A diferencia de las dos principales variables de diseño asociadas a los cerramientos opacos (el nivel de aislamiento y el nivel de masa térmica), que tienen parámetros relativamente independientes, los parámetros del acristalamiento se asocian estrechamente a todas sus variables de diseño. En otras palabras, los parámetros del acristalamiento se ven afectados por la acción conjunta de todas las variables de diseño correspondientes, como el tipo de vidrio, el número de vidrios, el gas de relleno y el tipo de carpintería.

En lo que respecta al desempeño energético y lumínico del acristalamiento, podemos hablar de cuatro parámetros básicos:

• Transmitancia térmica (Factor-U)
• Ganancias de calor solar (SC, SHGC)
• Transmitancia visible
• Permeabilidad al aire (estanqueidad)

En los siguientes apartados describiremos los primeros tres parámetros, mientras que la permeabilidad al aire se describe en una sección aparte.

Transmitancia térmica total

La transmitancia térmica total, o Factor-U, es el parámetro más usado actualmente para definir el nivel de aislamiento de los productos de acristalamiento en su conjunto, esto es, incluyendo el efecto de la carpintería (marcos y divisores) y la interacción entre esta y los vidrios. El documento de la NFRC 100-2010 [1] lo define como la transmisión de calor por unidad de tiempo y unidad de superficie, inducida por una diferencia de una unidad de temperatura entre el ambiente exterior y el interior, e incluyendo la resistencia de las películas superficiales de aire. La unidad resultante es el W/m²-K (Btu/hr-ft²-ºF, en el sistema inglés). El Factor-U, multiplicado por la diferencia de temperatura entre el interior y el exterior, y por la superficie del acristalamiento, determina la transferencia total de calor debido a procesos conductivos, convectivos y radiantes de onda larga. Así, mientras menor sea el Factor-U, menor será la transferencia de calor.

Nota: Como se deduce de la definición anterior, la transmitancia térmica no tiene en cuenta las ganancias de calor derivadas directamente de la radiación solar. Estas se caracterizan mediante los parámetros de ganancias de calor solar.

De acuerdo con el estándar ISO 15099:2012 [2], hay dos opciones para calcular la transmitancia térmica total (U_t) del acristalamiento, dependiendo de cómo se considere el efecto de la interacción entre los vidrios (parte traslúcida) y la carpintería. En la primera opción, la interacción se expresa mediante una transmitancia térmica lineal aplicada al perímetro de los vidrios, como se muestra en la siguiente ecuación:

Donde:
U_g  es la transmitancia térmica del vidrio (W/m²-K),
A_g  es el área proyectada del vidrio (m²),
U_f  es la transmitancia térmica del marco/divisor (W/m²-K),
A_f  es el área proyectada del marco/divisor (m²),
l_Ψ  es la longitud del perímetro del vidrio (m),
Ψ  es la transmitancia térmica lineal debida a la interacción entre los marcos y el vidrio (W/m-K),
A_t  es el área proyectada total del producto de acristalamiento (m²).

La segunda opción implica dividir el área de vidrio en dos partes, una correspondiente al centro de vidrio y otra correspondiente a los bordes de vidrio, es decir, a las partes del vidrio que están en contacto con los marcos y divisores. Así, la transmitancia térmica total se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Donde:
U_c  es la transmitancia térmica de centro de vidrio (W/m²-K),
A_c  es el área de centro de vidrio (m²),
U_f  es la transmitancia térmica de marco/divisor (W/m²-K),
A_f  es el área proyectada de marco/divisor (m²),
U_e  es la transmitancia térmica de borde de vidrio (W/m²-K),
A_e es el área proyectada de borde de vidrio (m²),
A_t  es el área proyectada total del producto de acristalamiento (m²).

Aunque las ecuaciones anteriores parecen simples, el cálculo de la transmitancia térmica de los acristalamientos es una tarea compleja ya que implica calcular la transmitancia de componentes muy diferentes entre sí (la parte transparente por un lado y la carpintería por otro), pero sobre todo porque es necesario tener en cuenta la interacción entre ellos. Además, como se ha mencionado, están involucrados fenómenos conductivos, convectivos y radiantes simultáneamente. Debido a eso se recomienda emplear los valores de transmitancia térmica proporcionados por los fabricantes, cuando estén disponibles y procedan de cálculos validados. En su defecto, se recomienda calcular la transmitancia térmica total mediante programas informáticos que puedan cumplir con los criterios y procedimientos establecidos en documentos como los de la NFRC 100 [1] y 200 [3], la norma ISO 15099 [1] o la norma UNE‐EN ISO 10077‐1:2010. Entre esos programas se encuentran Window y Therm (que se deben usar de manera coordinada).

