Aislación térmica de una vivienda. Integrantes: • Korina Vera • Hernán Pacheco • César Solis Profesora: • Yazmina Olmos Asignatura: • Física III `` Índice Aislante térmico de una vivienda 1.Resumen ........................................................................................................................... 3 2.Introducción...................................................................................................................... 4 3.Marco Teórico .................................................................................................................. 5 Conducción....................................................................................................................... 6 Convección ....................................................................................................................... 7 Radiación .......................................................................................................................... 8 4.Materiales y Construcción ................................................................................................ 9 Aspectos que considerar ................................................................................................... 9 Materiales ....................................................................................................................... 12 5.Aplicación de los aislantes en la Industria y su importancia ......................................... 15 6.Cálculos .......................................................................................................................... 16 Modelo ........................................................................................................................... 17 7.Conclusión ...................................................................................................................... 21 8.Bibliografía ..................................................................................................................... 22 `` 1. Resumen El tema de la aislación térmica de las viviendas ha sido investigado desde principios de la existencia humana, esto debido a la necesidad del hombre y mujer de mantener un buen vivir sin pasar frío ni calor. Poco a poco se han ido encontrando materiales muy útiles, técnicas muy efectivas y cálculos que permitan tener la mejor solución a la hora de mantener una vivienda a una temperatura agradable. Estos cálculos que se han ido encontrando para emplear al momento de aislar el hogar cada vez han ido mejorando mucho más, a lo largo que se consideran varios aspectos necesarios, como el material a ocupar de aislante, material de la vivienda, dimensiones de la vivienda. Hay tres mecanismos importantes en una vivienda, estos son, por conducción, convección y radiación. Estos tres mecanismos son los que han dado pie a fórmulas para el cálculo adecuado en distintas viviendas y en distintos estados ambientales, ya que una vivienda pierde calor por ventanas, puertas, techo, paredes, ventilación y suelo. El material del aislante es muy importante a la hora de elegir, ya que estos traen información relevante como densidad, permeabilidad, capacidad calorífica, etc. Sin embargo, el más importante es la conductividad que es la facilidad de transferencia de calor por el material, por lo tanto, mientras menor conductividad térmica mejor es el aislante térmico para la vivienda. `` 2. Introducción En la mayoría de las instalaciones, en donde habitamos, estamos o convivimos diariamente, se espera que exista una temperatura agradable para estar, y esto se puede conseguir mediante un buen sistema de calefacción, y/o ventilación, pero ¿De qué serviría un lugar con buenos equipos de calefacción y climatización si en donde son instaladas no están construidas con materiales que eviten una pérdida de calor significativa?. El flujo de calor está presente en la mayoría de los lugares en los que estamos, y no existe ninguno de ellos en donde éste sea cero, pero siempre se pretende que la pérdida de calor sea mínima. Es por esto, que como mencionamos anteriormente, precisamos de materiales que sean capaces de evitar la mayor pérdida de calor posible, que un conjunto de estos sean buenos aislantes térmicos. El aislamiento térmico lo definimos como la capacidad de controlar la transmisión de calor cuando se desea que no exceda ciertos límites, a continuación, expondremos materiales, cálculos con fórmulas, y un ejemplo hipotético de una vivienda que cumpla con ciertos estándares. `` 3. Marco Teórico Básicamente, un sistema de aislación térmico es un conjunto de materiales y técnicas de