Valor R (aislamiento)

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Medición de lo bien que un objeto, por unidad de área, resiste el flujo conductivo de calor

Aislamiento de batta de fibra de vidrio con su valor R visible (R-21)

En el contexto de la construcción, el valor R es una medida de qué tan bien una barrera bidimensional, como una capa de aislamiento, una ventana o una pared o techo completo, resiste la flujo conductivo de calor. El valor R es la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor necesaria para mantener una unidad de flujo de calor entre la superficie más cálida y la superficie más fría de una barrera en condiciones de estado estable. Por lo tanto, la medida es igualmente relevante para reducir las facturas de energía para calefacción en invierno, refrigeración en verano y comodidad general.

El valor R es el término de la industria de la construcción para la resistencia térmica "por unidad de área". A veces se denomina valor RSI si se utilizan las unidades SI. Se puede dar un valor R para un material (p. ej., para espuma de polietileno) o para un conjunto de materiales (p. ej., una pared o una ventana). En el caso de los materiales, a menudo se expresa en términos de valor R por metro. Los valores R son aditivos para las capas de materiales, y cuanto mayor sea el valor R, mejor será el rendimiento.

El factor U o valor U es el coeficiente de transferencia de calor general y se puede encontrar tomando el inverso del valor R. Es una propiedad que describe qué tan bien los elementos de construcción conducen el calor por unidad de área a través de un gradiente de temperatura. Los elementos suelen ser ensamblajes de muchas capas de materiales, como los que forman la envolvente del edificio. Se expresa en vatios por metro cuadrado kelvin: W/(m²⋅K). 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 ya que es una forma de predecir el comportamiento compuesto de un elemento de construcción completo en lugar de confiar en las propiedades de los materiales individuales.

Definición de valor R

Esto se relaciona con el valor técnico/constructivo.

{displaystyle R_{text{val}}={frac {Delta T}{phi _{q}}}}

donde:

${displaystyle R_{text{val}}}$ (K⋅m²/W) es el valor R,
$Delta T$ (K) es la diferencia de temperatura entre la superficie más caliente y la superficie más fría de una barrera,
${displaystyle phi _{q}}$ (W/m²) es el flujo de calor a través de la barrera.

El valor R por unidad de área de superficie expuesta de una barrera mide la resistencia térmica absoluta de la barrera.

{displaystyle {frac {R_{text{val}}}{A}}=R}

donde:

${displaystyle R_{text{val}}}$ es el valor R (m²⋅K⋅W⁻¹)
$A$ es la superficie expuesta de la barrera (m²)
$R$ es la resistencia térmica absoluta (K⋅W⁻¹)

Resistencia térmica absoluta, $R$ , cuantifica la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor necesaria para mantener una unidad de caudal de calor. A veces surge la confusión porque algunas publicaciones utilizan el término Resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor, pero otras publicaciones utilizan el término Resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. Se produce más confusión porque algunas publicaciones utilizan el carácter R para denotar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor, pero otras publicaciones utilizan el carácter R para indicar la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor. Este artículo utiliza el término absoluta resistencia térmica para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor y utiliza el término Valor R para la diferencia de temperatura por unidad de flujo de calor.

En cualquier caso, 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 efectividad del material aislante y en el análisis del flujo de calor a través de ensamblajes (como paredes, techos y ventanas) en condiciones de estado estable. El flujo de calor a través de una barrera es 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: la diferencia de temperatura dividida por el valor R y luego multiplicada por el área de superficie expuesta del barrera brinda la tasa total de flujo de calor a través de la barrera, medida en vatios o en BTU por hora.

{displaystyle phi ={frac {Delta Tcdot A}{R_{text{val}}}}}

donde:

${displaystyle R_{text{val}}}$ es el valor R (K⋅m²/W),
$Delta T$ es la diferencia de temperatura (K) entre la superficie más caliente y la superficie más fría de la barrera,
$A$ es la superficie expuesta (m²) de la barrera,
$phi$ es el flujo de calor (W) a través de la barrera.

Siempre que los materiales involucrados sean sólidos densos en contacto mutuo directo, 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.

Por ejemplo, en invierno puede haber 2 °C en el exterior y 20 °C en el interior, lo que genera 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 un área 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 piso, ventanas, ranuras de ventilación, etc. Pero solo para ese material, se están saliendo 450 W, y se puede reemplazar con un calentador de 450 W en el interior, para mantener la temperatura interior..

Valor RSI

Tenga en cuenta que el valor R es el término de la industria de la construcción para lo que en otros contextos se denomina "resistencia térmica" "para una unidad área." A veces se denota como valor RSI si se utilizan unidades SI (métricas).

Se puede dar un valor R para un material (p. ej., para espuma de polietileno) o para un conjunto de materiales (p. ej., una pared o una ventana). En el caso de los materiales, a menudo se expresa en términos de valor R por unidad de longitud (por ejemplo, por pulgada de espesor). Esto último puede ser engañoso en el caso de aislamientos térmicos de edificios de baja densidad, para los cuales los valores R no son aditivos: su valor R por pulgada no es constante a medida que el material se vuelve más grueso, sino que generalmente disminuye.

