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Valor R (aislamiento)

Aislamiento de fibra de vidrio instalado con su valor R visible (R-21) [ 1 ] El valor R es una medida de la resistencia térmica , específicamente de la capacidad de una barrera ...

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Aislamiento de fibra de vidrio instalado con su valor R visible (R-21) [ 1 ]

El valor R es una medida de la resistencia térmica , específicamente de la capacidad de una barrera bidimensional, como una capa de aislamiento , una ventana o una pared o techo completos, para resistir el flujo conductivo de calor , en el contexto de la construcción . [ 2 ] Cuanto mayor sea el valor R , mayor será el aislamiento del material. Los valores R más altos pueden reducir las facturas de calefacción en climas fríos y las de refrigeración en climas cálidos .

El valor R puede expresarse tanto en unidades métricas como en unidades del sistema estadounidense . Cuando se expresa en unidades métricas, se suele utilizar el término valor RSI . [ 4 ] Los valores R expresados ​​en unidades del sistema estadounidense son aproximadamente 5,68 veces mayores que los expresados ​​en unidades métricas. [ 5 ]

Se puede asignar un valor R a un material (por ejemplo, a la espuma de polietileno ) o a un conjunto de materiales (por ejemplo, una pared o una ventana). En el caso de los materiales, suele expresarse en términos de valor R por metro, o por pulgada en EE. UU. Los valores R son aditivos para múltiples capas de materiales. El valor R se define como la diferencia de temperatura necesaria para mantener una unidad de flujo de calor entre la superficie más caliente y la superficie más fría de una barrera en condiciones de estado estacionario . [ 3 ] [ 6 ]

El factor U o valor U es el coeficiente global de transferencia de calor y se puede obtener calculando el inverso del valor R. Es una propiedad que describe la capacidad de los elementos constructivos para conducir el calor por unidad de área a través de un gradiente de temperatura. [ 7 ] Los elementos suelen ser conjuntos de múltiples capas de materiales, como las que componen la envolvente del edificio . Se expresa en vatios por metro cuadrado kelvin. Cuanto mayor sea el valor U, menor será la capacidad de la envolvente del edificio para resistir la transferencia de calor. Un valor U bajo, o por el contrario un valor R alto , generalmente indica altos niveles de aislamiento. Son útiles porque permiten predecir el comportamiento compuesto de un elemento constructivo completo en lugar de depender de las propiedades de los materiales individuales.

Definición del valor R

El valor R se define como Rval=ΔTϕq,{\displaystyle R_{\text{val}}={\frac {\Delta T}{\phi _{q}}},}

donde (usando unidades del SI):

  • Rval{\displaystyle R_{\text{val}}}( K ⋅ m 2 / W ) es el valor R ,
  • ΔT{\displaystyle \Delta T}(K) es la diferencia de temperatura entre la superficie más caliente y la superficie más fría de una barrera,
  • ϕq{\displaystyle \phi _{q}}(W/m 2 ) es el flujo de calor a través de la barrera.

El valor R por unidad de superficie expuesta de una barrera mide la resistencia térmica absoluta de la misma. [ 8 ]RvalA=R,{\displaystyle {\frac {R_{\text{val}}}{A}}=R,}

donde (usando unidades del SI):

  • Rval{\displaystyle R_{\text{val}}}es el valor R (m 2 ⋅K⋅W −1 )
  • A{\displaystyle A}es la superficie expuesta de la barrera (m 2 )
  • R{\displaystyle R}es la resistencia térmica absoluta (K⋅W −1 )

Resistencia térmica absoluta ,R{\displaystyle R}cuantifica la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor necesaria para mantener una unidad de flujo de calor. A veces surge confusión porque algunas publicaciones usan el término resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor , mientras que otras usan el término resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. Además, surge confusión porque algunas publicaciones usan el carácter R para denotar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor, mientras que otras usan el carácter R para denotar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. Este artículo usa el término resistencia térmica absoluta para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor y el término valor R para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor.

Cuanto mayor sea el valor R , mayor será la resistencia y, por lo tanto, mejores serán las propiedades de aislamiento térmico de la barrera. Los valores R se utilizan para describir la eficacia del material aislante y en el análisis del flujo de calor a través de conjuntos (como paredes, techos y ventanas) en condiciones de estado estacionario. [ 8 ] El flujo de calor a través de una barrera está impulsado por la diferencia de temperatura entre dos lados de la barrera, y el valor R cuantifica la eficacia con la que el objeto resiste este impulso: [ 9 ] [ 10 ] La diferencia de temperatura dividida por el valor R y luego multiplicada por el área de superficie expuesta de la barrera da la tasa total de flujo de calor a través de la barrera, medida en vatios o en BTU por hora. ϕ=ΔT⋅ARval,{\displaystyle \phi ={\frac {\Delta T\cdot A}{R_{\text{val}}}},}

donde (usando unidades del SI):

  • Rval{\displaystyle R_{\text{val}}}es el valor R (K⋅m 2 /W),
  • ΔT{\displaystyle \Delta T}es la diferencia de temperatura (K) entre la superficie más caliente y la superficie más fría de la barrera,
  • A{\displaystyle A}es el área de superficie expuesta (m 2 ) de la barrera,
  • ϕ{\displaystyle \phi }es el caudal de calor (W) a través de la barrera.

