Optimización térmica de marcos de ventanas.

Resumen El rendimiento térmico de los marcos de ventanas se puede calcular fácilmente mediante simulaciones numéricas 2D. Hay varios paquetes de software comerciales disponibles y los estándares internacionales proporcionan una metodología clara para calcular la transmitancia térmica. Sin embargo, aunque estos métodos son bien conocidos en el mundo académico y en la comunidad investigadora en general, la optimización térmica aún no ha alcanzado su máximo potencial en la industria de la construcción y existe un margen considerable de mejora. Específicamente para las pequeñas y medianas empresas, faltan directrices que sean lo suficientemente genéricas para garantizar un uso generalizado, así como lo suficientemente específicas para permitir una interpretación e implementación fácil y directa. En este proyecto de investigación, se desarrollaron secciones de ventana genéricas para marcos de vinilo, aluminio y madera en colaboración con la industria de la construcción. Sobre la base de un estudio de mercado, se han identificado y descrito enfoques típicos para mejorar el rendimiento térmico de cada tipo de marco de ventana. Posteriormente, se ha estudiado el impacto de las mejoras separadas, así como los efectos combinados, utilizando métodos de cálculo tanto estandarizados como avanzados. Para ello, se discuten los fenómenos de transferencia de calor y la forma en que éstos se modelan según procedimientos de cálculo estándar. Además, se analizan una serie de efectos secundarios derivados de las normas, por ejemplo, el espesor de la IGU, la profundidad del pliegue de la ventana, las conductividades térmicas equivalentes y el impacto de los coeficientes de transferencia de calor reducidos. Revisión por pares bajo la responsabilidad del CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2501 A lo largo de las últimas décadas ha habido un interés creciente en reducir el uso energético en los edificios. Hay muchos aspectos que contribuyen a la eficiencia energética general de un edificio, por ejemplo: un diseño inteligente, sistemas HVAC eficientes, interfaces herméticas y un nivel de aislamiento adecuado. En particular, el rendimiento del aislamiento se ha investigado exhaustivamente en estudios anteriores. A pesar de muchas investigaciones, un componente del edificio sigue siendo motivo de preocupación, más concretamente el marco de la ventana. Es un componente bastante complejo debido a condiciones límite específicas relacionadas con el rendimiento mecánico, la operabilidad, la acústica, etc. Para paredes, tejados y suelos, las pautas típicas para la transmitancia térmica máxima en los países del centro y norte de Europa se sitúan entre 0,1 y 0,3 W.m²K, lo que se puede lograr fácilmente con tipos de construcción comunes. Para las ventanas, las directrices son menos estrictas y suelen variar entre 0,8 W/m²K y 2,4 W/m²K. En algunos países también existen requisitos específicos para las IGU. El doble acristalamiento comercial con revestimiento de baja emisividad y relleno de gas argón tiene una transmitancia térmica de 1,1 W/m²K, mientras que el triple acristalamiento y el acristalamiento al vacío pueden llegar hasta 0,5 W/m²K. Hasta donde saben los autores, en diferentes países no existen restricciones específicas sobre la conductividad térmica de los marcos de las ventanas. Tenga en cuenta que imponer restricciones específicas haría imposible construir algunas configuraciones de ventana específicas. Por ejemplo, las ventanas y puertas correderas típicas de aluminio o vinilo disponibles en el mercado tienen una transmitancia térmica de entre 2,0 y 4,5 W/m²K. No porque el rendimiento térmico no se haya considerado en el proceso de diseño, sino debido a las restricciones prácticas en la fabricación y la facilidad de uso. La información sobre optimización térmica en la literatura científica, y en la literatura en general, es bastante escasa [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] estudiaron el impacto de la conductividad térmica del material del marco y las roturas térmicas, para definir objetivos de rendimiento del material para los diseños de ventanas actuales. Tenga en cuenta que se eligió un valor U de 0,5 W/m²K como nivel de rendimiento requerido, basándose simplemente en el hecho de que las mejores IGU comerciales del mercado ahora tienen un valor U de 0,5 W/m²K. Con base en ese enfoque, se llegó a la conclusión de que las roturas de puente térmico deberían tener una conductividad térmica inferior a 0,02 W/mK (o 