Las unidades de un valor R (ver a continuación) generalmente no se indican explícitamente, por lo que es importante decidir por el contexto qué unidades se utilizan: un valor R expresado en unidades I-P (pulgadas-libras) es aproximadamente 5,68 veces mayor que cuando se expresa en unidades SI, de modo que, por ejemplo, una ventana que es R-2 en unidades I-P tiene un RSI de 0,35 (ya que 2/5,68 = 0,35). Para los valores R, no hay diferencia entre las unidades tradicionales de EE. UU. y las unidades imperiales. En cuanto a cómo se informan los valores R, todo lo siguiente significa lo mismo: "esta es una ventana R-2"; "esta es una ventana R2"; "esta ventana tiene un valor R de 2"; "esta es una ventana con R = 2" (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").

Valor R aparente

Cuanto más un material es intrínsecamente capaz de conducir calor, según lo indica su conductividad térmica, menor es su valor R. Por otro lado, cuanto más grueso es el material, mayor es su valor R. A veces, los procesos de transferencia de calor diferentes a la conducción (es decir, convección y radiación) contribuyen significativamente a la transferencia de calor dentro del material. En tales casos, es útil introducir una "conductividad térmica aparente", que captura los efectos de los tres tipos de procesos, y definir el valor R de manera 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 cantidades son:

{displaystyle R_{text{val}}^{prime }={frac {Delta x}{k^{prime }}}={frac {1}{U_{text{val}}}}=Delta xcdot r^{prime }}

donde:

${displaystyle R_{text{val}}^{prime }}$ es el valor R aparente (K/W) a través del espesor de la muestra,
$Delta x$ es el espesor (m) de la muestra (medido en un camino paralelo al flujo de calor),
${displaystyle k^{prime }}$ es la conductividad térmica aparente del material (W/(K⋅m)),
${displaystyle U_{text{val}}}$ es la transmisión térmica o Valor U del material (W/K),
${displaystyle r^{prime }={k^{prime }}^{-1}}$ es la aparente resistencia térmica del material (K⋅m/W).

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

Sin embargo, esta generalización tiene un precio porque es posible que los valores R que incluyen procesos no conductores ya no sean aditivos y tengan 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 manera que disminuye al aumentar el espesor (el poliisocianurato (coloquialmente, poliiso) es una excepción; su El valor R/pulgada aumenta con el grosor). Por razones similares, el valor R por pulgada también depende de la temperatura del material, y generalmente aumenta con la disminución de la temperatura (el poliisocianurato nuevamente es una excepción); un bloque de fibra de vidrio nominalmente R-13 puede ser R-14 a -12 °C (10 °F) y R-12 a 43 °C (109 °F). Sin embargo, en la construcción es común tratar los valores R como independientes de la temperatura. Tenga en cuenta que un valor R puede no tener en cuenta los procesos radiativos o convectivos en la superficie del material, lo que puede ser un factor importante para algunas aplicaciones.

El valor R es el recíproco de la transmitancia térmica (factor U) de un material o ensamblaje. Sin embargo, la industria de la construcción de EE. UU. prefiere usar los valores R porque son aditivos y porque los valores más altos significan un mejor aislamiento, ninguno de los cuales es cierto para los factores U.

Factor U/valor U

El factor U o valor U es el coeficiente de transferencia de calor general que describe qué tan bien un elemento de construcción conduce el calor o la tasa de transferencia de calor (en vatios) a través de un metro cuadrado de una estructura dividido por la diferencia de temperatura a través de la estructura. Los elementos suelen ser ensamblajes de muchas capas de componentes, como los que forman paredes, pisos, 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. Son útiles ya que es una forma de predecir el comportamiento compuesto de un elemento de construcción completo en lugar de confiar 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 denominada 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 para el aislamiento. El poliestireno expandido (EPS) tiene un valor k de alrededor de 0,033 W/(m⋅K). A modo de comparación, el aislamiento de espuma fenólica tiene un valor k de alrededor de 0,018 W/(m⋅K), 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 se ajustará al valor k indicado con un nivel de confianza del 90 % siempre que se indique la cifra citada. como el valor lambda 90/90.

U es el inverso de R con unidades SI de W/(m²⋅K) y unidades estadounidenses de BTU/(h ⋅°F⋅ft²)

{displaystyle U={frac {1}{R}}={frac {{dot {Q}}_{A}}{Delta T}}={frac {k}{L}}}

Donde ${dot {Q}}_{A}$ es el flujo de calor, $Delta T$ 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 conducta superficial unitaria.

El término factor U se usa generalmente en los EE. UU. y Canadá para expresar el flujo de calor a través de ensamblajes completos (como techos, paredes y ventanas). Por ejemplo, los códigos de energía como ASHRAE 90.1 y IECC prescriben valores U. Sin embargo, el valor R se usa ampliamente en la práctica para describir la resistencia térmica de los productos de aislamiento, las capas y la mayoría de las otras partes del cerramiento del edificio (paredes, pisos, techos). Otras áreas del mundo usan más comúnmente el valor U/factor U para elementos de todo el recinto del edificio, incluidas ventanas, puertas, paredes, techos y losas de suelo.

