Acristalamiento aislante

El vidrio de una sola capa es un aislante muy deficiente (valor R de alrededor de 1, RSI inferior a 0,2), por lo que proporciona muy poco aislamiento. Se suelen emplear recubrimientos para vidrio, como recubrimientos parcialmente reflectantes o de color, para reducir la insolación, y recubrimientos para reflejar la radiación infrarroja.

El vidrio de baja emisividad (vidrio Low E) es una opción disponible comercialmente para la construcción de unidades de vidrio aislante (IGU). El vidrio Low E se fabrica aplicando un recubrimiento Low E a un panel de vidrio. Estos recubrimientos suelen ser metálicos, aplicados generalmente en la segunda o tercera superficie de vidrio de la unidad, y tienen el efecto de reflejar la luz infrarroja y bloquear o atenuar partes del espectro 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). Existen dos tipos de recubrimientos Low E: recubrimientos duros y recubrimientos blandos. Los recubrimientos duros se producen utilizando óxido de estaño, que se aplica cuando el vidrio aún está caliente y se absorbe en él; son resistentes al desgaste y generalmente más económicos. Los recubrimientos blandos se depositan mediante pulverización catódica 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. ^{[ 7 ]}

Los paneles de vidrio están separados por un espaciador. Este 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 se fabricaban principalmente de acero y aluminio, materiales que, según los fabricantes, ofrecían mayor durabilidad, y su menor precio hace que sigan siendo comunes.

Sin embargo, los espaciadores metálicos conducen el calor (a menos que el metal tenga propiedades térmicas mejoradas), lo que reduce la capacidad de la unidad de vidrio aislante (UVA) para disminuir el flujo de calor. Esto 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 mejorar el rendimiento térmico general, los fabricantes pueden fabricarlo con un material menos conductor, como espuma estructural. Un espaciador de aluminio que también contiene una barrera térmica estructural de alta resistencia reduce la condensación en la superficie del vidrio y mejora el aislamiento, según lo medido por el valor U general .

• Un espaciador que reduce el flujo de calor en las configuraciones de acristalamiento también puede tener características de amortiguación acústica cuando el ruido exterior es un problema.
• Normalmente, los espaciadores se rellenan con un desecante o lo contienen para eliminar la humedad atrapada en el espacio de gas durante la fabricación, reduciendo así el punto de rocío del gas en ese espacio y evitando que se forme condensación en la superficie n.° 2 cuando baja la temperatura del panel de vidrio exterior.
• Han surgido nuevas tecnologías para combatir la pérdida de calor de las barras espaciadoras tradicionales, incluyendo mejoras en el rendimiento estructural y la durabilidad a largo plazo de los espaciadores mejorados de metal (aluminio con barrera térmica) y espuma.

Una forma 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 gases es 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 menor capacidad calorífica 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. ^{[ 8 ]} El argón constituye casi el 1% de la atmósfera y se aísla industrialmente a un costo moderado, mientras que el criptón y el xenón son solo elementos traza cuya extracción es costosa. Todos los gases nobles particulares no son tóxicos, transparentes, inodoros, químicamente inertes y están fácilmente disponibles debido a su amplia aplicación en la industria. Algunos fabricantes también ofrecen hexafluoruro de azufre como gas aislante, particularmente como insonorizante . 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 . En Europa, el SF6_{El 6} está sujeto a la directiva F-Gas, que controla e incluso prohíbe su uso para diversas aplicaciones. Desde el 1 de enero de 2006,el SF6_{El 6} está prohibido comogas trazadory en todas las aplicaciones excepto enlos interruptores de alta tensión. ^{[ 9 ]}

En la práctica, cuanto más eficaz sea un gas de relleno en su espesor óptimo, menor será dicho espesor. Por ejemplo, el espesor óptimo para el criptón es menor que para el argón, y menor para el argón que para el aire. ^{[ 10 ]} 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 este fuera puro. El argón se utiliza comúnmente en vidrios aislantes por ser el más económico. 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 altísimo rendimiento. El xenón ha tenido muy poca aplicación en unidades de vidrio aislante debido a su coste. ^{[ 11 ]}

La tecnología de vacío también se utiliza en algunos productos aislantes no transparentes denominados paneles aislantes al vacío .

