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Capítulo II MARCO TEORÍCO
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Capítulo II MARCO TEORÍCO
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CAPITULO II
MARCO TEORICO
En el presente capitulo se exponen los antecedentes como referencia a la
propuesta presentada actualmente, asimismo se reseñan las bases teóricas
donde se describen las diferentes nociones y definiciones concernientes al
estudio desarrollado, y finalmente se detallan las variables que conforman el
mismo, desde los puntos de vista nominal, conceptual y operacional.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
La revisión de los antecedentes relacionados con el propósito general de
este estudio, son los siguientes:
Para iniciar se revisó el siguiente trabajo especial de grado, que tiene
como título “Materiales Aislantes Sostenibles” el cual fue presentado por
María Velásquez Rodríguez.
Este trabajo especial de grado describe la importancia de la sostenibilidad
en la edificación, detallando consideraciones por las que tomar medidas para
reducir el consumo energético y el uso racional de los recursos. Se detallan
algunos tipos de aislamientos térmicos y se concentra en los más
convenientes desde el punto de vista social, económico y medioambiental
para mantener el confort climático tomando como modelo recursos que nos
ofrece la naturaleza con la función de proteger, aislar y renovar por si solos.
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El objetivo de este estudio es debido a la importancia del confort climático
del usuario en la vivienda sin tener que recurrir a un excesivo gasto
energético así como detallar los materiales más adecuados ambiental o
energéticamente.
Dado que las características de los materiales que nos rodean son las
responsables de controlar ese confort y reducción de la factura de energía,
se comparan aislamiento que a la vez de cubrir estas exigencias, se
correspondan dentro de los ámbitos de la bioconstruccion.
Las principales conclusiones finales fueron: Todos los materiales usados
en esta investigación, son naturales, orgánicos y por lo tanto biodegradables,
tienen buena capacidad higroscópica permitiendo la transpiración, asi que
son reguladores de humedad en la edificación. Se verifico a simple vista que
el corcho y la fibra de cáñamo (materias primas nacionales) son las más
ventajosas con menos decadencias, seguidamente la celulosa, la lana y fibra
de madera.
La presente investigación brinda grandes aportes en las concepciones
teóricas de los autores que versan acerca de aislantes térmicos y de su
aplicación en la actualidad.
Se revisó el siguiente trabajo especial de grado que tiene como título
“Estudio de la Transferencia de Calor en Ventanas Mexicanas en condiciones
de clima frío mediante una cámara de ambiente controlado” presentado por
Jiménez García, Ingrid Paulina.
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En la mayoría de las aplicaciones de edificios en la vida real, el conocer
los parámetros de transferencia de calor en los componentes principales
permite realizar mejoras en los diseños de manera que se incremente el
aislamiento que pueden conducir a ahorros de energía importantes.
En este trabajo se estudia la transferencia de calor en ventanas
representativas de México, mediante pruebas experimentales utilizando una
cámara de ambiente controlado, tipo Hot Box, que evalúa el coeficiente
global de transferencia de calor (Factor U). Para llevar a cabo la
experimentación, primero se seleccionaron las ventanas de acuerdo al tipo
de material del marco que se utiliza o se han venido utilizado en México:
aluminio, fierro, PVC y madera; las ventanas que se utilizaron son fijas con
vidrio claro de 6 mm. Se establecieron condiciones de prueba para clima frío
para realizar la evaluación de las ventanas.
Las ventanas seleccionadas se evaluaron de acuerdo al procedimiento
indicado en la norma ASTM C1199. La caracterización de la cámara de
medición se realizó conforme se establece en la norma ASTM C1363. El
aparato tipo Hot Box, localizado en el Laboratorio de Tecnología Solar, se
utilizó mediante la configuración calibrada o sin cámara de guarda. Las
condiciones de prueba que se establecieron para determinar el Factor U de
las ventanas fueron de la región de clima frío de la República Mexicana con
una temperatura de 25°C para el interior de una habitación y de 11°C a 14°C
para el exterior.
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Se obtuvieron los resultados del Factor U para los cuatro tipos de
ventanas y posteriormente se realizó un estudio comparativo de los
resultados. Se encontró que la ventana de PVC presentó el valor del factor U
más bajo 2.2 W/m2°C y la ventana de aluminio presentó el valor más alto 5.9
W/m2°C. Esto implica que la ventana con marco de aluminio tiene una mayor
conductancia que las ventanas de madera y de PVC. Así la ventana con
marco de PVC es mejor aislante para edificaciones en climas fríos.
La investigación aporto a la presente investigación, las concepciones
teóricas acerca de la transferencia de calor, al igual que una metodología
para el desarrollo de este tipo de estudio.
En esta ocasión se revisó el siguiente trabajo especial de grado, el cual
tuvo como título “Metodología para el mejoramiento de la calidad térmica de
la construcción de edificaciones en la Costa Oriental Del Lago”, presentado
por Granadillo Cegarra, Ángel Eduardo; Lozada Araujo, Luiggi Rafael y Rojas
Wildman, Leonardo José. El propósito de este estudio fue Desarrollar una
metodología para el mejoramiento de la calidad térmica de la construcción de
edificaciones en la Costa Oriental del Lago.