Unidades: métrica (SI) frente a pulgada-libra (I-P)

La unidad SI (métrica) del valor R es

kelvin metro cuadrado por watt (K⋅m)²/W o, igualmente, °C⋅m²/W),

mientras que la unidad I-P (pulgada-libra) es

grado Fahrenheit hora cuadrada-pie por unidad térmica británica (°F⋅ft²⋅h/BTU).

Para los valores R, no hay diferencia entre las unidades estadounidenses e imperiales, por lo que se usa la misma unidad I-P en ambas.

Algunas fuentes utilizan "RSI" cuando se refiere a valores R en unidades SI.

Los valores R expresados en unidades I-P son aproximadamente 5,68 veces mayores que los valores R expresados en unidades SI. Por ejemplo, una ventana que es R-2 en el sistema I-P tiene un RSI de 0,35, ya que 2/5,68 ≈ 0,35.

En países donde el sistema SI generalmente se usa, los valores R también se darán normalmente en unidades SI. Esto incluye el Reino Unido, Australia y Nueva Zelanda.

Los valores I-P se dan comúnmente en los Estados Unidos y Canadá, aunque en Canadá normalmente se enumeran los valores I-P y RSI.

Debido a que las unidades generalmente no se indican explícitamente, se debe decidir por el contexto qué unidades se utilizan. En este sentido, es útil tener en cuenta que los valores I-P R son 5,68 veces mayores que los valores SI R correspondientes.

Más precisamente,

Valor R (en I-P). Valor RSI (en SI) × 5.678263337

Valor RSI (en SI). Valor R (en I-P) × 0.1761101838

Diferentes tipos de aislamiento

El gobierno australiano explica que los valores R totales requeridos para la estructura del edificio varían según la zona climática. "Dichos materiales incluyen bloques de hormigón celular, bloques huecos de poliestireno expandido, fardos de paja y láminas de poliestireno extruido reciclado."

En Alemania, después de la ley Energieeinsparverordnung (EnEv) introducida en 2009 (10 de octubre) con respecto al ahorro de energía, todos los edificios nuevos deben demostrar la capacidad de permanecer dentro de ciertos límites del valor U para cada material de construcción en particular. Además, EnEv describe el coeficiente máximo para cada material nuevo si se reemplazan o se agregan piezas a las estructuras en pie.

El Departamento de Energía de los EE. UU. ha recomendado valores R para áreas determinadas de los EE. UU. en función de los costos locales generales de energía para calefacción y refrigeración, así como el clima de un área. Hay cuatro tipos de aislamiento: rollos y bloques, relleno suelto, espuma rígida y espuma en el lugar. Los rollos y bloques 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 costosa que la fibra, pero generalmente tiene un valor R más alto por unidad de espesor. El aislamiento de espuma en el lugar se puede soplar en áreas pequeñas para controlar las fugas de aire, como las que se encuentran alrededor de las ventanas, o se puede usar para aislar toda una casa.

Espesor

Al aumentar el espesor de una capa aislante aumenta la resistencia térmica. Por ejemplo, duplicar el grosor de la guata de fibra de vidrio duplicará su valor R, quizás de 2,0 m²⋅K/W para 110 mm de grosor, hasta 4,0 m² ⋅K/W para 220 mm de espesor. La transferencia de calor a través de una capa aislante es análoga a agregar resistencia a un circuito en serie con un voltaje fijo. Sin embargo, esto solo es válido aproximadamente porque la conductividad térmica efectiva de algunos materiales aislantes depende del espesor. La adición de materiales para encerrar el aislamiento, como paneles de yeso y revestimiento, proporciona un valor R adicional, pero generalmente mucho más pequeño.

Factores

Hay muchos factores que entran en juego cuando se usan valores R para calcular la pérdida de calor de una pared en particular. Los valores R del fabricante se aplican solo al aislamiento correctamente instalado. Aplastar dos capas de guata en el grosor previsto para una capa aumentará, pero no duplicará, el valor R. (En otras palabras, comprimir un bloque de fibra de vidrio disminuye el valor R del bloque pero aumenta el valor R por pulgada). Otro factor importante a considerar es que los montantes y las ventanas brindan una ruta de conducción de calor paralela que no se ve afectada por el aislamiento. 39; valor R de s. La implicación práctica de esto es que se podría duplicar el valor R del aislamiento instalado entre los miembros de la estructura y lograr una reducción sustancialmente menor al 50 por ciento en la pérdida de calor. Cuando se instala entre montantes de pared, incluso el aislamiento perfecto de la pared 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 por lo general no elimina, las pérdidas de calor debidas a fugas de aire a través de la envolvente del edificio. La instalación de una capa continua de aislamiento de espuma rígida en el lado exterior del revestimiento de la pared interrumpirá el puente térmico a través de los montantes y al mismo tiempo reducirá la tasa de fuga 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 en condiciones de prueba específicas. El principal modo de transferencia de calor impedido por 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 no aislado 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, lo que hace que la conducción sea el principal modo de transferencia de calor. Los aislamientos porosos logran esto atrapando el aire para eliminar la pérdida significativa de calor por convección, dejando solo la conducción y la 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 realizar por completo porque la lana de vidrio o la espuma necesaria para evitar la convección aumenta la conducción de calor en comparación con la del aire en calma. La menor transferencia de calor por radiación se obtiene al tener muchas superficies que interrumpen una "vista clara" entre las superficies interior y exterior del aislamiento, como la luz visible, se interrumpe el paso a través de materiales porosos. Tales superficies múltiples abundan en guata y espuma porosa. La radiación también se minimiza mediante superficies exteriores de baja emisividad (altamente reflectantes), como el papel de aluminio. Se puede lograr una conductividad térmica más baja o valores R más altos reemplazando el aire con argón cuando sea práctico, como dentro de un aislamiento especial de espuma de poro cerrado porque el argón tiene una conductividad térmica más baja que el aire.