Las unidades de vidrio aislante (IGU) suelen fabricarse bajo pedido en líneas de producción, aunque también existen unidades estándar. Se deben proporcionar al fabricante las dimensiones de ancho y alto, el grosor de los paneles de vidrio, el tipo de vidrio para cada panel y el grosor total de la unidad. En la línea de montaje, se cortan y ensamblan espaciadores de grosores específicos para obtener las dimensiones de ancho y alto requeridas, y se rellenan con desecante. En una línea paralela, los paneles de vidrio se cortan a medida y se lavan para lograr una transparencia óptica óptima.

Se aplica un sellador primario adhesivo ( 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 orificios en el espaciador de la unidad ensamblada, se conectan líneas para extraer el aire del espacio y reemplazarlo (o dejar solo vacío) con el gas deseado. Luego se retiran las líneas y se sellan los orificios para contener el gas. La técnica más moderna consiste en utilizar un llenador de gas en línea, lo que elimina la necesidad de perforar orificios en el espaciador. El propósito del sellador primario es evitar que el gas aislante escape y que el vapor de agua entre. Luego, las unidades se envuelven en el lado del borde utilizando un sellador secundario de polisulfuro , silicona o un material similar que restringe los movimientos del sellador primario de caucho-plástico. El desecante eliminará los restos de humedad del espacio de aire para que no aparezca condensación en las caras internas 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 aislante de una unidad de vidrio aislante estándar viene determinada por el grosor del espacio. Un mayor espacio aumenta el valor de aislamiento hasta cierto punto, pero con un espacio suficientemente grande, comienzan a circular corrientes de convección que transportan calor entre los paneles dentro de la unidad. Normalmente, la mayoría de las unidades selladas alcanzan valores máximos de aislamiento utilizando un espacio de 16 a 19 mm (0,63 a 0,75 pulgadas) medido en el centro de la unidad de vidrio aislante. ^{[ 12 ]}  

El grosor de la unidad de vidrio aislante (UVA) representa un compromiso entre maximizar el aislamiento térmico y la capacidad del marco para soportarla. Algunos sistemas de acristalamiento residenciales y la mayoría de los comerciales pueden alojar el grosor ideal de una unidad de doble acristalamiento. El uso de triple acristalamiento para reducir aún más la pérdida de calor en una UVA presenta problemas. La combinación de grosor y peso da como resultado unidades demasiado voluminosas para la mayoría de los sistemas de acristalamiento residenciales o comerciales, especialmente si estos paneles se encuentran en marcos o hojas móviles.

Esta compensación no se aplica al vidrio aislante al vacío (VIG), o acristalamiento evacuado, ^{[ 14 ]} ya que se elimina la pérdida de calor por convección , dejando pérdidas por radiación y conducción a través del sellado del borde y los pilares de soporte necesarios sobre el área frontal. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Estas unidades VIG tienen la mayor parte del aire extraído 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 soldado, es decir, una frita de vidrio (vidrio en polvo) con un punto de fusión reducido se calienta para unir los componentes. Esto crea un sellado de vidrio que experimenta una tensión creciente con el aumento del diferencial de temperatura a través de la unidad. Esta tensión puede limitar el diferencial de temperatura máximo admisible. Un fabricante proporciona una recomendación de 35  °C. Se requieren pilares muy juntos para reforzar el acristalamiento y resistir la presión de la atmósfera. El espaciamiento y el diámetro de los pilares limitaban 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), sin ser 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 a las unidades de vidrio aislante de triple acristalamiento. ^{[ 16 ]} Los pilares internos requeridos excluyen las aplicaciones donde se desea una vista sin obstrucciones 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 en los bordes. ^{[ 13 ]}

La eficacia del aislamiento se puede expresar mediante un valor R o un valor RSI . Cuanto mayor sea el valor, mayor será su resistencia a la transferencia de calor. Una unidad de vidrio aislante estándar, compuesta por paneles de vidrio transparente sin recubrimiento (o láminas de vidrio) con aire en la cavidad entre ellos, suele tener un valor RSI de 0,35 K·m² ^/ W.

