1 Ventanas Facultad de Arquitectura - Universidad de la República Año 2011 Dra. Silvana Flores Larsen Modificado por Dra. Graciela Lesino INENCO

2 Introducción Las ventanas representan normalmente cerca del 25-40% del área de la pared de los edificios eficazmente diseñados para aprovechar la luz diurna. En algunos edificios, alcanza hasta 80- 100%. El uso de edificios completamente vidriados se ha convertido en una tendencia extendida. La mayoría de las ventanas dejan entrar demasiada energía solar, causando sobrecalentamiento y deslumbramiento innecesarios.

3 Funciones básicas de una ventana Conexión con el exterior Iluminación Ventilación Calentamiento

4 Problemas con el uso de ventanas Pérdidas térmicas en invierno Sobrecalentamiento (verano) Degradación por ingreso de UV Deslumbramiento

5 Cómo funcionan las ventanas Ganancia solar UV+V+IRC Convección Radiación IRL Conducción Infiltraciones Pérdidas Pérdidas por flujos de aire INVIERNO

6 Cómo funcionan las ventanas Ocurren tres tipos de transferencia de energía: 1. Ganancias y pérdidas no-solares –(por conducción, convección y radiación) 2. Ganancia solar –En forma de radiación 3. Ganancias y pérdidas por flujos de aire –Intencionales (ventilación) y no intencionales (infiltraciones) U SHGC  vis,  solar NRNR

7 1. Ganancias y pérdidas no solares: U Factor U (conductancia en W / m 2 ºC) –Tiene en cuenta conducción, convección y radiación (U = 1 / R). –Permite comparar la capacidad de aislación de distintas ventanas. –U incluye: –El área transparente, –El marco (aluminio, madera, acero, vinilo, fibra de vidrio), –Los espaciadores entre paneles (si hay 2 o más, aluminio, acero, fibra de vidrio, goma).

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9 Solar Thermal Technologies for Buildings: The state of the Art – Ed. M.Santamouris, James & James 2003

10 1. Ganancias y pérdidas no solares: U Marcos Aluminio Aluminio con rupturas de puentes térmicos Madera Vinilo

11 Reducción del Factor U * Dos o más vidrios con cámara de aire. Espacio óptimo: 12.5mm (1/2’’). * Rellenos con gases más aislantes que el aire (Ar, Kr, hexafluoruro de azufre). * Recubrimientos de baja emisión en el IRL (low-e) o “Espejos de calor”. * Combinaciones de todos ellos (súper ventanas). 1. Ganancias y pérdidas no solares: U

12 Factor U para algunos vidrios. VIDRIOS Tipo de vidrio Espacio de aire (mm)  vis U (W/m 2 -ºC) Vidrio simple - 0.896.3 Dos vidrio con cámara de aire6.50.793.1 Dos vidrios con cámara de aire12.50.792.9 Tres vidrios con cámara de aire12.50.781.9 Dos vidrios con cámara de aire, de baja emitancia, blando 12.50.762.1 Dos vidrios con cámara de aire, de baja emitancia, duro 12.50.722.3 Tres vidrios con camara de aire, E = 0.10*, blando 12.50.681.5 Como comparación: conductancia de 3cm de poliestireno expandido: 1 (W/m 2 -ºC)

13 1. Ganancias y pérdidas no solares: U Doble vidriado (DVH) Fuente: www.ekoglass.com.ar

14 1. Ganancias y pérdidas no solares: U Cuidado con la propaganda del DVH! Fuente: www.ekoglass.com.ar Respecto de un solo vidrio, brinda las siguientes ventajas y propiedades a una ventana: Aumenta en más del 100% el aislamiento térmico del vidriado. Mejora el aislamiento acústico. X Disminuye hasta un 70% el consumo de energía de climatización por las pérdidas de calor a través del vidrio. Elimina la condensación de humedad sobre el vidrio evitando que se empañe. Anula el efecto de "muro frío" aumentando el confort junto a la ventana.

15 Factor U para algunas ventanas. Fuente: 1993 ASHRAE Handbook: Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA, 1993. Factor U (Btu/hr-ft 2 -ºF) Tipo de vidrio Marco Aluminio sin ruptura térmica Marco Aluminio con ruptura térmica Marco de madera o vinilo con espaciador aislado Vidrio simple1.301.07(n/a) Vidrio doble (esp. 1 / 2 plg)0.810.620.48 Vidrio doble, E = 0.20*, 1 / 2 -plg0.700.520.39 Vidrio doble, E = 0.10*, 1 / 2 -plg0.670.490.37 Vidrio doble, E = 0.10*, 1 / 2 -plg argon0.640.460.34 Vidrio Triple, E = 0.10 en dos paneles*, 1 / 2 -plg argon 0.530.360.23 Vidrio cuádruple, E = 0.10 en dos paneles*, 1 / 4 -plg kriptón (n/a) 0.22 *E: emitancia de la superficie con el recubrimiento low-e. Ventanas de 3ft por 5ft.

