Estudio de la transferencia de calor en ventanas

1. Estudio de la Transferencia de Calor en Ventanas
Mexicanas en Condiciones de Clima Frío Mediante una
Cámara de Ambiente Controlado. Jiménez I. (2012)
Presentador:
Micaela Cavallo
C.I. V-22.331.311
República Bolivariana de Venezuela
Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”
Dirección de Investigación y Postgrado
Vice-Rectorado Barquisimeto

2. El conocer los parámetros de
transferencia de calor permite
realizar mejoras en los diseños
y lograr ahorros de energía
importantes.
Cámara de ambiente controlado,
tipo Hot Box, que evalúa el
coeficiente global de transferencia de
calor (Factor U).
Aluminio, fierro, PVC y
madera; ventanas fijas con
vidrio claro de 6 mm.
PVC presentó el valor del factor U
más bajo y la ventana de aluminio
presentó el valor más alto (mayor
conductancia). La ventana con
marco de PVC es mejor aislante
para edificaciones en climas fríos.
Se establecieron condiciones de
prueba para clima frío con una
temperatura de 25°C para el interior
de una habitación y de 11°C a 14°C
para el exterior.
Resumen
ASTM

3. El cambio de
clima global ha
sido preocupante
en las últimas
décadas
Políticas de fomento
al uso de tecnologías
limpias para la
generación de
energía
Optimización del
consumo
energético
vivienda eficiente,
aprovecha al
máximo los
recursos
climáticos y
energéticos
Uno de los principales
componentes en las
viviendas y
edificaciones son las
ventanas
La pérdida o
ganancia de calor a
través de las
ventanas de un
edificio,
puede alcanzar
hasta un 50%
calorímetros que
simulan habitaciones a
escala y la
cámaras de ambiente
controlado
Hot Box
Introducción

4. Objetivo General
• Estudiar la transferencia de calor de ventanas con
diferentes marcos mediante sus coeficientes globales de
transferencia de calor, utilizando una cámara de ambiente
controlado (Hot Box), en condiciones de clima frío (11°C -
14°C).
• Estudiar las ventanas con cuatro tipos de marcos.
• Familiarizarse con el funcionamiento del Hot Box
adecuar la cámara para clima frío.
• Determinar los parámetros que caracterizan las
ventanas con diferentes marcos, coeficientes de
pérdidas, flujos de calor, entre otros.
Objetivos Específicos

5. Transferencia de calor en ventanas
Conducción
El flujo de calor por conducción ocurre entre los principales vidrio y marco. El
vidrio al absorber energía aumenta su temperatura, este genera flujos de calor
en dirección normal de la superficie interior o exterior de la habitación y hacia
el marco, de la misma forma ocurre cuando el marco aumenta su temperatura
interior o exterior y también con dirección al borde marco (región de
interacciones entre el marco y el vidrio).

6. De acuerdo a la ley de Fourier, para una placa plana unidimensional, la ecuación general de
conducción se expresa como:
Convección
En el caso de transferencia de calor por convección, esta sucede entre el aire del
ambiente y la ventana. Las temperaturas del interior y exterior de una habitación
se establecen como condiciones de prueba para evaluar una ventana, sin embargo,
los coeficientes de transferencia de calor convectivos no son tan sencillos de
especificar debido a que se debe considerar la geometría de la superficie, la
naturaleza del fluido (convección natural o forzada) y la variación de las
propiedades termodinámicas del fluido
El flujo de calor o transferencia de calor por unidad de área qcondx (W/m2) es el calor en
dirección x por área unitaria perpendicular a la dirección de transferencia, donde k (W/mK)
es la conductividad térmica del material, dT/dx es el gradiente de temperatura en la
dirección x.

