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• 1 Introducción
• 2 Cómo funciona el aislamiento
  • 2.1 Radiación
  • 2.2 Conducción
  • 2.3 Convección
• 3 Rendimiento
  • 3.1 Conductividad térmica
  • 3.2 Resistencia térmica
  • 3.3 Valor U
• 4 Productos de celda abierta
• 5 Productos de celda cerrada
• 6 Instalación vs rendimiento
• 7 Sostenibilidad
• 8 Conclusión
• 9 Artículos relacionados sobre Wiki de Diseño de edificios
• 10 Referencias externas

Introducción

Los productos de aislamiento se han desarrollado significativamente con los avances tecnológicos. La legislación ha actuado como catalizador para el desarrollo, desde los requisitos básicos de la Parte L del Reglamento de Construcción hasta el cumplimiento de los objetivos de reducción de carbono del gobierno, impulsado a través de programas avanzados como el Código para Hogares Sostenibles y BREEAM.

Los productos de aislamiento varían en términos de color, acabado y textura de la superficie, composición del núcleo y, lo que es más importante, rendimiento. La especificación de los materiales que aíslan es una decisión basada en la ciencia, pero una especificación exitosa depende de que el especificador comprenda no solo el rendimiento matemático, sino también los factores periféricos que pueden influir en la instalación final.

La especificación de los productos de aislamiento a menudo se basa en el requisito mínimo de la Parte L del AD (Documento Aprobado) de Reglamentos de Construcción y su relación con los datos de rendimiento de los fabricantes, y se ha sugerido que la legislación está impulsando la producción de una gama de productos que «simplemente funcionan», presentando poca diferencia aparente entre ellos.

Sin embargo, para especificar correctamente el aislamiento, el especificador necesita comprender las razones por las que funciona y aplicar la tecnología correcta a cualquier detalle de construcción dado. Al comprender mejor los procesos que hacen que el aislamiento funcione, y de hecho los factores que lo impiden, los especificadores estarán en una posición mucho más sólida para especificar el material correcto para la aplicación correcta.

El rendimiento instalado de un producto de aislamiento depende no solo de las características de rendimiento y la adherencia de los contratistas a los fabricantes y los requisitos generales de mano de obra de las mejores prácticas, sino también de la idoneidad del aislante especificado para su ubicación instalada.

Cómo funciona el aislamiento

Los productos de aislamiento están diseñados para frustrar la transferencia de calor a través del material en sí. Hay tres métodos de transferencia de calor: radiación, conducción y convección.

Radiación

Cualquier objeto cuya temperatura sea superior a las superficies que lo rodean perderá energía como intercambio radiante neto. El calor radiante solo puede viajar en líneas rectas. Introduce un objeto sólido entre los puntos A y B, y ya no intercambiarán directamente calor radiante. La radiación es el único mecanismo de transferencia de calor que cruza las aspiradoras.

Conducción

La conducción depende del contacto físico. Si no hay contacto, la conducción no puede tener lugar. El contacto entre dos sustancias de temperatura diferente da lugar a un intercambio de calor de la sustancia de temperatura más alta a la de temperatura más baja. Cuanto mayor sea el diferencial de temperatura, más rápido será el intercambio de calor.

Convección

La convección es la transferencia de energía a través de fluidos (gases y líquidos). Es este método el que juega el papel más importante en la liberación y transferencia de calor en los edificios. La propagación más común de este efecto es de sólido a gas, es decir, de objeto a aire, y luego de regreso, típicamente cuando el aire se encuentra con el tejido externo del edificio.

El proceso en realidad se inicia por una transferencia de energía debido a la conducción, y se complica por el nivel de vapor de agua que es soportado por el aire. Las moléculas de agua almacenan el calor que se les da a través de la conducción de superficies cálidas. El vapor de agua y el aire no pueden separarse como gases. Solo se separarán cuando se alcance la presión de vapor saturado, es decir, la cantidad de agua (aunque en forma de vapor) excede el nivel de calor disponible para mantenerla como gas (vapor) y, por lo tanto, se condensa.

La condensación hace que se libere este calor latente; la relación temperatura / vapor de agua altera, y una vez que se ha alterado lo suficiente, el proceso comenzará de nuevo. Los sistemas meteorológicos del mundo siguen un ciclo muy similar.

Si el aire pudiera mantenerse quieto y seco, funcionaría como un aislante altamente eficiente. Sin embargo, si el aire se calienta, su estructura molecular se expande y se vuelve menos densa en relación con el aire que lo rodea, y por lo tanto se eleva. A medida que avanza más lejos de la fuente de calor, comienza a enfriarse. Las moléculas se contraen y aumentan de densidad y se hunden de nuevo. Las moléculas de aire están en un estado constante de flujo, dependiendo de la temperatura ambiente y de la interferencia de cualquier punto o fuente de calor de fondo.