El tipo de investigación se considera descriptiva. El diseño no
experimental, de campo y transaccional descriptiva. La población se presenta
finita y accesible por lo tanto se asume un censo poblacional. Esta
investigación se realizó utilizando las técnicas de la observación y la revisión
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documental; y la entrevista no estructurada, como instrumento compuesto de
6 ítems.
Las principales conclusiones fueron: existen materiales eficaces de
construcción, métodos y sobre todo aislantes, con que se puede mejorar el
confort térmico de los usuarios de las edificaciones, apreciándose la
existencia de oportunidades de mejora. Así mismo, el Estado se encuentra
con falta de iniciativa para fomentar la creación y uso de una normativa
eficiente que cubra todos los aspectos y variables con respecto a calidad
térmica, para todo el territorio venezolano.
Los lineamientos surgieron como respuesta a las fallas encontradas en la
mala gestión de construcción nuevas edificaciones de uso residencial en la
Costa Oriental de Lago. Por último, se puede llegar ahorrar alrededor de 50%
en las viviendas de interés social y 20% por parte de las constructoras
privadas.
Esta investigación nos permitió ampliar la información, manejada en el
estudio que se presenta, referente a los tipos de aislantes y el valor de sus
coeficientes, así como también los parámetros internos y externos que
existen en un área a acondicionar.
Por último se revisó el siguiente trabajo especial de grado que tiene como
título “Rediseño y construcción de un medidor de conductividad térmica para
aislantes térmicos”, presentado por Aguilar Juárez, Jorge.
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El presente trabajo muestra las etapas de rediseño y construcción de un
medidor de conductividad térmica para aislantes térmicos, así como las
pruebas realizadas y los resultados obtenidos. En la literatura disponible se
encontraron algunos equipos para medir la conductividad térmica de
materiales aislantes, todos utilizan placas planas en su diseño y un método
de medición secundaria o comparativa a excepción del aparato de placa
caliente con guarda el cual emplea un método de medición primaria o
absoluta.
La atención se enfocó en el último equipo debido a que no requiere datos
de propiedades de ningún material de referencia para medir la conductividad
térmica de aislantes térmicos, y se decidió rediseñarlo y construir una versión
cilíndrica del mismo.
La etapa de rediseño se efectuó considerando tres aspectos generales: a)
Diseño térmico. Se analizó la ley de Fourier para conducción de calor a
través de un cilindro hueco en condiciones estables, cuya superficie interna
se expone a una fuente de calor a temperatura constante mientras que la
superficie exterior se encuentra circundada por aire a temperatura ambiente
sin corrientes convectivas, sin flujo de energía en la dirección longitudinal, y
con una conductividad térmica constante, siendo este el principio de
funcionamiento del equipo de medición. b) Sistema eléctrico.
Se indicaron las características técnicas y la función de cada uno de los
elementos eléctricos que forman parte del equipo (resistencia calefactora,
contactor, reóstato, banco de resistencias fijas, conductores eléctricos y
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protecciones) incluyendo la instrumentación (termómetro, termopares,
termostato y amperímetro). c) Diseño mecánico. Se diseñaron elementos
mecánicos para proporcionar estructura y resguardo al sistema cilíndrico.
En la etapa constructiva se explicó la forma en que se llevó a cabo la
instalación y el ensamble de las partes del medidor de conductividad térmica.
El periodo de pruebas se caracterizó por una serie de ajustes para corregir el
funcionamiento del equipo y el método de medición. Con base a resultados
satisfactorios en las mediciones, se concluyó que el equipo es confiable y
válidas las magnitudes de conductividad térmica obtenidas con el ensayo. De
esta manera se cumplió con el objetivo de la tesis: rediseñar y construir un
equipo de medición para determinar de manera confiable la conductividad
térmica de aislantes térmicos.
La investigación antes nombrada nos permitió ampliar la información
acerca de las escalas a tener de un medidor de conductividad térmica en
aislantes, además de cómo se realiza el montaje de un material aislante, es
sumamente importante puesto que nos da un estimado de los valores en el
cual debe funcionar un material esta magnitud.
2. BASES TEORICAS
2.1. AISLANTE TERMICO
Analizando por Tueros (2004), “Es el método con el cual tratamos de
aislar térmicamente una superficie reduciendo la transferencia de calor hacia
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o desde el ambiente mediante el uso de materiales aislantes o de baja
conductividad térmica”.
Según la Fundación Laboral de Construcción (2016, p. 5), Un producto
aislante térmico es un producto que reduce la transmisión de calor a través
de la estructura sobre la que, o en la que se instala.
Según lo antes expuesto, se puede decir, que el aislante térmico es un
método o un material capaz de disminuir la transferencia de calor.
2.2. MATERIAL AISLANTE
Se define por Tueros (2004), a “aquellos materiales cuya principal
característica física es su baja conductividad térmica, la cual es característica
que expresa la mayor o menor dificultad del material para permitir la
transferencia de calor”.