Siempre que los materiales involucrados sean sólidos densos en contacto mutuo directo, [ 11 ] los valores R son aditivos; por ejemplo, el valor R total de una barrera compuesta por varias capas de material es la suma de los valores R de las capas individuales. [ 8 ] [ 12 ]

Por ejemplo, en invierno la temperatura exterior podría ser de 2  °C y  la interior de 20 °C, lo que supone una diferencia de temperatura de 18  °C o 18  K. Si el material tiene un valor R de 4, perderá 0,25  W/(°C⋅m² ) . Con una superficie de 100 m²  , la energía térmica que se pierde es de 0,25 W/(K⋅m² ) × 18 °C × 100 m² = 450 W. Habrá otras pérdidas a través del suelo, las ventanas, las rejillas de ventilación, etc. Pero solo para ese material, se pierden 450 W, que se pueden compensar con un calefactor de 450 W en el interior para mantener la temperatura interior.  

Terminología y unidades

Nótese que el valor R es el término utilizado en la industria de la construcción [ 3 ] para lo que en otros contextos se denomina " resistencia térmica " "por unidad de área". [ 6 ] A veces se le denomina valor RSI si se utilizan las unidades del SI (sistema métrico). [ 4 ] [ 13 ]

Se puede dar un valor R a un material (por ejemplo, a la espuma de polietileno ) o a un conjunto de materiales (por ejemplo, una pared o una ventana). En el caso de los materiales, suele expresarse en términos de valor R por unidad de longitud (por ejemplo, por pulgada de espesor). Esto último puede resultar engañoso en el caso de aislamientos térmicos de baja densidad para la construcción, ya que los valores R no son aditivos: su valor R por pulgada no es constante a medida que el material aumenta de espesor, sino que generalmente disminuye. [ 11 ]

Las unidades de un valor R (ver más abajo ) generalmente no se indican explícitamente, por lo que es importante determinar por el contexto qué unidades se están utilizando: un valor R expresado en unidades IP (pulgada-libra) [ 14 ] es aproximadamente 5,68 veces mayor que cuando se expresa en unidades SI, [ 5 ] de modo que, por ejemplo, una ventana que es R-2 en unidades IP tiene un RSI de 0,35 (ya que 2/5,68 = 0,35). Para los valores R no hay diferencia entre las unidades consuetudinarias estadounidenses y las unidades imperiales .

Todos los siguientes significan lo mismo: "esta es una ventana R-2"; [ 15 ] "esta es una ventana R2"; [ 16 ] [ 4 ] "esta ventana tiene un valor R de 2"; [ 15 ] "esta es una ventana con R = 2" [ 17 ] (y de manera similar con los valores RSI, que también incluyen la posibilidad "esta ventana proporciona RSI 0,35 de resistencia al flujo de calor" [ 18 ] [ 4 ] ).

Valor R aparente

Cuanto mayor sea la capacidad intrínseca de un material para conducir el calor, determinada por su conductividad térmica , menor será su valor R. Por otro lado, cuanto más grueso sea el material, mayor será su valor R. En ocasiones, otros procesos de transferencia de calor distintos de la conducción (como la convección y la radiación ) contribuyen significativamente a la transferencia de calor dentro del material. En estos casos, resulta útil introducir una "conductividad térmica aparente", que engloba los efectos de los tres tipos de procesos, y definir el valor R de forma más general como el espesor de una muestra dividido por su conductividad térmica aparente . Algunas ecuaciones que relacionan este valor R generalizado, también conocido como valor R aparente , con otras magnitudes son: Rval′=Δincógnitak′=1Uval=Δincógnita⋅r′,{\displaystyle R_{\text{val}}^{\prime }={\frac {\Delta x}{k^{\prime }}}={\frac {1}{U_{\text{val}}}}=\Delta x\cdot r^{\prime },}dónde:

  • Rval′{\displaystyle R_{\text{val}}^{\prime }}es el valor R aparente ( K / W ) a través del espesor de la muestra,
  • Δincógnita{\displaystyle \Delta x}es el espesor ( m ) de la muestra (medido en una trayectoria paralela al flujo de calor),
  • k′{\displaystyle k^{\prime }}es la conductividad térmica aparente del material ( W /( K ⋅ m )),
  • Uval{\displaystyle U_{\text{val}}}es la transmitancia térmica o valor U del material ( W / K ),
  • r′=k′−1{\displaystyle r^{\prime }={k^{\prime }}^{-1}}es la resistividad térmica aparente del material ( K ⋅ m / W ).

Un valor R aparente cuantifica la magnitud física denominada aislamiento térmico .

Sin embargo, esta generalización tiene un precio porque los valores R que incluyen procesos no conductores pueden dejar de ser aditivos y pueden tener una dependencia significativa de la temperatura. En particular, para un material suelto o poroso, el valor R por pulgada generalmente depende del espesor, casi siempre de modo que disminuye con el aumento del espesor [ 11 ] ( el poliisocianurato (coloquialmente, poliiso ) es una excepción; su valor R/pulgada aumenta con el espesor [ 19 ] ). Por razones similares, el valor R por pulgada también depende de la temperatura del material, generalmente aumentando con la disminución de la temperatura (el poliisocianurato es nuevamente una excepción); una manta de fibra de vidrio nominalmente R-13 puede ser R-14 a −12 °C (10 °F) y R-12 a 43 °C (109 °F) . [ 20 ] No obstante, en la construcción es común tratar los valores R como independientes de la temperatura. [ 21 ] Tenga en cuenta que un valor R puede no tener en cuenta los procesos radiativos o convectivos en la superficie del material , lo cual puede ser un factor importante para algunas aplicaciones.    