instalación que se aplican en su mayoría en elementos de construcción que separan de un sistema climatizado del exterior o de otros sistemas para disminuir la transferencia de calor entre ellos. En el ámbito de la construcción, todos los materiales son aislantes, pero en la superioridad de los casos se utilizan aislantes térmicos específicos, los que se caracterizan por su baja conductividad térmica. En el tema de conductores o aislantes térmicos aparece otro concepto importante: transferencia de calor. Los tres mecanismos más importantes son: conducción, convección y radiación. • El mecanismo de conducción (transferencia de calor a través de un material sin movimiento macroscópico) se realiza a través de los materiales. • El mecanismo de convección (transferencia de calor con existencia de un movimiento macroscópico de los materiales) se realiza a través de los gases o líquidos, pudiendo ser el movimiento provocado o natural. • El mecanismo de radiación (transferencia de calor entre superficies sin la necesidad de la presencia de un medio material entre ambas) se realiza a través del vacío o de medios transparentes o semitransparentes. `` Aunque en una situación real existen los tres tipos de transferencia de calor, en esta parte los analizaremos por separado. Conducción Al considerar una varilla de largo L, la ecuación que rige la transferencia de calor por conducción para este caso es la conocida ecuación de Fourier, la cual considera que la densidad de flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente de temperaturas perpendicular al área considerada: π»= ππ ππ = −π · π΄ · ππ‘ ππ (1)πΏππ¦ ππ πππππ’πππóπ ππ πππππ ππ πΉππ’ππππ La cual mediante integración se transforma en: πΏ π2 π» ∫ ππ₯ = −ππ΄ ∫ ππ 0 π1 (π2 − π1 ) π» = −ππ΄ (2) πΏ `` En donde k corresponde a la conductividad térmica del material (W/m·K), A es el área transversal uniforme (m²) y perpendicular al flujo y L es la longitud del camino de flujo de calor (m). Las unidades de flujo de calor son unidades de energía por tiempo, en donde la unidad en el SI es Watt (1 W = 1 J/s). En el campo de aislamiento térmico de edificios, en ingeniería se usa el concepto de resistencia térmica, denotada como R (unidad SI es 1 m²·K/W), el cual en una placa de material con área A se define como el flujo de calor H que atraviesa por ella como: π»=π΄ (π1 − π2 ) π En donde π1 π¦ π2 son las temperaturas de la placa a ambos lados. Al comparar esta ecuación con la de flujo se tiene que: π = πΏ π Donde L es el espesor de la placa, k la conductividad térmica, y la unidad de medida de R en el SI es 1 m²·K/W. Convección La transferencia de calor por convección consiste en el movimiento de una masa de fluido de una región del espacio a otra. Como ejemplos conocidos tenemos los sistemas de calefacción domésticos de aire caliente y de agua caliente, también el sistema de enfriamiento de un motor de coche y el flujo de sangre en el cuerpo. Este tipo de transferencia es un proceso muy complejo, y no puede describirse con una ecuación simple, así que, en el caso experimental de este informe, será considerada solo en términos generales. `` Radiación La radiación es la transferencia de calor por ondas electromagnéticas como: la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. Como ejemplos claros de estas situaciones son: el calor de las brasas en un hogar, o el calor transmitido por la luz solar; el calor de estos cuerpos tan calientes es entregado mediante radiación. La razón de radiación de energía de una superficie es proporcional a su área, y aumenta rápidamente con la temperatura, entonces la corriente de calor H= dQ/dt debida a radiación de un área con emisividad es: H=A·ε·σ·Tβ΄ (flujo de calor por radiación) Donde A es el área superficial del cuerpo, σ es la constante de Stefan-Boltzmann, cuyo valor numérico es: 5.6704 x 10^-8 [ W/m²· Kβ΄], T es la temperatura absoluta de la superficie y ε es el coeficiente de emisividad del material. En la siguiente imagen se muestran valores de emisividad de algunos materiales: `` 4. Materiales y Construcción Para la construcción de una vivienda, los materiales a ocupar para la aislación térmica de ella, hasta el día de hoy son bastantes, en consideración a los últimos 20 años, ya que en épocas anteriores poco y nada se aislaba térmicamente una construcción, esto se debe a el progreso en materiales y al desarrollo que se les está dando. Los fabricantes de aislantes térmicos siguen trabajando para otorgar un mejor material para la construcción de las viviendas, por lo cual no siempre haya pocas opciones, ya que, al momento de construir su hogar se debe tener en cuenta