Por su parte Enelven y otros (1999, p. 148), testifica que en la Región
Zuliana, donde las temperaturas del aire se elevan en muchas veces por
encima de 30ºC, el uso del material aislante es recomendado inclusive si la
superficie externa es de color blanco. Ello ayuda a reducir aún más el flujo de
calor del exterior al espacio interior.
Son los materiales que reducen, resisten o impiden completamente el
paso de energía como el calor. Tienen una baja conductividad térmica como
una de las principales características, para reducir o disminuir la
transferencia de calor en una superficie dada.
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2.3. CLASIFICACIÓN DE AISLANTES TÉRMICOS
Según la Fundación Laboral de Construcción (2016, p. 11), Los materiales
aislantes pueden clasificarse según su origen en: plásticos o sintéticos, de
origen mineral, fibras de origen vegetal y animal.
2.3.1. MATERIALES DE AISLAMIENTO TÉRMICO DE ORIGEN
SINTÉTICO
2.3.1.1. POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS)
El poliestireno es un derivado plástico que se elabora a partir de diversos
productos obtenidos por la destilación del petróleo. Como material utilizado
en la construcción, y concretamente como material aislante, se fabrican dos
clases diferentes de poliestireno: el expandido y el extruido. Concretamente,
el poliestireno expandido se comercializa en forma de espuma rígida EPS,
aunque comúnmente se conoce con la denominación de “porexpán”.
2.3.1.2. POLIESTIRENO EXTRUIDO (XPS)
Este tipo de poliestireno, a diferencia del expandido, tiene una escasa
absorción de agua, una mayor densidad (entre 20 y 55 kg/m3) y una alta
resistencia mecánica.
Por este motivo, resiste muy bien las bajas temperaturas e incluso las
heladas. Además, al ser más denso, tiene una mayor resistencia a
compresión, por lo que puede soportar cargas.
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2.3.1.3. POLIURETANO (PUR)
El poliuretano, como aislante térmico, se utiliza en forma de espuma rígida
y en las especificaciones técnicas recibe la denominación abreviada de PUR.
La espuma tiene un color amarillo y, una vez endurecida, su densidad
suele oscilar entre los 30 y 40 kg/m3, con una conductividad térmica λ ≈
0,023 W/mK. La absorción de agua de este tipo de material es prácticamente
nula, lo que constituye una ventaja fundamental.
2.3.1.4. POLIISOCIANATO (PIR)
La espuma rígida de poliisocianurato (PIR) es una variante de la espuma
de poliuretano (PUR) manteniendo prácticamente iguales su apariencia, sus
propiedades mecánicas y térmicas, diferenciándose por su mayor resistencia
al fuego y a la temperatura.
La espuma PIR reacciona frente al fuego formando una capa superficial
carbonizada que protege e impide la penetración de las llamas a las capas
inferiores.
2.3.1.5. POLIETILENO
En el mercado se pueden encontrar dos productos diferenciados de
aislamiento térmico elaborados con espuma de polietileno:
Polietileno reticulado: adecuada para aplicaciones de estanqueidad, con
buena resistencia a la temperatura y buen comportamiento frente a la
exposición solar.
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Polietileno no reticulado: buen aislante termoacústico y gran flexibilidad,
por lo que se adapta a cualquier forma.
2.3.1.6. ESPUMA FENÓLICA
Se encuentran planchas aislantes de espuma fenólica, con o sin
revestimiento. Son duraderas, tienen buen comportamiento ante el fuego,
siendo retardadores y con baja emisión de humo, y son ligeras.
2.3.1.7. POLICARBONATO AISLANTE
Es un producto de gran resistencia y con buenas propiedades térmicas.
Se fabrica en forma de placas extrusionadas para su colocación en horizontal
y en vertical. Se colocan vistas, dado su acabado liso y sin juntas.
2.3.2. MATERIALES DE AISLAMIENTO TÉRMICO DE ORIGEN MINERAL
2.3.2.1. LANA MINERAL
La lana mineral (MW) es un material aislante constituido por un
entrelazado de filamentos de naturaleza pétrea que forman un fieltro. Dentro
de las lanas minerales se distinguen dos tipos: las lanas o fibras de vidrio y
las lanas de roca.
Lana de vidrio. Este material está conformado por una infinidad de
pequeños filamentos o fibras de vidrio que se obtienen a partir de una mezcla
fundida de arena natural, aditivos y vidrio reciclado.
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Lana de roca. Es un material muy similar a la fibra de vidrio, pero fabricado
a partir de roca volcánica.
2.3.2.2. VIDRIO CELULAR
Se obtiene a partir de la fusión del polvo de vidrio, mediante un proceso
termoquímico en el que dicho polvo se aglomera, formándose unas células
huecas en el interior.
2.3.2.3. ARCILLA EXPANDIDA, PERLITA Y VERMICULITA
Son productos con ciertas coincidencias en algunas de sus
características, siendo los primeros que se utilizaron como materiales de
aislamiento de origen mineral.
Arcilla expandida, se conoce comúnmente como “arlita”, es un material
aislante de origen cerámico con una estructura altamente porosa, como
consecuencia de la expansión de la arcilla a altas temperaturas.