El valor R es el recíproco de la transmitancia térmica ( factor U ) de un material o conjunto. Sin embargo, la industria de la construcción estadounidense prefiere utilizar valores R, ya que son aditivos y porque valores más altos implican un mejor aislamiento, lo cual no se cumple para los factores U. [ 3 ]

Factor U/Valor U

El factor U o valor U es el coeficiente global de transferencia de calor que describe la capacidad de un elemento constructivo para conducir el calor, o la tasa de transferencia de calor (en vatios) a través de un metro cuadrado de una estructura, dividida por la diferencia de temperatura a través de la misma. [ 7 ] Los elementos suelen ser conjuntos de múltiples capas de componentes, como los que conforman paredes, suelos, techos, etc. Se expresa en vatios por metro cuadrado kelvin W/(m² · K). Esto significa que cuanto mayor sea el valor U, peor será el rendimiento térmico de la envolvente del edificio. Un valor U bajo generalmente indica altos niveles de aislamiento. Estos valores son útiles para predecir el comportamiento compuesto de un elemento constructivo completo, en lugar de basarse en las propiedades de los materiales individuales.

En la mayoría de los países, las propiedades de materiales específicos (como el aislamiento) se indican mediante la conductividad térmica , a veces llamada valor k o valor lambda (λ minúscula). La conductividad térmica (valor k) es la capacidad de un material para conducir el calor; por lo tanto, cuanto menor sea el valor k, mejor será el material como aislante. El poliestireno expandido (EPS) tiene un valor k de alrededor de 0,033  W/(m⋅K). [ 22 ] En comparación, el aislamiento de espuma fenólica tiene un valor k de alrededor de 0,018  W/(m⋅K), [ 23 ] mientras que la madera varía entre 0,15 y 0,75  W/(m⋅K), y el acero tiene un valor k de aproximadamente 50,0  W/(m⋅K). Estas cifras varían de un producto a otro, por lo que el Reino Unido y la UE han establecido un estándar 90/90, lo que significa que el 90% del producto cumplirá con el valor k indicado con un nivel de confianza del 90%, siempre que la cifra citada se indique como el valor lambda 90/90.

U es el inverso de R. [ 24 ] U se mide en unidades del SI de W/(m 2 ⋅K) y en unidades estadounidenses de BTU/(h⋅°F⋅ft 2 ) .U=1R=Q˙AΔT=kL,{\displaystyle U={\frac {1}{R}}={\frac {{\dot {Q}}_{A}}{\Delta T}}={\frac {k}{L}},}dóndeQ˙A{\displaystyle {\dot {Q}}_{A}}es el flujo de calor ,ΔT{\displaystyle \Delta T}es la diferencia de temperatura a través del material, k es el coeficiente de conductividad térmica del material y L es su espesor. En algunos contextos, U se denomina conductancia superficial unitaria. [ 25 ]

El término factor U se usa habitualmente en EE. UU. y Canadá para expresar el flujo de calor a través de conjuntos completos (como techos, paredes y ventanas [ 26 ] ). Por ejemplo, códigos energéticos como ASHRAE 90.1 y el IECC prescriben valores U. Sin embargo, el valor R se usa ampliamente en la práctica para describir la resistencia térmica de productos aislantes, capas y la mayoría de las demás partes de la envolvente del edificio (paredes, pisos, techos). En otras regiones del mundo, se usa más comúnmente el valor U/factor U para elementos de toda la envolvente del edificio, incluyendo ventanas, puertas, paredes, techo y losas de cimentación. [ 27 ]

Sistema métrico frente a sistema de pulgadas-libra

La unidad del SI (métrico) del valor R es el kelvin metro cuadrado por vatio (K⋅m 2 /W o, igualmente, °C⋅m 2 /W),  

mientras que la unidad IP (pulgada-libra) es grado Fahrenheit pie cuadrado hora por unidad térmica británica (°F⋅ft²⋅h / BTU). [ 14 ]  

Para los valores R no hay diferencia entre las unidades estadounidenses e imperiales , por lo que se utiliza la misma unidad IP en ambos. Algunas fuentes utilizan "RSI" cuando se refieren a valores R en unidades SI. [ 4 ] [ 13 ] Los valores R expresados ​​en unidades IP son aproximadamente 5,68 veces mayores que los valores R expresados ​​en unidades SI. [ 5 ] Por ejemplo, una ventana que es R-2 en el sistema IP es aproximadamente RSI 0,35, ya que 2/5,68 ≈ 0,35. En los países donde el sistema SI es de uso general, los valores R también se darán normalmente en unidades SI. Esto incluye el Reino Unido , Australia y Nueva Zelanda . Los valores IP se dan comúnmente en Estados Unidos y Canadá , aunque en Canadá normalmente se enumeran tanto los valores IP como los RSI. [ 28 ] [ 29 ] Como las unidades generalmente no se indican explícitamente, uno debe decidir por el contexto qué unidades se están utilizando. En este sentido, conviene tener en cuenta que los valores R del índice IP son 5,68 veces mayores que los valores R correspondientes del índice SI.