Generales

La transferencia de calor a través de una capa aislante es análoga a la resistencia eléctrica. Las transferencias de calor se pueden calcular pensando en resistencias en serie con un potencial fijo, excepto que las resistencias son resistencias térmicas y el potencial es la diferencia de temperatura de un lado al 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 (consulte la tabla a continuación) y el espesor de esa capa. Una barrera térmica que se compone de varias capas tendrá varias resistencias térmicas en forma análoga a los circuitos, cada uno en serie. De manera análoga a un conjunto de resistencias en paralelo, una pared bien aislada con una ventana mal aislada permitirá que una mayor parte del calor pase proporcionalmente a través de la ventana (bajo R), y el aislamiento adicional en la pared solo mejorará mínimamente el R general. valor. Como tal, la sección menos aislada de una pared desempeñará el papel más importante en la transferencia de calor en relación con su tamaño, de manera similar a la forma en que la mayor parte de la corriente fluye a través de la resistencia de menor resistencia en una matriz en paralelo. Por lo tanto, asegurarse de que las ventanas, las roturas de servicio (alrededor de cables/tuberías), las puertas y otras roturas 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 están suficientemente aisladas.

Al igual que la resistencia en los circuitos eléctricos, aumentar la longitud física (para aislamiento, espesor) de un elemento resistivo, como el grafito, por ejemplo, aumenta la resistencia linealmente; el doble del espesor de una capa significa el doble del valor R y la mitad de la transferencia de calor; cuádruple, cuartos; etc. En la práctica, esta relación lineal no siempre se cumple para materiales compresibles como lana de vidrio y guata de algodón cuyas propiedades térmicas cambian cuando se comprimen. Entonces, por ejemplo, si una capa de aislamiento de fibra de vidrio en un ático proporciona resistencia térmica R-20, agregar una segunda capa no necesariamente duplicará la resistencia térmica porque la primera capa se comprimirá por el peso de la segunda.

Cálculo de la pérdida de calor

Para encontrar 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 casa está a 20 °C y la cavidad del techo está a 10 °C, la diferencia de temperatura es de 10 °C (o 10 K). Suponiendo un techo aislado a RSI 2.0 (R = 2 m²⋅K/W), la energía se perderá a razón de 10 K / (2 K⋅m² /W) = 5 vatios por cada metro cuadrado (W/m²) de techo. El valor RSI utilizado aquí es para la capa aislante real (y no por unidad de espesor de aislamiento).

Relaciones

Espesor

El valor R no debe confundirse con la propiedad intrínseca de la resistividad térmica y su conductividad térmica inversa. La unidad SI de resistividad térmica es K⋅m/W. La conductividad térmica supone que la transferencia de calor del material está relacionada linealmente con su espesor.

Múltiples capas

Al calcular el valor R de una instalación de varias capas, se suman los valores R de las capas individuales:

Valor R_{(filme exterior)} + valor R_(brick) + valor R_(Jadeo) + valor R_{(Aislamiento)} + valor R_(plástico) + valor R_{(en la película de aire)} = valor R_(total).

Para tener en cuenta otros componentes en un muro, como el marco, primero calcule el valor U (= 1/valor R) de cada componente, luego el valor U promedio ponderado por área. Un valor R promedio es 1/(valor U promedio). Por ejemplo, si el 10 % del área son 4 pulgadas de madera blanda (valor R 5,6) y el 90 % son 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 versus conductividad térmica aparente

La conductividad térmica se define convencionalmente como la tasa de conducción térmica a través de un material por unidad de área por unidad de espesor 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 una unidad de área con el espesor instalado 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 su mayor parte, 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 casi con seguridad será más alto de lo que sería en el uso real, porque la mayoría de las situaciones con aislamiento se encuentran en condiciones diferentes.

En el documento C168 publicado por la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales se ha propuesto una definición de valor R basada en la conductividad térmica aparente. Esto describe el calor que se transfiere mediante los tres mecanismos: conducción, radiación y convección.

Se mantiene el debate entre los representantes de diferentes segmentos de la industria del aislamiento de EE. UU. durante la revisión de las reglamentaciones de la FTC de EE. UU. sobre la publicidad de los valores R que ilustran la complejidad de los problemas.

Temperatura superficial en relación con el modo de transferencia de calor

Hay puntos débiles en el uso de un único modelo de laboratorio para evaluar simultáneamente las propiedades de un material para resistir el calentamiento por conducción, radiación y convección. La temperatura de la superficie varía según el modo de transferencia de calor.