Por lo general, los fabricantes de acristalamiento ofrecen tres valores de transmitancia térmica: el de la carpintería (U_f), el del vidrio (U_g) y el de la ventana en su conjunto (U_w). Se asume que la transmitancia del vidrio es la misma que la del centro de vidrio, y que la transmitancia del acristalamiento en su conjunto incluye el vidrio, la carpintería y la interacción entre ambos. El último valor, la interacción entre el vidrio y la carpintería, no suele indicarse de manera explícita.

En los siguientes subapartados haremos algunas puntualizaciones sobre los componentes involucrados en el cálculo de la transmitancia térmica de los acristalamientos: centros de vidrio, carpintería y bordes de vidrio.

Transmitancia térmica del vidrio

La transmitancia térmica del vidrio (U_g o U_c, dependiendo del contexto), se refiere a la porción central de los componentes transparentes del acristalamiento, es decir, sin considerar el efecto de los bordes ni de la carpintería. Este parámetro depende de las propiedades térmicas del vidrio, de su espesor y de las características de su recubrimiento, cuando lo tiene. Si el acristalamiento tiene más de una hoja de vidrio, también depende del número de hojas, de la separación entre éstas y del gas de relleno (aire, argón o criptón, entre otros).

Es importante no confundir la transmitancia del vidrio con el Factor-U del acristalamiento en su conjunto (U_w), el cual sí considera el efecto de la carpintería y de la interacción entre esta y el vidrio. Sin embargo en algunos análisis simplificados, en los que no es necesario tener en cuenta de manera detallada el efecto de los marcos y divisores, la transmitancia térmica del vidrio se puede asumir como el Factor-U del acristalamiento.

De acuerdo con el estándar ISO 15099 [2] la transmitancia térmica del vidrio se puede definir de manera simplificada como el inverso de la resistencia térmica total (R_t), la cual a su vez representa la suma de las resistencias térmicas de las películas superficiales de aire, las cámaras de gas y los vidrios, como se expresa en la siguiente ecuación:

Donde:
h_ext  es el coeficiente de transferencia de calor superficial exterior (W/m²-K),
h_int  es el coeficiente de transferencia de calor superficial interior (W/m²-K),
R  es la resistencia térmica de la cámara de gas (m²-K/W),
R_gv  es la resistencia térmica de la hoja de vidrio (m²-K/W).

Por otra parte, la resistencia térmica de las cámaras de gas (R) se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Donde:
T_f  es la temperatura de la superficie frontal que delimita la cámara (K),
T_b  es la temperatura de la superficie posterior que delimita la cámara (K),
q  es la densidad de flujo de calor (W/m²).

Finalmente, la resistencia térmica de las hojas de vidrio (R_g) se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Donde:
d_g  es el espesor de la hoja de vidrio (m),
λ_g  es la conductividad térmica del vidrio.

Nota: Cuando solo se requiere la transmitancia térmica del vidrio, ésta se puede calcular usando exclusivamente el programa Window (no se requiere usar el programa Therm).

Transmitancia térmica de la carpintería y de los bordes de vidrio

La transmitancia térmica de la carpintería (U_f) se refiere a la parte opaca del acristalamiento, es decir, a los marcos y divisores que conforman su estructura. Aquí es importante señalar que estos componentes pueden tener una configuración geométrica bastante compleja, sobre todo cuando son de aluminio o PVC, pues suelen tener múltiples cavidades. Así, la transmisión de calor por conducción a través del material propiamente dicho se combina con los procesos convectivos en el interior de las cavidades y con los intercambios radiantes entre las superficies internas.

Por otro lado, en las cercanías de los marcos y divisores los vidrios tienden a tener un comportamiento térmico diferente al del centro de vidrio. Esto se debe a los flujos de calor que se dan entre el vidrio y la carpintería, los cuales dependen de los materiales y la configuración geométrica de esos componentes. Por ejemplo, los espaciadores metálicos en los bordes de una unidad de doble vidrio hermético pueden presentar flujos de calor bastante más elevados que en el centro del vidrio. Generalmente, el efecto de la unión aumenta conforme mayor sea la diferencia entre la transmitancia del vidrio y la de la carpintería.