Más precisamente, [ 30 ] [ 31 ] Valor R (en IP) ≈ Valor RSI (en SI) × 5,678263 Valor RSI (en SI) ≈ Valor R (en IP) × 0,1761102    

Diferentes tipos de aislamiento

El Gobierno australiano explica que los valores R totales requeridos para la envolvente del edificio varían según la zona climática. "Estos materiales incluyen bloques de hormigón celular, bloques huecos de poliestireno expandido, balas de paja y láminas de poliestireno extruido revocado". [ 32 ]

En Alemania, tras la entrada en vigor de la ley Energieeinsparverordnung (EnEv) el 10 de octubre de 2009, relativa al ahorro energético, todos los edificios nuevos deben demostrar su capacidad para mantenerse dentro de ciertos límites del valor U para cada material de construcción. Además, la EnEv describe el coeficiente máximo para cada material nuevo si se sustituyen o añaden piezas a estructuras ya existentes. [ 33 ]

El Departamento de Energía de EE. UU. y la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. , a través de Energy Star , publican valores R recomendados específicos para cada región, basados ​​en los costos generales de energía local para calefacción y refrigeración, así como en el clima de la región . [ 34 ] Existen cuatro tipos de aislamiento: rollos y paneles, relleno suelto, espuma rígida y espuma in situ. Los rollos y paneles suelen ser aislantes flexibles que vienen en fibras, como la fibra de vidrio. El aislamiento de relleno suelto viene en fibras sueltas o gránulos y debe soplarse en un espacio. La espuma rígida es más cara que la fibra, pero generalmente tiene un valor R más alto por unidad de espesor. El aislamiento de espuma in situ se puede soplar en áreas pequeñas para controlar las fugas de aire, como las que se producen alrededor de las ventanas, o se puede utilizar para aislar una casa entera. [ 35 ]

Espesor

Aumentar el grosor de una capa aislante incrementa la resistencia térmica. Por ejemplo, duplicar el grosor de la fibra de vidrio duplicará su valor R, pasando de 2,0  m² · K/W para 110  mm de grosor a 4,0  m² · K/W para 220  mm de grosor. La transferencia de calor a través de una capa aislante es análoga a añadir resistencia a un circuito en serie con un voltaje fijo. Sin embargo, esto solo es aproximadamente cierto, ya que la conductividad térmica efectiva de algunos materiales aislantes depende del grosor. La adición de materiales para recubrir el aislamiento, como paneles de yeso y revestimientos, proporciona un valor R adicional, pero generalmente mucho menor.

Factores

Existen muchos factores que influyen al utilizar los valores R para calcular la pérdida de calor en una pared. Los valores R del fabricante solo se aplican a aislamientos instalados correctamente. Introducir dos capas de guata en el espacio destinado a una sola capa aumentará, pero no duplicará, el valor R (esencialmente, comprimir una guata de fibra de vidrio disminuye el valor R de la guata, pero aumenta el valor R por pulgada).

Otro factor es que los montantes y las ventanas proporcionan una vía de conducción de calor paralela que no se ve afectada por el valor R del aislamiento. Esto implica que se podría duplicar el valor R del aislamiento instalado entre los elementos estructurales y lograr una reducción de la pérdida de calor sustancialmente menor al 50 %. Cuando se instala entre los montantes de la pared, incluso un aislamiento de pared perfecto solo elimina la conducción a través del aislamiento, pero no afecta la pérdida de calor por conducción a través de materiales como ventanas de vidrio y montantes. El aislamiento instalado entre los montantes puede reducir, pero generalmente no elimina, las pérdidas de calor debidas a las fugas de aire a través de la envolvente del edificio. Instalar una capa continua de aislamiento de espuma rígida en la cara exterior del revestimiento de la pared interrumpirá los puentes térmicos a través de los montantes y, al mismo tiempo, reducirá la tasa de fugas de aire.

Función principal

El valor R es una medida de la capacidad de una muestra de aislamiento para reducir la tasa de flujo de calor bajo condiciones de prueba específicas. El modo principal de transferencia de calor que impide el aislamiento es la conducción, pero el aislamiento también reduce la pérdida de calor por los tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación. La principal pérdida de calor a través de un espacio lleno de aire sin aislar es la convección natural , que ocurre debido a los cambios en la densidad del aire con la temperatura. El aislamiento retarda en gran medida la convección natural, haciendo que la conducción sea el modo principal de transferencia de calor. Los aislamientos porosos logran esto atrapando el aire de manera que se elimina una pérdida de calor convectiva significativa, dejando solo la conducción y una transferencia de radiación menor. La función principal de dicho aislamiento es hacer que la conductividad térmica del aislamiento sea la del aire atrapado y estancado. Sin embargo, esto no se puede lograr completamente porque la lana de vidrio o la espuma necesarias para evitar la convección aumentan la conductividad térmica en comparación con la del aire en reposo.

La mínima transferencia de calor por radiación se logra mediante la presencia de múltiples superficies que interrumpen la visibilidad entre las superficies internas y externas del aislamiento, de forma similar a como se bloquea el paso de la luz visible a través de materiales porosos. Estas superficies múltiples abundan en el relleno y la espuma porosa. La radiación también se minimiza mediante superficies exteriores de baja emisividad (altamente reflectantes), como el papel de aluminio. Se puede lograr una menor conductividad térmica, o valores R más altos, reemplazando el aire por argón cuando sea factible, como en el caso de aislamientos especiales de espuma de poro cerrado, ya que el argón tiene una conductividad térmica menor que el aire.