16 Factor U: recomendaciones. –Tener en cuenta si el valor provisto por el fabricante es por el material o incluye la unidad completa (marco, espaciador, etc.). –Para dos tipos de ventanas, comparar siempre los factores U totales. –En climas fríos usar ventanas con bajos U evita condensaciones. –Utilizar aislación nocturna (postigones). –En lo posible evitar los marcos metálicos.

17 2. Ganancia solar Disminuye las necesidades de calefacción en invierno, pero puede producir sobrecalentamiento en verano. Factores a tener en cuenta: - orientación de la ventana - control solar (a través del material, no de aleros).

18 2. Ganancia solar: control solar SHGC es el coeficiente de ganancia solar: SHGC= Ganancia solar (conducción, conv. y rad.) Radiación solar incidente Mayor nro de paneles, vidrios oscuros, low-e, menor SHGC. Ahora hay selectivos espectrales verdes y celestes con menor SHGC y mayor transmitancia visible.

19 2. Ganancia solar: control solar. SHGC y Tvis (continuación). Fuente: WINDOW 4.1, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, CA, 1994 TipoSHGC  vis Vidrio simple, claro0.670.89 Vidrio simple, bronce0.560.50 Vidrio simple, verde0.560.60 Dos vidrios con cámara de aire, claro, 12.5mm aire0.60 Dos vidrios con cámara de aire, exterior bronce, 12.5mm aire0.490.45 Dos vidrios con cámara de aire, exterior verde, 12.5mm aire0.480.55 Dos vidrios con cámara de aire, claro, 12.5mm aire, E = 0.15*0.500.54 Dos vidrios con cámara de aire, espectral selectivo, E = 0.04*, 12.5mm argon 0.330.53 Tres vidrios con cámara de aire, claro, E = 0.15* en dos paneles, 12.5mm aire 0.400.45 *E: emitancia de la superficie con el recubrimiento low-e. Ventanas con marcos de madera y espaciadores de aluminio.

20 2. SHGC: recomendaciones. SHGC: –Debe elegirse de acuerdo a la orientación de la ventana y al efecto deseado: SHGC altos para climas fríos. –Para climas cálidos: Usar bajos SHGC (low-e, selectivos, etc.). Cuidar la visibilidad si se usan vidrios coloreados. Si se utiliza algún método de sombreado (cortinas venecianas, postigos, etc. no se precisan materiales con SHGCs tan bajos).

21 3. Flujo de aire: Ventilación y hermeticidad Voluntario: ventilación Involuntario: infiltraciones introducen alrededor de un 30% de energía extra. Depende de: –Calidad de la ventana –Tipo de marco –Instalación La tasa de infiltración (m 3 /min) permite comparar la hermeticidad de distintos tipos de ventanas

22 Estado actual Hoy... –Rellenos con gases –Baja emitancia (Low-e) Mañana... –Pinturas espectrales selectivas –Superventanas –Ventanas cromogénicas (electrocrómicas y termocrómicas)

23 Rellenos con gases –Espacio óptimo: ½´´ (12mm) –Gases con menor conductancia que el aire (Ar, anhidrido carbónico, hexafluoruro de azufre, kriptón). Recubrimientos low-e (baja emitancia) –Depósito que disminuye la transmisión de infrarrojo. –Blandos o duros. Ventanas más eficientes

24 Pinturas selectivas espectrales (ópticas) –Son el futuro de los recubrimientos low-e. – Filtran entre el 40% y el 70% de infrarrojo, permitiendo el pasaje de toda la luz visible. –Aplicados en vidrios coloreados, pueden diseñarse para aumentar o disminuir la ganancia solar, de acuerdo al efecto deseado y adaptándose a las condiciones climáticas. Ventanas más eficientes

25 Recubrimientos low-e (baja emitancia) Ventanas más eficientes Fuente: Eficiencia y ahorro energético en iluminación natural y artificial. Juan Bisquert, Universitat Jaume I, España, 2006 Transmitancia y eflectancia de tres recubrimientos espectral- selectivos. Una capa simple de óxido (gris) tiene alta T en el IR, y los otros dos, que son recubrimientos finos metálicos, tienen T reducida en el IR cercano (NIR). El recubrimiento doble metálico (verde) corta la mayor parte del NIR

26 Recubrimientos low-e (baja emitancia) Ventanas más eficientes

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28 Súper ventanas –Tienen resistencias muy altas (U del orden de 1 W/m2C = 3cm poliestireno expandido). – Combinan múltiples capas low-e con rellenos de gas, barreras entre paneles para corta la convección, marcos y espaciadores aislados.