Como se menciona previamente, el efecto de la unión entre el vidrio y la carpintería se puede considerar de dos maneras:

1. Calculando una transmitancia térmica lineal para todos los perímetros del vidrio (en la línea de contacto entre el vidrio y los marcos y divisores).

2. Definiendo una superficie de borde de vidrio, sustraída de la superficie de vidrio total, y calculando una transmitancia térmica para dicha superficie.

Nota: La transmitancia térmica de la carpintería y del borde de vidrio se puede calcular mediante el programa Therm, pero es necesario tener un ítem que represente las propiedades del vidrio. Si no se cuenta con dicho ítem, se puede generar mediante el programa Window.

Ganancias de calor solar

Las ganancias de calor solar a través del acristalamiento, o simplemente ganancias solares, son aquellas que se derivan de la radiación solar incidente, tanto la directa como la difusa (incluyendo esta última la radiación proveniente del cielo y la reflejada por el entorno). En ese sentido, no incluyen la transmisión de calor derivada de la diferencia entre las temperaturas del ambiente exterior y el interior. Por su naturaleza, las ganancias solares son más sensibles a las propiedades ópticas del acristalamiento.

En términos de transferencia de energía las ganancias solares representan el efecto conjunto de la radiación transmitida directamente al espacio interior, después de atravesar el acristalamiento, y la re-irradiación al interior de la energía calórica absorbida por sus componentes. En esta suma no se considera la radiación reflejada hacia el exterior ni el flujo al exterior de la energía absorbida, ya que no afectan al espacio interno. En muchos casos las ganancias solares son bastante mayores que las ganancias de calor producidas por otros factores, como la mencionada diferencia entre las temperaturas del ambiente exterior y el interior.

Para definir en qué medida los sistemas de acristalamiento permiten ganancias solares, se han desarrollado dos conceptos principales: el coeficiente de sombra y el coeficiente de ganancia de calor solar o Valor G. Aunque se refieren al mismo fenómeno, implican diferentes criterios de cálculo, como veremos a continuación.

Coeficiente de sombra

El coeficiente de sombra (SC, por el nombre en inglés: Shading Coefficient), representa las ganancias solares a través de una ventana, o unidad de acristalamiento, divididas por las ganancias solares que tendría un vidrio claro de 3 mm con la misma superficie. Se trata de un parámetro no dimensional, generalmente expresado mediante un valor fraccional entre 0.0 y 1.0. Los cálculos se efectúan considerando el mismo índice de radiación solar en ambos casos, así como una incidencia perpendicular al vidrio. El coeficiente de sombra se emplea cada vez menos en el ámbito de la eficiencia energética, siendo sustituido por el coeficiente de ganancias de calor solar (SHGC) o el Valor G, que se describen a continuación.

Coeficiente de ganancias de calor solar y Valor G

El coeficiente de ganancias de calor solar (SHGC, por el nombre en inglés: Solar Heat Gain Coefficient) expresa las ganancias solares a través de una ventana, o unidad de acristalamiento, divididas por la radiación solar que incide sobre ella. Como en el caso del coeficiente de sombra, se suele expresar mediante valores fraccionales entre 0.0 y 1.0, si bien los acristalamientos reales rara vez tienen valores por debajo de 0.2 o por arriba de 0.8. Mientras más bajo sea el SHGC más efectivo será el acristalamiento para bloquear el calor solar. Por ejemplo, unos coeficientes de 0.40 y 0.60 indican que la unidad de acristalamiento deja pasar el 40% y el 60% del calor solar que recibe, respectivamente.

Nota: Generalmente el SHGC se refiere al desempeño del sistema de acristalamiento en su conjunto, aunque se puede usar también para caracterizar solo el centro de vidrio.

El National Fenestration Rating Council (NFRC), de Estados Unidos, emplea el SHGC como parte de sus sistemas de certificación de productos de acristalamiento. Eso, y el hecho de que tiende a considerar de manera más precisa el efecto de la variación en el ángulo de incidencia solar, han contribuido a convertirlo en el parámetro más usado para caracterizar el nivel de protección del acristalamiento respecto a las ganancias de calor solar.

