La letra U mayúscula es el símbolo utilizado en la construcción para la transmitancia térmica.

De acuerdo a la norma NCh 853-2007, la transmitancia térmica se define como el “flujo de calor que pasa por unidad de superficie del elemento y por grado de diferencia de temperaturas entre dos ambientes separados por dicho elemento”. Por lo tanto, su unidad en el Sistema Métrico Decimal es W/(m²·K), Watt por metro cuadrado por Kelvin.

En la física se habla del coeficiente global de transferencia de calor, como una medida de la transferencia de calor de un fluido (un gas o un líquido) por un cuerpo sólido (por ejemplo, una pared) en un segundo fluido, debido a una diferencia de temperatura entre los fluidos. Es decir, sin gradiente térmico no hay transferencia de calor.

La transmitancia térmica es una característica específica de un elemento constructivo, como un muro o un techo, y depende de la conductividad térmica y la geometría de los materiales que lo componen, así como de la radiación térmica y convección en las superficies del elemento. Se utiliza entre otros, para determinar las pérdidas de calor de un edificio a través de los elementos que componen la envolvente.

• Cuanto mayor sea la transmitancia térmica, menor es el efecto de aislamiento térmico del elemento.
• Cuanto menor sea el valor U, mejor es la aislación térmica y menor es la pérdida de calor a través del elemento.

Un muro con el valor U = 1 W/(m²·K) pierde por hora, por cada metro cuadrado de superficie y por cada grado de diferencia de temperatura entre el interior y el exterior una cantidad de calor de 1 Watt. Por ejemplo, en el caso de este muro y con una temperatura exterior de ±0 °C, se necesita por cada m² de muro una fuente de calor de 20 W para mantener la temperatura del interior en 20 °C.

La inversa del coeficiente global de transferencia de calor es la resistencia térmica R_t en (K·m²)/W.

Se determina la transmitancia térmica de un elemento por medio de ensayo o por medio de cálculo. El cálculo se realiza siempre a nivel de resistencia térmica, aplicando la NCh 853. En cambio se pueden promediar los valores U de diferentes elementos, por ejemplo del marco y del cristal de una ventana.

El Listado Oficial de Soluciones Constructivas para Acondicionamiento Térmico del MINVU (2014) contiene los valores de transmitancia térmica y de resistencia térmica para cada una de las soluciones inscritas.

La siguiente figura muestra valores típicos de transmitancia térmica. El aislante ideal tendría un valor U = 0 W/(m²·K), es decir no se transmite calor. Los valores U más altos están cerca de 6 W/(m²·K) y caracterizan los elementos con muy mala aislación térmica, como un cristal simple o una hojalata.

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NCh 853

La Norma Chilena NCh 853-2007 está dedicada al “Acondicionamiento térmico – Envolvente térmica de edificios – Cálculo de resistencias y transmitancias térmicas”.

Aplicación de la norma

Su uso es fundamental en todos los cálculos relacionados con las pérdidas de calor de los edificios y su alcance no puede explicarse mejor de lo que hace la propia norma:

1.1         Esta norma establece los procedimientos de cálculo para determinar las resistencias y transmitancias térmicas de elementos constructivos, en particular los de la envolvente térmica, tales como muros perimetrales, complejos de techumbres y pisos, y en general, cualquier otro elemento que separe ambientes de temperaturas distintas.

1.3         Los valores determinados según esta norma son útiles para el cálculo de transmisión de calor, potencia de calefacción, refrigeración, energía térmica y aislaciones térmicas de envolventes en la edificación.

El cálculo según esta norma es una de las alternativas que ofrece la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones OGUC para demostrar el cumplimiento de la Reglamentación Térmica (véase OGUC Art. 4.1.10 letra 1. B. 3.).

En el sistema chileno de Calificación Energética de Viviendas, el cálculo de los valores U de la envolvente de acuerdo a esta norma es un ejercicio imprescindible.

