizadas para la amortiguación del sonido incluyen vidrio laminado con espesores variables de la capa intermedia y del vidrio. La inclusión de un espaciador de aire de barrera térmica de aluminio estructuralmente mejorado en el vidrio aislante puede mejorar el rendimiento acústico al reducir la transmisión de fuentes de ruido exterior en el sistema de fenestración.
La revisión de 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 la cantidad de luz visible que pasa por el vidrio, expresada como fracción. Parte de la luz también será absorbida y reflejada.
Algunos tipos de luz incluyen ondas de radio. Cabe destacar que muchos vidrios de baja emisividad y recubrimientos metalizados semirreflectivos atenúan en gran medida las señales de Wi-Fi y de teléfonos celulares. [ cita requerida ]
La vida útil de una IGU varía según la calidad de los materiales utilizados, el tamaño del espacio entre el panel interior y el exterior, las diferencias de temperatura, la mano de obra y la ubicación de la instalación, tanto en términos de dirección de la fachada como de ubicación geográfica, así como el tratamiento que recibe la unidad. Las unidades de vidrio aislante suelen durar entre 10 y 25 años, y las ventanas orientadas al ecuador suelen durar menos de 12 años. Las IGU suelen tener una garantía de entre 10 y 20 años, según el fabricante. Si se modifican las IGU (por ejemplo, instalando una película aislante en la ventana ), el fabricante puede anular la garantía.
La Alianza de Fabricantes de Vidrio Aislante (IGMA) [22] realizó un estudio exhaustivo para caracterizar las fallas de las unidades de vidrio aislante comerciales durante un período de 25 años.
En el caso de una unidad de vidrio aislante de construcción estándar, la condensación se acumula entre las capas de vidrio cuando falla el sello perimetral y cuando se satura el desecante, y generalmente solo se puede eliminar reemplazando la unidad de vidrio aislante. La falla del sello y el reemplazo posterior resultan en un factor significativo en el costo total de poseer una unidad de vidrio aislante. [23]
Las grandes diferencias de temperatura entre los paneles interiores y exteriores tensionan los adhesivos espaciadores, que pueden acabar fallando. Las unidades con un espacio pequeño entre los paneles son más propensas a fallar debido al aumento de la tensión.
Los cambios de presión atmosférica combinados con el clima húmedo pueden, en casos excepcionales, provocar que el espacio se llene con agua.
Las superficies de sellado flexibles que evitan la infiltración alrededor de la unidad de ventana también pueden degradarse, romperse o dañarse. El reemplazo de estos sellos puede ser difícil o imposible, debido a que las ventanas de vidrio aislante suelen utilizar marcos de canal extruido sin tornillos ni placas de retención de sellos. En cambio, los sellos de borde se instalan empujando un labio flexible unidireccional con sangría en forma de flecha en una ranura en el canal extruido y, a menudo, no se pueden extraer fácilmente de la ranura extruida para reemplazarlos.
En Canadá, desde principios de 1990, existen algunas empresas que ofrecen servicio técnico para unidades de IG defectuosas. Proporcionan ventilación abierta a la atmósfera perforando orificios en el vidrio y/o en el espaciador. Esta solución a menudo revierte la condensación visible, pero no puede limpiar la superficie interior del vidrio ni las manchas que pueden haberse producido después de una exposición prolongada a la humedad. Pueden ofrecer una garantía de 5 a 20 años. Esta solución reduce el valor de aislamiento de la ventana, pero puede ser una solución "ecológica" cuando la ventana aún está en buenas condiciones. Si la unidad de IG tenía un relleno de gas (por ejemplo, argón o 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 defectuosas [24] en el Reino Unido, y hay una empresa que ofrece restauración de unidades de doble acristalamiento defectuosas en Irlanda desde 2010.
Las diferencias de temperatura en la superficie de los paneles de vidrio 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 la tensión térmica, mientras que el recocido reduce la tensión interna incorporada al vidrio durante la fabricación.
La expansión térmica crea presión interna, o tensión, donde el material cálido que se expande se ve restringido por el material más frío. Por lo general, las grietas se inician y se propagan desde el borde estrecho cortado sombreado donde el vidrio está más frío y las ranuras y muescas diminutas causan concentración de tensión . El espesor del vidrio no tiene un efecto directo en el agrietamiento térmico en las ventanas porque tanto la tensión térmica como la resistencia del material son proporcionales al espesor. El vidrio recocido y templado suele ser más resistente al agrietamiento.
Teniendo en cuenta 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. Esta se puede calcular en kW (kilovatios), pero, de manera más útil para los cálculos de costo-beneficio, se puede expresar en kWh pa (kilovatios hora por año), en función de las condiciones típicas durante un año para una ubicación determinada.
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 paneles por convección, por conducción a través del marco y por infiltración alrededor de los sellos perimetrales y el sello del marco hacia el edificio. Las tasas 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 parasoles durante el día en verano. En un intento de proporcionar una comparación útil entre las construcciones de ventanas alternativas, el British Fenestration Rating Council ha definido una "Clasificación energética de ventanas" WER, que va desde A para la mejor 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 obtendrá en un año típico tanto calor por la energía solar como el que perderá por otros medios (sin embargo, la mayor parte de esta ganancia se producirá durante los meses de verano, cuando el ocupante del edificio puede no necesitar el calor). Esto proporciona un mejor rendimiento térmico que una pared típica.
Programas de calificación y certificaciones de ventanas:
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Medios relacionados con Acristalamiento aislante en Wikimedia Commons