El estándar ANSI/NFRC 200 [3] ofrece métodos para para determinar el SHGC de las unidades de acristalamiento, considerando una incidencia normal (perpendicular) de la radiación solar. Si el SHGC se determina mediante cálculos y simulaciones, el estándar se apoya a su vez en la norma ISO 15099 [2]. En cambio, si se determina mediante pruebas físicas es necesario basarse en el estándar NFRC 201. En el primer caso, como sucede con la transmitancia térmica, el cálculo del SHGC es bastante complejo, pues involucra procesos de transferencia de calor por radiación, conducción y convección. Si no se cuenta con datos confiables por parte del fabricante, para calcularlo el SHGC se recomienda usar programas especializados como Window y Therm.

El Valor G, más empleado en Europa, es casi igual al SHGC. La única diferencia entre ambos es que para calcular el SHGC se emplea un coeficiente de masa de aire de 1.5, mientras que para calcular el Valor G se emplea un coeficiente de 1. Más allá de esa diferencia, en la práctica el SHGC y el Valor G se suelen considerar equivalentes.

Transmitancia visible

La transmitancia visible (T_V) es un parámetro que indica la cantidad de radiación solar visible que atraviesa una ventana, o unidad de acristalamiento, respecto a la radiación solar visible que incide sobre ella. En otras palabras, es la radiación visible que atraviesa el acristalamiento dividida por la radiación visible incidente. En algunos ámbitos se expresa como un valor porcentual, pero lo más común es emplear valores fraccionales. Teóricamente, los valores de transmitancia visible podrían ir de 0.0 a 1.0, pero los acristalamientos reales no suelen presentar valores menores a 0.1 o mayores a 0.9.

Nota: Recordemos que la radiación visible es la radiación en el rango del espectro electromagnético que abarca la luz visible para el ojo humano. En ese sentido, representa una fracción relativamente pequeña de la radiación solar total.

La transmitancia visible depende principalmente del tipo y número de vidrios, pero también de la proporción que la carpintería ocupa respecto al acristalamiento en su conjunto (al ser opaca, la carpintería disminuye la transmitancia visible en una proporción similar). Este parámetro influye mucho en aspectos como la disponibilidad de luz natural, la visibilidad interior-exterior, el control del deslumbramiento y la privacidad. Si bien no afecta de manera significativa el balance térmico del espacio, sí lo hace de manera indirecta: por ejemplo un acristalamiento con una transmitancia visible excesivamente baja suele aumentar el uso de la iluminación artificial, y con ello las cargas internas de los edificios.

Igual que con el SHGC, el National Fenestration Rating Council (NFRC), emplea la transmitancia visible como parte de sus sistemas de certificación de productos de acristalamiento. El estándar ANSI/NFRC 200 [3] ofrece métodos para para determinar la transmitancia visible de las unidades de acristalamiento, considerando una incidencia normal (perpendicular) de la radiación solar. Si la transmitancia visible se determina mediante cálculos y simulaciones, el estándar se apoya a su vez en la norma ISO 15099. En cambio, si se determina mediante pruebas físicas es necesario basarse en los estándares NFRC 202 y NFRC 203. Cuando se opta por calcular la transmitancia visible, por ejemplo si no se cuenta con datos confiables por parte del fabricante, se recomienda emplear programas especializados como Window y Therm.

 Referencias

[1] “NFRC 100-2010 Procedure for Determining Fenestration Product U-factors,” National Fenestration Rating Council, Greenbelt, MD, 2010.

[2] “ISO 15099:2003 Thermal performance of windows, doors and shading devices - Detailed calculations,” Brussels, 2003.

[3] “NFRC 200-2010 Procedure for Determining Fenestration Product Solar Heat Gain Coefficient and Visible Transmittance at Normal Incidence,” National Fenestration Rating Council, Greenbelt, MD, 2010.

[4] “NFRC 300-2014 Test Method for Determining the Solar Optical Properties of Glazing Materials and Systems,” National Fenestration Rating Council, Greenbelt, MD, 2013.

[5] “Windows Optics, The International Glazing Database,” 2015. [Online]. Available: http://windowoptics.lbl.gov/data/igdb. [Accessed: 10-Nov-2015].

[6] “THERM | Windows and Daylighting,” 08-Nov-2018. [Online]. Available: https://windows.lbl.gov/software/therm. [Accessed: 08-Nov-2018].

[7] “WINDOW | Windows and Daylighting,” 08-Nov-2018. [Online]. Available: https://windows.lbl.gov/software/window. [Accessed: 08-Nov-2018].

Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial del contenido de este artículo, incluyendo tablas y figuras, sin la autorización expresa de Seiscubos.