Si suponemos una transferencia de calor idealizada entre el aire de cada lado y la superficie del aislamiento, la temperatura de la superficie del aislador sería igual a la temperatura del aire de cada lado.

En respuesta a la radiación térmica, la temperatura de la superficie depende de la emisividad térmica del material. Las superficies de baja emisividad, como las láminas metálicas brillantes, reducirán la transferencia de calor por radiación.

La convección alterará la tasa de transferencia de calor entre el aire y la superficie del aislador, dependiendo de las características de flujo del aire (u otro fluido) en contacto con él.

Con múltiples modos de transferencia de calor, la temperatura final de la superficie (y, por lo tanto, el flujo de energía observado y el valor R calculado) dependerán de las contribuciones relativas de radiación, conducción y convección, aunque la contribución de energía total sigue siendo la misma. mismo.

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 radiativas y conductivas también varía a lo largo del año y ambas contribuyen de manera importante al confort térmico.

En la estación cálida, la radiación solar predomina como fuente de ganancia de calor. De acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann, la transferencia de calor por radiación está relacionada con la cuarta potencia de la temperatura absoluta (medida en kelvins: 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 juegan un papel más importante durante los meses más fríos. A temperaturas ambiente tan bajas, los aislamientos tradicionales de fibra, plástico y celulosa desempeñan con mucho el papel más importante: el componente de transferencia de calor por radiación es mucho menos importante, y la principal contribución de la barrera contra la radiación es su mayor estanqueidad al aire. En resumen: las afirmaciones de aislamiento de barrera radiante son justificables a altas temperaturas, normalmente cuando se minimiza la transferencia de calor en verano; pero estas afirmaciones no son justificables en condiciones tradicionales de invierno (mantenimiento del calor).

Las limitaciones de los valores R en la evaluación de barreras radiantes

A diferencia de los aisladores a granel, las barreras radiantes resisten mal el calor conducido. Los materiales como la lámina reflectante tienen una alta conductividad térmica y funcionarían mal como aislante conductor. Las barreras radiantes retardan la transferencia de calor por dos medios: 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 la industria de la construcción con el uso de valores R o 'valores R equivalentes' para productos que tienen sistemas completamente diferentes para inhibir la transferencia de calor. (En los EE. UU., la regla del valor R del gobierno federal establece una definición legal para el valor R de un material de construcción; el término 'valor R equivalente' no tiene una definición legal y, por lo tanto, es sin sentido.) De acuerdo con los estándares actuales, los valores R se establecen de manera más confiable para los materiales de aislamiento 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 colocada, la mayor parte del flujo de calor es por convección, lo que depende de muchos factores además de la propia barrera radiante. Aunque las barreras radiantes tienen una alta reflectividad (y una 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 son la métrica adecuada para las barreras radiantes. Se establece su eficacia cuando se emplea para resistir la ganancia de calor en aplicaciones limitadas, aunque el valor R no los describe adecuadamente.

Deterioro

Envejecimiento del aislamiento

Si bien falta investigación sobre la degradación a largo plazo del valor R en el aislamiento, investigaciones recientes indican que los valores R de los productos pueden deteriorarse con el tiempo. Por ejemplo, la compactación de la celulosa de relleno suelto crea vacíos que reducen el rendimiento general; esto se puede evitar empaquetando densamente en la instalación inicial. Algunos tipos de aislamiento de espuma, como el poliuretano y el poliisocianurato, se forman 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, lo que reduce el valor R efectivo del producto. Hay otras espumas que no cambian significativamente con el envejecimiento porque se soplan con agua o son de celda abierta y no contienen CFC o HFC atrapados (por ejemplo, espumas de media libra de baja densidad). En ciertas marcas, las pruebas de veinte años no han mostrado contracción ni reducción en el valor del aislamiento.

Esto ha generado controversia sobre cómo calificar el aislamiento de estos productos. Muchos fabricantes calificarán 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), que califica el valor R en función de un promedio ponderado de 15 años. Sin embargo, el LTTR proporciona efectivamente solo un valor R de ocho años, corto en la escala de un edificio que puede tener una vida útil de 50 a 100 años.

El Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. ha llevado a cabo investigaciones 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 de expansión (en la espuma de poliuretano en aerosol de celda cerrada) fueron las principales causas de la pérdida del valor R. La fibra de vidrio y el poliestireno extruido retuvieron más del 97 % de sus valores R iniciales, mientras que los aerogeles y el poliuretano de celda cerrada experimentaron una reducción del 15 % y el 27,5 %, respectivamente. Los resultados sugieren que se aplica una ley de decaimiento exponencial a lo largo del tiempo a los valores R para poliuretanos de celda cerrada y mantas de aerogel.

Infiltración

La atención correcta a las medidas de sellado de aire y la consideración de los mecanismos de transferencia de vapor son importantes para el funcionamiento óptimo de los aisladores a granel. La infiltración de aire puede permitir la transferencia de calor por convección o la formación de condensación, las cuales pueden degradar el rendimiento de un aislamiento.

Uno de los principales valores del aislamiento de espuma en aerosol es su capacidad para crear un sello hermético (y en algunos casos, hermético) directamente contra el sustrato para reducir los efectos no deseados de las fugas de aire. También se utilizan otras tecnologías de construcción para reducir o eliminar la infiltración, como las técnicas de sellado de aire.