Utilizando unidades del sistema anglosajón , una regla general en la construcción estándar de IGU es que cada cambio en el componente de la IGU resulta en un aumento de 1 valor R en la eficiencia de la unidad. Agregar gas argón aumenta la eficiencia a aproximadamente R-3. Usar vidrio de baja emisividad en la superficie n.° 2 agregará otro valor R. Las IGU de triple acristalamiento diseñadas correctamente con recubrimientos de baja emisividad en las superficies n.° 2 y n.° 4 y rellenas con gas argón en las cavidades. Ciertas unidades IG multicámara resultan en valores R de hasta R-24. Las unidades de vidrio aislante al vacío (VIG) resultan en valores R de hasta R-15 (centro del vidrio). Combinar una unidad VIG con otro panel de vidrio y un espaciador de borde cálido resulta en R-18 (centro del vidrio) o más, dependiendo del o los recubrimientos de baja emisividad. Las unidades VIG dobles con espaciador de borde cálido alcanzan R-25 (centro del vidrio) o más, dependiendo de los recubrimientos de baja emisividad y otros factores.

Las capas adicionales de acristalamiento ofrecen la oportunidad de mejorar el aislamiento. Si bien el doble acristalamiento estándar es el más utilizado, el triple acristalamiento no es infrecuente, y el cuádruple acristalamiento se fabrica para entornos fríos como Alaska o Escandinavia. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Incluso existen acristalamientos de cinco y seis paneles (cuatro o cinco cámaras), con factores de aislamiento en el panel intermedio equivalentes a los de las paredes. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

En algunos casos, 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 de sonido . El doble acristalamiento asimétrico, que utiliza vidrios de diferentes espesores en lugar de los sistemas simétricos convencionales (con vidrios de igual espesor para ambos paneles), mejorará las propiedades de atenuación acústica de la unidad de vidrio aislante (UVA). Si se utilizan espacios de aire estándar, se puede emplear hexafluoruro de azufre para reemplazar o complementar un gas inerte ^{[ 22 ]} y mejorar el rendimiento de atenuación acústica.

Otras variaciones en los materiales de acristalamiento afectan la acústica. Las configuraciones de acristalamiento más utilizadas para la amortiguación del sonido incluyen vidrio laminado con diferentes espesores de la capa intermedia y del vidrio. La inclusión de un separador de aire de barrera térmica de aluminio estructural y con propiedades térmicas mejoradas en el vidrio aislante puede mejorar el rendimiento acústico al reducir la transmisión de ruidos externos en el sistema de ventanas.

Revisar los componentes del sistema de acristalamiento, incluido el material de la cámara de aire utilizado en el vidrio aislante, puede garantizar una mejora general en la transmisión del sonido.

La transmitancia es una medida de la cantidad de luz visible que atraviesa el vidrio, expresada como una 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 semirreflectantes atenúan considerablemente las señales Wi-Fi y de telefonía móvil.

Las diferencias de temperatura en la superficie de los paneles de vidrio pueden provocar grietas. ^{[ 26 ]} 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 dilatación térmica genera presión interna, o tensión, donde el material caliente en expansión se ve restringido por el material más frío. Generalmente, las grietas se inician y propagan desde el borde de corte sombreado, donde el vidrio está más frío, y las pequeñas ranuras y muescas provocan una concentración de tensión . El grosor del vidrio no influye directamente en el agrietamiento térmico de las ventanas, ya que tanto la tensión térmica como la resistencia del material son proporcionales al grosor. El vidrio recocido y templado suele ser más resistente al agrietamiento.