Este proceso de «convección» de transferencia de calor se complica por el hecho de que el aire se enfría a una velocidad que depende de la cantidad de saturación de vapor de agua. Cuanto mayor sea la saturación, más lento será el enfriamiento.

Rendimiento

Los materiales de aislamiento limitan el flujo de energía (calor) entre dos cuerpos que no están a la misma temperatura. Un mayor rendimiento de aislamiento es directamente atribuible a la conductividad térmica del aislante. Es decir, la velocidad a la que una cantidad fija de energía se transfiere a través de un espesor conocido del material.

El inverso directo (recíproco) de esta medida es la resistencia térmica del material, que mide la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.

Conductividad térmica

La conductividad térmica, a menudo referida como el valor’ K ‘o’ λ ‘ (lambda), es una constante para cualquier material dado, y se mide en W/mK (vatios por metro kelvin). Cuanto mayor sea el valor de λ, mejor será la conductividad térmica. Los buenos aislantes tendrán el menor valor posible. El acero y el hormigón tienen una conductividad térmica muy alta y, por lo tanto, una resistencia térmica muy baja. Esto los hace aislantes pobres.

El valor λ de cualquier material aumentará con un aumento de la temperatura. Aunque el aumento de temperatura tendrá que ser significativo para que esto ocurra, y las variantes de temperatura en la mayoría de los edificios generalmente están dentro de las tolerancias que harían que cualquier cambio en el valor lambda sea insignificante.

Resistencia térmica

La resistencia térmica, denominada valor » R » de un material, es un producto de conductividad y espesor térmicos. El valor R se calcula a partir del espesor del material dividido por su conductividad térmica y expresado en unidades m2K/W (kelvin de metro cuadrado por vatio). Cuanto mayor sea el espesor del material, mayor será la resistencia térmica.

Valor U

En términos de construcción, mientras que un valor U puede calcularse y atribuirse a un solo espesor de cualquier material, es más habitual calcularlo como un producto resultante del ensamblaje de diferentes materiales en cualquier forma de construcción dada. Es una medida de la transmisión de calor a través de un área predeterminada del tejido del edificio, que es de 1 cuadrado. m.

Por lo tanto, las medidas de la unidad son W/m2K (vatios por metro cuadrado kelvin) y describen la transferencia de calor, en vatios, a través de un metro cuadrado de un elemento de construcción (como una pared, piso o techo). Esto se utiliza para calcular la transferencia de calor, o pérdida, a través del tejido del edificio. Por ejemplo, si una pared tuviera un valor U de 1 W/m2K, con un diferencial de temperatura de 10°, habría una pérdida de calor de 10 vatios por cada metro cuadrado de área de pared.

Productos de celda abierta

El aislamiento de celda abierta incluye productos como el aislamiento mineral y de lana de oveja. Los aislantes de poliestireno expandido (EPS) son técnicamente ‘celdas cerradas’ en su estructura, pero su rendimiento es similar a un material de celdas abiertas debido a la unión a través de la estructura de las bolsas de aire que rodean las perlas de celdas sopladas que son la esencia de su composición.

El siguiente gráfico muestra una imagen de núcleo seccional de un producto típico de lana de vidrio superpuesto con una representación de los millones y millones (por metro cuadrado) de bolsas de aire de «celdas abiertas» que se crean durante la fabricación. Al mismo tiempo que el proceso de fabricación introduce aire en el núcleo de las fibras de vidrio, se activa un aglutinante introducido previamente para formar una matriz que bloquea la composición. Esto produce la «carga de resorte» que se asocia con el aislamiento de lana mineral, lo que le permite recuperar su forma y grosor después de la compresión.

La naturaleza de célula abierta de la matriz permitirá la migración de aire a través de su núcleo, pero la ruta es tortuosa y, por lo tanto, la pérdida de calor debido a la convección es mínima. El principio en funcionamiento es la formación de bolsas de aire tan pequeñas que el movimiento de aire se detiene de forma virtual, pero no completa.

Un material solo podrá irradiar el calor que es capaz de absorber. Las hebras de vidrio y su aglutinante son conductores de calor deficientes, por lo que la pérdida de calor a través de la radiación se considera insignificante.

El aire seco es un buen gas aislante. Por lo tanto, con los productos de celda abierta, si se puede evitar la contaminación del aire del núcleo por vapor de agua (utilizando barreras de control de vapor), las bolsas de aire ultrapequeñas limitarán significativamente el movimiento del aire.