Perlita expandida se obtiene a partir de roca volcánica con agua de
cristalización en su interior. Es un material inerte a los agentes atmosféricos y
al envejecimiento, incombustible, no tóxico, insoluble y no absorbe agua (no
higroscópico).
La vermiculita se obtiene por la descomposición de la mica, que contiene
agua cristalizada en su interior. Tiene una densidad muy baja, entre 2 y 3
kg/m3.
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2.3.2.4. HORMIGÓN CELULAR
Este tipo de hormigón tiene una estructura alveolar compuesta por
infinidad de células de aire que le confieren sus propiedades de aislamiento
térmico. Se elabora para su puesta en obra mediante vertido o bombeo, o se
presenta en forma de placas o bloques prefabricados.
Los cerramientos elaborados con este hormigón actúan como barrera
contra el calor exterior en verano y evitan la pérdida del calor de calefacción
en invierno. Este material es resistente al fuego y estanco al humo y a los
gases tóxicos.
2.3.2.5. ARCILLA AISLANTE
También conocida por “Termoarcilla”, consiste en un material cerámico
elaborado a partir de una mezcla de arcilla y aditivos aligerantes (p. ej.,
poliestireno), que se gasifican durante el proceso de cocción.
2.3.3. MATERIALES DE AISLAMIENTO TÉRMICO DE ORIGEN VEGETAL
2.3.3.1. CELULOSA
Se trata de residuos de papel que se reciclan en forma de aislante para el
aislamiento de muros con cámara de aire.
2.3.3.2. CORCHO AGLOMERADO
El aglomerado de corcho posee excelentes propiedades, como su
resistencia al fuego, su escasa absorción de agua (10% - 12%), un buen
aislamiento térmico y una gran absorción acústica.
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2.3.3.3. CORCHO PROYECTADO
Se usa para la terminación de paramentos exteriores e interiores,
quedando un acabado con un espesor de 3 a 6 mm.
2.3.3.4. FIBRAS DE MADERA Y AGROFIBRAS
Existen paneles o tableros aislantes de distintos espesores y
confeccionados con fibras de madera (virutas procedentes de residuos y del
reciclaje) prensadas y aglomeradas con resinas, yeso o cemento blanco.
Asimismo, algunos productos comerciales emplean la paja sobrante de las
cosechas agrícolas para la confección de paneles aislantes.
Estos paneles pueden fabricarse con cantos machihembrados o en forma
de paneles multicapa para ser empleados en los cerramientos de edificios,
incluso como material de acabado.
Cuadro Nº 1 MATERIALES AISLANTES UTILIZADOS HABITUALMENTE EN
CONSTRUCCIÓN
FUENTE: Fundación Laboral de Construcción (2016)
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2.4. PROPIEDADES DE AISLAMIENTO
Según La Fundación Laboral de Construcción (2016, p. 8), existen
diversas propiedades como:
Conductividad térmica (λ): es una propiedad de los materiales que se
refiere a la velocidad con que el calor se transmite por conducción a través
de ellos. Se expresa en (W/m·K).
Resistencia térmica (R): es la capacidad que tienen los materiales de
oponerse al flujo del calor.
Densidad (p): es la masa de material que existe por unidad de volumen
(kg/m3).
Reacción al fuego: determina la propensión de un material a alimentar un
incendio. Los criterios adoptados son la inflamabilidad de los materiales,
poder calorífico, rapidez de propagación de la llama, índice de producción de
humo, presencia de gotas y restos incandescentes.
2.5. CALOR
Según Mills (1997, p. 7), el calor se define como la energía que se
transfiere debido a gradientes o diferencia de temperatura.
Para Kreith, Manglik y Bohn (2012, p. 2), el calor es la cantidad de
energía que, en esencia, se transporta, o se “mueve”, mediante un gradiente
de temperatura, fluye o se transfiere de una región de alta temperatura a una
baja temperatura. El calor no se puede observar o medir de manera directa.
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Sin embargo, sus efectos se pueden identificar y cuantificar mediante
mediciones y análisis.
Según lo antes expuesto, el calor no es más, que la energía que poseen
los cuerpos capaces de ser transferidas debido a un gradiente de
temperaturas.
2.6. TRANSFERENCIA DE CALOR
Según Kreith, Manglik y Bohn (2012, p. 3) siempre que existe un
gradiente de temperatura en un Sistema, o cuando se ponen en contacto dos
sistemas con temperaturas diferentes, se transfiere energía. El proceso
mediante el cual tiene lugar el transporte de energía se conoce como
transferencia de calor.
Según Mills (1997, p. 4) la transferencia de calor en ingeniería se ocupa
del cálculo de la velocidad a la que el calor fluye en un medio dado, través de
una interfaz o entre dos superficies, así como la determinación de
temperaturas asociadas.
Dicho de otra manera, la transferencia de calor es la transferencia de
energía entre dos cuerpos de distintas temperaturas.
2.7. MODOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
2.7.1. POR CONDUCCIÓN
Según Manrique (2002, p.2, 3) el fenómeno de transferencia de calor por
conducción constituye un proceso de propagación de energía en un medio
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sólido, liquido o gaseoso mediante la comunicación molecular directa cuando
existe un gradiente de temperatura.