Mediciones in situ del valor R

El deterioro de los valores R es especialmente un problema cuando se define la eficiencia energética de un edificio existente. Especialmente en edificios antiguos o históricos, los valores R definidos antes de la construcción pueden ser muy diferentes a los valores reales. Esto afecta en gran medida el análisis de la eficiencia energética. Para obtener datos confiables, los valores R a menudo se determinan a través de mediciones de valores U en la ubicación específica (in situ). Existen varios métodos potenciales para esto, cada uno con sus compensaciones específicas: termografía, múltiples mediciones de temperatura y el método de flujo de calor.

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 piezas de aislamiento no homogéneas. Sin embargo, no produce ningún dato cuantitativo. Este método solo se puede utilizar para aproximar el valor U o el valor R inverso.

Configuración de medición de flujo de calor

Resultados de medición del flujo de calor

Múltiples mediciones de temperatura

Este enfoque se basa en tres o más mediciones de temperatura dentro y fuera de un elemento de construcción. Al sincronizar estas mediciones y hacer algunas suposiciones básicas, es posible calcular el flujo de calor indirectamente y, por lo tanto, derivar el valor U de un elemento de construcción. Se deben cumplir los siguientes requisitos para obtener resultados confiables:

Diferencia entre la temperatura interior y exterior, ideal
Condiciones constantes
No hay radiación solar
No hay radiación calor cerca de las mediciones

Método de flujo de calor

El valor R de un elemento de construcción se puede determinar mediante el uso de un sensor de flujo de calor en combinación con dos sensores de temperatura. Al medir el calor que fluye a través de un elemento de construcción y combinarlo con la temperatura interior y exterior, es posible definir el valor R con precisión. De acuerdo con las normas ISO 9869, se requiere una medición que dure al menos 72 horas con una diferencia de temperatura de al menos 5 °C para obtener un resultado confiable, pero las duraciones de medición más cortas también brindan una indicación confiable del valor R. El progreso de la medición se puede ver en la computadora portátil a través del software correspondiente y los datos obtenidos se pueden usar para otros cálculos. Empresas como FluxTeq, Ahlborn, greenTEG y Hukseflux ofrecen dispositivos de medición para tales mediciones de flujo de calor.

La colocación del sensor de flujo de calor en la superficie interior o exterior del elemento de construcción permite determinar el flujo de calor a través del sensor de flujo de calor como un valor representativo del flujo de calor a través del elemento de construcción. El flujo de calor a través del sensor de flujo de calor es la tasa de flujo de calor a través del sensor de flujo de calor dividida por el área superficial del sensor de flujo de calor. La colocación de los sensores de temperatura en las superficies interior y exterior del elemento de construcción 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 servir como uno de los sensores de temperatura. El valor R para el elemento de construcción es la diferencia de temperatura entre los dos sensores de temperatura dividida por el flujo de calor a través del sensor de flujo de calor. La fórmula matemática es:

{displaystyle R_{text{val}}={frac {Delta T}{phi _{q}}}={frac {T_{o}-T_{i}}{q/A}}}

donde:

${displaystyle R_{text{val}}}$ es el valor R (K⋅W⁻¹⋅m²),
${displaystyle phi _{q}}$ es el flujo de calor (W⋅m)⁻²),
$A$ es la superficie del sensor de flujo de calor (m²),
$q$ es la tasa de flujo de calor (W),
$T_{i}$ es la temperatura interior de la superficie (K),
$T_{o}$ es la temperatura de la superficie exterior (K), y
$Delta T$ es la diferencia de temperatura (K) entre las superficies internas y externas.

El valor U también se puede calcular tomando el recíproco del valor R. Eso es,

{displaystyle U_{text{val}}={frac {1}{R_{text{val}}}}.}

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

El valor R y el valor U derivados pueden ser precisos en la medida en que el flujo de calor a través del sensor de flujo de calor sea igual al flujo de calor a través del elemento de construcción. El registro de todos los datos disponibles permite estudiar la dependencia del valor R y el valor U de 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) contribuyan a las mediciones, el valor R derivado representa un valor R aparente.

Valores de ejemplo

Los paneles aislados 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 aislamientos de poliuretano (PUR) y espuma fenólica con R-7 por pulgada. Les siguen de cerca el poliisocianurato (PIR) en R-5.8, el poliestireno expandido impregnado con grafito en R-5 y el poliestireno expandido (EPS) en R-4 por pulgada. La celulosa suelta, la fibra de vidrio (tanto soplada como en bloques) y la lana de roca (tanto soplada como en bloques) poseen un valor R de aproximadamente R-2,5 a R-4 por pulgada.

Los fardos de paja rinden alrededor de R-2,38 a 2,68 por pulgada, dependiendo de la orientación de los fardos. Sin embargo, las típicas casas de balas de paja tienen paredes muy gruesas y, por lo tanto, están bien aisladas. La nieve es de aproximadamente R-1 por pulgada. El ladrillo tiene una capacidad de aislamiento muy pobre a solo R-0.2 por pulgada; sin embargo, tiene una masa térmica relativamente buena.