varios aspectos, como el económico, dimensiones, estéticos, ubicación, etc. Nosotros otorgaremos al lector las características principales de los materiales a ocupar para la aislación térmica y los aspectos a considerar en la construcción. Aspectos a considerar Al momento de seleccionar un material lo principal que hay que tener en cuenta es la conductividad, sin embargo, también a considerar es su densidad, rigidez estructural, la estabilidad química, la degradación, entre otros, pero esencialmente es el costo de este. Muchos materiales pierden entre un 5% y 20% de su calidad de aislación en el primer año de uso, debido a si absorben humedad, aumenta considerablemente su conductividad y pierden aislación. Algunos aislantes sueltos tienden a juntarse, hacerse compacto y duros. Todo esto fue considerado por los fabricantes y para ello hay especificaciones que vienen en conjunto con el material a la hora de adquirirlo, y que son: `` • Conductividad: expresada en (W/m·K). Tendrá que estar indicada la temperatura para la que es válido el valor de conductividad indicado, ya que ésta es variable con la temperatura. También es variable con la humedad, por lo que se supone que el valor dado se refiere al material seco. La conductividad es la facilidad de transferencia de calor por el material. • Permeabilidad: expresada en g/ (m·s·Pa). Algunos materiales pueden incorporar barreras de vapor. • Densidad aparente: expresada en kg/m³. Si el material tiene un espesor fijo, puede indicarse en kg/m². `` • Capacidad calorífica: No es necesario en caso de transmisión de calor en régimen estacionario, pero es importante para casos de análisis de comportamiento del aislante durante un tiempo. • Propiedades mecánicas: resistencia a la compresión, resistencia a la flexión y coeficiente de dilatación térmica. • Absorción de agua: puede expresarse en % de volumen de agua por volumen de material. Es importante, porque la humedad hace variar valores como: la conductividad, la densidad y la capacidad calorífica. • Intervalo de temperaturas: Ver si hay degradación de algún tipo a partir de determinadas temperaturas. • Comportamiento químico: Con el paso del tiempo pueden liberarse algunos compuestos químicos que pueden ser nocivos en algún aspecto. • Estabilidad: Frente al fuego, a los agentes químicos y a los microorganismos. • Datos económicos: Tiempo de vida del material, facilidad de instalación, coste unitario. Etc. `` Materiales Estos son los materiales que se encuentran en el mercado y son los más usados para la aislación térmica: • Poliestireno expandido (EPS): es una espuma rígida de color blanco de gran trabajabilidad, caracterizada por un termoplástico celular de baja densidad y alta resistencia físico-mecánica en relación con su reducido peso aparente. Se aplica sencillamente ya que vienen en placas que se pueden amoldar al lugar deseado. Estos productos, la conductividad térmica varia por la fabricación, que depende del gas de esfumación utilizado, pero esta varía entre 0,031 y 0,036 W/m·K. • Lana mineral: material ligero y flexible constituidos por un entrelazado de filamentos de minerales inorgánicos, formando una estructura, que mantiene el aire en estado inmóvil en su interior. Se coloca sencillamente en el lugar deseado ya que es flexible y moldeable. El valor de la conductividad térmica de la lana mineral varía entre 0,04 y 0,032 W/m·K. `` • Lana de vidrio: es un producto que se hace fundiendo arena con un alto contenido de sílice a altas temperaturas, donde el resultado final es algo parecido a la lana mineral, de poco peso aparente y espumoso. Se coloca de una forma sencilla ya que es moldeable y viene en laminas como se muestra en la imagen, además que es de fácil corte al igual que la lámina celulosa y la lámina mineral. • Lana de celulosa: consiste en papel de periódico reciclado tratado con ácido bórico para darle propiedades ignífugas, fungicidas e insecticidas. Es de una contextura parecida a la de la lana de vidrio y la lana mineral, por eso es moldeable y fácil instalación. Su conductividad térmica varía entre 0,038 y 0,041 W/m·K. `` • Poliuretano proyectado o expandido: Es un material plástico de composición celular, la mezcla de los dos componentes poliol e isocianato, líquidos a temperatura ambiente, produce una reacción química exotérmica. Es también conocida como espuma de poliuretano, referente a su aplicación, ya que se aplica proyectándose como espuma en el sector deseado. La conductividad térmica es alrededor de 0,028 W/m·K. • Corcho: Es un buen aislante térmico y además ecológico. El espesor de este material depende la zona geográfica en donde