En el caso de líquidos y gases, tal transferencia es importante siempre
que se tomen las precauciones debidas para eliminar las corrientes naturales
del flujo que pueden presentarse como consecuencia de las diferencias de
densidad que presentan ambos fluidos. De aquí que la transferencia de calor
por conducción sea de particular importancia en solidos sujetos a una
variación de temperaturas.
Al haber un gradiente de temperatura en el medio, la segunda ley de la
termodinámica establece que la transferencia de calor se lleva a cabo de la
región de mayor temperatura a la de menor, como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Fuente: Manrique (2002)
En tales circunstancias se dice que el flujo de calor por unidad de área es
proporcional al gradiente de temperatura.
Es decir:
푞" = −푘 (1)
Donde q” denota el flujo de calor por unidad de área o densidad de calor
en la dirección x, y k es la conductividad térmica del material. Sus unidades
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son W/mK (watt por metro kelvin) en el Sistema Internacional (SI) de
unidades. También se emplean de manera indistinta las unidades W/m°C. A
la ecuación (I.1) se le agrega un signo negativo para que cumpla con la
segunda ley de la termodinámica, es decir, que el calor debe fluir de mayor a
menor temperatura. Esta ecuación se define como la le ley de Fourier y (cabe
destacar) define la conductividad térmica k. Aun cuando esta propiedad de
transporte varía con la temperatura, en numerosas aplicaciones puede
suponerse constante.
Para Kreith, Manglik y Bohn (2012, p.9) siempre que existe un gradiente
de temperatura en un medio sólido, el calor fluirá de la región de mayor
temperatura a la de menor temperatura. La velocidad a la que el calor se
transfiere por conducción, qk, es proporcional al gradiente de temperatura
dT/dx por el área A a través de la que se transfiere el calor:
푞푘훼퐴 (2)
En esta relación, T(x) es la temperatura local y x es la distancia en la
dirección del flujo de calor. La velocidad real del flujo de calor depende de la
conductividad térmica k, que es una propiedad física del medio. Entonces
para la conducción a través de un medio homogéneo, la tasa de
transferencia de calor es:
푞푘 = −푘퐴 (3)
El signo de menos es consecuencia de la segunda ley de la
termodinámica, que requiere que el flujo de calor debe fluir en dirección de
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una temperatura mayor a una menor. La ecuación (I.2) define la
conductividad térmica y se denomina ley de la conducción de Fourirer.
Dicho de otra forma, las partículas con alta temperatura tienen mayor
energía cinética que las que están a bajas temperatura, por lo que la
conducción es la transferencia de energía de las partículas de alta
temperatura a las de baja temperatura por medio de choques entre ellas.
2.7.2. POR CONVECCIÓN
Según Manrique (2002, p. 7), El fenómeno de transferencia de calor por
convección es un proceso de transporte de energía que se lleva a cabo como
consecuencia del movimiento de un fluido (líquido o gas) en la vecindad de
una superficie, y está íntimamente relacionado con su movimiento. Para
explicar esto, considérese una placa cuya superficie se mantiene a una
temperatura Ts (figura 2) y que disipa el calor hacia un fluido cuya
temperatura es T∞.
La experiencia indica que el sistema disipa más calor cuando se le hace
pasar aire proveniente de un ventilador que cuando sólo está expuesto al
aire ambiente; de ello se desprende que la velocidad del fluido tiene un
efecto importante sobre la transferencia de calor a lo largo de la superficie.
De manera similar, la experiencia indica que el flujo de calor es diferente
si la placa se enfría en agua o en aceite en vez de aire. De aquí que las
propiedades del fluido deben tener también una influencia importante en la
transferencia de calor.
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Puesto que la velocidad relativa del fluido con respecto a la placa es, en
general, igual a cero en la interface sólido-fluido (y = 0), el calor se transfiere
totalmente por conducción sólo en este plano del fluido. Sin embargo, aun
cuando el calor disipado por la placa puede calcularse con la ecuación I.1, el
gradiente de temperatura en el fluido depende de las características, a
menudo complejas, del flujo de éste. Por tanto, es más conveniente estimar
el flujo de calor disipado por el sistema en términos de la diferencia total de
temperaturas entre su superficie y el fluido.
Es decir:
푞´´ = ℎ(푇푠 − 푇∞) (4)
Figura 2
Fuente: Manrique (2002)
Donde h es el coeficiente local de transferencia de calor o coeficiente de
película. Sus unidades en el SI son W/m2K (watt por metro cuadrado kelvin).
También se emplean de manera indistinta las unidades W/m2 °C.
Basándose en Macquiston Faye, (2008, p.126), es el flujo de calor
mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o gaseoso). La convección es
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el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando una masa de un
fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus
moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue
a ser menos densa.
Es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza
porque se produce por intermedio de un fluido (aire, agua) que transporta el
calor entre zonas con diferentes temperaturas.