General

La transferencia de calor a través de una capa aislante es análoga a la resistencia eléctrica . La transferencia de calor se puede calcular considerando resistencias en serie con un potencial fijo, con la diferencia de que las resistencias son térmicas y el potencial es la diferencia de temperatura entre un lado y otro del material. La resistencia de cada material a la transferencia de calor depende de la resistencia térmica específica [valor R]/[unidad de espesor], que es una propiedad del material (véase la tabla a continuación), y del espesor de la capa. Una barrera térmica compuesta por varias capas tendrá varias resistencias térmicas en serie, de forma análoga a un circuito. De forma análoga a un conjunto de resistencias en paralelo, una pared bien aislada con una ventana mal aislada permitirá que pase proporcionalmente más calor a través de la ventana (de baja resistencia R), y un aislamiento adicional en la pared solo mejorará mínimamente el valor R total. Por lo tanto, la sección menos aislada de una pared tendrá el mayor impacto en la transferencia de calor en relación con su tamaño, de forma similar a como la mayor parte de la corriente fluye a través de la resistencia de menor resistencia en una configuración en paralelo. Por lo tanto, garantizar que las ventanas, las aberturas para instalaciones (alrededor de cables/tuberías), las puertas y otras aberturas en una pared estén bien selladas y aisladas suele ser la forma más rentable de mejorar el aislamiento de una estructura, una vez que las paredes estén suficientemente aisladas.

Al igual que ocurre con la resistencia en los circuitos eléctricos, aumentar la longitud física (para el aislamiento, el grosor) de un elemento resistivo, como el grafito, por ejemplo, incrementa la resistencia linealmente; duplicar el grosor de una capa significa duplicar el valor R y reducir a la mitad la transferencia de calor; cuadruplicarlo, reducirlo a una cuarta parte; etc. En la práctica, esta relación lineal no siempre se cumple para materiales compresibles como la lana de vidrio y el relleno de algodón, cuyas propiedades térmicas cambian al comprimirse. Así, por ejemplo, si una capa de aislamiento de fibra de vidrio en un ático proporciona una resistencia térmica R-20, añadir una segunda capa no necesariamente duplicará la resistencia térmica, ya que la primera capa se comprimirá por el peso de la segunda.

Cálculo de la pérdida de calor

Para calcular la pérdida de calor promedio por unidad de área, simplemente divida la diferencia de temperatura por el valor R de la capa.

Si el interior de una vivienda está a 20  °C y la cavidad del techo a 10  °C, la diferencia de temperatura es de 10  °C (o 10  K). Suponiendo un techo aislado con un RSI de 2,0 (R = 2  m² · K/W), se perderá energía a una tasa de 10  K / (2  K· m² /W) = 5  vatios por cada metro cuadrado (W/m² ) de techo. El valor RSI utilizado aquí corresponde a la capa aislante propiamente dicha (y no a la unidad de espesor del aislamiento).

Relaciones

Espesor

El valor R no debe confundirse con la resistividad térmica ni con su inversa, la conductividad térmica . La unidad del SI para la resistividad térmica es K⋅m/W. La conductividad térmica presupone que la transferencia de calor del material es linealmente proporcional a su espesor.

Múltiples capas

Para calcular el valor R de una instalación multicapa, se suman los valores R de las capas individuales: [ 36 ] Valor R (película de aire exterior) + Valor R (ladrillo) + Valor R (revestimiento) + Valor R (aislamiento) + Valor R (placa de yeso) + Valor R (película de aire interior) = Valor R (total) .  

Para tener en cuenta otros componentes de una pared, como la estructura, primero se calcula el valor U (= 1/valor R) de cada componente y, a continuación, el valor U promedio ponderado por área. El valor R promedio es 1/(valor U promedio). Por ejemplo, si el 10 % del área es de 4 pulgadas de madera blanda (valor R 5,6) y el 90 % es de 2 pulgadas de aerogel de sílice (valor R 20), el valor U ponderado por área es 0,1/5,6 + 0,9/20 ≈ 0,0629 y el valor R ponderado es 1/0,0629 ≈ 15,9.

Controversia

Conductividad térmica frente a conductividad térmica aparente

La conductividad térmica se define convencionalmente como la tasa de conducción de calor a través de un material por unidad de área, por unidad de espesor y por unidad de diferencia de temperatura (ΔT ) . El inverso de la conductividad es la resistividad (o R por unidad de espesor). La conductancia térmica es la tasa de flujo de calor a través de un área unitaria con el espesor de instalación y cualquier ΔT dado .

Experimentalmente, la conducción térmica se mide colocando el material en contacto entre dos placas conductoras y midiendo el flujo de energía necesario para mantener un determinado gradiente de temperatura.

En la mayoría de los casos, la prueba del valor R del aislamiento se realiza a una temperatura constante, generalmente alrededor de 70 °F (21 °C) sin movimiento de aire circundante. Dado que estas son condiciones ideales, el valor R indicado para el aislamiento será casi con seguridad más alto que el que tendría en el uso real, porque la mayoría de las situaciones con aislamiento se dan en condiciones diferentes.  

En el documento C168, publicado por la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM), se propone una definición del valor R basada en la conductividad térmica aparente. Esta definición describe la transferencia de calor mediante los tres mecanismos: conducción, radiación y convección.

El debate continúa entre representantes de diferentes segmentos de la industria del aislamiento de EE. UU. durante la revisión de las regulaciones de la FTC de EE. UU. sobre la publicidad de valores R [ 37 ], lo que ilustra la complejidad de los problemas.