Productos de células cerradas

Los aislantes de células cerradas incluyen productos como poliestireno extruido y tableros de espuma química. La tecnología de celdas cerradas utiliza la introducción controlada de gases (agentes espumantes) durante la fabricación que forman una matriz de celdas individuales mucho más densa que la lana de vidrio o el EPS. Las células se forman como burbujas del gas cuya conductividad térmica es significativamente menor que la del aire. Combine esto con la incapacidad del vapor de agua para contaminar fácilmente las células, y esto proporciona un aislante de rendimiento significativamente mayor. (NOTA:: La matriz de algunos aislantes de espuma química puede ser susceptible de descomponerse con el tiempo por la presencia de agua o vapor de agua.)

Las paredes celulares son extremadamente delgadas, lo que limita la conducción, pero son herméticas al gas. La composición celular densa limita aún más el potencial de movimiento de gas, ya que solo puede moverse dentro de los confines de su célula contenedora, y no entre células. Al igual que con los materiales de celdas abiertas, el proceso de transferencia de calor de lados cálidos a fríos se ve afectado por una combinación de conducción a través de las paredes celulares y convección limitada a través del gas celular.

La eficiencia del material es muy alta y efectiva en el área de una tabla intacta, pero se reduce significativamente por la mala mano de obra en el corte y unión de tablas.

En un esfuerzo por mejorar el rendimiento a largo plazo, los fabricantes enfrentan productos de cartón espuma en particular, con una capa de lámina brillante. Esto actúa para minimizar la contaminación por vapor de agua al actuar como una barrera de vapor, al tiempo que refleja la energía radiante en el edificio. El encintado de la placa con cara de aluminio usando una cinta de aluminio puede mejorar el control del vapor, aunque tendrá poco impacto en una junta mal construida que no es consistentemente apretada.

Instalación vs rendimiento

Los fabricantes de aislamientos producen documentación técnica y promocional que incorpora una amplia gama de cifras que pueden ser confusas, y no todos los fabricantes presentan su rendimiento de la misma manera.

Las medidas de rendimiento generalmente se basan en los resultados de pruebas de laboratorio. Estos resultados son aceptados de forma generalizada por los diseñadores de edificios y los órganos legislativos, como las autoridades de control de edificios.

Sin embargo, esto no es lo mismo que una prueba in situ. No hay dos situaciones «in situ» que proporcionen exactamente las mismas condiciones, por lo que las pruebas solo se pueden llevar a cabo para proporcionar una comparación entre diferentes productos de aislamiento, utilizando exactamente las mismas condiciones. Como resultado, los fabricantes ilustran el rendimiento en la literatura técnica y de ventas describiendo la instalación perfecta, donde las juntas están perfectamente hechas, el aislamiento es uniformemente continuo y todas las tolerancias son milimétricas perfectas. Cualquiera que haya estado en una obra de construcción sabrá que esto no refleja la realidad.

Con este fin, los especificadores pueden tomar nota de la implementación de evaluaciones de Acuerdos Verdes. El precepto en este caso es respetar la «regla de oro» de que el coste de las medidas de ahorro de energía propuestas no debe superar el ahorro previsto por el consiguiente uso de menos energía. En la práctica, para garantizar esto, los Asesores de Acuerdos Verdes (GDA) están adoptando una línea muy conservadora sobre los ahorros proyectados, y los ahorros proyectados que implican cálculos de uso de aislamiento en el 75% de los datos de rendimiento del fabricante.

Además, si bien los fabricantes se centran en el rendimiento del producto, pueden pasar por alto otras cuestiones clave que afectan directamente al rendimiento, como la especificación del producto de aislamiento correcto en áreas de construcción que es probable que generen un entorno frío y potencialmente húmedo, por ejemplo, vacíos debajo del piso.

El aislamiento y el agua no se mezclan. Todos los tipos de productos de aislamiento se verán afectados en un rango que va desde insignificante (como el poliestireno extruido (XPS)) hasta gravemente comprometido (como los aislantes de lana). El grado de compromiso estará relacionado con el grado de contaminación. Por lo tanto, cualquier entorno en el que pueda existir vapor de agua sin amenaza de evaporación rápida y total, o la presencia de gotitas físicas de agua, reducirá el rendimiento del aislamiento. Una vez dentro de la matriz del aislante, el agua conducirá la energía que el aislamiento está tratando de contener. Cuanto mayor sea la gota de agua, mayor será la conducción.

Por ejemplo, cuando se instala lana de vidrio en una pared de cavidad de relleno completo, si uno de los lados de la cavidad de mampostería ha estado expuesto a la lluvia inmediatamente antes de la instalación del aislante, habrá una reducción en el rendimiento de aislamiento potencial de la pared de cavidad completa. Si se ha permitido que el aislamiento se moje, el rendimiento puede volverse negativo.