Lo antes expuesto quiere decir que, cuando un fluido está en contacto con
una superficie caliente, sus moléculas adquieren energía cinética y se
separan, provocando con esto la disminución de la densidad del flujo y el
aumento de su movilidad, transfiriendo de esta forma energía a otros cuerpos
bien sea por medio de aire o agua, generalmente.
2.7.3. POR RADIACIÓN
Expuesto por Macquiston Faye (2008, p.160), es la trasferencia de calor
por medio de ondas electromagnéticas. La energía irradiada se mueve a la
velocidad de la luz. No se requiere de un medio para su propagación. El calor
irradiado por el sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la
superficie de la tierra sin calentar el espacio de transición.
Según Tipler y Mosca (2007 p.596), en la radiación energética el calor se
transporta a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas
productivas por vibraciones térmicas moleculares.
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De acuerdo con lo anterior expuesto, en la radiación, las vibraciones
moleculares irradian energía en forma de ondas electromagnéticas por el aire
y no necesita de un contacto directo para su propagación.
2.8. CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
Según Kalpakjian y Schmid (2002, p. 94), la conductividad térmica indica
la tasa a la cual el calor fluye dentro y a través del material. Los materiales
con enlaces metálicos (metales) generalmente tienen una elevada
conductividad térmica, en tanto que los materiales con enlace iónico o
covalente (cerámicos y plásticos) tienen una mala conductividad térmica.
De acuerdo con lo anterior expuesto, la conductividad térmica es una
propiedad física de los materiales que permite medir la capacidad de
conducción de calor dentro de ellos, recordando que, si el material tiene un
coeficiente de conductividad térmico alto, se dice que es un conductor y, si
tiene un coeficiente de conductividad térmica baja, se dice que es un material
aislante.
2.9. VIDRIO
Iturriaga (2008, p. 32), plantea que el vidrio material noble por excelencia,
posee una historia ancestral de gran riqueza que comienza 4000 años antes
de cristo. El interés que suscita este material proviene tanto por las funciones
naturales que desempeña como por su belleza, cualidades que permiten su
participación de la arquitectura y del arte.
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Tanto en las construcciones de ayer como en las de hoy, el vidrio se
utiliza en primer lugar por transparencia y permite la comunicación necesaria
para el hombre. Es signo de modernidad arquitectónica desde el siglo XIX, el
vidrio es también material de “High Tech”. En su evolución ha ido
adaptándose a las exigencias medioambientales del mercado de hoy,
conjugando total o parcialmente sus cualidades de transparencia.
Según Félix Hernández Cano (1995, p. 355), Los vidrios son sólidos
auténticos y comparten los atributos del estado sólido. No obstante hay que
admitir que su frontera con el estado líquido es indistinguible, pues el paso
de líquido a vidrio es progresivo y continuo y sus estructuras parecidas, como
lo indican sus espectros de distracción de rayos-X que en lugar de líneas
discretas propias de las sustancias policristalinas, presentan característicos
halos difusos.
Luego de la exposición de los autores antes nombrados se puede definir
el vidrio como un material generoso y fino que se encuentra en estado
sólido, utilizado mayormente en construcciones para dar un toque de belleza,
arquitectura y arte. Además, se puede decir, que el paso de líquido a solido
del mismo no se aprecia con facilidad, por sus características y sustancias
policristalinas.
2.9.1. TIPOS DE VIDRIO
Alan Smith (1995, p. 100), los diferentes tipos de vidrio pueden variar
considerablemente en calidad y resistencia, de modo que merece la pena
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conocer algunos datos acerca de los más habituales antes de salir a
comprarlos. El vidrio plano se comercializa en una amplia gama de
espesores, desde poco más de 4 mm hasta 25 mm, el vidrio de 9 mm de
espesor es el que se suele colocar en las ventanas.
El vidrio de reflexión difuso tiene en su superficie unas depresiones
microscópicas que reducen la reflexión de las fuentes lumínicas cercanas. El
vidrio con motivos está disponible en cientos de diseños diferentes y en
distintos espesores. Sin embargo, no siempre es fácil de encontrar.
Se encuentran diversos tipos de vidrios, con una amplia gama de
espesores como lo son de 4 mm, 25 mm y 9 mm que son los que más se
usan en ventanas. El vidrio de reflexión difuso, es un vidrio que presenta de
manera microscópica unas depresiones para la reducción de la luz. El vidrio
con motivos, no es fácil de encontrar pero se encuentra una gran variedad de
animaciones y espesores a utilizar.
Según Iturriaga (2008, p. 38), existen diversos tipos de vidrios:
Vidrio simple, transparente: ilustra el rendimiento de un típico vidrio único
de transparencia clara.
Vidrio Simple, con Tinte Bronce o Gris: ilustra el rendimiento de un típico
vidrio único con el cristal tintado de bronce o gris.
Doble vidrio Transparente: ilustra el rendimiento de un típico doble
acristalamiento, unidad con dos láminas o capas de vidrio transparentes
unidos por una cámara de aire seco que funciona como aislante.