se aplicará. Es apropiado para los ambientes húmedos. El corcho es la corteza de un árbol llamado alcornoque. Su conductividad térmica es entre 0,04 y 0,30 W/m·K. `` 5. Aplicación de los aislantes en la Industria y su importancia La aislación térmica en la industria se utiliza principalmente por: las condiciones de proceso, seguridad (para evitar la corrosión producida por condensaciones de productos líquidos o gaseosos), impacto ambiental (permite una reducción de costos de emisión de CO2, y así como proporcionar una protección contra futuros costes de la energía), y ahorro energético (reduciendo la pérdida o ganancia de calor y por lo tanto reducir la cantidad de energía necesaria para mantener el equilibrio del proceso y por lo tanto abaratar costos, considerando también la vida útil de la instalación). Algunos ejemplos en donde se emplea son las industrias aeroespaciales, como vehículos espaciales (vivienda temporal de un astronauta), que requieren del uso de un sistema de protección térmico (TPS) para protegerlos de calentamiento aerodinámico. El calentamiento aerodinámico es generado en la superficie de un objeto durante su entrada debido a la combinación de la compresión y la fricción del gas atmosférico, lo cual es vital para mantener la distribución de la temperatura del vehículo, y así un sistema de aislación térmica para mantener la misma. También dentro de las aplicaciones se encuentra el sistema de calderas, considerando en ésta la parte inferior de la caldera, sensores de nivel, puertas delantera y trasera, bombas de condensado, etc. La aislación térmica en estas partes se debe a que son expuestas a altas temperaturas y presiones. Y por último en la arquitectura también se considera, debido a que se desean las óptimas condiciones para que el usuario pueda hacer uso de la instalación sin tener que acceder a una cantidad mayor de sistemas de calefacción, u otros, con esto se puede optimizar el ahorro monetario y energético. `` 6. Cálculos En esta sección se llevarán a cabo los cálculos de flujo de calor para una vivienda y cómo reacciona el aislante. Para proceder a realizar estos cálculos se dispone de la ecuación de flujo de calor que es: (π2 − π1 ) [π] (2)πΉππππ’ππ ππ πΉππ’ππ ππ πΆππππ π» = −ππ΄ πΏ La cual mediante arreglos de signo y haciendo que k divida a L se tiene que: (π1 − π2 ) [π] πΉππππ’ππ ππ πΉππ’ππ ππ πΆππππ π»=π΄ πΏ π En el caso de transferencia de calor entre un ambiente exterior y otro interno, pudiendo ser un objeto cualquiera como un refrigerador o cooler, o incluso en viviendas y edificaciones, se considera un cambio en la nomenclatura de L, la cual simboliza largo, y se coloca una “Ο΅” para simbolizar que se refiere a un espesor de una pared o placa. Para la transferencia de calor entre una vivienda y el exterior, se considera que el flujo que existe entre la pared interna, el aislante y la pared externa, como transferencia de calor por placas o en serie, la cual queda expresada como: (π1 − π2 ) π» = π΄π ππ ππ [π] (3)πΉππππ’ππ ππ πΉππ’ππ ππ πΆππππ ππ πππππ π + + ππ ππ ππ Cuya ecuación en caso de poseer aún más capas entre las paredes de una vivienda y que al no conocerse el área de la sección transversal, la ecuación se puede dejar de manera práctica como: π» (π1 − π2 ) π = [ 2 ] (4)πΉππππ’ππ ππ πΉππ’ππ ππ πΆππππ πππ π2 π π π π΄ π ∑π=1 ππ `` Lo que equivale a decir como la transferencia de calor por área de sección transversal en un sistema pared interior-aislante-pared exterior. π» (π1 − π2 ) =π π π π π΄ + π+ π π π ππ ππ Modelo A continuación, se procederá a hacer una comparación entre dos situaciones distintas, en donde una vivienda contará con material aislante y otra que no posea. Se utilizará como ejemplo una vivienda con las siguientes condiciones: • Una pared exterior e interior de madera de espesor de 2 cm (k=0.12 W/m·K). • Un aislante de poliestireno expandido entre ambas paredes de un espesor de 8 cm, completando un grosor de pared de 12 cm (k=0.034 W/m·K). • Para el techo una plancha de zinc de 0.04 cm (k= 109 W/m·K) y una pared interna de madera de 2 cm, completando un grosor total de 15 cm. • El aislante para el techo es fibra de vidrio de espesor 12.9 cm (k= 0.04 W/m·K). • Ventanas de vidrio de espesor de 2 cm (k=0.8 W/m·K). • Una puerta de madera de espesor de 6 cm (k=0.12 W/m·K). • Temperatura exterior π2 de 0° C y temperatura al interior π1 de la vivienda 20°C. El resultado será expresado en Watt/m². se realizarán dos cálculos para la misma situación, uno con aislante y otro sin aislante, considerando el aire entre ambas paredes. Para la situación en donde la vivienda cuenta con aislante térmico se tiene: (π1 − π2 ) (20.0 − 0.0) π» π ππ΄π πΈπ·πΈπ βΆ =π = = 7.45 [ ] π π 2 0.02 0.08 0.02 π π΄ π + π+ π + + ππ ππ ππ 0.12 0.034 0.12 `` π» (π1 − π2 ) (20.0 − 0.0) π = = = 800 [ ] ππ£ 0.02 π΄ π2 ππ£ 0.8 π» (π1 − π2 ) (20.0 − 0.0) π πππΈπ ππ΄ βΆ = = = 266.67 [ ] ππ 0.06 π΄ π2 ππ 0.8 (π1 − π2 ) (20.0 − 0.0) π» π ππΈπΆπ»π βΆ =π = = 5.89 [ ] π π 2 0.0004 0.129 0.02 π π΄ π + π+ π + + ππ ππ ππ 109 0.04 0.12 ππΈπππ΄ππ΄π βΆ En la fórmula se utiliza temperatura interior menos la temperatura exterior, debido a que esto arrojará el resultado del flujo de calor desde el interior del hogar al exterior. Al comparar los resultados recién obtenidos entre las paredes, ventanas, techo y puerta, se puede apreciar una gran diferencia en la transferencia de calor por metro cuadrado entre los materiales de construcción que poseen aislamiento, a su vez que se observa que mayoritariamente la fuga de calor de la vivienda hacia el exterior sucede a través de ventanas y puertas que carecen del material adecuado para la aislación térmica. Ahora procederemos a analizar la misma situación, solo que, para una vivienda sin materiales de aislamiento y sin considerar el aire que se encuentra entre las paredes exterior e interior, ya que se considera un fluido, el cual dificulta calcular la conductividad térmica para fines prácticos. Entonces se tiene lo siguiente: ππ΄π πΈπ·πΈπ βΆ ππΈπππ΄ππ΄π βΆ `` (20.0 − 0.0) π» (π1 − π2 ) π = π = = 60 [ ] π 2 0.02 0.02 π π΄ π + π + ππ ππ 0.12 0.12 π» (π1 − π2 ) (20.0 − 0.0) π = = = 800 [ 2 ] π 0.02 π£ π΄ π ππ£ 0.8 πππΈπ ππ΄ βΆ ππΈπΆπ»π βΆ π» (π1 − π2 ) (20.0 − 0.0) π = = = 266.67 [ 2 ] π 0.06 π π΄ π ππ 0.8 (20.0 − 0.0) π» (π1 − π2 ) π = π = = 120 [ ] π 2 0.0004 0.02 π π΄ π + π + ππ ππ 109 0.12 En el caso que acabamos de analizar se puede realizar una comparación directa entre una vivienda con aislamiento térmico y otra sin él, en donde se produce una gran diferencia entre las paredes (esta crece en torno a un 805% [W/m²]) y en el caso del techo (con un crecimiento mayor al 2000 % W/m²). De lo obtenido anteriormente se puede ver que el flujo de calor de la casa hacia el exterior es mucho más sin aislante que con él, es por eso que el hogar pierde calor cuando se esta en un clima como el de invierno, por lo tanto, al ser recíproco, en un clima caluroso como el de verano, la vivienda ganara calor; una cierta cantidad con aislante térmico, pero, imagínense como aumentaría la ganancia de calor del hogar sin aislante térmico, se podría decir que dentro del hogar habría un calor sofocante. `` `` 7. Conclusión Como resultado de la investigación hecha y presentada en este informe podemos concluir sobre la aislación térmica, que es demasiado importante para la buena habitabilidad de una persona, independiente del lugar situado la vivienda; ya que, al no tenerla en verano el ser humano no podría vivir con un calor demasiado agotador y en invierno la temperatura demasiado baja aumentaría el porcentaje de enfermedades en todas las personas. Para aislar térmicamente el hogar lo más importante es cubrir todo espacio posible, ya que la pérdida de calor en una casa se puede dar por la puerta, ventanas, ventilaciones, techo, paredes e incluso por el suelo; no existen aislantes perfectos, por esto la conductividad térmica influye mucho ya que mientras menor sea la conductividad, menor será la transferencia de calor por medio de este material. El cálculo mas accesible, por temas de las variables a ocupar y efectividad, sería el del mecanismo de conducción usando la fórmula de Flujo de Calor por Conducción (2), mejor aún la de Flujo de Calor por Conducción en Serie (3) y la de Flujo de Calor por π2 (4), esta última es útil al no saber el área total a aislar y (3) nos sirve mucho en la sección que seria pared exterior, aislante térmico y pared interior. Además, por el supuesto realizado se da a conocer que la casa gana calor en verano y en invierno pierde calor. `` Ya dicho el mejor aislante no existe, pero en ámbitos de investigación de materiales, cada vez se van encontrando y moldeando mejores aislantes, de fácil instalación y acceso económico adecuado para que toda vivienda tenga su aislante térmico. 8. Bibliografía • Física Universitaria Sears·Zemansky Undécima Edición Volumen 1 • http://www.thcoat.com/aislantes-termicos/conductividad-termica-de-materiales-deconstruccion • http://blog.goplaceit.com/noticias/2015/08/18/aislacion-termica-cuales-son-losmejores-materiales-para-aislar-mi-casa-contra-el-calor-y-el-frio/ • https://www.nasa.gov/centers/ames/spanish/research/humaninspace/humansinspac e-thermalprotec.html • https://procoen.com/aislantes-termicos-aplicaciones-calderas/ ``