Tenga en cuenta que todos los ejemplos anteriores usan la definición de EE. UU. (no SI) para el valor R.

Aerogel es un muy buen aislamiento térmico, que a una presión de una décima parte de un ambiente tiene un valor R de R-40/m, en comparación con R-3.5/m para una manta de fibra de vidrio.

Valores R típicos

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

Los valores R típicos se dan para varios materiales y estructuras como aproximaciones basadas en el promedio de las cifras disponibles y se ordenan por el valor más bajo. El valor R a 1 m proporciona valores R normalizados a un 1 metro (3 pies 3 pulgadas) de grosor y se ordena por valor medio del rango.

Material	Espesor		Valor R		Valor R a 1 m (m²·K/W)
Material	(cm)	(in)	(m²·K/W)	(ft²· °F·h/BTU)	Valor R a 1 m (m²·K/W)
Panel aislado de vacío	2.54	1	5.28 a 8,8	14 a 66	208–346
Silica aerogel	2.54	1	1.76	10.3	69
Panel rígido de poliuretano (CFC/HCFC) inicial	2.54	1	1.23–1.41	7 a 8	48 a 56
Panel rígido de poliuretano (CFC/HCFC) de 5 a 10 años	2.54	1	1.10	6.25	43
Panel rígido de poliuretano (pentano-expandido) inicial	2.54	1	1.20	6.8	47
Panel rígido de poliuretano (pentano-expandido) de 5 a 10 años	2.54	1	0.97	5,5	38
Panel rígido de poliuretano con cara de lámina (pentane-expanded)	2.54	1	1.1–1.2		45 a 48
Panel rígido poliisocianurato con cara de foil (pentane-expanded) inicial	2.54	1	1.20	6.8	55
Panel rígido de poliisocianurato con cara de foil (pentane-expanded) de 5 a 10 años	2.54	1	0.97	5,5	38
Polyisocyanurate spray espuma	2.54	1	0,76 a 1,46	4.3 a 8.3	30-57
Espuma de poliuretano de células cerradas	2.54	1	0,97 a 1,14	5,5-6,5	38 a 45
Espuma fenólico	2.54	1	0,85–1,23	4.8 a 7	33 a 48
Aislamiento de ropa de Thinsulate	2.54	1	0,28–0,51	1.6–2.9	11 a 20
Paneles de urea-formaldehído	2.54	1	0,88–1,06	5 a 6	35 a 42
Drywall	2.54	1	0.15	.9	6.2
espuma de urea	2.54	1	0.92	5.25	36.4
Poliestireno expandido (XPS) de alta densidad	2.54	1	0,88–0,95	5 a 5.4	26–40
Tablero de poliestireno	2.54	1	0.88	5.00	35
Panel rígido fenólico	2.54	1	0,70–0,88	4 a 5	28 a 35
Espuma Urea-formaldehído	2.54	1	0,70–0,81	4 a 4,6	28 a 32
Baterías de fibra de vidrio de alta densidad	2.54	1	0,63–0,88	3.6 a 5	25 a 35
Poliestireno expandido (XPS) de baja densidad	2.54	1	0,63–0,82	3.6 a 4.7	25 a 32
Icynene sin relleno (pour-fill)	2.54	1	0	4	28
Poliestireno expandido moldeado (EPS) de alta densidad	2.54	1	0	4.2	22 a 32
Hulls de arroz	2.54	1	0,50	3.0	24
Baterías de fibra de vidrio	2.54	1	0,55–0,76	3.1 a 4.3	22 a 30
Baterías de algodón (aislante jean azul)	2.54	1	0.65	3.7	26
Poliestireno expandido moldeado (EPS) de baja densidad	2.54	1	0.65	3.85	26
Batt de lana de ovejas	2.54	1	0.65	3.7	26
Icynene spray	2.54	1	0.63	3.6	25
espuma de pulverización de poliuretano de células abiertas	2.54	1	0.63	3.6	25
Cartón	2.54	1	0,52 a 0,7	3 a 4	20 a 28
Baterías de lana de roca y escoria	2.54	1	0,52–0,68	3 a 3,85	20 a 27
Celulosa suelto-fill	2.54	1	0,52–0,67	3 a 3,8	20 a 26
Cellulose wet-spray	2.54	1	0,52–0,67	3 a 3,8	20 a 26
Rock and slag lana suelto-fill	2.54	1	0,44–0,65	2.5 a 3,7	17 a 26
Fibra de vidrio suelto	2.54	1	0,44–0,65	2.5 a 3,7	17 a 26
espuma de polietileno	2.54	1	0,522	3	20
Espuma puntiaguda	2.54	1	0,35–0,69	2 a 3,9	14 a 27
Perlite suelto-fill	2.54	1	0.48	2.7	19
Paneles de madera, tales como vaciado	2.54	1	0.44	2.5	17 (9)
Panel rígido de fibra de vidrio	2.54	1	0.44	2.5	17
Vermiculite suelto-fill	2.54	1	0,38–0,42	2.13–2.4	15 a 17
Vermiculite	2.54	1	0,38	2.13	16 a 17
Bala de paja	2.54	1	0,266	1.45	16 a 22
Papercrete	2.54	1		2.6 a 3.2	18 a 22
Softwood (la mayoría)	2.54	1	0,25	1.41	7.7
Patillas de madera y otros productos de madera de relleno suelto	2.54	1	0.18	1	7.1
Aerated/cellular concrete (5% de humedad)	2.54	1	0.18	1	7.1
Nieve	2.54	1	0.18	1	7.1
Hardwood (la mayoría)	2.54	1	0.12	0.71	5,5
Brick	2.54	1	0,030	0.2	1.3 a 1,8
Cristal	2.54	1	0,025	0.14	0.98
Pane de vidrio no aislado	0.6	0,25	0.16	0.91	0.98
Cristal aislado (doble acristalamiento)	1.6–1.9	0,63–0,75	0,355	2	40
Cristal aislado (doble acristalado, duro bajo e)	1.6–1.9	0,63–0,75	0,677	3.8	77
Cristal aislado (doble acristalado, suave bajo e)	1.6–1.9	0,63–0,75	0.90	5.11	100
Cristal aislado (triple acristalado)	3.2–3.8	1.2 a 1,5	0,677	3.8	40
hormigón armado	2.54	1	0,014	0,08	0,43–0,87
Material	Espesor		Valor R		Valor R a 1 m (m²·K/W)
Material	(cm)	(in)	(m²·K/W)	(ft²· °F·h/BTU)	Valor R a 1 m (m²·K/W)