Sostenibilidad

Los especificadores de entornos construidos de hoy en día están sometidos a una presión creciente; ser más ecológicos, diseñar un entorno con menos emisiones de carbono y avanzar hacia una mayor sostenibilidad. Los fabricantes de aislamiento más grandes han implementado medidas significativas para::

• Reducir la dependencia de las materias primas.
• Reciclar antes y después de la fabricación.
• Reduzca el embalaje y asegúrese de que el embalaje siga siendo reciclable.
• Reducir el consumo de energía en la producción y el transporte.
• Tener políticas de cero residuos en vertederos.

Los fabricantes comercializan sus productos como «sostenibles» bajo la premisa de que sus productos de aislamiento ahorrarán mucha más energía/carbono a lo largo de la vida útil de la instalación de lo que ha costado fabricar.

Conclusión

Los materiales de aislamiento dependen de su composición molecular inherente, para minimizar las tres formas de transferencia de calor: radiación, conducción y convección. Las mayores pérdidas de calor en los edificios se producen por el movimiento del aire. Cualquier cuerpo de aire en movimiento extraerá calor de un objeto o superficie sobre la que pase. La pérdida de calor es proporcional a la velocidad del aire en movimiento, la cantidad de agua presente y la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el aire.

Cuanto más rápido sea el movimiento de aire sobre una fuente de calor, más rápida será la transferencia de calor. La presencia de gotas de agua actuará como un acelerante de este proceso, aunque por lo general será necesario controlar la saturación de vapor de agua para evitar problemas causados por la condensación.

La condensación puede controlarse en gran medida garantizando que el vapor de agua en el aire esté contenido en el ambiente interno cálido. La solución teórica son las capas de control de vapor en el lado cálido del aislamiento, que sellan eficazmente la envoltura a la migración de aire entre las zonas cálidas y frías.

La tecnología de materiales actual y la mano de obra cuidadosamente supervisada en el ensamblaje de esos materiales, pueden lograr una fuga de aire casi nula a través de la envoltura aislada, y de hecho el diseño de Passivhaus depende de esto, mientras usa ventilación controlada para eliminar el aire contaminado, principios de diseño que dependen de la mano de obra para tener éxito.

Abordando la construcción celular de materiales aislantes específicos, el objetivo intrínseco es evitar el movimiento de gases dentro de la matriz del núcleo de aislamiento, al hacerlo, la pérdida de calor resultante de ese movimiento también se reducirá.

Aunque los productos de aislamiento de células abiertas, como la lana, permiten una migración de aire mucho mayor a través de ellos, y esto limita su rendimiento, su construcción flexible ofrece una ventaja mucho mayor en términos de control de calidad de la mano de obra de la instalación. Debido a la naturaleza del material, la unión produce un resultado muy similar al material en sí. Mientras que los productos de tableros rígidos conllevan una onerosa penalización de instalación para alcanzar los estándares de precisión de «prueba de laboratorio» del fabricante en las uniones.

Los materiales de aislamiento con una composición celular más densa y autónoma proporcionarán una conductividad térmica más baja (valor λ) y, por lo tanto, una resistividad térmica más alta (valor R) para superar a los materiales de «celda abierta», que dependen de mantener aire seco dentro de sus núcleos para un rendimiento máximo.

Hay productos espumados de células abiertas disponibles que debido a su composición de matriz de núcleo tienen una conductividad térmica más alta que sus primos de células cerradas, pero tienen ventajas con mayor flexibilidad para acomodar el movimiento del edificio, y cualquier deterioro de las paredes celulares no dará lugar a la liberación del contenido de gas.

Al especificar productos de aislamiento, el diseñador del edificio debe considerar la posibilidad de contaminación del agua, y la posibilidad de migración de gas dentro de la matriz del núcleo y el compromiso resultante en el rendimiento, que podría deteriorarse aún más durante la vida útil del edificio, sin ser visto ni controlado.

Hay tecnologías de mejor rendimiento en el mercado con «aerogeles» y «paneles evacuados», pero el rendimiento depende de los mismos principios de transferencia de calor, y por el momento tiene un nicho de especificación limitado, que sigue siendo en gran medida prohibitivo para la gran mayoría de las aplicaciones.

Este artículo fue escrito originalmente por Mark Wilson MCIAT, con los derechos de autor transferidos a Henry Stewart Publications para fines de publicación. Fue el ganador de nuestro concurso de artículos respaldado por el Chartered Institute of Building en junio de 2013.

Una versión más larga del artículo se publicó por primera vez en Journal of Building Survey, Appraisal & Valuation, Volumen 2 Número 1, abril de 2013, publicado por Henry Stewart Publications, Londres.

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