El nivel de aislamiento representa básicamente la capacidad de los cerramientos para reducir los flujos de calor a través de su estructura interna. Mientras mayor sea el nivel de aislamiento, menores serán dichos flujos. Entre las funciones más importantes de esta variable se encuentran las siguientes:

• Mantener el calor dentro de los edificios durante los periodos fríos, cuando las temperaturas exteriores son más bajas, y reducir la transmisión de calor hacia el interior durante los periodos cálidos, cuando las temperaturas exteriores son más elevadas.

• Controlar las temperaturas superficiales de los cerramientos, manteniéndolas suficientemente altas para evitar condensaciones, o suficientemente bajas para evitar temperaturas radiantes elevadas en el interior (lo cual reduce las posibilidades de lograr buenas condiciones de confort, incluso si hay sistemas de climatización).
• Modificar la inercia térmica de los cerramientos. Cuando los cerramientos incluyen materiales de elevada inercia térmica, el espesor y la posición relativa de las capas de aislamiento pueden afectar el modo en que dicha inercia afecta al edificio. Por ejemplo, si se desea aprovechar el efecto de inercia térmica en los espacios interiores, por lo general se recomienda ubicar las capas de aislamiento hacia el exterior. Por el contrario, si se desea anular el efecto de inercia térmica, las capas de aislamiento deberían ubicarse hacia el interior.

Más allá de los beneficios evidentes del aislamiento, es importante tener en cuenta que incrementarlo en gran medida solo tiene efectos claramente positivos en climas fríos y muy fríos. En climas templados y cálidos las ventajas de aumentar los niveles de aislamiento no siempre son tan patentes, al menos después de cierto punto. Esto se debe, fundamentalmente, a que aumentar el nivel de aislamiento también reduce la capacidad de los edificios para disipar calor, lo cual puede incrementar las demandas de refrigeración en algunos periodos. Incluso en climas ligeramente fríos, un excesivo nivel de aislamiento puede aumentar las posibilidades de tener sobrecalentamiento (ver nota abajo), especialmente si el diseño general del edificio es deficiente.

Nota: En algunos países, como Inglaterra, el sobrecalentamiento es un fenómeno reconocido. De hecho existen diversas iniciativas orientadas a desarrollar estrategias para reducir los riesgos de sobrecalentamiento en los edificios, que por normativa son cada vez más aislados (Overheating in Dwellings, BRE / Guidance on preventing overheating in the home, CIBSE).

Parámetros del aislamiento

Los parámetros más empleados para definir el nivel de aislamiento de los cerramientos individuales son la resistencia térmica y la transmitancia térmica, siendo estos valores inversos entre sí. Por otro lado, para caracterizar el nivel de aislamiento del edificio en su conjunto, en ciertos casos se puede emplear la resistencia térmica global. En el presente apartado describiremos estos y otros conceptos relacionados.

Resistencia térmica total

La resistencia térmica total (R_T) es un indicador de qué tanto los cerramientos se oponen al flujo de calor a través de ellos: mientras mayor sea la resistencia, menor el flujo de calor y mayor el nivel de aislamiento. En el Sistema Internacional se expresa con la unidad m²-K/W, mientras que en el Sistema Imperial se emplea la unidad hr-°F-ft²/BTU. De acuerdo con el estándar ISO 6946-2007, la resistencia térmica total se puede calcular sumando las resistencias térmicas de las distintas capas de materiales, incluyendo las resistencias térmicas superficiales:

Dónde:
R_si  es la resistencia superficial interna,
R₁ R₂ … R_n  son las resistencias térmicas de cada capa,
R_se es la resistencia superficial externa.

La resistencia térmica de cada capa se calcula dividiendo su espesor por la conductividad térmica del material:

Dónde:
d  es el espesor de la capa (m),
λ  es la conductividad térmica del material de la capa.

En cuanto a las resistencias superficiales, estas se deben a las delgadas películas de aire que se forman en las superficies interior y exterior de los cerramientos, las cuales tienden a permanecer adheridas. Al reducir la transmisión de calor por convección, las películas incrementan la resistencia del cerramiento al flujo de calor. La resistencia de la película de aire varía si se encuentra en la parte exterior o interior del elemento, así como si pertenece a un elemento vertical (muro) o a un elemento horizontal (cubierta). La Tabla 1 muestra algunos valores estándar.