Valores R típicos para superficies

Valores R de superficies no reflectantes para películas de aire

Al determinar la resistencia térmica general de un conjunto de construcción, como una pared o un techo, el efecto aislante de la película de aire de la superficie se suma a la resistencia térmica de los demás materiales.

Posición de superficie	Dirección de transferencia de calor	R_EE.UU. (hr⋅ft²⋅°F/Btu)	R_SI (K⋅m²/W)
Horizontal (por ejemplo, un techo plano)	Hacia arriba (por ejemplo, invierno)	0.61	0.11
Horizontal (por ejemplo, un techo plano)	Abajo (por ejemplo, verano)	0.92	0.16
Vertical (por ejemplo, una pared)	Horizontal	0,688	0.12
Superficie exterior, cualquier posición, aire móvil 6.7 m/s (invierno)	Cualquier dirección	0.17	0,030
Superficie exterior, cualquier posición, aire móvil 3,4 m/s (verano)	Cualquier dirección	0,25	0,044

En la práctica, los valores de superficie anteriores se utilizan para suelos, techos y paredes de un edificio, pero no son precisos para cavidades de aire cerradas, como entre 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 acristalamiento aislante para ver una comparación de los valores R de las ventanas, con algunos valores R efectivos que incluyen una cavidad de aire.

Barreras radiantes

Material	Apparent R-Value (min.)	Apparent R-Value (max.)	Referencia
Aislamiento reflectante	Cero (Para montaje sin espacio aéreo adyacente.)	R-10.7 (transferencia térmica baja), R-6.7 (transferencia de calor horizontal), R-5 (transferencia de calor) Pida las pruebas de valor R del fabricante para su montaje específico.

Regla del valor R en EE. UU.

La Comisión Federal de Comercio (FTC) rige las afirmaciones sobre valores R para proteger a los consumidores contra afirmaciones publicitarias engañosas y engañosas. Emitió la regla del valor R.

El propósito principal de la regla es garantizar que el mercado de aislamiento para el hogar proporcione al consumidor esta información esencial previa a la compra. La información brinda a los consumidores la oportunidad de comparar eficiencias de aislamiento relativas, seleccionar el producto con la mayor eficiencia y potencial de ahorro de energía, realizar una compra rentable y considerar las principales variables que limitan la efectividad del aislamiento y la realización de los ahorros de energía declarados.

La regla exige que la información específica del valor R de los productos de aislamiento para el hogar se divulgue en ciertos anuncios y en el punto de venta. El propósito del requisito de divulgación del valor R para la publicidad es evitar que los consumidores sean engañados por ciertas afirmaciones que tienen relación con el valor del aislamiento. En el momento de la transacción, algunos consumidores podrán obtener la información necesaria sobre el valor R de la etiqueta del paquete de aislamiento. Sin embargo, dado que la evidencia muestra que los paquetes a menudo no están disponibles para su inspección antes de la compra, en muchos casos no habrá información disponible en la etiqueta para los consumidores. Como resultado, la Regla requiere que una hoja informativa esté disponible para que los consumidores la inspeccionen antes de realizar su compra.

Espesor

La regla del valor R especifica:

En etiquetas, hojas de datos, anuncios u otros materiales promocionales, no dan el valor R por una pulgada o el "valor R por pulgada" de su producto. Existen dos excepciones: Puedes hacerlo si sugieres usar tu producto a un espesor de una pulgada. Usted puede hacer esto si los resultados de la prueba real prueban que los valores R por pulgada de su producto no baja ya que se vuelve más grueso. Puede enumerar una gama de valor R por pulgada. Si lo hace, debe decir exactamente cuánto el valor R cae con mayor espesor. También debe añadir esta afirmación: "El valor R por pulgada de este aislamiento varía con espesor. Cuanto más grueso es el aislamiento, menor es el valor R por pulgada."

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