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Doble Vidrio con Tinte Bronce o Gris: ilustra el rendimiento de una unidad
típica de doble acristalamiento, una capa transparente al interior y una capa
de tinte bronce o gris al exterior, unidos por una cámara de aire seco que
trabaja como aislante. Combinación de vidrios entre el doble transparente y
tinte bronce o gris, cumple las dos funciones al mirar a través de él, tiene una
capa de dicho color y sirve como aislante al tener el espacio entre vidrios.
Doble vidrio con Tinte de Alto Rendimiento: Esta imagen ilustra el
rendimiento de una unidad típica de doble acristalamiento, con un
tratamiento que exige el requerimiento energético al vidrio.
Doble Vidrio con Alta Transmisión Solar, Capa de Baja emisividad “Low
E”, Cámara de argón / gas criptón: Esta imagen ilustra las características de
una ventana de doble vidrio, con una alta transmisión solar y baja emisividad.
Este vidrio se ocupa de obtener una imagen con una alta transmisión de
energía solar pero en ver de tener una cámara de aire, esta es de argón o
gas criptón.
Doble Vidrio de Baja Transmisión Energética, Capa de baja Emisividad
“Low-E”, Cámara argón y gas criptón: Esta imagen ilustra las características
de una ventana de doble vidrio, con baja transmisión solar y baja emisividad.
El doble vidrio de baja transmisión energética, obtiene una baja emisividad y
como su nombre lo indica transmisión, con una cámara entre vidrios de gas
criptón y argón.
Triple Vidrio de Alta Transmisión Energética, Capa de baja Emisividad
“Low-E”, Cámara de argón / gas criptón: ilustra el desempeño de una
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ventana compuesta por tres capas de vidrio dos de éstas son de baja
emisividad y una tercera capa intermedia, que puede ser un film o un vidrio
tratado, se utilizan espaciadores de baja conductividad. El vidrio triple de alta
transmisión energética, muestra mediante una cámara de argón o gas criptón
una imagen compuesta por tres capas de vidrio, una con un vidrio tratado o
de baja conductividad y los últimos dos de baja emisividad para darle su
desempeño.
2.9.2. LIMITACIONES DEL VIDRIO
Iturriaga (2008, p. 33), explica que el vidrio no es un material que proteja
del sol. Refleja el 8% de la energía totalmente incidente y transmite el 80%.
El 12% restante lo absorbe y luego lo irradia hacia el exterior y hacia el
interior. Se considera como referencia un vidrio sencillo que sumando la
transmisión y la radiación permite la entrada de un 87% de la energía
recibida.
Para mejorar su comportamiento se utilizan dos recursos: el teñido en
masa, recurso que hoy en día ha llegado casi al límite de sus posibilidades y
la adición de Films específicos, ninguno de éstos logra conjugar de buena
forma los defectos antes citados, la innovación está optimizando las
características de los Films que ya han conseguido un filtrado selectivo
llegando a obtener una gama de soluciones muy extensa.
Según Acero (2006, p. 94), las limitaciones principales del vidrio son su
facilidad de rotura por presión interna, por golpes, por choque térmico, así
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como también su peso que aumenta el costo del transporte y la gran
cantidad de energía que se necesita para transportarlo.
Las limitaciones del vidrio son sumamente importantes y destacables, en
investigaciones o proyectos en el cual se utiliza el material. Entre ellas se
encuentran la fragilidad con la que consta, es de fácil rotura, la cantidad de
energía que se necesita para su transporte y una de sus principales
limitantes es no proteger del sol.
2.9.3. FABRICACIÓN DEL VIDRIO
Según Iturriaga (2008, p.32), el vidrio se fabrica a partir de una mezcla
compleja de compuestos vitrificantés como sílice; fundentes como los álcalis;
y estabilizantes como la cal.
Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (de producción
continua)por medio de una tolva, el horno se calienta con quemadores de
gas o petróleo. La llama debe alcanzar una temperatura muy elevada y por
eso el aire de combustión se calienta en unos recuperadores construidos con
ladrillos refractarios antes de que llegue a los quemadores. El horno tiene
dos recuperadores cuyas funciones cambian alternadamente: uno se calienta
por contacto con los gases ardientes mientras que el otro proporciona el
calor acumulado al aire de combustión.
La mezcla se funde (zona de fusión), a unos 1.500 ºC y avanza hacia la
zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del
horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 1.800 °C. Al vidrio así obtenido
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se le da forma por laminación, mediante moldes (por ejemplo de arena) o por
otro método.
Para Castells (2012, p. 431), una vez elegidas las materias primas estas
se introducen en u n horno y se eleva gradualmente la temperatura (en los
hornos continuos, la masa a fundir entra a temperatura ambiente y se
precipita contra un lecho que se halla a alta temperatura). En cualquier caso
el concepto es que las partículas sólidas adquieren un estado de agitación
gracias a la energía térmica comunicada y se inicia una serie de reacciones
en estado sólido.
En las reacciones solidos/solidos la superficie especifica juegan un
importante papel en la cinética de reacción, en el sentido que a mayor
superficie específica, mayor área de contacto y mayor reactividad. A medida
que el calor va distorsionando o debilitando, los enlaces químicos de los
denominados funentes, su estructura cristalina se desmorona y se funde.