0,005 W/mK si se desarrollan materiales 'nuevos'), los materiales aislantes estructurales para perfiles compuestos de madera deberían tener una conductividad térmica inferior a 0,03 W/mK e, idealmente, los marcos de aluminio y PVC deberían comprender cavidades con una emisividad inferior a 0,05 para los materiales circundantes. No se presentaron pautas de diseño para la geometría de las ventanas ni se especificaron vías sobre cómo adquirir las conductividades especificadas. De manera similar, Byars y Arasteh [5] también se centraron en el impacto de la conductividad térmica en el valor U del marco. La investigación realizada por Gustavsen [1] indicó que aunque la convección se modela en EN ISO 10077-2 [6] adoptando un enfoque simplificado con conductividades térmicas equivalentes, los resultados se comparan bien con las simulaciones de flujo de fluido. ISO 10077-2 prescribe que las cavidades con una interconexión que no exceda los 2 mm deben considerarse separadas. Para ello falta cualquier referencia a artículos o investigaciones y mediante simulaciones CFD se demostró que 7 mm sería un criterio más realista. 2. Modelos y método de simulación Un análisis de las características de una gama de marcos de ventanas actualmente disponibles en el mercado belga dio como resultado el diseño de tres materiales de marco diferentes: aluminio, madera y vinilo. Se trata de una base neutral para las simulaciones y se pueden utilizar como modelos genéricos para evitar que los productos existentes se vean favorecidos o desfavorecidos. Estos modelos fueron diseñados en colaboración con la Asociación Belga de Construcción y Certificación (BCCA) y el Centro Europeo del Aluminio, no sólo para garantizar el diseño neutro de los marcos, sino también para obtener una visión general confiable de las medidas típicas que se toman para mejorar el rendimiento térmico de los marcos. Para los marcos de aluminio, la referencia estándar actual en Bélgica es un perfil de 3 cámaras con rotura de puente térmico de poliamida reforzada con fibra de vidrio. El sistema se hace hermético al aire y al agua mediante una junta central, normalmente en combinación con una junta interior. De manera similar, los marcos de ventanas de vinilo comunes se componen de 5 cámaras y se inserta un perfil de acero para garantizar una resistencia y rigidez adecuadas. La estanqueidad a la intemperie está garantizada también por dos juntas, una en el plano interior y otra en el plano exterior. El marco de referencia en madera tiene un espesor de 68 mm, está fabricado en madera noble y consta de una junta interior y central. En colaboración con la BCCA, se inició un pequeño ejercicio de simulación por turnos. Se invitó a los fabricantes de marcos de ventanas a simular los modelos genéricos e informar el valor Uf de acuerdo con la norma EN ISO 10077-2. Sólo cinco empresas respondieron a la convocatoria, por lo que los resultados no pueden considerarse representativos de todo el sector de la construcción belga, pero aun así se extrajeron una serie de conclusiones interesantes. En primer lugar, se utilizaron tanto Therm [7] como Bisco [8] y métodos similares 2502 Nathan Van Den Bossche et al. / Energía Procedia 78 (2015) Se encontraron 2500 – 2505 resultados. En segundo lugar, para el marco de madera la desviación estándar fue de 0,00 W/m²K, mientras que para el marco de vinilo y aluminio se encontró una desviación estándar de 0,01 W/m²K. Evidentemente, la conducción es la forma más importante de transferencia de calor en la estructura de madera, mientras que la convección y la radiación (y conductividades térmicas equivalentes) son más importantes en los demás perfiles. Fig. 1 Marcos de ventanas genéricos en aluminio (izquierda), vinilo (centro) y madera (derecha). La geometría de cada modelo se basa en el denominador común de los sistemas comerciales. Estos diseños pueden considerarse básicos y quizás no representativos de la práctica de construcción actual, pero al utilizar este enfoque es más sencillo evaluar y cuantificar el impacto de diferentes estrategias de mejora. La norma europea EN ISO 10077-2 proporciona un método de cálculo numérico para calcular el valor U de la estructura (Uf), que normalmente se realiza mediante un programa comercial de transferencia de calor 2D como Therm o Bisco. Para este análisis, se utilizó Bisco pero se adoptó un enfoque físicamente más correcto. Los cambios más importantes son el cálculo preciso de los factores de visión y el modelo de radiación no lineal (al contrario del uso de conductividad