Temperatura superficial en relación con el modo de transferencia de calor

Existen limitaciones al utilizar un único modelo de laboratorio para evaluar simultáneamente las propiedades de un material frente al calentamiento por conducción, radiación y convección. La temperatura superficial varía según el modo de transferencia de calor. Si asumimos una transferencia de calor idealizada entre el aire a cada lado y la superficie del aislante, la temperatura superficial del aislante sería igual a la temperatura del aire a cada lado. En respuesta a la radiación térmica, la temperatura superficial depende de la emisividad térmica del material. Las superficies de baja emisividad, como las láminas metálicas brillantes, reducen la transferencia de calor por radiación. La convección modifica la tasa de transferencia de calor entre el aire y la superficie del aislante, dependiendo de las características de flujo del aire (u otro fluido) en contacto con él. Con múltiples modos de transferencia de calor, la temperatura superficial final (y, por lo tanto, el flujo de energía observado y el valor R calculado) dependerá de las contribuciones relativas de la radiación, la conducción y la convección, aunque la contribución energética total permanezca constante.

Esta es una consideración importante en la construcción de edificios porque la energía térmica llega en diferentes formas y proporciones. La contribución de las fuentes de calor radiativo y conductivo también varía a lo largo del año y ambas son importantes contribuyentes al confort térmico.

En la estación cálida, la radiación solar predomina como fuente de ganancia de calor. Según la ley de Stefan-Boltzmann , la transferencia de calor por radiación está relacionada con la cuarta potencia de la temperatura absoluta (medida en kelvin : T [K] = T [°C] + 273,16). Por lo tanto, dicha transferencia es más significativa cuando el objetivo es enfriar (es decir, cuando la radiación solar ha producido superficies muy calientes). Por otro lado, los modos de pérdida de calor por conducción y convección desempeñan un papel más importante durante los meses más fríos. A estas bajas temperaturas ambiente, los aislamientos tradicionales de fibra, plástico y celulosa desempeñan, con diferencia, el papel principal: el componente de transferencia de calor por radiación es mucho menos importante, y la principal contribución de la barrera de radiación radica en su superior estanqueidad al aire. En resumen: las afirmaciones sobre el aislamiento de barrera radiante están justificadas a altas temperaturas, normalmente cuando se minimiza la transferencia de calor en verano; pero estas afirmaciones no están justificadas en las condiciones tradicionales de invierno (mantener el calor).

Limitaciones de los valores R en la evaluación de barreras radiantes

A diferencia de los aislantes masivos, las barreras radiantes resisten mal el calor conducido. Materiales como la lámina reflectante tienen una alta conductividad térmica y funcionarían mal como aislantes conductores. Las barreras radiantes retardan la transferencia de calor de dos maneras: reflejando la energía radiante lejos de su superficie irradiada y reduciendo la emisión de radiación desde su lado opuesto.

La cuestión de cómo cuantificar el rendimiento de otros sistemas, como las barreras radiantes, ha generado controversia y confusión en el sector de la construcción debido al uso de valores R o «valores R equivalentes» para productos que emplean sistemas de inhibición de la transferencia de calor completamente diferentes. (En Estados Unidos, la normativa federal sobre valores R establece una definición legal para el valor R de un material de construcción; el término «valor R equivalente» carece de definición legal y, por lo tanto, no tiene sentido). Según las normas vigentes, los valores R se especifican con mayor precisión para materiales aislantes a granel . Todos los productos citados al final son ejemplos de estos.

Calcular el rendimiento de las barreras radiantes es más complejo. Con una buena barrera radiante instalada, la mayor parte del flujo de calor se produce por convección, la cual depende de muchos factores además de la propia barrera radiante. Aunque las barreras radiantes tienen una alta reflectividad (y baja emisividad ) en un rango de espectros electromagnéticos (incluida la luz visible y ultravioleta), sus ventajas térmicas se relacionan principalmente con su emisividad en el rango infrarrojo. Los valores de emisividad [ 38 ] son ​​la métrica apropiada para las barreras radiantes. Su eficacia cuando se emplean para resistir la ganancia de calor en aplicaciones limitadas está establecida, [ 39 ] aunque el valor R no las describe adecuadamente.

Deterioro

Envejecimiento del aislamiento

Aunque faltan investigaciones sobre la degradación a largo plazo del valor R en el aislamiento, estudios recientes indican que los valores R de los productos pueden deteriorarse con el tiempo. Por ejemplo, la compactación de la celulosa suelta crea huecos que reducen el rendimiento general; esto puede evitarse compactando densamente durante la instalación inicial. Algunos tipos de aislamiento de espuma , como el poliuretano y el poliisocianurato, se moldean mediante soplado con gases pesados ​​como los clorofluorocarbonos (CFC) o los hidroclorofluorocarbonos (HFC). Sin embargo, con el tiempo, estos gases se difunden fuera de la espuma y son reemplazados por aire, reduciendo así el valor R efectivo del producto. Existen otras espumas que no cambian significativamente con el envejecimiento porque se soplan con agua o son de celda abierta y no contienen CFC ni HFC atrapados (por ejemplo, espumas de baja densidad de media libra). En ciertas marcas, las pruebas de veinte años no han mostrado contracción ni reducción en el valor aislante.

Esto ha generado controversia sobre cómo evaluar el aislamiento de estos productos. Muchos fabricantes califican el valor R en el momento de la fabricación; los críticos argumentan que una evaluación más justa sería su valor establecido. La industria de la espuma adoptó el método de resistencia térmica a largo plazo (LTTR, por sus siglas en inglés), [ 40 ] que califica el valor R basándose en un promedio ponderado de 15 años. Sin embargo, el LTTR proporciona, en la práctica, solo un valor R de ocho años, insuficiente para un edificio cuya vida útil puede oscilar entre 50 y 100 años.

El Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. ha llevado a cabo una investigación sobre la degradación a largo plazo de los materiales aislantes. Los valores de degradación se obtuvieron a partir de pruebas de laboratorio a corto plazo en materiales expuestos a diversas condiciones de temperatura y humedad. Los resultados indican que la absorción de humedad y la pérdida del agente espumante (en la espuma de poliuretano proyectada de celda cerrada) fueron las principales causas de la pérdida del valor R. La fibra de vidrio y el poliestireno extruido conservaron más del 97 % de sus valores R iniciales, mientras que los aerogeles y el poliuretano de celda cerrada experimentaron una reducción del 15 % y del 27,5 %, respectivamente. Los resultados sugieren que se aplica una ley de decaimiento exponencial a lo largo del tiempo a los valores R de los poliuretanos de celda cerrada y las mantas de aerogel. [ 41 ]

Infiltración

Para el correcto funcionamiento de los aislantes térmicos, es fundamental prestar la debida atención a las medidas de sellado hermético y considerar los mecanismos de transferencia de vapor. La infiltración de aire puede provocar transferencia de calor por convección o condensación, factores que pueden degradar el rendimiento del aislamiento.

Una de las principales ventajas del aislamiento de espuma proyectada es su capacidad para crear un sellado hermético (y en algunos casos, impermeable) directamente contra el sustrato, reduciendo así los efectos indeseables de las fugas de aire. También se utilizan otras tecnologías de construcción para reducir o eliminar la infiltración, como las técnicas de sellado hermético.

Mediciones in situ del valor R

El deterioro de los valores R es un problema particularmente importante al definir la eficiencia energética de un edificio existente. Especialmente en edificios antiguos o históricos, los valores R definidos antes de la construcción pueden diferir considerablemente de los valores reales. Esto afecta significativamente el análisis de la eficiencia energética. Para obtener datos fiables, los valores R se determinan a menudo mediante mediciones del valor U en la ubicación específica (in situ). Existen varios métodos potenciales para ello, cada uno con sus ventajas e inconvenientes: termografía, mediciones de temperatura múltiples y el método del flujo de calor. [ 7 ]

Termografía

La termografía se aplica en el sector de la construcción para evaluar la calidad del aislamiento térmico de una habitación o edificio. Mediante una cámara termográfica se pueden identificar puentes térmicos y zonas de aislamiento no homogéneas. Sin embargo, no proporciona datos cuantitativos. Este método solo permite aproximar el valor U o el inverso del valor R.

Configuración para la medición del flujo de calor
Resultados de la medición del flujo de calor

Múltiples mediciones de temperatura

Este método se basa en tres o más mediciones de temperatura dentro y fuera de un elemento constructivo. Al sincronizar estas mediciones y realizar algunas suposiciones básicas, es posible calcular el flujo de calor indirectamente y, por lo tanto, obtener el valor U del elemento constructivo. Para obtener resultados fiables, deben cumplirse los siguientes requisitos:

  • Diferencia entre la temperatura interior y exterior, idealmente > 15  K
  • Condiciones constantes
  • Sin radiación solar
  • No hay mediciones de calor por radiación cercanas

Método del flujo de calor

El valor R de un elemento constructivo se puede determinar utilizando un sensor de flujo de calor en combinación con dos sensores de temperatura. [ 42 ] Al medir el calor que fluye a través de un elemento constructivo y combinarlo con la temperatura interior y exterior, es posible definir el valor R con precisión.  Se requiere una medición de al menos 72 horas con una diferencia de temperatura de al menos 5 °C para obtener un resultado fiable según las normas ISO 9869, pero las mediciones de menor duración también proporcionan una indicación fiable del valor R. El progreso de la medición se puede visualizar en un ordenador portátil mediante el software correspondiente y los datos obtenidos se pueden utilizar para cálculos posteriores. Empresas como FluxTeq, Ahlborn, greenTEG y Hukseflux ofrecen dispositivos de medición para este tipo de mediciones de flujo de calor.

Colocar el sensor de flujo de calor en la superficie interior o exterior del elemento constructivo permite determinar el flujo de calor que lo atraviesa como un valor representativo del flujo de calor que atraviesa dicho elemento. El flujo de calor a través del sensor es la tasa de flujo de calor que lo atraviesa dividida por su superficie . Colocar los sensores de temperatura en las superficies interior y exterior del elemento constructivo permite determinar la temperatura de la superficie interior, la temperatura de la superficie exterior y la diferencia de temperatura entre ellas. En algunos casos, el propio sensor de flujo de calor puede funcionar como uno de los sensores de temperatura. El valor R del elemento constructivo es la diferencia de temperatura entre los dos sensores de temperatura dividida por el flujo de calor que lo atraviesa . La fórmula matemática es: Rval=ΔTϕq=To−Tiq/A,{\displaystyle R_{\text{val}}={\frac {\Delta T}{\phi _{q}}}={\frac {T_{o}-T_{i}}{q/A}},}dónde:

  • Rval{\displaystyle R_{\text{val}}}es el valor R ( K ⋅ W −1 ⋅ m 2 ),
  • ϕq{\displaystyle \phi _{q}}es el flujo de calor ( W ⋅ m −2 ),
  • A{\displaystyle A}es el área superficial del sensor de flujo de calor ( m² ) ,
  • q{\displaystyle q}es la tasa de flujo de calor ( W ),
  • Ti{\displaystyle T_{i}}es la temperatura de la superficie interior ( K ),
  • To{\displaystyle T_{o}}es la temperatura de la superficie exterior ( K ), y
  • ΔT{\displaystyle \Delta T}es la diferencia de temperatura ( K ) entre las superficies interior y exterior.