Régimen estacionario

En punto 1.2 se especifica que “Los procedimientos de cálculo… están basados en el supuesto que el flujo térmico se desarrolla… en régimen estacionario”.

Se habla de un régimen estacionario cuando el motor de la transmisión de calor – el gradiente de temperatura – permanece inalterado en el tiempo y en el lugar. Significa que el cálculo no toma en cuenta las fluctuaciones de temperatura entre día y noche, tampoco los efectos de la radiación solar sobre la envolvente ni los procesos de transmisión de calor resultantes al enfriamiento o calentamiento de materiales. Por lo tanto los resultados son teóricos y no representan condiciones reales. No obstante son la mejor aproximación que tenemos a nuestra disposición.

Contenido

La norma contiene las definiciones, símbolos y unidades físicas de los conceptos relacionados con la transmitancia térmica, además los valores de las resistencias térmicas de superficie, y una gran cantidad de ecuaciones para calcular la transmitancia térmica de los elementos constructivos de diferentes características.

El Anexo A consiste en un muy útil listado de materiales genéricos con su respectiva densidad y conductividad térmica.

Los Anexos B y C son dedicados a las cámaras de aire no ventiladas, mientras el Anexo D contiene algunos ejemplos de aplicación de la norma.

Resistencias térmicas superficiales

En casi todos los cálculos se utilizan los valores de resistencia térmica superficial. Esta depende, por la cara interior, de la dirección del flujo de calor. Por el exterior el valor a utilizar depende solamente de la velocidad del viento.

Los valores confirman la prioridad de la aislación térmica del techo por sobre el resto de la envolvente.

Resistencias térmicas superficiales según NCh 853

Elementos de capas homogéneas

Las principales ecuaciones de la norma son para los elementos simples homogéneos y los elementos compuestos por varias capas homogéneas.

El usuario frecuente se las sabe de memoria.

Elementos de capas homogéneas según NCh 853

Elementos heterogéneos

Se habla de elementos con heterogeneidades simples en el caso de muros con pilares o de techos con vigas macizas, donde los flujos de calor son siempre perpendiculares a las caras del elemento. En este caso se pondera las transmitancias térmicas de los diferentes sectores de la superficie.

Los elementos heterogéneos complejos son aquellos donde se generan flujos de calor en direcciones no perpendiculares a las caras del elemento. Son por ejemplo perfiles metálicos con nervio y alas. En este caso la norma considera que por sobre los valores calculados son válidos los resultados de ensayos.

Elementos con heterogeneidades según NCh 853

Pisos

Para pisos en contacto con el terreno la norma introduce la transmitancia térmica lineal K_l, permitiendo un cálculo simplificado donde entra principalmente el largo del perímetro exterior del piso. Esto corresponde al hecho que es por el exterior del zócalo donde el edificio pierde más calor, por sobre la cara inferior del piso.

Además entrega una ecuación para los pisos sobre una cámara de aire de hasta 1 m de altura que hoy en día están fuera de uso.

Elementos con cámaras de aire

Las fórmulas y figuras para elementos con cámaras de aire no son fáciles de usar. Se dan para cámaras de aire no ventiladas, medianamente ventiladas y muy ventiladas.

Cámaras de aire muy ventiladas

Solo las cámaras muy ventiladas, con el aire en movimiento, tienen importancia en la práctica constructiva de eficiencia energética: Se aplica a las fachadas y los techos ventilados.

La norma indica que los revestimientos al exterior de la cámara de aire no se toman en cuenta y se calcula la transmitancia hasta la capa material que limita del espacio ventilado hacia el interior.

Cámaras de aire no ventiladas

En obra es prácticamente imposible generar cámaras de aire no ventiladas. Las metodologías respectivas pueden ser de importancia para los fabricantes de productos de construcción, por ejemplo de cristales DVH.