térmica equivalente para cavidades en EN ISO 10077-2) y el análisis separado de radiación y convección en cavidades y en las superficies internas y externas. La norma EN ISO 10077-2 especifica que se puede adoptar una temperatura media de 10°C para calcular la conductividad térmica equivalente. Las simulaciones muestran que incluso en marcos simétricos la convección dependiente de la temperatura en realidad induce diferencias de hasta 0,003W/m²K en los modelos que se consideran aquí (tenga en cuenta que en condiciones más extremas donde la convección y la radiación son más importantes, se encontraron diferencias de hasta 0,04W/m²K). En general, esto conduce a valores Uf ligeramente más bajos, pero permite una evaluación más correcta de las diferentes estrategias de optimización. Utilizando el método de simulación más preciso, el valor Uf del marco de ventana de vinilo es un 2 % menor en comparación con el método de cálculo EN ISO 10077-2, mientras que para los marcos de ventana de madera y aluminio el valor Uf es casi un 1 % menor. Por el contrario, se registra una diferencia mayor en la contribución de las tres formas diferentes de transferencia de calor (conducción, radiación y convección) al rendimiento térmico general. Generalmente, el método de cálculo de la norma EN ISO 10077-2 subestima la importancia de la radiación y la convección y sobreestima la importancia de la conducción. Específicamente para el modelo de estructura de madera, es sorprendente la diferencia en la contribución de las formas de transferencia de calor entre la norma EN ISO 10077-2 y un método más preciso. Esto puede atribuirse a una redistribución de las diferentes formas de transferencia de calor debido a la importancia subestimada de la radiación y la convección en las cavidades de la estructura. A medida que crece la conductividad térmica equivalente de las cavidades, se aproxima a la conductividad de la madera. Así, una parte del flujo de calor que inicialmente fluyó a través de la madera ahora 'elige' cruzar la cavidad mediante radiación, ya que la diferencia en la resistencia al flujo de calor entre la madera y la cavidad ha disminuido. Finalmente, en las simulaciones, la IGU se reemplaza, de acuerdo con la norma EN ISO 10077-2, por una capa aislante con el mismo espesor y una conductividad térmica de 0,035 W/mK. Dado que para el cálculo de valores Uf que no se basan en el proyecto (como suele ser el caso), no está claro qué espesor de vidrio se debe asumir. La Tabla 1 muestra los valores Uf para los tres marcos de referencia, calculados para un espesor de vidrio de 24 mm (doble acristalamiento 4-16-4) y 42 mm (triple acristalamiento 4-15-4-15-4). Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2503 Tabla 1. Valores Uf de marcos de ventanas genéricos con acristalamiento de 24 mm y 42 mm. Valores Uf doble acristalamiento 24 mm (W/m²K) triple acristalamiento 42 mm (W/m²K) diferencia (W/m²K) diferencia (%) aluminio 2,773 2,618 0,155 5,59 madera 1,707 1,640 0,067 3,93 vinilo 1,503 1,451 0,052 3.46 3. Estrategias de optimización térmica A lo largo del análisis de marcos de ventanas comerciales existentes, se encontró una variedad de diferentes estrategias de optimización térmica. Se realizó un análisis de sensibilidad de las diferentes técnicas de optimización sobre los correspondientes modelos genéricos. 3.1. Aluminio La Tabla 2 reporta las diferentes estrategias de optimización aplicadas al modelo de marco de ventana de aluminio con una transmitancia térmica de 2.775 W/(m²K). El valor Uf más bajo que se puede lograr combinando estas estrategias es 1.210 W/(m²K), una reducción en la pérdida de calor del 56%. Tenga en cuenta que esto no debe considerarse como el valor más bajo alcanzable. El análisis presentado aquí se centra en el impacto relativo de las intervenciones separadas y combinadas, y mediante una optimización específica más enfocada se pueden lograr valores incluso más bajos. Tabla 2. Estrategias de optimización para marcos de ventanas de aluminio. Estrategias de optimización Valor Uf (W/m²K) Mejora (%) inicio: modelo marco de ventana de aluminio 2.775 0 A. optimización ancho de los miembros del perfil de aluminio 2.759 1 B. rotura de puente térmico (de λ=0,30 a λ=0,17W/mK) 2.624 5 C. rotura de puente térmico ampliada (de 34 a 54 mm) 2.660 4 D. junta central divisoria (profundidad) cavidades 6mm) 2.713 2 E1. Rotura térmica divisoria (profundidad cavidades 6mm) 2.411 13 E2. aislamiento en rotura de puente térmico (λ=0,035W/mK) 2.336 16 F1. Sellado de acristalamiento extendido para