29 Ventanas más eficientes Ventanas cromogénicas Varían su transmisión de luz o de infrarrojo para adaptarse a las variaciones luminosas o a las necesidades de calentamiento y enfriamiento del edificio. Vidrios inteligentes:  Electrocrómico (sistema activo), cambia la transmitancia al aplicarse una tensión eléctrica  Fotocrómico, pierde transparencia al incidir sobre él luz intensa  Termocrómico, que hace lo propio con aumentos y disminuciones de la temperatura (sistema pasivo)  De partículas suspendidas (SPD), requiere una pequeña corriente para mantener el vidrio transparente.  Cristal líquido.

30 Ventanas más eficientes: cromogénicas Capas que forman un dispositivo electrocrómico (Ref. D.R. Rosseinski, R.J. Mortimer, Adv. Mater. 13 (2001) 783). Materiales electrocrómicos: óxidos metálicos (WO3, V2O5, MoO3), compuestos orgánicos (viológenos, pasan a azules y verdes).

31 Ventanas más eficientes: electrocrómicas - Constituido por dos capas de vidrio en las dos caras exteriores y, entre ellas, por una serie de capas de materiales transparentes que tienen la cualidad de hacer perder la transparencia de una de ellas al teñirse de un color (generalmente azul y verde). - Este fenómeno sucede cuando se le aplica una tensión eléctrica, y cuando la corriente se invierte el proceso también lo hace, recuperando así la transparencia. - Es posible ajustar el grado de oscuridad hasta el nivel deseado. El coloreado tarda alrededor de 10 minutos. - Uso: uso como espejos retrovisores antideslumbrantes, ventanas inteligentes en vehículos y edificios, lentes de sol, paneles informativos, indicadores de temperatura y filtros ópticos.

32 Ventanas más eficientes: cristal líquido en dispersiones de polímeros (PDLC).

33 Ventanas más eficientes: electrocrómicas

34 Ventanas más eficientes Smart Glass Cuchara termocrómica Ventana electrocrómica Vidrio termocrómico

35 Fuente: “Advances in glazing materials for windows”. NREL/DOE. CH10093-332. FS 219, noviembre de 1994. Materiales para ventanas

36 Policarbonatos especiales Disminuir la carga térmica en el interior del edificio. I.Tratamientos geométricos II.Tratamientos selectivos I.Tratamientos geométricos II.Tratamientos selectivos Objetivo Mediante la variación de la transmitancia Disminuir la carga térmica en el interior del edificio. I.Tratamientos geométricos II.Tratamientos selectivos I.Tratamientos geométricos II.Tratamientos selectivos Objetivo Mediante la variación de la transmitancia Objetivo Disminuir la carga térmica en el interior del edificio. I.Tratamientos geométricos II.Tratamientos selectivos Objetivo Mediante la variación de la transmitancia

37 I. Tratamiento geométrico

38 Cubiertas con tratamientos geométricos Características técnicas de la placa de Polygal Selectogal 10NGB35 de 10mm de espesor TsolarRsolarTvisibleRvisibleSHGCU (W/m 2 °C)KeffLT (%) 0.2090.528 (ext) 0.315 (int) 0.1430.550 (ext) 0.349 (int) 0.263.000.05635 El material estudiado es una muestra de Polygal Selectogal 10NGB35, de 10mm de espesor. El valor proporcionado por la fábrica para la transmitancia visible a incidencia normal de este material es 0.143: la transmitancia visible de un policarbonato común del mismo espesor es del orden de 0.75, con lo que se puede ver la importante cantidad de luz directa que es reflejada hacia el exterior.

39 Variación de Tvis con el ángulo de incidencia

40 *Tau solar Transmitancia global solar de una muestra de Selectogal 10NGB35 para distintos ángulos de incidencia y para las nervaduras de la muestra paralelas y perpendiculares a la proyección del haz incidente.

41 Tau invierno-verano Transmitancia global solar para un día de verano y uno de invierno, para la placa en dos posiciones diferentes (Selectogal 10NGB35).

42 II. Tratamiento selectivo Transmitancias globales visible y solar de una muestra de Primalite 16PRL27 para distintos ángulos de incidencia y para las nervaduras de la muestra paralelas y perpendiculares a la proyección del haz incidente.

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44 Conclusiones de materiales selectivos al ángulo Los prismas disminuyen la transmitancia de la placa: La transmitancia del material (0.14) es mucho menor que la de un policarbonato sin tratamiento (0.75). La orientación de las nervaduras con respecto a los rayos solares es de fundamental importancia, pudiendo disminuir hasta un 25% la efectividad de la placa si ésta se coloca en la dirección errónea.

45 Conclusiones No existe una solución aplicable a todos los casos: Deben analizarse cada uno por separado, teniendo en cuenta clima, orientación, costo y efecto deseado.