Cámaras de aire medianamente ventiladas

Las cámaras de aire medianamente ventiladas, en teoría aportan a la aislación térmica de un elemento, pero en la práctica son elementos de alto riesgo.

Si una cámara de aire está conectada con el ambiente interior del edificio, el aire caliente y húmedo puede entrar al elemento constructivo y encontrarse con capas frías y condensar.

Si una cámara de aire está conectada solo con el exterior, pero no está bien ventilada, puede provocar la acumulación de humedad provocando daños a la construcción.

Si una cámara de aire está conectada tanto con el ambiente interior como con el exterior, estamos ante infiltraciones de aire que aumentan considerablemente las pérdidas de calor de un edificio.

No hay protección térmica sin protección de la humedad

Más efectivos que cámaras de aire son cámaras rellenas con materiales aislantes. La ventilación mal controlada de cámaras de aire puede generar patologías graves por efectos de humedad.

Los valores de conductividad térmica y las ecuaciones entregadas por la NCh 853 son válidos solo para materiales secos. Sin embargo, la humedad en los materiales de construcción aumenta considerablemente la conductividad térmica.

La NCh 853 es una herramienta valiosa para estimar las pérdidas de calor de los edificios. Es tentador de calcular los valores de hasta tres posiciones después del punto decimal. No obstante debemos preocuparnos también de los procesos higro-térmicos que se presentan en la construcción.

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La arquitectura y la energía están estrechamente vinculadas: una de las principales funciones de nuestras edificaciones es mantener en su interior una temperatura del aire distinta a la temperatura del ambiente exterior. Para esto es necesario evitar, o al menos reducir, la transmisión del calor por la envolvente del edificio. ¿Pero cómo se transfiere el calor en los edificios?

Principalmente existen tres formas de transferencia de calor: la conducción, la radiación y la convección.

Tipos de transferencia de calor

Conducción

La conducción es el paso del calor por contacto directo entre un cuerpo y otro.

Por ejemplo, es lo que sentimos como caliente cuando usamos un guatero, o como frío al pisar el piso helado sin calcetines.

La conducción transmite energía cinética entre átomos o moléculas adyacentes sin transporte de material. Este tipo de transferencia de calor es irreversible y transporta el calor de un nivel de energía más alto hacia un nivel inferior.

Radiación

La radiación es la emisión de energía desde la superficie de un cuerpo.

La experimentamos al exponernos a la radiación solar o acercándonos a una fogata, y nos damos cuenta que el calor de radiación es en independiente de la temperatura del aire.

La radiación de calor es parte de las ondas electromagnéticas. Por lo general, la energía es transportada por ondas infrarrojas. La radiación térmica es la única forma de transmisión del calor que puede penetrar el vacío.

Convección

La convección se refiere a transferencia de calor en gases y líquidos, al mezclarse partes de diferente temperatura.

Hacemos uso de la convección cuando utilizamos un secador de pelo, y la podemos observar cuando agregamos leche fría al café caliente.

La convección es el transporte de calor por medio del movimiento de un fluido, entre zonas con diferentes temperaturas y consecuentemente un gradiente de densidad. Implica la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido.

Transmisión de calor en edificios

En los edificios encontramos, dondequiera que miremos, constantes procesos de transmisión de calor:

• La transferencia de calor a través de la envolvente opaca de un edificio sucede fundamentalmente por conducción.
• Tanto las ganancias solares como las ganancias internas son básicamente radiaciones de calor.
• Las convecciones más importantes en el balance térmico de los edificios son las pérdidas (o ganancias) por ventilación y por infiltraciones.

Casi todos los procesos de transmisión de energía térmica son procesos combinados, la conducción y la radiación casi siempre van acompañados por convecciones.

El acondicionamiento térmico de los edificios se basa en la radiación y en la convección: Mientras la calefacción idealmente es por radiación o una combinación entre radiación y convección, el aire acondicionado por lo general funciona solo por convección.

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