bloquear la radiación 2.570 7 F2. Acristalamiento desplazado (de 15 a 30 mm en rebaje) 2.486 10 F3. aislamiento entre vidrio y marco (λ=0,035W/mK) 2,475 11 G. aluminio sin tratar en cavidades(ε=0,3) 2,499 10 H. triple acristalamiento 2,618 6 combinación A+B+C+D+E1+F1 1,709 38 combinación A+B+C+D+E1+F2 1,594 43 combinación A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 combinación A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 combinación A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 combinación A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 Algunas partes de una sección se pueden mejorar de diferentes maneras. Por ejemplo, para bloquear la radiación y reducir la convección, la rotura de puente térmico se puede dividir en diferentes cavidades, o las cavidades entre la rotura de puente térmico se pueden rellenar con material aislante. La última opción resulta ser la más eficaz: en cambio se obtuvo una mejora del valor Uf del 16%, mientras que al dividir la rotura térmica en cavidades separadas se observó una reducción del 13%. Además, la cavidad entre la IGU y el marco se puede tratar de diferentes maneras. Se puede dividir en 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 separe las cavidades extendiendo la junta del acristalamiento o desplazando el acristalamiento más profundamente dentro del marco. Sin embargo, llenar esta cavidad con aislamiento parece ser nuevamente la mejor opción. Si se aplica esta técnica, se debe prestar atención para evitar que el agua capilar penetre en el sellado secundario de la IGU. Al combinar diferentes estrategias de optimización, el efecto acumulativo no es igual a la suma de la mejora separada porque algunos efectos se contrarrestan. Figura 2. Resultados de la simulación para los marcos optimizado (arriba) y de referencia (abajo). La figura de la izquierda muestra la distribución de temperatura en los perfiles de aluminio, la figura del medio muestra el flujo de calor en cada parte del marco de aluminio, la figura de la derecha muestra el flujo de calor en los marcos de vinilo. 3.2. Vinilo El valor Uf del modelo de referencia del marco de ventana de vinilo es 1,503 W/m²K. Es posible reducirlo a 0,759 W/m²K o una reducción del 50% eligiendo la combinación adecuada de técnicas de optimización. El punto débil de un marco de ventana de vinilo estándar es el refuerzo de acero. Hay dos metodologías típicas para abordar este problema: reemplazar el refuerzo por un material aislante mejor con resistencia comparativa o reemplazar el material del marco por un material más fuerte por lo que el refuerzo se vuelve redundante. Para la primera opción se proponen dos materiales: acero inoxidable y un material compuesto. El acero inoxidable apenas se comporta mejor que el acero; por el contrario, un refuerzo compuesto (λ=0,2 W/mK) marca realmente la diferencia. Además, si todo el marco estuviera hecho de un compuesto resistente (por ejemplo, con fibra de vidrio; λ=0,2 W/mK), no se necesita refuerzo, el resultado casi se aproxima al del marco de vinilo con refuerzo compuesto. Sin embargo, si en las cavidades centrales se aíslan, los marcos compuestos consiguen un mejor rendimiento en comparación con los marcos reforzados. Dividir el marco en más cavidades o profundizar la sección hace que no sea efectivo. Profundizar el marco de 90 mm a 120 mm y aislarlo reduce la pérdida de calor en un 29%. La instalación de una junta central reduce la pérdida de calor en un 4%, el aislamiento entre la IGU y el marco en un 3%, el uso de un material compuesto para eliminar el refuerzo de acero genera una reducción del 11%. 3.3. Madera La reciente evolución hacia la aplicación de marcos de madera en edificios de bajo consumo energético es una señal de que, en particular, los marcos de madera Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2505 tienen potencial para tener una baja transmitancia térmica. De este modo, el rendimiento térmico de la IGU debe equilibrarse con el rendimiento del marco. En consecuencia el modelo de referencia sobre el que se aplican las diferentes técnicas de optimización es el de triple acristalamiento. Las ventanas de aluminio, por otro lado, normalmente se eligen en función de su rentabilidad, durabilidad y, por lo general, requieren un mantenimiento mínimo. Sin embargo, como los marcos de aluminio se utilizan ampliamente, mejorar el marco tiene consecuencias importantes. La madera blanda es un mejor aislante que la madera dura, pero es menos duradera y posiblemente susceptible a un deterioro prematuro. Por