7. La norma ISO 15099 determina que la transferencia de calor por
convección en el lado interno de una habitación ocurre primero por
convección natural, para el lado exterior se da por convección forzada

8. Coeficiente global de transferencia de calor
(factor U)
Los distintos coeficientes de transferencia de calor pueden ser
combinados en un coeficiente global de transferencia de calor por lo
que la tasa de transferencia de calor total puede calcularse a partir de
la diferencia de temperaturas.
Para facilitar la comparación y clasificación de los componentes de
edificios (muros, ventanas, puertas, domos, etc.) se utiliza el factor U.
El factor U describe la razón de flujo de calor a través de una ventana.
Además, es el modo estándar de cuantificar el valor del aislamiento.

10. Metodología de trabajo

11. El modelo experimental se implementó considerando los
requerimientos y procedimientos indicados en las normas
ASTM C1363 para la puesta a prueba del aparato tipo Hot
Box y la norma ASTM C1199 para la evaluación del Factor
U de ventanas.
Para llevar a cabo la evaluación de las ventanas el equipo
experimental está compuesto por: el aparato tipo Hot Box,
que se compone de una cámara de medición, de una
cámara de ambiente y de un panel de pruebas; un sistema
de acondicionamiento de la temperatura del aire y un
sistema de control y adquisición de datos.

13. Experimentación se realiza en tres etapas.
• En la primera etapa, se caracteriza la cámara de medición, esto es,
se determina el factor Ucamed característico de las paredes bajo
condiciones de prueba similares a las establecidas para las ventanas.
• En la segunda etapa, se calcula el U del panel de pruebas utilizando
una muestra de referencia de características térmicas conocidas. La
muestra de referencia se coloca en la abertura del panel de pruebas
como si fuera una ventana a evaluar.
• La última etapa consiste en determinar el factor Uv característico de
las ventanas. Con los factores Ucamed y Upanel de las paredes de la
cámara de medición y del panel de pruebas, se calculan los flujos de
calor respectivos, después, de se determina el flujo de calor a través
de la ventana y por último el factor Uv

15. Resultados
Caracterización del aparato tipo Hot Box.
• Caracterización de Cámara de medición
En la Figura muestra el modelo físico utilizado para la medición. Para
esto, la cámara de medición a 28.3 °C la cámara ambiente a 13 °C
para la evaluación de las ventanas conforme a los datos presentados
por Medina, (2009)

16. En la prueba que se realizó, se promediaron las mediciones cada hora para la
determinación del factor Upérd , considerando el intervalo de tiempo en el que
aproximadamente se estabilizaron las temperaturas al interior del aparato
tipo Hot Box. De los resultados que se muestran en la tabla se observa que
del calor que se agrega más del 50% se pierde a través del panel. Se
determinó que la incertidumbre de la prueba para la caracterización de las
paredes de la cámara de medición fue de ±0.2 W/m2°C; por lo tanto se tiene
un Factor Upérd de 1.0 ±0.2 W/m2°C.

17. • Caracterización del panel de prueba
se colocó el panel de pruebas entre las dos cámaras y en la a que
tiene en el centro se colocó una muestra de poliestireno extruido
de 0.6 X 0.6 cm con un espesor de 0.025 m (1 pulg) con un factor
Um 1.1 W/m2°C. Para esta prueba se establecieron condiciones de
temperatura de 28.8°C en la cámara de medición, mientras que
en la cámara ambiente 11.2 °C, como se muestra en la figura.

18. De la tabla se observa que el 45% del flujo de calor agregado se pierde a través de las paredes de la
cámara de medición, tan solo el 17% pasa a través de la muestra de poliestireno extruido y el 38% a
través del panel de pruebas, el cual es el dato que nos interesa para el cálculo del factor Upanel. Al igual
que en la caracterización de la cámara de medición, se promediaron por hora los datos obtenidos a
partir de la medición, para la determinación del factor Upanel; se calculó el Factor Upanel de 0.6±0.2
W/m2°C.

19. • Caracterización de las ventanas representativas de la República Mexicana.