Tabla 1. Resistencias y transmitancias térmicas estándar de las películas superficiales de aire.

Todas las resistencias de la tabla corresponden a superficies con emisividad normal. La resistencia de la película de aire interior en cerramientos horizontales se considera con flujos de calor descendente (para flujos de calor ascendentes se recomienda una resistencia superficial de 0.11 m²-K/W). Las superficies exteriores se consideran con una exposición moderada al viento.

Nota: En realidad las resistencias térmicas superficiales, especialmente las exteriores, cambian dependiendo de las condiciones de viento. Por eso, en los programas de simulación avanzados, como EnergyPlus, es posible calcular esos valores de forma dinámica, considerando las condiciones ambientales reales.

Transmitancia térmica total

La transmitancia térmica total, también conocida como valor-U, es el inverso de la resistencia térmica. Es entonces un indicador de qué tanto los cerramientos permiten el flujo de calor a través de ellos: mientras mayor sea la transmitancia, mayor será el flujo de calor y menor el nivel de aislamiento.

Este parámetro también se suele definir como la cantidad de energía que atraviesa una unidad de superficie de un cerramiento de caras paralelas, por unidad de tiempo, cuando entre dichas caras hay un gradiente térmico de una unidad de temperatura. Teniendo en cuenta que un Vatio equivale a un Joule por segundo, tenemos que en el Sistema Internacional la unidad de la transmitancia térmica es el W/m²-K. En el Sistema Imperial se usa la unidad hr-°F-ft²/BTU.

Al ser el inverso de la resistencia térmica, la transmitancia térmica total se puede calcular de la siguiente manera:

O también:

Resistencia Vs. Transmitancia

Aunque tanto la resistencia como la transmitancia térmica miden el paso de calor a través de los cerramientos, y ambos parámetros están directamente relacionados, es importante tener en cuenta que su interpretación es un tanto distinta. Y no es solo que uno sea el inverso del otro, sino que sus magnitudes son conceptualmente diferentes.

La gráfica de la Figura 1 muestra los valores de resistencia térmica total y transmitancia térmica total de un cerramiento en el que varía el espesor de la capa de aislamiento, en este caso poliestireno expandido. Se observa que la resistencia térmica aumenta linealmente junto con el espesor del aislamiento. En cambio, la transmitancia térmica disminuye formando una curva con pendiente negativa. Incrementar el espesor del aislamiento aumenta la resistencia en la misma proporción, mientras que la transmitancia disminuye a un ritmo cada vez menor. Es importante tener en cuenta estas diferencias al interpretar el efecto del aislamiento en el desempeño de los edificios, especialmente si también se tiene en cuenta el coste.

Figura 1. Valores de R_T y U_T para un cerramiento con diferentes niveles de aislamiento.

Resistencia y transmitancia de cerramientos con capas no homogéneas

El cálculo de la resistencia y la transmitancia térmicas, tal como se expone arriba, solo se puede aplicar cuando se considera que los cerramientos están compuestos por capas homogéneas. Con esa configuración, conocida como “materiales en serie”, se puede asumir que el flujo de calor es igual en cualquier punto del cerramiento. En el mundo real, sin embargo, los cerramientos suelen tener configuraciones más complejas, incluyendo lo que se conoce como “materiales en paralelo”. En ese caso el flujo de calor encuentra diferentes condiciones, dependiendo del punto que atraviesa en el cerramiento. A manera de ejemplo, la Figura 2 muestra un cerramiento que tiene exclusivamente capas homogéneas, y otro que tiene capas no homogéneas. En el segundo caso las capas no homogéneas aparecen porque la parte central del cerramiento es de ladrillo hueco, por lo que en algunos puntos los flujos de calor se dan solo a través del propio material cerámico del ladrillo, mientras que en otros se dan a través de una secuencia de materiales (material cerámico - aire - material cerámico).

Nota: En realidad, en el segundo cerramiento de la Figura 2 hay otra condición de materiales en paralelo, que viene dada por las juntas de mortero entre los ladrillos. Sin embargo, cuando la conductividad de ambos materiales (en este caso el material cerámico del ladrillo y el mortero) es parecida, se suele asumir que se trata de capas homogéneas.

Figura 2. Ejemplos de cerramientos con capas homogéneas (izquierda) y no-homogéneas (derecha).