eso el modelo de referencia está fabricado en madera dura, pero cuando se protege adecuadamente del entorno se utiliza madera blanda. El marco de referencia tiene un valor Uf de 1,640W/m²K y combinando las técnicas adecuadas se puede obtener un valor Uf de 0,584. Esta es una mejora del 64%. Se comparan tres técnicas de optimización en cuanto al volumen de madera del marco. La mejor técnica es sustituir tres capas de madera dura por corcho, PU y nuevamente corcho. Otra solución, aunque menos exitosa, consiste en sustituir una parte rectangular de la masa central por corcho. La tercera opción es realizar pequeños agujeros en el marco sin reducir su resistencia. Para proteger el marco de madera del ambiente exterior se puede utilizar una pantalla de aluminio o sintética aislada. Ambos cribados ofrecen buenos resultados que derivan de la sustitución de la madera dura por madera blanda que aísla mejor. Al profundizar el marco de 68 mm a 108 mm se reduce el valor Uf de 1,640 a 1,269 W/m²K. Reemplazar el material de madera dura por una combinación de madera-corcho-pu-corcho-madera reduce la pérdida de calor en un 47%. Tenga en cuenta que insertar pequeñas cavidades de aire (4 mm de alto por 14 mm de ancho) en el material de madera maciza puede afectar la durabilidad, y un volumen de 16 % de cavidades solo reduce la pérdida de calor en un 9 %. Finalmente, la inserción de aislamiento entre la IGU y el marco tiene un impacto mucho menor en comparación con los otros perfiles (1%). A diferencia de otros perfiles, el tope de acristalamiento ya tiene un efecto aislante, por lo que el aislamiento adicional resulta menos eficaz. 4. Conclusiones y discusión Los resultados de la simulación de los modelos genéricos de marcos de ventanas muestran que un marco de ventana promedio se puede mejorar entre un 50% y un 64% con estrategias de optimización sencillas que se encuentran en el mercado belga. La nueva metodología de simulación demuestra su valor ya que algunas técnicas resultan ser más efectivas o obtienen un óptimo en otras condiciones que las supuestas por la antigua metodología. Además, del análisis surgieron nuevos conocimientos. Algunas intervenciones no alcanzan un nivel óptimo basándose únicamente en la transmisión de calor: por ejemplo, en teoría, la profundidad del marco de la ventana de madera podría aumentarse infinitamente para minimizar la pérdida de calor. Un diseño inteligente debería encontrar un equilibrio óptimo entre el rendimiento térmico, un uso restringido de material y otras restricciones prácticas. Para marcos huecos como el modelo de vinilo y aluminio, se puede examinar el efecto positivo de aumentar la profundidad de la IGU en el marco. Quizás otra opción sería unir estructuralmente la IGU al marco en todo el ancho del marco, de modo que la función estructural del marco se transfiera parcialmente a la IGU. Debido a la importante influencia del aluminio en la transmisión de calor del marco debido a su alta conductancia térmica, futuras investigaciones sobre la reducción de la emisividad de los materiales podrían conducir a una reducción sustancial de la transferencia de calor por radiación. Referencias [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Desarrollo de marcos de ventanas de baja conductancia: capacidades y limitaciones de las herramientas actuales de diseño de transferencia de calor de ventanas - Revisión del estado del arte, Revista de física de la construcción, vol. 32 (2) (2008), págs.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, Elementos clave y objetivos de rendimiento de materiales para marcos de ventanas altamente aislantes. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Influencia de las propiedades geométricas y de emisividad de las cavidades en el rendimiento térmico general de los marcos de aluminio para ventanas. Energía y edificios [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Análisis térmico de ventanas súper aisladas (investigaciones numéricas y experimentales), Energía y edificios, vol. 29 (1999), págs. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Opciones de diseño para marcos de ventanas de baja conductividad. Materiales de energía solar y células solares 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Rendimiento térmico de ventanas, puertas y contraventanas. Cálculo de la transmitancia térmica Parte 2: Método numérico para marcos, 2012. [7] Manual de simulación Therm 6.3 NFRC, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, 2013. [8] Bisco 10.0w. Manual de usuario, Physibel, 2012.