20. • Cálculo del Factor U de la Ventana de Aluminio

21. • Cálculo del Factor U de la Ventana de Fierro

22. • Cálculo del Factor U de la Ventana de Madera

23. • Cálculo del Factor U de la Ventana de PVC

24. • Comparación de los factor U
La ventana de PVC tiene el mejor desempeño térmico para el clima frío, ya que
presenta un gran aislamiento respecto a las ventanas de aluminio, fierro y madera.

25. • Comparación de los resultados experimentales del Factor U de las ventanas
evaluadas con valores reportados por Medina en 2009
De acuerdo a los resultados experimentales, los factores U de la ventana de fierro, de la ventana
de madera y la de ventana de PVC, que fueron reportados por Medina en el 2009, son validos
con el presente trabajo en un intervalo de ±20% con excepción de la ventana de marco de
aluminio que tiene un 26% de diferencia.

26. • Comparación de los resultados experimentales del Factor U del presente
trabajo con los reportados por Vicente en 2009
Se observa de los resultados obtenidos la ventana de aluminio presenta una
diferencia de 3.3%, la ventana de fierro de 18.6%, para la ventana de madera una
diferencia de 15.8% y la ventana de PVC no presenta diferencia. Esto se debe a que
se manejó una diferencia de temperatura de aproximadamente 11°C, en los
estudios realizados. También, se puede observar que la curva de Vicente es mayor
que la de Jiménez y posiblemente se debió a que en el trabajo de Vicente se
manejó flujos de calor de entrada de alrededor de 140W.

27. Conclusiones
• Se realizó la evaluación experimental del coeficiente global de transferencia de calor
o factor U de cuatro ventanas con diferentes marcos representativas de México
utilizando un aparato tipo Hot Box bajo las condiciones de prueba de clima frío en la
República Mexicana. Las cuatro ventanas tienen marcos de aluminio, fierro, madera
y PVC con un vidrio claro simple de 6 mm.
• Se caracterizó la cámara de medición del aparato tipo Hot Box y se obtuvo un factor
de pérdidas Upérd de 1.0±0.2 W/m2°C. Este valor es similar al reportado en Vicente
(2009), el cual habla de la buena funcionalidad del aparato y que a pesar del tiempo
se ha mantenido en buen estado. También se realizó la caracterización del panel de
pruebas utilizando una muestra de referencia hecha de una placa de poliestireno
extruido de 0.6 x 0.6 m obteniendo un factor Upanel de 0.6±0.2 W/m2°C; con este
resultado se concluye que el panel de pruebas permite un flujo de calor mínimo entre
la cámara de medición y de ambiente.
• El factor U calculado para los cuatro tipos de ventanas resultó de las siguiente
manera: para la ventana de aluminio se obtuvo un factor UAl de 5.9± 0.9 W/m2°C, la
ventana de fierro un factor UFe de 4.8± 1.0 W/m2°C, la ventana de madera un factor
UMad de 3.2± 0.8 W/m2°C y la ventana de PVC un factor UPVC de 2.2± 0.9
W/m2°C.

28. • La ventana de PVC proporciona el mejor aislamiento, de hasta un 63.6% con
respecto a la ventana de aluminio. También, se observó un buen aislamiento
de la ventana de madera de hasta 45.8% con respecto a la ventana de
aluminio. Entre la ventana de madera y la de PVC existe una diferencia de
hasta un 32.8% de aislamiento, siendo la de PVC mejor aislante.
• Cuando se compararon los resultados experimentales del factor U con el
estudio teórico reportado por Medina en el 2009, se concluye que los
resultados teóricos del factor U para la ventana de fierro, madera y PVC se
validan.
• Al comparar los resultados experimentales reportados por Vicente en el
2009 y los del presente trabajo, se llegó a la conclusión que en ambos
trabajos se obtuvieron resultados cercanos, debido a que manejó una
diferencia de temperatura de aproximadamente 11°C y utilizaron las mismas
muestras.