El valor U también se puede calcular tomando el recíproco del valor R. Es decir, Uval=1Rval.{\displaystyle U_{\text{val}}={\frac {1}{R_{\text{val}}}}.}

dóndeUval{\displaystyle U_{\text{val}}}es el valor U ( W ⋅ m −2 ⋅ K −1 ).

Los valores R y U obtenidos pueden ser precisos siempre que el flujo de calor a través del sensor sea igual al flujo de calor a través del elemento constructivo. Registrar todos los datos disponibles permite estudiar la dependencia de los valores R y U con respecto a factores como la temperatura interior, la temperatura exterior o la posición del sensor de flujo de calor . En la medida en que todos los procesos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) contribuyen a las mediciones, el valor R obtenido representa un valor R aparente.

Valores de muestra

Los paneles con aislamiento al vacío tienen el valor R más alto, aproximadamente R-45 (en unidades estadounidenses) por pulgada; el aerogel tiene el siguiente valor R más alto (alrededor de R-10 a R-30 por pulgada), seguido por el poliuretano (PUR) y el aislamiento de espuma fenólica con R-7 por pulgada. Les siguen de cerca el poliisocianurato (PIR) con R-5.8, el poliestireno expandido impregnado de grafito con R-5 y el poliestireno expandido (EPS) con R-4 por pulgada. La celulosa suelta, la fibra de vidrio (tanto soplada como en paneles) y la lana de roca (tanto soplada como en paneles) poseen un valor R de aproximadamente R-2.5 a R-4 por pulgada.

Las balas de paja tienen un rendimiento de aproximadamente R-2,38 a 2,68 por pulgada, dependiendo de la orientación de las balas. [ 43 ] Sin embargo, las casas típicas de balas de paja tienen paredes muy gruesas y, por lo tanto, están bien aisladas. La nieve tiene aproximadamente R-1 por pulgada. El ladrillo tiene una capacidad aislante muy pobre, de apenas R-0,2 por pulgada; sin embargo, tiene una masa térmica relativamente buena .

Tenga en cuenta que todos los ejemplos anteriores utilizan la definición estadounidense (no perteneciente al SI) para el valor R.

El aerogel es un aislante térmico extremadamente bueno, que a una presión de una décima de atmósfera tiene un valor R de R-40/m, [ 44 ] en comparación con R-3,5/m para una manta de fibra de vidrio. [ 45 ]

Valores R típicos

Esta es una lista de materiales aislantes utilizados en todo el mundo.

Se proporcionan valores R típicos para diversos materiales y estructuras como aproximaciones basadas en el promedio de los datos disponibles y se ordenan de menor a mayor valor. El valor R a 1  m proporciona valores R normalizados a un espesor de 1 metro (3  pies 3  pulgadas) y se ordena por la mediana del rango.

Valores R típicos para superficies

Valores R de superficie no reflectante para películas de aire

Al determinar la resistencia térmica global de un conjunto constructivo, como una pared o un techo, se suma el efecto aislante de la película de aire superficial a la resistencia térmica de los demás materiales. [ 65 ]

En la práctica, los valores superficiales mencionados anteriormente se utilizan para pisos, techos y paredes de un edificio, pero no son precisos para cavidades de aire cerradas, como las que se encuentran entre los paneles de vidrio. La resistencia térmica efectiva de una cavidad de aire cerrada está fuertemente influenciada por la transferencia de calor por radiación y la distancia entre las dos superficies. Consulte la sección sobre acristalamiento aislante para una comparación de los valores R de las ventanas, incluyendo algunos valores R efectivos que incorporan una cavidad de aire.

Barreras radiantes

Regla del valor R en EE. UU.

La Comisión Federal de Comercio (FTC) regula las afirmaciones sobre los valores R para proteger a los consumidores contra la publicidad engañosa y fraudulenta. Emitió la norma sobre el valor R. [ 68 ]

El objetivo principal de esta norma es garantizar que el mercado de aislamiento para el hogar proporcione al consumidor esta información esencial previa a la compra. Dicha información permite a los consumidores comparar la eficiencia relativa de los diferentes materiales aislantes, seleccionar el producto con mayor eficiencia y potencial de ahorro energético, realizar una compra rentable y considerar las principales variables que limitan la eficacia del aislamiento y la consecución del ahorro energético prometido.

La normativa exige que se divulgue información específica sobre el valor R de los productos de aislamiento para el hogar en ciertos anuncios y en el punto de venta. El objetivo de este requisito publicitario es evitar que los consumidores sean engañados por ciertas afirmaciones que afectan al valor aislante. En el momento de la compra, algunos consumidores podrán obtener la información necesaria sobre el valor R de la etiqueta del paquete de aislamiento. Sin embargo, dado que la evidencia demuestra que los paquetes a menudo no están disponibles para su inspección antes de la compra, en muchos casos los consumidores no tendrán acceso a la información de la etiqueta. Por consiguiente, la normativa exige que los consumidores tengan acceso a una ficha técnica para su consulta antes de realizar la compra.

Espesor

La regla del valor R especifica:

Véase también

Referencias

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