Cuando un cerramiento tiene materiales en paralelo (es decir, cuando tiene capas no homogéneas) los flujos de calor son más complejos, ya que el nivel de resistencia no es el mismo en todos los puntos de su superficie. Obviamente el flujo de calor será mayor en los puntos en los que encuentre menor resistencia térmica, por lo que podemos hablar de efectos de puente térmico dentro del mismo cerramiento.

Si se desea calcular la resistencia y transmitancia térmicas de cerramientos con componentes en paralelo, ya sea para verificar el cumplimiento de alguna norma o para emplear los datos en un programa de cálculo o simulación, hay al menos dos aproximaciones. Una es más simple, por lo que suele ofrecer resultados menos precisos, mientras que la otra puede generar resultados más precisos, pero exige un poco más de trabajo. Hechemos un vistazo a ambas opciones.

Aproximación simplificada

La aproximación simplificada se basa en dos suposiciones básicas. La primera es que los cerramientos con materiales en paralelo se pueden dividir en diversas “condiciones”, tantas como diferentes disposiciones en serie se puedan identificar en ellos. En el segundo cerramiento de la Figura 2, por ejemplo, encontramos dos condiciones diferentes: una en la que hay cámara de aire y otra en la que no. La segunda suposición es que el flujo de calor a través de los cerramientos se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Dónde:
Q_c  es el flujo instantáneo de calor por conducción,
U  es la transmitancia térmica del cerramiento,
A  es el área del cerramiento,
∆T  es la diferencia de temperatura entre ambas caras del cerramiento.

Dadas estas hipótesis, podemos calcular los flujos de calor (Q_c) en cada una de las diferentes condiciones del cerramiento, y luego sumarlos para para calcular la transmitancia térmica del cerramiento en su conjunto, mediante la siguiente ecuación (derivada de la anterior):

Ahora bien, si analizamos esta ecuación, y asumimos que la diferencia de temperatura es de 1 Kelvin, nos daremos cuenta de que en realidad estamos calculando un promedio ponderado de las transmitancias térmicas. Así, la ecuación también se puede formular de la siguiente manera:

Finalmente, como sabemos, la resistencia térmica se puede calcular como el inverso de la transmitancia térmica.

Aproximación detallada

Una aproximación más precisa para calcular la transmitancia y la resistencia térmica de cerramientos con materiales en serie consiste en emplear algún programa de cálculo de flujos de calor en dos dimensiones, como Therm. Estos programas permiten considerar los flujos de calor entre los componentes del cerramiento, evitándonos asumir que los flujos de calor son estrictamente unidireccionales. Por su complejidad, este método será tratado en un entrada aparte.

Resistencia térmica global

El nivel de aislamiento de un edificio en su conjunto se puede definir mediante la resistencia térmica global. Este parámetro se deriva de la resistencia térmica total (R_T) de los cerramientos exteriores del edificio, como muros, cubiertas y suelos exteriores. Su definición es muy simple si todos los cerramientos exteriores tienen la misma resistencia térmica, pues entonces ambos valores son equivalentes. Se trata de algo que rara vez sucede en el mundo real, pero puede ser útil para desarrollar análisis generales sobre el impacto del nivel de aislamiento en el desempeño energético de los edificios.

Figura 3. Representación esquemática de la resistencia térmica de la envolvente de un edificio.

Cuando los cerramientos exteriores tienen diferentes niveles de aislamiento (por ejemplo si la cubierta tiene más aislamiento que los muros), la resistencia térmica global se podría calcular como el promedio ponderado de las resistencias térmicas totales de los diversos cerramientos, teniendo en cuenta la relación entre las áreas de los cerramientos exteriores y el área total de envolvente:

En todo caso, es importante tener en cuenta las posibles limitaciones del concepto de resistencia térmica global. Las pérdidas y ganancias de calor suelen estar condicionadas no solo por el nivel de aislamiento y el área de los cerramientos, sino también por la situación geométrica de cada uno de ellos. Por ejemplo, la radiación solar tiene un impacto distinto en las cubiertas y en los muros exteriores, dependiendo de su orientación. Algo similar sucede con el viento. Debido a ello, la resistencia térmica global puede no ser un parámetro adecuado para evaluar de manera detallada el desempeño energético de edificios específicos, aunque, como se indica arriba, puede ser muy útil para desarrollar análisis generales.

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