4.2.13

COMPORTAMIENTO ENERGÉTICO DE UNA FACHADA ACRISTALADA

1.1 Introducción.
En los últimos años, una tendencia creciente a preservar el medio ambiente ha llevado a la sucesión de diversos actos importantes a nivel estatal y mundial.
En el año 1979 se aprueba la Norma Básica de la Edificación sobre Condiciones Térmicas en los edificios cuyo objeto es establecer las mejores prestaciones energéticas exigibles a éstos, así como los datos que condicionan su determinación. Esta norma es de aplicación en todo tipo de edificios de nueva planta.
En el año 1982 tiene lugar en Río de Janeiro la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático, cuyo objeto es lograr una estabilización de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera con el fin de impedir las interferencias antropogénicas peligrosas en el sistema climático.
En el año 1988 se aprueba la Directiva 89/106/CE relativa a la aproximación de las disposiciones legales, reglamentarias y administrativas de los Estados miembros sobre los productos de construcción. Dicha Directiva exige que las obras de construcción y las instalaciones de calefacción, refrigeración y ventilación sean diseñadas de tal forma que la cantidad de energía necesaria para su utilización sea reducida, habida cuenta de las condiciones climáticas del lugar y los ocupantes.
En el año 1998 se firma el Protocolo de Kyoto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático, mediante el cuál la Comunidad Europea y sus Estados miembros establecen un compromiso cuantificado de limitación o reducción de emisiones. Se establece un acuerdo que consiste en reducir el total de sus emisiones de esos gases en no menos de 5% al de 1990 en el período decompromiso comprendido entre el año 2008 y el 2012.
En el año 2002 se aprueba la Directiva 2002/91/CE relativa a la eficiencia energética de los edificios. El fomento de la eficiencia energética constituye una parte importante del conjunto de políticas y medidas necesarias para cumplir lo dispuesto en el Protocolo de Kyoto, y debe estar presente en todas las medidas que se adopten con el fin de dar cumplimiento a nuevos compromisos. La Directiva 2002/91/CE entrará en vigor en España a más tardar el 4 de enero de 2006.
En este contexto se está elaborando actualmente un nuevo Código Técnico de la Edificación (CTE) con objeto de adaptar la reglamentación nacional a la nueva Directiva. Como consecuencia el CTE tiene que entrar en vigor a más tardar en enero de 2006.
Dejando al margen todos estos eventos que han tenido lugar estos últimos años, cabe destacar la importancia de edificar innovando y respetando el medio ambiente de manera continua.
Este manual refleja todos aquellos sistemas pasivos y activos que permiten diseñar edificios eficientes energéticamente. Como pasivos se citan las protecciones solares, la orientación y ubicación del edificio, y la composición de la propia fachada acristalada. Como activos se citan los sistemas solares fotovoltaicos.
Se pretende así divulgar la máxima información posible referente a la conocida como construcción sostenible.
2 Prestaciones energéticas de una fachada acristalada
2.1 Intercambios de calor a través de una fachada acristalada.
En una fachada acristalada pueden aparecer tres vías de intercambio de calor que son conducción, convección y radiación. Las dos primeras aparecen como consecuencia de una diferencia de temperatura entre el ambiente exterior e interior delimitados por dicha estructura. Sin embargo, la radiación tiene lugar por el hecho que la fachada acristalada sea transparente a ésta.
La conducción es un fenómeno que tiene lugar bien dentro de un mismo cuerpo cuando éste no tiene una temperatura homogénea, o bien entre dos cuerpos que se encuentran en contacto directo y a diferente temperatura. Dicho intercambio de calor, que se efectúa sin desplazamiento de materia, depende de dicho gradiente de tempera t u ra y de la conductividad térmica del material.
La conductividad térmica es una propiedad característica de cada material. Se define como la cantidad de calor que atraviesa por unidad de tiempo una unidad de área de extensión infinita y caras plano-paralelas y de espesor unidad, cuando se establece una diferencia de temperatura entre sus caras de un grado centígrado. En el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) se expresa en W/(m·K).
La convección es una forma de transmisión de calor que tiene lugar entre la superficie de la fachada acristalada y el aire. A diferencia del intercambio por conducción, la convección sí que va acompañada de un desplazamiento de materia.
La radiación es un fenómeno que consiste en la emisión de calor por parte de un cuerpo hacia los objetos más fríos que le rodean. Dicha forma de cambio de calor no precisa de contacto material y es proporcional a la temperatura del cuerpo y a sus propiedades emisivas.
La emisividad es una propiedad característica de la superficie de cada cuerpo, y es directamente proporcional a la transferencia de calor por radiación.
En la siguiente figura se muestran los diferentes modos de intercambio de energía calorífica que tienen lugar en una fachada acristalada:

Figura 2.1.1. Intercambios de calor a través de una fachada acristalada.

q1: Propagación de calor del ambiente más cálido a la cara más caliente de la fachada ligera. Tiene lugar por convección y radiación.
q2: Propagación de calor de la cara más caliente a la cara más fría de la fachada acristalada. Tiene lugar por conducción.
q3: Propagación de calor de la cara más fría de la fachada ligera al ambiente más frío. Tiene lugar por convección y radiación.
2.2 Coeficientes de transmisión térmica. Definiciones y cálculo.
El coeficiente de transmisión térmica es el término que expresa la transferencia de calor por conducción y convección a través de una fachada acristalada.
Este término expresa el flujo de calor que atraviesa un metro cuadrado de cerramiento para una diferencia de temperatura de un grado centígrado entre los ambientes exterior e interior.
Dicho coeficiente define las prestaciones térmicas de una fachada acristalada. En el Sistema Internacional de Unidades (S.I.) se expresa en W/(m2·K). Cuanto menor sea este valor, menor será el intercambio de energía que tiene lugar a través de una fachada ligera.
2.2.1 Coeficiente de transmisión térmica del vidrio.
El Código Técnico de la Edificación presenta una tabla de valores de transmitancias térmicas de diferentes acristalamientos presentes en el mercado español. En el caso que el vidrio a utilizar no esté presente en dicha tabla, su coeficiente de transmisión térmica se puede determinar según la metodología descrita en el Documento Básico HE-Ahorro de Energía del Código Técnico de la Edificación.
El coeficiente de transmisión térmica de un acristalamiento sencillo se halla por medio de la siguiente ecuación:


donde:
UH,V: es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio [W/(m2·K)]
Rs i: es la resistencia superficial interior [(m2·K)/W]
Rse: es la resistencia superficial exterior [(m2·K)/W]
e: es el espesor del material [m]
λ: es la conductividad térmica del material [W/(m·K)]
Las re s i stencias térmicas superficiales correspondientes al aire interior ( Rsi ) y exterior ( Rse ) se definen de acuerdo a la posición del cerramiento, dirección del flujo de calor y su situación en el edificio. El Código Técnico de la Edificación define los siguientes valores:


La conductividad térmica del vidrio toma un valor de 1 W/(m·K).
Con el objeto de mejorar el aislamiento térmico existen en el mercado los acristalamientos múltiples. Esta mejora se obtiene aprovechando la baja conductividad térmica del aire o argón encerrado entre los diferentes vidrios sencillos, que provoca una disminución de los intercambios térmicos por convección. En este caso el valor del coeficiente de transmisión térmica se obtiene por medio de la siguiente expresión:


donde:
UH,V: es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio [W/(m2·K)]
Rs i: es la resistencia superficial interior [(m2·K)/W]
Rse: es la resistencia superficial exterior [(m2·K)/W]
Rs: es la resistencia térmica de la cámara de gas [(m2·K)/W]
e: es la suma de los espesores de los vidrios que forman el acristalamiento [m]
λ: es la conductividad térmica del material [W/(m·K)]
La siguiente tabla muestra los valores de los coeficientes de transmisión térmica de diferentes vidrios presentes en el mercado, en función de su emisividad y del gas encerrado en la cámara.


2.2.2 Coeficiente de transmisión térmica de la fachada acristalada.
El Código Técnico de la Edificación, en su Documento Básico HE-Ahorro de Energía, describe que el coeficiente de transmisión térmica de una fachada acristalada se puede hallar por medio de la siguiente ecuación:
UH = (1 - FM)· UH,V + FM · UH,m
donde:
UH: es el coeficiente de transmisión térmica del hueco. Se entiende por hueco cualquier elemento semitransparente de la envolvente de un edificio [W/(m2·K)]
U H , V: es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio [W/(m2·K)]
U H,m: es el coeficiente de transmisión térmica de la carpintería [W/(m2·K)]
FM: es la fracción del hueco ocupada por la carpintería [-]
Alternativamente, para un cálculo más detallado de la transmitancia térmica de una fachada ligera, teniendo en cuenta partes opacas y semitransparentes, puede utilizarse la metodología descrita en la norma UNE-EN ISO 10077-1 extrapolada a fachadas acristaladas:


donde:
U CW: es el coeficiente de transmisión térmica de la fachada ligera [W/(m2·K)]
Ug: es el coeficiente de transmisión térmica del vidrio. Equivalente a UH,V [W/(m2·K)]
UP: es el coeficiente de transmisión térmica del panel [W/(m2·K)]
UF: es el coeficiente de transmisión térmica de la carpintería. Equivalente a UH,m [W/(m2·K)]
l: es la longitud el travesaño o montante [m]
fi: es el coeficiente de transmisión térmica lineal debido a los efectos térmicos combinados del intercalado, del cristal o panel y de la carpintería [W/(m·K)]
Ag: es el área de la parte acristalada [m2]
AP: es el área de la parte opaca [m2]
AF: es el área de la carpintería [m2]
La metodología de cálculo descrita no incluye:
- los efectos de la radiación solar
- las transferencias térmicas debidas a las infiltraciones de aire
- el cálculo de condensaciones
- la ventilación de los espacios de aire en el caso de fachadas de doble piel
A modo de ejemplo se muestran los coeficientes de transmisión térmica obtenidos en el caso del muro cortina MECANO parrilla tradicional de la marca TECHNAL:


En el nuevo Código Técnico de la Edificación, en su Documento Básico HE – Ahorro de Energía, se especifican los valores máximos permitidos de los coeficientes de transmisión térmica de las partes semitransparentes y opacas de una fachada ligera en función de la zona climática donde está ubicado el edificio y de la orientación de la fachada acristalada.
2.2.3 Cómo mejorar el coeficiente de transmisión térmica.
Con objeto de mejorar el coeficiente de transmisión térmica de una fachada acristalada es necesario reducir las transferencias energéticas por conducción y convección. Para ello se aconseja:
- Trabajar con fachadas de Hydro Building Systems S.L. ya que todas presentan la llamada rotura de puente térmico, que consiste en separar los perfiles exterior e interior de aluminio mediante otro con menor conductividad térmica. Mientras el aluminio presenta una conductividad térmica alrededor de 230 W/mK, en el perfil de rotura este valor es inferior a 1 W/mK.
A día de hoy el material más utilizado para este tipo de perfil aislante es poliamida 6.6 reforzada con 25% de fibra de vidrio.
-Trabajar con un acristalamiento múltiple. El aire encerrado entre los diferentes vidrios, debido a su baja conductividad térmica, limita los intercambios térmicos entre los ambientes exterior e interior. Estas transferencias térmicas se pueden limitar aún más si el aire de la cámara es sustituido por argón, que es un gas más pesado con una conductividad térmica más baja.