Se puede decir, que el proceso de fabricación del vidrio parte de elegir
los materiales a utilizar, luego se vacía en un molde y es llevado al horno, en
ese proceso se aumenta la temperatura gradualmente hasta llegar a la
máxima expresión. Se enfría a unos 1.200 a 1.800 °C para posteriormente
darle la forma y seguir su proceso de enfriamiento.
2.10. TEMPERATURA
Según Sepúlveda Soto (2003, p. 145), la temperatura es la medida de la
energía cinética promedio de las partículas que conforman el gas.
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Según A. Serway, S. Faughn (2001, p. 313), se suele asociar el concepto
de temperatura con cuan caliente o frio se siente al tacto un objeto. Así los
sentidos de los seres humanos, brindan indicaciones cualitativas de la
temperatura. Sin embargo los sentidos no son confiables y suelen originar
confusión. Por ejemplo, si se saca una bandeja metálica con hielo y un
paquete de verduras congeladas del congelador, la bandeja se siente más
fría en las manos que los vegetales, no obstante que ambos objetos están a
la misma temperatura.
La razón de esto es que el metal es mejor conductor del calor que el
cartón. Lo que se necesita es un método confiable y reproducible para llevar
a cabo mediciones cuantitativas que permitan establecer la calidez o la
frialdad de los objetos.
La temperatura, es una magnitud referida a las nociones comunes de
caliente o frío. Donde por lo general, un objeto más caliente tendrá una
temperatura mayor, y si fuera frío tendrá una temperatura menor. También
depende del grado de conducción de temperaturas altas y bajas del cuerpo u
objeto.
2.10.1. CONFORT TÉRMICO
Según Sosa Griffin (1999, p. 19), el confort o bienestar térmico es un
concepto que involucra el metabolismo del cuerpo humano, los factores
ambientales y las respuestas psicológicas y sensoriales del cuerpo humano
son consideraciones de tipo subjetivo, correspondientes a la interacción del
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organismo con las temperaturas del aire y superficiales, con los niveles de
humedad y con la renovación y la velocidad del aire del local considerado.
Para Martínez y Velasco (2006, p. 69), según la norma ISO 7730 el
confort térmico, se define como esa condición de la mente en la que se
expresa la satisfacción con el ambiente térmico. Además la sensación de
bienestar de los ocupantes depende no solo de la calidad total del ambiente,
sino también de hábitos, estrés, condición social, nivel cultural e, incluso, de
criterios subjetivos debido a diferencias de sensibilidad de individuos.
El confort térmico como el bienestar emocional, social, ambiental y cultural
que necesita una persona para desarrollarse y estar bien como individuo.
2.11. ESTUDIO TERMOGRAFICO INFRARROJO
Para Balaras, C. A., Argiriou, A. A. (2002, p. 171), es una herramienta
valiosa para inspeccionar y realizar pruebas no destructivas de elementos de
construcción, detectar dónde y cómo se está escapando la energía de la
envolvente de un edificio, recopilar datos para aclarar las condiciones
operativas de calefacción de difícil acceso, Instalaciones de ventilación y aire
acondicionado (HVAC), que identifican problemas con las instalaciones
eléctricas y mecánicas en condiciones de funcionamiento a plena carga.
Según Cañas Guerrero, I., Martín Ocaña, S., González Requena, I. (2003,
p. 22), la termografía es una técnica que aprovecha la radiación emitida por
la superficie de un cuerpo como variable termométrica. Se trata de un
sistema de captación de imágenes térmicas que representan la distribución
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superficial de temperaturas del objeto observado, permitiendo la realización
de medidas y análisis térmico sobre la propia imagen. Durante el día, la
radiación solar que incide sobre la superficie exterior es absorbida haciendo
que aumente la temperatura.
Se puede decir que el estudio termografico infrarrojo Es un mecanismo
preventivo que permite localizar en los edificios, viviendas o construcciones
el sitio donde hay defectos de funcionamiento o de construcción para evitar
un futuro problema. Nos Permite saber con exactitud que parte de la vivienda
se encuentra mayormente en contacto con altas temperaturas.
3. SISTEMA DE VARIABLE
La investigación toma como variable de estudio, el aislante térmico, el
cual se define a continuación con los siguientes términos usados para el
desarrollo del mismo.
3.1. DEFINICIÓN NOMINAL
Para esta investigación se identificaron dos variables de estudio, aislante
térmico y transferencia de calor.
3.2. DEFINICIÓN CONCEPTUAL
Según la Fundación Laboral de Construcción (2016, p. 5), Un producto
aislante térmico es un producto que reduce la transmisión de calor a través
de la estructura sobre la que, o en la que se instala.
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3.3. DEFINICIÓN OPERACIONAL
Operacionalmente se puede decir, que el aislante térmico en el vidrio
permitirá la disminución de la transferencia de calor en las viviendas
unifamiliares con la finalidad de crear un confort térmico en el área o zona
seleccionada, ya que el material aislante térmico se caracteriza por su baja
conductividad térmica y resistencia a las altas temperaturas, para mantener
el lugar acondicionado.
